CN110709194A - 三维层叠造型装置的施工异常检测系统、三维层叠造型装置、三维层叠造型装置的施工异常检测方法、三维层叠造型物的制造方法及三维层叠造型物 - Google Patents

三维层叠造型装置的施工异常检测系统、三维层叠造型装置、三维层叠造型装置的施工异常检测方法、三维层叠造型物的制造方法及三维层叠造型物 Download PDF

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Abstract

向粉末床照射波束来进行层叠造型的三维层叠造型装置的施工异常检测系统，基于粉末床的表面形状的测定结果，在满足粉末床的相对于基准位置的平均高度从第一规定范围脱离的第一条件、以及粉末床的高度的偏差从第二规定范围脱离的第二条件中的至少一者的情况下，判定为发生了粉末床的铺设异常。

Description

三维层叠造型装置的施工异常检测系统、三维层叠造型装置、 三维层叠造型装置的施工异常检测方法、三维层叠造型物的 制造方法及三维层叠造型物
技术领域
本公开涉及一种对铺设的粉末照射光束、电子束等波束来选择性固化从而进行层叠造型的三维层叠造型装置的施工异常检测系统、具备该系统的三维层叠造型装置、三维层叠造型装置的施工异常检测方法、利用该施工异常检测方法的三维层叠造型物的制造方法、以及通过该制造方法制造的三维层叠造型物。
背景技术
已知一种通过对铺设成层状的粉末照射光束、电子束等波束来对三维形状物进行层叠造型的三维层叠造型技术。例如，在专利文献1中公开了如下的三维层叠造型方法：通过对由粉末形成的粉末层照射光束而形成烧结层，并反复进行，从而制造多个烧结层作为一体进行层叠而得的三维形状物。
在先技术文献
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那样的三维层叠造型方法中，通过反复层叠层状的烧结层来形成大的三维形状物，因此，现状是，在直至其完成需要较长的作业时间。特别是在使用铁、铜、铝或钛等金属粉末的情况下，其作业时间也达到数十小时。
然而，在这种三维层叠造型方法中，需要在波束照射前均匀地铺设粉末，但若在该铺设面存在凹凸，则有可能会导致造型物的品质不良。此外，由于在粉末铺设后照射波束的施工是热加工，因而也有可能在造型过程中产生大的变形。例如，若以从粉末的铺设面向上方突出的方式产生变形，则在下一个的周期中在铺设粉末时，在铺设面容易产生凹凸。此外，若在造型过程中残留从熔融的粉末的一部分产生的溅射，则成为异物，有可能导致成为裂纹的发生原因的熔合不良、造型物的氧浓度增加等品质不良。
这样，有时在造型过程中会发生导致品质不良的异常，但现状是这样的异常发生不得不专门依赖于目视确认。如上所述，由于造型作业花费长时间，因而在整个行程中进行目视确认是不现实的，希望开发出新的技术。以往，在一系列的造型工序完成之后，对完成的造型物实施非破坏检查，从而进行是否品质不良的判定。然而，在这样的方法中，在造型工序完成后的检查中发现了异常的情况下，不得不将该造型物作为不合格品废弃处理，至此所花费的长的作业时间变得无用。这导致返工、无用的工时的增加，成为妨碍生产率的提高的主要原因之一。
本发明的至少一个实施方式是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供一种能够早期且准确地检测在造型过程中发生的各种异常的三维层叠造型装置的施工异常检测系统、具备该系统的三维层叠造型装置、以及三维层叠造型装置的施工异常检测方法。此外，本发明的目的在于，提供一种通过利用该施工异常检测方法而具有良好品质的三维层叠造型物的制造方法、以及通过该制造方法制造的三维层叠造型物。
用于解决课题的手段
(1)本发明的至少一个实施方式所涉及的三维层叠造型装置的施工异常检测系统为了解决上述课题而使用，是向粉末床照射波束来进行层叠造型的三维层叠造型装置的施工异常检测系统，具备：形状测定传感器，用于测定所述粉末床的表面形状；以及铺设异常判定部，构成为，基于所述形状测定传感器的检测结果，在满足所述粉末床的相对于基准位置的平均高度从第一规定范围脱离的第一条件、以及所述粉末床的高度的偏差从第二规定范围脱离的第二条件中的至少一者的情况下，判定为发生了所述粉末床的铺设异常。
根据上述(1)的结构，在通过形状测定传感器测定了粉末床的表面形状而得的结果满足第一条件和第二条件中的至少一者的情况下，判定为发生了铺设异常。在这种层叠造型施工中，需要在波束照射前均匀地铺设粉末，若在其铺设面存在凹凸那样的铺设异常，则可能会导致造型物的品质不良，但通过基于这样的第一条件和第二条件的判定，能够准确地检测铺设异常。
