溶射ノズル装置およびそれを用いた溶射装置
【課題】均一でしかも密な金属積層を精度良く実現することができる溶射ノズル装置およびそれを用いた溶射装置を提供する。
【解決手段】ノズル１の入口側にキャリアガスを導入してその内部全域に超音速のガス流を形成し、そのガス流によって溶射材をアトマイズし放出する溶射ノズル装置であって、線状に成形された溶射材４をガス流と略平行な状態で入口側からノズル１内に挿入する溶射材挿入部５と、溶射材挿入部５の先端近傍でその溶射材挿入部から突出した溶射材４を加熱溶解するレーザー装置とを備え、このレーザー装置より溶解されアトマイズされた溶射材粒子をノズル１内の超音速ガス流によって急冷し、凝固状態若しくは半凝固状態で放出するように構成されていることを特徴とする。
【解決手段】ノズル１の入口側にキャリアガスを導入してその内部全域に超音速のガス流を形成し、そのガス流によって溶射材をアトマイズし放出する溶射ノズル装置であって、線状に成形された溶射材４をガス流と略平行な状態で入口側からノズル１内に挿入する溶射材挿入部５と、溶射材挿入部５の先端近傍でその溶射材挿入部から突出した溶射材４を加熱溶解するレーザー装置とを備え、このレーザー装置より溶解されアトマイズされた溶射材粒子をノズル１内の超音速ガス流によって急冷し、凝固状態若しくは半凝固状態で放出するように構成されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材上に表面コーティング層を形成する溶射用ノズル、３次元積層造形用の噴射ノズルとして多目的に使用することができる溶射ノズル装置およびそれを用いた溶射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
今日、材料を溶融またはガス化させることなく不活性ガスとともに超音速流で固相状態のまま基材に衝突させて被膜を形成するコールドスプレー技術が広まりつつある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
コールドスプレー技術は、他の溶射方法と違い、熱による材料の特性変化がなく、被膜中の酸化を抑制することができるという利点があり、しかも、金属のみならず、樹脂にも適用することが可能である。この種のコールドスプレー技術は製膜を目的とするものが主であるが、これに限らず三次元造形の製造を目的とする溶射法に応用することも提案されている。
【０００４】
三次元造形の製造が可能になった理由として、近年、急速に普及した三次元ＣＡＤを利用した造形法がある。
【０００５】
三次元ＣＡＤを利用して立体構造物を造形するいわゆる三次元積層造形法は、ラピッドプロトタイピング（rapid prototyping）と呼ばれ、三次元ＣＡＤ上で入力された形状データを用いて機械加工することなく一層ずつ積層しながら立体モデル（三次元モデル）を直接形成（三次元積層造形）するものであり、当初は短時間で試作品等を造形するための方法として開発されたものである。
【０００６】
最近ではこのラピッドプロトタイピングを利用して金型を造形することが可能になったことから、試作品分野以外の、例えば自動車、家電等の製造業でも製品の開発から出荷までの時間を短縮できコスト削減が図れるという理由で幅広く普及しつつある。
【０００７】
三次元積層造形法にはａ）光硬化性樹脂を用いる光造形法、ｂ）粉末を用いる粉末積層法、ｃ）インクジェット法、ｄ）紙、プラスチックシートまたは金属等の薄板を積層する薄板積層法等が知られている。
【０００８】
ａ）の光造形法としては、例えばカリフォルニア州バレンシアの３Ｄシステムズ社が製造し販売しているＳＬＡ１システムがある。このシステムは、ＵＶレーザーによってレーザー光線が照射された表面の液体ポリマー・プラスチック材料を重合させて層を形成し、次いでその層を下降させ、所望の層厚が得られるまでレーザー生成重合プロセスを順次繰り返すことによって造形を行うというものである。
【０００９】
ｂ）の粉末積層法としては、テキサス州オースチンのＤＴＭ社による選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）と呼ばれる手法があり、この場合もレーザー光線を利用し、プラスチック粉体層を焼結するようになっている。
【００１０】
ｃ）のインクジェット法は、大別すると２種類の方式があり、その一つはマサチューセッツ工科大学で開発されたもので、澱粉や石膏の粉末層に対しバインダーをインクジェットで噴射し固めて積層造形する方法である。他の一つは造形用材料を直接噴射して積層造形する方法である。
【００１１】
インクジェットで噴射し固める方法は、噴射を終了した後で不要部分の粉末を除去しなければならず、除去時に粉末が飛散するという問題がある。一方、造形用材料を直接、インクジェットで噴射する方法は材料粒子の飛散がなく装置の取り扱いが簡便である。
【００１２】
ｄ）の薄板積層法は、薄い金属箔層を用いて部品を形成するように適当な形状に切り取り、成形された積層ピースを相互に積み重ね、結合することによって関与する部品を形成するというものである。
【００１３】
このように広範囲に利用されているラピッドプロトタイピングのほとんどは、樹脂による造形を目的としており、金属造形が可能な方法は、上記ｂ）の選択的レーザー焼結による粉末積層法のみである。ところが、レーザー焼結による粉末積層法では、材料である金属粉末の表面をバインダーでコーティングするか、或いは低融点金属粉を混入させておく必要があり、材料コストが高くなる。また、焼結後にはバインダーが消失した部分が多孔状態となって残存するため、十分な強度が得られないという問題も解決されておらず、焼結後の熱歪を防止する目的で徐冷工程も必要である。このようにレーザー焼結による粉末積層法を金属造形として利用するには改善の余地があり、現状では研究段階にある。
【００１４】
このような状況の中、ノズルから突出させた物質をレーザー光で加熱溶解し、圧縮ガスの圧力で溶融状態のまま基材に吐出する技術（例えば特許文献２参照）や、ガス流と平行に供給した金属材料の線材を放電により溶解し、ガス流で空中に飛翔させる技術が提案されている（例えば特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００４−７６１５７号公報
【特許文献２】特開平１１−１６５０６１号公報
【特許文献３】特開２００４−２９２９４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、特許文献２に記載のものは、溶射材を保持するための保持部と、その端面から所定の間隔を空けて対向配置される対向部とを有し、保持部から突出させた溶射材を対向部の基準面に当接させ、レーザービームで溶射材を加熱溶融し、溶融した溶射材に対しその溶射材と直交する方向から圧縮ガスのガス圧を加えるため、流路を妨げるように突出した溶射材によってガス流が乱され、基材上の積層状態をコントロールすることが困難であるという問題がある。
【００１６】
また、特許文献３に記載のものは、ノズルを形成する噴射装置本体に、ガスを送出するための細孔を有し、この細孔内に線材を通すためのガイドパイプが設けられ、細孔の先端近くに第１電極を、細孔から離れて線材の延長線上に第２電極が設けられている。そして各電極間に電圧を印加し電極間に位置する線材を溶融して溶融球を形成し、ガス流によってその溶融球を切り離し飛翔させるというものである。この特許文献３によれば、溶融球の大きさを均一にして噴出させることができるものの、ノズルから放射状に噴出された後のガス流によって溶融球を飛翔させるため、この場合も基材上の積層状態をコントロールすることは困難である。
【００１７】
本発明は以上のような従来の溶射方法における問題を考慮してなされたものであり、均一でしかも密な金属積層を精度良く実現することができる溶射ノズル装置およびそれを用いた溶射装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明に係る溶射ノズル装置は、ノズルの入口側にキャリアガスを導入してその内部全域に超音速のガス流を形成し、そのガス流によって溶射材をアトマイズし放出する溶射ノズル装置であって、線状に成形された溶射材をガス流と略平行な状態で入口側からノズル内に挿入する溶射材挿入部と、溶射材挿入部の先端近傍でその溶射材挿入部から突出した溶射材を加熱溶解する溶射材溶解手段とを備え、この溶射材溶解手段より溶解されアトマイズされた溶射材粒子をノズル内の超音速ガス流によって急冷し、凝固状態若しくは半凝固状態で放出するように構成されていることを要旨とする。
【００１９】
上記溶射ノズル装置における溶射材溶解手段として、溶射材挿入部の先端近傍で焦点が結ばれるレーザー装置を設けることができ、また、溶射材挿入部の先端近傍でアーク放電が通過するように対向した状態でノズル内壁に一対の放電電極を設けることもできる。
【００２０】
さらにまた、複数本の溶射材をノズル内に挿入し得る溶射材挿入部を有し、各溶射材の先端部を、アーク放電を発生させる放電電極に構成することにより溶射材溶解手段とすることもできる。この場合、ノズルの入口側に設けられた中空室と、この中空室に連通しキャリアガスを対向流で導入するための二本のキャリアガス供給管とを有し、各キャリアガス供給管から中空室に吐出されるキャリアガスと衝突する位置に筒状の溶射材挿入部をそれぞれ配置すれば、ノズル流れ方向に垂直な断面内での旋回流れを減らすことができる。この結果、アーク溶解点において溶解液滴を壁面に向かって吹き付ける流れの成分を減らすことができる。
【００２１】
上記溶射ノズル装置において、溶射材挿入部としてノズルの中心軸上に中空円管を配置した場合、この中空円管の外壁の一部を厚肉に形成することによってノズル内壁との間に超音速ガス流形成用のスロート部を形成することができる。
【００２２】
上記溶射ノズル装置において、ノズル内壁に付着する溶射材凝固粒子を融点以上まで加熱する加熱手段を設ければ、加熱と同時にキャリアガスのみ供給することにより、ノズル内壁に付着した溶射材粒子を除去するクリーニングを行うことができる。
【００２３】
また、この加熱手段を、溶射時にはノズル内の溶射材を加熱する構成にすれば、基材衝突時の溶射材粒子を所望の温度に設定することができるため、最適な付着が得られるようになる。
【００２４】
上記加熱手段は、ノズルの周囲に高周波誘導コイルを巻回することによって構成することができ、また、ノズルの周囲にカーボンヒータを設けることによっても構成することができる。さらにまた、ノズル自体を、電極部を備えたカーボンまたはカーボンコンポジットで構成することにより、加熱手段とすることもできる。
【００２５】
また、上記溶射材として異種材料から形成されたものを使用すれば、溶射材として合金を選択することができるようになる。
【００２６】
本発明に係る溶射装置は、上記構成を有する溶射ノズル装置と、ノズルに対し管路を介して接続されキャリアガスを供給するキャリアガス供給装置と、線状に成形された溶射材を溶射材挿入部に送り込む溶射材供給装置と、溶射材溶解手段としての放電電極またはレーザー装置に対し電圧を印加する電源装置とを備えてなることを要旨とする。
【００２７】
上記溶射装置において、管路に介設されキャリアガス供給装置から供給されるキャリアガスの流量を制御する制御弁と、溶射材供給装置としての線状の溶射材を巻き取っているリールと、このリールから溶射材を巻き解きつつ溶射材挿入部に導入する駆動ローラと、制御弁の開閉、駆動ローラの回転・停止を制御する供給系制御部とを備えれば、基材に積層または堆積される溶射材を制御することができるようになる。
【００２８】
また、上記駆動ローラを回転させるモータを有するとともに、ノズルから既堆積面までの堆積直前の距離を計測する位置センサを備え、上記供給系制御部が、三次元ＣＡＤデータを読み込み、位置センサによって検出されたレベルと、三次元ＣＡＤデータにおける目標堆積面レベルとの差に応じてモータの回転を制御すれば、積層または堆積される溶射材をより正確に制御することができるようになる。
【００２９】
上記溶射装置においては、放電電極に印加する電圧またはレーザー装置の出力を制御する出力制御部を備えることができる。
【００３０】
また、上記溶射材溶解手段としてレーザー装置およびこのレーザー装置とノズルとを接続するレーザー光伝送用光ファイバを有する場合、出力制御部はレーザー装置のシャッタの開閉を制御することにより、溶射材の溶融を制御することができる。
【００３１】
また、上記ノズルから吐出されるガス温度を検出する温度センサと、ノズルの周囲に設けられまたは上記ノズルとしての加熱手段と、上記ノズル内の溶射材粒子温度を所定温度に調節する温度調節手段とを有する場合、温度調節手段は、温度センサによって検出される検出温度に基づいて上記加熱手段に印加する電圧を制御することにより、ノズル内の溶射材粒子温度を正確に管理することができるようになる。
【００３２】
