JP6487009B2 - ３次元積層造形装置、３次元積層造形装置の制御方法および３次元積層造形装置の制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、３次元積層造形装置、３次元積層造形装置の制御方法および３次元積層造形装置の制御プログラムに関する。

上記技術分野において、特許文献１には、層の形状および造形した積層造形物の形状をカメラで計測する技術が開示されている。

特開２０１５−８５５４７号公報

しかしながら、上記文献に記載の技術では、造形物の形状を計測することはできるが、３次元積層造形物の造形中にリアルタイムで３次元積層造形物の品質を推定できなかったので、高精度の３次元積層造形物を造形できなかった。

本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る３次元積層造形装置は、
３次元積層造形物が造形される造形台上に、前記３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射手段と、
噴射された材料に光線を照射する光線照射手段と、
前記３次元積層造形物の造形中に、前記３次元積層造形物の造形状態を監視するためのモニタリングデータを取得するデータ取得手段と、
前記モニタリングデータに基づいて、前記３次元積層造形物の造形品質を推定する造形品質推定手段と、
を備え、
前記モニタリングデータは、溶融池温度と、溶融池からの光の特性データと、溶融池径と、を含み、
前記造形品質推定手段は、前記溶融池温度の変化と、前記光の特性データの変化と、前記溶融池径の変化と、の組み合わせから前記３次元積層造形物の造形品質を推定する。

上記目的を達成するため、本発明に係る３次元積層造形装置の制御方法は、
３次元積層造形物が造形される造形台上に、前記３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射ステップと、
噴射された材料に光線を照射する光線照射ステップと、
前記３次元積層造形物の造形中に、前記３次元積層造形物の造形状態を監視するためのモニタリングデータを取得するデータ取得ステップと、
前記モニタリングデータに基づいて、前記３次元積層造形物の造形品質を推定する造形品質推定ステップと、
を含み、
前記モニタリングデータは、溶融池温度と、溶融池からの光の特性データと、溶融池径と、を含み、
前記造形品質推定ステップにおいて、前記溶融池温度の変化と、前記光の特性データの変化と、前記溶融池径の変化と、の組み合わせから前記３次元積層造形物の造形品質を推定する。

上記目的を達成するため、本発明に係る３次元積層造形装置の制御プログラムは、
３次元積層造形物が造形される造形台上に、前記３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射ステップと、
前記材料に光線を照射する光線照射ステップと、
前記３次元積層造形物の造形中に、前記３次元積層造形物の造形状態を監視するためのモニタリングデータを取得するデータ取得ステップと、
前記モニタリングデータに基づいて、前記３次元積層造形物の造形品質を推定する造形品質推定ステップと、
をコンピュータに実行させ、
前記モニタリングデータは、溶融池温度と、溶融池からの光の特性データと、溶融池径と、を含み、
前記造形品質推定ステップにおいて、前記溶融池温度の変化と、前記光の特性データと、の変化と、前記溶融池径の変化と、の組み合わせから前記３次元積層造形物の造形品質を推定する。

本発明によれば、高精度の３次元積層造形物を造形できる。

本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の構成の概略を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置の構成の概略を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置により取得したモニタリングデータの変化と、造形品質および造形パラメータとの関係の一例を示す図である。

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して、例示的に詳しく説明記載する。ただし、以下の実施の形態に記載されている、構成、数値、処理の流れ、機能要素などは一例に過ぎず、その変形や変更は自由であって、本発明の技術範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態としての３次元積層造形装置１００について、図１を用いて説明する。３次元積層造形装置１００は、造形台１２０に材料１３０を噴射し、噴射された材料１３０に光線１４０を照射して３次元積層造形物を造形する装置である。

図１に示すように、３次元積層造形装置１００は、材料噴射部１０１と、光線照射部１０２と、データ取得部１０３と、造形品質推定部１０４とを含む。材料噴射部１０１は、３次元積層造形物が造形される造形台１２０上に、３次元積層造形物の材料１３０を噴射する。光線照射部１０２は、材料１３０に光線１４０を照射する。データ取得部１０３は、３次元積層造形物の造形中に、３次元積層造形物の造形状態を監視するためのモニタリングデータを取得する。造形品質推定部１０４は、モニタリングデータに基づいて、３次元積層造形物の造形品質を推定する。

本実施形態によれば、３次元積層造形物の造形中にリアルタイムで３次元積層造形物の品質を推定することができるので、高精度の３次元積層造形物を造形できる。

［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置２００について、図２および図３を用いて説明する。図２は、本実施形態に係る３次元積層造形装置２００の構成の概略を示す図である。

