CN110650811B - 内部缺陷检测系统和方法、以及三维层叠造形装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种对粉末床照射激光来进行层叠造形的三维层叠造形装置的造形缺陷检测系统。本系统根据在粉末床的激光的被照射部测量到的局部温度的变化量，来确定造形缺陷的候补位置。并且，根据温度分布来计算候补位置处的冷却速度，并根据该冷却速度来判断是否存在造形缺陷。

Description

内部缺陷检测系统和方法、以及三维层叠造形装置

技术领域

本公开涉及一种通过对铺设的粉末照射光束、电子束等波束来进行层叠造形从而制造三维形状物的三维层叠造形装置的造形缺陷检测系统、具备该系统的三维层叠造形装置、通过该系统实施的造形缺陷检测方法、利用了该造形缺陷检测方法的三维层叠造形物的制造方法、以及通过该制造方法制造的三维层叠造形物。

背景技术

已知一种用于通过对铺设成层状的粉末照射光束、电子束等波束来进行层叠造形从而制造三维形状物的三维层叠造形技术。专利文献1中公开了这种技术的一例，并记载了：对由粉末形成的粉末层照射光束来形成烧结层，并重复，从而将多个烧结层层叠成一体，由此来制造三维形状物。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-1900号公报

发明内容

发明要解决的课题

在上述专利文献1那样的三维层叠造形方法中，由于通过重复层叠层状的烧结层来形成大的三维形状物，因此在其完成之前需要长的作业时间。特别地，在使用铁、铜、铝或钛等金属粉末的情况下，实际情况是其作业时间长达几十个小时。

此外，在这种三维层叠造形方法中，以往，并没有在进行造形作业的过程中检查造形缺陷的技术，因此，通过在一连串造形作业结束之后实施不良品检查，来进行品质评价。特别地，对于所制造的三维形状物中存在的内部缺陷，无法从外观来判别，因而通过无损检验来检测。在通过这样的造形作业后的检查发现了内部缺陷的情况下，不得不将该三维形状物作为不良品而废弃处理，在此之前花费的长的作业时间则成为浪费。这会妨碍三维层叠造形法的生产率提高。

本发明的至少一种实施方式是鉴于上述情况而做出的，其目的在于，提供一种能够在造形作业中实时地检知内部缺陷的内部缺陷检测系统、具备该内部缺陷检测系统的三维层叠造形装置、以及内部缺陷检测方法。此外，其目的还在于，通过利用该造形缺陷检测方法而提供一种具有良好品质的三维层叠造形物的制造方法、以及通过该制造方法制造的三维层叠造形物。

用于解决课题的手段

(1)本发明的至少一种实施方式的三维层叠造形装置的内部缺陷检测系统是为了解决上述课题而向粉末床照射波束来进行层叠造形的三维层叠造形装置的内部缺陷检测系统，其具备：局部温度检测传感器，其用于测量所述粉末床中的所述波束的被照射部的局部温度；温度分布检测传感器，其用于检测所述粉末床中包含所述被照射部的检测对象区域的温度分布；候补位置确定部，其根据由所述局部温度检测传感器检测的所述局部温度相对于所述粉末床上的面内位置的变化量，来确定在所述检测对象区域内的内部缺陷的候补位置；冷却速度计算部，其根据由所述温度分布检测传感器检测的所述温度分布来计算在所述候补位置处的冷却速度；以及缺陷判断部，其根据在所述候补位置处的所述冷却速度，来判断在所述候补位置是否存在内部缺陷。

根据上述(1)的结构，通过局部温度检测传感器来测量粉末床上的被照射波束的被照射部的局部温度。候补位置确定部针对局部温度检测传感器的测量结果来计算相对于粉末床上的面内位置的变化量，并根据该变化量来确定检测对象区域内的内部缺陷的候补位置。另一方面，通过温度分布检测传感器来检测包含被照射部的检测对象区域的温度分布。冷却速度计算部根据温度分布检测传感器的测量结果来计算由候补位置确定部确定出的候补位置处的冷却速度。并且，缺陷判断部根据由冷却速度计算部计算出的冷却速度，来判断在候补位置是否存在内部缺陷。

在这样的本结构中，首先，根据波束的被照射部的局部温度来确定有可能存在内部缺陷的候补位置。然后，根据包含被照射部的检测对象区域处的温度分布的冷却速度，来进一步判断在候补位置的内部缺陷的有无。这样，通过进行基于多个观点(局部温度和温度分布)的判断，能够有效地且高精度地从粉末床上的大的范围检测内部缺陷。此外，这样的检查能够在对粉末床照射波束的造形作业中实时地实施，因此，在检测出内部缺陷的情况下，尽快采取将造形作业中断或者中止等适当的应对，从而能够避免产生之后的浪费的作业时间。其结果，相比于以往那样的在完成造形物之后进行检查的情况，能够避免产生浪费的作业期间，并获得良好的生产效率。

