JP7746751B2 - 三次元造形方法及び三次元造形装置 - Google Patents

Description

本開示は、三次元造形方法及び三次元造形装置に関する。

特許文献１には、チャンバ内で敷き均される粉末材料に対し電子ビームを照射し、粉末材料を溶融し凝固させて、三次元の物体を造形する装置及び方法が開示されている。

特許第６１０１７０７号公報

三次元造形装置によって製造される部品の造形品質は、造形動作中の様々な影響を受ける。造形品質は、例えば、造形物の単位体積当りに与えられる熱量（以下、「入熱量」という。）の影響を受ける。例えば、入熱量が少ないと粉末材料が溶けずに欠陥が残ったり、入熱量が多いと粉末材料が溶け落ちたりする。入熱量は、入熱量を定めるパラメータ（例えばビームの出力、速度等）に依存する。しかし、実際の造形動作中において、入熱量を定めるパラメータの計測は困難であるため、実際の入熱量が不明であった。その結果、造形物が所望の造形品質を有するか否かの判断ができなかった。

そこで、本開示は、造形物が所望の造形品質を有することを担保することが可能な三次元造形方法及び三次元造形装置を説明する。

本開示の一態様に係る三次元造形方法は、エネルギビームによって粉末材料に与えられる入熱量を規定するパラメータの許容範囲を示す入熱量設定及びエネルギビームの照射位置を規定する軌跡情報を含むビームの照射設定に従って、プレート上に向けてエネルギビームを照射しながら、プレート上を撮影してエネルギビームの照射点が含まれた動画を取得する第１準備工程と、動画を解析することにより、入熱量を規定するパラメータの計測結果を取得する第２準備工程と、計測結果が許容範囲に含まれるか否かを判定する、第３準備工程と、プレート上に粉末材料を敷き均しながら、敷き均した粉末材料にエネルギビームを照射することによって三次元造形物を造形する造形工程と、を備える。

この三次元造形方法は、入熱量を規定するパラメータの許容範囲及びビームの移動を規定する情報を含むビームの照射設定に従ったエネルギビームが照射された点を撮影し、動画を取得する。三次元造形方法は、動画を解析してパラメータの計測結果を取得する。三次元造形方法は、計測結果が許容範囲に含まれるか否かを判定する。この場合、実際のパラメータの計測結果が、パラメータの許容範囲に含まれるかが判定される。計測結果が許容範囲内であれば、三次元造形物に対する入熱量の範囲が許容範囲であることがわかる。これにより、造形物が所望の造形品質を有することを担保することが可能となる。

第２準備工程は、動画をフレームごとにエネルギビームの照射点が含まれているか否かを判定することによってエネルギビームが連続的に映るフレーム数をカウントし、エネルギビームが映るフレーム数、エネルギビームの軌跡の長さ、及び動画のフレームレートに基づいて、エネルギビームの照射点が軌跡に沿って移動する速度を計測結果として取得してもよい。この場合、計測結果として、実際にエネルギビームが照射された速度が取得される。これにより、速度により定まる入熱量が許容範囲内にあることをより精緻に担保できる。従って、造形物が所望の造形品質を有することを担保することが可能となる。

第１準備工程は、エネルギビームの軌跡が円形になるようにビームを照射してもよい。この場合、プレート上の狭い領域であっても、エネルギビームが照射された距離が長くなるため、照射軌跡をより正確に判別することが可能となる。その結果、計測結果をより正確にすることができる。

第１準備工程は、エネルギビームが軌跡に沿って移動する速度が一定になるようにエネルギビームを照射してもよい。この場合、エネルギビームの照射中において、エネルギビームが動画のフレームに一定の速度で現れる。その結果、計測結果をより正確に取得することができる。

本開示の一態様に係る三次元造形装置は、エネルギビームによって粉末材料に与えられる入熱量を規定するパラメータの許容範囲を示す入熱量設定及びエネルギビームの照射位置を規定する軌跡情報を含むビームの照射設定に従って、プレート上に向けてエネルギビームを照射する照射部と、プレート上を撮影してエネルギビームの照射点が含まれた動画を出力する撮影部と、動画を解析することにより、入熱量を規定するパラメータの計測結果を取得し、計測結果が許容範囲に含まれるか否かを判定する制御部と、を備える。照射部は、プレート上に粉末材料を敷き均しながら、敷き均した粉末材料にエネルギビームを照射することによって三次元造形物を造形する。この三次元造形装置では、上述した理由により、造形物が所望の造形品質を有することを担保することが可能となる。

制御部は、動画をフレームごとにエネルギビームの照射点が含まれているか否かを判定することによってエネルギビームが連続的に映るフレーム数をカウントする計数部と、エネルギビームが映るフレーム数、エネルギビームの軌跡の長さ、及び動画のフレームレートに基づいて、エネルギビームの照射点が軌跡に沿って移動する速度を計測結果として取得する速度算出部と、を有してもよい。この場合であっても、上述した理由により、造形物が所望の造形品質を有することを担保することが可能となる。

制御部は、エネルギビームの軌跡が円形になるように、照射部によるエネルギビームの照射を制御してもよい。この場合であっても、上述した理由により、計測結果をより正確にすることができる。

制御部は、エネルギビームが軌跡に沿って移動する速度が一定になるように、照射部によるエネルギビームの照射を制御してもよい。この場合であっても、上述した理由により、計測結果をより正確にすることができる。