また、上記ノズルの姿勢を変位させる駆動機構と、この駆動機構を制御する駆動系制御部とを有し、上記駆動系制御部が、三次元ＣＡＤデータを読み込み、読み込まれた三次元ＣＡＤデータに基づいて積層厚みにスライスした断面データを作成し、この断面データにしたがって上記溶射材溶解手段によって溶解した溶射材粒子を一層ずつ基材に堆積するように駆動機構を制御すれば、三次元立体モデルを造形することができるようになる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の溶射ノズル装置によれば、均一でしかも密な金属積層を精度良く実現することができる。
【００３４】
本発明の溶射ノズル装置によれば、溶射材挿入部がガス流と平行に配置されているためガス流を乱すことがなく、さらに、加熱手段を備えた溶射ノズル装置によれば、ノズル内壁に付着した溶射材粒子は加熱手段によって溶解剥離されるため、クリーニング効果を得ることができる。
【００３５】
本発明の溶射装置によれば、基材に積層される溶射材を正確に制御することができ、また、三次元ＣＡＤデータに基づいてノズルの姿勢を制御する溶射装置によれば、三次元立体モデルを精度良く造形することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００３７】
図１は、本発明に係る溶射ノズル装置Ｎの構成を示したものである。
【００３８】
同図において、ノズル１の内部には内径が一定である通路２が筒軸方向に形成されており、この通路２の上流側（キャリアガスの流れ方向において）にはキャリアガスの供給口３が設けられ、また、通路２の上流側で且つ通路２の中心軸上には溶射材料としてのワイヤ４を下流側に向けて送り出すための中空円管からなるガイド（溶射材挿入部）５が設けられている。
【００３９】
このガイド５の外面は下流側に向けて径が次第に拡張されており、それにより、通路２内面との間で環状の隙間が最も狭くなるスロート部６が形成されている。なお、このスロート部６より下流側は再び径が縮小されガイド５の外径と同じになっている。
【００４０】
また、ノズル１の長さはその内径の２０〜４０倍に設定され、長い直線部を持つことによりノズル１内で溶解された溶射材粒子（以下、粒子と略称する）のほとんどはノズルと平行に飛行する。それにより、広がりが抑制され基材に対し命中精度を高めることができるようになっている。
【００４１】
ガイド５の先端から若干下流側に離れた位置、すなわちスロート部６よりも下流側において、通路２をＹ軸方向に横切るようにして、ノズル１の一方の側面１ａから入射して他方の側面へとＹｂファイバーレーザー（以下、レーザー装置と略称する）の光軸が横断するようになっており、ガイド５の先端から突出したワイヤ４の先端に対し、レーザー光線の焦点が結ばれるようになっている。なお、本実施形態に使用されるレーザー装置（溶射材溶解手段）としては出力５００Ｗのものを使用することができる。図中１ａ′はレーザー光入射部を示している。
【００４２】
また、溶射ノズル１の周囲には、高周波電磁誘導コイル７が巻かれており、このコイル７は高周波電源８に接続されている。高周波をコイル７に印加することにより、タングステン等の高融点金属でできたノズル１を電磁誘導加熱するようになっている。
【００４３】
この加熱は二つの用途に使用される。第一の用途はノズル１のクリーニングである。粒子がノズル内壁１ｃに凝固付着することがあり、定期的なノズル内部のクリーニングが必要となるからである。
【００４４】
そこで、図２に示すように、溶射材融点以上で且つノズル金属融点を下回る条件でノズル１を高周波電磁誘導加熱し、キャリアガスを噴射することにより、付着粒子の除去を行うようになっている。熱電対９ａは溶射材融点以上にノズル１が加熱されているかどうかを検出するためのものである。
【００４５】
また、第二の用途としてはノズル１内のキャリアガス温度を所定の温度に調節するためにある。この場合、ノズル出口部に配置された熱電対９ｂによってキャリアガス温度を直接モニタし、モニタされたガス温度はノズル加熱制御部１０に与えられる。
【００４６】
ノズル加熱制御部１０はノズル１が溶射材融点以上になるように、またはキャリアガス温度が所定温度になるようにコイル７に印加する電圧を制御する。キャリアガス温度を所定温度に調節する場合の上記加熱制御部１０は温度調節手段として機能する。
【００４７】
また、ノズル１の近傍にはスポット放射温度計１１が配置されており、このスポット放射温度計１１によって検出された基材１２の表面温度もノズル加熱制御部１０に与えられるようになっている。すなわち、基材１２の温度が低い場合には粒子温度を高めにする必要があるため、スポット放射温度計１１により溶射直前の基材温度を計測し、フィードバック制御をかけている。
【００４８】
なお、上記コイル７をクリーニング用の加熱手段として使用する場合は、溶射処理が実施されていない時に所定の周期で加熱が行われ、粒子温度を調節する温度調節手段として使用する場合は、溶射処理時に加熱される。
【００４９】
上記構成を有する溶射ノズル装置Ｎを用い、スロート部６よりも下流側でワイヤ４をレーザーによって加熱溶解する。
【００５０】
このレーザーによる加熱溶解部は、ノズル１内におけるキャリアガス流路においてスロート部６よりも下流側に位置し、且つ、キャリアガス全圧ｐ０が下記式(1)を満足する状態で動作するように構成されている。
【００５１】
【数１】
【００５２】
ここで、ｐ０：キャリアガス全圧（スロート上流側圧力），ｐＢ：ノズル出口背圧，Ｍ：溶射材溶解部におけるマッハ数，κ：キャリアガスの比熱比である。
【００５３】
また、溶射材溶解部におけるマッハ数Ｍは式(2)により、スロート部６の断面積Ａ＊および溶射材加熱溶解部の断面積Ａ（図３参照）と関係づけられる。
【００５４】
【数２】
【００５５】
式(1)からわかるように、キャリアガスが窒素ガスの場合（κ＝１．４），スロート部６下流のノズルマッハ数が例えばマッハ３（Ｍ＝３）の領域ではｐＢ／ｐ０≦０．０２７２となり、スロート部６上流側の圧力が３．７ＭＰａ（ｐ０＝３．７×１０６Ｐａ）でも、スロート部６通過後の超音速域では圧力が０．１ＭＰａ、ほぼ大気圧になる。従って、従来のコールドスプレーの粉体供給系とは異なり、特別な耐圧設計が不要になる。
【００５６】
レーザーによって溶解された溶射材は、超音速流れの気流による剪断作用を受け、微粒子へとアトマイズされる。
【００５７】
また、文献（Atomization and Spray,Arthur H.Lefebvre,Taylor&Francis(publisher),p30-37）には、平行流によるアトマイズ効果の実験式として式(3)が示されている。
【００５８】
【数３】
【００５９】
ここで、ρＡ：ガス密度，ＵＡ：ガス−粒子相対速度，Ｄ：粒子径，σ：液滴表面張力である。
【００６０】
鉄系の材料を溶融させてマッハ数３の気流中に注入すると、式(3)より、φ１０μｍ以下まで微粒化されることが予測される。
【００６１】
アトマイズ後の粒子は超音速気流によって加速と冷却の各作用を受け、最終的に超音速の速度を持ってノズル１から噴出される。
【００６２】
この間の加速と冷却は数値解析により見積ることができる。具体的には、準一次元圧縮性流体保存形表示の質量保存、運動量保存、エネルギ保存式を式(4)と、粒子の運動方程式(6)とを連立させて解く。
【００６３】
【数４】
ここで、
【００６４】
【数５】
ただし、ノズル壁１ｂの乱流熱伝達にはJohnson-Rubeshinの式(5)を用いる。
【００６５】
【数６】
【００６６】
また、ｓとｅはガス相と第二相間の相互作用を表す運動量生成項とエネルギ生成項をそれぞれ表す。
粒子の速度は、粒子の運動方程式(6)を解くことにより得ることができる。
【００６７】
【数７】
ただし、
【００６８】
【数８】
ここで抗力係数にはKurtenの式(8)を用いている。
【００６９】
【数９】
粒子の温度は、粒子のエネルギ方程式(9)を解くことにより得ることができる。
【００７０】
【数１０】
ただし、ノズル壁１ｂの温度がガス温度と等しくなる断熱壁の場合、
【００７１】
【数１１】
また、ノズル壁１ｂを加熱した等温壁の場合、
【００７２】
【数１２】
ここでヌセルト数にはRanz-Marshallの式(12)を用いている。
【００７３】
【数１３】
【００７４】
ただし、上記各式中の記号の意味は下記の通りである。
Ａ：ノズル断面積
ＣＤ：粒子の抗力係数
Ｄ：ノズル直径
ｄ：粒子直径
ｆ：壁面摩擦係数
ｇ：重力加速度
ｈ：比エンタルピ
ドットｍ：質量流量
Ｎｕ：ヌセルト数
ｐ：ガス圧力
Ｐｒ：プラントル数
Ｒｅ：レイノルズ数
Ｔ：温度
ｕ：流速
ｘ：ノズル流れ方向の距離
α：ステファン・ボルツマン定数
ε：放射率
κ：比熱比
λ：熱伝導率
μ：粘性係数
ρ：密度
【００７５】
また、添字の意味は下記の通りである。
ｇ：ガス
ｓ：第二相（液滴、粒子、粉体）
ｘ：ノズルスロート部からの距離
Ｗ：ノズル壁面
【００７６】
図４および図５は、キャリアガスとして窒素ガスとヘリウムガスをそれぞれ用いた場合について、スロート部６からノズル出口までの距離に対するノズル内粒子温度及び粒子速度の関係を示したものである。
【００７７】
図４(ａ)に示すグラフは、キャリアガスとして窒素ガスを使用した場合を示し、横軸は「スロート部からノズル出口までの距離」、縦軸は「粒子温度」と「粒子速度」を共通のスケールで示している。また、横軸において「ゼロ」はスロート部６の位置に相当し、グラフ中の特性Ａは粒子温度の推移を、特性Ｂは粒子速度の推移をそれぞれ示している。
【００７８】
溶射条件としてキャリアガス温度が６００℃となるようにノズル壁を加熱し、窒素ガスの圧力を３．８ＭＰａ、ガス流量を１ｇ／ｓ、ワイヤ４の供給量を０．１ｇ／ｓとした場合、アトマイズされた粒子の平均粒径は１０μｍであった。
【００７９】
また、図４(ｂ)はゼロ〜０．０５ｍまでの範囲を横軸方向に拡大したものである。
【００８０】
両図に示されるように、スロート部６から放出された粒子は約０．０２ｍまでは急激に加速されるがそれ以上は加速の勾配は緩やかになる。そこでキャリアガスに窒素ガスを使用する場合のノズル長さとして０．０２ｍを採用した。
【００８１】
一方、粒子の温度はスロート部６から放出された後、冷却され続け０．０２ｍで約１７００Ｋ（グラフ中、ポイントａ参照）まで低下し、基材に衝突した時の衝突速度は約４００ｍ／ｓである（グラフ中、ポイントｂ参照）。
【００８２】
このように窒素ガスを用いた場合、粒子が基材に衝突する時の温度が高いため、溶射成形した層の強度を高めるためにはその後、基材に対する何らかの熱処理が必要になる。ところが、熱処理を行うと造形直後の形状と比較してある程度の歪が避けられない。
【００８３】
したがって、溶射成形された形状において０．２ｍｍ程度の仕上り誤差を許容できる場合、或いは、溶射積層後に仕上げ機械加工が許されるような場合にはキャリアガスとして窒素ガスを使用することができる。また、その場合、粒子が凝固直後に基材に衝突するようにノズル長さを設定すればよい。
【００８４】
詳しくは、溶射処理において粒子が凝固直後であることは材料の組織に良い影響を与える。平均粒径１０μｍの粒子がノズル１内を飛行している時、周囲のガスとの熱伝達および放射により１０４〜１０５Ｋ／ｓの冷却速度で急冷され、それにより、粒子が付着して得られる材料は極めて緻密な組織が得られる。そこで、凝固が終了するまでノズル１内を飛行することができるようにノズル長さを設定している。
【００８５】
次に、図５(ａ)に示すグラフはキャリアガスとしてヘリウムガスを使用した場合のノズル内粒子の状態を示したものである。
【００８６】
溶射条件としてキャリアガス温度が６００℃となるようにノズル壁を加熱し、ヘリウムガスの圧力を３．８ＭＰａ、ガス流量を０．５ｇ／ｓ、ワイヤ４の供給量を０．１ｇ／ｓとした場合、アトマイズされた粒子の平均粒径は１０μｍであった。
【００８７】
なお、グラフ中の特性Ｃは粒子温度の推移を、特性Ｄは粒子速度の推移をそれぞれ示している。また、図５(ｂ)はゼロ〜０．０５ｍの範囲を横軸方向に拡大したものである。
【００８８】
キャリアガスとしてヘリウムガスを使用した場合、ヘリウムの分子量が小さいために粒子は約１４００ｍ／ｓまで加速され続ける。一方、溶射材粒子の温度についてはヘリウムの熱伝導率が良いためにスロート部６から放出された後、急冷されノズル出口部では３００Ｋまで低下する。
【００８９】
図５の測定結果から、一般に５４０Ｋ以下であれば焼き戻しされることもないので、キャリアガスとしてヘリウムガスを使用した場合のノズル長さを０．０４ｍｍとした。粒子が基材に衝突する時の粒子温度は約５４０Ｋ（グラフ中、ポイントｄ参照）、衝突速度は約７８０ｍ／ｓ（グラフ中、ポイントｃ参照）である。
【００９０】
粒子速度７８０ｍ／ｓは基材に衝突付着する条件としては十分な速度になっている。したがって、本実施形態の条件で溶射を行えば基材に粒子が堆積していくことになる。
【００９１】
また、基材衝突時の粒子温度は上記窒素ガスの場合（１７００Ｋ）に比べて格段に低く、それにより造形後の熱処理は不要であり歪もほとんど生じない。しかも、衝突時の粒子速度は高速であるために、粒子が衝突した表面はクレーター状になりながら堆積が継続される。このとき、堆積層内部には空隙のない１００％密度の安定した厚みの被膜が得られる。