(2)在若干种实施方式中，在上述(1)的结构中，所述候补位置确定部将所述变化量比周围大的位置确定为所述候补位置。

根据上述(2)的结构，在波束照射位置的下部存在内部缺陷的位置，由于在施工面下存在的空穴的影响下绝热性增强，因而在照射了波束的位置的局部温度变高，并根据局部温度的变化量来确定内部缺陷的候补位置。例如，当在造形面上一边扫描一边连续地测定基于波束照射的熔池中的局部温度时，若在其下部存在缺陷，则因绝热性的差异导致与不存在缺陷的相邻位置之间的温度差变大。这样，在局部温度的变化量比周围大的位置存在内部缺陷的可能性高，因而将其确定为内部缺陷的候补位置。由此，能够有效地从大的检测对象区域将有可能存在内部缺陷的候补位置缩小范围。

此外，通过缺陷判断部，根据冷却速度来判断在候补位置处的内部缺陷的有无，但是，由于在有内部缺陷的位置因在波束照射位置的下部存在的空穴的影响导致绝热性增强，因而冷却速度也会发生变化。因此，在存在内部缺陷的位置，若在与其相邻位置之间比较冷却速度，则相比于不存在内部缺陷的位置，冷却速度的变化变得比周围大。通过缺陷判断部，根据这样的冷却速度的变化来判断候补位置处的内部缺陷的有无。

(3)在若干种实施方式中，在上述(1)或(2)的结构中，所述局部温度检测传感器包含：辐射温度计，其被构成为根据经过所述波束的光轴而从所述被照射部导引的电磁波的强度，来测量所述波束的所述被照射部的所述局部温度。

根据上述(3)的结构，局部温度检测传感器根据经过波束的光轴而从被照射部导引的电磁波(例如波束的从被照射部的反射光)，来测量局部温度。这样，局部温度检测传感器通过根据来自照射了波束的被照射部的电磁波来检测温度，能够高精度地测定局部的位置处的温度。此外，虽然根据造形模式在粉末床上高速地扫描激光，然而针对这样的高速扫描也能够获得良好的追踪性。

(4)在若干种实施方式中，在上述(1)至(3)的任意一种结构中，所述候补位置确定部根据从所述变化量排除了所述波束的输出变化的影响而得的结果，来确定所述候补位置。

根据上述(4)的结构，根据排除了波束本身的输出变化的影响后的结果，来进行候补位置的确定，由此，能够准确地评价起因于内部缺陷的变化量，并能够进行精度高的内部缺陷的检测。

(5)在若干种实施方式中，在上述(1)至(4)的任意一种结构中，还具备：警告部，其用于在通过所述缺陷判断部判断为存在所述内部缺陷的情况下，将该主旨进行警告。

根据上述(5)的结构，在上述结构中，在判断为存在内部缺陷的情况下，通过将该主旨进行警告，能够采取将造形作业中断或中止等适当的应对。

此外，基于警告部的警告行为可以以操作员等人类的五官能够感知的方式督促进行应对行动，也可以对正在实施造形作业的三维层叠造形装置进行指示以便以电学的或机械的方式实施自动控制。

(6)在若干种实施方式中，在上述(1)至(5)的任意一种结构中，所述缺陷判断部根据所述波束的热量输入量，来判断是否在从照射所述波束的循环起的给定循环之后存在所述内部缺陷。

根据上述(6)的结构，根据对粉末床照射的波束的热量输入量，来判断是否在从铺设粉末床的循环起的给定循环之后存在对应于熔深深度而形成的内部缺陷。由此，能够准确地检测存在于比新铺设的粉末床起更靠下层侧的内部缺陷。

(7)本发明的至少一种实施方式的三维层叠造形装置为了解决上述课题，具备：底板；波束照射单元，其用于对在所述底板上形成的粉末床照射波束，选择性地固化所述粉末床；以及上述(1)至(6)的任意一种结构的内部缺陷检测系统，其被构成为检测由所述波束照射单元形成的造形层中的内部缺陷。

根据上述(7)的结构，通过具备上述的内部缺陷检测系统(包括上述各种方式)，在造形作业中检测到内部缺陷时，采取将造形作业中断或中止等适当的应对，从而能够防止产生之后的浪费的作业时间。其结果，相比于以往那样的在完成造形物之后进行检查的情况，能够避免产生浪费的作业期间，并获得良好的生产效率。

(8)本发明的至少一种实施方式的内部缺陷检测方法是为了解决上述课题而向粉末床照射波束来进行层叠造形的三维层叠造形装置的内部缺陷检测方法，具备如下工序：测量所述粉末床中的所述波束的被照射部的局部温度的工序；检测所述粉末床中包含所述被照射部的检测对象区域的温度分布的工序；根据所述局部温度相对于所述粉末床上的面内位置的变化量，来确定在所述检测对象区域内的内部缺陷的候补位置的工序；根据所述温度分布来计算在所述候补位置处的冷却速度的工序；以及根据在所述候补位置处的所述冷却速度，来判断在所述候补位置是否存在所述内部缺陷的工序。