本開示の三次元造形方法及び三次元造形装置によれば、造形物が所望の造形品質を有することを担保することができる。

図１は、三次元造形装置の構成を示す概略図である。 図２は、パラメータの計測に係る主要な構成を示すブロック図である。 図３は、制御部のハードウェア構成の一例を示す図である。 図４は、軌跡情報の例を示す図である。図４（ａ）は、円形の軌跡を示す。図４（ｂ）は、断続的な軌跡を示す。図４（ｃ）は、加減速が行われる軌跡を示す。 図５は、計数部の処理の一例を示すフローチャートである。 図６は、三次元造形装置の動作を示すフローチャートである。

以下、本開示の三次元造形方法及び三次元造形装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１に示す三次元回転積層造形物製造装置（以下「三次元造形装置１」という）は、粉末材料Ｐから造形物ＰＡ（三次元造形物）を製造するいわゆる３Ｄプリンタである。三次元造形装置１は、例えばエネルギビームとして電子ビームを採用する。例えば、三次元造形装置１は、いわゆる電子銃粉末床溶融方式を採用する。

粉末材料Ｐは、金属の粉末であり、例えばチタン系金属粉末、インコネル粉末又はアルミニウム粉末等である。また、粉末材料Ｐは、金属粉末に限定されない。粉末材料Ｐは、例えばＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）など、炭素繊維と樹脂とを含む粉末であってもよい。また、粉末材料Ｐは、導電性を有するその他の粉末でもよい。なお、本開示における粉末は、導電性を有するものには限定されない。例えばエネルギビームとしてレーザを用いる場合には、粉末材料Ｐは導電性を有しなくてもよい。

三次元造形装置１は、粉末材料Ｐにエネルギを付与する。換言すると、三次元造形装置１は、粉末材料Ｐの温度を上昇させる。その結果、粉末材料Ｐは溶融又は焼結する。そして、三次元造形装置１がエネルギの付与を停止すると、粉末材料Ｐの温度が下がるので、凝固する。つまり、三次元造形装置１は、エネルギの付与と停止とを複数回繰り返すことにより、造形物ＰＡを製造する。なお、本開示で言う「粉末材料Ｐを固める」とは、融点より高い温度まで加熱されて液体となった粉末材料Ｐが凝固する態様と、融点より低い温度まで加熱されることにより焼結する態様と、を含む。造形物ＰＡは、例えば機械部品である。造形物ＰＡは、その他の構造物であってもよい。

三次元造形装置１は、駆動ユニット２と、処理ユニット３と、制御部４と、ハウジング５と、窓部６と、カメラ７（撮影部）と、を有する。駆動ユニット２は、造形に要する種々の動作を実現する。処理ユニット３は、粉末材料Ｐを処理することによって、造形物ＰＡを得る。粉末材料Ｐの処理は、粉末材料Ｐの供給処理と、粉末材料Ｐの予熱処理と、粉末材料Ｐの造形処理と、を含む。制御部４は、三次元造形装置１の装置全体の制御を司る。ハウジング５は、複数のコラムによって支持されている。ハウジング５は、造形空間Ｓを形成する。造形空間Ｓは、処理ユニット３による粉末材料Ｐの処理を行うための減圧可能な気密空間である。窓部６は、三次元造形装置１の装置外部から造形空間Ｓを視認可能な覗き窓である。窓部６はハウジング５に設けられている。カメラ７は後述するプレート５１上を撮影する。

造形空間Ｓには、プレート５１と造形タンク５２とが配置されている。プレート５１は、造形処理が行われる処理台である。プレート５１は、例えば円板を呈し、造形物ＰＡの原料である粉末材料Ｐが配置される。プレート５１は、その中心軸線がハウジング５の中心軸線と重複するように配置される。プレート５１には、駆動ユニット２が接続されている。従って、プレート５１は、駆動ユニット２によって、回転と、回転軸線に沿った直線移動と、を行う。造形タンク５２は、粉末材料Ｐを収容する容器である。造形タンク５２は、プレート５１を囲うように配置される。

駆動ユニット２は、プレート５１を回転及び昇降させる。駆動ユニット２は、回転駆動機構２１と、昇降駆動機構２２と、を有する。回転駆動機構２１は、プレート５１を回転させる。回転駆動機構２１の上端は、プレート５１に連結されている。回転駆動機構２１の下端は、駆動源に取り付けられている。昇降駆動機構２２は、プレート５１を造形タンク５２に対して相対的に昇降させる。この昇降は、回転駆動機構２１の回転軸線に沿っている。なお、駆動ユニット２は、プレート５１を回転及び昇降させることができる機構であればよく、駆動ユニット２は、上記の機構に限定されない。

処理ユニット３は、プレート５１上に配置されている。処理ユニット３は、プレート５１のプレート主面５１ａに対面している。処理ユニット３は、フィーダ３ａ、ヒータ３ｂ、及びビーム源３ｃ（照射部）を有している。フィーダ３ａは、粉末材料Ｐの供給処理を行う。ヒータ３ｂは、粉末材料Ｐの予熱処理を行う。ビーム源３ｃは、粉末材料Ｐの造形処理を行う。

フィーダ３ａは、プレート５１に粉末材料Ｐを供給する。例えば、フィーダ３ａは、原料タンクと均し部とを有する。原料タンクは、粉末材料Ｐを貯留すると共にプレート５１に粉末材料Ｐを供給する。均し部は、プレート５１上の粉末材料Ｐの表面を均す。例えば、プレート５１上の粉末材料Ｐの表面層は、プレート５１の回転に伴って均し部に当接して敷き均される。なお、三次元造形装置１は、均し部に替えて、ローラ部、棒状部材、刷毛部などを有してもよい。フィーダ３ａは、プレート主面５１ａに供給領域を形成する。供給領域は、粉末材料Ｐがプレート５１に供給され、均される領域である。供給領域は、例えば、プレート５１の直径方向（半径方向）を長手方向とする矩形状の形状を呈するが、これに限定されない。

