(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱成形システム（１０）であって、
液体供給源（１６）と、
ガス供給源（１８）と、
熱エネルギーを加工物（１２）上に局所的に放出するように適合された熱源（２２）と、
前記熱源（２２）に結合されたノズル（１４、３０、１００）と
を有し、
前記ノズルは、内側環状部材（３２）と、第１及び第２の流体通路（３７、３９）を定める外側環状部材（３６）とを含み、
前記第２の流体通路（３９）は前記第１の流体通路（３７）に対し同心配置であり、前記第１の流体通路（３７）は前記ガス供給源（１８）と流体連通し、前記第２の流体通路（３９）は前記液体供給源（１６）と流体連通し、局所的に放出される前記熱エネルギーは前記第１の流体通路（３７）と同軸であり、
前記内側環状部材（３２）と前記外側環状部材（３６）は、前記液体供給源（１６）と前記ガス供給源（１８）のそれぞれの付着点から、それぞれの出口開口部（３４、３８）へ向かって収束する集束側壁（４１、４３）により定められ、
前記内側環状部材（３２）と前記外側環状部材（３６）のそれぞれは、レーザ成形時に安定したガスチャネルおよび液体カーテンを提供して、制御された雰囲気および効率的冷却を生じさせるために、それぞれの集束側壁（４１、４３）から延びてそれぞれの出口開口部（３４、３８）を定めるまっすぐなチャネル部分（４５、４７）を含む、
熱成形システム。
【請求項２】
前記熱源（２２）により供給される熱エネルギーに対し光学的に透明な板（３５）を更に含む請求項１記載の熱成形システム。
【請求項３】
前記ガス供給源（１８）は、不活性ガスを含む請求項１乃至２のいずれか１項記載の熱成形システム。
【請求項４】
前記液体供給源（１６）は、水を含む請求項１乃至３のいずれか１項記載の熱成形システム。
【請求項５】
前記第１の流体通路（３７）は、ガスチャネル（２０、１１０）を定め、前記第２の流体通路（３９）は、流体が流れるときにガスチャネル（２０、１１０）の周りに液体カーテン（２４、１１２）を定める請求項１乃至４のいずれか１項記載の熱成形システム。
【請求項６】
加工物（１２）を成形するプロセスであって、
熱エネルギーを前記加工物（１２）の表面に局所的に加える工程と、
前記加工物（１２）のところでガスおよび液体を同時に放出し、ガスチャネル（２０、１１０）を前記局所的に加えられる熱エネルギーの周りに、前記ガスチャネル（２０、１１０）の周りに液体カーテン（２４、１１２）を形成する工程と
を含み、
加工物（１２）のところでガスおよび液体を同時に放出する前記工程は、前記内側環状部材（３２）と前記外側環状部材（３６）のそれぞれの集束側壁（４１、４３）により定められた収束チャネル内の、前記液体供給源（１６）と前記ガス供給源（１８）のそれぞれの付着点から、それぞれの出口開口部（３４、３８）へ、まっすぐなチャネル部分（４５、４７）を通って流体を流すことを可能とし、前記まっすぐなチャネル部分（４５、４７）は、レーザ成形時に安定したガスチャネルおよび液体カーテンを提供して、制御された雰囲気および効率的冷却を生じさせるように、前記集束側壁（４１、４３）から延びて前記それぞれの出口開口部（３４、３８）を定める、
プロセス。
【請求項７】
前記ガスは、不活性ガスであり、前記液体は、水である請求項６記載のプロセス。
【請求項８】
前記ガスチャネル（２０）は、前記熱エネルギーと同軸であり、前記液体カーテン（２４）は、前記ガスチャネルの周りに同心円状の輪を形成する請求項６または７に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、熱成形プロセスに関するものであり、より具体的には、ガスチャネルの周りに液体カーテンを同時形成するように適合された熱成形システムおよび能動冷却プロセスに関するものであり、そこでは熱成形システムにより生成される熱エネルギーは、ガスチャネルを通り、形成される加工物上に伝搬する。
【背景技術】
【０００２】