上述(8)的方法能够通过上述的内部缺陷检测系统(包括上述各种方式)来适当地实施。

(9)本发明的至少一种实施方式的三维层叠造形物的制造方法是为了解决上述课题而向铺设成层状的粉末照射波束来进行层叠造形的三维层叠造形物的制造方法，具备如下工序：在底板上铺设所述粉末来形成粉末床的工序；通过对所述粉末床照射所述波束，来选择性固化所述粉末床的工序；测量所述粉末床中的所述波束的被照射部的局部温度的工序；检测所述粉末床中包含所述被照射部的检测对象区域的温度分布的工序；根据所述局部温度相对于所述粉末床上的面内位置的变化量，来确定在所述检测对象区域内的内部缺陷的候补位置的工序；根据所述温度分布来计算在所述候补位置处的冷却速度的工序；根据在所述候补位置处的所述冷却速度，来判断在所述候补位置是否存在所述内部缺陷的工序；以及在判断为存在所述内部缺陷的情况下，实施所述内部缺陷的修复作业的工序。

根据上述(9)的制造方法，能够制造内部缺陷少的高品质的三维层叠造形物。

(10)本发明的至少一种实施方式的三维层叠造形物是为了解决上述课题而向铺设成层状的粉末照射波束来进行层叠造形，由此而制造的三维层叠造形物，其通过如下步骤而制造：在底板上铺设所述粉末来形成粉末床；通过对所述粉末床照射所述波束，来选择性固化所述粉末床；测量所述粉末床中的所述波束的被照射部的局部温度；检测所述粉末床中包含所述被照射部的检测对象区域的温度分布；根据所述局部温度相对于所述粉末床上的面内位置的变化量，来确定在所述检测对象区域内的内部缺陷的候补位置；根据所述温度分布来计算在所述候补位置处的冷却速度；根据在所述候补位置处的所述冷却速度，来判断在所述候补位置是否存在所述内部缺陷；并且在判断为存在所述内部缺陷的情况下，实施所述内部缺陷的修复作业。

上述(10)的三维层叠造形物是内部缺陷少的高品质。

发明效果

根据本发明的至少一种实施方式，能够提供一种能够在造形作业中实时地检知内部缺陷的内部缺陷检测系统、具备该内部缺陷检测系统的三维层叠造形装置、以及内部缺陷检测方法。

附图说明

图1是表示本发明的至少一种实施方式的三维层叠造形装置的整体结构的示意图。

图2是表示图1的波束照射单元的内部结构的示意图。

图3是功能性地表示图1的控制装置的内部结构的框图。

图4是局部温度检测传感器的测定结果的一例。

图5是表示将由局部温度检测传感器测定出的局部温度的时间上的变化变换到位置坐标的概念的示意图。

图6是根据图4的测定结果而得的局部温度的映射(mapping)例。

图7是由温度分布检测传感器检测出的检测对象区域的温度分布的一例。

图8是根据图7的温度分布计算出的检测对象区域中的冷却速度分布的一例。

图9是按每个工序表示图1的三维层叠造形装置的控制内容的流程图。

图10是按每个工序表示图9的步骤S105的子例程的流程图。

图11是表示图9的变形例的流程图。

图12是表示通过波束而在粉末床形成的熔深部的示意图。

具体实施方式

以下，参照附图来说明本发明的若干个实施方式。然而，作为实施方式记载的或附图中示出的构成部件的尺寸、材质、形状、其相对的配置等，不过只是说明例，并不意在将本发明的范围限定于此。

例如，设为，“在某方向上”、“沿着某方向”、“平行”、“正交”、“中心”、“同心”或“同轴”等表示相对的或绝对的配置的表述不仅仅严格地表示那样的配置，并且表示具有公差或能够得到相同功能的程度的角度、距离地发生相对位移的状态。

此外，例如，设为，表示四边形形状、圆筒形状等形状的表述不仅仅表示在几何学上严格意义的四边形形状、圆筒形状等形状，还在能够获得相同效果的范围内表示包含凹凸部、倒角部等的形状。

另一方面，“备有”、“具有”、“具备”、“包含”或“含有”一个构成要素这样的表述并不是排他性地排除了其他构成要素的存在的表述。

图1是表示本发明至少一种实施方式的三维层叠造形装置1的整体结构的示意图。

三维层叠造形装置1是用于对铺设成层状的粉末照射波束来进行层叠造形，由此来制造三维形状物的装置。三维层叠造形装置1具备：作为三维形状物被进行造形的基座的底板2。底板2以能够升降的方式配置在具有沿垂直方向的中心轴的大致圆筒形状的圆柱形容器4的内侧。在底板2上，通过如后述那样铺设粉末来形成粉末床8。在造形作业的期间，在各循环中每当底板2下降时，在上层侧铺设粉末，由此来新形成粉末床8。