ヒータ３ｂは、プレート５１に配置された粉末材料Ｐを加熱する。ヒータ３ｂは、放射熱によって粉末材料Ｐの温度を上昇させる。ヒータ３ｂとして、例えば赤外線ヒータを用いてもよい。ここでいう予熱とは、予熱領域における粉末材料Ｐの温度が供給領域における粉末材料Ｐよりも高くなるように加熱する処理であることを意味する。このような加熱処理は、例えば、粉末材料Ｐを仮焼結する処理であってもよい。仮焼結とは、粉末材料Ｐ同士が拡散現象によって最小点で拡散して接合した状態である。ヒータ３ｂは、一例として、粉末材料Ｐの融点の半分以上の温度まで粉末材料Ｐを加熱する。これは、焼結の拡散現象が活発になるのが、一般的に融点の半分以上であることに基づく。例えば、粉末材料Ｐがチタンである場合、仮焼結温度は、７００℃以上８００℃以下である。なお、チタン合金の融点は約１５００℃以上１６００℃以下である。また、粉末材料Ｐがアルミニウムである場合、仮焼結温度は、３００℃である。なお、アルミニウムの融点は約６６０℃である。ヒータ３ｂは、プレート主面５１ａに予熱領域を形成する。予熱領域は、粉末材料Ｐの温度を上昇させる領域である。予熱領域は、例えば扇状の形状を呈するが、これに限定されない。

例えば、ビーム源３ｃは、プレート５１に配置された粉末材料Ｐに対して電子ビームを照射する。ビーム源３ｃは、例えば電子銃である。電子銃は、カソードとアノードとの間に生じる電位差に応じた電子ビームを発生させる。ビーム源３ｃは、プレート主面５１ａに造形領域を形成する。造形領域は、粉末材料Ｐの温度を上昇させる領域であるが、当該温度は予熱領域における温度よりも高い。つまり、造形領域における粉末材料Ｐの温度は、造形物ＰＡを形成可能な温度（焼結温度、融解温度）である。ビーム源３ｃは、造形領域内の所望の部分に電子ビームを照射する。造形領域の形状は、例えば円形であるが、これに限定されない。造形領域は、ビーム源３ｃの照射範囲（照射可能範囲）と一致してもよいし、一致していなくてもよい。

供給領域、予熱領域及び造形領域の位置関係は、フィーダ３ａ、ヒータ３ｂ及びビーム源３ｃの位置関係に対応する。供給領域、予熱領域及び造形領域は、プレート５１の回転方向に沿ってこの順に形成されていればよい。供給領域、予熱領域及び造形領域のそれぞれ占める領域は、適宜変更してよい。

制御部４は、駆動ユニット２及び処理ユニット３の動作を制御して、三次元造形物を造形する。昇降駆動機構２２は、プレート５１を上方へ移動させる。プレート５１は、造形タンク５２の上部の位置に配置される。回転駆動機構２１は、プレート５１を回転させる。フィーダ３ａは、プレート５１に粉末材料Ｐを供給し、粉末材料Ｐの表面層を均す。粉末材料Ｐは、プレート５１と共に回転しながら供給される。ヒータ３ｂは、電子ビームが照射される前の粉末材料Ｐを予備加熱する。粉末材料Ｐは、プレート５１と共に回転しながら加熱される。ビーム源３ｃは、粉末材料Ｐに対して電子ビームを照射する。これにより、粉末材料Ｐが溶融又は焼結され、造形物ＰＡが造形されていく。昇降駆動機構２２は、プレート５１を降下させる。プレート５１は、造形物ＰＡの造形が進むに連れて降下する。プレート５１の降下は、プレート５１の回転と同期させてもよいが、完全には同期させなくてもよい。そして、全ての層について造形が完了したら、造形物ＰＡの造形が完了する。

制御部４はまた、電子ビームによって粉末材料Ｐに与えられる入熱量を規定するパラメータの計測を行う。パラメータは、例えば電子ビームの出力、走査速度等である。走査速度とは、電子ビームの照射点が軌跡に沿って移動する速度である。入熱量は、造形物ＰＡの単位体積当りに与えられる熱量であり、パラメータに依存する。図２は、パラメータの計測に係る主要な構成を示すブロック図である。図２に示されるように、制御部４は、記憶部４１と、ビーム制御部４２と、取得部４３と、計数部４４と、距離算出部４５と、速度算出部４６と、比較部４７と、を有する。制御部４は、ビーム源３ｃ及びカメラ７と電気的に接続されている。

記憶部４１は、入熱量設定及びビームの照射設定を記憶している。入熱量設定とは、電子ビームによって粉末材料Ｐに与えられる入熱量を規定するパラメータの許容範囲である。許容範囲は、パラメータの基準値と許容誤差とによって規定される。許容範囲は、例えば、走査速度：９６０[mm/sec]，許容誤差：±２０[mm/sec]等のように規定される。ビームの照射設定は、例えば、電子ビームの出力、走査速度、電子ビームの照射位置を規定する軌跡情報等を含む。軌跡情報は、例えば、照射位置の始点及び終点、並びに照射位置が移動する経路等を規定する。軌跡情報の詳細については後述する。

