(57)【要約】  本発明は、レーザービームを用いて材料粉末を位置選択的に凝固させて結合された領域とすることにより、ワークピースを加工するための及び／又は成形体を製造するための機械（１）用の光学モジュール（２）に関する。光学モジュールは（２）、当該光学モジュール（２）を機械（１）に取り外し可能に取り付けるための手段を有するハウジングと（８）、レーザービームのビーム経路内を移動可能な、レーザービームをコリメートするための少なくとも２つのコリメーション光学系（４）を有する、ハウジング（８）内に取り外し可能に配置されたコリメーション光学系チェンジャー（３）と、を含む。本発明によれば、コリメーション光学系チェンジャー（３）は、コリメーション光学系（４）を自動的に交換するための機構を備える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザービームを用いて材料粉末を位置選択的に凝固させて結合された領域とすることにより、ワークピースを加工するための及び／又は成形体を製造するための機械（１）用の光学モジュール（２）であって、
前記光学モジュール（２）を前記機械（１）に取り外し可能に取り付けるための手段を有するハウジング（８）と、
前記レーザービームのビーム経路内を移動可能な、前記レーザービームをコリメートするための少なくとも２つのコリメーション光学系（４）を有する、前記ハウジング（８）内に取り外し可能に配置されたコリメーション光学系チェンジャー（３）と、を含み、
前記コリメーション光学系チェンジャー（３）は、前記コリメーション光学系（４）を自動的に交換するための機構を備える、光学モジュール（２）。
【請求項２】
前記コリメーション光学系チェンジャー（３）は、多数のコリメーション光学系（４）を有するレボルバーを備える、請求項１に記載の光学モジュール（２）。
【請求項３】
前記コリメーション光学系チェンジャー（３）は、前記コリメーション光学系（４）を冷却するための手段を備える、請求項１又は２に記載の光学モジュール（２）。
【請求項４】
前記コリメーション光学系チェンジャー（３）は、前記コリメーション光学系（４）の温度を測定するための手段を備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学モジュール（２）。
【請求項５】
前記光学モジュール（２）は、シールガス用の配管を接続するための手段を備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学モジュール（２）。
【請求項６】
前記光学モジュール（２）は、自動的に交換可能な集束レンズモジュール（１３）を取り付けるための手段を備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学モジュール（２）。
【請求項７】
前記光学モジュール（２）は、自動的に交換可能な粉末ノズル（１５）を取り付けるための手段を備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学モジュール（２）。
【請求項８】
前記光学モジュール（２）は、レーザービームを供給するための光ファイバーを接続するための手段（１０）を備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学モジュール（２）。
【請求項９】
前記学モジュール（２）は、加工プロセスを監視するためのカメラ（９）を備える、請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学モジュール（２）。
【請求項１０】
レーザービームを用いて材料粉末を位置選択的に凝固させて結合された領域とすることにより、ワークピースを加工するための及び／又は成形体を製造するための機械（１）であって、前記機械は請求項１〜９のいずれか１項に記載の光学モジュール（２）を備えることを特徴とする、機械（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザービームを用いて材料粉末を位置選択的に凝固させて結合された領域とすることにより、ワークピースを加工するための及び／又は成形体を製造するための機械用の光学モジュールに関する。本発明は、特に、選択的レーザー溶融、選択的レーザー焼結又はレーザー堆積溶接の原理によって成形品を製造するための機械用の光学モジュールに関する。特に、金属、プラスチック又はセラミックから成る材料粉末を使用することができる。更に、本発明による光学モジュールは、例えば、レーザー溶接、レーザー穿孔、レーザー焼入れ又はレーザー切断のための機械にも使用することができる。要約すると、レーザービームを用いてワークピース又は成形体を加工／仕上げ／製造するための様々なタイプの機械について、以下では、レーザー工作機械又は単に機械という用語が用いられる。
【背景技術】
【０００２】
選択的レーザー溶融、レーザー焼結又はレーザー堆積溶接の方法を用いて、機械部品、工具、人工補装具、装身具などのような成形体を、対応する成形体の形状記述データに従って、例えば、金属若しくはセラミックの材料粉末から、又は、プラスチック粉末から層状に構築することによって、製造又は加工することができる。製造プロセスにおいて、材料粉末は、成形体の型の選択された断面領域に対応する予め定められた領域において、集束されたレーザービームによって加熱され、その結果、材料粉末は、照射された領域において再溶融され、結合されて固化された部分を形成する。保護ガスが、構築プロセス中の酸化を防止することができる。冷却された後、機械加工することができる材料の層が生成される。
【０００３】
選択的レーザー溶融の分野に関する先行技術については、例えば、特許文献１を参照されたい。更に、冒頭で述べたタイプのレーザー工作機械は、例えば特許文献２から公知である。堆積溶接のための工作機械は、例えば、特許文献３に記載されている。特許文献４には、レボルバーとして形成された自動的な集束レンズ交換機構を備える、レーザービームによって加ワークピースを加工するための接続ヘッドが記載されている。 
非特許文献１は、急峻なテーパを介してＣＮＣ機械のフライス加工スピンドルに挿入されるレーザー加工光学系を記載している。レーザーの焦点内に、粉末ノズを通じて溶接金属（材料粉末）が供給される。同じ機械で、ワークピースをフライス加工することができる。
【０００４】
特許文献５には、材料粉末を溶融することによって３次元的な成形体を層状に構築するための機械が記載されている。材料粉末は、レーザー加工ヘッドに取り付けられた粉末ノズルによって加工点まで導かれ、そこで、粉末ノズルを通って導かれるレーザービームにより溶融される。当該機械は、レーザー加工ヘッドに取り付けられた粉末ノズルを交換する、粉末ノズル交換ユニットを備える。
【０００５】
特許文献６から、レーザー加工機械用の加工ヘッドが公知であり、当該加工ヘッドは、横方向に開放されたハウジングの形態の静止部分を備え、当該静止部分は、交換モジュールのための空間を取り囲んでおり、当該交換モジュールは、静止部分を個々の部品に分解する必要なく、全体として、加工ヘッドの静止部分から分離することができる。交換モジュールは、レーザービームと同軸に移動可能な集束光学系と、集束光学系の位置を決定するための測定装置とを含む。
【０００６】
レーザー工作機械は、通常、数百〜数千ワットの出力を有するレーザービームを供給するレーザーによって作動され、当該出力は、大抵の場合、連続作動（「連続波」、ＣＷ）で作動される。特にレーザービームから材料粉末へのエネルギー伝達は、加工プロセスにとって決定的であり得る。これは、一方では材料粉末の吸収能力によって、他方ではレーザービームの強度によって、影響を受ける。したがって、絶対レーザー出力に加えて、ビーム直径が溶融プロセスを決定する。レーザービームのビーム直径は、通常、集束光学系の焦点距離と、集束光学系の前におけるコリメートされたレーザービームのビーム直径とによって決定される。コリメートされたレーザービームのビーム直径は、特にコリメーション光学系交の焦点距離によって決定することができる。したがって、集束されたレーザービームのビーム直径、又は、ガウスレーザービームのウェストは、集束光学系の焦点距離を変えることなく、コリメーション光学系を適切に選択することによって適合させることができる。
【０００７】
先行技術によれば、レーザービームを用いて、特に選択的レーザー溶融又は選択的レーザー焼結によって、材料粉末を位置選択的に凝固させて結合された領域とすることにより、ワークピースを加工するための及び／又は成形体を製造するための、実質的に２つのタイプの機械が公知である。機械のタイプは、とりわけ、材料粉末の供給の態様及び方法に関して区別される。第１のタイプの機械では、粉末ベッドが層状に構築される。第２のタイプの機械では、材料粉末は、粉末ノズルによって加工部位に供給される。本発明は、特に、レーザー加工ヘッドによってレーザービームが供給される機械に関する。レーザー加工ヘッド及び／又はワークピースを移動させるための機械的な構造は、例えば、公知の５軸マシニングセンタのように実現することができ、機械的な工具の代わりにレーザー加工ヘッドが設けられている。数年前から、レーザー加工と、例えばフライス工具による機械加工との両方を可能とする工作機械も、市場で入手可能である。そのようなハイブリッドマシニングセンタでは、レーザー加工ヘッドを、工具スピンドルの受容部に取り付けることができる。
