CN113634771A - 造形工艺的监视方法、层叠造形方法、造形工艺的监视装置及层叠造形装置 - Google Patents

造形工艺的监视方法、层叠造形方法、造形工艺的监视装置及层叠造形装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供有助于提高层叠造形中的造形物的质量的造形工艺的监视方法、层叠造形方法、造形工艺的监视装置及层叠造形装置。本发明的至少一个实施方式的造形工艺的监视方法包括：获取与比对原料照射能量束而形成的熔池靠能量束的扫描方向上游侧的区域的温度相关的信息的步骤；基于与上述温度相关的信息，获取表示上述区域的冷却速度的参数的步骤；以及基于上述参数，判断造形状态的步骤。

Description

造形工艺的监视方法、层叠造形方法、造形工艺的监视装置及 层叠造形装置
技术领域
本发明涉及一种造形工艺的监视方法、层叠造形方法、造形工艺的监视装置及层叠造形装置。
背景技术
对三维形状物进行层叠造形的层叠造形方法被用作各种金属制品的制造方法。在由层叠造形方法实现的金属制品的制造中，在通过激光等能量束使作为材料的金属粉末熔融后，使其凝固，由此形成立体的产品(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第6405028号公报
发明内容
发明所要解决的问题
在由层叠造形方法实现的金属制品的造形中，通过利用能量束将金属粉末熔融而形成的焊道的冷却速度容易受该焊道的周围的造形物的温度的影响。此外，在由层叠造形方法实现的金属制品的造形中，如上所述，通过能量束加热了作为材料的金属粉末，因此容易在造形物中蓄积热量。因此，在由层叠造形方法实现的金属制品的造形中，焊道的冷却速度容易改变(降低)。
焊道的冷却速度对焊道的组织的状态造成影响。因此，为了将焊道的冷却速度保持在适当的范围内，理想的是基于与焊道的冷却速度相关的信息来监视造形工艺。
本发明的至少一个实施方式是鉴于上述情况而完成的，其目的在于监视层叠造形中的造形工艺而有助于提高造形物的质量。
技术方案
(1)本发明的至少一个实施方式的造形工艺的监视方法，具备：
获取与比对原料照射能量束而形成的熔池靠所述能量束的扫描方向上游侧的区域的温度相关的信息的步骤；
基于与上述温度相关的信息，获取表示所述区域的冷却速度的参数的步骤；以及
基于所述参数，判断造形状态的步骤。
(2)本发明的至少一个实施方式的层叠造形方法，具备：
对所述原料照射所述能量束的步骤；以及
通过上述(1)的方法的造形工艺的监视方法来判断所述造形状态的步骤。
(3)本发明的至少一个实施方式的造形工艺的监视装置，具备：
信息获取部，获取与比对原料照射能量束而形成的熔池靠所述能量束的扫描方向上游侧的区域的温度相关的信息；
参数获取部，基于与所述区域的所述温度相关的信息，获取表示所述区域的冷却速度的参数；以及
判断部，基于所述参数，判断造形状态。
(4)本发明的至少一个实施方式的层叠造形装置，具备：
能量束照射部，能对所述原料照射所述能量束；以及
上述(3)的结构的造形工艺的监视装置。
发明效果
根据本发明的至少一个实施方式，有助于提高层叠造形中的造形物的质量。
附图说明
图1是表示作为能应用本发明的至少一个实施方式的层叠造形方法的装置的层叠造形装置的整体结构的示意图。
图2是几个实施方式的光束照射部的示意整体结构图。
图3是表示几个实施方式的层叠造形装置所具备的造形工艺的监视装置的整体结构的图。
图4是示意性地表示在造形中由几个实施方式的温度计测定出的粉末床上的熔池及其附近的区域的温度分布的图。
图5是在图4所示的测定区域中，将表示熔池的区域放大的示意图。
图6是用于对参数获取部中的处理的内容进行说明的图。
图7是表示通过几个实施方式的监视装置所具备的层叠造形装置对造形物进行造形时的层叠造形方法的处理流程的流程图。
图8是表示造形状态判断步骤的子程序的处理流程的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图对本公开的几个实施方式进行说明。不过，作为实施方式所记载的或在附图中所示的构成零件的尺寸、材质、形状及其相对配置等并非旨在将本公开的范围限定于此，仅作为说明例而已。
例如，“在某方向”、“沿某方向”、“平行”、“正交”、“中心”、“同心”或“同轴”等表示相对或绝对配置的表达，不仅严格地表示这样的配置，而且也表示具有公差或具有能得到相同功能的程度的角度、距离而进行了相对位移的状态。
例如，“相同”、“相等”以及“均质”等表示事物处于相等状态的表达，不仅表示严格地相等的状态，而且也表示存在公差或存在能得到相同功能的程度的差异的状态。