【００９２】
三次元堆積造形法では、本発明の溶射ノズル装置の持つ特性が大きな効果をもたらす。
【００９３】
まず、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）と比較すると、成形材料（溶射材）として線材に成形されたものを使用するためコストが低くなる。
【００９４】
また、ＳＬＳ法では熱可塑性樹脂でコーティングされた球状粒子を用いるため、金属成形体を得るのに２段階の焼結工程が必要になる。具体的には、レーザー熱源によって樹脂部分を溶融・固化するレーザー焼結と、レーザー焼結された成形体の結合剤を除去すると同時に金属粒子同士を固着させる本焼結である。
【００９５】
これに対し、本実施形態による溶射ノズル装置では粒子を樹脂コーティングする必要がなく、結合剤が除去されることによって生じた多孔質の密度を高めるためにブロンズ等を溶浸させる必要もない。したがって、本実施形態によればＳＬＳ法の欠点を克服して精度の高い積層を得ることができるようになる。
【００９６】
図６は上記構成を有する溶射ノズル装置Ｎで製膜処理を行う場合の構成を示したものである。
【００９７】
同図において、ノズル１の筒軸方向延長線上に基材１２が配置されている。
【００９８】
ワイヤ４はワイヤリール（溶射材供給装置）１３から巻き解かれ、溶射ノズル１の中心軸に沿って配置されているガイド５内を通過しながらノズル１内に供給されるようになっており、ワイヤ４の先端はガイド５の先端から突出するようになっている。
【００９９】
突出したワイヤ４の先端に対し、レンズ１４によってレーザー光の焦点が結ばれ、ワイヤ４の先端が溶解する。
【０１００】
一方、キャリアガスは制御弁１５によって流量が制御され、スロート部６上流側に供給される。供給されたキャリアガスはスロート部６を通過することによって超音速に加速され、上記溶解されたワイヤ４先端の溶射材をアトマイズする。
【０１０１】
アトマイズされた粒子はスロート部６から離れる際に急冷されるが、ノズル１内はコイル７によって加熱されていることにより、凝固点温度以下または変態点温度以下の高い温度に調節された状態で基材１２の表面に衝突する。
【０１０２】
図７は本発明の溶射ノズル装置Ｎの別の実施形態を示したものである。
【０１０３】
同図に示す溶射ノズル装置Ｎ１において、ノズル２０はセラミック製円筒からなり、その外周側にタングステン製からなる円筒２１が同心円状に巻き付けられている。
【０１０４】
ガイド５の先端近傍におけるノズル２０内壁には、一対の放電電極２２ａ，２２ｂが対向する状態で配置されており、この電極間に直流電圧２３（交流電圧、パルス電圧であってもよい）が印加されるようになっている。
【０１０５】
各電極２２ａ，２２ｂに直流電圧が印加されると、電極間に放電が発生して電流が流れ、電極間に突出しているワイヤ４の先端がジュール熱によって溶解される。この構成では、上記電極２２ａ，２２ｂおよび直流電圧２３が溶射材溶解手段として機能する。
【０１０６】
図８は本発明の溶射ノズル装置Ｎのさらに別の実施形態を示したものであり、ノズル内に挿入されるワイヤを一対とし、それらのワイヤを電極としてアーク放電を行うものである。
【０１０７】
なお、同図では内部構造が分かるように、装置をＺ−Ｚ′方向に二分割した一方の断面を示している。
【０１０８】
溶射ノズル装置Ｎ２は、内部に中空室２４ａを備えた耐圧構造からなる本体部２４と、この本体部２４からＺ′軸方向に延設されたノズル部２５と、Ｘ−Ｘ′軸に沿って本体部２４に対し対向する側から接続された２本のキャリアガス供給配管（以下供給管と略称する）２６，２７とを備えている。
【０１０９】
詳しくは、本体部２４内にはＹ−Ｙ′方向から見て三角形状をなしＺ−Ｚ′方向から見て楕円形をなしている中空室２４ａが形成されている。この部屋２４ａ内に二本のワイヤ４，４をガイドするためのガイド２８，２９がＶ字状に配置されており、各ガイド２８，２９の先端から送り出されるワイヤ４，４は、ノズル部２５の中心軸ｐ．ａ上で交わるようになっている。なお、上記ガイド２８，２９はＺ′方向に向けて先細に形成された筒状部材で構成されている。
【０１１０】
上記一対のワイヤ４，４の後端は直流電圧（図示しない）と接続されており、ワイヤ４，４の先端はアーク放電を発生させるための電極を構成するようになっている。従って、上記ワイヤ４，４および直流電圧は溶射材溶解手段として機能する。
【０１１１】
上記ノズル部２５の基端部には、上記構成を有するガイド２８，２９の先端部およびワイヤ４，４をノズル部２５内に配置するための円錐状切欠部２５ａが形成されている。
【０１１２】
また、上記供給管２６，２７は中空室２４ａと連通しており、供給管２６の出口２６ａ近傍には上記ガイド２８が配置され、供給管２７の出口２７ａ近傍には上記ガイド２９が配置されている。このように構成することにより、ガイド２８および２９は、供給管２６，２７から吐出されるキャリアガスの流れに衝突する衝突板として機能させることができ、それにより、キャリアガスの動圧成分を減衰させ、中空室２４ａ内を等方的に圧力が作用する静圧成分に変換することができるようになっている。
【０１１３】
その結果、中空室２４ａ内ではキャリアガスの流速が減衰させられて旋回流れが弱まり、中空室２４ａおよびそれに連通するノズル部２５を流れるキャリアガスの流速分布が一定になる。それにより、溶解されアトマイズされた後の溶射材粒子をノズル部２５内に真っすぐ引き込むことが可能になる。
【０１１４】
図９は上記溶射ノズル装置Ｎ２を側面から見たものであり、ｐ.ｔは溶射粒子の飛行軌跡を示している。同図からわかるように、溶射粒子はアーク溶解点ｍからノズル部２５に向けてノズル内壁に衝突することなく、直進している。
【０１１５】
図１０は溶射ノズル装置Ｎ２を平面から見たものであり、溶射粒子の飛行軌跡ｐ.ｔは左右方向に広がることなく直進していることがわかる。
【０１１６】
ただし、図９および図１０では数値解析により求めた溶射粒子の飛行軌跡を表示している。
【０１１７】
また、図１１は中空室２４ａ内でのキャリアガスの流れを側面から示したものである。同図に示すように、アーク溶解点ｍ近傍におけるキャリアガスの流れは中空室２４ａ内で上下に分かれる分岐点となっており、キャリアガスの主な流れ方向はノズル部２５へと向かう軸方向成分のみとなっている。
【０１１８】
上記キャリアガスが上下に分かれる様子を図１２に示す模式図を用いて説明する。
【０１１９】
同図(ａ)は図１１におけるＥ−Ｅ矢視断面を示し、同図(ｂ)は同じくＦ−Ｆ矢視断面を示している。
【０１２０】
図１２(ａ)において、供給管２６の出口２６ａから吐出されたキャリアガスはガイド２８の側壁に衝突することにより動圧成分が減衰されるとともに略上下二つの流れｆｗ１，ｆｗ２に分割される。また、供給管２７の出口２７ａから吐出されたキャリアガスも同様にガイド２９の側壁に衝突することにより動圧成分が減衰された状態で略上下二つの流れｆｗ３，ｆｗ４に分割される。
【０１２１】
各ガイド２８および２９によって分割されたキャリアガスｆｗ１，ｆｗ２およびｆｗ３，ｆｗ４は中空室２４ａの中心に向けて対向流をなし中空室２４ａの中心部で衝突し、アーク溶解点ｍを点対象として回転する流れに変換される。それにより、アーク溶解点ｍ近傍ではｘ−ｙ断面内に速度を持たない流れの領域が形成される。
【０１２２】
この状態でキャリアガスはノズル部２５に進み、ノズル部２５内では図１２(ｂ)に示すようなキャリアガスの流れが形成される。その結果、溶解されアトマイズされた粒子ｐは、キャリアガスの流れの間に挟まれた状態でノズル部２５内を飛行する。
【０１２３】
図１３はノズル部２５の中心軸ｐ．ａを通るキャリアガスの流速分布を示したものである。流速分布は流れ方向に垂直な方向の複数の線で示されるが、中心軸に対して対称であるため、中心軸に集中する粒子Ｐが壁面に接触することがほとんどない。
【０１２４】
なお、上記溶射ノズル装置Ｎ２では二本のワイヤ４，４で構成したが、ワイヤの本数はそれ以上の本数で構成することもでき、ワイヤを供給するガイドはワイヤの本数に応じた数を用意すればよい。
【０１２５】
図１４は上記溶射ノズル装置Ｎを三次元堆積造形法に適用した場合の構成を示したものである。
【０１２６】
同図に示す溶射装置ＮＤにおいて、３０は３Ｄ（三次元）ＣＡＤデータを読み込むコントローラである。
【０１２７】
コントローラ３０は、読み込んだ３ＤＣＡＤデータから積層厚みにスライスした断面データを作成し、この断面データに基づいてレーザー光またはアーク放電によって溶解された溶射材粒子を一層ずつ基材３１に堆積することにより、所望の形状からなる三次元立体モデル（造形物）を得るようになっている。なお、以下の説明ではレーザー光で溶射材を溶解する場合を例に取り説明する。
【０１２８】
基材３１はＸ軸、Ｙ軸（紙面奥行き方向）、Ｚ軸方向に移動させることができる搬送テーブル３２に設けられ、また、ノズル３３は図示しないロボットアームに取り付けられている。これら搬送テーブル３２およびロボットアームからなる駆動機構は、上記コントローラ３０の駆動系制御部３０ａによってそれぞれ３軸方向の移動が制御できるようになっている。
【０１２９】
キャリアガスとしてのヘリウムはヘリウムボンベ３４からヘリウム容器３５に一旦、貯留され、ヘリウム容器３５とノズル３３はガス供給路３６を介して接続されている。このガス供給路３６には電磁制御弁３７が介設されている。
【０１３０】
この電磁制御弁３７は遮断位置ａと連通位置ｂとを有し、通常、バネ圧によって遮断位置ａにあるが、コントローラ３０の供給系制御部３０ｂから開信号Ｓ１が入力されている期間、連通位置ｂに切り換わるようになっている。
【０１３１】
ノズル３３に供給される溶射材としてのワイヤ４はワイヤリール１３に巻き取られており、このワイヤリール１３から巻き解かれるワイヤ４は駆動ローラ３９によってノズル３３に供給される。なお、駆動ローラ３９はパルス制御可能なステッピングモータ３８によって回転するようになっており、ステッピングモータ３８は供給系制御部３０ｂによって制御されるようになっている。
【０１３２】
具体的には、供給系制御部３０ｂから送り信号Ｓ２がステッピングモータ３８に与えられると、出力されたパルス数に応じて駆動ローラ３９が回転しワイヤリール１３が矢印Ｅ方向に回転しながらワイヤ４が矢印Ｆ方向に送り出され、ノズル３３の上端部（入口側）３３ａからノズル３３内に導入される。
【０１３３】
ノズル３３のガイド５（図１参照）先端からワイヤ４の先端が突出すると、コントローラ３０の出力制御部３０ｃからレーザー装置４０に対してレーザー回路のシャッタを開くシャッタ開信号Ｓ３が与えられ、レーザー装置４０から照射されたレーザー光は突出したワイヤ４の先端で焦点を結びワイヤ４を溶解する。
【０１３４】
レーザー装置４０によるワイヤ４の溶解動作は供給系制御部３０ｂから開信号Ｓ１が出力されていることを前提とし、ヘリウム容器３５からキャリアガスがノズル３３内に送り込まれている。したがって、溶解した粒子は超音速のキャリアガスによってノズル３３から基材３１に対し噴射されることになる。
【０１３５】
なお、ノズル３３およびそのロボットアーム、搬送テーブル３２は気密状態が得られるチャンバ４１内に収納されており、そのチャンバ４１内は真空ポンプ４２によって真空引きされることにより、酸素が除去されるようになっている。また、コントーラ３０内の符号１０は図２に示したノズル加熱制御部である。
【０１３６】
図１５は、供給系制御部３０ｂによって粒子の堆積量を制御する方法を示したものである。
【０１３７】
ノズル３３の移動方向前側には位置センサ４４が備えられ、この位置センサ４４はノズル３３の先端と基材１２に堆積された既積層面との距離を計測し、供給系制御部３０ｂに与えている。
【０１３８】
供給系制御部３０ｂは、検出された距離に応じ、駆動ローラ３９を駆動させるべくステッピングモータ３８を制御する。例えば、範囲Ｒ１では目標堆積レベルに対し、既堆積レベルＬ１が低く堆積量が不足している。したがってこの場合は、ステッピングモータ３８を駆動させ駆動ローラ３９を介しワイヤ４をレーザー焦点に向けて送り続ける。
【０１３９】
一方、位置センサ４４が目標堆積レベルを満足している既堆積レベルＬ２を検出すると、堆積の必要がないため、ステッピングモータ３８を停止させる。それにより、ワイヤ４が供給されず溶射がストップする。
【０１４０】
次に、位置センサ４４が既堆積レベルＬ３を検出すると、堆積不足であるため再度、ステッピングモータ３８を駆動させ、ワイヤ４の供給を再開させる。それにより、目標積層レベルに到達するように溶射材粒子が溶射される。
【０１４１】
図１４に戻って説明する。
【０１４２】
また、４３はヘリウムを回収するためのヘリウム圧縮機であり、チャンバ４１内のヘリウムを圧縮して高圧にしヘリウム容器３５に戻すようになっている。それにより、高価なヘリウムを再利用するようになっている。