ビーム制御部４２は、電子ビームの照射制御を行う。ビーム制御部４２は、ビームの照射設定に従った制御信号φをビーム源３ｃに出力する。ビーム源３ｃは、制御信号φに従って、プレート５１上に向けて電子ビームを照射する。パラメータの計測を行う際には、プレート５１は回転しておらず、昇降の位置も固定されている。また、プレート５１上には粉末材料Ｐが供給されていない。すなわち、ビーム源３ｃは、プレート５１のプレート主面５１ａに電子ビームを照射する。

カメラ７は、プレート５１上を撮影した動画ｍを制御部４に出力する。動画ｍは、電子ビームの照射が開始される前、電子ビームが照射されている間、及び電子ビームの照射が停止した後のそれぞれの時点におけるプレート５１上の画像（フレーム）を含む。動画ｍのフレームレート（１秒当りのフレーム数）は限定されず、例えば２４０[Frame/sec]である。カメラ７は、例えばデジタルカメラ、ハイスピードカメラ等である。カメラ７は、三次元造形装置１の装置外部から窓部６を介してプレート５１上を撮影する。

取得部４３は、カメラ７から動画ｍを取得する。動画ｍには電子ビームの照射点が含まれる。照射点とは、プレート５１上に電子ビームが照射されている位置である。

計数部４４は、動画ｍをフレームごとに電子ビームの照射点が含まれているか否かを判定する。電子ビームがプレート５１上に照射されると、照射点が高温になり発光する。本実施形態では、輝度に関する閾値よりも高い輝度を有する画素が、所定の個数以上ある状態を発光として説明する。動画ｍのうち、電子ビームが照射されている間の画像には、発光が連続して現れる。計数部４４は、電子ビームが連続的に映るフレーム数をカウントする。計数部４４の処理の詳細については後述する。

距離算出部４５は、電子ビームの走査長を算出する。走査長とは、電子ビームの軌跡の長さである。距離算出部４５は、動画ｍを用いて画像解析によって走査長を算出する。画像解析による走査長の算出は公知の技術を用いてよい。また、距離算出部４５は、外部の計測装置により計測した値を、入力装置１０５から入力されることによって取得してもよい。例えば、電子ビームの照射後にプレート５１に残る照射痕を実測してもよい。

速度算出部４６は、電子ビームが映るフレーム数、電子ビームの走査長、及び動画のフレームレートに基づいて、走査速度を算出する。速度算出部４６は、フレームレートと計数部４４によりカウントされたフレーム数とによって、電子ビームが連続的に映る時間を得る。速度算出部４６は、電子ビームが連続的に映る時間と電子ビームの走査長（距離）とによって走査速度を算出する。走査速度はパラメータの計測結果の一例である。

比較部４７は、計測結果が許容範囲に含まれるか否かを判定する。例えば、比較部４７は、走査速度が許容誤差内に含まれるか否かを判定する。許容範囲が走査速度：９６０[mm/sec]，許容誤差：±２０[mm/sec]である場合、比較部４７は、計測した走査速度が９４０～９８０[mm/sec]の範囲に含まれるか否かを判定する。

制御部４は、ハードウェア及び／又はソフトウェアの任意の組み合わせによって実現される。各機能は、物理的及び／又は論理的に分離した２つ以上の装置を直接的及び又は間接的に接続し、これら複数の装置により実現されてもよい。

図３は、制御部のハードウェア構成の一例を示す図である。図３に示されるように、制御部４は、物理的には、プロセッサ１０１と、メモリ１０２と、ストレージ１０３と、通信装置１０４と、入力装置１０５と、出力装置１０６と、バス１０７等を含むコンピュータ装置として構成されてもよい。制御部４における各機能は、プロセッサ１０１、メモリ１０２等のハードウェア上に所定のソフトウェア（プログラム）を読み込ませることで、プロセッサ１０１が演算を行い、通信装置１０４による通信、あるいは、メモリ１０２及びストレージ１０３におけるデータの読み出し及び書き込みを制御することで実現される。

プロセッサ１０１は、例えば、オペレーティングシステムを動作させてコンピュータ全体を制御する。プロセッサ１０１は、中央処理装置（ＣＰＵ：Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）によって構成されてもよい。例えば、制御部４の各種処理等は、プロセッサ１０１で実現されてもよい。また、プロセッサ１０１は、プログラム（プログラムコード）、ソフトウェアモジュール、及びデータを、ストレージ１０３又は通信装置１０４からメモリ１０２に読み出し、これらに従って各種の処理を実行する。制御部４の各種処理を実行する機能は、メモリ１０２に格納され、プロセッサ１０１で動作する制御プログラムによって実現されてもよい。なお、制御部４における各種処理は、１つのプロセッサ１０１で実行されてもよいが、２以上のプロセッサ１０１により同時又は逐次に実行されてもよい。

メモリ１０２は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体であり、例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の少なくとも１つによって構成されてもよい。

ストレージ１０３は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体である。ストレージ１０３は、例えば、ハードディスクドライブ、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ ＲＯＭ）などの光ディスク等の少なくとも１つで構成されてもよい。上述の記憶媒体は、例えば、メモリ１０２及びストレージ１０３等を含むデータベース、サーバ又はその他の適切な媒体であってもよい。

通信装置１０４は、有線及び／又は無線ネットワークを介してコンピュータ間の通信を行うためのデバイスである。例えば、制御部４の各種処理の一部は、通信装置１０４で実現されてもよい。

入力装置１０５は、外部からの入力を受け付ける入力デバイス（例えば、キーボード等）である。出力装置１０６は、外部への出力を実施する出力デバイス（例えば、ディスプレイ等）である。