此外，在本实施方式的三维层叠造形装置1中示出了照射光束作为波束的情况，但是在使用电子束等其他方式的波束的情况下，也能够同样地应用本发明的思想。

三维层叠造形装置1具备：用于在底板2上铺设粉末来形成粉末床8的粉末铺设单元10。粉末铺设单元10将粉末供给到底板2的上表面侧，并使其表面平坦化，由此，遍及底板2的上表面整体地形成具有大致均匀厚度的层状的粉末床8。在各循环中形成的粉末床8，由于从后述的波束照射单元14照射波束来选择性地被固化，在下一个循环中，通过由粉末铺设单元10再次在上层侧铺设粉末，来形成新的粉末床，由此，不断堆叠成层状。

此外，从粉末铺设单元10供给的粉末是作为三维形状物的原料的粉末状物质，能够广泛地采用例如铁、铜、铝或钛等金属材料、陶瓷等非金属材料。

三维层叠造形装置1具备：用于对粉末床8照射波束以便选择性地将粉末床8固化的波束照射单元14。这里，图2是表示图1的波束照射单元14的内部结构的示意图。波束照射单元14具备：输出激光作为波束的光源18、用于将来自光源18的波束引导至聚光部25的光纤22、以及由多个光学构件构成的聚光部25。

在聚光部25中，由光纤22引导的波束入射到准直器24。准直器24将波束聚集成平行光。来自准直器24的出射光经由隔离器26和针孔28而入射到扩束器(beam expander)30。波束在被扩束器30扩径后，通过能够向任意方向摇动的电流镜32而被偏向，并经由fθ透镜34而照射到粉末床8。

从波束照射单元14照射的波束在粉末床8上沿着其表面以二维的方式扫描。这样的波束的二维扫描按照与作为造形目的的三维形状物对应的模式来实施，例如，可以通过波束照射单元14利用未图示的驱动机构沿底板2的表面移动来进行，也可以通过控制电流镜32的角度来进行，或者也可以通过它们的组合来进行。

在具有这样的结构的三维层叠造形装置1中，在各循环中，通过由粉末铺设单元10在底板2上铺设粉末来形成粉末床8，一边从波束照射单元14对该粉末床8照射波束一边进行二维扫描，由此将粉末床8中包含的粉末选择性地固化。在造形作业中，通过重复实施这样的循环，固化后的成型层被层叠，制造了作为目的的三维形状物。

此外，三维层叠造形装置1具有：用于测量粉末床8中的波束的被照射部35的局部温度的局部温度检测传感器36。在本实施方式中，局部温度检测传感器36与波束照射单元14一体地构成。具体地，如图2所示，是如下那样构成的辐射温度计：根据经过波束的光轴而从被照射部35导引的电磁波(照射到粉末床8的波束的反射光)的强度，来测量波束的被照射部35的局部温度，包含高温计40而构成。高温计40针对由配置于隔离器26与针孔28之间的二向色镜43提取出的反射光的一部分感知热辐射，并根据斯蒂芬＝玻尔兹曼定律来测量局部温度。局部温度检测传感器36的测量结果作为电信号被送至后述的控制装置100，用于各种处理。

这样，局部温度检测传感器36根据从被精确定点地照射波束的被照射部35导引的波束的反射光，来测量局部温度，因此，能够高精度地测定局部温度。此外，局部温度检测传感器36与波束照射单元14一体地构成，且局部温度检测传感器36根据在与照射到粉末床8的波束相同的路径传播的反射波，来进行温度测量，因此，能够针对高速扫描的波束获得良好的追踪性。

此外，三维层叠造形装置1设置有：用于检测粉末床8中包含被照射部35的检测对象区域44的温度分布的温度分布检测传感器46。这里，检测对象区域44是具有至少比被照射波束的被照射部35更大的面积的区域，温度分布检测传感器46构成为能够检测该区域中的二维的温度分布。

这样的温度分布检测传感器46例如由以检测对象区域44为测量范围的二色温度计(高温相机)、红外线相机构成，例如被设置在造形区域的顶棚、壁面，朝向粉末床8上的检测对象区域44。此外，温度分布检测传感器46可以驱动成检测对象区域44发生移动以便追踪于二维扫描的波束。例如，可以对温度分布检测传感器46进行追踪控制，以使被照射部35始终位于检测对象区域44的中心。并且，与上述的局部温度检测传感器36同样地，温度分布检测传感器46的测量结果作为电信号被送至后述的控制装置100，并用于各种处理。

此外，三维层叠造形装置1具备：用于使操作员、外部设备认识异常发生的警告部48。在认识对象为操作员等人类的情况下，由用于例如以能够通过视觉、听觉等五官来认识的方式来警告异常发生的蜂鸣器、指示器构成。此外，在认识对象为外部设备的情况下，被构成为发送能够由外部设备认识的电信号，且外部设备可以被构成为，通过接收该电信号来自动地实施给定的应对动作。

控制装置100是三维层叠造形装置1的控制单元，例如由计算机那样的电子运算装置构成。典型地，包含能够输入各种信息的输入器件、能够存储各种信息的存储器件、能够运算各种信息的运算器件、能够输出各种信息的输出器件而构成，然而对于这些电子运算装置的一般结构，设为仿照公知的例子，这里省略了详细说明。这样的控制装置100被构成为：通过按照预先存储在存储器件中的程序而动作，来实施本发明的至少一种实施方式的内部缺陷检测方法。