在第一条件下，基于粉末床相对于基准位置的平均高度是否从第一规定范围脱离，来判定铺设异常。由此，能够判断如下那样的铺设异常：例如，由于所铺设的粉末床的平均高度过低而导致的，光束输出相对于粉末床的粉末量过剩而变得过度地熔融；或者相反地，由于所铺设的粉末床的平均高度过高而导致的，光束输出相对于粉末床的粉末量而不足而变得熔融不足。此外，在第二条件下，能够基于粉末床的高度的偏差是否从第二规定范围脱离来判断铺设异常。这样，通过从第一条件和第二条件这两个观点来判断铺设异常，能够早期且准确地检测出与在造型过程中发生的品质不良有关的异常。
(2)在若干种实施方式中，在上述(1)的结构中，还具备：造型异常判定部，构成为，基于所述波束照射后的所述粉末床的所述形状测定传感器的测定结果，在满足因所述波束的照射导致的所述粉末床的变形量从第三规定范围脱离的第三条件的情况下，判定为发生了来自所述粉末床的造型层的造型异常。
根据上述(2)的结构，在由形状测定传感器测定粉末床的表面形状而得的结果满足第三条件的情况下，判定为发生了造型异常。在第三条件下，根据因波束照射导致的粉末床的变形量是否从第三规定范围脱离，来判定造型异常。由于在粉末铺设后照射波束的施工是热加工，因而在造型过程中也可能产生伴随大的变形的造型异常，但是通过基于第三条件的判定，能够准确地检测这样的造型异常。
(3)在若干种实施方式中，在上述(2)的结构中，所述造型异常判定部基于所述波束的照射后的所述粉末床的所述形状测定传感器的测定结果，在所述造型层上局部地存在溅射的情况下，无论所述第三条件是否成立，都判定为发生了来自所述粉末床的造型层的造型异常。
根据上述(3)的结构，在波束照射后的造型层上局部地存在溅射的情况下，无论第三条件是否成立，都判定为发生了造型异常。这是因为，由于溅射在粉末被波束熔融时以比较高的比例包含氧化物而形成，因此若局部存在则容易导致之后的造型不良。
此外，对于本结构中的溅射是否局部地存在，例如也可以以在波束照射后的粉末床的表面产生的凸状变形量的投影面积(凸部投影面积)是否为预想的溅射粒径以下为基准进行判定。这里，成为基准的溅射粒径，能够对应于溅射的发生方式来设定，例如，在从向粉末床照射波束而形成的熔融池飞散而凝固的发生方式的溅射的情况下，预想的溅射粒径比较大，为150μm～300μm左右，因此，在得到了300μm×300μm以下的凸部投影面积的情况下，能够判定为局部存在溅射。
(4)在若干种实施方式中，在上述(2)或(3)的结构中，还具备：造型异常警告通知部，在通过所述造型异常判定部判定为发生了所述造型异常时，发出通知所述造型异常的警告。
根据上述(4)的结构，在判断为在上述结构中发生了造型异常的情况下，通过警告该情况，能够采取中断或中止造型作业等适当的应对。
此外，基于造型异常警告通知部的警告行为既可以是以操作员等人的五官能够感知的方式促进对应行动的行为，也可以是对正在实施造型作业的三维层叠造型装置以电气或机械方式实施自动控制进行指示的行为。
(5)在若干种实施方式中，在上述(1)至(4)中的任一种结构中，所述形状测定传感器包含：投影仪，用于在所述粉末床的表面投影条纹图案；至少一个摄像单元，用于对所述条纹图案进行摄像；以及解析部，用于基于由所述摄像单元摄像到的所述条纹图案，来生成表示所述粉末床的所述表面形状的三维数据。
根据上述(5)的结构，通过采用条纹投影法作为形状测定传感器，能够以非接触的方式高速地实施粉末床的表面形状的实时计测。
(6)在若干种实施方式中，在上述(1)至(5)中的任一种结构中，还具备：铺设异常警告通知部，在通过所述铺设异常判定部判定为发生了所述铺设异常时，发出通知所述铺设异常的警告。
根据上述(6)的结构，在判定为在上述结构中发生了铺设异常的情况下，通过警告该情况，能够采取中断或中止造型作业等适当的应对。
此外，基于铺设异常警告通知部的警告行为，也可以与上述造型异常警告通知部同样地，以操作员等的人的五官能够感知的方式促进对应行动的行为，也可以是对正在实施造型作业的三维层叠造型装置以电气或机械方式实施自动控制进行指示的行为。
(7)在若干种实施方式中，在上述(1)至(6)中的任一种结构中，对于所述第一规定范围，使用所述粉末床的相对于基准位置的平均高度与所述基准位置的差异Δt、以及每个造型周期的基板的移动量M，通过下式来规定：0.5M<Δt<2M。
根据上述(7)的结构，用于判定第一条件而使用的第一规定范围基于每个周期的基板的移动量由上式规定，由此能够准确地判定铺设异常。
(8)在若干种实施方式中，在上述(1)至(7)中的任一种结构中，所述第二规定范围使用所述粉末床的高度的偏差σ、以及每个造型周期的所述基板的移动量M，通过下式来规定：3σ<M。
根据上述(8)的结构，用于判定第二条件而使用的第二规定范围基于每个周期的基板的移动量由上式规定，由此能够准确地判定铺设异常。