上記の各装置は、情報を通信するためのバス１０７で接続される。バス１０７は、単一のバスで構成されてもよいし、装置間で異なるバスで構成されてもよい。

図４を参照しつつ、軌跡情報の例を説明する。本開示の軌跡情報は、いわゆる一筆書きの軌跡であること、電子ビームの照射中に走査速度が変動しないこと、及びプレート５１上且つカメラ７の撮影視野にあること、の３つの条件を満たす必要がある。これらの条件を満たしていれば、軌跡の形状は問わない。

図４（ａ）に示される軌跡情報Ｔ１は、上述した３つの条件をすべて満たす。軌跡情報Ｔ１は、始点ＳＴから終点ＥＤまで、時計回りＣＷに円を描く経路を有する。円の直径Ｄは、例えば２００ｍｍ程度である。円の中心は、例えばプレート５１の中心軸線上にある。ビーム源３ｃは、軌跡情報Ｔ１に沿ってプレート５１上に電子ビームを照射する。照射点が軌跡情報Ｔ１に沿って移動すると、プレート５１上には加熱によって円形の軌跡が残る。円形の軌跡は、電子ビームの幅に対応する幅Ｗ（例えば１００μｍ）を有する。このような軌跡情報Ｔ１は、記憶部４１に記憶されている。なお、軌跡情報Ｔ１が示す軌跡は、正確な円形に限定されない。軌跡情報Ｔ１が示す軌跡は、軌跡の長さを取得可能な形状であればよい。例えば、軌跡情報Ｔ１は、楕円を描く経路を有してもよい。さらに、軌跡情報Ｔ１が直径Ｄによって示される円形の軌跡を規定する場合に、実際に電子ビームが照射された軌跡が設定した軌跡と完全に一致することも要求されない。軌跡情報Ｔ１が示す軌跡に対して許される実際の軌跡のずれは、入熱量の判定において許される誤差に基づいて設定されてもよい。

図４（ｂ）に示される軌跡情報Ｔ２は、上述した条件を満たさない参考例を示す。軌跡情報Ｔ２の始点ＳＴ及び終点ＥＤは円周上に位置している。また、始点ＳＴは、円の中心を通る直線ＬＮの一端側に位置しており、終点ＥＤは直線ＬＮの他端側に位置している。軌跡情報Ｔ２は、始点ＳＴから直線ＬＮの他端まで時計回りに弧を描く経路Ｔ２ａを有する。また、軌跡情報Ｔ２は、直線ＬＮ上を通り直線ＬＮの他端から一端に移動する経路Ｔ２ｂを有する。さらに軌跡情報Ｔ２は、直線ＬＮの一端から終点ＥＤまで反時計回りに弧を描く経路Ｔ２ｃを有する。軌跡情報Ｔ２では、直線ＬＮ上を通る際に電子ビームが非照射となる。軌跡情報Ｔ２は、複数のビーム源３ｃによる移動経路を有してもよい。軌跡情報Ｔ２は、例えば、始点ＳＴから終点ＥＤまで時計回りに弧を描く第１経路と共に、第２照射点は始点ＳＴから終点ＥＤまで反時計回りに弧を描く第２経路を有してもよい。このような軌跡情報Ｔ２は、一筆書きの条件を満たさないため、記憶部４１に記憶されなくてよい。

図４（ｃ）に示される軌跡情報Ｔ３は、上述した条件を満たさない参考例を示す。軌跡情報Ｔ３では、略四角状に移動する一筆書きの経路を有する。軌跡情報Ｔ３では、始点ＳＴから近い順に第１辺、第２辺、第３辺及び第４辺とし、それぞれの辺を２つの区間（前半区間及び後半区間）に分割する。軌跡情報Ｔ３は、第１辺の後半区間Ａ１で減速し、第２辺の前半区間Ａ２で加速し、第２辺の後半区間Ａ３で減速し、第３辺の前半区間Ａ４で加速する経路を有する。このような軌跡情報Ｔ３は、走査速度が変動するため、記憶部４１に記憶されなくてよい。

図５に示すフローチャートを参照しながら、計数部４４の処理の一例を説明する。計数部４４は、処理対象のフレームの番号（以下、「フレームＮｏ．」と言う。）及び電子ビームが連続的に映るフレーム数Ｆを初期化する（工程Ｓ１）。例えば、計数部４４は、フレームＮｏ．を１とし、フレーム数Ｆを０とする。次に、処理対象のフレームについて、画像解析を実行する（工程Ｓ２）。計数部４４は、例えば、フレームＮｏ．１の画像を解析して、各画素の輝度を取得する。計数部４４は、輝度に関する閾値である輝度Ｌｕ以上の画素の個数をカウントする。

計数部４４は、輝度Ｌｕ以上の画素の個数が閾値Ｅ個以上であるか否かを判定する（工程Ｓ３）。輝度Ｌｕ以上の画素の個数が閾値Ｅ個以上の場合、処理対象のフレームが電子ビームの照射中の画像であることを示す。一方、輝度Ｌｕ以上の画素の個数が閾値Ｅ個未満のとき、処理対象のフレームが電子ビームの照射前、又は照射後の画像であることを示す。

輝度Ｌｕ以上の画素の個数が閾値Ｅ個以上である場合（工程Ｓ３においてＹｅｓ）、処理は工程Ｓ４に進む。計数部４４は、フレーム数をインクリメントする（工程Ｓ４）。換言すると、計数部４４は、現在のフレーム数に１を加算することにより、フレーム数を数え上げる。続いて、計数部４４は、フレームＮｏ．をインクリメントする（工程Ｓ５）。換言すると、計数部４４は、処理対象のフレームを次のフレームに移す。