熱成形プロセスは、熱源としてエネルギーを使用して、金型を使うことなく標的を恒久的に変形するプロセスである。熱源により引き起こされる局部加熱は、典型的には、標的の母材の溶融温度を超えないが、十分に高温であり局所的熱変形を引き起こす。熱エネルギーは、典型的には、標的表面の端から端までスキャンされ、その結果生じる標的内の局部的熱応力は、冷却運転後に標的に対し恒久的変形を引き起こす。例示的な熱成形システムでは、レーザを使用して、熱エネルギーを発生する。レーザ成形プロセスの基本的なメカニズムおよび物理的現象は文献において説明されており、概要については、Ｖｏｌｌｅｒｔｓｅｎ，Ｆ．，１９９４，“Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ  ａｎｄ  Ｍｏｄｅｌｓ  ｆｏｒ  Ｌａｓｅｒ  Ｆｏｒｍｉｎｇ，”Ｌａｓｅｒ  Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｎｅｔ  Ｓｈａｐｅ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＬＡＮＥ'９４，Ｖｏｌ．１，ｐｐ．３４５−３６０を参照されたい。概して、レーザ熱成形は、金属、シリコン、セラミックスなどを含むさまざまな材料を処理／成形するために使用することができる。
【０００３】
一般に複数のスキャンが使用され、複数の理由から有益であると考えられる。主な理由の１つは、単一スキャンから得られる曲げ角度よりも大きな曲げ角度が得られることである。複数のスキャンのもう１つの理由は、幾何学的形状を徐々に所望の幾何学的形状にし、これによりさらに、複雑な変形の作成が可能になるとともに、標的材料に対する損傷が最小限に抑えられることである。複数のスキャンプロセスにおいて、次のスキャンを適用する前に加工物が前のスキャンから冷まされるまで待つことが一般に望ましい。標的がまだ比較的熱いうちにその後のスキャンにより与えられる熱エネルギーが加えられた場合、表面吸収とともに、とりわけ材料機械的特性が影響を受け、その結果、スキャンとスキャンの間に適宜冷やされる標的の特性と非常に異なる特性が得られる。さらに、標的がまだ比較的熱いうちに熱エネルギーが加えられると、プロセスは、制御するのが困難であり、標的材料は、損傷を受ける可能性がある。さらに、複数のスキャンにおいて十分に冷ますことなく同じ経路上の一連のスキャン時に、曲げ角度のサイズは、典型的には、それぞれのその後のスキャンとともに減少することが判明している。そのため、プロセス制御の理由から、加工物をある知られている温度まで冷ましてから、それぞれのその後のスキャンを行うことが望ましい。
【０００４】
スキャンとスキャンの間の標的の周囲冷却は、スキャン時間に比べて比較的遅い。サイクルタイムを短縮するために、能動冷却プロセスが使用されてきた。例えば、１つのこのような能動冷却プロセスでは、不活性ガス流が加熱領域に送られ、熱成形時に収縮を増強する。他の能動冷却プロセスは、熱成形システムおよび加工物全体を、大量の不活性ガスを必要とし、成形システムのコストおよび占有面積を著しく増大するグローブボックスに似た制御された雰囲気環境内に置くことを含む。さらに他の能動冷却プロセスは、冷却すべきパーツに適当な液体を浸漬または噴霧することを使用する。しかし、これらの従来技術の能動冷却プロセスすべてにおいて、酸化が発生する可能性があり、これにより、パーツが熱成形プロセスに曝されて劣化し、それにより、疲労寿命が低下する可能性がある。さらに、酸化は、熱エネルギーと標的パーツとの間のカップリングの量を変える可能性があり、そのため、曲げ角度を予測することが困難である。さらに、ガス冷却を使用する能動冷却プロセスは、液体冷却ほど効率的ではないことに注意されたい。しかし、熱成形における液体冷却は、熱エネルギー蒸着に干渉する可能性がある。例えば、気泡形成は、熱エネルギー蒸着により製造される加工物が高温になることによる液相−気相変化の結果として発生しうる。
【０００５】
したがって、酸化する傾向を有しない、加工物へのレーザエネルギー蒸着に干渉することなくその後のスキャンとスキャンの間のサイクルタイムを短縮できる改善された能動冷却プロセスを実現することが望ましい。
【特許文献１】米国特許第５，２２８，３２４号公報
【特許文献２】米国特許第５，３５９，８７２号公報
【特許文献３】米国特許第５，７１９，３７４号公報
【特許文献４】米国特許第５，９７７，５１５号公報
【特許文献５】米国特許第６，１１４，６５２号公報
【特許文献６】米国特許出願公開第２００２／０１０８４２７Ａ１号公報
【特許文献７】米国特許出願公開第２００４／０２６８４１６Ａ１号公報
【特許文献８】外国特許第ＷＯ９５／０２４７５号公報
【特許文献９】外国特許第ＪＰ５０４３３５３号公報（要約）
【特許文献１０】外国特許第ＪＰ４２８８９３３号公報（要約）
