CN116323083A - 层叠造形方法、层叠造形装置及层叠造形系统 - Google Patents

层叠造形方法、层叠造形装置及层叠造形系统 Download PDF

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筱原畅宏
森田大嗣
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Abstract

本发明的层叠造形方法为了执行精度高的层叠造形，具有：温度测定工序，对加工对象物(sc)或造形材料(pm)的温度进行测定而作为温度数据(td)进行输出；控制工序，基于包含基本指令(bcv)及加工条件(pc)在内的基本加工程序(bpr)和温度数据而对基本指令进行校正，决定包含材料供给指令(md)、热源供给部指令(hc)、驱动指令(dc)及气体供给指令(gc)在内的校正后指令(ccv)；造形材料供给工序，基于材料供给指令对造形物的对象面的加工位置供给造形材料；热源供给工序，基于热源供给部指令将使供给至加工位置的造形材料熔融的热源(hs)供给至加工位置；驱动工序，基于驱动指令使加工位置和造形物的相对位置变化；以及气体供给工序，基于气体供给指令将在加工位置抑制造形材料的反应的保护气体(g)供给至加工位置。

Description

层叠造形方法、层叠造形装置及层叠造形系统
技术领域
本发明涉及使造形材料熔融而层叠的层叠造形方法、层叠造形装置及层叠造形系统。
背景技术
作为形成造形物的技术，已知被称为附加制造(AM：AdditiveManufacturing)的技术，即，对造形材料进行加热而使其熔融，使熔融的造形材料凝固而使造形物与基体材料等接合而形成。在附加制造技术中存在被称为直接能量沉积(DED：Directed EnergyDeposition)方式(以下称为DED方式)的方式，该方式将造形材料供给至造形部位，并且使用激光、电子束、等离子电弧等指向能量束使供给的造形材料熔融。
在专利文献1公开了生成学习模型的附加制造用学习模型生成装置，该学习模型通过将与照射出光束时或光束照射后的造形物相关的造形物状态及制造条件设为学习数据的机器学习，用于决定制造条件或用于推定造形物状态。专利文献1所记载的附加制造用学习模型生成装置应用于对配置为层状的金属粉末照射光束，对金属粉末进行加热，由此制造出造形物的方法。另外，专利文献1所记载的附加制造用学习模型生成装置的目的在于，提供能够容易地决定造形物的制造条件和容易地推定造形物状态的附加制造用学习模型生成装置等。
专利文献1：日本特开2020－15944号公报
发明内容
根据专利文献1所记载的附加制造用学习模型生成装置，通过基于机器学习的状态推定模型对加工条件进行选择。因此，由于依赖于构成造形物的各层的形状、造形条件而造形材料的入热量、造形部位的蓄热量等会发生变化，由此对造形材料或造形部位产生干扰。作为干扰的例子，能够举出由起火、过热引起的造形材料或造形部位的急剧的气化，由过热引起的造形材料或造形部位的变形等。而且，存在由于干扰、造形部位的温度偏差等，发生层叠造形物的造形精度降低这一课题。
本发明所涉及的层叠造形方法具有：温度测定工序，对加工对象物或造形材料的温度进行测定而作为温度数据进行输出；控制工序，基于包含基本指令及加工条件在内的基本加工程序和温度数据而对基本指令进行校正，决定包含材料供给指令、热源供给部指令、驱动指令及气体供给指令在内的校正后指令；造形材料供给工序，基于材料供给指令对造形物的对象面的加工位置供给造形材料；热源供给工序，基于热源供给部指令将使供给至加工位置的造形材料熔融的热源供给至加工位置；驱动工序，基于驱动指令使加工位置和造形物的相对位置变化；以及气体供给工序，基于气体供给指令将在加工位置抑制造形材料的反应的保护气体供给至加工位置。
本发明所涉及的层叠造形装置具有：温度测定部，其对加工对象物或造形材料的温度进行测定而作为温度数据进行输出；控制部，其基于包含基本指令及加工条件在内的基本加工程序和温度数据而对基本指令进行校正，决定包含材料供给指令、热源供给部指令、驱动指令及气体供给指令在内的校正后指令；造形材料供给部，其基于材料供给指令对造形物的对象面的加工位置供给造形材料；热源供给部，其基于热源供给部指令将使供给至加工位置的造形材料熔融的热源供给至加工位置；驱动部，其基于驱动指令使加工位置和造形物的相对位置变化；以及气体供给部，其基于气体供给指令将在加工位置抑制造形材料的反应的保护气体供给至加工位置。
发明的效果
根据本发明，能够执行精度高的层叠造形。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的层叠造形系统的结构的一个例子的图。
图2是表示本发明的实施方式1所涉及的加工头的周边结构的一个例子的图。
图3是表示本发明的实施方式1所涉及的旋转机构的一个例子的图。
图4是表示本发明的实施方式1所涉及的控制部的结构的框图。
图5是表示本发明的实施方式1所涉及的程序生成部的结构的一个例子的框图。
图6是表示用于将本发明的实施方式1所涉及的控制部的功能由处理电路和存储装置实现的硬件结构的一个例子的图。
图7是表示用于将本发明的实施方式1所涉及的控制部的功能由专用的处理电路实现的硬件结构的一个例子的图。
图8是表示通过本发明的实施方式1所涉及的层叠造形系统层叠造形出的造形物的一个例子的图。
图9是表示通过本发明的实施方式1所涉及的层叠造形系统进行的层叠造形中的造形物的温度分布的一个例子的图。
图10是表示本发明的实施方式2所涉及的层叠造形系统的结构的一个例子的图。
图11是表示本发明的实施方式2所涉及的控制部的结构的一个例子的图。
图12是表示本发明的实施方式3所涉及的层叠造形中断，在层叠造形恢复时对造形恢复部位进行了加热的情况下的加工对象物的温度分布的一个例子的图。
图13是例示出本发明的实施方式3中的基座板及造形物中的热流动的图。
图14是表示本发明的实施方式4所涉及的层叠造形系统的结构的一个例子的图。
图15是表示本发明的实施方式4所涉及的控制部的结构的框图。
图16是表示本发明的实施方式5所涉及的层叠造形系统的结构的一个例子的图。
图17是表示本发明的实施方式5所涉及的控制部的结构的框图。
图18是表示本发明的实施方式5所涉及的层叠造形系统的动作的一个例子的流程图。
具体实施方式
下面，基于附图对实施方式详细地进行说明。此外，以下说明的实施方式为例示，本发明的范围不受以下说明的实施方式限定。
实施方式1
图1是表示本实施方式所涉及的层叠造形系统的结构的图。图2是表示本实施方式所涉及的加工头的周边结构的图。图1及图2所示的3轴直行坐标系的轴的方向一致。层叠造形系统1000具有层叠造形装置100和加工程序生成装置200。层叠造形装置100是DED方式的附加制造装置。加工程序生成装置200生成基本加工程序bpr。层叠造形装置100执行通过热源hs对造形材料pm进行加热而使其熔融，将熔融的造形材料pm附加于基体材料bm等的附加加工。
层叠造形装置100具有对层叠造形装置100进行控制的控制部1、供给热源hs的热源供给部2、将热源hs从热源供给部2引导至加工头6为止的热源路径3及供给保护气体g的气体供给部4。层叠造形装置100具有将气体供给部4和加工头6之间连通而供保护气体g经过的配管5。另外，层叠造形装置100具有朝向加工位置p供给热源hs及加工气体g的加工头6。
并且，层叠造形装置100具有使加工头6移动的加工头驱动部71、朝向加工位置p供给造形材料pm的造形材料供给部8、对温度进行测定的温度测定部9、对基座部件bm进行固定的工作台10、使工作台10旋转的工作台旋转机构72及吸入烟、灰尘等的集尘器12。图1的造形材料pm作为线状的金属而进行说明。