图3是功能性地表示图1的控制装置100的内部结构的框图。此外，在图3中，仅仅代表性地示出了控制装置100的功能结构中与后述的控制内容相关的结构，也可以根据需要而具备其他结构。

控制装置100具备：候补位置确定部102，其根据由局部温度检测传感器36检测的局部温度相对于粉末床8上的面内位置的变化量，来确定内部缺陷的候补位置；冷却速度计算部104，其根据由温度分布检测传感器46检测的温度分布来计算候补位置处的冷却速度；缺陷判断部106，其根据候补位置处的冷却速度来判断在候补位置是否存在内部缺陷；以及警告通知部108，其用于在通过缺陷判断部106判断为存在内部缺陷的情况下，将该主旨进行警告。

候补位置确定部102根据由局部温度检测传感器36检测的局部温度相对于粉末床8上的面内位置的变化量，来确定内部缺陷的候补位置。波束照射单元14按照根据由三维层叠造形装置1造形的造形物而设定的模式(pattern)，利用波束在粉末床8上进行二维扫描。这里，如参照图2所上述的，局部温度检测传感器36由于与波束照射单元14一体地构成，因而能够和波束的扫描一起实时地依次测定照射波束的被照射部35的局部温度。

这里，图4是局部温度检测传感器36的测定结果的一例；图5是表示将由局部温度检测传感器36测定出的局部温度的时间上的变化变换到位置坐标的概念的示意图；图6是根据图4的测定结果而得的局部温度的映射例。

如图4所示，局部温度检测传感器36的测量值作为被照射部35处的局部温度的时间上的变化而被取得。在该例中，示出了在时刻t0至t6之间测量的局部温度的时间变化，然而，在该期间，如图5所示，被照射部35随着波束的扫描模式而不断移动。图5中示出了在粉末床8上以Z字状扫描波束的情况，在时刻t0位于位置(x0、y0)的被照射部35在时刻t1经过位置(x1、y1)，在时刻t2经过位置(x2、y2)，在时刻t3经过位置(x3、y3)，在时刻t4经过位置(x4、y4)，在时刻t5经过位置(x5、y5)，在时刻t6经过位置(x6、y6)。

这样，图4中局部温度的时间变化中包含的各点分别表示与图5所示的扫描路径的各点对应的局部温度。因此，通过预先根据波束的扫描模式来掌握图4的时间轴与图5的扫描路径的各点(粉末床8上的面内位置)之间的关系，能够将图4中与时间参数对应的局部温度变换成与位置参数对应的局部温度。通过这样将图4的局部温度的时间上的变化变换到面内位置，能够得到图6所示的局部温度的映射。

在候补位置确定部102中，根据这样的局部温度的映射，来确定内部缺陷的候补位置。在本实施方式中，特别地，鉴于在存在内部缺陷的位置绝热效果增强，将粉末床8上的面内位置所对应的局部温度的变化量比周围大的位置确定为候补位置。图6中示出了，局部温度越高的区域越接近于白色，局部温度越低的区域越接近于黑色，因此，例如如以白色箭头所示的位置那样，将变化量大的位置确定为候补位置(此外，由于图6中存在多个候补位置，因而以白色箭头代表性地示出了仅几个候补位置)。也就是说，当在造形面上一边扫描一边连续测定波束照射所引起的熔池中的局部温度时，若在其下部存在缺陷，则由于绝热性的差异，导致与不存在缺陷的相邻位置之间的温度差变大。由于如这样在局部温度的变化量比周围大的位置存在内部缺陷的可能性高，因此将其确定为内部缺陷的候补位置。

此外，对于从波束照射单元14照射的波束，有时在图5那样的扫描的期间输出水平发生变化，这种情况下，可以根据从局部温度的变化量排除了基于该输出水平的变化的影响之后的结果，来确定候补位置。由此，能够仅提取基于内部缺陷的存在的影响来高精度地确定候补位置。

冷却速度计算部104取得由温度分布检测传感器46检测的检测对象区域44的温度分布，并根据该结果来计算候补位置处的冷却速度。这里，图7是由温度分布检测传感器46检测出的检测对象区域44的温度分布的一例。图7中示出了，温度越高的区域越接近于白色，温度越低的区域越接近于黑色。冷却速度计算部104通过在时间上连续取得这样的检测对象区域44的温度分布，来测定各点的时间上的温度变化，并计算冷却速度。图8是根据图7的温度分布计算的在检测对象区域44处的冷却速度分布的一例，示出了越是冷却速度大的区域越接近于白色，越是冷却速度小的区域越接近于黑色。