輝度Ｌｕ以上の画素の個数が閾値Ｅ個以上でない場合（工程Ｓ３においてＮｏ）、処理は工程Ｓ６に進む。計数部４４は、フレーム数Ｆが０であるか否かを判定する（工程Ｓ６）。フレーム数Ｆが０であるとき、処理対象のフレームが電子ビームの照射前であることを示す。この場合（工程Ｓ６においてＹｅｓ）、処理は工程Ｓ５に進む。フレーム数が０でないとき（工程Ｓ６においてＮｏ）、処理は終了する。

工程Ｓ５の後、処理は工程Ｓ２に戻る。処理が工程Ｓ２に戻ることにより、処理対象のフレームが順次切り替えられていく。処理がすべて終了すると、計数部４４はフレーム数Ｆを出力する。フレーム数Ｆは、電子ビームの照射中の画像数を示す。

次に、図６に示すフローチャートを参照しながら、三次元造形装置１により実行される三次元造形方法について説明する。記憶部４１には、予め入熱量設定及びビームの照射設定が記憶されているものとする。以下、入熱量設定におけるパラメータの許容範囲は、走査速度：９６０[mm/sec]，許容誤差：±２０[mm/sec]であるものとする。

三次元造形装置１は、第１準備工程として、プレート５１上を撮影する（工程Ｓ１０）。三次元造形装置１は、ビームの照射設定に従って、プレート５１上に向けて電子ビームを照射しながら、プレート５１上を撮影する。そして、三次元造形装置１は、電子ビームの照射点が含まれた動画ｍを取得する。より具体的には、カメラ７によってプレート５１上の撮影を開始した後、ビーム源３ｃによってプレート５１に電子ビームを照射する。制御部４は、電子ビームの軌跡が円形になるように、ビーム源３ｃによる電子ビームの照射を制御する。また、制御部４は、走査速度が一定になるように、ビーム源３ｃによる電子ビームの照射を制御する。走査速度が一定でない場合、入熱量も走査速度に依存して変動し得る。本開示では、走査速度の意図しない揺れが、計測精度に影響を及ぼさない範囲であれば走査速度が「一定」であるとする。入熱量設定であるパラメータの許容範囲内であることを「一定」であると定義する。制御部４は、走査速度が許容範囲になるように、電子ビームの照射を制御する。電子ビームの照射が停止すると、カメラ７は動画ｍを制御部４に出力する。

三次元造形装置１は、動画ｍをフレームごとに解析する（工程Ｓ１１）。三次元造形装置１は、図４に示す処理によって、動画ｍに基づいて電子ビームが連続的に映るフレーム数Ｆを取得する。

三次元造形装置１は、電子ビームの走査長を算出する（工程Ｓ１２）。距離算出部４５は、動画ｍを用いて走査長を算出する。距離算出部４５は、例えば、電子ビームの照射後のフレームに対するエッジ検出によって電子ビームの軌跡を検出し、該軌跡の長さを算出する。

三次元造形装置１は、電子ビームの走査速度を算出する（工程Ｓ１３）。動画ｍのフレームレートをｃ[Frame/sec]とすると、カメラ７のシャッター間隔は１／ｃ[sec]である。カメラ７の撮影タイミングが電子ビームの照射の開始及び停止と同時であると仮定すると、走査時間ｔは、フレーム数Ｆ[Frame]を用いて次式（１）により表すことができる。

しかしながら、カメラ７の撮影タイミングと、電子ビームの照射の開始及び停止の少なくとも一方は必ずしも同期しない。そのため、照射の開始及び停止の少なくとも一方において、最大で１／ｃ[sec]分の撮影漏れが発生し得る。従って、実際の走査時間ｔ[sec]は、次式（２）の範囲を満たす。

ここで、走査速度をｖとし、走査長をＬ[mm]とすると、走査速度ｖは走査長Ｌ／走査時間ｔにより算出される。式（１），（２）より、走査速度ｖは次式（３）の範囲を満たす。

そこで、計測結果から考え得る上限値と下限値との平均により、次式（４）で表される速度の計測値をｖ_ｍ［mm/sec］として定義する。

三次元造形装置１は、式（４）により、パラメータの計測結果として走査速度ｖ_ｍを取得する。上述した工程Ｓ１１～Ｓ１３は、動画ｍを解析することにより、入熱量を規定するパラメータの計測結果を取得する第２準備工程とみなすことができる。

三次元造形装置１は、第３準備工程として、走査速度ｖ_ｍを評価する（工程Ｓ１４）。比較部４７は、計測した走査速度ｖ_ｍが許容範囲の９４０～９８０[mm/sec]に含まれるか否かを判定することによって、走査速度ｖ_ｍを評価する。

走査速度ｖ_ｍが許容範囲に含まれる場合には、実際に粉末材料Ｐに与えられる入熱量が適切であると言える。従って、この走査速度ｖ_ｍを計測した直前又は直後に行われる造形動作では、粉末材料Ｐへの入熱が適切に行われているといえる。入熱量が適切であるということは、入熱量に基づいて評価される造形物の品質が基準を満たしているといえる。

三次元造形装置１は、造形工程として、プレート５１上に粉末材料Ｐを敷き均しながら、敷き均した粉末材料Ｐに電子ビームを照射することによって、造形物ＰＡを造形する（工程Ｓ１５）。