【０００８】
レーザー加工ヘッドは、例えば、レーザービーム又はレーザービームの出力をコリメートし、集束し、偏向し、監視し、スイッチングし及び／又は変調するといった、レーザービームを操作するための多数の光学部品を含むことができる。適切な手段を介して、機械、特に機械の調整軸に取り外し可能に取り付けることができる、交換可能な部品として予め組み立てられた光学モジュール内に、可能な限り多くの光学部品を統合することが有利であることが判明している。これにより、レーザー工作機械のメンテナンスを簡略化及び高速化することができ、その結果、遊休時間を短縮することができるため、機械をより効率的に使用することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２０１５２２２６８９号明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第２０５２８４５号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第１０２０１３２２４６４９号明細書
【特許文献４】独国特許出願公開第１９６３０１４７号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２０１７／０１３６５７８号明細書
【特許文献６】欧州特許出願公開第２０６２６７９号明細書
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Nowotny et al., "Laser-Einheit macht Auftragsschweisen auf Bearbeitungszentrum moglich", "MM:das Industriemagazin", ドイツ, Vogel社, 2009年, Vol.17, p.42以下
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の根底には、一方では迅速且つ容易に交換することができ、他方ではワークピースを加工するための又は成形体を製造するためのレーザービームの強度を、それぞれの要件に従って適合させることを可能とする、光学モジュールを提供するという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
当該課題は、レーザービームを用いて材料粉末を位置選択的に凝固させて結合された領域とすることにより、ワークピースを加工するための及び／又は成形体を製造するための機械用の光学モジュールによって解決される。光学モジュールは、当該光学モジュールを機械に取り外し可能に取り付けるための手段を有するハウジングと、レーザービームのビーム経路内を移動可能な、レーザービームをコリメートするための少なくとも２つのコリメーション光学系を有する、ハウジング内に取り外し可能に配置されたコリメーション光学系チェンジャーと、を含む。本発明によれば、コリメーション光学系チェンジャーは、コリメーション光学系を自動的に交換するための機構を備える。
【００１３】
特に、コリメーション光学系は、加工プロセス中に自動的に交換することができ、その結果、加工点におけるレーザービームの直径、及び、それに対応して加工点におけるレーザービームの強度を、加工プロセス中に自動的に調整することができる。コリメーション光学系チェンジャーが、コリメーション光学系を自動的に交換するための機構を備えていることにより、コリメーション光学系の交換は、手動で実施されるステップを必要とすることなく、加工プロセスに統合することができる。レーザービームの加工点は、通常、集束されたレーザービームの焦点に対応する。少なくとも２つのコリメーション光学系は、それぞれ少なくとも１つのコリメーションレンズを含むことができる。コリメーション光学系は、多数のレンズを含むこともできる。複数のレンズの組み合わせを有するコリメーション光学系の場合、例えば球面収差及び／又は非点収差に起因する結像誤差を補償することができる。
【００１４】
コリメーション光学系は、発散しながら光学モジュール内に結合されたレーザービームをコリメートする機能を果たす。例えば、レーザービームは、光ファイバーによって光学モジュール内に結合され得る。したがって、光学モジュールは、光ファイバーを接続するための手段、特にファイバーカプラーを備えることができる。光ファイバーは、数メートルを超えてレーザー光を搬送することができるので、プロセスチャンバーから離れた保護された場所にレーザーを配置することが可能である。コリメーション光学系と光ファイバーの端部との間の距離は、コリメーション光学系の焦点距離にほぼ対応する。コリメートされたレーザービームは、光学モジュールに取り付けられた集束光学系によって焦点上に集束させることができる。したがって、レーザービームは、集束されたビームとして光学モジュールを出る。集束光学系は、少なくとも１つの集束レンズを含むことができる。集束光学系は、多数のレンズを含むこともできる。複数のレンズの組み合わせを有する集束光学系の場合、例えば球面収差及び／又は非点収差に起因する結像誤差を補償することができる。
【００１５】
レーザー工作機械の光学部品は、一方では、比較的高いレーザー出力によって、より多くの摩耗を受ける可能性がある。他方において、特に、レーザー加工及び切削加工方法の両方を実行することができるハイブリッド機械の場合、例えば冷却媒体、ダスト、切削屑及び他の粒子によって、光学部品の汚染が引き起こされる可能性がある。更に、材料粉末は、光学部品の汚染に寄与する可能性がある。光学部品の上に堆積した汚染粒子は、特に高いレーザー出力の場合、光学部品に高い熱影響をもたらし、したがって、それらの損傷をもたらす可能性がある。したがって、損傷した又は汚染された場合に、光学部品を迅速且つ容易に交換することができることが望ましい。これは、一方では、光学モジュール全体が、予め組み立てられたアセンブリとして調整軸に取り外し可能に取り付け可能であり、したがって容易に交換可能であることによって達成される。他方、交換可能な光学部品は、光学モジュール全体を取り外すことなく迅速に交換することを可能とする。したがって、例えば、コリメーション光学系チェンジャーは、コリメーションチェンジャー全体又は光学モジュールの交換を必要とすることなく、コリメーション光学系を迅速に自動的に交換することを可能とする。
【００１６】
光学モジュール内に配置された光学部品は、それぞれ、光学モジュールのハウジング内に又はハウジング上に、取り外し可能に取り付けることができる。したがって、一方では、機械が作動している間に、光学部品を自動的に交換することができる。他方、メンテナンスすべき光学モジュールを、個々の光学部品を交換することにより、再び作動可能な状態とすることができる。例えば、コリメーションチェンジャーは、交換可能なモジュールとして、光学モジュールのハウジング内に取り外し可能に配置することができ、したがって、光学モジュールのメンテナンスの際に交換することができる。
【００１７】
個別に又は互いに組み合わせて使用することができる有利な構成及び発展形態は、従属請求項の主題である。
【００１８】
コリメーション光学系チェンジャーは、多数のコリメーション光学系を有するレボルバーを備えることができる。コリメーション光学系は、レボルバーの共通の駆動回転軸の周りに配置することができ、その結果、レボルバーを回転させることにより、自動的なレンズ交換を行うことができる。コリメーション光学系チェンジャーの駆動は、コリメーション光学系をレボルバーの共通の回転軸の周りに回転させる。これにより、多数のコリメーション光学系を有するコンパクトなコリメーション光学系チェンジャーを、有利な方法で実現することができる。特に、コリメーション光学系は、それらの対称軸がそれぞれレボルバーの駆動回転軸に対して平行に配向されるように配置されている。更に、コリメーション光学系は、それらの焦点距離に応じて、レーザービームの方向に沿って対応する位置に配置されており、その結果、発散するレーザービームをコリメートする。特に、ファイバーカプラーに対するコリメーション光学系の適切な距離は、コリメーション光学系の焦点距離にほぼ対応する。
【００１９】
レボルバーに代えて、コリメーション光学系チェンジャーは、駆動スライドを有する変位システムを備えることができ、コリメーション光学系は、それらの焦点距離に対応して平行な平面内に配置されており、変位によって、レーザービームのビーム経路内に移動されるか、又は、レーザービームのビーム経路外に移動され得る。このようにして、同様に、多数のコリメーション光学系を有するコンパクトなコリメーション光学系チェンジャーを実現することができる。