缺陷判断部106针对由候补位置确定部102确定出的各个候补位置，根据由冷却速度计算部104计算出的冷却速度，判断是否存在内部缺陷。如上述那样，在有内部缺陷的位置，因在波束照射位置的下部存在的空穴的影响导致绝热性增强，因而冷却速度也发生变化。因此，在存在内部缺陷的位置，若在与其相邻位置之间比较冷却速度，则相比于不存在内部缺陷的位置，冷却速度的变化变得比周围大。在本实施方式中，缺陷判断部106鉴于在存在内部缺陷的位置绝热效果变大这一情况，预先设定当不存在内部缺陷时的冷却速度的基准值，并在由冷却速度计算部104计算出的冷却速度不足该基准值的情况下，判断为存在内部缺陷。

警告通知部108在由缺陷判断部106判断为存在内部缺陷的情况下，通过使警告部48工作来警告该主旨。

接下来，详细说明具有上述结构的三维层叠造形装置1的控制内容。图9是按每个工序表示图1的三维层叠造形装置1的控制内容的流程图。此外，三维层叠造形装置1重复进行造形循环来推进工序，以便构成作为造形目的的三维形状物，然而在以下的说明中，以第n(任意自然数)次的造形循环为例来说明。

首先，三维层叠造形装置1控制粉末铺设单元10以便在底板2或底板上已经铺设的第(n-1)层粉末床8上铺设粉末，形成第n层的粉末床8(步骤S101)。这里，新形成的粉末床8的层厚tn例如是几十μm。

接着，三维层叠造形装置1通过控制波束照射单元14，对在步骤S101中形成的第n层粉末床8设定与作为造形目的的三维形状物对应的照射条件(步骤S102)，并根据该设定的照射条件来照射波束，开始造形作业(步骤S103)。

然后，一边通过波束照射单元14照射激光并扫描，一边取得局部温度检测传感器36以及温度分布检测传感器46的测量值(步骤S104)。局部温度检测传感器36以及温度分布检测传感器46的测量值作为电信号被取入到控制装置100。

接着，在控制装置100中，根据在步骤S104取入的测量值，来判断内部缺陷的存在(步骤S105)。如参照图3所上述的那样，控制装置100具备：候补位置确定部102、冷却速度计算部104、缺陷判断部106以及警告通知部108。关于各部位的控制内容是如上述那样的，然而关于本步骤中的具体的判断方法，参照图10来具体说明。图10是按每个工序表示图9的步骤S105的子例程的流程图。

首先，候补位置确定部102取得局部温度检测传感器36的测量值(步骤S105a)。这里，候补位置确定部102所取得的测定值是如图4所示那样的局部温度的时间变化。另一方面，候补位置确定部102根据在步骤S102中设定的照射条件来掌握在粉末床8上的波束的照射模式(参照图5)，由此，将局部温度的时间上的变化空间分解(位置坐标变换)成与面内位置相对应(步骤S105b)。由此，生成了图6那样的在粉末床8上的局部温度的映射(步骤S105c)。然后，候补位置确定部102如图6中以白色箭头表示的那样，将局部温度的变化量比周围大的位置确定为候补位置(步骤S105d)。

接着，冷却速度计算部104在步骤S105d确定出的候补位置处取得温度分布检测传感器46的测量值(步骤S105e)。这里，冷却速度计算部104所取得的测定值是如图7所示那样的二维的温度分布。冷却速度计算部104通过在时间上连续地取得这样的温度分布，来计算在候补位置处的冷却速度(步骤S105f)，并生成如图8所示那样的冷却速度的映射(步骤S105g)。

然后，缺陷判断部106针对在步骤S105d中确定出的候补位置，根据在步骤S105g中生成的冷却速度的映射，来判断是否存在造形缺陷(步骤S105h)。在本实施方式中，缺陷判断部106鉴于在存在内部缺陷的位置绝热效果变大这一情况，预先设定当不存在内部缺陷时的冷却速度的基准值，并在由冷却速度计算部104计算出的在候补位置处的冷却速度不足该基准值的情况下，判断为在该候补位置存在内部缺陷。

再次回到图9，在通过这样的判断处理判断为在候补位置存在内部缺陷的情况下(步骤S105：是)，警告通知部108通过使警告部48工作，来警告该主旨(步骤S109)。由此，操作员等作业者能够认识内部缺陷的存在，并能够采取使之后的造形作业中断或中止等适当的应对。例如，在判断为存在内部缺陷的情况下，中断造形作业，并且对被判断为存在内部缺陷的部位实施波束的再照射、粉末的再铺设这样的用于修复内部缺陷的修复作业。若这样的修复作业结束，则解除造形作业的中断状态，继续层叠造形。

另一方面，在判断为不存在内部缺陷的情况下(步骤S105：否)，控制装置100通过重复足够的造形循环，判断一系列的造形作业是否结束了处理(步骤S106)。在造形处理未结束的情况下(步骤S106：否)，控制装置100将处理返回到步骤S101而转移到第(n+1)层的造形处理(步骤S108)。这样，在重复造形作业的期间，控制装置100实时地监视内部缺陷的存在，并在发现内部缺陷的时间点进行警告。