在本实施方式的图2所示的结构例中，在工作台旋转机构72之上固定有工作台10。在工作台10之上固定有基体材料bm。将基体材料bm作为基材而在层叠造形时对基体材料bm附加焊道。在这里，将通过供给热源hs而熔融的造形材料pm附加于加工对象物оp等凝固而成的物体称为焊道。造形物sc由一个或多个焊道形成。
另外，焊道可以包含珠状焊道、线焊道等。在这里，将半球状的形状的焊道称为珠状焊道，将棒状即线状的焊道称为线焊道。而且，将造形珠状焊道的工序称为点造形，将造形线焊道的工序称为线造形。将在各时刻由层叠造形系统1000附加焊道的造形物sc中的位置称为加工位置p。此外，层叠造形系统1000可以仅通过点造形进行层叠造形，也可以仅通过线造形进行层叠造形，也可以兼用点造形及线造形而进行层叠造形。
在图1、图2中例示的基体材料bm为板状的形状，但基体材料bm的形状并不限定于板状。将通过层叠造形对基体材料bm形成的造形物称为造形物sc。而且，将基体材料bm和造形物sc合起来称为加工对象物оp。将加工对象物оp的附加焊道的面称为对象面ts。层叠造形装置100供给热源hs而使造形材料pm熔融。与其并行地，驱动部7基于驱动指令dc使加工位置p和造形物sc之间的相对位置变化。驱动部7具有加工头驱动部71及工作台旋转机构72。通过由工作台旋转机构72进行的工作台10的旋转、由加工头驱动部71进行的加工头6的移动而使加工位置p变化。由此，将焊道附加于对象面ts，对造形物sc进行层叠造形。
热源供给部2基于热源供给部指令lc而供给热源hs。图2的热源供给口14将对加工材料进行加热而使其熔融的热源即热源hs朝向加工对象物оp输出。热源hs只要能够对造形材料pm进行加热即可。作为热源hs的例子，能够举出激光束、电子束、电弧放电等。热源供给部2和加工头6之间由热源路径3连接。热源供给部2产生的热源hs经由热源路径3而供给至热源供给口14。
气体供给部4基于气体供给指令gc将保护气体g向加工位置p供给。在这里，保护气体g是用于抑制造形材料pm的反应的气体。例如，可以是为了抑制存在于空气中的氧气、氮气或氢气和造形材料pm之间的化学反应而吹出的气体。作为保护气体g的例子，能够举出氦气、氖气、氩气等惰性气体。另外，为了抑制与氧气的反应即燃烧，也可以使用氮气。气体供给部4和加工头6之间由配管5连通。气体供给部4基于气体供给指令gc从气体喷嘴13朝向加工对象物оp供给保护气体g。将保护气体g朝向对象面ts的加工位置p喷出，由此可以抑制造形物sc的氧化，抑制与空气中所包含的氢气、氮气等的化学反应，冷却焊道等。另外，例如在珠状焊道造形时，为了提高冷却速度、氧化防止效果，可以使喷嘴前端接近焊道。另外，可以将热源供给口14、线材供给嘴80及气体喷嘴13与加工头6一体地固定，也可以对热源供给口14、线材供给嘴80及气体喷嘴13之间的位置关系进行固定。通过如上所述的结构，可以抑制由它们之间的位置关系的变化引起的加工条件pc的变化，实现稳定的加工。另外，可以构成为将配管5与热源供给口14连通，从热源供给口14将热源hs和保护气体g一起输出。如果设为如上所述的结构，则气体喷嘴13和热源供给口14一体化，因此与图1的结构相比，能够减少气体喷嘴13及热源供给口14的制作费用。
造形材料供给部8朝向加工位置p供给造形材料pm。在图1的例子中，造形材料供给部8作为造形材料pm而供给线。造形材料并不限定于线。作为造形材料pm的形态的例子，能够举出线状、粉末状、液体状等。另外，作为造形材料pm的材质的例子，能够举出金属、树脂等。在图1的例子中，卷线筒驱动装置82基于由控制部1决定出的材料供给指令md使线材卷线筒81旋转，由此从线材卷线筒81抽出作为造形材料pm的线。从线材卷线筒81抽出的造形材料pm经过线材供给嘴80而供给至加工位置p。在下面的说明中，有时将从线材卷线筒81朝向照射位置的造形材料pm的速度称为线供给体积速度。
在图1的例子中，从加工头6的热源供给口14向z轴方向供给热源hs。
另外，在图1的例子中，线材供给嘴80的出射口在xy面内处于与热源供给口14分离的位置。而且，造形材料pm经过线材供给嘴80，由此相对于热源hs非平行地使造形材料pm行进。控制部1通过使线材供给嘴80的供线经过的孔和热源的供给方向之间的角度变化，从而可以对造形材料pm的行进方向、附加造形材料pm的加工位置p等进行控制。
此外，可以将线材供给嘴80与热源供给口14同轴地设置。例如，将线材供给嘴80、气体喷嘴13及热源供给口14的外形设为圆锥台的侧面形状。而且，可以以线材供给嘴80为中心进行配置，在其周边配置气体喷嘴13及热源供给口14。另外，也可以以热源供给口14为中心进行配置，以将其周围包围的方式对多个线材供给嘴80进行配置，将激光的扫描方向和供给造形材料pm的方向设为恒定。另外，也可以将造形材料pm的释放口设置多个，将多个不同的造形材料pm从各释放口供给。
此外，可以从喷嘴作为造形材料pm而朝向加热位置喷出粉末金属。在作为造形材料pm而使用粉末金属的情况下，能够使用下述等方式：使用保护气体g的负压的方式；以及从输送粉末金属的粉末输送管在造形定时进行加压喷射的方式等。将粉末金属喷出的喷嘴可以配置为喷出的粉末金属的方向及位置与向图2中例示出的加工位置p供给的线状的造形材料pm大致一致。另外，使用保护气体g的负压的方式，例如以将粉末喷嘴的喷射口周围包围的方式对保护气体的喷出口进行配置。而且，可以构成为相对于从粉末喷嘴的喷射口飞出的粉末，保护气体的射流以大致平行地将粉末包围的方式行进。
在图2中图示出气体喷嘴13及热源供给口14的剖面。气体喷嘴13及热源供给口14的外形均是圆锥台的侧面的形状。在将气体喷嘴13的外形形状设为第1圆锥台，将热源供给口14的外形形状设为第2圆锥台时，第2圆锥台的上底及下底的直径各自小于第1圆锥台的上底及下底的直径。而且，第1圆锥台和第2圆锥台是相对于一个旋转轴而旋转对象的形状。如上所述，可以将气体喷嘴13和热源供给口14相对于一个旋转轴而设为旋转对象的形状。另外，可以将热源hs和保护气体g朝向加工位置p供给至一个轴上。另外，可以以保护气体g将热源hs碰到加工位置p的位置包围的方式使保护气体g喷出。此外，可以设置加工头6的角度调整机构。例如，可以将加工头6固定于以与x轴平行的方向为旋转轴而使其旋转的旋转工作台。在使用了旋转工作台的情况下，加工头6能够对5轴驱动中的A、B轴的倾斜角进行调整，因此可以不使造形物sc倾斜。在造形物sc成为大型重物的情况下，如果使造形物sc倾斜，则层叠造形装置100的惯性增加，有时难以高精度地高速移动。如果在加工头6设置旋转机构，则无需使造形物sc的角度变化，能够更高精度地高速地执行加工。
加工头驱动部71基于驱动指令dc使加工头6移动。图1的加工头驱动部71向彼此垂直的x轴方向、y轴方向及z轴方向的各方向使加工头6移动。加工头驱动部71可以是能够进行3轴方向的平移运动的动作机构。例如，加工头驱动部71可以具有向x轴方向、y轴方向、z轴方向的各方向使加工头6移动的伺服电动机。层叠造形装置100通过加工头驱动部71及工作台旋转机构72使加工位置p和造形物sc的相对位置变化，由此能够使对象面ts中的热源hs的照射位置变化。
工作台旋转机构72基于驱动指令dc使工作台10旋转。图3是表示本实施方式所涉及的工作台旋转机构的一个例子的图。工作台10安装于工作台旋转机构72的旋转部件16a。工作台旋转机构72基于由控制部1决定出的驱动指令dc，以第1轴或第2轴为中心使旋转部件16a、工作台10及加工对象物оp旋转。在这里，第2轴相对于第1轴垂直。
如果工作台10旋转，则加工对象物оp和加工头的相对的角度、位置等发生变化。例如，工作台旋转机构72可以具有将图3的c轴及a轴作为旋转轴而旋转的旋转部件16a。可以将工作台10固定于旋转部件16a。并且，工作台旋转机构72可以基于驱动指令dc使旋转部件16a及工作台10旋转。