【００２０】
有利な光学モジュールにおいて、コリメーション光学系チェンジャーは、コリメーション光学系を冷却するための手段を備える。コリメーション光学系を冷却することにより、レーザービームからレンズへの熱伝達によるレンズの損傷を大幅に回避することができる。したがって、冷却により、レンズの寿命を延ばすことができる。更に、レンズの加熱は、レンズの焦点距離に影響を及ぼし得るレンズ形状の変化につながり得る。レンズを冷却することによって、そのような作用を低減することができる。特に、熱レンズの作用を低減することができる。
【００２１】
光学モジュールの有利な実施形態において、コリメーション光学系チェンジャーは、コリメーション光学系の温度を測定するための手段を備える。温度の測定は、特に、例えばＮＴＣ抵抗器のような温度センサによって行うことができ、当該センサは、測定値を機械制御部に出力することができる。コリメーション光学系を冷却するための手段と共に、コリメーション光学系の温度を設定値に調整することができる。コリメーション光学系を予め定められた温度で作動させる場合、レンズの光学的な特性に対する温度の影響を少なくとも一定に保つことができる。
【００２２】
光学モジュールは、好ましくは、自動的に交換可能な集束モジュールを取り付けるための手段を備える。集束モジュールは、例えば、少なくとも２つの締め付けボルトを介して光学モジュールと接続することができる。光学モジュールは、締め付けボルトのための対応する受容部を備えることができる。受容部は、特に、電磁的に、油圧により又は空気圧により作動可能な、又は、バネによって張力を付与されたクランプ機構として、構成することができる。光学モジュールは、更に、集束光学系又は集束光学系の保護ガラスの温度を監視するための手段を備えることができる。自動的に交換可能な集束モジュールを取り付けるための手段を備えることにより、集束光学系を自動的に交換することができる。これは、マシニングセンタ内の工具と同様に、製造又は加工プロセス中に完全に自動的に交換することができる。集束光学系及びコリメーション光学系の自動化された交換により、焦点におけるレーザービームのビーム直径は、要件に応じて広い範囲内で調整することができる。締め付けボルトは、集束モジュールを光学モジュールに迅速且つ確実に取り付けることを可能とする。更に、締め付けボルトは、集束モジュールが高い位置精度で光学モジュールに取り付けられるという結果をもたらす。
【００２３】
集束モジュールは、好ましくは、例えば、金属又は金属合金から製作された、円形断面を有する実質的に円筒状の支持体を含む。支持体内には、集束光学系が配置されている。好ましくは、集束光学系は、集束モジュールの支持体内に取り外し可能に取り付けることができ、その結果、集束光学系の交換が可能となる。集束光学系の焦点距離は、例えば、数百mmとすることができる。集束光学系は、慣用された集束レンズであってもよいし、複数のレンズの組み合わせであってもよい。集束モジュールは、好ましくは、集束光学系の温度を測定するための手段を備える。集束モジュールが集束光学系を冷却するための手段を備えることが、更に有利である。
【００２４】
集束モジュールは、集束光学系を汚染から保護するための少なくとも１つの保護ガラスを備えることができる。保護ガラスは、集束光学系に対する機械的な影響からも保護することができる。保護ガラスは、好ましくは、集束モジュールの支持体内に取り外し可能に取り付けられている。汚染された場合には、保護ガラスを交換することができる。好ましくは、軸方向において集束光学系の両側の、集束モジュールの支持体内に、保護ガラスが配置されており、その結果、集束光学系は、両側から汚染に対して保護されている。集束モジュールは、少なくとも１つの保護ガラスの温度を測定するための手段も備えることができる。したがって、保護ガラスの汚染は、例えば温度上昇によって決定することができる。
【００２５】
光学モジュールは、更に、自動的に交換可能な粉末ノズルを取り付けるための手段を備えることができる。粉末ノズルは、例えば、少なくとも２つの締め付けボルトを介して光学モジュールと接続することができる。このために、光学モジュールは、締め付けボルトのための対応する受容部を備えることができる。受容部は、クランプ機構を備えることができ、当該クランプ機構は、特に、油圧により又は空気圧により作動可能な、又は、バネによって張力を付与された機構として、構成することができる。締め付けボルトは、粉末ノズルを光学モジュールに迅速且つ確実に取り付けることを可能とする。更に、締め付けボルトは、粉末ノズルが高い位置精度で光学モジュールに取り付けられるという結果をもたらす。
【００２６】
粉末ノズルは、１つの部品から又は複数の部品から構築することができる。複数の部品から成る構造の場合、粉末ノズルは、粉末ノズルフランジを含むことができ、当該粉末ノズルフランジには、粉末ノズルを光学モジュールに取り付けるための手段、例えば少なくとも２つの締め付けボルトが配置されている。粉末ノズルフランジには、更に、保護ガス、キャリヤガス、冷却媒体及び／又は材料粉末を供給するためのインターフェースを配置することができる。粉末ノズルフランジは、好ましくは、粉末ノズルチップのための支持体として形成された中央部に配置することができる。粉末ノズルチップは、粉末ノズルの中央部に取り外し可能に取り付けることができ、その結果、粉末ノズルチップの交換が可能である。
【００２７】
粉末ノズルは、特に中央部に、材料粉末をレーザーの焦点に搬送するために、材料粉末用の少なくとも１つのチャネルを備える。好ましくは、粉末ノズルは、少なくとも２つ又は３つ又は４つ以上の材料粉末チャネルを備え、当該材料粉末チャネルは、材料粉末をレーザー焦点に可能な限り均等に導くために、分岐していてもよい。材料粉末チャネルの分岐又は材料粉末の同軸的な誘導は、特に粉末ノズルの先端で行われる。粉末ノズルチップは、このために、レーザービームに対して同軸に形成された環状の開口に沿った材料粉末の均一な分布をもたらす環状ギャップを備えることができる。好ましくは、材料粉末は、材料粉末を可能な限り均等に環状ギャップ内に導くために、材料粉末チャネルから多数の開口を通って環状ギャップ内に案内される。
【００２８】
材料粉末のためのチャネルは、保護ガス又はキャリヤガスを供給するためにも使用することができる。保護ガス又はプロセスガスは、加熱された材料粉末と空気中の酸素との反応を阻止する機能を果たす。更に、保護ガスは、キャリヤガスとして、材料粉末の輸送を生じさせることができる。材料粉末は、その後、キャリヤガスの流れによって運ばれ、材料粉末チャネルを通ってレーザービームの焦点における加工点まで運ばれる。保護ガス又はキャリヤガスとしては、特に、例えばアルゴンのような不活性ガスが適している。粉末ノズル内に設けられる材料粉末チャネルが多いほど、材料粉末の流量を大きくすることができる。材料粉末をレーザービームの焦点に可能な限り均等に導くために、少なくとも３つ又は４つの材料粉末チャネルを有する構成が有利であることが判明している。任意選択的に、粉末ノズルは、異なる粉末粒径に対して異なる直径を有する多数の様々な材料粉末チャネルを備えることができる。
【００２９】
光学モジュールは、光学モジュールに配置された材料粉末用の配管から粉末ノズルの材料粉末チャネル内に材料粉末を導くために、多数のインターフェースを含むことができる。インターフェースは、例えば、粉末ノズルを取り付けるためのフランジ上の入口開口として形成することができる。入口開口は、粉末ノズルを光学モジュールに取り付ける際の気密な封止のための封止手段を含むことができる。入口開口は、当該入口開口を光学モジュール上の配管と整列させるための手段を含むことができる。
【００３０】
粉末ノズルは、当該粉末ノズルを冷却するための液体冷却媒体のための冷却チャネルを備えることができる。粉末ノズルに冷却媒体を供給するために、光学モジュールは、対応する配管を備えることができる。好ましくは、光学モジュールは、少なくとも、１つの冷却媒体サプライライン及び１つの冷却媒体リターンラインを備える。粉末ノズルは、好ましくは、光学モジュールの冷却媒体サプライライン及び冷却媒体リターンラインと粉末ノズルの冷却媒体チャネルとの間の取り外し可能なインターフェースとして、少なくとも２つのカップリングを備える。カップリングは、例えば、光学モジュール上の対応する相手部品と接続することができるクイックカップリングとして構成することができる。
【００３１】
自動的に交換可能な粉末ノズルを取り外し可能に取り付けるための手段を設けることにより、粉末ノズルを自動的に交換することができる。これは、マシニングセンタの工具のように、製造又は加工プロセス中に完全に自動的に交換することができる。
【００３２】