【０１４３】
なお、上記実施形態に示したワイヤ４は単独の素材からなる金属であってもよく、複数の金属素材を撚り合わせたものであってもよい。また、図８に示した溶射ノズル装置Ｎ２を使用する場合には、一方のワイヤ４と他方のワイヤ４の素材を変えることもできる。
【０１４４】
次に、図１６はノズルを加熱する加熱手段に係る他の実施形態を示したものである。
【０１４５】
先に説明した実施形態では、ノズル１の周囲に配置したコイル７を用いてノズル１を高周波誘導加熱しノズル１の内面に付着した金属をクリーニングするように構成し、それにより、ノズル１内に付着した金属によってキャリアガスの流れが乱され溶射の精度が低下することを防止している（図２参照）。
【０１４６】
しかしながら、この加熱方法ではコイル７から放出された電磁波のエネルギーの一部がノズル１の加熱に利用されないことから、コイル７に付与した電気的エネルギーに対しノズル１の加熱に供せされる熱エネルギーの割合が低い。そこで、ノズルの温度調節時およびノズルクリーニング時のエネルギー効率を高めるために、図１６に示すような加熱装置５０を用いることができる。
【０１４７】
同図に示す加熱装置５０は、ノズル１の周囲を囲むように設けられたカーボンヒータ５１を備えている。
【０１４８】
このカーボンヒータ５１は図１７に示すように、円筒状の発熱部５１ａと、この発熱部５１ａの上部において相反する方向に配置された一対の電極部５１ｂ，５１ｂと、これらの電極部５１ｂ，５１ｂと発熱部５１ａの上端とを接続する電極接続部５１ｃ，５１ｃとから構成されている。
【０１４９】
上記発熱部５１ａは、円筒体の上下両側から交互に一定の長さ形成されたスリット５１ｄ，５１ｅによって複数部分に分割されている。
【０１５０】
また、図１６に示したように、カーボンヒータ５１の外側周囲を囲むようにしてカーボン繊維からなる筒状の断熱材５２が配置され、この断熱材５２を収容する容器５３がさらに備えられている。
【０１５１】
なお、容器５３内にはカーボン部品の酸化を防止する目的で不活性ガスが封入されており、上記電極部５１ｂの先端はシールされた状態で上記容器５３の側壁５３ａを貫通して外部に延設され、図示しない電源と接続できるようになっている。
【０１５２】
次に、上記構成を有する加熱装置５０によってクリーニング動作を行う場合について説明する。
【０１５３】
図示しない電源から電極部５１ｂ，５１ｂ、電極接続部５１ｃ，５１ｃを通じて発熱部５１ａに電力を供給すると、カーボンヒータ５１は、通電によるジュール発熱によって内部から発熱する。それにより、タングステン製またはモリブデン等の高融点金属製、或いはセラミックス製のノズル１は発熱部５１ａからの輻射伝熱によって約２０００℃に加熱され、ノズル１内壁に付着した金属が溶融される。
【０１５４】
また、高融点金属またはセラミックス製からなるノズル１をカーボンまたはカーボンコンポジット製のノズル１に代えると、金属製のノズルに比べてノズル表面の輻射率がさらに高まり、エネルギー効率をさらに高めることができる。
【０１５５】
次いでキャリアガスをノズル１内に噴射することにより、溶融した金属がノズル１外に排出されクリーニングが行われる。
【０１５６】
図１８は加熱装置のさらに他の実施形態を示したものである。
【０１５７】
図１６に示した加熱装置５０ではノズル１の周囲にカーボンヒータ５１を配置してノズル１を加熱したが、図１８に示す加熱装置６０では高融点金属またはセラミックス製からなるノズルをカーボン製ノズル６１に代え、そのノズル６１を直接、加熱するように構成している。なお、同図において図１６と同じ構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。
【０１５８】
加熱装置６０は、ノズル６１自体がカーボンまたはカーボンコンポジットにより構成されており、発熱部として機能するようになっており、ノズル６１の上端部には相反する方向に一対の電極部５１ｂ，５１ｂが接続されている。
【０１５９】
次に、上記構成を有する加熱装置６０によってクリーニング動作を行う場合について説明する。
【０１６０】
図示しない電源から電極部５１ｂ，５１ｂを通じてノズル６１に電力を供給すると、ノズル６１は、通電によるジュール発熱によって内部から発熱する。それにより、ノズル６１は約２０００℃に加熱され、ノズル６１内壁に付着した金属が溶融される。
【０１６１】
次いでキャリアガスをノズル１内に噴射することにより、溶融した金属がノズル６１外に排出されクリーニングが行われる。
【０１６２】
上記したようにノズルを加熱する手段としてカーボンヒータ５１を使用すると、高周波誘導コイルを用いて溶射ノズルを誘導加熱する場合に比べ、溶射ノズルの加熱に供せられるエネルギーの利用効率を高めることができる。
【０１６３】
また、カーボンヒータ５１を使用する構成に比べて部品点数を削減することができるため、メンテナンスが容易になるという利点がある。
【０１６４】
このように、上記構成を有する加熱装置５０および加熱装置６０によれば、ノズルの温度調節時或いはノズルクリーニング時において、コイル７を用いてノズル１を加熱する場合に比べ、ノズルの加熱に使われるエネルギーのロスを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１６５】
【図１】本発明に係る溶射ノズル装置の構成を示す断面図である。
【図２】溶射ノズルの加熱装置の構成を示す説明図である。
【図３】ノズル内のスロート部断面積および加熱溶解部断面積の関係を示す説明図である。
【図４】(ａ)は窒素ガス使用時のノズル内粒子温度と粒子速度の関係を示すグラフであり、(ｂ)は図４(ａ)の要部を拡大したグラフである。
【図５】(ａ)はヘリウムガス使用時のノズル内粒子温度と粒子速度の関係を示すグラフであり、(ｂ)は図５(ａ)の要部を拡大したグラフである。
【図６】本発明に係る溶射装置を製膜用として使用する場合の構成を示す構成図である。
【図７】本発明に係る溶射装置を製膜用として使用する場合の別の構成を示す要部断面図である。
【図８】本発明に係る溶射ノズルの他の実施形態を示す斜視図である。
【図９】図８に示す溶射ノズル内の粒子軌跡を示す側面断面図である。
【図１０】図８に示す溶射ノズル内の粒子軌跡を示す平面断面図である。
【図１１】図８に示す溶射ノズル内のキャリアガスの流れを示す側面断面図である。
【図１２】図９のＥ−Ｅ断面におけるキャリアガスの流れを示す説明図である。
【図１３】図９のＦ−Ｆ断面におけるキャリアガスの流れおよび粒子の状態を示す説明図である。
【図１４】本発明に係る溶射装置を三次元堆積造形に使用する場合の構成を示すブロック図である。
【図１５】溶射材粒子の堆積量を制御する方法を示す説明図である。
【図１６】本発明に係る溶射ノズル加熱装置の他の実施形態を示す縦断面図である。
【図１７】図１６に示すカーボンヒータの構成を示す斜視図である。
【図１８】本発明に係る溶射ノズル加熱装置のさらに他の実施形態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【０１６６】
１ ノズル
１ａ 側面
１ａ′ レーザー光入射部
１ｂ ノズル壁
１ｃ ノズル壁
２ 通路
３ 供給口
４ ワイヤ
５ ガイド
６ スロート部
７ コイル
８ 高周波電源
９ 熱電対
１０ ノズル加熱制御部
１１ スポット放射温度計
１２ 基材
１３ ワイヤリール
１４ レンズ
１５ 制御弁
Ｎ 溶射ノズル装置
ＮＤ 溶射装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材上に表面コーティング層を形成する溶射用ノズル、３次元積層造形用の噴射ノズルとして多目的に使用することができる溶射ノズル装置およびそれを用いた溶射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
今日、材料を溶融またはガス化させることなく不活性ガスとともに超音速流で固相状態のまま基材に衝突させて被膜を形成するコールドスプレー技術が広まりつつある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
コールドスプレー技術は、他の溶射方法と違い、熱による材料の特性変化がなく、被膜中の酸化を抑制することができるという利点があり、しかも、金属のみならず、樹脂にも適用することが可能である。この種のコールドスプレー技術は製膜を目的とするものが主であるが、これに限らず三次元造形の製造を目的とする溶射法に応用することも提案されている。
【０００４】
三次元造形の製造が可能になった理由として、近年、急速に普及した三次元ＣＡＤを利用した造形法がある。
【０００５】
三次元ＣＡＤを利用して立体構造物を造形するいわゆる三次元積層造形法は、ラピッドプロトタイピング（rapid prototyping）と呼ばれ、三次元ＣＡＤ上で入力された形状データを用いて機械加工することなく一層ずつ積層しながら立体モデル（三次元モデル）を直接形成（三次元積層造形）するものであり、当初は短時間で試作品等を造形するための方法として開発されたものである。
【０００６】
最近ではこのラピッドプロトタイピングを利用して金型を造形することが可能になったことから、試作品分野以外の、例えば自動車、家電等の製造業でも製品の開発から出荷までの時間を短縮できコスト削減が図れるという理由で幅広く普及しつつある。
【０００７】
三次元積層造形法にはａ）光硬化性樹脂を用いる光造形法、ｂ）粉末を用いる粉末積層法、ｃ）インクジェット法、ｄ）紙、プラスチックシートまたは金属等の薄板を積層する薄板積層法等が知られている。
【０００８】
ａ）の光造形法としては、例えばカリフォルニア州バレンシアの３Ｄシステムズ社が製造し販売しているＳＬＡ１システムがある。このシステムは、ＵＶレーザーによってレーザー光線が照射された表面の液体ポリマー・プラスチック材料を重合させて層を形成し、次いでその層を下降させ、所望の層厚が得られるまでレーザー生成重合プロセスを順次繰り返すことによって造形を行うというものである。
【０００９】
ｂ）の粉末積層法としては、テキサス州オースチンのＤＴＭ社による選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）と呼ばれる手法があり、この場合もレーザー光線を利用し、プラスチック粉体層を焼結するようになっている。
【００１０】
ｃ）のインクジェット法は、大別すると２種類の方式があり、その一つはマサチューセッツ工科大学で開発されたもので、澱粉や石膏の粉末層に対しバインダーをインクジェットで噴射し固めて積層造形する方法である。他の一つは造形用材料を直接噴射して積層造形する方法である。
【００１１】
インクジェットで噴射し固める方法は、噴射を終了した後で不要部分の粉末を除去しなければならず、除去時に粉末が飛散するという問題がある。一方、造形用材料を直接、インクジェットで噴射する方法は材料粒子の飛散がなく装置の取り扱いが簡便である。
【００１２】
ｄ）の薄板積層法は、薄い金属箔層を用いて部品を形成するように適当な形状に切り取り、成形された積層ピースを相互に積み重ね、結合することによって関与する部品を形成するというものである。
【００１３】
このように広範囲に利用されているラピッドプロトタイピングのほとんどは、樹脂による造形を目的としており、金属造形が可能な方法は、上記ｂ）の選択的レーザー焼結による粉末積層法のみである。ところが、レーザー焼結による粉末積層法では、材料である金属粉末の表面をバインダーでコーティングするか、或いは低融点金属粉を混入させておく必要があり、材料コストが高くなる。また、焼結後にはバインダーが消失した部分が多孔状態となって残存するため、十分な強度が得られないという問題も解決されておらず、焼結後の熱歪を防止する目的で徐冷工程も必要である。このようにレーザー焼結による粉末積層法を金属造形として利用するには改善の余地があり、現状では研究段階にある。
【００１４】
このような状況の中、ノズルから突出させた物質をレーザー光で加熱溶解し、圧縮ガスの圧力で溶融状態のまま基材に吐出する技術（例えば特許文献２参照）や、ガス流と平行に供給した金属材料の線材を放電により溶解し、ガス流で空中に飛翔させる技術が提案されている（例えば特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００４−７６１５７号公報
【特許文献２】特開平１１−１６５０６１号公報
【特許文献３】特開２００４−２９２９４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、特許文献２に記載のものは、溶射材を保持するための保持部と、その端面から所定の間隔を空けて対向配置される対向部とを有し、保持部から突出させた溶射材を対向部の基準面に当接させ、レーザービームで溶射材を加熱溶融し、溶融した溶射材に対しその溶射材と直交する方向から圧縮ガスのガス圧を加えるため、流路を妨げるように突出した溶射材によってガス流が乱され、基材上の積層状態をコントロールすることが困難であるという問題がある。