【特許文献１１】外国特許第ＪＰ５１７７３６６号公報（要約）
【特許文献１２】外国特許第ＪＰ１３１３１１３号公報（要約）
【特許文献１３】米国特許第６，４１０，８８４Ｂ１号公報
【特許文献１４】米国特許第６，６４０，６０４Ｂ２号公報
【非特許文献１】Ｖｏｌｌｅｒｔｓｅｎ，Ｆ．，１９９４，“Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ  ａｎｄ  Ｍｏｄｅｌｓ  ｆｏｒ  Ｌａｓｅｒ  Ｆｏｒｍｉｎｇ，”Ｌａｓｅｒ  Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｎｅｔ  Ｓｈａｐｅ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＬＡＮＥ’９４，Ｖｏｌ．１，ｐｐ．３４５−３６０
【非特許文献２】Ｙ．Ｙａｍａｓｈｉｔａ  ｅｔ  ａｌ．，“ＵＮＤＥＲＷＡＴＥＲ  ＬＡＳＥＲ  ＷＥＬＤＩＮＧ  ＢＹ  ４ｋＷ  ＣＷ  ＹＡＧ  ＬＡＳＥＲ”，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．１０（Ｏｃｔｏｂｅｒ  ２００１），ｐｐ．８９１−８９５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記従来技術の課題を解決することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書で開示されるのは、熱成形システムおよび熱成形時に加工物を能動冷却するためのプロセスである。
【０００８】
一実施形態では、熱成形システムは、液体供給源と、ガス供給源と、加工物上に熱エネルギーを局所的に放出するように適合された熱源と、該熱源に結合され、第１および第２の流体通路を定める内側環状部材および外側環状部材備えるノズルとを含み、第２の流体通路は第１の流体通路に対し同心配置であり、第１の流体通路はガス供給源と流体で連絡し、第２の流体通路は液体供給源と流体で連絡し、局所的に放出される熱エネルギーは第１の流体通路と同軸である。
【０００９】
ノズルは、一方の開放端が媒体放出装置に固定されるように適合され、他方の開放端が媒体を放出し第１の流体通路を定めるように適合され、取入口開口部がそれらの開放端の中間に配置された内側環状部材、および一方の開放端が内側環状部材に取り付けられ、他方の開口部は第１の流体通路に対し同心配置の第２の流体通路を定め、取入口開口部がそれらの開放端の中間に配置された外側環状部材を含む。
【００１０】
加工物を成形するプロセスは、熱エネルギーを加工物の表面に局所的に加えること、および加工物にガスおよび液体を同時に放出し、局所的に加えられる熱エネルギーの周りにガスチャネルを、ガスチャネルの周りに液体カーテンを形成することを含む。
【００１１】
この開示は、開示のさまざまな特徴および含まれている実施例の以下の詳細な説明を参照することによりさらによく理解できるであろう。
【００１２】
図を参照する際に、類似の要素は類似の番号を振られている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
熱成形システムおよび熱成形時に加工物を能動冷却するためのプロセスは、一般に、ガスチャネルの周りに液体カーテンを同時形成するように熱成形システムを適合することを含み、熱成形システムにより生成される熱エネルギーは、ガスチャネルを通り、加工物上に伝搬する。加工物を熱エネルギーに熱暴露すると同時に、液体カーテンが急速冷却を行う。この方法では、液体の相変化および対流熱伝達をガス流と同時に使用して効果的な冷却を行い、それにより、スキャンとスキャンの間のサイクルタイムを短縮することができる。ガスチャネルを定めるガス流は、エンドユーザのガスの選択により指示されるように不活性雰囲気を与えることができる。したがって、加熱された加工物と液体との接触により引き起こされる気泡形成の従来技術における問題は、回避され、それにより、熱エネルギー歪みの発生を防ぐことができる。
【００１４】
便宜上、加工物の局部加熱のためレーザエネルギービームを発するレーザ熱成形システムを参照することにする。しかし、当業者には、以下で詳述するプロセスおよびレーザ熱成形システムを他の種類の熱成形システムに容易に応用できることは明白であろう。例えば、プラズマシステム、誘導システム、電子ビームシステム、アーク灯システム、抵抗加熱システム、火炎ベースシステムなどは、レーザ成形システムに関して後述する方法で修正して、類似の利点を得ることができる。