(9)在若干种实施方式中，在上述(2)的结构中，对于所述第三规定范围，使用所述粉末床的最大变形量Cmax、以及每个造型周期的所述基板的移动量M，通过下式来规定：Cmax<M。
根据上述(9)的结构，用于判定第三条件而使用的第三规定范围基于每个周期的基板的移动量由上式规定，由此能够准确地判定铺设异常。
(10)本发明的至少一个实施方式的三维层叠造型装置的施工异常检测系统为了解决上述课题而使用，向粉末床照射波束来进行层叠造型的三维层叠造型装置的施工异常检测系统，具备：形状测定传感器，用于测定所述粉末床的表面形状；以及造型异常判定部，构成为，基于所述波束照射后的所述粉末床的所述形状测定传感器的测定结果，在满足因所述波束的照射导致的所述粉末床的变形量从第三规定范围脱离的第三条件的情况下，判定为发生了来自所述粉末床的造型层的造型异常。
根据上述(10)的结构，在通过形状测定传感器测定粉末床的表面形状而得的结果满足第三条件的情况下，判定为发生了造型异常。在第三条件下，根据基于波束的照射的粉末床的变形量是否从第三规定范围脱离，判定造型异常。由于在粉末铺设后照射波束的施工是热加工，因而有可能在造型过程中产生伴随较大的变形的造型异常，但通过基于第三条件的判定，能够准确地检测这样的造型异常。
(11)本发明的至少一个实施方式的三维层叠造型装置为了解决上述课题而使用，具备：基板；粉末铺设单元，用于在所述基板上铺设粉末而形成粉末床；光束照射单元，用于对所述粉末床照射光束，并选择性地使所述粉末床固化；以及上述(1)至(10)中任一种结构的施工异常检测系统，构成为，至少检测基于所述粉末铺设单元的所述粉末床的铺设异常。
根据上述(11)的结构，通过具备上述的施工异常检测系统(包含上述各种方式)，能够早期且准确地检测在造型过程中发生的各种异常。
(12)本发明的至少一个实施方式的三维层叠造型装置的施工异常检测方法为了解决上述课题而使用，向粉末床照射波束来进行层叠造型的三维层叠造型装置的施工异常检测方法，具备如下工序：形状测定工序，测定所述粉末床的表面形状；以及
铺设异常判定工序，基于所述形状测定工序的检测结果，在满足所述粉末床的相对于基准位置的平均高度从第一规定范围脱离的第一条件、以及所述粉末床的高度的偏差从第二规定范围脱离的第二条件中的至少一者的情况下，判定为发生了所述粉末床的铺设异常。
上述(12)的方法，能够通过上述的施工异常检测系统(包含上述各种方式)来适当地实施。
(13)本发明的至少一个实施方式的三维层叠造型装置的施工异常检测方法为了解决上述课题而使用，向粉末床照射波束来进行层叠造型的三维层叠造型装置的施工异常检测方法，具备如下工序：形状测定工序，在所述波束照射后，测定所述粉末床的表面形状；以及造型异常判定工序，基于所述形状测定工序的测定结果，在满足因所述波束的照射导致的所述粉末床的变形量从第三规定范围脱离的第三条件的情况下，判定为发生了来自所述粉末床的造型层的造型异常。
上述(13)的方法，能够通过上述的施工异常检测系统(包含上述各种方式)来适当地实施。
(14)本发明的至少一个实施方式的三维层叠造型物的制造方法为了解决上述课题而使用，向铺设成层状的粉末照射波束来进行层叠造型的三维层叠造型物的制造方法，具备如下工序：在基板上铺设所述粉末而形成粉末床的工序；形状测定工序，对所述粉末床的表面形状进行测定；铺设异常判定工序，基于所述形状测定工序的测定结果，在满足所述粉末床的相对于基准位置的平均高度从第一规定范围脱离的第一条件、以及所述粉末床的高度的偏差从第二规定范围脱离的第二条件中的至少一者的情况下，判定为发生了所述粉末床的铺设异常；修复工序，在判定为发生了所述粉末床的铺设异常的情况下，实施所述铺设缺陷的修复作业；以及通过对所述粉末床照射所述波束，选择性地固化所述粉末床的工序。
根据上述(14)的制造方法，能够制造铺设异常少的高品质的三维层叠造型物。
(15)本发明的至少一个实施方式的三维层叠造型物为了解决上述课题而使用，通过向铺设成层状的粉末照射波束进行层叠造型而制造的三维层叠造型物，通过如下处理来制造：在基板上铺设所述粉末而形成粉末床；测定所述粉末床的表面形状；基于该测定结果，在满足所述粉末床的相对于基准位置的平均高度从第一规定范围脱离的第一条件、以及所述粉末床的高度的偏差从第二规定范围脱离的第二条件中的至少一者的情况下，判定为发生了所述粉末床的铺设异常；在判定为发生了所述粉末床的铺设异常的情况下，实施所述铺设缺陷的修复作业；并且通过向所述粉末床照射所述波束，选择性地固化所述粉末床。
上述(15)的三维层叠造型物铺设缺陷少且高品质。
发明的效果
根据本发明的至少一个实施方式，能够提供一种能够早期且准确地检测在造型过程中发生的各种异常的三维层叠造型装置的施工异常检测系统、具备该系统的三维层叠造型装置、以及三维层叠造型装置的施工异常检测方法。