例如，四边形形状、圆筒形状等表示形状的表达，不仅表示几何学中严格意义上的四边形形状、圆筒形状等形状，而且也表示在能得到相同效果的范围内，包括凹凸部、倒角部等形状。
另一方面，“具备”、“包含”、“拥有”、“包括”或“具有”一个构成要素这样的表达，并非是将其他构成要素的存在排除在外的排他性表达。
(关于层叠造形装置1)
图1是表示作为能应用本公开的至少一个实施方式的层叠造形方法的装置的层叠造形装置1的整体结构的示意图。
层叠造形装置1是用于通过对作为敷设为层状的原料粉末的金属粉末照射作为能量束的光束65进行层叠造形来制造三维形状的造形物15的装置，可以进行由粉尘床法实现的层叠造形。
图1所示的层叠造形装置1例如可以形成燃气轮机、蒸汽轮机等涡轮机的动叶、静叶或者燃烧器的内筒、尾筒、喷嘴等零件。
图1所示的层叠造形装置1具备原料粉末30的储藏部31。图1所示的层叠造形装置1具备粉末床形成部5，该粉末床形成部5具有形成有由从储藏部31供给的原料粉末30形成的粉末床8的支承板2。图1所示的层叠造形装置1具备能对粉末床8照射作为能量束的光束65的能量束照射部9(照射部的一个例子)。需要说明的是，在以下的说明中，也将能量束照射部9称为光束照射部9。图1所示的层叠造形装置1具备：后述的粉末敷设部10、支承板2的驱动缸2a以及能控制光束照射部9的控制装置20。
支承板2成为造形物15被造形的基座。支承板2通过驱动缸2a以可升降的方式配置于具有沿铅垂方向的中心轴的大致筒形状的缸筒4的内侧。形成于支承板2上的粉末床8是在造形作业期间，通过每当在各循环中支承板2下降时就在上层侧敷设粉末而新形成的。
图1所示的层叠造形装置1具备粉末敷设部10，该粉末敷设部10用于在支承板2上敷设原料粉末30来形成粉末床8。从储藏部31向支承板2的上表面侧供给原料粉末30，该粉末敷设部10使其表面平坦化，由此遍及支承板2的上表面整体地形成具有大致均匀的厚度的层状的粉末床8。对于各循环中形成的粉末床8，通过被照射来自光束照射部9的光束65而被选择性地固化，在下一循环中，通过粉末敷设部10再次在上层侧敷设原料粉末30，由此形成新的粉末床8，从而堆叠为层状。
需要说明的是，从粉末敷设部10供给的原料粉末30是作为造形物15的原料的粉末状物质，例如能广泛采用铁、铜、铝或钛等金属材料、陶瓷等非金属材料。
图1所示的控制装置20为图1所示的层叠造形装置1的控制单元，例如由像计算机那样的电子运算装置构成。
在图1所示的控制装置20中，输入与造形物15的造形所需要的造形物15的形状即各部的尺寸相关的信息。与对造形物15进行造形所需要的各部的尺寸等相关的信息例如也可以从外部的装置输入，例如存储于控制装置20的未图示的存储部。对于控制装置20中的控制内容，将在后文进行详细说明。
(关于光束照射部9)
图2是几个实施方式的光束照射部9的示意整体结构图。几个实施方式的光束照射部9具备：振荡装置91，输出光束65；扫描装置93，用于扫描光束65；分光器95；以及温度计97。
在几个实施方式的光束照射部9中，振荡装置91是生成作为能量束的光束的光束生成部(生成部的一个例子)，基于来自控制装置20的控制信号输出光束65。例如，若来自控制装置20的控制信号中包含与光束65的输出相关的信息，则振荡装置91按照与该信息对应的输出来输出(射出)光束65。
在以下的说明中，也将光束65的扫描方向简称为扫描方向。此外，将沿着扫描方向的光束65行进的方向设为扫描方向下游侧，将沿着扫描方向的与扫描方向下游侧相反的一侧设为扫描方向上游侧。
在几个实施方式的光束照射部9中，扫描装置93具有来自振荡装置91的光束65的扫描用的反射镜931和包括未图示的透镜等的扫描光学系统930。扫描装置93构成为能基于来自控制装置20的控制信号，使来自振荡装置91的光束65朝向粉末床8并一边扫描一边照射。
几个实施方式的光束照射部9具有用于对原料粉末30照射光束65的照射光学系统900。几个实施方式的照射光学系统900包括上述扫描光学系统930。
如后所述，几个实施方式的光束照射部9具备：信息获取部50，该信息获取部50用于获取与比熔池靠扫描方向上游侧的区域的温度相关的信息。信息获取部50具有：用于测定粉末床8上的熔池81及其附近的区域的温度的温度计97和用于将来自粉末床8上的熔池及其附近的区域的辐射光(热辐射)引导至辐射温度计97的测定光学系统53。
温度计97例如是辐射温度计为好。在以下的说明中，将温度计97设为双色温度计，设为具有用于检测温度的检测元件97a。
在几个实施方式的光束照射部9中，来自粉末床8上的熔池及其附近的区域的辐射光经由扫描装置93的扫描用的反射镜931等射入分光器95。射入分光器95的辐射光被分光器95反射，射入至温度计97。即在几个实施方式的光束照射部9中，测定光学系统53包括分光器95和在照射光学系统900的构成要素中的、像扫描用的反射镜931等那样配置于沿着光束65的光路比分光器95靠粉末床8侧的构成要素。在几个实施方式的光束照射部9中，测定光学系统53的一部分与照射光学系统900的至少一部分共用。