光学モジュールは、更に、加工プロセスを監視するためのカメラを備えることができる。カメラの視線方向は、例えばダイクロイックミラーによって、レーザーのビーム経路と重ね合わせることができ、その結果、カメラは、レーザービームに沿って加工点を見て、プロセスを監視することができる。特に、ダイクロイックミラーを冷却し、温度を監視することができる。
【００３３】
光学モジュールを通るビーム経路は、好ましくは気密に封止されており、その結果、シールガス雰囲気を維持することができる。シールガスとしては、特に、例えば窒素又はアルゴンのような不活性ガスを使用することができる。重要なことは、とりわけ、シールガスが、光学部品を汚染し得る粒子を含まないことである。好ましくは、光学モジュールのハウジング全体が、気密に封止されている。光学モジュールのハウジング内にシールガス雰囲気を構築するために、光学モジュールは、好ましくは、対応するガス導管及び／又は供給配管を接続するための手段を備える。ハウジングを気密に封止する代わりに、ハウジングは、シールガスを供給することによりハウジング内に僅かな過剰圧力を形成することが可能であるように構築することもでき、その結果、ダスト粒子又は材料粉末粒子が光学モジュールの内部に達することを防止することができる。
【００３４】
有利な光学モジュールは、プロセスガス用の供給配管を接続するための手段を備える。プロセスガスは、空気中の酸素との反応によるワークピースの酸化を防止することができる。プロセスガスは、材料粉末を搬送するためのキャリヤガスとしても機能することができる。光学モジュールは、好ましくは、粉末ノズル内のチャネルとの適切なインターフェースを介して、プロセスガスをレーザービームの焦点（加工点）に導くために、プロセスガス用の配管を備える。適切なプロセスガスとしては、特に不活性ガス、例えばアルゴン又は窒素を使用することができる。特に、プロセスガスは、粉末ノズルを通って加工点に導かれる。
【００３５】
好ましくは、コリメーション光学系は、それぞれ、当該コリメーション光学系を汚染から保護するための少なくとも１つの保護ガラスを備える。保護ガラスは、
【００３６】
コリメーション光学系の前及び／又は後のビーム経路に配置されている。レーザーへ戻る擾乱反射を防止するために、保護ガラスは、反射防止コーティングを備えることができ、及び／又は、ビーム方向に対して小さな角度で配置されることができる。保護ガラスが汚染され又は損傷した場合には、保護ガラスを取り外して交換することができる。したがって、コリメーション光学系は、汚染及び損傷から、効果的且つ容易に保護され得る。
【００３７】
光学モジュールの有利な実施形態において、コリメーション光学系チェンジャーは、少なくとも３つ、更に好ましくは少なくとも４つ又は少なくとも５つのコリメーション光学系を備える。より多くのコリメーション光学系がコリメーションチェンジャー内に配置されているほど、より多くの様々な焦点距離を提供することができ、その結果、より多くの様々なビーム直径を提供することができる。様々な焦点距離を有するコリメーション光学系に加えて、複数の同一のコリメーション光学系を設けることもでき、その結果、コリメーション光学系又は保護ガラスが汚染され又は損傷した場合には、光学モジュールの手動メンテナンスを必要とすることなく、直ちに使用できるコリメーション光学系と交換することができる。したがって、一方では機械の汎用性を高めることができ、他方ではメンテナンス作業の必要性を低減することができる。コリメーション光学系としては、例えばコリメーションレンズ、特に集束レンズを使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】レーザービームを用いて成形体又はワークピースを製造又は加工するための光学モジュールを有する工作機械を示している。
【図２】本発明による光学モジュールの実施例の斜視断面図を示している。
【図３】図２に示された本発明による光学モジュールの実施例の別の斜視断面図を示している。
【図４】実施例による本発明の光学モジュールの上部領域の斜視断面図を示している。
【図５】本発明によるコリメーション光学系チェンジャーの縦断面図を示している。
【図６】本発明によるコリメーション光学系チェンジャーの断面図を示している。
【図７】レーザービームを用いて成形体又はワークピースを製造又は加工するための工作機械の実施例の斜視図を示している。
【図８】レーザービームを用いて成形体又はワークピースを製造又は加工するための工作機械用の工具チェンジャー斜視図を示している。
【図９Ａ】交換可能な粉末ノズルの部分切断斜視図を示している。
【図９Ｂ】交換可能な粉末ノズルの斜視図を示している。
【図１０】レーザー堆積溶接の作動原理を示している。
【図１１Ａ】交換可能な集束モジュールの斜視図を示している。
【図１１Ｂ】交換可能な集束モジュールの断面図を示している。
【図１１Ｃ】集束光学系の焦点距離が図１１Ｂとは異なる、交換可能な集束モジュールの断面図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
本発明の有利な実施形態の以下の説明において、同一の参照符号は、同一の又は同等の構成要素を示している。
【００４０】
図１は、レーザー放射によって材料粉末を位置選択的に凝固させて結合された領域とすることにより、ワークピース３０を加工するための、及び／又は、成形体３０を製造するための、機械１の概略図を示している。機械１は機械フレーム２１を備え、当該機械フレームには、間に位置する調整軸１８，１９を介して間接的に、一方の側にはワークピーステーブル２０が、他方の側には本発明による光学モジュール２が、それぞれ装着されている。調整軸１８，１９は、それぞれ、機械制御部に応じて調整可能な複数の並進軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）又は回転軸（φ、λ、θ）を備えることができる。当該設計は、例えば、光学モジュール２が、１つ、２つ又は３つの並進調整軸１８（Ｘ及び／又はＹ及び／又はＺ）を介して機械フレーム２１に取り付けられ、一方、ワークピーステーブル２０が、１つ、２つ又は３つの回転調整軸１９を介して機械フレーム２１に取り付けられているようなものであることができる。そのようなレーザー工作機械１は、通常、閉鎖されたチャンバー（図示せず）を備え、当該チャンバー内には、例えば保護ガス雰囲気を構築することができ、当該チャンバーは加工スペースを汚染から保護する。
【００４１】
ワークピーステーブル２０の上には、ワークピース３０を、加工のために取り外し可能に固定することができる。代替的に、ワークピーステーブル２０の上では、成形体３０を、材料粉末の位置選択的な凝固によって層状に構築することができる。
【００４２】
機械１は、例えば、レーザー放射によって材料粉末を位置選択的に凝固させて結合された領域とすることにより成形体を製造するための、５軸レーザー工作機械であり得る。光学モジュール２は、ここでは取り外し可能に調整軸１８に固定されており、その結果、例えばメンテナンスのためなど必要な場合に、迅速且つ容易に交換することができる。そのような５軸レーザー工作機械において、光学モジュール２は、３つの並進調整軸１８（Ｘ、Ｙ及びＺ）を介して機械フレーム２１に取り付けられ、ワークピーステーブル２０は、２つの回転軸を介して機械フレームに配置されている。
【００４３】
レーザー放射によって材料粉末を位置選択的に凝固させて結合された領域とすることにより成形体を製造するための、５軸レーザー工作機械１の例示的な図が、図７に示されている。図示された実施例は、図１に概略的に図示された機械１に、実質的に対応する。ワークピーステーブル２０及び光学モジュール２は、実質的にプロセススペースドア２３によって閉鎖可能なプロセスチャンバー２２の内部に配置されている。プロセスチャンバー２２の外部に配置されたディスプレイ２４は、ユーザーと機械制御部との間のインターフェースとして機能する。このディスプレイ２４上には、例えば、測定値及び／又は警告メッセージ及び／又は制御アプリケーションが示され得る。
【００４４】
工作機械１は、調整軸２５ａ，２５ｂによって横方向にプロセスチャンバー２２内に移動され得る工具チェンジャー２５を含んでいる。工具チェンジャー２５の詳細図が、図８に示されている。工具チェンジャー２５の上には、多数の集束モジュール１３及び多数の粉末ノズル１５を配置することができる。図８に示された工具チェンジャー２５は、異なる軸方向長さを有する粉末ノズル１５のための３つの保管位置を備えている。工具チェンジャー２５は、更に、異なる焦点距離の集束光学系１４を有する少なくとも２つの集束モジュール１３のための保管面を備えている。２つの調整軸２５ａ，２５ｂによって、集束モジュール１３又は粉末ノズル１５を、プロセスチャンバー２２内に移動させることができ、その結果、それらを光学モジュール２に取り付けることができる。粉末ノズル１５又は集束モジュール１３を交換するための方法が、以下で更に説明される。
【００４５】