附图说明
图1是表示本发明的至少一个实施方式所涉及的三维层叠造型装置的整体结构的示意图。
图2是表示图1的光束照射单元的内部结构的示意图。
图3是表示图1的形状测定传感器的具体的结构例的示意图。
图4是功能性地表示图1的控制装置的内部结构的框图。
图5是图1的虚线区域R的放大剖视图。
图6是图1的虚线区域R在光束照射前后的放大剖视图。
图7是按每个工序表示图1的三维层叠造型装置的控制内容的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的若干个实施方式。其中，作为实施方式记载的或附图所示的结构部件的尺寸、材质、形状、其相对的配置等并不是将本发明的范围限定于此的意思，只不过单纯的说明例。
例如，设为“在某一方向上”、“沿着某一方向”、“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严格地表示那样的配置，也表示具有公差或能够得到相同功能的程度的角度、距离而相对位移的状态。
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表示几何学上严格意义上的四边形形状、圆筒形状等形状，还表示在能够获得相同效果的范围内包含凹凸部、倒角部等的形状。
另一方面，“备有”、“具有”、“具备”、“包含”或“含有”一个结构要素这样的表述并非排除其他结构要素的存在的排他性表述。
图1是表示本发明至少一个实施方式所涉及的三维层叠造型装置1的整体结构的示意图。
三维层叠造型装置1是用于向铺设成层状的粉末照射波束来进行层叠造型，由此来制造三维形状物的装置。三维层叠造型装置1具备作为对三维形状物进行造型的基座的基板2。基板2以能够升降的方式配置在具有沿铅垂方向的中心轴的大致圆筒形状的汽缸4的内侧。在基板2上，如后所述，通过铺设粉末而形成粉末床8。在造型作业的期间，每当在各周期中基板2下降时，通过在上层侧铺设粉末而新形成粉末床8。
此外，在本实施方式的三维层叠造型装置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。
三维层叠造型装置1具备：用于在基板2上铺设粉末而形成粉末床8的粉末铺设单元10。粉末铺设单元10通过向基板2的上表面侧供给粉末并使其表面平坦化，从而在基板2的上表面整体形成具有大致均匀厚度的层状的粉末床8。在各周期中形成的粉末床8中，通过从后述的光束照射单元14照射光束而选择性地固化，在下一个周期中，通过粉末铺设单元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。
三维层叠造型装置1具备：用于对粉末床8照射光束以便选择性地对粉末床8进行固化的光束照射单元14。这里，图2是表示图1的光束照射单元14的内部结构的示意图。光束照射单元14具备：光源18，输出激光作为光束；光纤22，用于将来自光源18的光束引导至聚光部25；以及聚光部25，由多个光学构件构成。
在聚光部25中，由光纤22引导的光束入射到准直器24。准直器24将光束会聚成平行光。来自准直器24的出射光经由隔离器26和针孔28而入射到光束扩展器30。光束在被光束扩展器30扩径后，被能够向任意方向摆动的电流镜32偏转，并经由fθ透镜33照射到粉末床8。
从光束照射单元14照射的光束在粉末床8上沿着其表面8a二维地扫描。这样的光束的二维扫描按照与成为造型目的的三维形状物对应的图案来实施，例如，光束照射单元14也可以通过未图示的驱动机构沿基板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型装置1中，在各周期中，通过利用粉末铺设单元10在基板2上铺设粉末来形成粉末床8，一边从光束照射单元14对该粉末床8照射光束一边进行二维扫描，从而对粉末床8中包含的粉末选择性地固化。在造型作业中，通过反复实施这样的周期，从而层叠固化后的造型层15，制造成为目的的三维形状物。
再次回到图1，三维层叠造型装置1具备：用于监视造型作业中的粉末床8或造型层15的形状的形状测定传感器34。在本实施方式中，作为形状测定传感器34的一例，使用以条纹投影法为基础的光学式扫描器。
这里，图3是表示图1的形状测定传感器34的具体结构例的示意图。形状测定传感器34具备：用于将条纹图案(条纹花样)投影到粉末床8或造型层15的表面的投影仪34a；用于对前述投影后的条纹图案进行摄像的至少一个摄像单元34b1和34b2；以及用于基于由这些摄像单元34b1和34b2摄像的条纹图案来生成表示粉末床8或造型层15的表面形状的三维数据的分析部34c。在分析部34c中，通过基于光学变换式将由摄像单元34b1和34b2摄像的二维条纹图案按每个像素变换为独立的三维坐标系，从而被运算成三维数据。