在由层叠造形方法实现的金属制品的造形中，通过利用能量束将金属粉末熔融而形成的焊道的冷却速度容易受该焊道的周围的造形物的温度的影响。此外，在由层叠造形方法实现的金属制品的造形中，如上所述，通过能量束加热了作为材料的金属粉末，因此容易在造形物中蓄积热量。因此，在由层叠造形方法实现的金属制品的造形中，焊道的冷却速度容易变化(降低)。
焊道的冷却速度对焊道的组织的状态造成影响。因此，为了将焊道的冷却速度保持在适当的范围内，理想的是基于与焊道的冷却速度相关的信息来监视造形工艺。
因此，在几个实施方式的层叠造形装置1中，如以下说明的那样，基于与比熔池81靠扫描方向上游侧的焊道的冷却速度相关的信息来监视造形工艺。
图3是表示几个实施方式的层叠造形装置1所具备的造形工艺的监视装置的整体结构的图。图3所示的监视装置100具备：上述的信息获取部50、参数获取部110以及造形状态判断部120(判断部的一个例子)。
(信息获取部50)
在图3所示的监视装置100中，如上所述，信息获取部50具有温度计97和测定光学系统53。
在几个实施方式中，温度计97和测定光学系统53构成为能测定粉末床8上的熔池81及其附近的区域的温度。
图4是示意性地表示在造形中由几个实施方式的温度计97测定出的粉末床8上的熔池81及其附近的区域的温度分布的图。几个实施方式的温度计97构成为能同时测定如图4所示的测定区域511内的温度。即，图4所示的温度分布的信息(温度分布信息)513为关于某时刻的测定区域511内的温度分布的信息。
图5是将图4所示的测定区域511中的表示熔池81的区域放大的示意图。在图5中，由双点划线包围的范围为相当于熔池81的区域。此外，在图5中，由双点划线从图示左右方向所夹的范围为相当于形成了的焊道83的区域。
几个实施方式的温度计97获取作为与比熔池81靠扫描方向上游侧的区域85的温度相关的信息(温度信息)的温度分布信息513。为了便于说明，在以下的说明中，也将上述区域85称为上游侧区域85。
需要说明的是，如上所述，在几个实施方式中，测定光学系统53构成为使来自粉末床8上的熔池81及其附近的区域的辐射光经由扫描装置93的扫描用的反射镜931等和分光器95而射入温度计97。因此，温度计97的测定区域511随着光束65的扫描而在粉末床8上移动。因此，在温度计97的测定区域511内表示的熔池81的位置因扫描位置不同而受到不同的光程的影响，由此有稍微的变动，但不会偏离至测定区域511外。因此，在几个实施方式的温度计97中，只要能计测包含熔池81的有限范围的温度即可，而不需要对粉末床8的上表面的整体同时进行温度测定。像这样做，将温度计97的测定区域511限定于粉末床8上的熔池81及其附近的区域，而不限定于粉末床8的整个上表面，由此能降低参数获取部110中的后述的处理的负荷。由此，能抑制在层叠造形中参数获取部110实时地实施后述的处理时的处理的延迟。
(参数获取部110)
在图3所示的监视装置100中，参数获取部110是通过控制装置20的未图示的电子运算装置执行的程序而被实现的功能块中的一个。
在几个实施方式中，参数获取部110构成为基于与上游侧区域85的温度相关的信息，获取表示上游侧区域85的冷却速度的参数(冷却速度参数)P。以下，对参数获取部110中的处理的内容进行说明。
图6是用于对参数获取部110中的处理的内容进行说明的图，是记载了图5所示的温度分布信息513和表示从该温度分布信息513提取出的沿着扫描方向的位置与温度的关系的曲线图515的图。
参数获取部110确定由信息获取部50获取的温度分布信息513中的温度最高的区域Rtmax和扫描方向。然后，参数获取部110提取穿过温度分布信息513中的温度最高的区域Rtmax且沿扫描方向延伸的线段L上的温度。图6的曲线图515是表示像这样提取出的温度的曲线图。
在图6的曲线图515中，横轴将在温度计97的检测元件97a上沿着与扫描方向对应的方向的位置例如用该检测元件97a的像素数来表示。纵轴表示在沿着与该检测元件97a上的扫描方向对应的方向的各位置处计测到的温度。
需要说明的是，超过温度计97的测定上限温度Tmax的温度无法计测，因此在图6的曲线图515中，即使实际的温度是超过温度计97的测定上限温度Tmax的温度，也当作测定上限温度Tmax进行了图示。
接着，参数获取部110基于图6的曲线图515，求出某时刻t的相对于扫描方向的位置的差Δx的温度差ΔT作为冷却速度参数P。
某时刻t的相对于扫描方向的位置的差Δx的温度差ΔT为相对于粉末床8上的扫描方向的位置的差Δx的温度差ΔT，例如能像以下这样求出。