【００１５】
以下の説明では、レーザは、レーザエネルギービームを放射して意図された加工物を所望の高温まで局部加熱するのに適した出力を備える従来の構成をとりうる。好ましくは、レーザエネルギービームは、加工物の溶融温度よりも低いが、意図されたレーザ成形プロセスについて局部的熱変形を引き起こす十分に高い温度で加工物を局部加熱するために効果的である。同様に、レーザエネルギービームを供給するレーザの種類は、制限されることを意図されていない。例えば、レーザは、波長が１０６０ｎｍの連続波（ＣＷ）ネオジム（Ｎｄ）：イットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ）レーザ、紫外線波長レーザ、赤外線波長レーザ、または可視光波長レーザとすることができる。
【００１６】
加工物表面上のレーザエネルギービームのスポットサイズは、一般に、レーザ成形における重要パラメータと考えられる。気泡問題を解消し、レーザ成形時のレーザビーム歪みを回避するために、レーザエネルギービームは、レーザシステムを出た後ガス流により供給される媒体内で加工物に伝搬するのが好ましく、この概念は、直接エネルギー蒸着とも呼ばれる。酸化保護を実現するために、不活性ガスを使用することができる。
【００１７】
そこで図１を参照すると、加工物１２を熱成形する参照番号１０で一般に示されている例示的なレーザ成形システムが示されている。レーザ成形システムの光学コンポーネントは、特定の種類または構成に制限することを意図されていない。レーザ成形システム１０は、一般に、加工物をスキャンするモーションシステムを含み、そのいくつかの実施例は、数値制御（ＮＣ）システム、モーター駆動ステージ、およびロボットシステムを含むことができる。システム１０は、さらに、ステージの３次元の動きを正確に制御するための好適なソフトウェアで構成することができるデジタルプログラム可能コンピュータの形態を取りうるコントローラも含む。
【００１８】
システム１０は、以下でさらに詳しく説明するように、液体供給源１６およびガス供給源１８と動作可能なように連絡するノズル１４を含む。ノズル１４は、レーザ成形システム１０のレーザ発生コンポーネントから放射され、加工物１２の選択された領域に当てられるレーザエネルギービーム２２用の導管を備える。ガス供給源１８は、ノズルで動作可能であり、放射されるレーザエネルギービーム２０と同軸のガスチャネル２０を実現する。それと同時に、液体供給源１６からの液体は、ノズル１４を通って流れ、レーザエネルギービーム１６およびガスチャネル２０の周りに液体カーテン２４を設ける。ガスチャネル２０を実現するために、ガス供給源は、液体カーテン２４を定めるより高い密度の外部液体内でガスチャネル２０を定めるのに効果的な速度および圧力でノズル内を流れるのが好ましい。
【００１９】
好適なガスは、所望のアプリケーションに依存する。酸化の影響を受けやすい基板では、不活性ガスを用意することで、レーザ成形時に効果的に酸化を最小限に抑えおよび／または酸化剤と加工物との接触を防ぐことができる。好適なガスは、限定はしないが、アルゴン、窒素、ネオン、二酸化炭素、一酸化炭素、極低温ガスなど、さらにはそれらの混合物を含む。酸化を防止するのに適している他のガスは、当業者には明らかであろう。他の実施形態では、空気などの酸化ガスは、成形される加工物が、酸化の影響を受けないか、またはいくつかの特性を加工物１２の標的領域に与えることが望ましい場合に使用することが可能であろう。選択された１つまたは複数の特定のガスは、使用される熱成形温度で加工物と無反応となるように選択すべきであるか、または必要ならば、１つまたは複数のガスは、特定のアプリケーションに対し望ましい場合に反応性を持つように選択することができる。安全上の理由から、選択されたガスまたはガス混合気は、不燃性でなければならない。
【００２０】