此外，关于由形状测定传感器34实施的条纹投影法，仿照公知的例子，并省略详细描述。此外，分析部34c例如由计算机等电子运算装置构成，但是也可以包含在后述的控制装置100中。
此外，在本实施方式中，例示了构成为能够通过共通的形状测定传感器34来监视粉末床8和造型层15这两者的情况，但也可以构成为能够分别通过不同结构的形状测定传感器来监视粉末床8和造型层15。
此外，三维层叠造型装置1具备：用于使操作员、外部设备识别异常发生的铺设异常警告部44a和造型异常警告部44b。在本实施方式中，作为在三维层叠造型装置1中发生的异常，有铺设异常和造型异常这两种。铺设异常警告部44a和造型异常警告部44b被构成为，能够通过分别报知铺设异常和造型异常来识别两种异常。
此外，在由铺设异常警告部44a和造型异常警告部44b进行的警告的识别对象是操作员等人的情况下，铺设异常警告部44a和造型异常警告部44b以能够通过视觉、听觉等五官来识别的方式例如由用于报知异常发生的蜂鸣器、指示器构成。此外，基于铺设异常警告部44a和造型异常警告部44b的警告的识别对象是外部设备的情况下，铺设异常警告部44a和造型异常警告部44b被构成为通过外部设备发送能够识别的电信号，外部设备可以被构成为，通过接收该电信号，自动地实施预定的对应动作。
控制装置100是三维层叠造型装置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设备、能够存储各种信息的存储设备、能够运算各种信息的运算设备、能够输出各种信息的输出设备而构成，但这些电子运算装置的一般结构符合仿照公知的例子，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设备中的程序进行动作，来实施本发明的至少一个实施方式的施工异常检测方法。
图4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4中，仅代表性地示出了控制装置100的功能结构中的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：取得形状测定传感器的检测结果的形状监控部102、用于判定粉末床8的铺设异常的铺设异常判定部104、用于判定造型层的造型异常的造型异常判定部106、分别用于使铺设异常警告部44a和造型异常警告部44b工作的铺设异常警告通知部108a和造型异常警告通知部108b、以及能够存储为了实施施工异常检测方法所需的各种信息的存储部110。
形状监控部102从形状测定传感器34取得检测结果，根据需要对铺设异常判定部104、形成异常判定部106和存储部110分别赋予取得内容。特别是在铺设异常判定部104中，发送形状测定传感器34的检测结果中的、与照射激光之前的粉末床8的表面形状相关的数据。此外，对造型异常判定部106发送形状测定传感器34的检测结果中的、与照射了激光之后的造型层15的表面形状相关的数据。
铺设异常判定部104基于由形状监控部102取得的计测结果，判定在被光束照射单元照射光束之前粉末床8中的铺设异常。这样的铺设异常的判定根据是否满足预先存储于存储部110的第一条件和第二条件中的任意一者来进行。
这里，参照图5，具体说明第一条件和第二条件的规定内容。图5是图1的虚线区域R的放大剖视图。在图5中示出了在基板2上通过粉末铺设单元10遍及多层地铺设的粉末床8的剖面。当按每个造型周期基板2每次向下方移动移动量M时，在基板2上以厚度M反复铺设，来形成粉末床8的各层。
在这样的层叠剖面中，设定了基板2的表面作为基准位置Tref。对于该基准位置Tref，也可以以某周期中的第N(任意自然数)层的粉末床8的表面位置为基准来设定。这样规定的基准位置Tref也可以预先存储于存储部110，并根据需要读出。
这里，理想的是，粉末床8的表面8a在光束照射前均匀地铺设粉末而呈平坦，然而，如图5所示，实际上在相当程度上存在不少的微小的凹凸，因其大小的不同，有可能导致造型物的品质不良。基于粉末床8的基准位置Tref所对应的平均高度Tavg与基准位置Tref之间的差异Δt是否脱离了第一规定范围来判断第一条件。第一规定范围通过下限值Tavg_min和上限值Tavg_max规定了差异Δt的合理范围。下限值Tavg_min是用于判定如下的铺设异常的阈值，该铺设异常是，由于铺设的粉末床8的平均高度Tavg过低(例如，由于粉末床8存在凹部导致存在局部上薄的区域的情况)，光束输出相对于粉末床8的粉末量而过剩从而过度地熔融。另一方面，上限值Tavg_max是用于判定如下的铺设异常的阈值，该铺设异常是，由于铺设的粉末床8的平均高度Tavg过高(例如，由于粉末床8存在凸部导致存在局部上厚的区域的情况)，光束输出相对于粉末床8的粉末量不足而导致熔融不足。