例如在图6的曲线图515中，将比温度最高的区域Rtmax靠扫描方向下游侧且检测到比熔点Tm略低的温度T1的检测元件97a上的位置设为位置x1，将比温度最高的区域Rtmax靠扫描方向下游侧且检测到比温度T1低的温度T2的检测元件97a上的位置设为位置x2。
需要说明的是，温度T2是温度以大致恒定的比例从温度T1降低了的区域内的温度。
在几个实施方式中，参数获取部110将求出某时刻t的相对于扫描方向的位置的差Δx的温度差ΔT作为检测元件97a上的每一个像素的温度的变化量ΔT’/Δx’。
检测元件97a上的每一个像素的温度的变化量ΔT’/Δx’由下式(1)表示。
ΔT’/Δx’[℃/个]＝(T2-T1)/(|x1-x2|)···(1)
在此，|x1-x2|为检测元件97a上的位置x1与位置x2之间的像素数。
需要说明的是，若扫描速度Vs恒定且预先得知扫描速度Vs，则能根据检测元件97a上的每1个像素的温度的变化量ΔT’/Δx’来求出冷却速度Vc。对于求出冷却速度Vc的流程，将在后文进行说明。
(造形状态判断部120)
在图3所示的监视装置100中，造形状态判断部120是通过控制装置20的未图示的电子运算装置执行的程序而被实现的功能块中的一个。
在几个实施方式中，造形状态判断部120构成为基于参数获取部110获取到的冷却速度参数P来判断造形状态。以下，对造形状态判断部120中的处理的内容进行说明。
造形状态判断部120基于作为冷却速度参数P而求出的、某时刻t的相对于扫描方向的位置的差Δx的温度差ΔT即上述的变化量ΔT’/Δx’和光束65的扫描速度Vs，像以下这样计算上游侧区域85的冷却速度Vc。
将表示粉末床8上的沿着扫描方向的1mm的长度相当于检测元件97a上的几个像素的系数设为c(个/mm)。此外，将扫描速度设为Vs(mm/sec)。
在该情况下，如下式(2)所示，冷却速度Vc能通过对检测元件97a上的每1个像素的温度的变化量ΔT’/Δx’乘以上述系数c和扫描速度Vs来求出。
Vc[℃/sec]＝{(t2-t1)/(|x1-x2|)}×c×Vs···(2)
这样，根据几个实施方式，若扫描速度恒定且预先得知扫描速度，则能计算出上游侧区域85的冷却速度Vc。
造形状态判断部120将如上述那样求出的冷却速度Vc与预先储存于未图示的存储装置的冷却速度的阈值Vth进行比较。
例如若如上述那样求出的冷却速度Vc为阈值Vth以上，则从将焊道83的组织的状态保持为所期望的状态这样的观点考虑，认为冷却速度Vc保持在适当的范围内，造形状态判断部120判断为造形状态良好。
例如若如上述那样求出的冷却速度Vc低于阈值Vth，则从将焊道83的组织的状态保持为所期望的状态这样的观点考虑，认为冷却速度Vc脱离了适当的范围，造形状态判断部120判断为造形状态不良。
这样，在几个实施方式中，造形状态判断部120基于熔池81的扫描方向上游侧的温度分布，判断冷却速度Vc是否进入了管理范围内。
需要说明的是，只要能求出上述的冷却速度Vc即可，因此上述温度信息只要包含扫描方向上的位置不同的至少两点的温度即可。
在图3所示的监视装置100中，当在造形状态判断部120中判断为造形状态良好时，控制装置20以继续造形的方式控制层叠造形装置1的各部。
此外，在图3所示监视装置100中，当在造形状态判断部120中判断为造形状态不良时，控制装置20控制层叠造形装置1的各部，以使造形物15的温度下降至预定的温度为止才进行造形，即中断光束65的照射。
需要说明的是，在图3所示的监视装置100中，当在造形状态判断部120中判断为造形状态不良时，控制装置20也可以控制层叠造形装置1的各部，以直至经过预定的待机时间为止才进行造形，即中断光束65的照射。
(关于冷却速度参数P的获取所适合的温度范围)
需要说明的是，用于获取冷却速度参数P的上游侧区域85的范围为比温度与原料的熔点Tm相等的位置靠扫描方向上游侧处为好。
由此，能获取对组织的状态造成影响的温度区域中的冷却速度参数P，因此能基于该冷却速度参数P，判断组织的状态。
在图6的曲线图515中，在上游侧区域85包含第一区域521和第二区域522并且该第一区域521随着趋向扫描方向上游侧而温度单调降低、该第二区域522随着趋向扫描方向上游侧而温度不发生单调降低的情况下，参数获取部110在比第二区域522靠扫描方向上游侧处获取与第三区域523的温度相关的信息为好，其中，该第三区域523随着趋向扫描方向上游侧而温度单调降低。
在原料粉末30为纯金属的粉末的情况下，在被光束65加热而溶融了的原料粉末30被冷却而凝固时，原料粉末30随着时间的经过而温度单调减少，至温度达到熔点Tm为止。在温度降低至熔点Tm时，出现即使时间经过温度也几乎不变化，即随着时间的经过而温度不单调减少的现象。然后，此后温度再次单调减少。