【００１６】
また、特許文献３に記載のものは、ノズルを形成する噴射装置本体に、ガスを送出するための細孔を有し、この細孔内に線材を通すためのガイドパイプが設けられ、細孔の先端近くに第１電極を、細孔から離れて線材の延長線上に第２電極が設けられている。そして各電極間に電圧を印加し電極間に位置する線材を溶融して溶融球を形成し、ガス流によってその溶融球を切り離し飛翔させるというものである。この特許文献３によれば、溶融球の大きさを均一にして噴出させることができるものの、ノズルから放射状に噴出された後のガス流によって溶融球を飛翔させるため、この場合も基材上の積層状態をコントロールすることは困難である。
【００１７】
本発明は以上のような従来の溶射方法における問題を考慮してなされたものであり、均一でしかも密な金属積層を精度良く実現することができる溶射ノズル装置およびそれを用いた溶射装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明に係る溶射ノズル装置は、ノズルの入口側にキャリアガスを導入してその内部全域に超音速のガス流を形成し、そのガス流によって溶射材をアトマイズし放出する溶射ノズル装置であって、線状に成形された溶射材をガス流と略平行な状態で入口側からノズル内に挿入する溶射材挿入部と、溶射材挿入部の先端近傍でその溶射材挿入部から突出した溶射材を加熱溶解する溶射材溶解手段とを備え、この溶射材溶解手段より溶解されアトマイズされた溶射材粒子をノズル内の超音速ガス流によって急冷し、凝固状態若しくは半凝固状態で放出するように構成されていることを要旨とする。
【００１９】
上記溶射ノズル装置における溶射材溶解手段として、溶射材挿入部の先端近傍で焦点が結ばれるレーザー装置を設けることができ、また、溶射材挿入部の先端近傍でアーク放電が通過するように対向した状態でノズル内壁に一対の放電電極を設けることもできる。
【００２０】
さらにまた、複数本の溶射材をノズル内に挿入し得る溶射材挿入部を有し、各溶射材の先端部を、アーク放電を発生させる放電電極に構成することにより溶射材溶解手段とすることもできる。この場合、ノズルの入口側に設けられた中空室と、この中空室に連通しキャリアガスを対向流で導入するための二本のキャリアガス供給管とを有し、各キャリアガス供給管から中空室に吐出されるキャリアガスと衝突する位置に筒状の溶射材挿入部をそれぞれ配置すれば、ノズル流れ方向に垂直な断面内での旋回流れを減らすことができる。この結果、アーク溶解点において溶解液滴を壁面に向かって吹き付ける流れの成分を減らすことができる。
【００２１】
上記溶射ノズル装置において、溶射材挿入部としてノズルの中心軸上に中空円管を配置した場合、この中空円管の外壁の一部を厚肉に形成することによってノズル内壁との間に超音速ガス流形成用のスロート部を形成することができる。
【００２２】
上記溶射ノズル装置において、ノズル内壁に付着する溶射材凝固粒子を融点以上まで加熱する加熱手段を設ければ、加熱と同時にキャリアガスのみ供給することにより、ノズル内壁に付着した溶射材粒子を除去するクリーニングを行うことができる。
【００２３】
また、この加熱手段を、溶射時にはノズル内の溶射材を加熱する構成にすれば、基材衝突時の溶射材粒子を所望の温度に設定することができるため、最適な付着が得られるようになる。
【００２４】
上記加熱手段は、ノズルの周囲に高周波誘導コイルを巻回することによって構成することができ、また、ノズルの周囲にカーボンヒータを設けることによっても構成することができる。さらにまた、ノズル自体を、電極部を備えたカーボンまたはカーボンコンポジットで構成することにより、加熱手段とすることもできる。
【００２５】
また、上記溶射材として異種材料から形成されたものを使用すれば、溶射材として合金を選択することができるようになる。
【００２６】
本発明に係る溶射装置は、上記構成を有する溶射ノズル装置と、ノズルに対し管路を介して接続されキャリアガスを供給するキャリアガス供給装置と、線状に成形された溶射材を溶射材挿入部に送り込む溶射材供給装置と、溶射材溶解手段としての放電電極またはレーザー装置に対し電圧を印加する電源装置とを備えてなることを要旨とする。
【００２７】
上記溶射装置において、管路に介設されキャリアガス供給装置から供給されるキャリアガスの流量を制御する制御弁と、溶射材供給装置としての線状の溶射材を巻き取っているリールと、このリールから溶射材を巻き解きつつ溶射材挿入部に導入する駆動ローラと、制御弁の開閉、駆動ローラの回転・停止を制御する供給系制御部とを備えれば、基材に積層または堆積される溶射材を制御することができるようになる。
【００２８】
また、上記駆動ローラを回転させるモータを有するとともに、ノズルから既堆積面までの堆積直前の距離を計測する位置センサを備え、上記供給系制御部が、三次元ＣＡＤデータを読み込み、位置センサによって検出されたレベルと、三次元ＣＡＤデータにおける目標堆積面レベルとの差に応じてモータの回転を制御すれば、積層または堆積される溶射材をより正確に制御することができるようになる。
【００２９】
上記溶射装置においては、放電電極に印加する電圧またはレーザー装置の出力を制御する出力制御部を備えることができる。
【００３０】
また、上記溶射材溶解手段としてレーザー装置およびこのレーザー装置とノズルとを接続するレーザー光伝送用光ファイバを有する場合、出力制御部はレーザー装置のシャッタの開閉を制御することにより、溶射材の溶融を制御することができる。
【００３１】
また、上記ノズルから吐出されるガス温度を検出する温度センサと、ノズルの周囲に設けられまたは上記ノズルとしての加熱手段と、上記ノズル内の溶射材粒子温度を所定温度に調節する温度調節手段とを有する場合、温度調節手段は、温度センサによって検出される検出温度に基づいて上記加熱手段に印加する電圧を制御することにより、ノズル内の溶射材粒子温度を正確に管理することができるようになる。
【００３２】
また、上記ノズルの姿勢を変位させる駆動機構と、この駆動機構を制御する駆動系制御部とを有し、上記駆動系制御部が、三次元ＣＡＤデータを読み込み、読み込まれた三次元ＣＡＤデータに基づいて積層厚みにスライスした断面データを作成し、この断面データにしたがって上記溶射材溶解手段によって溶解した溶射材粒子を一層ずつ基材に堆積するように駆動機構を制御すれば、三次元立体モデルを造形することができるようになる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の溶射ノズル装置によれば、均一でしかも密な金属積層を精度良く実現することができる。
【００３４】
本発明の溶射ノズル装置によれば、溶射材挿入部がガス流と平行に配置されているためガス流を乱すことがなく、さらに、加熱手段を備えた溶射ノズル装置によれば、ノズル内壁に付着した溶射材粒子は加熱手段によって溶解剥離されるため、クリーニング効果を得ることができる。
【００３５】
本発明の溶射装置によれば、基材に積層される溶射材を正確に制御することができ、また、三次元ＣＡＤデータに基づいてノズルの姿勢を制御する溶射装置によれば、三次元立体モデルを精度良く造形することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００３７】
図１は、本発明に係る溶射ノズル装置Ｎの構成を示したものである。
【００３８】
同図において、ノズル１の内部には内径が一定である通路２が筒軸方向に形成されており、この通路２の上流側（キャリアガスの流れ方向において）にはキャリアガスの供給口３が設けられ、また、通路２の上流側で且つ通路２の中心軸上には溶射材料としてのワイヤ４を下流側に向けて送り出すための中空円管からなるガイド（溶射材挿入部）５が設けられている。
【００３９】
このガイド５の外面は下流側に向けて径が次第に拡張されており、それにより、通路２内面との間で環状の隙間が最も狭くなるスロート部６が形成されている。なお、このスロート部６より下流側は再び径が縮小されガイド５の外径と同じになっている。
【００４０】
また、ノズル１の長さはその内径の２０〜４０倍に設定され、長い直線部を持つことによりノズル１内で溶解された溶射材粒子（以下、粒子と略称する）のほとんどはノズルと平行に飛行する。それにより、広がりが抑制され基材に対し命中精度を高めることができるようになっている。
【００４１】
ガイド５の先端から若干下流側に離れた位置、すなわちスロート部６よりも下流側において、通路２をＹ軸方向に横切るようにして、ノズル１の一方の側面１ａから入射して他方の側面へとＹｂファイバーレーザー（以下、レーザー装置と略称する）の光軸が横断するようになっており、ガイド５の先端から突出したワイヤ４の先端に対し、レーザー光線の焦点が結ばれるようになっている。なお、本実施形態に使用されるレーザー装置（溶射材溶解手段）としては出力５００Ｗのものを使用することができる。図中１ａ′はレーザー光入射部を示している。
【００４２】
また、溶射ノズル１の周囲には、高周波電磁誘導コイル７が巻かれており、このコイル７は高周波電源８に接続されている。高周波をコイル７に印加することにより、タングステン等の高融点金属でできたノズル１を電磁誘導加熱するようになっている。
【００４３】
この加熱は二つの用途に使用される。第一の用途はノズル１のクリーニングである。粒子がノズル内壁１ｃに凝固付着することがあり、定期的なノズル内部のクリーニングが必要となるからである。
【００４４】
そこで、図２に示すように、溶射材融点以上で且つノズル金属融点を下回る条件でノズル１を高周波電磁誘導加熱し、キャリアガスを噴射することにより、付着粒子の除去を行うようになっている。熱電対９ａは溶射材融点以上にノズル１が加熱されているかどうかを検出するためのものである。
【００４５】
また、第二の用途としてはノズル１内のキャリアガス温度を所定の温度に調節するためにある。この場合、ノズル出口部に配置された熱電対９ｂによってキャリアガス温度を直接モニタし、モニタされたガス温度はノズル加熱制御部１０に与えられる。
【００４６】
ノズル加熱制御部１０はノズル１が溶射材融点以上になるように、またはキャリアガス温度が所定温度になるようにコイル７に印加する電圧を制御する。キャリアガス温度を所定温度に調節する場合の上記加熱制御部１０は温度調節手段として機能する。
【００４７】
また、ノズル１の近傍にはスポット放射温度計１１が配置されており、このスポット放射温度計１１によって検出された基材１２の表面温度もノズル加熱制御部１０に与えられるようになっている。すなわち、基材１２の温度が低い場合には粒子温度を高めにする必要があるため、スポット放射温度計１１により溶射直前の基材温度を計測し、フィードバック制御をかけている。
【００４８】
なお、上記コイル７をクリーニング用の加熱手段として使用する場合は、溶射処理が実施されていない時に所定の周期で加熱が行われ、粒子温度を調節する温度調節手段として使用する場合は、溶射処理時に加熱される。
【００４９】
上記構成を有する溶射ノズル装置Ｎを用い、スロート部６よりも下流側でワイヤ４をレーザーによって加熱溶解する。
【００５０】
このレーザーによる加熱溶解部は、ノズル１内におけるキャリアガス流路においてスロート部６よりも下流側に位置し、且つ、キャリアガス全圧ｐ０が下記式(1)を満足する状態で動作するように構成されている。
【００５１】
【数１】
【００５２】
ここで、ｐ０：キャリアガス全圧（スロート上流側圧力），ｐＢ：ノズル出口背圧，Ｍ：溶射材溶解部におけるマッハ数，κ：キャリアガスの比熱比である。
【００５３】
また、溶射材溶解部におけるマッハ数Ｍは式(2)により、スロート部６の断面積Ａ＊および溶射材加熱溶解部の断面積Ａ（図３参照）と関係づけられる。
【００５４】
【数２】
【００５５】
式(1)からわかるように、キャリアガスが窒素ガスの場合（κ＝１．４），スロート部６下流のノズルマッハ数が例えばマッハ３（Ｍ＝３）の領域ではｐＢ／ｐ０≦０．０２７２となり、スロート部６上流側の圧力が３．７ＭＰａ（ｐ０＝３．７×１０６Ｐａ）でも、スロート部６通過後の超音速域では圧力が０．１ＭＰａ、ほぼ大気圧になる。従って、従来のコールドスプレーの粉体供給系とは異なり、特別な耐圧設計が不要になる。
【００５６】
レーザーによって溶解された溶射材は、超音速流れの気流による剪断作用を受け、微粒子へとアトマイズされる。
【００５７】
また、文献（Atomization and Spray,Arthur H.Lefebvre,Taylor&Francis(publisher),p30-37）には、平行流によるアトマイズ効果の実験式として式(3)が示されている。
【００５８】
【数３】
【００５９】
ここで、ρＡ：ガス密度，ＵＡ：ガス−粒子相対速度，Ｄ：粒子径，σ：液滴表面張力である。
【００６０】
鉄系の材料を溶融させてマッハ数３の気流中に注入すると、式(3)より、φ１０μｍ以下まで微粒化されることが予測される。
【００６１】
アトマイズ後の粒子は超音速気流によって加速と冷却の各作用を受け、最終的に超音速の速度を持ってノズル１から噴出される。