对于这样的第一条件，例如使用每个造型周期的基板2的移动量(即粉末床8的每一层的厚度)M，通过下式来规定，
0.5M<Δt<2M。
基于粉末床8的高度的偏差σ是否脱离了第二规定范围来判断第二条件。这里，如图5所示，偏差σ被规定为，表面8a上的各位置处的相对于基准高度Tref的差异Δt与平均高度Tavg的偏差。第二规定范围根据上限值σref来规定偏差σ的合理范围。上限值σref被设定为用于判定如下内容的阈值：位于粉末床8的表面8a上的凹凸的偏差是否大到导致造型不良的程度。
对于这样的第二条件，例如使用每个造型周期的基板2的移动量(即粉末床8的每一层的厚度)M，通过下式来规定，
3σ<M。
接着，造型异常判定部106基于由形状监控部102取得的计测结果，判定通过光束照射单元14照射光束从而形成的造型层15中的造型异常。这样的造型异常的判定通过是否满足预先存储于存储部110中的第三条件来进行。
这里，参照图6来具体说明第三条件的规定内容。图6是图1的虚线区域R在光束照射前后的放大剖视图。例示了，如左侧所示的那样，通过对厚度Δt的粉末床8照射光束从而形成了厚度Δt’的造型层15的情况。在该情况下，作为照射前的厚度Δt与照射后的厚度Δt’的差值，得到了基于光束照射的粉末床8的变形量C。通过形成异常判定部106，遍及造型层15的整体表面地取得这样的变形量C，并基于其最大值(最大变形量)Cmax是否在第三规定范围内来判定造型异常。
对于这样的第三条件，例如使用粉末床8的最大变形量Cmax和每个造型周期的基板的移动量M，通过下式来规定，
Cmax<M。
铺设异常警告通知部108a在通过铺设异常判定部104判断为存在铺设异常的情况下，通过使铺设异常警告部44a工作来警告该情况。造型异常警告通知部108b在通过造型异常判定部106判断为存在形成异常的情况下，通过使造型异常警告部44b工作来警告该情况。
存储部110由存储器等存储介质构成，存储以上述第一至第三条件的规定内容为代表的各种信息。
接下来，详细说明具有上述结构的三维层叠造型装置1的控制内容。图7是按每个工序表示图1的三维层叠造型装置1的控制内容的流程图。此外，三维层叠造型装置1反复进行造型周期来推进工序，以便构成成为造型目的的三维形状物，但在以下的说明中，以第n(任意自然数)次的造型周期为例来说明。
首先，三维层叠造型装置1控制粉末铺设单元10以便在基板2或基板上已经铺设的第(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S101)。这里，新形成的粉末床8的层厚M例如是数十μm。
接着，形状监控部102通过从形状测定传感器34取得测定结果，来测定粉末床8的表面形状(步骤S102)。此时，在形状测定传感器34中，参照图3，如上述那样通过以条纹投影法为基础的计测，计测粉末床8的表面形状来作为三维构造。
接着，铺设异常判定部104基于从形状监控部102取得的测定结果，对在步骤S101中铺设的粉末床8判定是否不存在铺设异常(步骤S103)。在该铺设异常的判定中，当满足上述第一条件和第二条件中的至少一者时，判定为发生了粉末床8的铺设异常。在第一条件下，基于粉末床8相对于基准位置Tref的平均高度Tavg是否脱离了第一规定范围，来判定铺设异常。由此，能够判断如下那样的铺设异常：例如，由于所铺设的粉末床8的平均高度Tavg过低而导致的，光束输出相对于粉末床8的粉末量过剩而变得过度地熔融；或者相反地，由于所铺设的粉末床8的平均高度Tavg过高而导致的，光束输出相对于粉末床8的粉末量而不足而变得熔融不足。此外，在第二条件下，能够基于粉末床8的高度的偏差σ是否从第二规定范围脱离来判断铺设异常。这样，通过从第一条件和第二条件这两个观点来判定铺设异常，能够早期且准确地检测出与在造型过程中发生的品质不良有关的异常。
当判定为存在铺设异常的情况下(步骤S103：否)，铺设异常警告通知部108a通过使铺设异常警告部44a工作，来报知发生了铺设异常的意旨(步骤S108)。
由此，识别到警告的操作员、周边设备能够采取中断或中止造型作业等适当的应对。例如，在判断为存在铺设异常的情况下，中断造型作业，并且实施对判断为存在铺设异常的部位修复粉末的铺设状态或对粉末床进行再铺设等修复作业。当这样的修复作业完成时，造型作业的中断状态被解除，继续进行层叠造型。
另一方面，在不存在铺设异常的情况下(步骤S103：是)，控制装置100通过控制光束照射单元14，对在步骤S101中铺设的粉末床8照射光束，来实施造型处理(步骤S104)。