之后，当重复足够的造形循环而结束造形作业时(步骤S106：是)，根据需要对完成的三维造形物实施无损检验(步骤S107)。该无损检验是独立于上述内部缺陷检查而实施的，是为了更可靠地对品质进行担保，也可以根据需要而省略。在通过该无损检验确认出完成品不存在不良的情况下，结束一系列的造形作业(结束)。

此外，在本实施方式中，虽然无法完全排除利用步骤S107的无损检验发现一些异常的可能性，然而，由于如上述那样在造形作业中实时地实施内部缺陷的检查，因而能够有效地降低利用最终的无损检验发现异常的可能性。

<变形例>

在上述的实施方式中，例示了在全部循环中一律实施内部缺陷的检查的情况，然而也可以如以下变形例那样，在各循环中在合适的定时实施内部缺陷的检查。图11是表示图9的变形例的流程图。

在该变形例中，首先，与步骤S101同样地，三维层叠造形装置1控制粉末铺设单元10以便在底板2或底板上已经铺设的第(n-1)层粉末床8上铺设粉末，并形成第n层的粉末床8(步骤S201)。然后，与步骤S102同样地，三维层叠造形装置1通过控制波束照射单元14，对形成的第n层粉末床8设定与作为造形目的的三维形状物对应的照射条件(步骤S202)。此外，该照射条件中包含为了如后述那样对通过向粉末床8照射波束而形成的熔深部8a的熔深深度进行评价而需要的信息，例如与基于波束的热量输入量相关的信息。

接着，三维层叠造形装置1根据在步骤S202中设定的照射条件，来决定应当判断内部缺陷50的有无的循环(步骤S203)。这里，图12是表示通过波束在粉末床8形成的熔深部8a的示意图。在图12中示出了跨多个循环地形成的多层粉末床8，并示出了通过照射具有给定的输出水平的波束，形成了具有熔深深度L的熔深部8a的情况。

这里，熔深部8a的熔深深度L依赖于对粉末床8照射的波束的热量输入量H。特别地，波束的热量输入量H越大，熔深深度L也越大。利用热量输入量H大的波束，如图12所示，跨越多层而形成了熔深部8a。该情况下，在比步骤S201中铺设的第n层粉末床8n更下层侧(图12中，为第n-2层粉末床8_n-2)，容易产生内部缺陷50。因此，为了检测在下层侧产生的内部缺陷50，需要在从形成存在内部缺陷50的粉末床8_n-2的循环起之后的循环，进行内部缺陷50的检测检查。

在步骤S203中，鉴于这样的内部缺陷50的性质，决定应当在重复实施的造形循环中的哪个循环来实施内部缺陷50的检测检查。若具体地说明，则在图12的例中，由于在比最上层的粉末床8更靠两层的量的下层侧存在内部缺陷50，因此，决定为应当在从粉末床8的形成循环起的2个循环之后实施检查。

此外，在步骤S203中，也可以设为，预先以映射(map)的方式来规定波束的热量输入量H与在粉末床8形成的熔深深度L之间的关系，根据从步骤S202中设定的照射条件所确定的热量输入量H，来推定熔深深度L。

接着，三维层叠造形装置1进展造形循环(步骤S204)，并判定是否达到了步骤S203中决定的造形循环(步骤S205)。在达到了步骤S203中决定的造形循环的情况下(步骤S205：是)，与上述步骤S104同样地，一边通过波束照射单元14照射激光，一边取得局部温度检测传感器36以及温度分布检测传感器46的测量值(步骤S206)。接着，与步骤S105同样地，控制装置100根据步骤S206中取入的测量值，来判断内部缺陷的有无(步骤S207)。由此，能够根据内部缺陷50所存在的深度，在合适的定时判断内部缺陷的有无，因而能够更高精度地实施内部缺陷的检查。

其结果，在判断为存在内部缺陷的情况下(步骤S207：是)，警告通知部108通过使警告部48工作，来警告该主旨(步骤S210)。由此，操作员等作业者能够认识内部缺陷的存在，并能够采取使之后的造形作业中断或中止等适当的应对。

另一方面，在判断为不存在内部缺陷的情况下(步骤S207：否)，判断一系列的造形作业是否结束了处理(步骤S208)。在造形处理未结束的情况下(步骤S208：否)，控制装置100将处理返回到步骤S201而转移到下一个造形处理。这样，在重复造形作业的期间，控制装置100实时地监视内部缺陷的存在，并在发现了内部缺陷时进行警告，由此能够避免无谓的造形作业。

之后，当重复足够的造形循环而结束造形作业时(步骤S208：是)，根据需要对完成的三维造形物实施无损检验(步骤S209)。在通过该无损检验确认出完成品不存在不良的情况下，结束一系列的造形作业(结束)。

根据以上说明的本变形例，通过根据波束的热量输入量来判断是否在从照射波束的循环起的给定循环之后存在内部缺陷，能够根据内部缺陷所存在的深度在合适的定时实施检查，并能够实施更高精度的内部缺陷的检测。