例如，工作台旋转机构72可以构成为，能够独立地执行将c轴设为旋转轴的旋转方向rc及将a轴设为旋转轴的旋转方向ra的2个旋转部件16a的旋转。a轴及c轴的朝向能够任意地取得。例如，可以将a轴设为与x轴平行，将c轴设为与z轴平行。另外，例如工作台旋转机构72可以具有执行旋转方向ra及旋转方向rc这2个旋转的伺服电动机。通过使用工作台旋转机构72，从而例如可以对锥状的形状等复杂的形状进行层叠造形。
本实施方式的图1、图2的例子中的温度测定部9是温度测定器，对加工位置p、加工对象物оp、造形材料pm等的温度进行测定而作为温度数据td进行输出。
层叠造形装置100具有通过吸入加工位置p的周边的气氛，从而对从加工位置p产生的粉尘进行集尘的集尘器12。由此，能够去除或减少在层叠造形中存在于加工位置p的周围的飞散物、烟等。此时，也可以对飞散物、冒烟物等与保护气体g一起进行吸引。吸引的飞散物、烟及保护气体g可以回收箱至回收箱。在造形材料pm等是氧化性高的物质或反应性高的物质的情况下，可以使用填充有惰性气体的回收箱而防止起火、爆炸等。此外，也能够执行省去了通过吸入加工位置p的周边的气氛，从而对从加工位置p产生的粉尘进行集尘的吸引工序的层叠造形方法。而且，也能够构成省去了集尘器12的层叠造形装置100。但是，为了抑制起火、爆炸等，本发明的层叠造形方法优选具有吸引工序。而且，层叠造形装置100优选具有集尘器12。
控制部1基于基本加工程序bpr及温度数据td，将热源供给部指令lc、材料供给指令md、气体供给指令gc、驱动指令dc决定为校正后指令ccv。图4是表示本实施方式所涉及的控制部的结构的一个例子的图。控制部1具有控制器52、差分器53及输出部54。控制部1从加工程序生成装置200取得基本加工程序bpr。在这里，基本加工程序bpr包含用于执行层叠造形的基本指令bcv、用于执行层叠造形的加工条件pc。另外，基本指令bcv是执行通过控制部1进行的校正前的指令，是校正前的热源供给部指令、校正前的材料供给指令、校正前的气体供给指令、校正前的驱动指令。
驱动指令dc对加工路径进行指定。加工路径是使加工对象物оp和加工头6之间的相对位置变化的移动路径。此外，也可以将加工路径设为对立体的造形物sc进行造形的路径。另外，也可以将加工路径设为热源hs的照射位置进行移动的路径。也可以将控制部1例如设为数控装置。加工条件pc是由层叠造形装置100执行的加工中的条件、参数。
作为本实施方式中的加工条件pc的例子，能够举出加工位置p的温度的设定目标值、供给至加工位置p的造形材料pm的温度的设定目标值、ts的温度的设定目标值、造形材料pm的每单位时间的供给量的设定目标值等。加工条件pc可以与层叠造形的状况、造形物sc中的加工位置p相应地设定不同的值。
控制部1从温度测定部9取得温度数据td。差分器53对加工条件pc和温度数据td之间的差分d进行计算。控制器52基于计算出的差分d而决定校正后加工程序ppr。校正后加工程序ppr是具有与基本加工程序bpr相同的构造的程序，包含加工条件pc及向各部的校正后指令ccv。输出部54基于校正后加工程序ppr而决定校正后指令ccv。校正后指令ccv是通过控制部1校正后的指令，包含热源供给部指令lc、材料供给指令md、气体供给指令gc、驱动指令dc。
例示出图4中的控制部1的动作。差分器53作为差分d，对温度数据td所包含的加工位置p的温度和造形材料pm的熔点、沸点等所确定的温度目标值的差进行计算而作为差分d。控制器52基于计算出的差分d而决定校正后加工程序ppr。输出部54对热源供给部指令lc进行输出。由此，能够与层叠造形并行地，与加工位置p的温度监视值相应地对加工位置p的温度进行控制。由此，能够将加工位置p、造形材料pm、加工对象物оp等的温度确保为与加工条件pc所包含的温度设定的目标值接近的值。
例如，可以将造形材料pm的温度保持为造形材料pm的熔点和起火温度之间的温度。由此，能够一边避免起火或减少起火的发生次数，一边执行层叠造形，因此能够提高层叠造形的精度。另外，可以将造形材料pm的温度保持为具有在造形材料pm中不会发生液滴化这一程度的粘度的温度。在这里，将熔融的造形材料pm的粘度降低而成为滴状，由此加工精度降低的状态称为液滴化。由此，能够一边抑制液滴化，一边执行层叠造形，因此能够提高层叠造形的精度。另外，能够减少由起火、液滴化等引起的层叠造形装置100停止的发生次数，因此能够提高层叠造形的速度、效率。
在这里，作为对造形材料pm、加工位置p、对象面ts的温度进行控制的动作例，有时控制部1决定热源供给部指令lc而对热源hs的供给量进行控制。另外，有时控制部1决定气体供给指令gc而对保护气体g的量进行控制。加热、冷却的方法并不限定于热源hs的量、保护气体g的流量。例如，也可以对线材供给嘴80的角度进行变更而对向造形材料pm的每单位量的入热量进行调整。另外，也可以通过变更加工路径而引起的造形顺序的变更、集尘器12的吸引空气量的变更等对入热量、排热量进行调整。控制部1可以对上述例示出的参数进行组合，对造形物sc、造形材料pm等的温度进行控制。
在希望降低加工位置p的温度的情况下，可以执行增加保护气体g的流量、减少热源hs的供给量、增加造形材料pm的供给量、降低加工位置p的移动速度之中的至少任一个。另外，在希望提高加工位置p的温度的情况下，可以执行下一个动作的任一个。即，可以执行减少保护气体g的流量、增加热源hs的供给量、减少造形材料pm的供给量、提高加工位置p的移动速度之中的至少任一个。另外，在基于温度数据td对起火进行观测的情况下，可以执行降低上述温度的动作而抑制起火。
也能够与通过集尘器12进行的烟、飞散物、灰尘的吸引组合而执行通过上述说明的控制部1进行的基于温度数据td的层叠造形装置100的各部的控制。通过集尘器12的动作抑制起火、液滴化、爆炸等的发生，因此通过控制部1进行的加工状态的控制的精度进一步提高。例如，能够提高加工位置p的温度的精度。另外，能够减小构成层叠造形物的各焊道的从目标形状起的偏差。并且，温度测定部9在温度数据td的测量时，抑制作为噪声而赋予影响的起火、液滴化、爆炸等的发生，由此能够输出更准确的温度数据td。由此，通过控制部1进行的基于温度数据td的层叠造形装置100的各部的控制的精度提高，能够更高精度地执行层叠造形。
图5是表示本实施方式所涉及的加工程序生成装置200的结构的一个例子的框图。可以将加工程序生成装置200设为生成用于对层叠造形装置100进行控制的基本加工程序bpr的CAM(Computer Aided Manufacturing)装置。加工程序生成装置200具有从加工程序生成装置200的外部取得数据的数据输入部201、对数据进行存储的数据存储部202、生成加工路径的加工路径生成部203、生成基本加工程序bpr的加工程序生成部204。在图5所示的结构中，数据收发的路径示出为一个方向，但也可以是加工程序生成装置200的各结构要素能够相互地收发数据的结构。
数据输入部201从加工程序生成装置200的外部取得输入至加工程序生成装置200的CAD(Computer-Aided Design)数据300及层叠条件数据400。数据存储部202从数据输入部201取得CAD数据300及层叠条件数据400并进行存储。CAD数据300可以是表示通过层叠造形装置100附加制造的造形物sc的成品形状的造形形状数据。也可以仅设为CAD数据300。造形形状数据例如可以是通过数值表示造形物sc的成品形状的轮廓的数据。
此外，造形形状数据并不限定于在此例示出的数据的形式。CAD数据300只要是加工程序生成装置200能够基于CAD数据300生成基本加工程序bpr的数据即可。另外，数据输入部201也可以在CAD数据300的基础上，还取得层叠条件数据400而输出至数据存储部202。层叠条件数据400可以是与焊道有关的信息。作为与焊道有关的信息的例子，能够举出表示要形成的焊道是珠状焊道还是线焊道的信息，与焊道的尺寸、形状、规格等相关的信息。将在基本加工程序bpr的生成中使用的表示线焊道的形状的信息称为线焊道形成信息。将在基本加工程序bpr的生成中使用的表示珠状焊道的形状的信息称为珠状焊道形成信息。例如，可以将线焊道的宽度的目标值、线焊道的高度的目标值等设为线焊道形成信息，加入至层叠条件数据400。另外，例如也可以将珠状焊道的直径的目标值、珠状焊道的高度的目标值等加入至层叠条件数据400。