工具チェンジャー２５は、調整軸２５ａ，２５ｂによって、変位可能な隔壁によってプロセスチャンバー２２から隔離可能な工具チャンバー内へと移動され得る。工具チャンバー内においては、ワークピースの加工がプロセスチャンバー２２内で行われるとき、集束モジュール１３及び粉末ノズル１５が、例えば材料粉末又は溶接ヒュームによる汚染から保護されている。
【００４６】
図２は、調整軸１８上に取り外し可能に組み付けられた、本発明による光学モジュール２の実施例を示している。調整軸１８は、例えばＺ方向に移動可能な並進軸であり、当該並進軸は、Ｘ及びＹ方向に移動可能な２つの別の並進軸上に配置されていることができ、その結果、光学モジュール２は、３つの全ての空間方向に移動可能である。光学モジュール２は、特に、レーザービームが鉛直下方に（重力の方向に対して平行に又はＺ方向に）光学モジュール２から出るよう、調整軸１８に組み付けられている。したがって、調整軸１８を移動させることにより、集束されたレーザービームの焦点を、ワークピースを加工するために又は成形体を層状に構築するために、空間内で３次元的に移動させることができる。したがって、成形体を、３Ｄプリンターの場合のように、材料粉末を溶融させることによって層状に構築することができる。
【００４７】
光学モジュール２は、内部に多数の光学部品が配置されたハウジング８を備える。ハウジング８は、一方では、光学部品を配置し、光学部品を機械的な影響から保護するための機械的なプラットフォームとして機能する。ハウジング８内には、シールガス雰囲気を構築することができる。過剰圧力によって、例えば粒子及び汚れがハウジング内に侵入するのを防止することができる。
【００４８】
ハウジング８の上部領域には、ファイバーカプラー１０が配置されており、当該ファイバーカプラーを介して、光ファイバーからのレーザービームを結合することができる。光ファイバーを使用することにより、レーザー光源からのレーザー光を確実に光学モジュール２に導くことができる。可撓性の光ファイバーにより、レーザー光源自体を移動させる必要なく、光学モジュール２、したがってレーザービームを移動させることが可能となる。更に、光ファイバーは、特に均一なビームプロファイルを有するレーザービームを送出することができる。
【００４９】
レーザー光源としては、例えば、高出力固体レーザーを使用することができる。これには、例えばドープされたＹＡＧレーザーが含まれる。特に、1030nmの波長を有する、イッテルビウムがドープされたＹＡＧディスクレーザーが、レーザー光源として機能し得る。これに代えて、1020nmの波長を有する、ファイバーガイドダイオードレーザーを、光源として使用することができる。ダイオードレーザーは、数ワットから数千ワットまでの出力を有するレーザービームを提供することができる。したがって、様々な加工プロセス及び製造プロセスに対して十分なレーザー出力を提供することができる。
【００５０】
ファイバーカプラー１０の直下には、コリメーション光学系チェンジャー３が、光学モジュール２のハウジング８内に配置されている。例えば80 mmの第１の焦点距離を有するコリメーション光学系４は、ファイバーから射出されるレーザービームが約36 mmの直径にコリメートされるように、コリメーション光学系チェンジャー３内に配置されている。コリメーション光学系チェンジャー３は、例えば50mm、60mm及び／又は100 mm以上の焦点距離を有する別のコリメーション光学系４を備えることができる。これにより、約10 mm〜100 mmの直径を有するコリメートされたレーザービームを提供することができる。コリメーション光学系４としては、例えば、適切なタイプの収束レンズを使用することができる。コリメーション光学系４は、単一のレンズから構成されていてもよいし、多数のレンズを含んでいてもよい。材料、コーティング及び更なるレンズ特性は、使用されるレーザー波長及びレーザー出力に応じて選択することができる。
【００５１】
コリメートされたレーザービームは、光学モジュール２内に配置された２つの偏向ミラー６，７によって、レーザービームを集束させる集束光学系１４に向けられる。偏向ミラー６，７の位置又は配向は、好ましくはそれぞれに調整可能であり、その結果、レーザービームのビーム経路の調整は、自動的に又は手動で行うことができる。レーザービームの正確な調整は、例えばカメラ９によって監視することができる。特に、偏向ミラー６，７は、機械制御部によって調整可能に制御することができる。このために、偏向ミラー６，７は、それぞれ、制御信号によって機械制御部を介して制御することができる位置調整可能なホルダー上に配置することができる。光学モジュール２は、機械制御部のための信号配線を取り外し可能に接続するために、適切なインターフェースを備えることができる。
【００５２】
集束光学系１４の焦点距離は、例えば、50 mm〜500 mmとすることができる。集束光学系１４は、好ましくは、固定機構１１，１６を介して光学モジュール２に固定することができる、自動的に交換可能な集束モジュール１３内に配置されている。したがって、集束モジュール１３を交換することにより、集束光学系１４の焦点距離も完全に自動的に変更することができる。
【００５３】
コリメーション光学系４及び集束光学系１４の焦点距離の７つの例示的な組み合わせが、表１に示されている。表１は、例示的に、600μmのファイバーコア直径に対するコリメートされたレーザービーム及び集束されたレーザービームの結果的に生じる直径の値も列挙している。ビーム直径が小さいほど、レーザー強度は高くなる。特に、レーザービームの焦点におけるより小さなビーム直径によって、より小さな構造を生成することができる。焦点におけるより小さなビーム直径は、集束光学系の焦点距離が同一の場合、集束光学系の前におけるコリメートされたレーザービームのより大きなビーム直径によって達成され得る。コリメートされたレーザービームのより大きなビーム直径により、光学モジュール２内の光学素子がより低いレーザー強度に晒されるという利点が得られる。したがって、光学素子は、例えば、より少なく加熱されるため、損傷を受ける可能性がより低くなる。
【００５４】
【表１】
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【００５５】
集束モジュール１３の例示的な構成が、図１１Ａ〜Ｃに示されている。図１１Ａは、実質的に円筒状の支持体ハウジングを有する集束モジュール１３の斜視図を示しており、当該支持体ハウジングは、好ましくは、可能な限り小さい熱膨張係数を有する金属から製作されている。表１の例に対応して、図１１Ｂは、200 mmの焦点距離を有する集束光学系１４を備える集束モジュール１３を示し、図１１Ｃは、300 mmの焦点距離を有する集束光学系１４を備える集束モジュール１３を示す。異なる焦点距離の集束光学系１４は、結果として得られるレーザーの焦点が常に同一の位置にあるように、異なる集束モジュール１３内に配置されている。
【００５６】
集束モジュール１３の上縁には、固定手段、例えば２つの締め付けボルト１６が配置されている。固定手段１６は、1 mm未満の可能な限り高い位置決め精度を保証するためにも機能する。これは、特に、粉末ノズルを通る、及び、正確な加工点への、レーザービームの正確なビームガイドのためにも重要である。それにもかかわらず逸脱が生じた場合、これはカメラ９によって検出され、偏向ミラー６，７によって修正される。集束モジュール１３は、集束光学系１４を汚染又は損傷から保護するための少なくとも１つの保護ガラス１４ａを備える。好ましくは、図１１Ｂ及びＣの断面図に示されているように、集束光学系１４を両側で汚染又は機械的な影響から保護するために、集束光学系１４の両側において、それぞれ保護ガラス１４ａが集束モジュール１３内に配置されている。
【００５７】
少なくとも１つの保護ガラス１４ａの温度は、それぞれセンサ１３ａによって監視することができる。図１１Ｂ及びＣにおいては、レーザービームが最初に当たる上部保護ガラス１４ａの温度のみが、センサ３ａによって監視された状態で示されている。センサとしては、例えば、温度依存抵抗（ＮＴＣ抵抗）又は熱電対を使用することができる。熱電対は、特に、プラチナ合金製のワイヤであり得る。同様の方法で、光学モジュール２内の他の光学部品、特にコリメーション光学系４、コリメーション光学系４の保護ガラス、偏向ミラー６，７及び／又は集束光学系１４の温度も、監視することができる。
【００５８】
温度センサ１４ａによって生成されたアナログ測定信号は、集束モジュール１３のインターフェース１３ｂを介して、光学モジュール２内の信号配線に転送される。そこから、測定信号は機械制御部に出力され、温度値に換算される。その結果、光学モジュール２の光学部品の温度を、摂氏で出力することができる。測定された温度値は、例えばディスプレイ２４上に表示することができる。機械制御部には、各光学部品のための温度の閾値が格納されている。光学部品の測定された温度が格納された閾値を超える場合、警告信号を生成することができる。警告信号は、例えば、ユーザーに対する警告として出力することができる。警告は、例えば、ディスプレイ２４上に又は警告ランプによって、視覚的に示すことができる。付加的に又は代替的に、光学部品の損傷を回避するために、レーザーの遮断を指令することができる。