三次元造形方法は、電子ビームによって粉末材料Ｐに与えられる入熱量を規定するパラメータの許容範囲を示す入熱量設定及び電子ビームの照射位置を規定する軌跡情報を含むビームの照射設定に従って、プレート５１上に向けて電子ビームを照射しながら、プレート５１上を撮影して電子ビームの照射点が含まれた動画ｍを取得する第１準備工程と、動画ｍを解析することにより、入熱量を規定するパラメータの計測結果を取得する第２準備工程と、計測結果が許容範囲に含まれるか否かを判定する、第３準備工程と、プレート５１上に粉末材料Ｐを敷き均しながら、敷き均した粉末材料Ｐに電子ビームを照射することによって造形物ＰＡを造形する造形工程と、を備える。

この三次元造形方法は、入熱量を規定するパラメータの許容範囲及びビームの移動を規定する情報を含むビームの照射設定に従った電子ビームが照射された点を撮影し、動画ｍを取得する。三次元造形方法は、動画ｍを解析してパラメータの計測結果を取得する。三次元造形方法は、計測結果が許容範囲に含まれるか否かを判定する。この場合、実際のパラメータの計測結果が、パラメータの許容範囲に含まれるかが判定される。計測結果が許容範囲内であれば、造形物ＰＡに対する入熱量の範囲が許容範囲であることがわかる。これにより、造形物ＰＡが所望の造形品質を有することを担保することが可能となる。

第２準備工程は、動画ｍをフレームごとに電子ビームの照射点が含まれているか否かを判定することによって電子ビームが連続的に映るフレーム数Ｆをカウントし、電子ビームが映るフレーム数Ｆ、電子ビームの軌跡の長さ、及び動画ｍのフレームレートに基づいて、電子ビームの照射点が軌跡に沿って移動する速度を計測結果として取得する。この場合、計測結果として、実際に電子ビームが照射された速度が取得される。これにより、速度により定まる入熱量が許容範囲内にあることをより精緻に担保できる。従って、造形物ＰＡが所望の造形品質を有することを担保することが可能となる。

第１準備工程は、電子ビームの軌跡が円形になるようにビームを照射する。この場合、プレート５１上の狭い領域であっても、電子ビームが照射された距離が長くなるため、照射軌跡をより正確に判別することが可能となる。その結果、計測結果をより正確にすることができる。

第１準備工程は、電子ビームが軌跡に沿って移動する速度が一定になるように電子ビームを照射する。この場合、電子ビームの照射中において、電子ビームが動画ｍのフレームに一定の速度で現れる。その結果、計測結果をより正確に取得することができる。

ところで、積層造形技術は、比較的新しい製造技術である。積層造形によって得られる造形物ＰＡは、所望の形状を有するだけでなく、強度などのような機械的特性も要求される。しかし、積層造形技術によって製造された造形物ＰＡが所望の品質を備えたものであるかを評価する手法は、未だ確立されていない。造形物ＰＡの品質に影響するパラメータとして、入熱量が挙げられる。入熱量が多すぎる又は少なすぎると、造形物ＰＡの内部に欠陥などが生じてしまう。従って、入熱量が適切に管理されていることを確認できれば、少なくとも入熱量の不備によって発生する欠陥などがないことを証明できる。そこで、発明者らは、造形物ＰＡの入熱量を品質管理に適用できる程度に高精度に測定可能な手法を鋭意検討した結果、本開示の三次元造形方法及び三次元造形装置１を想到するに至った。

三次元造形装置１は、電子ビームによって粉末材料Ｐに与えられる入熱量を規定するパラメータの許容範囲を示す入熱量設定及び電子ビームの照射位置を規定する軌跡情報を含むビームの照射設定に従って、プレート５１上に向けて電子ビームを照射するビーム源３ｃと、プレート５１上を撮影して電子ビームの照射点が含まれた動画ｍを出力するカメラ７と、動画ｍを解析することにより、入熱量を規定するパラメータの計測結果を取得し、計測結果が許容範囲に含まれるか否かを判定する制御部４と、を備える。ビーム源３ｃは、プレート５１上に粉末材料Ｐを敷き均しながら、敷き均した粉末材料Ｐに電子ビームを照射することによって造形物ＰＡを造形する。この三次元造形装置１では、上述した理由により、造形物ＰＡが所望の造形品質を有することを担保することが可能となる。

制御部４は、動画ｍをフレームごとに電子ビームの照射点が含まれているか否かを判定することによって電子ビームが連続的に映るフレーム数Ｆをカウントする計数部４４と、電子ビームが映るフレーム数Ｆ、電子ビームの軌跡の長さ、及び動画ｍのフレームレートに基づいて、電子ビームの照射点が軌跡に沿って移動する速度を計測結果として取得する速度算出部４６と、を有する。この場合であっても、上述した理由により、造形物ＰＡが所望の造形品質を有することを担保することが可能となる。

制御部４は、電子ビームの軌跡が円形になるように、ビーム源３ｃによる電子ビームの照射を制御する。この場合であっても、上述した理由により、計測結果をより正確にすることができる。

制御部４は、電子ビームが軌跡に沿って移動する速度が一定になるように、ビーム源３ｃによる電子ビームの照射を制御する。この場合であっても、上述した理由により、計測結果をより正確にすることができる。

本開示の三次元造形方法及び三次元造形装置は、前述した実施形態に限定されず、本開示の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