数据存储部202对从数据输入部201发送出的CAD数据300及层叠条件数据400进行存储。加工路径生成部203从数据输入部201对CAD数据300及层叠条件数据400进行接收。而且，加工路径生成部203基于CAD数据300及层叠条件数据400而生成加工路径。加工路径生成部203可以对CAD数据300及层叠条件数据400进行解析，基于解析后的结果而生成加工路径。
在这里，加工路径是进行线焊道或珠状焊道的附加加工的路径，例如可以是加工头6的刀具路径。加工程序生成部204取得加工路径。加工程序生成部204根据所取得的加工路径而生成基本加工程序bpr。基本加工程序bpr可以通过对用于形成线焊道或珠状焊道的加工头6的轨迹进行指示，从而对加工路径进行指定。加工程序生成部204可以基于层叠条件数据所包含的焊道信息，将加工路径分配为进行通过珠状焊道实施的附加加工的部分和进行通过线焊道实施的附加加工的部分。另外，加工程序生成部204可以使用在内部保存的与线焊道和珠状焊道的区分使用有关的判定基准而分配加工路径。控制部1如图4所示，从加工程序生成部204取得基本加工程序bpr。以上是加工程序生成装置200的结构的一个例子。
图6是表示用于将本实施方式所涉及的控制部1的功能通过处理电路和存储装置实现的硬件结构的一个例子的图。控制部1例如是使用用于执行层叠造形装置100的控制的程序即控制程序而实现的。控制部1具有执行各种处理的CPU(Central Processing Unit)41、包含数据储存区域的RAM(Random Access Memory)42、非易失性存储器即ROM(ReadOnly Memory)43、外部存储装置44和用于信息向控制部1的输入及信息从控制部1输出的输入输出接口45。图4所示的各部经由总线46相互地连接。
CPU 41执行在ROM 43及外部存储装置44中存储的程序。通过控制部1进行的层叠造形装置100的控制是使用CPU 41实现的。外部存储装置44是HDD(Hard Disk Drive)或者SSD(Solid State Drive)。外部存储装置44对控制程序和各种数据进行存储。在ROM43中存储有用于进行作为控制部1的计算机或者控制器的基本控制的程序即BIOS(Basic Input/Output System)或者UEFI(Unified Extensible Firmware Interface)这样的启动加载器，且对硬件进行控制的软件或者程序。此外，控制程序也可以存储于ROM 43。
在ROM 43及外部存储装置44中存储的程序载入至RAM 42。CPU 41在RAM 42将控制程序展开而执行各种处理。输入输出接口45是控制部1的与外部的装置的连接接口。向输入输出接口45输入校正后加工程序bpr。另外，输入输出接口45输出各种指令。控制部1可以具有如键盘及指点设备这样的输入设备及如显示器这样的输出设备。控制程序可以存储于计算机可读取的存储介质中。控制部1可以将在存储介质中存储的控制程序向外部存储装置44储存。存储介质可以是软盘即移动型存储介质，或者半导体存储器即闪存。控制程序可以从其他计算机或者服务器装置经由通信网络向成为控制部1的计算机或者控制器进行安装。
图7是表示用于将本实施方式所涉及的控制部1的功能通过专用的处理电路实现的硬件结构的一个例子的图。控制部1的功能也能够通过图5所示的专用的硬件即处理电路47实现。处理电路47是单一电路、复合电路、被程序化的处理器、被并行程序化的处理器、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field-Programmable GateArray)或它们的组合。控制部1的功能可以将一部分通过专用的硬件实现，将另一部分通过软件或者固件实现。
此外，加工程序生成装置200的功能是能够通过具有图6所示的结构的硬件执行控制程序而实现的，该控制程序是用于执行加工程序生成装置200的控制的程序。另外，加工程序生成装置200的功能也能够使用图7所示的专用的硬件即处理电路47执行控制程序而实现。
接下来，对层叠造形时的造形精度进行叙述。图8是表示通过本实施方式的层叠造形系统层叠造形出的造形物的一个例子的图。图9是表示通过本实施方式的层叠造形系统进行的层叠造形中的造形物的温度分布的一个例子的图。图9的造形物sc1设为与图8所示的造形物sc1相同。造形物sc1是圆筒状的形状，朝向图示的3轴直行坐标系的z轴的正方向进行层叠。在下面的说明中，有时将z轴的正朝向称为从下方朝向上方的方向。造形物sc1具有与z轴垂直的多个层，在层之间描绘出实线。
图9的上表面涂黑，示出了对上表面供给热源hs，上表面被加热的情况。在图9通过阴影线等示出了温度分布。如该温度分布所示，造形物sc1的温度依赖于加工位置p即造形部位和加工位置p的高度即造形高度这两者而不同。在图9的例子中，随着造形高度提高而向基体材料bm的排热变小，造形物sc1的蓄热量增加。其结果，在将由热源hs产生的入热及由保护气体g产生的排热维持为相同而连续层叠的情况下，在造形物sc1的上层部中与下层部相比大多成为高温。在如上所述的情况下，在与下层的状况相匹配地决定出校正后指令ccv的情况下，在上层部中成为温度比适当温度高的状态即过热。
造形物sc1成为过热状态，由此发生由造形材料pm的粘性的降低引起的液滴化、造形材料pm的塌边等，有时在造形物sc1的形状中发生从设为目标的造形形状的偏差。例如，在不对基本加工程序bpr所包含的基本指令bcv进行校正而直接作为校正后指令ccv使用的情况下，有时会发生上述这样的偏差。在该层叠造形的每一层的高度的偏差为几μm至几十μm的微小值的情况下，在进行几百层层叠的层叠造形的情况下，最终层叠后的形状和目标形状的差异也有时变大。
如以上说明所述，本实施方式的层叠造形方法具有：温度测定工序，对加工对象物оp或造形材料pm的温度进行测定而作为温度数据td进行输出；控制工序，基于包含基本指令bcv及加工条件pc在内的基本加工程序bpr和温度数据td而对基本指令bcv进行校正，决定包含材料供给指令md、热源供给部指令lc、驱动指令dc及气体供给指令gc在内的校正后指令；造形材料供给工序，基于材料供给指令md而对造形物的对象面的加工位置供给造形材料；热源供给工序，将使基于热源供给部指令lc而供给至加工位置的造形材料熔融的热源供给至加工位置；驱动工序，基于驱动指令dc使加工位置和造形物的相对位置变化；以及气体供给工序，基于气体供给指令gc将在加工位置处抑制造形材料的反应的保护气体供给至加工位置。
另外，本实施方式的层叠造形方法具有对加工位置的周围的气氛进行吸引的吸引工序。
另外，本实施方式的层叠造形装置100具有：温度测定部9，其对加工对象物оp或造形材料pm的温度进行测定而作为温度数据td进行输出；控制部1，其基于包含基本指令bcv及加工条件pc在内的基本加工程序bpr和温度数据td对基本指令bcv进行校正，决定包含材料供给指令md、热源供给部指令lc、驱动指令dc及气体供给指令gc在内的校正后指令；造形材料供给部8，其基于材料供给指令md而对造形物的对象面的加工位置供给造形材料；热源供给部，其将使基于热源供给部指令lc而供给至加工位置的造形材料熔融的热源供给至加工位置；驱动部7，其基于驱动指令dc使加工位置和造形物的相对位置变化；以及气体供给部4，其基于气体供给指令gc将在加工位置处抑制造形材料的反应的气体即保护气体供给至加工位置。
另外，本实施方式的层叠造形系统1000具有层叠造形装置100和生成基本加工程序bpr的加工程序生成装置200。