液体は、選択された特定ガスよりも高い密度を持つように選択されるのが好ましい。好適な液体は、一般に加工物と無反応である水、極低温液体など、およびガスチャネルを実現するために使用されるガスを含む。いくつかの実施形態では、液体は、使用されるレーザ成形条件の下で酸化しないように選択される。液体の粘度は、液体流（つまり、液体カーテン）が安定するように変更できる。同様に、レーザ熱成形時に加工物に生じる悪影響が効果的に防止されるように液体組成を修正できる。例えば、液体は、さび止め／防止添加剤、還元剤などを含むことができる。他の実施形態では、液体は、運転時に液体が液体カーテンを形成する場合に液体とガスの混合物を含むことができる。この制約された環境は、不完全な液体カーテンだと酸化を生じる可能性があるため、高品質レーザ成形にとって商業的に価値がある。都合のよいことに、本明細書で説明されているようなレーザ成形システム１０は、成形される加工物上に高い冷却率の直接レーザ蒸着を行い、また制御された雰囲気を有する。
【００２１】
ノズル１４は、加工物１２に関して移動するように適合され、レーザエネルギービーム２２が加工物の選択された領域を熱的に加熱するときに、加工物の温度を、ノズルが加工物に関して移動するときに（またはいくつかのレーザ成形システムの場合のように加工物がノズルに関して移動するときに）液体カーテン２４を定める液体の温度まで急速に下げることができる。これにより、マルチスキャンレーザ成形プロセスにおけるサイクルタイムを著しく減らせる。例えば、本明細書で説明されているようなガスチャネルおよび液体カーテンを使用せずに、ガスのみまたは液体のみを使用するレーザ成形システムは、それぞれのスキャンの間に１０秒を超える冷却時間を必要とした。同じ条件の下で、同時ガスチャネルおよび液体カーテンを使用するレーザ成形システムでは、それぞれの後続のスキャンの間に必要とする冷却時間は、ほぼ０秒であった。そのため、本明細書で説明されているようなガスおよび液体の同時流れを使用するレーザ成形プロセスのサイクルタイムは、大幅に短縮される。さらに、すべてのスキャンが同じ温度から始まる場合、温度低下および必要な冷却時間の一貫性は、液体流のみまたはガス流のみを施してスキャンの間の冷却を行わせる能動冷却プロセスに関して高められることが判明している。
【００２２】
図２および３は、レーザ成形システム１０で使用するのに適している本開示の一実施形態によるノズル３０を例示している。一般に、ノズル３０は、２つの同心開口部を使用してガスおよび液体チャネル２０、２４をそれぞれ定めるが、これは図１にすでに示されていた。ノズル３０は、出口開口部３４を持つ内側環状部材３２および出口開口部３８を持つ外側環状部材を備える。内側環状部材３２は、レーザ成形コンポーネントに、例えば、摩擦取り付け、ねじ込み、ボルト連結、溶接などで直接取り付けられ、出口開口部３４がシステム１０のレーザ発生コンポーネントにより放射されるレーザエネルギービーム２２と同軸になるように配置されている。好ましくは、内側環状部材３２全体にわたる内径は、レーザエネルギービーム２２が、ノズル内を伝搬するときに妨げられないような内径である。
【００２３】
レーザエネルギービーム２２は、図中矢印として示されているが、レーザ成形システムで典型的に使用されているように任意のプロファイルを持つことができる。同様に、環状部材により定められる出口開口部は、レーザエネルギービームプロファイルに対応するように適合することができる。例えば、出口開口部３４、３８は、ダイレクトダイオードレーザから放射されたレーザエネルギービームに合うように四角形の形状をとることができる。
【００２４】
任意選択の板３５は、放射されたレーザエネルギービーム２２の波長に対し光学的に透明であり、レーザ発生コンポーネントと内側環状部材３２の内部領域３７との中間にある。板３５は、約０.５ｍｍの厚さの薄い透明石英窓で形成することができる。この板は、熱膨張率が低く、透過されるレーザエネルギービームの熱エネルギーによる高い熱応力に耐えられる材料で製造されるのが好ましい。必要ならば、石英窓を好適な反射防止膜でコーティングし、石英窓自体のレーザ加熱を実質的に低減し、さらに使用中に窓が割れるという望ましくない事態が生じる可能性を低減することができる。
【００２５】
外側環状部材３６は、内側環状部材３２に取り付けられ、出口開口部３４に対し同心配置の出口開口部３８を含む。外側環状部材３６は、限定はしないが、摩擦取り付け具、ネジ、ボルト、溶接などを含む手段により取り付けることができる。内部領域３９は、内側環状部材３２と外側環状部材３６の間に形成される。
【００２６】
内側環状部材３２は、さらに、ガス供給源１６（図１に示されている）と流体で連絡する少なくとも１つの取入口５０を含むが、外側環状部材３６は、さらに、液体供給源１８（図１に示されている）と流体で連絡する少なくとも１つの取入口５２を含む。この方法で、レーザ成形システム１０の動作中に、レーザエネルギービーム２２は、ガスチャネル内に保持することができ、液体カーテンは、ガスチャネルの周りに形成することができる。