此外，在原料粉末30为合金的情况下，在被光束65加热而溶融的原料粉末30被冷却而凝固时，原料粉末30与原料为纯金属的情况同样地，随着时间的经过而温度单调减少，至温度达到熔点Tm为止。在温度降低至熔点时，出现随着时间的经过而温度稍微升降的现象，即出现随着时间的经过而温度不单调减少的现象。然后，此后与原料粉末30为纯金属的情况同样地，温度再次单调减少。
因此，上述的第二区域522的温度为在熔点Tm附近。此外，上述的第三区域523的温度为比熔点Tm低的温度，第三区域523中的冷却速度，特别是在与熔点Tm较近的温度区域中的冷却速度Vc对焊道83的组织的状态造成影响。
因此，参数获取部110获取与第三区域523的温度相关的信息，由此能获取与比熔点Tm低的温度相关的温度信息，即，能获取冷却速度Vc对焊道83的组织的状态造成影响的温度区域中的温度信息。由此，能计算出掌握焊道83的组织的状态所适合的冷却速度。因此，能准确地掌握焊道83的组织的状态。
此外，在图6的曲线图515中，参数获取部110获取与关于第三区域523中的、作为温度为下述温度以上的区域的温度相关的信息为好，该下述温度比第二区域522的温度低第二区域522的温度与室温Tr之间的温度差的二分之一的温度。
将第三区域523中的、比第二区域522的温度(≒Tm)低第二区域522的温度(≒Tm)与室温Tr之间的温度差的二分之一的温度{(Tm-Tr)/2}的温度Tu设为下限，获取与关于作为该温度Tu以上的温度的区域的温度相关的信息为好。
由此，能获取第三区域523中的、特别是与关于作为与熔点Tm较近的温度的区域的温度相关的信息。由此，能更准确地掌握焊道83的组织的状态。
(流程图)
图7是表示通过具备上述的几个实施方式的监视装置100的层叠造形装置1对造形物15进行造形时的层叠造形方法的处理流程的流程图。
图7所示的几个实施方式的层叠造形方法包括：施工条件设定步骤S10、粉末床形成步骤S20、照射步骤S30以及造形状态判断步骤S40。图7所示的几个实施方式的层叠造形方法包括：照射停止步骤S70和冷却等待步骤S80。
(施工条件设定步骤S10)
施工条件设定步骤S10是用于设定造形物15的造形所需要的信息的步骤。在施工条件设定步骤S10中，如上所述，与造形物15的造形所需要的造形物15的形状即各部的尺寸相关的信息被输入至控制装置20，存储于未图示的存储部。与对造形物15进行造形所需的各部的尺寸等相关的信息例如也可以从外部的装置输入，例如存储于控制装置20的未图示的存储部。此外，还可以由操作员操作未图示的输入装置，由此输入需要的信息。
在此，在输入至控制装置20的信息中，除了上述的信息以外，还包括：与光束65的输出、扫描速度Vs等相关的信息；上述的系数c的值；以及基于原料粉末30的组成的、获取与温度相关的信息的温度范围的信息等。
(粉末床形成步骤S20)
粉末床形成步骤S20是供给原料粉末30而形成粉末床8的步骤。即，粉末床形成步骤S20是从储藏部31向粉末床8供给原料粉末30而将原料粉末30以规定的厚度进行层叠的步骤。
具体而言，几个实施方式的控制装置20以使支承板2以与上述的规定的厚度相等的下降量下降的方式控制驱动缸2a。
接着，几个实施方式的控制装置20以向支承板2的上表面侧供给原料粉末30的方式控制粉末敷设部10。
通过执行粉末床形成步骤S20，在粉末床8的上部形成以上述的规定的厚度层叠而成的原料粉末30的层。
(照射步骤S30)
照射步骤S30是对形成粉末床8的原料粉末30照射光束65的步骤。
具体而言，几个实施方式的控制装置20以使光束65向粉末床8一边扫描一边照射的方式控制光束照射部9。
即，在照射步骤S30中，如上所述使光束65向以规定的厚度层叠而成的粉末床8上的原料粉末30一边扫描一边照射而使其熔融固化，由此对造形物15的一部分进行造形。
更具体而言，几个实施方式的控制装置20按照使光束65以预定的光束65的输出和扫描速度一边扫描一边照射的方式控制光束照射部9。
通过实施照射步骤S30，在粉末床8的上部新形成与规定的厚度相当的厚度的量的造形物15的一部分。
(造形状态判断步骤S40)
造形状态判断步骤S40是用于计算上述的冷却速度参数P，并基于计算出的冷却速度参数P来判断造形状态的优劣的步骤。在造形状态判断步骤S40中，通过执行图8所示的子程序来判断造形状态的优劣。
图8是表示造形状态判断步骤S40的子程序的处理流程的流程图。
造形状态判断步骤S40的子程序包括：温度信息获取步骤S41、冷却速度参数获取步骤S43以及造形状态判断步骤S45。
(温度信息获取步骤S41)