这样，根据本发明的至少一种实施方式，能够提供一种能够在造形作业中实时地检知内部缺陷的内部缺陷检测系统，具备该内部缺陷检测系统的三维层叠造形装置、以及内部缺陷检测方法。

产业上的可利用性

本发明的至少一种实施方式能够利用于对铺设的粉末照射波束从而选择性地固化来进行造形的三维层叠造形装置的造形缺陷检测系统、具备该系统的三维层叠造形装置、以及通过该系统实施的造形缺陷检测方法。

附图标记的说明

1 三维层叠造形装置；

2 底板；

4 圆柱形容器；

8 粉末床；

8a 熔深部；

10 粉末铺设单元；

14 波束照射单元；

36 局部温度检测传感器；

46 温度分布检测传感器；

48 警告部；

100 控制装置；

102 候补位置确定部；

104 冷却速度计算部；

106 缺陷判断部；

108 警告部。

Claims (9)

1.一种三维层叠造形装置的内部缺陷检测系统，所述三维层叠造形装置对粉末床照射波束来进行层叠造形，其特征在于，

所述三维层叠造形装置的内部缺陷检测系统具备：

局部温度检测传感器，其用于测量所述粉末床中的所述波束的被照射部的局部温度；

温度分布检测传感器，其用于检测所述粉末床中包含所述被照射部的检测对象区域的温度分布；

候补位置确定部，其根据由所述局部温度检测传感器检测的所述局部温度相对于所述粉末床上的面内位置的变化量，来确定所述检测对象区域内的内部缺陷的候补位置；

冷却速度计算部，其根据由所述温度分布检测传感器检测的所述温度分布来计算在所述候补位置处的冷却速度；以及

缺陷判断部，其根据在所述候补位置处的所述冷却速度，来判断在所述候补位置是否存在内部缺陷。

2.根据权利要求1所述的三维层叠造形装置的内部缺陷检测系统，其特征在于，

所述候补位置确定部将所述变化量比周围大的位置确定为所述候补位置。

3.根据权利要求1所述的三维层叠造形装置的内部缺陷检测系统，其特征在于，

所述局部温度检测传感器包含：辐射温度计，其被构成为根据经过所述波束的光轴而从所述被照射部导引的电磁波的强度，来测量所述波束的所述被照射部的所述局部温度。

4.根据权利要求1所述的三维层叠造形装置的内部缺陷检测系统，其特征在于，

所述候补位置确定部根据从所述变化量排除了所述波束的输出变化的影响而得的结果，来确定所述候补位置。

5.根据权利要求1所述的三维层叠造形装置的内部缺陷检测系统，其特征在于，

所述内部缺陷检测系统还具备：警告部，其用于在通过所述缺陷判断部判断为存在所述内部缺陷的情况下，将存在所述内部缺陷这一主旨进行警告。

6.根据权利要求1所述的三维层叠造形装置的内部缺陷检测系统，其特征在于，

所述缺陷判断部根据所述波束的热量输入量，来判断是否在从照射所述波束的循环起的给定循环之后存在所述内部缺陷。

7.一种三维层叠造形装置，其特征在于，

所述三维层叠造形装置具备：

底板；

波束照射单元，其用于对在所述底板上形成的粉末床照射波束，选择性地固化所述粉末床；以及

权利要求1至6中任一项所述的内部缺陷检测系统，其被构成为检测由所述波束照射单元形成的造形层中的内部缺陷。

8.一种三维层叠造形装置的内部缺陷检测方法，所述三维层叠造形装置对粉末床照射波束来进行层叠造形，其特征在于，

所述三维层叠造形装置的内部缺陷检测方法具备如下工序：

测量所述粉末床中的所述波束的被照射部的局部温度的工序；

检测所述粉末床中包含所述被照射部的检测对象区域的温度分布的工序；

根据所述局部温度相对于所述粉末床上的面内位置的变化量，来确定在所述检测对象区域内的内部缺陷的候补位置的工序；

根据所述温度分布来计算在所述候补位置处的冷却速度的工序；以及

根据在所述候补位置处的所述冷却速度，来判断在所述候补位置是否存在所述内部缺陷的工序。

9.一种三维层叠造形物的制造方法，对铺设成层状的粉末照射波束来进行层叠造形，其特征在于，

所述三维层叠造形物的制造方法具备如下工序：

在底板上铺设所述粉末来形成粉末床的工序；

通过对所述粉末床照射所述波束，来选择性固化所述粉末床的工序；

测量所述粉末床中的所述波束的被照射部的局部温度的工序；

检测所述粉末床中包含所述被照射部的检测对象区域的温度分布的工序；

根据所述局部温度相对于所述粉末床上的面内位置的变化量，来确定在所述检测对象区域内的内部缺陷的候补位置的工序；

根据所述温度分布来计算在所述候补位置处的冷却速度的工序；

根据在所述候补位置处的所述冷却速度，来判断在所述候补位置是否存在所述内部缺陷的工序；以及

在判断为存在所述内部缺陷的情况下，实施所述内部缺陷的修复作业的工序。

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