【００５９】
インターフェース１３ｂは、集束モジュール１３の取り付けが成功したことを機械制御部に信号で伝える機能を果たすこともできる。それに応じて、機械制御部は、インターフェース１３ｂを介して伝送される信号が中断された場合、集束モジュール１３の取り外し及び保管が成功したことを検出することができる。
【００６０】
光学モジュール２に取り付け可能な集束モジュール１３の下には、交換可能な粉末ノズル１５を取り付けることができる。粉末ノズル１５の例示的な構成が、図９Ａ及び９Ｂに示されている。粉末ノズル１５は、集束モジュール１３と同様に、対応する受容部１２によって光学モジュール２に取り付けることができる固定手段１６を備える。固定手段１６として、例えば複数の締め付けボルトを、粉末ノズル１５に配置することができる。そのような締め付けボルトは、従来の工作機械における工具の固定のためにも、同様に使用することができる。光学モジュール２の受容部１２は、粉末ノズル１５を固定するためのこれらの締め付けボルトを、油圧による、空気圧による、電磁的な、又は、バネによって張力を付与された機構によって締め付けることができ、その結果、粉末ノズル１５は、取り外し可能に光学モジュール２に取り付けられ、特定の許容差の範囲内において、粉末ノズル１５の常に同一の位置が達成され得る。
【００６１】
図２及び図９に示された粉末ノズル１５は、光学モジュール２に面する上端にフランジ１５ａを備え、当該フランジには、固定手段１６、例えば２つの締め付けボルトが配置されている。フランジ１５ａには、粉末ノズル１５の実質的に円筒状の中央部が配置されている。中央部の下端には、実質的に円錐状の粉末ノズルチップ１５ｂが配置されている。粉末ノズル１５の中央部は、フランジ１５ａと共に、有利には冷却媒体及び材料粉末のための供給管を備える支持体として機能することができ、当該支持体には、粉末ノズルチップ１５ｂを取り外し可能に固定することができる。これにより、粉末ノズルチップ１５ｂの交換が可能となる。
【００６２】
粉末ノズル１５のフランジ１５ａには、冷却媒体又は材料粉末を供給するための接続部１５ｆ，１５ｇ又はインターフェースが配置されている。冷却媒体のための接続部１５ｆは、例えば、粉末ノズル１５を光学モジュール２に取り付けた際、光学モジュール２の対応する配管と自動的に接続されるクイックカップリングとして構成することができる。材料粉末のための入口１５ｇは、シールリングを備える単純な開口として形成することができる。粉末ノズル１５を光学モジュール２に取り付ける際、シールリングを有する入口は、気密な接続が確立されるよう、光学モジュールの対応する出口に対して押し付けられる。
【００６３】
材料粉末のための入口１５ｇは、それぞれ、粉末ノズル１５を通って粉末ノズル１５のチップ１５ｂまで延びる材料粉末のためのチャネル１５ｄと流体連通している。粉末ノズル１５のチップ１５ｂには環状ギャップ１５ｃが形成されており、そのギャップ幅は、ノズル効果を達成するために、流れ方向において先細りにすることができる。材料粉末チャネル１５ｄと環状ギャップ１５ｃとの間の移行部は、材料粉末の周方向に均一な分布が生成されるように形成されている。例えば、材料粉末チャネル１５ｄから環状ギャップ１５ｃへの移行部に多数の孔を設けることができる。孔は、環状ギャップ１５ｃ内における材料粉末Ｐの均一な分布を生成することができる。材料粉末Ｐの流れは、図１０の図示により示唆されるように、レーザービームの焦点と同軸に配向された円錐の形状を有することができる。
【００６４】
粉末ノズルチップ１５ｂは、取り外し可能に粉末ノズル１５に取り付けることができ、その結果、例えば熱による損傷又は変形の場合に、粉末ノズルチップ１５ｂを交換することができる。粉末ノズル１５が複数の部品から成る構造を有する場合、粉末ノズルチップ１５ｂは、粉末ノズル１５の残りの部分と比較して、より耐熱性のある及び／又はより硬い他の材料から製作することもできる。異なる寸法を有する粉末ノズルチップ１５ｂを、例えば様々なレーザービーム直径に対して使用することができる。更に、様々な開口幅を有する異なる寸法の環状ギャップ１５ｃを、交換可能な粉末ノズルチップ１５ｂに形成することができる。それに応じて、異なる寸法の粉末ノズルチップ１５ｂを有する様々な粉末ノズル15を機械１内に保持することもでき、その結果、必要な場合には粉末ノズル１５全体を交換することができる。粉末ノズルチップ１５ｂのワークピースに面する下部の開口の直径は、例えば1mm、2mm、3mm、4mm又は5〜8 mmとすることができる。粉末ノズルチップ１５ｂの交換は、好ましくは手動で行われ、一方、粉末ノズル１５全体の交換は、以下で更に説明されるように、完全に自動的に行うことができる。
【００６５】
粉末ノズル１５は、冷却媒体のための少なくとも２つのカップリング１５ｆを備え、当該カップリングは、好ましくはクイックカップリングとして構成されている。一方のカップリング１５ｆは、光学モジュール２からの冷却媒体のサプライラインのための接続部として機能し、他方のカップリング１５ｆは、冷却媒体の光学モジュール２へのリターンラインのための接続部として機能する。冷却媒体のための接続部１５ｆは、図９Ａの部分断面図に示されている粉末ノズル１５内の冷却媒体チャネル１５ｅと流体連通している。粉末ノズル１５の均一な冷却を保証するために、冷却媒体チャネル１５ｅを、レーザービーム開口の周りで、例えば環状又は螺旋状に配置することができる。
【００６６】
フランジ１５ａの内部には、集束モジュール１３のための実質的に円筒状の凹部が形成されている。集束モジュール１３及び粉末ノズル１５が光学モジュール２に取り付けられている場合、集束モジュール１３の下端は粉末ノズル１５の凹部の内部に位置する。集束モジュール１３及び粉末ノズル１５は、互いに対して及びレーザービームに対して同軸的に、光学モジュール２に配置されている。
【００６７】
粉末ノズル１５は、冷却媒体用の多数のチャネル１５ｅ及び材料粉末用の多数のチャネル１５ｄに起因して、及び、軸方向においてレーザー焦点に向かって先細りの軸方向の開口によって、非常に複雑な形状を有している。そのような複雑な形状は、例えば、本発明による機械１におけるレーザー堆積溶接プロセスによって製造することができる。レーザー堆積溶接による粉末ノズル１５の製造プロセスを可能な限り短い時間で且つ可能な限り多くの材料を節約して実行することを可能とするために、例えば、粉末ノズル１５の実質的に円筒状の中央部は、可能な限り薄い壁厚で構築することができる。粉末ノズル１５の機械的強度を高めるために、壁は薄板１５ｌによって補強することができる。同様の方法で、フランジ１５ａと粉末ノズル１５の中央部との間の移行部は、例えば、少ない材料消費で高い機械的強度を提供する、図９Ｂに示されているようなハニカム構造１５ｗを使用することにより、材料を節約して製作することができる。
【００６８】
フランジ１５ａ及び粉末ノズル１５の中央部は、例えばアルミニウム又はスチールから製作することができる。フランジ１５ａの直径は、約150 mm〜170 mm、好ましくは160 mmとすることができる。粉末ノズル１５の全長は、約125 mm〜145 mm、好ましくは135 mmとすることができる。より短い焦点距離を有する集束光学系１４を使用する場合、それに応じて、125 mm未満、例えば100 mm〜90 mmの長さを有するより短い粉末ノズルを使用することもできる。より長い焦点距離を有する集束光学系１４を使用する場合、それに応じて、145 mmを超える、例えば150 mm〜200 mm又は300 mmの長さを有するより長い粉末ノズルを使用することもできる。粉末ノズルの中央部の直径は、約60 mm〜70 mm、好ましくは65〜67 mmとすることができる。好ましくは、粉末ノズル１５は、ワークピース３０との衝突の危険性を低減するために、よりコンパクトに構成することもできる。
【００６９】
粉末ノズル１５の交換は、例えば以下で説明するように行うことができる。プロセスチャンバー２２と、その側部に配置された工具チャンバーとの間の隔壁が、押し開かれる。調整軸２５ｂによって、粉末ノズル１５を有する工具チェンジャー２５の下部は、プロセスチャンバー２２内に移動される。調整軸１８は、光学モジュール２を、多数の粉末ノズル１５を有する工具チェンジャー２５が配置される位置に移動させる。光学モジュール２に取り付けられた粉末ノズル１５を格納するためには、図７及び図８に示されているものとは異なり、工具チェンジャー２５の保管位置が空いていなければならない。光学モジュール２の受容部１２を開くことにより、粉末ノズル１５の固定手段１６が解放され、その結果、粉末ノズル１５が光学モジュール２から取り外され、工具チェンジャー２５の空いている保管位置に格納され得る。
【００７０】