【００６２】
この間の加速と冷却は数値解析により見積ることができる。具体的には、準一次元圧縮性流体保存形表示の質量保存、運動量保存、エネルギ保存式を式(4)と、粒子の運動方程式(6)とを連立させて解く。
【００６３】
【数４】
ここで、
【００６４】
【数５】
ただし、ノズル壁１ｂの乱流熱伝達にはJohnson-Rubeshinの式(5)を用いる。
【００６５】
【数６】
【００６６】
また、ｓとｅはガス相と第二相間の相互作用を表す運動量生成項とエネルギ生成項をそれぞれ表す。
粒子の速度は、粒子の運動方程式(6)を解くことにより得ることができる。
【００６７】
【数７】
ただし、
【００６８】
【数８】
ここで抗力係数にはKurtenの式(8)を用いている。
【００６９】
【数９】
粒子の温度は、粒子のエネルギ方程式(9)を解くことにより得ることができる。
【００７０】
【数１０】
ただし、ノズル壁１ｂの温度がガス温度と等しくなる断熱壁の場合、
【００７１】
【数１１】
また、ノズル壁１ｂを加熱した等温壁の場合、
【００７２】
【数１２】
ここでヌセルト数にはRanz-Marshallの式(12)を用いている。
【００７３】
【数１３】
【００７４】
ただし、上記各式中の記号の意味は下記の通りである。
Ａ：ノズル断面積
ＣＤ：粒子の抗力係数
Ｄ：ノズル直径
ｄ：粒子直径
ｆ：壁面摩擦係数
ｇ：重力加速度
ｈ：比エンタルピ
ドットｍ：質量流量
Ｎｕ：ヌセルト数
ｐ：ガス圧力
Ｐｒ：プラントル数
Ｒｅ：レイノルズ数
Ｔ：温度
ｕ：流速
ｘ：ノズル流れ方向の距離
α：ステファン・ボルツマン定数
ε：放射率
κ：比熱比
λ：熱伝導率
μ：粘性係数
ρ：密度
【００７５】
また、添字の意味は下記の通りである。
ｇ：ガス
ｓ：第二相（液滴、粒子、粉体）
ｘ：ノズルスロート部からの距離
Ｗ：ノズル壁面
【００７６】
図４および図５は、キャリアガスとして窒素ガスとヘリウムガスをそれぞれ用いた場合について、スロート部６からノズル出口までの距離に対するノズル内粒子温度及び粒子速度の関係を示したものである。
【００７７】
図４(ａ)に示すグラフは、キャリアガスとして窒素ガスを使用した場合を示し、横軸は「スロート部からノズル出口までの距離」、縦軸は「粒子温度」と「粒子速度」を共通のスケールで示している。また、横軸において「ゼロ」はスロート部６の位置に相当し、グラフ中の特性Ａは粒子温度の推移を、特性Ｂは粒子速度の推移をそれぞれ示している。
【００７８】
溶射条件としてキャリアガス温度が６００℃となるようにノズル壁を加熱し、窒素ガスの圧力を３．８ＭＰａ、ガス流量を１ｇ／ｓ、ワイヤ４の供給量を０．１ｇ／ｓとした場合、アトマイズされた粒子の平均粒径は１０μｍであった。
【００７９】
また、図４(ｂ)はゼロ〜０．０５ｍまでの範囲を横軸方向に拡大したものである。
【００８０】
両図に示されるように、スロート部６から放出された粒子は約０．０２ｍまでは急激に加速されるがそれ以上は加速の勾配は緩やかになる。そこでキャリアガスに窒素ガスを使用する場合のノズル長さとして０．０２ｍを採用した。
【００８１】
一方、粒子の温度はスロート部６から放出された後、冷却され続け０．０２ｍで約１７００Ｋ（グラフ中、ポイントａ参照）まで低下し、基材に衝突した時の衝突速度は約４００ｍ／ｓである（グラフ中、ポイントｂ参照）。
【００８２】
このように窒素ガスを用いた場合、粒子が基材に衝突する時の温度が高いため、溶射成形した層の強度を高めるためにはその後、基材に対する何らかの熱処理が必要になる。ところが、熱処理を行うと造形直後の形状と比較してある程度の歪が避けられない。
【００８３】
したがって、溶射成形された形状において０．２ｍｍ程度の仕上り誤差を許容できる場合、或いは、溶射積層後に仕上げ機械加工が許されるような場合にはキャリアガスとして窒素ガスを使用することができる。また、その場合、粒子が凝固直後に基材に衝突するようにノズル長さを設定すればよい。
【００８４】
詳しくは、溶射処理において粒子が凝固直後であることは材料の組織に良い影響を与える。平均粒径１０μｍの粒子がノズル１内を飛行している時、周囲のガスとの熱伝達および放射により１０４〜１０５Ｋ／ｓの冷却速度で急冷され、それにより、粒子が付着して得られる材料は極めて緻密な組織が得られる。そこで、凝固が終了するまでノズル１内を飛行することができるようにノズル長さを設定している。
【００８５】
次に、図５(ａ)に示すグラフはキャリアガスとしてヘリウムガスを使用した場合のノズル内粒子の状態を示したものである。
【００８６】
溶射条件としてキャリアガス温度が６００℃となるようにノズル壁を加熱し、ヘリウムガスの圧力を３．８ＭＰａ、ガス流量を０．５ｇ／ｓ、ワイヤ４の供給量を０．１ｇ／ｓとした場合、アトマイズされた粒子の平均粒径は１０μｍであった。
【００８７】
なお、グラフ中の特性Ｃは粒子温度の推移を、特性Ｄは粒子速度の推移をそれぞれ示している。また、図５(ｂ)はゼロ〜０．０５ｍの範囲を横軸方向に拡大したものである。
【００８８】
キャリアガスとしてヘリウムガスを使用した場合、ヘリウムの分子量が小さいために粒子は約１４００ｍ／ｓまで加速され続ける。一方、溶射材粒子の温度についてはヘリウムの熱伝導率が良いためにスロート部６から放出された後、急冷されノズル出口部では３００Ｋまで低下する。
【００８９】
図５の測定結果から、一般に５４０Ｋ以下であれば焼き戻しされることもないので、キャリアガスとしてヘリウムガスを使用した場合のノズル長さを０．０４ｍｍとした。粒子が基材に衝突する時の粒子温度は約５４０Ｋ（グラフ中、ポイントｄ参照）、衝突速度は約７８０ｍ／ｓ（グラフ中、ポイントｃ参照）である。
【００９０】
粒子速度７８０ｍ／ｓは基材に衝突付着する条件としては十分な速度になっている。したがって、本実施形態の条件で溶射を行えば基材に粒子が堆積していくことになる。
【００９１】
また、基材衝突時の粒子温度は上記窒素ガスの場合（１７００Ｋ）に比べて格段に低く、それにより造形後の熱処理は不要であり歪もほとんど生じない。しかも、衝突時の粒子速度は高速であるために、粒子が衝突した表面はクレーター状になりながら堆積が継続される。このとき、堆積層内部には空隙のない１００％密度の安定した厚みの被膜が得られる。
【００９２】
三次元堆積造形法では、本発明の溶射ノズル装置の持つ特性が大きな効果をもたらす。
【００９３】
まず、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）と比較すると、成形材料（溶射材）として線材に成形されたものを使用するためコストが低くなる。
【００９４】
また、ＳＬＳ法では熱可塑性樹脂でコーティングされた球状粒子を用いるため、金属成形体を得るのに２段階の焼結工程が必要になる。具体的には、レーザー熱源によって樹脂部分を溶融・固化するレーザー焼結と、レーザー焼結された成形体の結合剤を除去すると同時に金属粒子同士を固着させる本焼結である。
【００９５】
これに対し、本実施形態による溶射ノズル装置では粒子を樹脂コーティングする必要がなく、結合剤が除去されることによって生じた多孔質の密度を高めるためにブロンズ等を溶浸させる必要もない。したがって、本実施形態によればＳＬＳ法の欠点を克服して精度の高い積層を得ることができるようになる。
【００９６】
図６は上記構成を有する溶射ノズル装置Ｎで製膜処理を行う場合の構成を示したものである。
【００９７】
同図において、ノズル１の筒軸方向延長線上に基材１２が配置されている。
【００９８】
ワイヤ４はワイヤリール（溶射材供給装置）１３から巻き解かれ、溶射ノズル１の中心軸に沿って配置されているガイド５内を通過しながらノズル１内に供給されるようになっており、ワイヤ４の先端はガイド５の先端から突出するようになっている。
【００９９】
突出したワイヤ４の先端に対し、レンズ１４によってレーザー光の焦点が結ばれ、ワイヤ４の先端が溶解する。
【０１００】
一方、キャリアガスは制御弁１５によって流量が制御され、スロート部６上流側に供給される。供給されたキャリアガスはスロート部６を通過することによって超音速に加速され、上記溶解されたワイヤ４先端の溶射材をアトマイズする。
【０１０１】
アトマイズされた粒子はスロート部６から離れる際に急冷されるが、ノズル１内はコイル７によって加熱されていることにより、凝固点温度以下または変態点温度以下の高い温度に調節された状態で基材１２の表面に衝突する。
【０１０２】
図７は本発明の溶射ノズル装置Ｎの別の実施形態を示したものである。
【０１０３】
同図に示す溶射ノズル装置Ｎ１において、ノズル２０はセラミック製円筒からなり、その外周側にタングステン製からなる円筒２１が同心円状に巻き付けられている。
【０１０４】
ガイド５の先端近傍におけるノズル２０内壁には、一対の放電電極２２ａ，２２ｂが対向する状態で配置されており、この電極間に直流電圧２３（交流電圧、パルス電圧であってもよい）が印加されるようになっている。
【０１０５】
各電極２２ａ，２２ｂに直流電圧が印加されると、電極間に放電が発生して電流が流れ、電極間に突出しているワイヤ４の先端がジュール熱によって溶解される。この構成では、上記電極２２ａ，２２ｂおよび直流電圧２３が溶射材溶解手段として機能する。
【０１０６】
図８は本発明の溶射ノズル装置Ｎのさらに別の実施形態を示したものであり、ノズル内に挿入されるワイヤを一対とし、それらのワイヤを電極としてアーク放電を行うものである。
【０１０７】
なお、同図では内部構造が分かるように、装置をＺ−Ｚ′方向に二分割した一方の断面を示している。
【０１０８】
溶射ノズル装置Ｎ２は、内部に中空室２４ａを備えた耐圧構造からなる本体部２４と、この本体部２４からＺ′軸方向に延設されたノズル部２５と、Ｘ−Ｘ′軸に沿って本体部２４に対し対向する側から接続された２本のキャリアガス供給配管（以下供給管と略称する）２６，２７とを備えている。
【０１０９】
詳しくは、本体部２４内にはＹ−Ｙ′方向から見て三角形状をなしＺ−Ｚ′方向から見て楕円形をなしている中空室２４ａが形成されている。この部屋２４ａ内に二本のワイヤ４，４をガイドするためのガイド２８，２９がＶ字状に配置されており、各ガイド２８，２９の先端から送り出されるワイヤ４，４は、ノズル部２５の中心軸ｐ．ａ上で交わるようになっている。なお、上記ガイド２８，２９はＺ′方向に向けて先細に形成された筒状部材で構成されている。
【０１１０】
上記一対のワイヤ４，４の後端は直流電圧（図示しない）と接続されており、ワイヤ４，４の先端はアーク放電を発生させるための電極を構成するようになっている。従って、上記ワイヤ４，４および直流電圧は溶射材溶解手段として機能する。
【０１１１】
上記ノズル部２５の基端部には、上記構成を有するガイド２８，２９の先端部およびワイヤ４，４をノズル部２５内に配置するための円錐状切欠部２５ａが形成されている。
【０１１２】
また、上記供給管２６，２７は中空室２４ａと連通しており、供給管２６の出口２６ａ近傍には上記ガイド２８が配置され、供給管２７の出口２７ａ近傍には上記ガイド２９が配置されている。このように構成することにより、ガイド２８および２９は、供給管２６，２７から吐出されるキャリアガスの流れに衝突する衝突板として機能させることができ、それにより、キャリアガスの動圧成分を減衰させ、中空室２４ａ内を等方的に圧力が作用する静圧成分に変換することができるようになっている。
【０１１３】
その結果、中空室２４ａ内ではキャリアガスの流速が減衰させられて旋回流れが弱まり、中空室２４ａおよびそれに連通するノズル部２５を流れるキャリアガスの流速分布が一定になる。それにより、溶解されアトマイズされた後の溶射材粒子をノズル部２５内に真っすぐ引き込むことが可能になる。
【０１１４】
図９は上記溶射ノズル装置Ｎ２を側面から見たものであり、ｐ.ｔは溶射粒子の飛行軌跡を示している。同図からわかるように、溶射粒子はアーク溶解点ｍからノズル部２５に向けてノズル内壁に衝突することなく、直進している。
【０１１５】
図１０は溶射ノズル装置Ｎ２を平面から見たものであり、溶射粒子の飛行軌跡ｐ.ｔは左右方向に広がることなく直進していることがわかる。
【０１１６】
ただし、図９および図１０では数値解析により求めた溶射粒子の飛行軌跡を表示している。
【０１１７】
また、図１１は中空室２４ａ内でのキャリアガスの流れを側面から示したものである。同図に示すように、アーク溶解点ｍ近傍におけるキャリアガスの流れは中空室２４ａ内で上下に分かれる分岐点となっており、キャリアガスの主な流れ方向はノズル部２５へと向かう軸方向成分のみとなっている。
【０１１８】
上記キャリアガスが上下に分かれる様子を図１２に示す模式図を用いて説明する。
【０１１９】
同図(ａ)は図１１におけるＥ−Ｅ矢視断面を示し、同図(ｂ)は同じくＦ−Ｆ矢視断面を示している。
【０１２０】
図１２(ａ)において、供給管２６の出口２６ａから吐出されたキャリアガスはガイド２８の側壁に衝突することにより動圧成分が減衰されるとともに略上下二つの流れｆｗ１，ｆｗ２に分割される。また、供給管２７の出口２７ａから吐出されたキャリアガスも同様にガイド２９の側壁に衝突することにより動圧成分が減衰された状態で略上下二つの流れｆｗ３，ｆｗ４に分割される。