温度信息获取步骤S41是获取作为与比熔池81靠扫描方向上游侧的区域85的温度相关的信息(温度信息)的温度分布信息513的步骤。在温度信息获取步骤S41中，如上所述，温度计97获取上游侧区域85中的温度分布信息513。
(冷却速度参数获取步骤S43)
冷却速度参数获取步骤S43是基于作为与上游侧区域85的温度相关的信息(温度信息)的温度分布信息513，获取表示上游侧区域85的冷却速度的参数(冷却速度参数)P的步骤。在冷却速度参数获取步骤S43中，如上述那样，参数获取部110获取冷却速度参数P。
(造形状态判断步骤S45)
造形状态判断步骤S45是基于冷却速度参数P判断造形状态的步骤。在造形状态判断步骤S45中，例如如上所述，造形状态判断部120基于冷却速度参数P计算上游侧区域85的冷却速度Vc。即，造形状态判断步骤S45的前期是计算上游侧区域85的冷却速度Vc的步骤。
然后，在造形状态判断步骤S45中，例如若计算出的冷却速度Vc为阈值Vth以上，则从将焊道83的组织的状态保持为所期望的状态这样的观点考虑，认为冷却速度Vc保持在适当的范围内，造形状态判断部120判断为造形状态良好。
在造形状态判断步骤S45中，例如若计算出的冷却速度Vc低于阈值Vth，则从将焊道83的组织的状态保持为所期望的状态这样的观点考虑，认为冷却速度Vc脱离适当的范围，造形状态判断部120判断为造形状态不良。
当在造形状态判断步骤S45中判断为造形状态良好时，步骤S50判断为是而进入步骤S60。
在步骤S60中，控制装置20判断层叠造形是否完成。
在层叠造形完成的情况下，结束本流程图中的处理。
在层叠造形未完成的情况下，控制装置20以返回粉末床形成步骤S20而将原料粉末30以规定的厚度进行层叠的方式控制各部。
(照射停止步骤S70)
当在造形状态判断步骤S45中判断为造形状态不良时，步骤S50判断为否而进入照射停止步骤S70。
照射停止步骤S70是使光束65的照射停止的步骤。在照射停止步骤S70中，控制装置20以中断光束65的照射的方式对光束照射部9的振荡装置91输出控制信号等，控制层叠造型装置1的各部。
(冷却等待步骤S80)
冷却等待步骤S80是在照射停止步骤S70中使光束65的照射停止后，为了使造形物15的温度降低而进行等待的步骤。在冷却等待步骤S80中，控制装置20例如控制层叠造形装置1的各部，使其等待至用温度计97测定出的造形物15的温度下降至预定的温度为止。控制装置20例如当判断为用温度计97测定出的造形物15的温度成为预定的温度以下时，进入步骤S60，判断层叠造形是否完成。
需要说明的是，如上所述，在冷却等待步骤S80中，控制装置20例如也可以控制层叠造形装置1的各部，使其等待至经过预定的等待时间为止。在该情况下，控制装置20在预定的等待时间后进入步骤S60，判断层叠造形是否完成。
本发明并不限定于所述的实施方式，也包括对所述的实施方式加以变形的方式、将这些方式进行适当组合的方式。
例如，将上述的几个实施方式的造形工艺的监视方法，作为在进行由粉末床法实现的层叠造形方法的情况下的应用例进行了说明，但也可以应用于由DED(Direct EnergyDeposition：定向能量沉积法)实现的层叠造形方法。
此外，在上述的几个实施方式的造形工艺的监视方法中，求出冷却速度参数P作为检测元件97a上的每1个像素的温度的变化量ΔT’/Δx’，根据该变化量ΔT’/Δx’求出冷却速度Vc。然后，通过将求出的冷却速度Vc与预定的冷却速度的阈值Vth进行比较来判断造形状态的优劣。
但是，例如也可以不求出冷却速度Vc而判断造形状态的优劣。具体而言，例如，也可以通过将作为冷却速度参数P而求出的变化量ΔT’/Δx’与相对于该变化量的预定的阈值Ath进行比较来判断造形状态的优劣。需要说明的是，在该情况下的阈值Ath为与冷却速度的阈值Vth对应的、每一个像素的温度的变化量ΔTth’/Δx’。
在上述的几个实施方式中，虽然未特别明示，但在图2所示的光束照射部9中，振荡装置91构成为例如输出被称为高斯光束(Gaussian beam)、具有TEMoo模式的强度分布的光束65。但是，例如在使用适于减慢冷却速度来进行施工的原料粉末30的情况下，也可以将从振荡装置91输出的光束65通过变换装置转换为例如具有二阶以上的高阶模式、顶帽形的强度分布的光束等。由此，在粉末床8上的光束65的强度分布发生变化，成为对更广的范围照射光束65的情况，因此造形物15容易变暖，降低冷却速度。
不过，即使在该情况下，也如上述那样判断冷却速度Vc是否进入了管理范围内为好。
例如像以下那样掌握上述各实施方式所记载的内容。
(1)本发明的至少一个实施方式的造形工艺的监视方法具备：获取与比对原料(原料粉末30)照射作为能量束的光束65而形成的熔池81靠光束65的扫描方向上游侧的区域(上游侧区域85)的温度相关的信息的步骤(温度信息获取步骤S41)；基于上述与温度相关的信息，获取表示上游侧区域85的冷却速度Vc的参数(冷却速度参数)P的步骤(冷却速度参数获取步骤S43)；以及基于冷却速度参数P，判断造形状态的步骤(造形状态判断步骤S45)。