実施形態では、計測結果として走査速度を取得する例を説明したが、計測結果は走査長、電子ビームの出力等であってもよい。そのほか、三次元造形方法は、工程Ｓ１５の処理を工程Ｓ１０の前に実行してもよい。これらの場合であっても、計測結果が許容範囲内であれば、造形物ＰＡに対する入熱量の範囲が許容範囲であることがわかる。これにより、造形物ＰＡが所望の造形品質を有することを担保することが可能となる。

三次元造形方法は、工程Ｓ１０～Ｓ１４の処理により第１計測結果を取得し、工程Ｓ１５の処理の後、さらに工程Ｓ１０～Ｓ１４の処理を実行し、第２計測結果を取得してもよい。この場合、第１計測結果と第２計測結果とが所定の範囲内にある場合、造形工程（工程Ｓ１５）ではパラメータの計測結果が安定していると評価することができる。

カメラ７は、動画ｍとは別に、プレート５１上を撮影した画像を制御部４に出力してもよい。カメラ７は、例えば、走査長を算出するために電子ビームの照射が停止した後のプレート５１の画像を制御部４に出力してもよい。カメラ７は三次元造形装置１の装置内部に設けられていてもよい。パラメータの計測中にプレート５１が回転していてもよく、プレート５１上に粉末材料Ｐが配置されていてもよい。これらの場合であっても、上述した理由により、造形物ＰＡが所望の造形品質を有することを担保することが可能となる。

１ 三次元造形装置
２ 駆動ユニット
３ 処理ユニット
３ａ フィーダ
３ｂ ヒータ
３ｃ ビーム源
４ 制御部
５ ハウジング
６ 窓部
７ カメラ
２１ 回転駆動機構
２２ 昇降駆動機構
４１ 記憶部
４２ ビーム制御部
４３ 取得部
４４ 計数部
４５ 距離算出部
４６ 速度算出部
４７ 比較部
５１ プレート
５１ａ プレート主面
５２ 造形タンク
１０１ プロセッサ
１０２ メモリ
１０３ ストレージ
１０４ 通信装置
１０５ 入力装置
１０６ 出力装置
１０７ バス
φ 制御信号
ｍ 動画
Ｐ 粉末材料
ＰＡ 造形物
Ｓ 造形空間

Claims (8)

1. エネルギビームによって粉末材料に与えられる入熱量を規定するパラメータの許容範囲を示す入熱量設定及び前記エネルギビームの照射位置の始点及び終点が重なる軌跡を規定する軌跡情報を含むビームの照射設定に従って、プレート上に向けて前記エネルギビームを照射しながら、前記プレート上を撮影して前記エネルギビームの照射点が含まれた動画を取得する第１準備工程と、
   前記動画を解析することにより、前記入熱量を規定するパラメータの計測結果を取得する第２準備工程と、
   前記計測結果が前記許容範囲に含まれるか否かを判定する、第３準備工程と、
   前記プレート上に粉末材料を敷き均しながら、敷き均した前記粉末材料に前記エネルギビームを照射することによって三次元造形物を造形する造形工程と、
   を備える、三次元造形方法。
2. 前記第２準備工程は、
   前記動画をフレームごとに前記エネルギビームの照射点が含まれているか否かを判定することによって前記エネルギビームが連続的に映るフレーム数をカウントし、
   前記エネルギビームの照射点が移るフレーム数、前記エネルギビームの前記軌跡の長さ、及び前記動画のフレームレートに基づいて、前記エネルギビームの前記照射点が前記軌跡に沿って移動する速度を前記計測結果として取得する、請求項１に記載の三次元造形方法。
3. 前記第１準備工程は、前記エネルギビームの前記軌跡が円形になるように前記ビームを照射する、請求項１又は２に記載の三次元造形方法。
4. 前記第１準備工程は、前記エネルギビームが前記軌跡に沿って移動する速度が一定になるように前記エネルギビームを照射する、請求項１～３のいずれか一項に記載の三次元造形方法。
5. エネルギビームによって粉末材料に与えられる入熱量を規定するパラメータの許容範囲を示す入熱量設定及び前記エネルギビームの照射位置の始点及び終点が重なる軌跡を規定する軌跡情報を含むビームの照射設定に従って、プレート上に向けて前記エネルギビームを照射する照射部と、
   前記プレート上を撮影して前記エネルギビームの照射点が含まれた動画を出力する撮影部と、
   前記動画を解析することにより、前記入熱量を規定するパラメータの計測結果を取得し、前記計測結果が前記許容範囲に含まれるか否かを判定する制御部と、を備え、
   前記照射部は、前記プレート上に粉末材料を敷き均しながら、敷き均した前記粉末材料に前記エネルギビームを照射することによって三次元造形物を造形する、三次元造形装置。
6. 前記制御部は、
   前記動画をフレームごとに前記エネルギビームの照射点が含まれているか否かを判定することによって前記エネルギビームが連続的に映るフレーム数をカウントする計数部と、
   前記エネルギビームが映るフレーム数、前記エネルギビームの前記軌跡の長さ、及び前記動画のフレームレートに基づいて、前記エネルギビームの前記照射点が前記軌跡に沿って移動する速度を前記計測結果として取得する速度算出部と、を有する、
   請求項５に記載の三次元造形装置。
7. 前記制御部は、前記エネルギビームの前記軌跡が円形になるように、前記照射部による前記エネルギビームの照射を制御する、請求項５又は６に記載の三次元造形装置。
8. 前記制御部は、前記エネルギビームが前記軌跡に沿って移動する速度が一定になるように、前記照射部による前記エネルギビームの照射を制御する、請求項５～７のいずれか一項に記載の三次元造形装置。