３次元積層造形装置２００は、ノズル２０１と、光線照射部２０２と、カメラ２０３と、センサ２０４と、造形品質推定部２０５と、造形パラメータ推定部２０６と、造形パラメータ制御部２０７とを備える。

ノズル２０１は、造形台２２０上に３次元積層造形物の材料２３０である金属粉末や樹脂粉末などを噴射する。そして、光線照射部２０２から放射されたレーザ光などの光線２４０をノズル２０１の先端部分の開口から材料２３０に照射する。レーザ光や電子線などの光線２４０を照射された材料２３０は、光線２４０から与えられた熱により溶融し、溶融池２５０（溶融プール）を形成する。

カメラ２０３は、ノズル２０１の軸上に配置されており、溶融池２５０の画像（映像）を撮像する撮像装置である。カメラ２０３で撮像した溶融池２５０の画像に基づいて、例えば、溶融池２５０の径（溶融池径）であるメルトプール径や溶融池２５０の温度などが検出できる。センサ２０４は、溶融池２５０からのレーザ光などの光線２４０の反射光の輝度や強度などの反射光レベルを検出する。また、センサ２０４は、溶融池２５０から放射されるプラズマ光の波長であるプラズマ光波長も検出する。

カメラ２０３で検出したメルトプール径や、センサ２０４で検出した反射光レベルおよびプラズマ光波長は、モニタリングデータであり、これらはいずれも３次元積層造形物の積層造形中に検出されるデータである。また、モニタリングデータは、３次元積層造形物の造形状態を監視するためのデータでもある。

そして、造形品質推定部２０５は、３次元積層造形物の造形品質を推定する。造形品質の推定は、モニタリングデータに基づいて行われ、モニタリングデータには、メルトプール径、反射光レベルおよびプラズマ光波長の少なくとも１つが含まれる。しかしながら、モニタリングデータに含まれるデータは、これらには限定されず、３次元積層造形物の造形中に検出可能なデータであればいずれのデータであってもよい。

造形品質推定部２０５が推定する造形品質には、材料組織、積層幅および積層高さの少なくとも１つが含まれるが、造形品質はこれらには限定されない。そして、造形品質推定部２０５は、モニタリングデータに基づいて、間接的に３次元積層造形物の造形品質を推定する。

出来上がった３次元積層造形物を切断し、切断した断面を検査して、造形品質を決定する方法もある。しかしながら、このような出来上がった３次元積層造形物を切断して造形品質を調べる方法では、造形品質を調べた後に再度３次元積層造形物の積層造形を実行しなければならない。このような方法では、材料２３０が無駄になり、さらに、もう一度３次元積層造形物の造形をしなければならないので、３次元積層造形物の完成品が出来上がるまでに時間がかかる。

これに対して、３次元積層造形物の積層造形中に、間接的とはいえ、モニタリングデータに基づいて、造形品質推定部２０５により３次元積層造形物の造形品質の推定ができるので、材料２３０の無駄も生じない。さらに、短時間で所望の品質の３次元積層造形物を造形することが可能となる。

造形パラメータ推定部２０６は、３次元積層造形物の造形に必要な造形パラメータを推定する。造形パラメータの推定は、モニタリングデータに基づいて行われる。造形パラメータ推定部２０６が推定する造形パラメータには、材料供給量、シールドガス供給量、光線出力および材料純度の少なくとも１つが含まれる。材料供給量は、３次元積層造形物の材料２３０の供給量である。シールドガス供給量は、シールドガスの供給量であり、シールドガスは、材料２３０の酸化などを防止するために供給されるガスである。光線出力は、レーザ光などの光線２４０の出力（パワー）である。材料純度は、材料２３０の材質であり、例えば、金属や樹脂などの材料２３０の種類に関する。

造形パラメータ制御部２０７は、造形品質推定部２０５が推定した３次元積層造形物の造形品質に基づいて、３次元積層造形物の造形に必要な造形パラメータを制御する。また、造形パラメータ制御部２０７は、取得したモニタリングデータに基づいて、３次元積層造形物の造形に必要な造形パラメータを制御する。

図３は、本実施形態に係る３次元積層造形装置により取得したモニタリングデータの変化と、造形品質および造形パラメータとの関係の一例を示す関係図である。例えば、造形品質推定部２０５は、関係図３００を参照して、モニタリングデータ３０１の変化などに基づいて、造形品質３０２の変化などを推定する。同様に、造形パラメータ推定部２０６は、関係図３００を参照して、モニタリングデータ３０１の変化などに基づいて、造形パラメータ３０３の変化などを推定する。