【００２７】
運転時、ガスチャネルおよび液体チャネルは、同時に形成される。つまり、ガス供給源１６からのガスは、内部領域３７への取入口開口部５０に流れ込み、出口開口部３４から出る。ガス流と同時に、液体供給源１８からの液体は、内部領域３９への取入口開口部５２に供給され、出口開口部３８から出る。ガスおよび液体流は、ガスチャネルおよび液体カーテンを形成するのに効果的な速度および圧力を有する。ガス供給源１６を動作させてガスを内部領域３７に導き、ノズルの初期組み立て後に入り込んだ空気を最初にパージできることに留意されたい。
【００２８】
一実施形態では、それぞれの環状部材３２、３６は、側壁４１、４３をそれぞれの付着点（つまり、レーザ発生コンポーネントまたは内側環状部材）付近からそれぞれの出口開口部３４、３８へ集中させることで定められる。他の実施形態では、それぞれの環状部材３２、３６は、さらに、それぞれ集束側壁４１、４３から延びて特定の出口開口部３４、３８を定めるまっすぐなチャネル部分４５、４７を含む。この方法で、安定した比較的滑らかなガスおよび液体流が得られ、これは、レーザ成形時に安定したガスチャネルおよび液体カーテンに変わり、制御された雰囲気および効率的冷却が生じる。さらに他の実施形態では、特定の出口開口部３４および／または３８を定める側壁部分４５、４７は、テーパー付きまたはカップ状の幾何学的形状を持つことができる。ノズル自体を形成できる材料は、好適な機械的特性を有する材料であれば、実質的にどのような材料であってよいことに留意されたい。ノズルは、銅、アルミニウム、およびその合金などの金属、セラミックスなどを加工して作られるのが好ましい。他の好適な材料も、本開示に鑑みて当業者にとっては明らかであろう。
【００２９】
一実施形態では、板３５、つまりレーザ発生コンポーネントの基準面から加工物１２までの距離（ノズルの先端と加工物との間の適当な間を隔てた距離を含む）は、１０ミリメートル（ｍｍ）未満であり、他の実施形態では、間を隔てた距離は、３から５ｍｍである。レーザの焦点は、加工物の上面に結ばれるのが好ましい。
【００３０】
例示されているノズル３０は、コンパクトであり、従来技術のシステムに関して少量の不活性ガスを保持するだけであるが、加工物のレーザエネルギービームおよび入射領域の周りに制御された環境をもたらす。ノズルは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザファイバ用カプラ、ダイレクトダイオードレーザヘッドなどのレーザ発生コンポーネントのレーザヘッドと直接的に一体化されるように設計することができる。レーザヘッドおよびノズルは、複雑なレーザ成形作業を実行するためにモーションシステムが備えることができ、上述のすべての利点を有する。このレーザ成形システムには柔軟性があるため、高さのある梁などの大きな寸法の構造物、３Ｄブレードおよび管などの複雑な構造物に使用することができるか、またはきついガス、水、化学薬品溶液などの、空気と異なる媒体で使用することができる。
【００３１】
上記の図は、加工物の表面に実質的に垂直に向き付けられたレーザエネルギービームを例示しているが、加工物の表面は、複雑な成形幾何学的形状に望ましいようにレーザエネルギービームに関して角度を付けることができることに留意されたい。
【００３２】
図４は、レーザ成形システム１０と併用するのに適している本開示の他の実施形態によるノズル１００を例示している。この実施形態では、ノズル１００は、レーザ成形システム１０からオフセットされている。ノズル１００は、ガス供給源１６と流体で連絡している第１の導管１０２および液体供給源１８と流体で連絡している第２の導管１０４を含む。それぞれの実施形態では、それぞれの流体を加工物上に放出するための出口開口部１０６、１０８は、それぞれの流体をレーザエネルギービーム２２の方向に関して斜めの角度で放射する。本明細書で使用されているように、「斜め」という用語は、レーザエネルギービームの方向に関して０度よりも大きく、９０度よりも小さい角度軸を意味する。任意選択で２つの独立のノズルが液体流とガス流の送出に使用され、ノズルの選択された一方はガス流を送出し、他方のノズルは液体を送出する。
【００３３】