続いて、光学モジュール２は、工具チェンジャー２５の異なる位置に移動されるが、当該位置には、軸方向においてより大きな又はより小さな寸法を有する別の粉末ノズル１５が配置されている。光学モジュール２は、その後、調整軸１８によって移動され、その結果、別の粉末ノズル１５の固定手段１６が、光学モジュール２の受容部１２内に嵌り込む。受容部１２を閉じることによって、粉末ノズル１５を光学モジュール２に取り付け、工具チェンジャー２５から取り外すことができる。
【００７１】
粉末ノズル１５の自動的な交換は、特に、集束光学系１４の交換によってレーザービームの焦点距離が変化する場合に行うことができる。粉末ノズル１５は、材料粉末をレーザービームの焦点の位置に導かなければならないため、粉末ノズル１５の軸方向長さは、レーザービームの焦点距離に応じて選択される必要がある。
【００７２】
表１に列挙されているように、集束光学系１４の焦点距離は、例えば、200 mm又は300 mmとすることができる。それに応じて、機械１の工具チェンジャー２５内には、集束光学系１４から例えば200 mm又は300 mm離れた焦点に材料粉末を導く、対応する粉末ノズル１５が保持され得る。
【００７３】
粉末ノズル１５を介して、材料粉末は、機械１の加工点、即ちレーザービームの焦点のすぐ近くに供給され得る。このために、粉末ノズル１５は１つ又は複数のチャネルを備え、当該チャネルを通じて材料粉末が導かれる。粉末ノズル１５を光学モジュール２に取り付ける際、材料粉末のためのチャネルの、光学モジュール２内の対応する配管との接続が確立される。チャネルと配管との接続のために、粉末ノズル１５又は光学モジュール２は、それぞれ適切なインターフェースを備える。更に、粉末ノズル１５は、１つまたは複数の冷却チャネルを備え、当該冷却チャネル内を、粉末ノズル１５を冷却するため液体の冷却媒体、特に水が循環することができる。光学モジュール２は、冷却媒体を供給及び排出するための対応する配管と、配管を粉末ノズル１５の冷却チャネルと接続するためのインターフェースと、を備える。
【００７４】
更に、粉末ノズル１５は、機械１の加工点に保護ガスを導くことができ、その結果、材料粉末がレーザービームの焦点において溶融する際、望ましくない反応を大幅に抑制することができる。保護ガスは、特に、空気に由来する酸素を排除するために用いられる。保護ガスとしては、特に、例えばアルゴンのような不活性ガスを使用することができる。保護ガスを供給するために、光学モジュール２は、対応する配管を備える。保護ガスは、キャリヤガスとして原料粉末と共に供給することもできる。したがって、保護ガスは、一方では、空気中の酸素との反応を防止し、他方では、材料粉末を搬送する機能を果たす。
【００７５】
粉末ノズル１５の自動的な交換の際、光学モジュール２の冷却配管は、対応するインターフェースを介して、粉末ノズル１５の冷却チャネルと自動的に接続又は分離される。それに応じて、光学モジュール２内の材料粉末用の配管も、対応するインターフェースを介して、粉末ノズル１５内の材料粉末チャネルと自動的に接続又は分離される。配管及びチャネルのための対応するインターフェースは、このために取り外し可能であるように構成することができ、例えば、それぞれ油圧装置又は空気圧装置によって制御することができる。
【００７６】
集束モジュール１３の自動的な交換は、粉末ノズル１５の自動的な交換と同様の方法で行うことができる。ここで、調整軸２５ａによって、集束モジュール１３を有する工具チェンジャー２５の上部も、プロセスチャンバー２２内に移動される。しかしながら、集束モジュール１３を交換するためには、先ず、光学モジュール２に取り付けられた粉末ノズル１５を取り外さなければならない。これは、上述したように、粉末ノズル１５を工具チェンジャー２５の空いている保管位置に格納することによって行われる。調整軸１８は、その後、光学モジュール２を、多数の集束モジュール１３を有する工具チェンジャー２５が配置される位置に移動させる。光学モジュール２に取り付けられた集束モジュール１３は、光学モジュール２の受容部１１を開くことにより解放することができ、その結果、集束モジュール１３は、光学モジュール２から取り外され、工具チェンジャー２５の空いている保管位置に格納することができる。次に、他の集束モジュール１３を、光学モジュール２に取り付けることができる。このために、光学モジュール２は、集束モジュール１３の固定手段１６が光学モジュール２の受容部１１内に嵌り込むように、移動される。ここで、光学モジュール２の受容部１１は、集束モジュール１３を光学モジュール２に取り付けるために、例えば、油圧による、空気圧による、又は、バネによって張力を付与された機構によって締め付けることができる。続いて、工具チェンジャー２５を隔離可能な工具チャンバー内に戻し、ワークピースの加工を開始又は継続することができる。
【００７７】
調整軸１８，２５ａ，２５ｂの必要な移動経路は、機械制御部のメモリに格納することができ、その結果、集束モジュール１３又は粉末ノズル１５の交換を、完全に自動的に実行することができる。したがって、集束モジュール１３又は粉末ノズル１５の交換は、加工プロセスに統合することもできる。ワークピース３０又は成形体３０の製作されるべき構造の所望のサイズに応じて、焦点におけるレーザービームの適切な直径が選択される。焦点におけるレーザービームの直径が小さいほど、より小さい構造を製作することができる。表１に示されるように、レーザービームの直径は、集束光学系１４及びコリメーション光学系３の焦点距離によって決定される。したがって、各加工工程に対して、コリメーション光学系４と集束光学系１４との適切な組み合わせを選択することができる。選択されたコリメーション光学系４及び集束光学系１４に応じて、ここでも適切な粉末ノズル１５が選択され、光学モジュール２に取り付けられる。一方において、粉末ノズルチップ１５ｂの開口は、レーザービームＬが妨害されずに通過できるよう、十分に大きくなければならない。他方において、粉末ノズルチップ１５ｂの開口は、環状ギャップ１５ｃを通ってレーザービームＬの焦点に至る材料粉末Ｐの良好且つ均一な流れがもたらされるよう、十分に小さくなければならない。選択された構造サイズに応じて、適切なコリメーション光学系４がコリメーション光学系チェンジャー３に設定され、適切な集束モジュール１３及び対応する粉末ノズル１５が光学モジュール２に取り付けられる。
【００７８】
第１の偏向ミラー６は、ミラー６の冷却及び温度監視のための手段を備える。第２の偏向ミラー７は、ミラー７の冷却及び温度監視のための手段を同様に備えるダイクロイックミラーである。例えば赤外スペクトル領域にあるレーザービームの波長に対して、ダイクロイックミラー７は反射性である。対照的に、可視光に対してダイクロイックミラーは透過性であり得る。ダイクロイックミラー７の後方に、製作プロセスを監視するためのカメラ９を配置することができる。カメラ９は、ダイクロイックミラーを通り、集束光学系１４を通って、レーザービームの焦点に至る、レーザービームに沿った視線方向を有する状態で配置されている。したがって、カメラ９によって、ワークピース又は製作されるべき成形体上の加工点を監視することができる。
【００７９】
光学モジュール２は、機械制御装部から制御信号を受信するためのインターフェースを備える。制御信号は、例えば、コリメーション光学系チェンジャー３にコリメーション光学系交換を実行させることができる。インターフェースを介して、更に、コリメーション光学系４、偏向ミラー６，７又は他の光学部品の測定された温度を、機械制御部に伝送することができる。
【００８０】
図３は、実施例による本発明の光モジュール２の別の断面図を示す。図示された断面は、図２と同一の平面を通るが、視線方向は、反対側から光学モジュール２に向けられている。レーザービームのビーム経路１７は、破線で記入されている。図３に示されたビューにおいては、コリメーション光学系チェンジャー３の回転軸５とファイバーカプラー１０の両方を見ることができる。
【００８１】
コリメーション光学系チェンジャー３の更なる詳細は、図４〜６に示された断面図を参照して説明される。図４は、光学モジュール２の上部領域の1／4断面を斜視図で示している。ハウジング８の内部に、４つのコリメーション光学系４を有するコリメーション光学系チェンジャー３が示されている。図示された実施例のコリメーション光学系チェンジャー３は、鉛直な回転軸５の周りに回転可能に支持されたレボルバーとして形成されている。アクチュエータ（図示せず）は、回転軸５と作動接続されているため、コリメーション光学系チェンジャー３は、アクチュエータを制御することによって回転軸５の周りを回転することができ、その結果、コリメーション光学系４の交換を達成することができる。回転軸５は、断面の中央に示されている。ファイバーカプラー１０の下方に配置されたコリメーション光学系４は、レーザーのビーム経路内に位置している。光学モジュール２のハウジング８の内部空間は、コリメーション光学系チェンジャー３がその中で回転できるように形成されている。
【００８２】