なお、関係図３００において、モニタリングデータ３０１、造形品質３０２および造形パラメータ３０３は、全て数値データとして捉えることが可能であり、３次元積層造形装置２００は、これらの数値データに基づいて、自動的に造形品質３０２の変化や造形パラメータ３０３の変化などを判断している。なお、関係図３００においては、変化の度合いを「減少」や「変化なし」などの状態を表す表現で表しているが、変化の度合いは数値化して表現することも可能である。

関係図３００に示したように、（１）モニタリングデータ３０１のうち、「反射光レベル」が増加し、「メルトプール径」および「プラズマ光波長」が変化しない場合、造形品質３０２のうち、「積層幅」は変化しないことが分かる。そして、「材料品質」が悪化（粗化）し、「積層高さ」が減少することがわかる。

さらに、造形パラメータ３０３については、「材料供給量」が減少していることが分かる。つまり、「材料供給量」が減少しているということは、材料供給ガスに含まれる金属粉末などの材料の量が減り、その分、溶融池２５０からの反射光を遮るものが減るので、「反射光レベル」が増加する。したがって、この場合、３次元積層造形装置２００は、造形パラメータ３０３のうち材料供給量を増加させるように制御する。

これに対して、「メルトプール径」および「プラズマ光波長」は変化しない。「メルトプール径」が変化しない理由は、レーザ光などの光線２４０のスポット径なので、材料供給量に依存しないからである。また、「プラズマ光波長」が変化しない理由は、供給する材料２３０の量が増減しても、材料２３０の材質に変化がなければ溶融池２５０から放射されるプラズマ光の波長に変化は生じないからである。

次に、（２）モニタリングデータ３０１のうち、「反射光レベル」が減少し、「メルトプール径」および「プラズマ光波長」が変化しない場合、造形品質３０２のうち、「材料組織」が悪化（酸化）することが分かる。そして、「積層幅」および「積層高さ」は、変化しないことが分かる。

さらに、造形パラメータ３０３については、「シールドガス」の供給量が減少していることが分かる。つまり、「シールドガス」の供給量が減少しているということは、材料２３０の酸化防止のためのガスの供給量が減少するので、材料２３０の酸化が進み、材料２３０の表面が黒くなり、レーザ光などの光線２４０が吸収されてしまう。よって、反射光の輝度や強度などである「反射光レベル」が減少する。「メルトプール径」および「プラズマ光波長」が変化しない理由は、上述のとおりである。この場合、３次元積層造形装置２００は、造形パラメータ３０３のうちシールドガスの供給量を増加させるように制御する。

（３）モニタリングデータ３０１のうち、「メルトプール径」および「反射光レベル」が減少し、「プラズマ光波長」が変化しない場合、造形品質３０２のうち、「材料組織」が悪化（粗化）することが分かる。そして、「積層幅」および「積層高さ」は、減少することが分かる。

さらに、造形パラメータ３０３については、「レーザ出力」が減少していることが分かる。つまり、「レーザ出力」が減少しているということは、レーザ光などの光線２４０の出力が減少するので、これに伴い、光線２４０の輝度や強度が減少するので、必然的に「メルトプール径」および「反射光レベル」が減少する。また、「レーザ出力」が減少するので、材料２３０に与えられる熱量も減少し、これに伴い、「材料組織」の組成（材料組成）が悪化し、「積層幅」および「積層高さ」も減少する。この場合、３次元積層造形装置２００は、造形パラメータ３０３のうちレーザ出力を増加させるように制御する。

（４）モニタリングデータ３０１のうち、「プラズマ光波長」が変化し、「メルトプール径」および「反射光レベル」が変化しない場合、造形品質３０２のうち、「材料組織」が悪化（化合物）することが分かる。そして、「積層幅」および「積層高さ」は、変化しないことが分かる。

さらに、造形パラメータ３０３については、「材料純度（材質）」が低下していることが分かる。つまり、「材料純度（材質）」が低下しているということは、材料２３０に不純物が混ざったり、異なる材質の材料２３０が混ざったりするので、完成した３次元積層造形物に複数の材料２３０が混ざった化合物ができてしまう。よって、完成した３次元積層造形物は、単一の材料２３０から形成されなくなるので、造形物としての品質は低下する。そして、「積層幅」および「積層高さ」は、変化しないことが分かる。この場合、３次元積層造形装置２００は、造形パラメータ３０３のうち材料純度が増加するように制御する。

本実施形態によれば、３次元積層造形物の造形中にリアルタイムで３次元積層造形物の品質の変化や造形パラメータの変化を推定することができるので、高精度の３次元積層造形物を造形できる。また、造形中にモニタリングデータを監視しているので、モニタリングデータの変化などを通じて、間接的に、造形品質の変化や造形パラメータの変化をリアルタイムに検知することができる。さらに、ユーザは、モニタリングデータの変化などを監視することにより、造形品質の変化（結果）と造形パラメータの変化（原因）を知ることができる。