根据上述(1)的方法，获取上游侧区域85的温度信息，基于上游侧区域85的温度信息，获取表示上游侧区域85的冷却速度Vc的冷却速度参数P，因此得到将焊道83的冷却速度Vc保持在适当的范围内所需要的信息。然后，在造形状态判断步骤S45中，能基于冷却速度参数P来判断造形状态的优劣。由此，有助于提高层叠造形中的造形物15的质量。
(2)在几个实施方式中，在上述(1)的方法中，与上述的温度相关的信息至少包括上游侧区域85中的沿着扫描方向的位置不同的至少两点中的同时刻的温度为好。
根据上述(2)的方法，无需得到不同时刻的信息，因此能缩短用于获取表示上游侧区域85的冷却速度Vc的冷却速度参数P的所需时间。
由此，能迅速地判断造形状态。
(3)在几个实施方式中，在上述(1)或(2)的方法中，冷却速度参数获取步骤S43，基于上述的温度信息，求出某时刻t的相对于扫描方向的位置的差Δx的温度差ΔT作为冷却速度参数P。
根据上述(3)的方法，通过求出某时刻t的相对于扫描方向的位置的差Δx的温度差ΔT，能得到表示上游侧区域85的冷却速度Vc的冷却速度参数P。
(4)在几个实施方式中，在上述(3)的方法中，还具备：基于上述温度差ΔT和光束65的扫描速度Vs，计算上游侧区域85的冷却速度Vc的步骤(造形状态判断步骤S45的前期)。
如上所述，若扫描速度Vs恒定，预先知道扫描速度Vs，则能根据某时刻t中的扫描方向的位置的差Δx，求出温度下降上述的温度差ΔT的量所需要的时间。即，根据上述(4)的方法，若扫描速度Vs恒定，预先知道扫描速度Vs，则能计算出上游侧区域85的冷却速度Vc。
(5)在几个实施方式中，在上述(1)至(4)的几个方法中，上游侧区域85为比温度与原料的熔点Tm相等的位置靠扫描方向上游侧。
根据上述(5)的方法，能获取对组织的状态造成影响的温度区域中的表示冷却速度Vc的参数。由此，基于该参数，能判断组织的状态。
(6)在几个实施方式中，在上述(1)至(5)的几个方法中，在上游侧区域85包含随着趋向扫描方向上游侧而温度单调降低的第一区域521和随着趋向扫描方向上游侧而温度不发生单调降低的第二区域522情况下，在温度信息获取步骤S41中，在比第二区域522靠扫描方向上游侧获取与随着趋向扫描方向上游侧而温度单调降低的第三区域523的温度相关的信息。
根据上述(6)的方法，温度信息获取步骤S41能获取与比熔点Tm低的温度相关的信息，即，能获取冷却速度Vc对焊道83的组织的状态造成影响的温度区域中的温度信息。由此，能准确地掌握焊道的组织的状态。
(7)在几个实施方式中，在上述(6)的方法中，在温度信息获取步骤S41中，针对第三区域523中的、比第二区域522的温度低第二区域522的温度与室温Tr的温度差的二分之一的温度的温度以上的温度的区域，获取与温度相关的信息。
根据上述(7)的方法，第三区域523中，将比第二区域522的温度低第二区域522的温度与室温Tr的温度差的二分之一的温度的温度Tu设为下限，能获取与关于成为该温度Tu以上的温度的区域的温度相关的信息。即，根据上述(7)的方法，能获取第三区域523中，特别是与关于成为与熔点Tm相对较近的温度的区域的温度相关的信息。由此，能更准确地掌握焊道的组织的状态。
(8)本发明的至少一个实施方式的层叠造形方法具备：对原料(原料粉末30)照射作为能量束的光束65的步骤(照射步骤S30)；以及通过上述(1)至(7)的几个造形工艺的监视方法来判断造形状态的步骤(造形状态判断步骤S40)。
根据上述(8)的方法，具备通过上述(1)至(7)的几个造形工艺的监视方法来判断造形状态的步骤(造形状态判断步骤S40)，因此能基于表示上游侧区域85的冷却速度Vc的冷却速度参数P来判断造形状态的优劣。由此，能提高层叠造形中的造形物15的质量。
(9)在几个实施方式中，在上述(8)的方法中，当在造形状态判断步骤S40中判断为造形状态不良时，在照射步骤S30中，中断光束65的照射。
根据上述(9)的方法，通过中断光束65的照射能降低造形中途的造形物15的温度。由此，防止上游侧区域85的冷却速度Vc变得比适当的范围小。
(10)本发明的至少一个实施方式的造形工艺的监视装置100具备：信息获取部50，获取与比对原料(原料粉末30)照射作为能量束的光束65而形成的熔池81靠光束65的扫描方向上游侧的区域(上游侧区域85)的温度相关的信息；参数获取部110，基于与上游侧区域85的温度相关的信息，获取表示上游侧区域85的冷却速度Vc的参数；以及判断部(造形状态判断部120)，基于该参数，判断造形状态。