コリメーション光学系チェンジャー３を回転軸５の周りで回転させるためのアクチュエータとしては、電気モータ、特にサーボモータ又はステッピングモータを使用することができる。コリメーション光学系チェンジャー３の正確な設定は、例えばレーザービームの焦点の位置を観察することにより、特に光学モジュール２内に配置されたカメラ９によって監視することができる。レーザービームは、コリメーション光学系４及びビーム経路内の他の光学部品に、可能な限り中心で当たるべきである。
【００８３】
図６の断面図に示されているように、実施例のコリメーション光学系チェンジャー３は、とりわけ使用されるコリメーション光学系４のレンズ直径に起因する丸みを帯びた菱形の形状を有する。図６には、更に、コリメーション光学系４が、それらの焦点距離に応じて、回転軸５に対して平行に延びるＺ軸に沿って異なる位置に配置されていることが示されている。コリメーション光学系４の軸方向位置は、調整可能であり得る。したがって、レンズ位置は、コリメーション光学系チェンジャー３を光学系モジュール２内に組み込む前に予め調整することができ、その結果、レーザービームは、組み込まれたそれぞれのコリメーション光学系４によって、正確にコリメートされる。
【００８４】
図５は、コリメーション光学系チェンジャー３の回転軸５を通る縦断面を示している。この断面図では、上下にベアリング５ａが示されており、当該ベアリングによって回転軸５が回転可能に支持されている。回転軸５の上部領域のフランジは、回転軸５を光学モジュール２のハウジング８に取り外し可能に取り付ける機能を果たす。下部のベアリング５ａは、のカバーに対して平行にハウジング８内に配置された支持体要素に取り外し可能に取り付けられている。この構造により、必要に応じて、コリメーション光学系チェンジャー３を容易に交換することができる。
【００８５】
コリメーション光学系４は、それぞれ、コリメーション光学系チェンジャー３内に取り外し可能に取り付けられており、その結果、個々のコリメーション光学系４を、必要に応じて容易且つ迅速に交換することができる。更に、各コリメーション光学系４の上方には、それぞれ、コリメーション光学系４を汚染及び機械的な作用から保護することができる保護ガラスが配置されている。したがって、保護ガラスを設けることにより、著しく高価なレンズが損傷し又は汚染され、したがって交換されなければならないことを、防止することができる。保護ガラスも、コリメーション光学系チェンジャー３内に取り外し可能に取り付けられており、その結果、個々の保護ガラスを、必要に応じて容易且つ迅速に交換することができる。保護ガラスは、レーザー光のレーザーへ戻る擾乱反射を防止するために、反射防止コーティングを備えることができる。
【００８６】
図４〜６に示された実施例によるコリメーション光学系チェンジャー３は、コリメーション光学系４を取り外し可能に取り付けるための４つの位置を有する。これら４つの位置は、好ましくはアルミニウム合金又はスチール合金のような金属、又は、セラミック材料から製作された、中実のハウジング内の円筒状の開口として形成されている。コリメーション光学系４も、円筒状のフレーム内に予め組み付けることができ、その結果、コリメーション光学系４は、それらのフレームと共に、円筒状の開口内に容易に挿入され、その中に固定されることができる。図示された実施例とは異なり、コリメーション光学系チェンジャー３は、４つより多くのコリメーション光学系４を備えていてもよい。例えば、２つ、３つ、５つ、６つ、７つ又はそれより多くのコリメーション光学系４を有する実施形態が考えられる。
【００８７】
コリメーション光学系チェンジャー３は、コリメーション光学系４を冷却するための手段を備えることができる。図６に示されているように、コリメーション光学系チェンジャー３は、中実のハウジングを備える。ハウジングは、例えば、単一の金属片からフライス加工することができる。コリメーション光学系４の冷却は、例えば、コリメーション光学系チェンジャー３のハウジングを冷却することによって行うことができる。このために、コリメーション光学系チェンジャー３のハウジングは、適切な液体の冷却剤が貫流する多数の冷却チャネル３ａを備えることができる。コリメーション光学系チェンジャー３を冷却することにより、温度変動に起因するコリメーション光学系４の損傷を防止することができる。更に、冷却により、熱レンズ効果を低減することができる。
【００８８】
図５及び６には、コリメーション光学系チェンジャー３内の複数の冷却チャネル３ａが示されている。２つの軸方向の冷却チャネルが、コリメーション光学系チェンジャー３の回転軸５を通って軸方向に延びている。これら２つの軸方向の冷却チャネルのうち、一方は冷却媒体を供給するためのサプライラインとして機能し、他方は冷却媒体を排出するためのリターンラインとして機能し、その結果、冷却媒体は、コリメーション光学系チェンジャー３ａを通る回路内を循環することができる。図６の断面図には、コリメーション光学系チェンジャー３の４つの径方向の冷却チャネル３ａが示されている。径方向の冷却チャネル３ａは、回転軸５内の軸方向の冷却チャネルを起点として、コリメーション光学系チェンジャー３を通って径方向外向きに延びている。切断面に対して平行な第２の面内において、別の径方向の冷却チャネル３ａが、コリメーション光学系チェンジャー３を通って延びている。２つの平面の径方向の冷却チャネル３ａは、冷却媒体回路を可能とするために、コリメーション光学系チェンジャー３のハウジングを通る切断平面に対して垂直に延びる冷却チャネルを介して、互いに流体連通している。したがって、冷却媒体は、コリメーション光学系チェンジャー３を冷却することができる。特に、コリメーション光学系チェンジャー３のハウジングが冷却される。コリメーション光学系４は、コリメーション光学系チェンジャー３のハウジングに取り付けられている。したがって、コリメーション光学系４とコリメーション光学系チェンジャー３のハウジングとの間で熱伝達を行うことができ、その結果、冷却チャネル３ａによるハウジングの冷却が、コリメーション光学系４の冷却をもたらす。冷却媒体は、冷却媒体配管を通じて、光学モジュール２に供給することができる。冷却媒体配管は、適切な接続部を介して、光学モジュール２内又は光学部品内若しくは光学部品上の冷却媒体チャネルと、取り外し可能に接続することができる。
【００８９】
レーザー堆積溶接の作動原理を、図１０を参照して説明する。図１０は、加工されるべきワークピースＷの近傍にある粉末ノズル１５の先端３０を示している。集束されたレーザービームＬは、粉末ノズル１５と同軸に走り、ワークピースＷ上の加工点で集束されている。材料粉末Ｐは、レーザービームＬと同軸に、粉末ノズル１５を通じて、ワークピースＷのレーザービームＬの焦点に導かれる。保護ガス又はキャリヤガスＧも、粉末ノズル１５を通って流れ、材料粉末Ｐを輸送する。保護ガスＧ、例えばアルゴンは、更に、加熱された材料粉末Ｐ又はワークピースＷと空気中の酸素との望ましくない反応を防止する機能も果たす。
【００９０】
上記の説明、特許請求の範囲及び図面で開示された特徴は、本発明をその様々な構成で実現するために、個々に及び任意の組合せにおいて重要であり得る。
【符号の説明】
【００９１】
１      レーザー工作機械
２      光学モジュール
３      コリメーション光学系チェンジャー
３ａ    冷却チャネル
４      コリメーション光学系
５      回転軸
５ａ    ベアリング
６      第１の偏向ミラー
７      第２の偏向ミラー（ダイクロイックミラー）
８      ハウジング
９      カメラ
１０    ファイバーカプラー
１１    集束光学系のためのインターフェース
１２    粉末ノズルのためのインターフェース
１３    集束モジュール
１３ａ  熱電対
１３ｂ  熱電対のインターフェース
１４    集束光学系
１４ａ  保護ガラス
１５    粉末ノズル
１５ａ  粉末ノズルフランジ
１５ｂ  粉末ノズルチップ
１５ｃ  環状ギャップ
１５ｄ  材料粉末チャネル
１５ｅ  冷却チャネル
１５ｆ  冷却媒体カップリング
１５ｇ  材料粉末入口
１５ｌ  薄板
１５ｗ  ハニカム構造
１６    締め付けボルト
１７    レーザーのビーム経路
１８    工具の調整軸
１９    ワークピーステーブルの調整軸
２０    ワークピーステーブル
２１    機械フレーム
２２    プロセスチャンバー
２３    プロセススペースドア
２４    ディスプレイ
２５    工具チェンジャー
２５ａ  集束光学系チェンジャーの調整軸
２５ｂ  粉末ノズルチェンジャーの調整軸
３０    ワークピース
Ｌ      レーザービーム
Ｗ      ワークピース
Ｐ      材料粉末
Ｇ      保護ガス及び／又はキャリヤガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【国際調査報告】
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