【０１２１】
各ガイド２８および２９によって分割されたキャリアガスｆｗ１，ｆｗ２およびｆｗ３，ｆｗ４は中空室２４ａの中心に向けて対向流をなし中空室２４ａの中心部で衝突し、アーク溶解点ｍを点対象として回転する流れに変換される。それにより、アーク溶解点ｍ近傍ではｘ−ｙ断面内に速度を持たない流れの領域が形成される。
【０１２２】
この状態でキャリアガスはノズル部２５に進み、ノズル部２５内では図１２(ｂ)に示すようなキャリアガスの流れが形成される。その結果、溶解されアトマイズされた粒子ｐは、キャリアガスの流れの間に挟まれた状態でノズル部２５内を飛行する。
【０１２３】
図１３はノズル部２５の中心軸ｐ．ａを通るキャリアガスの流速分布を示したものである。流速分布は流れ方向に垂直な方向の複数の線で示されるが、中心軸に対して対称であるため、中心軸に集中する粒子Ｐが壁面に接触することがほとんどない。
【０１２４】
なお、上記溶射ノズル装置Ｎ２では二本のワイヤ４，４で構成したが、ワイヤの本数はそれ以上の本数で構成することもでき、ワイヤを供給するガイドはワイヤの本数に応じた数を用意すればよい。
【０１２５】
図１４は上記溶射ノズル装置Ｎを三次元堆積造形法に適用した場合の構成を示したものである。
【０１２６】
同図に示す溶射装置ＮＤにおいて、３０は３Ｄ（三次元）ＣＡＤデータを読み込むコントローラである。
【０１２７】
コントローラ３０は、読み込んだ３ＤＣＡＤデータから積層厚みにスライスした断面データを作成し、この断面データに基づいてレーザー光またはアーク放電によって溶解された溶射材粒子を一層ずつ基材３１に堆積することにより、所望の形状からなる三次元立体モデル（造形物）を得るようになっている。なお、以下の説明ではレーザー光で溶射材を溶解する場合を例に取り説明する。
【０１２８】
基材３１はＸ軸、Ｙ軸（紙面奥行き方向）、Ｚ軸方向に移動させることができる搬送テーブル３２に設けられ、また、ノズル３３は図示しないロボットアームに取り付けられている。これら搬送テーブル３２およびロボットアームからなる駆動機構は、上記コントローラ３０の駆動系制御部３０ａによってそれぞれ３軸方向の移動が制御できるようになっている。
【０１２９】
キャリアガスとしてのヘリウムはヘリウムボンベ３４からヘリウム容器３５に一旦、貯留され、ヘリウム容器３５とノズル３３はガス供給路３６を介して接続されている。このガス供給路３６には電磁制御弁３７が介設されている。
【０１３０】
この電磁制御弁３７は遮断位置ａと連通位置ｂとを有し、通常、バネ圧によって遮断位置ａにあるが、コントローラ３０の供給系制御部３０ｂから開信号Ｓ１が入力されている期間、連通位置ｂに切り換わるようになっている。
【０１３１】
ノズル３３に供給される溶射材としてのワイヤ４はワイヤリール１３に巻き取られており、このワイヤリール１３から巻き解かれるワイヤ４は駆動ローラ３９によってノズル３３に供給される。なお、駆動ローラ３９はパルス制御可能なステッピングモータ３８によって回転するようになっており、ステッピングモータ３８は供給系制御部３０ｂによって制御されるようになっている。
【０１３２】
具体的には、供給系制御部３０ｂから送り信号Ｓ２がステッピングモータ３８に与えられると、出力されたパルス数に応じて駆動ローラ３９が回転しワイヤリール１３が矢印Ｅ方向に回転しながらワイヤ４が矢印Ｆ方向に送り出され、ノズル３３の上端部（入口側）３３ａからノズル３３内に導入される。
【０１３３】
ノズル３３のガイド５（図１参照）先端からワイヤ４の先端が突出すると、コントローラ３０の出力制御部３０ｃからレーザー装置４０に対してレーザー回路のシャッタを開くシャッタ開信号Ｓ３が与えられ、レーザー装置４０から照射されたレーザー光は突出したワイヤ４の先端で焦点を結びワイヤ４を溶解する。
【０１３４】
レーザー装置４０によるワイヤ４の溶解動作は供給系制御部３０ｂから開信号Ｓ１が出力されていることを前提とし、ヘリウム容器３５からキャリアガスがノズル３３内に送り込まれている。したがって、溶解した粒子は超音速のキャリアガスによってノズル３３から基材３１に対し噴射されることになる。
【０１３５】
なお、ノズル３３およびそのロボットアーム、搬送テーブル３２は気密状態が得られるチャンバ４１内に収納されており、そのチャンバ４１内は真空ポンプ４２によって真空引きされることにより、酸素が除去されるようになっている。また、コントーラ３０内の符号１０は図２に示したノズル加熱制御部である。
【０１３６】
図１５は、供給系制御部３０ｂによって粒子の堆積量を制御する方法を示したものである。
【０１３７】
ノズル３３の移動方向前側には位置センサ４４が備えられ、この位置センサ４４はノズル３３の先端と基材１２に堆積された既積層面との距離を計測し、供給系制御部３０ｂに与えている。
【０１３８】
供給系制御部３０ｂは、検出された距離に応じ、駆動ローラ３９を駆動させるべくステッピングモータ３８を制御する。例えば、範囲Ｒ１では目標堆積レベルに対し、既堆積レベルＬ１が低く堆積量が不足している。したがってこの場合は、ステッピングモータ３８を駆動させ駆動ローラ３９を介しワイヤ４をレーザー焦点に向けて送り続ける。
【０１３９】
一方、位置センサ４４が目標堆積レベルを満足している既堆積レベルＬ２を検出すると、堆積の必要がないため、ステッピングモータ３８を停止させる。それにより、ワイヤ４が供給されず溶射がストップする。
【０１４０】
次に、位置センサ４４が既堆積レベルＬ３を検出すると、堆積不足であるため再度、ステッピングモータ３８を駆動させ、ワイヤ４の供給を再開させる。それにより、目標積層レベルに到達するように溶射材粒子が溶射される。
【０１４１】
図１４に戻って説明する。
【０１４２】
また、４３はヘリウムを回収するためのヘリウム圧縮機であり、チャンバ４１内のヘリウムを圧縮して高圧にしヘリウム容器３５に戻すようになっている。それにより、高価なヘリウムを再利用するようになっている。
【０１４３】
なお、上記実施形態に示したワイヤ４は単独の素材からなる金属であってもよく、複数の金属素材を撚り合わせたものであってもよい。また、図８に示した溶射ノズル装置Ｎ２を使用する場合には、一方のワイヤ４と他方のワイヤ４の素材を変えることもできる。
【０１４４】
次に、図１６はノズルを加熱する加熱手段に係る他の実施形態を示したものである。
【０１４５】
先に説明した実施形態では、ノズル１の周囲に配置したコイル７を用いてノズル１を高周波誘導加熱しノズル１の内面に付着した金属をクリーニングするように構成し、それにより、ノズル１内に付着した金属によってキャリアガスの流れが乱され溶射の精度が低下することを防止している（図２参照）。
【０１４６】
しかしながら、この加熱方法ではコイル７から放出された電磁波のエネルギーの一部がノズル１の加熱に利用されないことから、コイル７に付与した電気的エネルギーに対しノズル１の加熱に供せされる熱エネルギーの割合が低い。そこで、ノズルの温度調節時およびノズルクリーニング時のエネルギー効率を高めるために、図１６に示すような加熱装置５０を用いることができる。
【０１４７】
同図に示す加熱装置５０は、ノズル１の周囲を囲むように設けられたカーボンヒータ５１を備えている。
【０１４８】
このカーボンヒータ５１は図１７に示すように、円筒状の発熱部５１ａと、この発熱部５１ａの上部において相反する方向に配置された一対の電極部５１ｂ，５１ｂと、これらの電極部５１ｂ，５１ｂと発熱部５１ａの上端とを接続する電極接続部５１ｃ，５１ｃとから構成されている。
【０１４９】
上記発熱部５１ａは、円筒体の上下両側から交互に一定の長さ形成されたスリット５１ｄ，５１ｅによって複数部分に分割されている。
【０１５０】
また、図１６に示したように、カーボンヒータ５１の外側周囲を囲むようにしてカーボン繊維からなる筒状の断熱材５２が配置され、この断熱材５２を収容する容器５３がさらに備えられている。
【０１５１】
なお、容器５３内にはカーボン部品の酸化を防止する目的で不活性ガスが封入されており、上記電極部５１ｂの先端はシールされた状態で上記容器５３の側壁５３ａを貫通して外部に延設され、図示しない電源と接続できるようになっている。
【０１５２】
次に、上記構成を有する加熱装置５０によってクリーニング動作を行う場合について説明する。
【０１５３】
図示しない電源から電極部５１ｂ，５１ｂ、電極接続部５１ｃ，５１ｃを通じて発熱部５１ａに電力を供給すると、カーボンヒータ５１は、通電によるジュール発熱によって内部から発熱する。それにより、タングステン製またはモリブデン等の高融点金属製、或いはセラミックス製のノズル１は発熱部５１ａからの輻射伝熱によって約２０００℃に加熱され、ノズル１内壁に付着した金属が溶融される。
【０１５４】
また、高融点金属またはセラミックス製からなるノズル１をカーボンまたはカーボンコンポジット製のノズル１に代えると、金属製のノズルに比べてノズル表面の輻射率がさらに高まり、エネルギー効率をさらに高めることができる。
【０１５５】
次いでキャリアガスをノズル１内に噴射することにより、溶融した金属がノズル１外に排出されクリーニングが行われる。
【０１５６】
図１８は加熱装置のさらに他の実施形態を示したものである。
【０１５７】
図１６に示した加熱装置５０ではノズル１の周囲にカーボンヒータ５１を配置してノズル１を加熱したが、図１８に示す加熱装置６０では高融点金属またはセラミックス製からなるノズルをカーボン製ノズル６１に代え、そのノズル６１を直接、加熱するように構成している。なお、同図において図１６と同じ構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。
【０１５８】
加熱装置６０は、ノズル６１自体がカーボンまたはカーボンコンポジットにより構成されており、発熱部として機能するようになっており、ノズル６１の上端部には相反する方向に一対の電極部５１ｂ，５１ｂが接続されている。
【０１５９】
次に、上記構成を有する加熱装置６０によってクリーニング動作を行う場合について説明する。
【０１６０】
図示しない電源から電極部５１ｂ，５１ｂを通じてノズル６１に電力を供給すると、ノズル６１は、通電によるジュール発熱によって内部から発熱する。それにより、ノズル６１は約２０００℃に加熱され、ノズル６１内壁に付着した金属が溶融される。
【０１６１】
次いでキャリアガスをノズル１内に噴射することにより、溶融した金属がノズル６１外に排出されクリーニングが行われる。
【０１６２】
上記したようにノズルを加熱する手段としてカーボンヒータ５１を使用すると、高周波誘導コイルを用いて溶射ノズルを誘導加熱する場合に比べ、溶射ノズルの加熱に供せられるエネルギーの利用効率を高めることができる。
【０１６３】
また、カーボンヒータ５１を使用する構成に比べて部品点数を削減することができるため、メンテナンスが容易になるという利点がある。
【０１６４】
このように、上記構成を有する加熱装置５０および加熱装置６０によれば、ノズルの温度調節時或いはノズルクリーニング時において、コイル７を用いてノズル１を加熱する場合に比べ、ノズルの加熱に使われるエネルギーのロスを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１６５】
【図１】本発明に係る溶射ノズル装置の構成を示す断面図である。
【図２】溶射ノズルの加熱装置の構成を示す説明図である。
【図３】ノズル内のスロート部断面積および加熱溶解部断面積の関係を示す説明図である。
【図４】(ａ)は窒素ガス使用時のノズル内粒子温度と粒子速度の関係を示すグラフであり、(ｂ)は図４(ａ)の要部を拡大したグラフである。
【図５】(ａ)はヘリウムガス使用時のノズル内粒子温度と粒子速度の関係を示すグラフであり、(ｂ)は図５(ａ)の要部を拡大したグラフである。
【図６】本発明に係る溶射装置を製膜用として使用する場合の構成を示す構成図である。
【図７】本発明に係る溶射装置を製膜用として使用する場合の別の構成を示す要部断面図である。
【図８】本発明に係る溶射ノズルの他の実施形態を示す斜視図である。
【図９】図８に示す溶射ノズル内の粒子軌跡を示す側面断面図である。
【図１０】図８に示す溶射ノズル内の粒子軌跡を示す平面断面図である。
【図１１】図８に示す溶射ノズル内のキャリアガスの流れを示す側面断面図である。
【図１２】図９のＥ−Ｅ断面におけるキャリアガスの流れを示す説明図である。
【図１３】図９のＦ−Ｆ断面におけるキャリアガスの流れおよび粒子の状態を示す説明図である。
【図１４】本発明に係る溶射装置を三次元堆積造形に使用する場合の構成を示すブロック図である。
【図１５】溶射材粒子の堆積量を制御する方法を示す説明図である。
【図１６】本発明に係る溶射ノズル加熱装置の他の実施形態を示す縦断面図である。
【図１７】図１６に示すカーボンヒータの構成を示す斜視図である。