根据上述(10)的结构，获取与上游侧区域85的温度相关的信息，基于与上游侧区域85的温度相关的信息，获取表示上游侧区域85的冷却速度Vc的参数，因此得到将焊道83的冷却速度Vc保持在适当的范围内所需要的信息。并且，在造形状态判断部120中，能基于该参数判断造形状态的优劣。由此，有助于提高层叠造形中的造形物15的质量。
(11)本发明的至少一个实施方式的层叠造形装置1具备：能量束照射部(光束照射部)9，能对原料(原料粉末30)照射作为能量束的光束65；以及上述(10)的结构的造形工艺的监视装置100。
根据上述(11)的结构，具备上述(10)的结构的造形工艺的监视装置100，因此能基于表示上游侧区域85的冷却速度Vc的参数来判断造形状态的优劣。由此，能提高层叠造形中的造形物15的质量。
(12)在几个实施方式中，在上述(11)的结构中，还具备用于获取上述的温度信息的测定光学系统53。能量束照射部9具有：生成部(振荡装置91)，生成作为能量束的光束65；以及照射光学系统900，用于对原料(原料粉末30)照射光束65。测定光学系统53的一部分与照射光学系统900的至少一部分共用。
根据上述(12)的结构，能抑制层叠造形装置1中的光学系统的结构的复杂化。
附图标记说明
1层叠造形装置
8粉末床
9能量束照射部(光束照射部)
20控制装置
50信息获取部
53测定光学系统
81熔池
83焊道
85区域(上游侧区域)
91振荡装置
93扫描装置
95分光器
97温度计
513温度分布信息
521第一区域
521第一区域
523第三区域
930扫描光学系统
931反射镜。

Claims (12)

1.一种造形工艺的监视方法，包括：
获取与比对原料照射能量束而形成的熔池靠所述能量束的扫描方向上游侧的区域的温度相关的信息的步骤；
基于与所述温度相关的信息，获取表示所述区域的冷却速度的参数的步骤；以及
基于所述参数，判断造形状态的步骤。
2.根据权利要求1所述的造形工艺的监视方法，其中，
与所述温度相关的信息至少包括所述区域中的沿所述扫描方向的位置不同的至少两点的同时刻的温度。
3.根据权利要求1或2所述的造形工艺的监视方法，其中，
在获取所述参数的步骤中，基于与所述温度相关的信息，求出某时刻的相对于所述扫描方向的位置的差的温度的差作为所述参数。
4.根据权利要求3所述的造形工艺的监视方法，其中，所述造形工艺的监视方法还包括：
基于所述温度差和所述能量束的扫描速度，计算所述区域的冷却速度的步骤。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的造形工艺的监视方法，其中，
所述区域位于比温度与所述原料的熔点相等的位置靠所述扫描方向上游侧。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的造形工艺的监视方法，其中，
在获取与所述温度相关的信息的步骤中，在所述区域包含随着趋向所述扫描方向上游侧而温度单调降低的第一区域和随着趋向所述扫描方向上游侧而温度不发生单调降低的第二区域的情况下，在比所述第二区域靠所述扫描方向上游侧获取与随着趋向所述扫描方向上游侧而温度单调降低的第三区域的温度相关的信息。
7.根据权利要求6所述的造形工艺的监视方法，其中，
在获取与所述温度相关的信息的步骤中，针对所述第三区域中的、比所述第二区域的温度低所述第二区域的温度与室温的温度差的二分之一的温度的温度以上的温度的区域，获取与温度相关的信息。
8.一种层叠造形方法，包括：
对所述原料照射所述能量束的步骤；以及
通过权利要求1至7中任一项所述的造形工艺的监视方法来判断所述造形状态的步骤。
9.根据权利要求8所述的层叠造形方法，其中，
当在判断所述造形状态的步骤中判断为所述造形状态不良时，在照射所述能量束的步骤中，中断所述能量束的照射。
10.一种造形工艺的监视装置，具备：
信息获取部，获取与比对原料照射能量束而形成的熔池靠所述能量束的扫描方向上游侧的区域的温度相关的信息；
参数获取部，基于与所述区域的所述温度相关的信息，获取表示所述区域的冷却速度的参数；以及
判断部，基于所述参数，判断造形状态。
11.一种层叠造形装置，具备：
能对所述原料照射所述能量束的能量束照射部；以及
权利要求10所述的造形工艺的监视装置。
12.根据权利要求11所述的层叠造形装置，其中，
还具备：测定光学系统，用于获取与所述温度相关的信息，
所述能量束照射部具有：生成部，生成作为所述能量束的光束；以及照射光学系统，用于对所述原料照射所述光束，
所述测定光学系统的一部分与所述照射光学系统的至少一部分共用。
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