而且，控制部1基于基本加工程序bpr及温度数据td而决定校正后指令ccv，由此能够使加工位置p的温度接近目标值。另外，能够抑制起火、液滴化、爆炸等的发生。由此，能够提高层叠造形的精度。另外，具有加工程序生成装置200，由此能够生成与表示成品形状的造形形状数据相对应的基本加工程序bpr，由此能够提高层叠造形的精度。
另外，根据本实施方式，具有对包含粉尘、烟等在内的气氛进行吸引的集尘器12，由此能够抑制起火、爆炸等。由此，能够进一步提高加工精度。另外，具有朝向加工位置p供给保护气体g的气体供给部4。由此，在保护气体g的气氛下进行层叠造形，因此能够抑制造形中的氧化、起火、爆炸等。而且，通过抑制与造形中的氧化、起火、爆炸等相伴的造形不良的发生，从而能够提高层叠造形的精度。另外，通过供给保护气体g，从而抑制起火、爆炸等，由此温度测定部9能够更高精度地取得温度数据td。
另外，由于能够抑制振动的发生、温度的急剧的变动、气氛等的急剧的变化等，因此能够更高精度地实施由控制部1进行的基于温度数据td的校正后指令ccv的决定。另外，根据本实施方式，由于执行保护气体g、温度控制等，因此由于有可能引起粉尘爆炸而难以作为造形材料pm使用的原材料也有时能够作为造形材料pm使用。如以上说明所述，根据本实施方式，能够提高层叠造形的精度。
实施方式2
图10是表示本实施方式所涉及的层叠造形系统的结构的一个例子的图。在本实施方式的说明中，关于与实施方式1的结构要素、信号等相同或对应的结构要素、信号等标注同一标号。层叠造形装置100a在层叠造形装置100的结构的基础上，还具有光检测部17。另外，层叠造形装置100a取代实施方式1的控制部1而具有控制部1a。
光检测部17对从加工位置p发出的光、从外部供给的光散射出的散射光或透过光等进行检测，作为光检测结果lr而输出。光检测结果lr可以是将光的强度定量地表示的数值，也可以在大于或等于某阈值的强度的光发出时，对表示存在光检测的信号进行输出，在小于或等于阈值的强度的情况下，对表示没有光检测的信号进行输出。另外，可以将光强度的阈值阶段性地设置多个，依赖于是否超过多个阈值而阶段性地输出不同的信号，控制部1a与输出的信号相应地进行动作。此外，作为散射光的例子，能够举出由造形材料pm、飞散物、烟等产生的散射光。作为透过光的例子，能够举出烟、保护气体、气氛等的透过光。
此外，在使用除了激光束以外的热源hs的情况下，可以在层叠造形装置100a中追加观测用光源，通过光检测部17对来自观测用光源的光进行检测。控制部1a在使用了观测用光源的情况下，可以通过散射光的减少、变动等对烟的发生等进行检测。另外，也可以从外部光源将光照射至加工位置p的附近而对由层叠材料pm或焊道产生的散射光进行检测，通过散射光的变化对液滴化的有无进行检测。另外，在图10中图示出光检测部17通过无线通信将光检测结果lr发送至控制部1a的情况，但光检测部17也可以通过有线通信将光检测结果lr发送至控制部1a。
图11是表示本实施方式所涉及的控制部的结构的一个例子的框图。图11所示的控制部1a与控制部1的不同点在于，取代控制部1的控制器52而具有控制器52a。另外，图1的控制部1仅取得温度数据td，与此相对，图11的控制部1a在差分d的基础上还取得光检测结果lr。控制部1a基于光检测结果lr对起火、液滴化、爆炸、冒烟等有无发生，或起火、液滴化、爆炸、冒烟等的状态进行检测。下面，将控制部1a没有检测到起火、液滴化、爆炸、冒烟等的发生的状态称为稳定状态。另外，将控制部1a检测到起火、液滴化、爆炸、冒烟等的发生的情况称为异常状态。
如图11所示，控制部1a在判断为稳定状态的情况下，与控制部1同样地动作。即，控制器52a与控制器52同样地，基于温度数据td而输出校正后加工程序ppr，输出部54基于校正后加工程序ppr而输出指令。即，输出部54基于校正后加工程序ppr而决定校正后指令ccv。
另一方面，在控制器52a基于光检测信号lr而判断为异常状态的情况下也决定校正后加工程序ppr，但异常状态的校正后指令ccv与正常状态的校正后指令ccv不同。例如，在发生了起火的情况下，可以使加工停止。另外，异常状态的校正后指令ccv可以是降低在实施方式1中说明的加工位置p的温度而抑制起火的指令。另外，也可以是反映了异常状态的校正后指令ccv。例如，在不存在烟、起火等的正常状态下的校正后指令ccv的基础上，使存在烟、起火等的异常状态下的校正后指令ccv预先存储于基本加工程序bpr。并且，也可以构成为在基本加工程序bpr中设定条件分支，对正常状态的校正后指令ccv和异常状态的校正后指令ccv的任意者进行选择而执行。
控制器52a可以从热源供给部指令lc、材料供给指令md、气体供给指令gc、驱动指令dc之中对在正常状态的校正后指令ccv和异常状态的校正后指令ccv之间变化的指令进行选择。而且，在进行选择时，可以与温度数据td、光检测结果lr相应地，从上述指令之中对一个或多个进行选择。另外，也可以与温度数据td、光检测结果lr相应地对在基本指令bcv和校正后指令ccv之间变化的指令选择一个或多个。另外，控制器52a也可以与加工路径上的加工位置p的状况相应地，对在正常状态的校正后指令ccv和异常状态的校正后指令ccv之间变化的指令选择一个或多个。另外，也可以与加工路径上的加工位置p的状况相应地，对在基本指令bcv和校正后指令ccv之间变化的指令选择一个或多个。
作为上述加工路径上的加工位置p的状况的例子，例如举出加工位置p处于线焊道的端点的情况、处于线焊道的交点的情况、处于线焊道的弯曲点的情况等。此外，可以构成为通过将变化的指令附加于基本加工程序bpr，从而与基本加工程序bpr所示的加工位置p的状况相应地，控制部1自动地对变化的指令进行选择。另外，可以在控制部1a设置从外部输入变化的指令的输入部，与来自外部的输入相应地对变化的指令进行选择。
如以上说明所述，本实施方式的层叠造形方法具有对来自加工位置p的光进行检测而作为光检测结果lr输出的光检测工序，控制工序基于基本加工程序bpr、温度数据td及光检测结果lr而决定校正后指令ccv。另外，在该控制工序中，基于光检测结果lr对异常进行检测，在检测出异常的情况下，执行增加保护气体g的供给量、减少热源hs的供给量、增加造形材料pm的供给量、降低相对位置的变化的速度之中的至少任一个。由此，可以抑制起火等异常状态的发生。
由此，控制部1a能够与光检测结果lr相应地对热源供给部指令lc、材料供给指令md、气体供给指令gc、驱动指令dc等进行控制。而且，能够对由加工位置p的过热引起的起火、液滴化、爆炸、冒烟等异常状态进行检测，对热源h的供给量、造形材料pm的供给速度、保护气体g的流量、加工头6的移动、工作台10的旋转等进行控制。如以上说明所述，根据本实施方式，能够提高层叠造形的精度。
实施方式3
本实施方式的层叠造形系统的结构与在实施方式1中说明的层叠造形系统1000相同，因此使用对在实施方式1中说明的结构要素、信号等标注的标号而进行说明。本实施方式的控制部1在层叠造形被中断的情况下，基于温度数据td，进行在层叠造形的中断前形成的加工对象物оp的再加热。而且，在再加热后恢复层叠造形。
此外，以下，说明在基本加工程序bpr中附加再加热时的校正后指令ccv的选项和用于对选项进行选择的条件分支，控制部1在通过基本加工程序bpr指示了再加热的情况下决定校正后指令ccv。另一方面，本实施方式并不限定于如上所述的动作。例如，控制部1也可以预先存储有再加热时的校正后指令ccv。另外，再加热时的校正后指令ccv按照再加热时的校正后加工程序ppr而发出的定时可以附加于基本加工程序bpr，也可以是控制部1与温度数据td等相应地判断为执行再加热的定时。另外，在基本加工程序bpr中附加与温度数据td相应地改变行动的条件分支，由此可以构成为控制部1与温度数据td相应地执行不同的校正后加工程序ppr。