然后，当光束的照射完成时，造型异常判定部106基于从形状监控部102取得的测定结果，判定在照射后的造型层15中是否不存在形成异常(步骤S105)。在该形成异常的判定中，在粉末床8的变形量从由上述第三条件规定的第三规定范围脱离的情况下，判定为发生了形成异常。由此，在照射光束从而粉末床8的粉末熔融，由此发生了预想以上的大的变形的情况下，能够判断为造型异常。
在判断为存在造型异常的情况下(步骤S105：否)，造型异常警告通知部108b通过使造型异常警告部44b工作，来报知发生了铺设异常的意旨(步骤S109)。
由此，识别到警告的操作员、周边设备能够采取中断或中止造型作业等适当的应对。
另一方面，在判断为不存在造型异常的情况下(步骤S105：是)，造型异常判定部106进一步基于从形状监控部102取得的测定结果，判定在造型层15上是否未局部地存在溅射(步骤S6)。对于这样的溅射的判定，例如可以以在波束照射后的粉末床的表面产生的凸状变形量的投影面积(凸部投影面积)是否是预想的溅射粒径以下为基准来进行判定。这里，成为基准的溅射粒径能够对应于溅射的发生方式来设定，例如，在从对粉末床照射光束而形成的熔融池发生飞散而凝固的发生方式的溅射的情况下，预想的溅射粒径比较大，是150μm～300μm左右，因此，在得到了300μm×300μm以下的凸部投影面积的情况下能够判定为溅射局部地存在。
在存在溅射的情况下(步骤S6：否)，造型异常警告通知部108b通过使造型异常警告部44b工作，来报知发生了造型异常的意旨(步骤S109)。这样，在光束照射后的造型层15上局部地存在溅射的情况下，无论第三条件是否成立，都判定为发生了造型异常。这是由于，因比通常的粉末大的粒径的溅射会引起熔合不良并导致强度低下、由于溅射在粉末被光束熔融了时以比较高的比例包含氧化物而形成，因此当局部存在时容易导致之后的造型不良。
另一方面，在不存在溅射的情况下(步骤S6：是)，控制装置100通过充分反复造型周期，从而判定一系列的造型作业是否已完成(步骤S107)。在造型处理未完成的情况下(步骤S107：否)，控制装置100将处理返回到步骤S101，转移到第(n+1)层的造型处理(步骤S110)。
之后，若造型周期充分反复而完成造型作业(步骤S107：是)，则根据需要对完成的三维形状物实施非破坏检查，一系列的造型作业结束(结束)。
如上所述，根据至少一个实施方式，能够提供一种能够早期且准确地检测在造型过程中发生的各种异常的三维层叠造型装置的施工异常检测系统、三维层叠造型装置、以及三维层叠造型装置的施工异常检测方法。
产业上的可利用性
本发明的至少一个实施方式，能够利用于对所铺设的粉末照射光束来选择性固化从而进行层叠造型的三维层叠造型装置的施工异常检测系统、三维层叠造型装置、以及三维层叠造型装置的施工异常检测方法。
符号说明
1 三维层叠造型装置；
2 基板；
4 汽缸；
8 粉末床；
8a 表面；
10 粉末铺设单元；
14 光束照射单元；
15 造型层；
18 光源；
22 光纤；
24 准直器；
25 聚光部；
26 隔离器；
28 针孔；
30 光束扩展器；
32 电流镜；
33 透镜；
34 形状测定传感器；
34a 投影仪；
34b1 摄像单元；
34c 分析部；
44a 铺设异常警告部；
44b 造型异常警告部；
100 控制装置；
102 形状监控部；
104 铺设异常判定部；
106 造型异常判定部；
108a 铺设异常警告通知部；
108b 造型异常警告通知部；
110 存储部。

Claims (15)

1.一种三维层叠造型装置的施工异常检测系统，向粉末床照射波束来进行层叠造型，其特征在于，具备：
形状测定传感器，用于测定所述粉末床的表面形状；以及
铺设异常判定部，构成为，基于所述形状测定传感器的检测结果，在满足所述粉末床的相对于基准位置的平均高度从第一规定范围脱离的第一条件、以及所述粉末床的高度的偏差从第二规定范围脱离的第二条件中的至少一者的情况下，判定为发生了所述粉末床的铺设异常。
2.根据权利要求1所述的三维层叠造型装置的施工异常检测系统，其中，
还具备：造型异常判定部，构成为，基于所述波束照射后的所述粉末床的所述形状测定传感器的测定结果，在满足因所述波束的照射导致的所述粉末床的变形量从第三规定范围脱离的第三条件的情况下，判定为发生了来自所述粉末床的造型层的造型异常。
3.根据权利要求2所述的三维层叠造型装置的施工异常检测系统，其中，
所述造型异常判定部基于所述波束照射后的所述粉末床的所述形状测定传感器的测定结果，在所述造型层上局部地存在溅射的情况下，无论所述第三条件是否成立，都判定为发生了来自所述粉末床的造型层的造型异常。
4.根据权利要求2或3所述的三维层叠造型装置的施工异常检测系统，其中，
还具备：造型异常警告通知部，在通过所述造型异常判定部判定为发生了所述造型异常时，发出通知所述造型异常的警告。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的三维层叠造型装置的施工异常检测系统，其中，