ノズル１００は、ガスおよび液体流を加工物１２の表面上に送り、レーザエネルギービームが加工物の「乾燥」領域を照射し、乾燥領域はガス流により形成され、レーザエネルギービーム２２に対しガスチャネル１１０をもたらす。そこで、レーザエネルギービーム２２と加工物１２との接触は、ガス流について選択された１つまたは複数のガスにより定められたような制御された雰囲気内に置かれる。図に示されているように、液体カーテン１１０は、ガス流が吹き付けられた乾燥領域の周りに部分的に形成される。このようなノズルユニットは、レーザヘッド上にオフセットした形で装着するか、または近くの構造物上に取り付けることができる。本明細書で説明されている上記の実施形態と同様に、この設計では、さらに、能動冷却、直接エネルギー蒸着、および／またはガス保護も実現する。
【００３４】
完全なレーザ成形システムについては、レーザおよびモーション制御システム、経路計画システム、および現場幾何学的形状測定システムを統合する必要がある。レーザ成形システムは、そのような統合に都合がよいものであるが、それは、液体およびガス流を容易に停止することができ、加工物を異なる場所に移動し、背景技術の項で説明したグローブボックスの窓などの他のデバイスから干渉されることなく測定することができるからである。また、このノズル設計は、レーザ成形以外のレーザ材料処理アプリケーションに使用できることも理解される。レーザ表面処理、レーザ加工などがある。
【００３５】
加工物１２は、常に、不活性ガスに一部浸かっているため、次に所望のレーザ成形プロセスを行う場合に加工物の局所的熱歪みが生じるレーザ加熱による加工物の温度上昇から保護されている。
【００３６】
都合のよいことに、本明細書で開示されているレーザ成形システムおよび能動冷却プロセスでは、急速冷却を行えるように液体冷却およびガス保護の統合を行い、それにより、レーザスキャンとレーザスキャンの間のサイクルタイムが著しく短縮される。さらに、レーザ成形システムは、レーザスポットサイズの変化を補正する必要をなくする直接エネルギー蒸着用に設計されている。レーザ成形システムは、多目的に使用され、多次元板成形、ブレード修理などのさまざまな標的アプリケーションに使用するために実装することができる。液体およびガス送出ジェットは、レーザヘッドの統合された一部となりえ、大きな寸法の構造物上で使用することができる。前記の利点に加えて、ガスの選択結果に応じて、酸化を著しく最小限に抑えることができ、および／または排除することができる。
【００３７】
本明細書では、最良の態様を含む発明を開示し、さらに、当業者が本発明を作製し、使用することができるようにするために実施例を使用している。本発明の特許可能な範囲は、請求項により定められ、当業者が思い付く他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文字通りの言い回しと異ならない構造要素を持つ場合、または請求項の文字通りの言い回しとの実質的でない違いがある同等の構造要素を含む場合に、請求項の範囲内にあることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】一実施形態による熱成形システムの概略を例示する図である。
【図２】一実施形態による図１の熱成形システムとともに使用するのに適しているノズルの概略を示す図である。
【図３】図２の直線３−３に沿ったノズルの底面図である。
【図４】他の実施形態による熱成形システムの概略を例示する図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  熱成形システム
１２  加工物
１４  ノズル
１６  液体供給源
１８  ガス供給源
２０  ガスチャネル
２２  エネルギービーム
２４  液体カーテン
３０  ノズル
３２  環状部材
３４  出口開口部
３５  板
３６  外側環状部材
３７  内部領域
３８  出口開口部
３９  内部領域
４１  側壁
４３  側壁
４５  まっすぐなチャネル部分
４７  まっすぐなチャネル部分
５０  取入口開口部
１００  ノズル
１０２  第１の導管
１０４  第２の導管
１０６  出口開口部
１０８  出口開口部
１１０  ガスチャネル
１１２  液体カーテン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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