另外，层叠造形的恢复是恢复造形材料pm向加工位置p的供给，执行热源hs向加工点p的供给的动作。另外，可以在恢复造形材料pm及热源hs向加工点p的供给的基础上，恢复加工位置p和造形物sc之间的相对位置的变化。另外，在层叠造形中断时，在用于避免加工头6和在层叠造形中断前形成的加工对象物оp的碰撞等目的下，有时使加工头6从加工对象物оp的附近移动而退避。在如上所述的情况下，在层叠造形中断中的加热开始时或层叠造形开始时，可以将加工头6向加工对象物оp的附近返回，或将加工头6和造形物sc的相对位置向中断时的状态返回。随后，可以开始加热或层叠造形的恢复。
将造形恢复时的加工位置p称为造形恢复部位rp。图12是表示在本实施方式所涉及的层叠造形中断后的恢复时对造形恢复部位rp进行了加热的情况下的加工对象物的温度分布的一个例子的图。在图12图示出热源供给口14及表示热源hs的供给方向的箭头。另外，图示出对基本加工程序bpr所包含的加工位置p移动的轨迹进行指示的轨迹指令tc。图12所示的轨迹指令tc成为不中断，也不后退的一笔画成的轨迹，换言之，1个行程的轨迹。轨迹指令tc并不限定于图12的方式，并不限定于一笔画成的轨迹。另外，在图12中通过阴影线图示出温度分布。在造形物sc中，造形恢复部位rp附近的温度高，越远离则温度越降低。另外，造形物sc具有多个层，通过与z轴垂直的实线而图示出多个层的边界。而且，造形物sc从下向上针对各层进行层叠造形。
本实施方式的加工程序生成装置200基于造形恢复部位rp的加工对象物оp中的位置、造形恢复时的加工对象物оp的剖面形状，决定加工程序bpr中的热源供给部指令lc。换言之，加工程序生成装置200基于将造形中断时的加工对象物оp的剖面形状而对热源hs的供给规格进行调整。由此，基于将造形中断时的加工对象物оp的剖面形状对入热量进行控制，能够减少直至层叠造形恢复为止所花费的时间。另外，也能够在点造形时通过短时间的热源的供给对入热量进行微调，进一步提高层叠造形的精度。
例如，作为热源hs是激光束的情况下的热源供给部指令lc，换言之，热源hs的规格的例子，能够举出激光束的移动速度、激光束的直径等。在加工恢复时，为了不使造形恢复部位rp的造形精度降低，优选对造形恢复部位rp的加热温度加热至造形部位的热饱和温度为止。在这里，成为层叠对象的层即下一层的加工条件pc下的由热源产生的入热和造形区域整体中的散热之间的平衡成为恒定状态，将适合于层叠造形的温度称为热饱和温度。
该热饱和温度依赖于造形恢复时的加工对象物оp的形状、剖面形状、加工条件pc等而变化。因此，有时在加工开始前难以决定。另一方面，根据本实施方式，温度测定部9对造形恢复部位rp的温度数据td进行输出，由此控制部1能够判断加工位置p的温度是超过热饱和温度还是没有超过热饱和温度。而且，控制部1例如与判断的结果相应地，利用基本加工程序bpr所包含的条件分支，能够决定依赖于超过热饱和温度或没有超过热饱和温度的热源供给部指令lc。另外，控制部1优选直至达到热饱和温度为止，以不使加工位置p移动的方式决定驱动指令dc。另外，控制部1可以对层叠造形中断时的加工位置p的温度进行存储，在使造形恢复部位rp的温度与层叠造形中断时接近后恢复层叠造形。例示出恢复层叠造形的动作。例如，可以在造形恢复部位rp的温度和层叠造形中断时的加工位置p的温度的差小于或等于一定值的情况下，以加工位置p开始移动的方式决定校正后加工程序bpr的驱动指令dc。如上所述，优选在加工位置p、造形对象物оp或造形材料pm的温度被加热至预先确定的温度为止后使加工位置p和造形物sc之间的相对位置变化，由此恢复层叠造形。此外，考虑使包含多个层的造形物针对每个层沿造形路径执行层叠造形的情况。在如上所述的情况下，在层叠造形中断时，可以对在层叠造形中断前形成的加工对象оp之中的使层叠造形恢复的层的造形路径即恢复造形路径进行加热，在恢复造形路径的温度被加热至预先确定的温度为止后恢复层叠造形。在该情况下，优选以恢复造形路径的整体大于或等于预先确定的温度的方式进行加热。另外，在加热时，可以使加工头6和造形物sc的相对位置变化，并且将热源hs供给至在层叠造形中断前形成的加工对象оp中的恢复造形路径。
图13是例示出本实施方式中的基座板及造形物中的热流动的图。图13的造形物sc的上表面涂黑，示出了通过供给热源hs而被加热的面。另外，图13(a)的造形物sc具有一个层，图13(b)的造形物sc具有6个层。即，图13(b)示出了从图13(a)的状态起执行了5层层叠造形后的状态。图13的与z轴垂直的实线表示层之间的边界。。在图13中，基座板bp和造形物sc中的热流动通过箭头表示。在图13(a)、图13(b)中，在z轴的朝向的反方向，即，从z轴的值大的位置朝向小的位置对造形物sc供给热源hs。与图13(a)相比较，在图13(b)中，造形恢复部位rp与基座板bp相距的距离远。因此，关于从造形恢复部位rp至基座板bp为止的排热性能，图13(a)的结构优于图13(b)的结构。其结果，关于直至造形恢复部位rp的温度达到热饱和温度为止的时间，图13(a)的结构比图13(b)的结构变长。如上所述，直至造形恢复部位rp的温度达到热饱和温度为止的时间依赖于造形恢复部位rp和基座板bp之间的距离、造形物sc的热容等而变化。
温度测定部9对造形恢复部位rp或造形物sc的温度进行测定，作为温度数据td进行输出。控制部1基于温度数据td而决定热源供给部指令lc，对热源供给部2进行控制，以使造形恢复部位rp的温度接近热饱和温度的方式进行控制。此时，优选一边防止起火、液滴化，一边直至造形恢复部位rp成为热饱和温度为止进行热源的输出控制。控制部1可以控制为在热源供给部指令lc的基础上，基于温度数据td而决定气体供给指令gc，使加工位置p的温度接近热饱和温度。另外，控制部1在加工位置p的温度和热饱和温度的差没有落入一定的范围的情况下，可以以不使加工位置p移动的方式决定驱动指令dc。另外，直至在造形恢复的层的路径整体中与热饱和温度的差落入一定的范围为止，可以使热源供给部指令lc逐次变化而将热源hs供给至加工路径，并且重复对恢复造形的层的路径整体进行加热。可以将热饱和温度设定为比造形材料pm的熔点低的温度。另外，也可以构成为与加工条件pc相应地，用户能够对控制部1或加工程序生成装置200输入热饱和温度。
在附加制造中，在进行了附加加工后，大多要进行磨削、研磨等精加工，在目标形状和得到的形状之间的误差大的情况下，后续工序的负担增加，因此优选误差小。另外，在层叠造形时，优选从层叠造形的开始至完成为止不中断地进行造形，但根据进行层叠造形的量、造形材料pm、加工路径等，长时间的入热、长时间的造形作业是困难的，因此有时在层叠造形的开始至完成为止的期间会发生中断。在如上所述的情况下，在层叠造形恢复时，与中断前相比，表面冷却，表面的氧化加深。另外，相对于中断前，入热和散热的平衡发生了变化，加工的稳定化花费时间。基于以上的原因，有时层叠造形发生了中断的部位的造形精度恶化。
如以上说明所述，本实施方式的层叠造形方法在层叠造形中断的情况下，在通过造形材料加热工序将造形材料pm加热至预先确定的温度为止后恢复层叠造形。另外，本实施方式的层叠造形方法在层叠造形中断的情况下，在将层叠造形中断前形成的加工对象оp加热至预先确定的温度为止后执行层叠造形的恢复。另外，本实施方式的层叠造形方法在造形物sc由多个层构成，层叠造形针对每个层沿造形路径tc执行的情况下，将在层叠造形恢复后首先执行层叠造形的造形路径tc加热至预先确定的温度为止后执行恢复。另外，本实施方式的层叠造形方法具有：退避工序，使加工头6从加工对象物оp退避，该加工头6包含成为在层叠造形中断时将热源hs供给至加工位置p的射出口的热源供给口14；以及复位工序，在执行恢复前，将退避的所述加工头6向加工对象物оp返回。
根据本实施方式，在层叠造形的中断发生，并且使层叠造形恢复时，在层叠造形之前执行造形物sc的加热。为此，使造形恢复部位rp或恢复层的造形路径tc的温度与层叠造形的中断时接近，能够执行精度高的层叠造形。另外，在上述加热时，基于温度数据td对温度进行控制。因此，能够控制为使加工位置p的温度接近热饱和温度。另外，能够抑制冒烟、起火、液滴化等。由此，在层叠造形发生了中断的情况下，能够执行精度高的层叠造形。如以上说明所述，根据本实施方式，能够提高层叠造形的精度。另外，能够通过退避工序，避免加工头6和加工对象物оp的碰撞。