【図１８】本発明に係る溶射ノズル加熱装置のさらに他の実施形態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【０１６６】
１ ノズル
１ａ 側面
１ａ′ レーザー光入射部
１ｂ ノズル壁
１ｃ ノズル壁
２ 通路
３ 供給口
４ ワイヤ
５ ガイド
６ スロート部
７ コイル
８ 高周波電源
９ 熱電対
１０ ノズル加熱制御部
１１ スポット放射温度計
１２ 基材
１３ ワイヤリール
１４ レンズ
１５ 制御弁
Ｎ 溶射ノズル装置
ＮＤ 溶射装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルの入口側にキャリアガスを導入してその内部全域に超音速のガス流を形成し、そのガス流によって溶射材をアトマイズし放出する溶射ノズル装置であって、
線状に成形された溶射材をガス流と略平行な状態で入口側からノズル内に挿入する溶射材挿入部と、上記溶射材挿入部の先端近傍でその溶射材挿入部から突出した上記溶射材を加熱溶解する溶射材溶解手段とを備え、この溶射材溶解手段より溶解されアトマイズされた溶射材粒子をノズル内の超音速ガス流によって急冷し、凝固状態若しくは半凝固状態で放出するように構成されていることを特徴とする溶射ノズル装置。
【請求項２】
上記溶射材溶解手段として、上記溶射材挿入部の先端近傍で焦点が結ばれるレーザー装置が設けられている請求項１記載の溶射ノズル装置。
【請求項３】
上記溶射材溶解手段として、上記溶射材挿入部の先端近傍でアーク放電が発生するように対向した状態でノズル内壁に一対の放電電極が設けられている請求項１記載の溶射ノズル装置。
【請求項４】
複数本の上記溶射材を上記ノズル内に挿入し得る上記溶射材挿入部を有し、上記溶射材溶解手段として、各溶射材の先端部がアーク放電を発生させる放電電極に構成されている請求項１記載の溶射ノズル装置。
【請求項５】
上記ノズルの入口側に設けられた中空室と、この中空室に連通し上記キャリアガスを対向流で導入するための二本のキャリアガス供給管とを有し、各キャリアガス供給管から上記中空室に吐出されるキャリアガスと衝突する位置に筒状の上記溶射材挿入部をそれぞれ配置してなる請求項４記載の溶射ノズル装置。
【請求項６】
上記溶射材挿入部として上記ノズルの中心軸上に中空円管が配置され、この中空円管の外壁の一部が厚肉に形成されることによって上記ノズル内壁との間にスロート部が形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の溶射ノズル装置。
【請求項７】
上記ノズル内壁に付着する溶射材凝固粒子を融点以上まで加熱する加熱手段が設けられている請求項１〜６のいずれか１項に記載の溶射ノズル装置。
【請求項８】
上記加熱手段が、溶射時に上記ノズル内の溶射材粒子を加熱するように構成されている請求項７記載の溶射ノズル装置。
【請求項９】
上記加熱手段として上記ノズルの周囲に高周波誘導コイルが巻回されている請求項７または８記載の溶射ノズル装置。
【請求項１０】
上記加熱手段として上記ノズルの周囲にカーボンヒータが設けられている請求項７または８記載の溶射ノズル装置。
【請求項１１】
上記加熱手段として上記ノズル自体が電極部を備えたカーボンまたはカーボンコンポジットで構成されている請求項７または８記載の溶射ノズル装置。
【請求項１２】
上記ノズル内の溶射材粒子温度を所定温度に調節する温度調節手段が設けられている請求項１〜１１のいずれか１項に記載の溶射ノズル装置。
【請求項１３】
上記溶射材は異種材料から形成されたものである請求項１〜１２のいずれか１項に記載の溶射ノズル装置。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の溶射ノズル装置と、
上記ノズルに対し管路を介して接続されキャリアガスを供給するキャリアガス供給装置と、
上記線状に成形された溶射材を上記溶射材挿入部に送り込む溶射材供給装置と、
上記溶射材溶解手段としての放電電極またはレーザー装置に対し電圧を印加する電源装置と、
を備えてなることを特徴とする溶射装置。
【請求項１５】
上記管路に介設され上記キャリアガス供給装置から供給されるキャリアガスの流量を制御する制御弁と、
上記溶射材供給装置としての上記線状の溶射材を巻き取っているリールと、
このリールから上記溶射材を巻き解きつつ上記溶射材挿入部に導入する駆動ローラと、
上記制御弁の開閉、上記駆動ローラの回転・停止を制御する供給系制御部と、を備えてなる請求項１４記載の溶射装置。
【請求項１６】
上記駆動ローラを回転させるモータを有するとともに、上記溶射ノズルから既堆積面までの堆積直前の距離を計測する位置センサを備え、上記供給系制御部は、三次元ＣＡＤデータを読み込み、上記位置センサによって検出されたレベルと、三次元ＣＡＤデータにおける目標堆積面レベルとの差に応じて上記モータの回転を制御するように構成されている請求項１５記載の溶射装置。
【請求項１７】
上記放電電極に印加する電圧またはレーザー装置の出力を制御する出力制御部を備えてなる請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の溶射装置。
【請求項１８】
上記溶射材溶解手段としてレーザー装置およびこのレーザー装置と上記ノズルとを接続するレーザー光伝送用光ファイバを有し、上記出力制御部は上記レーザー装置のシャッタの開閉を制御するように構成されている請求項１７記載の溶射装置。
【請求項１９】
上記ノズルから吐出されるガス温度を検出する温度センサと、上記ノズルの周囲に設けられまたは上記ノズルとしての加熱手段と、上記ノズル内の溶射材粒子温度を所定温度に調節する温度調節手段とを有し、この温度調節手段は上記温度センサによって検出される検出温度に基づいて上記加熱手段に印加する電圧を制御するように構成されている請求項１４〜１８のいずれか１項に記載の溶射装置。
【請求項２０】
上記ノズルの姿勢を変位させる駆動機構と、この駆動機構を制御する駆動系制御部とを有し、上記駆動系制御部は、三次元ＣＡＤデータを読み込み、読み込まれた三次元ＣＡＤデータに基づいて積層厚みにスライスした断面データを作成し、この断面データにしたがって上記溶射材溶解手段によって溶解した溶射材粒子を一層ずつ基材に堆積するように上記駆動機構を制御する請求項１４〜１９のいずれか１項に記載の溶射装置。
【請求項１】
ノズルの入口側にキャリアガスを導入してその内部全域に超音速のガス流を形成し、そのガス流によって溶射材をアトマイズし放出する溶射ノズル装置であって、
線状に成形された溶射材をガス流と略平行な状態で入口側からノズル内に挿入する溶射材挿入部と、上記溶射材挿入部の先端近傍でその溶射材挿入部から突出した上記溶射材を加熱溶解する溶射材溶解手段とを備え、この溶射材溶解手段より溶解されアトマイズされた溶射材粒子をノズル内の超音速ガス流によって急冷し、凝固状態若しくは半凝固状態で放出するように構成されていることを特徴とする溶射ノズル装置。
【請求項２】
上記溶射材溶解手段として、上記溶射材挿入部の先端近傍で焦点が結ばれるレーザー装置が設けられている請求項１記載の溶射ノズル装置。
【請求項３】
上記溶射材溶解手段として、上記溶射材挿入部の先端近傍でアーク放電が発生するように対向した状態でノズル内壁に一対の放電電極が設けられている請求項１記載の溶射ノズル装置。
【請求項４】
複数本の上記溶射材を上記ノズル内に挿入し得る上記溶射材挿入部を有し、上記溶射材溶解手段として、各溶射材の先端部がアーク放電を発生させる放電電極に構成されている請求項１記載の溶射ノズル装置。
【請求項５】
上記ノズルの入口側に設けられた中空室と、この中空室に連通し上記キャリアガスを対向流で導入するための二本のキャリアガス供給管とを有し、各キャリアガス供給管から上記中空室に吐出されるキャリアガスと衝突する位置に筒状の上記溶射材挿入部をそれぞれ配置してなる請求項４記載の溶射ノズル装置。
【請求項６】
上記溶射材挿入部として上記ノズルの中心軸上に中空円管が配置され、この中空円管の外壁の一部が厚肉に形成されることによって上記ノズル内壁との間にスロート部が形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の溶射ノズル装置。
【請求項７】
上記ノズル内壁に付着する溶射材凝固粒子を融点以上まで加熱する加熱手段が設けられている請求項１〜６のいずれか１項に記載の溶射ノズル装置。
【請求項８】
上記加熱手段が、溶射時に上記ノズル内の溶射材粒子を加熱するように構成されている請求項７記載の溶射ノズル装置。
【請求項９】
上記加熱手段として上記ノズルの周囲に高周波誘導コイルが巻回されている請求項７または８記載の溶射ノズル装置。
【請求項１０】
上記加熱手段として上記ノズルの周囲にカーボンヒータが設けられている請求項７または８記載の溶射ノズル装置。
【請求項１１】
上記加熱手段として上記ノズル自体が電極部を備えたカーボンまたはカーボンコンポジットで構成されている請求項７または８記載の溶射ノズル装置。
【請求項１２】
上記ノズル内の溶射材粒子温度を所定温度に調節する温度調節手段が設けられている請求項１〜１１のいずれか１項に記載の溶射ノズル装置。
【請求項１３】
上記溶射材は異種材料から形成されたものである請求項１〜１２のいずれか１項に記載の溶射ノズル装置。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の溶射ノズル装置と、
上記ノズルに対し管路を介して接続されキャリアガスを供給するキャリアガス供給装置と、
上記線状に成形された溶射材を上記溶射材挿入部に送り込む溶射材供給装置と、
上記溶射材溶解手段としての放電電極またはレーザー装置に対し電圧を印加する電源装置と、
を備えてなることを特徴とする溶射装置。
【請求項１５】
上記管路に介設され上記キャリアガス供給装置から供給されるキャリアガスの流量を制御する制御弁と、
上記溶射材供給装置としての上記線状の溶射材を巻き取っているリールと、
このリールから上記溶射材を巻き解きつつ上記溶射材挿入部に導入する駆動ローラと、
上記制御弁の開閉、上記駆動ローラの回転・停止を制御する供給系制御部と、を備えてなる請求項１４記載の溶射装置。
【請求項１６】
上記駆動ローラを回転させるモータを有するとともに、上記溶射ノズルから既堆積面までの堆積直前の距離を計測する位置センサを備え、上記供給系制御部は、三次元ＣＡＤデータを読み込み、上記位置センサによって検出されたレベルと、三次元ＣＡＤデータにおける目標堆積面レベルとの差に応じて上記モータの回転を制御するように構成されている請求項１５記載の溶射装置。
【請求項１７】
上記放電電極に印加する電圧またはレーザー装置の出力を制御する出力制御部を備えてなる請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の溶射装置。
【請求項１８】
上記溶射材溶解手段としてレーザー装置およびこのレーザー装置と上記ノズルとを接続するレーザー光伝送用光ファイバを有し、上記出力制御部は上記レーザー装置のシャッタの開閉を制御するように構成されている請求項１７記載の溶射装置。
【請求項１９】
上記ノズルから吐出されるガス温度を検出する温度センサと、上記ノズルの周囲に設けられまたは上記ノズルとしての加熱手段と、上記ノズル内の溶射材粒子温度を所定温度に調節する温度調節手段とを有し、この温度調節手段は上記温度センサによって検出される検出温度に基づいて上記加熱手段に印加する電圧を制御するように構成されている請求項１４〜１８のいずれか１項に記載の溶射装置。
【請求項２０】
上記ノズルの姿勢を変位させる駆動機構と、この駆動機構を制御する駆動系制御部とを有し、上記駆動系制御部は、三次元ＣＡＤデータを読み込み、読み込まれた三次元ＣＡＤデータに基づいて積層厚みにスライスした断面データを作成し、この断面データにしたがって上記溶射材溶解手段によって溶解した溶射材粒子を一層ずつ基材に堆積するように上記駆動機構を制御する請求項１４〜１９のいずれか１項に記載の溶射装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２００６−１７５４２６（Ｐ２００６−１７５４２６Ａ）
【公開日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３３４８３９（Ｐ２００５−３３４８３９）
【出願日】平成１７年１１月１８日（２００５．１１．１８）
【特許番号】特許第３７８４４０４号（Ｐ３７８４４０４）
【特許公報発行日】平成１８年６月１４日（２００６．６．１４）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月１８日（２００５．１１．１８）
【特許番号】特許第３７８４４０４号（Ｐ３７８４４０４）
【特許公報発行日】平成１８年６月１４日（２００６．６．１４）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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