［他の実施形態］
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の範疇に含まれる。

また、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用されてもよいし、単体の装置に適用されてもよい。さらに、本発明は、実施形態の機能を実現する情報処理プログラムが、システムあるいは装置に直接あるいは遠隔から供給される場合にも適用可能である。したがって、本発明の機能をコンピュータで実現するために、コンピュータにインストールされるプログラム、あるいはそのプログラムを格納した媒体、そのプログラムをダウンロードさせるＷＷＷ(World Wide Web)サーバも、本発明の範疇に含まれる。特に、少なくとも、上述した実施形態に含まれる処理ステップをコンピュータに実行させるプログラムを格納した非一時的コンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）は本発明の範疇に含まれる。

Claims (9)

1. ３次元積層造形物が造形される造形台上に、前記３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射手段と、
   噴射された材料に光線を照射する光線照射手段と、
   前記３次元積層造形物の造形中に、前記３次元積層造形物の造形状態を監視するためのモニタリングデータを取得するデータ取得手段と、
   前記モニタリングデータに基づいて、前記３次元積層造形物の造形品質を推定する造形品質推定手段と、
   を備え、
   前記モニタリングデータは、溶融池温度と、溶融池からの光の特性データと、溶融池径と、を含み、
   前記造形品質推定手段は、前記溶融池温度の変化と、前記光の特性データの変化と、前記溶融池径の変化と、の組み合わせから前記３次元積層造形物の造形品質を推定する３次元積層造形装置。
2. 前記モニタリングデータに基づいて、前記３次元積層造形物の造形に必要な造形パラメータを推定する造形パラメータ推定手段をさらに備え、
   前記造形パラメータ推定手段は、前記溶融池温度の変化と、前記光の特性データの変化と、前記溶融池径の変化と、の組み合わせから前記３次元積層造形物の造形に必要な造形パラメータを推定する請求項１に記載の３次元積層造形装置。
3. 前記造形品質推定手段が推定した前記３次元積層造形物の造形品質の変化に基づいて、前記３次元積層造形物の造形に必要な造形パラメータを制御する造形パラメータ制御手段をさらに備える請求項１または２に記載の３次元積層造形装置。
4. 前記造形パラメータ制御手段は、前記データ取得手段で取得した前記モニタリングデータに基づいて、前記３次元積層造形物の造形に必要な造形パラメータを制御する請求項３に記載の３次元積層造形装置。
5. 前記モニタリングデータは、前記光の特性データとして、反射光レベルおよびプラズマ光波長の少なくともいずれかを含む請求項１乃至４のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置。
6. 前記造形パラメータは、材料供給量、シールドガス供給量、光線出力および材料純度の少なくとも１つを含む請求項２乃至５のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置。
7. 前記造形品質は、前記３次元積層造形物の積層高さ、前記３次元積層造形物の積層幅および前記３次元積層造形物の材料組成の少なくとも１つを含む請求項１乃至６のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置。
8. ３次元積層造形物が造形される造形台上に、前記３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射ステップと、
   噴射された材料に光線を照射する光線照射ステップと、
   前記３次元積層造形物の造形中に、前記３次元積層造形物の造形状態を監視するためのモニタリングデータを取得するデータ取得ステップと、
   前記モニタリングデータに基づいて、前記３次元積層造形物の造形品質を推定する造形品質推定ステップと、
   を含み、
   前記モニタリングデータは、溶融池温度と、溶融池からの光の特性データと、溶融池径と、を含み、
   前記造形品質推定ステップにおいて、前記溶融池温度の変化と、前記光の特性データの変化と、前記溶融池径の変化と、の組み合わせから前記３次元積層造形物の造形品質を推定する３次元積層造形装置の制御方法。
9. ３次元積層造形物が造形される造形台上に、前記３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射ステップと、
   前記材料に光線を照射する光線照射ステップと、
   前記３次元積層造形物の造形中に、前記３次元積層造形物の造形状態を監視するためのモニタリングデータを取得するデータ取得ステップと、
   前記モニタリングデータに基づいて、前記３次元積層造形物の造形品質を推定する造形品質推定ステップと、
   をコンピュータに実行させ、
   前記モニタリングデータは、溶融池温度と、溶融池からの光の特性データと、溶融池径と、を含み、
   前記造形品質推定ステップにおいて、前記溶融池温度の変化と、前記光の特性データと、の変化と、前記溶融池径の変化と、の組み合わせから前記３次元積層造形物の造形品質を推定する３次元積層造形装置の制御プログラム。

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