实施方式4
在本实施方式中，利用焦耳发热对造形材料pm进行加热。图14是表示本实施方式所涉及的层叠造形系统的结构的一个例子的图。在本实施方式的说明中，关于与实施方式1的结构要素、信号等相同或对应的结构要素、信号等标注同一标号。
本实施方式的层叠造形装置100b在实施方式1的层叠造形装置100的结构要素的基础上，还具有电源55及接触片56。另外，取代实施方式1的控制部1而具有控制部1b。电源55通过配线与接触片56及基体材料bm电连接。另外，电源55对接触片56及基体材料bm施加电压，从接触片56向造形材料pm、从造形材料pm向造形物sc、从造形物sc向基体材料bm依次电连接。通过在上述路径中流动的电流，造形材料pm的温度由于焦耳发热而上升。将该现象用于造形材料pm的加热。
另外，电源55能够与控制部1b进行通信。图15是表示本实施方式的控制部的结构的一个例子的框图。例如，可以将电源55和控制部1b之间通过信号线连接。控制部1b基于温度数据td而决定校正后加工程序ppr。在本实施方式的基本加工程序bpr及校正后加工程序ppr中包含有与由电源55产生的电流有关的指令即电流指令cc。控制部1b与控制部1的差异点在于，决定电流指令cc。另外，控制器52b与控制器52的差异点在于，控制器52b基于差分d而决定电流指令cc。电流指令cc的决定方法可以与其他指令相同。电源55基于电流指令cc而使电流流过造形材料pm。
例如，控制部1b可以根据基本加工程序bpr的加工条件pc所包含的造形材料pm的熔点、沸点等和温度数据td的差分d，计算对电源55的电流的大小、电流的波形等进行指示的电流指令cc，将电流指令cc发送至电源55。由此，在层叠造形时，能够抑制向造形物sc的热影响。另外，能够与通过热源hs的输出而进行的造形物sc的加热独立地对造形材料pm进行加热而进行温度控制。由此，能够使造形的精度提高。
造形材料pm优选能够流过电流，是具有能够对焦耳发热进行控制的形状的材料。例如，关于形状，与粉末状的材料相比优选为线状。而且，在使用了线状的造形材料pm的情况下，造形材料pm由于为细线，因此与造形物sc、基体材料bm等相比电阻值大。因此，由通过电源55的通电而产生的造形物sc、基体材料bm上的焦耳热所引起的发热小于造形材料pm的发热。由此，能够在向加工位置p供给前仅将造形材料pm的与加工位置p接近的前端部分加热至设为目标的温度为止。而且，能够使层叠造形时的由热源hs引起的加热变得更小。
而且，通过对造形材料pm的温度进行控制，从而将加工位置p的温度保持在规定的温度范围，能够一边抑制加工位置p以外的部分的温度变化，一边进行层叠造形。而且，能够减小对造形物sc、基体材料bm等造成热影响的范围。由此，能够抑制由造形物sc、基体材料bm等的热膨胀、收缩等引起的造形物sc、基体材料bm等的翘曲、弯曲等。而且，能够抑制由造形物sc、基体材料bm等的温度上下变化引起的疲劳的发生、热变形等而制造造形物sc。
此外，在本实施方式的结构中对在实施方式2中说明的图10的光检测部17进行设置，与实施方式2同样地，可以与起火、爆炸、冒烟等的发生相应地使校正后加工程序ppr变化。另外，也可以与本实施方式组合而追加进行在实施方式3中说明的加工中断时的控制部1的处理。例如，在从层叠造形的开始至结束为止的期间层叠造形中断的情况下，在不对加工位置p供给造形材料pm的状态下如实施方式3所说明那样通过焦耳发热对造形材料pm进行加热。而且，在将造形材料pm加热至预先确定的温度为止后将造形材料pm供给至加工位置p。而且，可以将热源hs供给至加工位置p而恢复层叠造形。如上所述，在加工中断时，可以通过焦耳发热而进行造形材料pm的加热。
如以上说明所述，本实施方式的层叠造形方法具有使用线状的造形材料pm，通过焦耳发热对造形材料pm进行加热的造形材料加热工序。另外，本实施方式的层叠造形方法在层叠造形中断的情况下，在通过造形材料加热工序将造形材料pm加热至预先确定的温度为止后恢复层叠造形。
如以上说明所述，根据本实施方式，能够提高层叠造形的精度。
实施方式5
图16是表示本实施方式的层叠造形系统的结构的一个例子的图。在本实施方式的说明中，关于与实施方式1的结构要素、信号等相同或对应的结构要素、信号等标注同一标号。在层叠造形系统1000c中取代实施方式1的层叠造形系统1000的控制部1而具有控制部1c。图17是表示控制部1c的结构的一个例子的框图。
控制部1c具有机器学习装置500及意向决定部530。机器学习装置500具有状态量观测部510及学习部520。状态量观测部510取得至少包含基本加工程序bpr及温度数据td在内的量且与层叠造形的状态相关的量即状态量st。
作为状态量st的例子，能够举出基本指令bcv、校正后指令ccv、温度数据td、在实施方式2中说明的光检测结果lr、在实施方式3中说明的层叠造形中断后的恢复时的造形恢复部位rp、在实施方式4中说明的电流指令cc、层叠造形中断后的恢复时的造形物sc的形状、加工路径、剖面形状、加工中的检测结果等。作为加工中的检测结果的例子，能够举出温度数据td、光检测结果lr、对加工位置p的高度进行测定的高度传感器的检测结果等。另外，作为加工条件pc所包含的状态量的例子，能够举出造形材料pm的材质、基体材料bm的材质、造形形状、激光输出、照射时间、冷却时间、加工路径、集尘力、加热时间等。
学习部520按照基于状态量观测部510所取得的状态量st而创建的训练数据集，对形成层叠造形的造形物的校正后指令ccv进行学习。在这里，学习部520可以构成为按照训练数据集而执行学习，该学习用于决定根据基本加工程序bpr及温度数据td而形成层叠造形的造形物的校正后指令ccv。此外，学习部520也可以执行用于决定校正后加工程序ppr的学习。在如上所述的情况下，校正后指令ccv包含于校正后加工程序ppr，因此执行用于决定校正后指令ccv的学习。
学习部520所使用的学习算法可以使用任意的学习算法。作为一个例子，对应用了强化学习(Reinforcement Learning)的情况进行说明。强化学习是某环境内的行动主体即智能体对当前的状态进行观测，决定应该采取的行动的方法。智能体对行动进行选择，由此从环境得到回报，对通过一系列的行动而回报得到最多的对策进行学习。作为强化学习的代表性的方法，已知Q学习(Q-Learning)、TD学习(TD-Learning)。例如在Q学习的情况下，行动价值函数Q(s，a)的一般性的更新式(行动价值表)通过下面的算式(1)表示。
【式1】
Figure BDA0004126331460000271
在算式(1)中，t表示时刻t的环境，at表示时刻t的行动。通过行动at，环境变化为st+1。rt+1表示通过该环境的变化而带来的回报，γ表示折扣率，α表示学习系数。在应用了Q学习的情况下，加工条件pc和加工路径成为行动at。此外，γ可以取0＜γ≤1的范围的值，α可以取0＜α≤1的范围的值。
通过算式(1)表示的更新式是如果时刻t+1的最好的行动a的行动价值大于在时刻t执行的行动a的行动价值函数Q的值，则增大行动价值函数Q的值，在相反的情况下，减小行动价值函数Q的值。换言之，以使时刻t的行动a的行动价值函数Q的值接近时刻t+1的最好的行动价值的方式对行动价值函数Q(s，a)进行更新。由此，某环境中的最好的行动价值不断依次传播为其以前的环境中的行动价值。
回报计算部521基于状态量st对回报r进行计算。例如，回报计算部521可以在各层中的目标的造形形状和实际的造形形状之间的高度差即误差小的情况下使回报r增大，在误差大的情况下使回报r减小。回报计算部521例如可以在赋予大的回报的情况下赋予1的回报，在赋予小的回报的情况下赋予－1的回报。函数更新部522按照通过回报计算部521计算的回报r对行动价值函数Q进行更新。意向决定部530使用行动价值函数Q而决定校正后指令ccv。例如在Q学习的情况下，可以将通过算式(1)表示的行动价值函数Q(st，at)用作用于决定加工路径的函数。