所述形状测定传感器包含：
投影仪，用于在所述粉末床的表面投影条纹图案；
至少一个摄像单元，用于对所述条纹图案进行摄像；以及
解析部，用于基于由所述摄像单元摄像到的所述条纹图案来生成表示所述粉末床的所述表面形状的三维数据。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的三维层叠造型装置的施工异常检测系统，其中，
还具备：铺设异常警告通知部，在通过所述铺设异常判定部判定为发生了所述铺设异常时，发出通知所述铺设异常的警告。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的三维层叠造型装置的施工异常检测系统，其中，
对于所述第一规定范围，使用所述粉末床的相对于基准位置的平均高度与所述基准位置的差异Δt、以及每个造型周期的基板的移动量M，通过下式来规定：
0.5M<Δt<2M。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的三维层叠造型装置的施工异常检测系统，其中，
对于所述第二规定范围，使用所述粉末床的高度的偏差σ、以及每个造型周期的所述基板的移动量M，通过下式来规定：
3σ<M。
9.根据权利要求2所述的三维层叠造型装置的施工异常检测系统，其中，
对于所述第三规定范围，使用所述粉末床的最大变形量Cmax、以及每个造型周期的所述基板的移动量M，通过下式来规定：
Cmax<M。
10.一种三维层叠造型装置的施工异常检测系统，向粉末床照射波束来进行层叠造型，其特征在于，具备：
形状测定传感器，用于测定所述粉末床的表面形状；以及
造型异常判定部，构成为，基于所述波束照射后的所述粉末床的所述形状测定传感器的测定结果，在满足因所述波束的照射导致的所述粉末床的变形量从第三规定范围脱离的第三条件的情况下，判定为发生了来自所述粉末床的造型层的造型异常。
11.一种三维层叠造型装置，其特征在于，具备：
基板；
粉末铺设单元，用于在所述基板上铺设粉末而形成粉末床；
波束照射单元，用于对所述粉末床照射波束，并选择性地使所述粉末床固化；以及
权利要求1至10中任一项所述的施工异常检测系统，构成为，至少检测基于所述粉末铺设单元的所述粉末床的铺设异常。
12.一种三维层叠造型装置的施工异常检测方法，所述三维层叠造型装置向粉末床照射波束来进行层叠造型，所述施工异常检测方法的特征在于，具备如下工序：
形状测定工序，测定所述粉末床的表面形状；以及
铺设异常判定工序，基于所述形状测定工序的测定结果，在满足所述粉末床的相对于基准位置的平均高度从第一规定范围脱离的第一条件、以及所述粉末床的高度的偏差从第二规定范围脱离的第二条件中的至少一者的情况下，判定为发生了所述粉末床的铺设异常。
13.一种三维层叠造型装置的施工异常检测方法，所述三维层叠造型装置向粉末床照射波束来进行层叠造型，所述施工异常检测方法的特征在于，具备如下工序：
形状测定工序，在所述波束照射后，测定所述粉末床的表面形状；以及
造型异常判定工序，基于所述形状测定工序的测定结果，在满足因所述波束的照射导致的所述粉末床的变形量从第三规定范围脱离的第三条件的情况下，判定为发生了来自所述粉末床的造型层的造型异常。
14.一种三维层叠造型物的制造方法，向铺设成层状的粉末照射波束来进行层叠造型，其特征在于，具备如下工序：
在基板上铺设所述粉末而形成粉末床的工序；
形状测定工序，对所述粉末床的表面形状进行测定；
铺设异常判定工序，基于所述形状测定工序的测定结果，在满足所述粉末床的相对于基准位置的平均高度从第一规定范围脱离的第一条件、以及所述粉末床的高度的偏差从第二规定范围脱离的第二条件中的至少一者的情况下，判定为发生了所述粉末床的铺设异常；
修复工序，在判定为发生了所述粉末床的铺设异常的情况下，实施所述铺设缺陷的修复作业；以及
通过对所述粉末床照射所述波束，选择性地固化所述粉末床的工序。
15.一种三维层叠造型物，通过向铺设成层状的粉末照射波束进行层叠造型而制造，其特征在于，通过如下处理来制造：
在基板上铺设所述粉末而形成粉末床；
测定所述粉末床的表面形状；
基于该测定结果，在满足所述粉末床的相对于基准位置的平均高度从第一规定范围脱离的第一条件、以及所述粉末床的高度的偏差从第二规定范围脱离的第二条件中的至少一者的情况下，判定为发生了所述粉末床的铺设异常；
在判定为发生了所述粉末床的铺设异常的情况下，实施所述铺设缺陷的修复作业；并且
通过向所述粉末床照射所述波束，选择性地固化所述粉末床。
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