图18是表示本实施方式的层叠造形系统的动作的一个例子的流程图。图18所示的动作可以在由层叠造形装置100b进行针对加工对象物оp的层叠造形处理时，每隔规定的控制周期而执行。意向决定部530使用由机器学习装置500决定出的行动价值函数Q而决定层叠造形装置100c的校正后指令ccv。
层叠造形装置100c按照决定出的校正后指令ccv，进行层叠造形处理。而且，在步骤s101中，状态量观测部510取得状态量st。状态量st作为一个例子，可以是通过高度传感器得到的各层中的造形部位的焊道高度的测定值。在步骤s102中，回报计算部521基于状态量st对回报r进行计算。
例如，回报计算部521对在各层检测出的造形物sc的高度和目标形状的高度之间的误差进行计算，判断误差是小于或等于阈值还是超过阈值，在误差小于或等于阈值的情况下，回报计算部521赋予大的回报。另一方面，在误差超过阈值的情况下，回报计算部521赋予小的回报。如上所述对回报进行计算，由此用于执行层叠造形的学习被执行，能够提高层叠造形的精度。
在步骤s103中，函数更新部522基于回报r，进行行动价值函数的更新。在步骤s104中，意向决定部530基于更新后的行动价值函数而决定校正后指令ccv。在这里，意向决定部530可以决定校正后加工程序ppr。
此外，状态量观测部510作为状态量st而取得在实施方式2中说明的光检测结果lr。而且，可以在液滴化、起火、冒烟等的发生数量多的情况下，使由回报计算部521赋予的回报r减小，在液滴化、起火、冒烟等的发生数量少的情况下，使由回报计算部521赋予的回报r增加。由此，能够执行用于决定液滴化、起火、冒烟等的发生数量少的校正后指令ccv的学习。而且，能够执行造形精度高的层叠造形。另外，在实施方式3中说明的层叠造形被中断的情况下，可以在层叠造形恢复时的精度高的情况下赋予大的回报，在层叠造形恢复时的精度低的情况下赋予小的回报。学习部520可以执行用于决定校正后指令ccv的学习，该校正后指令ccv用于在层叠造形恢复时执行精度高的层叠造形。另外，可以将在实施方式4中说明的电流指令cc包含于状态量，并且执行用于决定包含电流指令cc在内的校正后指令ccv的学习。
此外，在上述中，对使用了强化学习的例子进行了说明，但机器学习装置500也可以按照其他公知的方法，例如神经网络、遗传编程、功能逻辑编程、支持向量机等执行机器学习。
另外，控制部1c之中的一部分或全部例如可以经由网络而与层叠造形装置100c之中的除了控制部1c以外的部分连接。并且，控制部1c之中的一部分或全部也可以存在于云服务器上。
另外，可以将对通过机器学习装置500进行的学习执行完成后的训练好的学习机应用于与执行了学习的层叠造形装置不同的其他层叠造形装置。例如，可以在与层叠造形装置100c不同的层叠造形装置中，将至少包含基本加工程序bpr及温度数据td，对与层叠造形的状态相关的量即状态量st进行观测的状态量取得部310设置于上述其他层叠造形装置。而且，也可以将基于状态量st，根据基本加工程序bpr及温度数据td而用于决定用于形成层叠造形的造形物的校正后指令ccv的学习被执行后的训练好的学习机设置于上述其他层叠造形装置。
训练好的学习机例如可以是意向决定部530，该意向决定部530具有执行了更新的更新完成的行动价值函数Q。通过使用训练好的学习机，从而不在搭载有训练好的学习机的层叠造形装置中进行新的学习，就能够决定用于形成层叠造形的造形物的校正后指令ccv，执行精度高的层叠造形加工。另外，也可以构成从图17的控制部1c省去了意向决定部530的机器学习装置。可以通过如上所述的机器学习装置从外部重复取得状态量st而重复执行学习，构成搭载有学习到的结果的训练好的学习机。
另外，在图16中，控制部1c构成了1台层叠造形装置，但机器学习装置500也可以与多个层叠造形装置的机械装置部分连接。在这里，将除了机器学习装置以外的部分，例如从层叠造形装置100c除了机器学习装置500以外的部分等称为机械装置部分。而且，也可以从与机器学习装置500连接的多个层叠造形装置的机械装置部分取得状态量st。上述机械装置部分可以是在同一现场使用的多个装置，也可以是在不同的现场独立地运转的装置。
并且，由机器学习装置500对数据集进行收集的机械装置部分可以在对数据集进行收集的中途追加至对象，也可以在中途从对象去除。并且，也可以将关于某机械装置部分执行了学习的机器学习装置安装于不同的机械装置部分，进行再学习而更新学习结果。
如以上说明所述，本实施方式的层叠造形装置100c具有：状态量观测部510，其对至少包含基本指令bcv、加工条件pc及温度数据td在内的与层叠造形相关的量进行观测而作为状态量st；以及学习部520，其基于状态量st，对根据基本指令bcv、加工条件pc及温度数据td而执行层叠造形的校正后指令ccv进行学习。另外，本实施方式的层叠造形装置具有：状态量观测部510，其对至少包含基本指令bcv、加工条件pc及温度数据td在内的与层叠造形相关的量进行观测而作为状态量st；以及训练好的学习器，其基于状态量st，对根据基本指令bcv、加工条件pc及温度数据td而执行层叠造形的校正后指令ccv进行了学习。
根据本实施方式，能够利用执行学习的结果而决定校正后指令ccv。根据本实施方式，能够提高层叠造形的精度。
如以上说明所述，根据本实施方式，能够提高层叠造形的精度。
标号的说明
1控制部，2热源供给部，3热源路径，4气体供给部，5配管，6加工头，7驱动部，8造形材料供给部，9温度测定部，10工作台，12集尘器，13气体喷嘴，14热源供给口，16a旋转部件，17光检测部，41CPU，42RAM，43ROM，44外部存储装置，45输入输出接口，46总线，47处理电路，52、52a控制器，53差分器，54输出部，55电源，56接触片，71加工头驱动部，72工作台旋转机构，80线材供给嘴，的81线材卷线筒，82卷线筒驱动装置，100、100a、100b、100c层叠造形装置，200加工程序生成装置，201数据输入部，202数据存储部，203加工路径生成部，204加工程序生成部，300CAD数据，400层叠条件数据，500机器学习装置，510状态量观测部，520学习部，521回报计算部，522函数更新部，530意向决定部，1000、1000a、1000b、1000c层叠造形系统，bm基体材料，bcv基本指令，bpr基本加工程序，ccv校正后指令，ppr校正后加工程序，dc驱动指令，g保护气体，gc气体供给指令，hs热源，lr光检测结果，md材料供给指令，lc热源供给部指令，оp加工对象物，p加工位置，pc加工条件，pm造形材料，sc造形物，st状态量，td温度数据，ts对象面。

Claims (13)

1.一种层叠造形方法，其具有：
温度测定工序，对加工对象物或造形材料的温度进行测定而作为温度数据进行输出；
控制工序，基于包含基本指令及加工条件在内的基本加工程序和所述温度数据而对所述基本指令进行校正，决定包含材料供给指令、热源供给部指令、驱动指令及气体供给指令在内的校正后指令；
造形材料供给工序，基于所述材料供给指令对造形物的对象面的加工位置供给造形材料；
热源供给工序，基于所述热源供给部指令将使供给至所述加工位置的所述造形材料熔融的热源供给至所述加工位置；
驱动工序，基于所述驱动指令使所述加工位置和所述造形物的相对位置变化；以及
气体供给工序，基于所述气体供给指令将在所述加工位置抑制所述造形材料的反应的保护气体供给至所述加工位置。
2.根据权利要求1所述的层叠造形方法，其中，
具有吸引工序，该吸引工序对所述加工位置的周围的气氛进行吸引。
3.根据权利要求1或2所述的层叠造形方法，其特征在于，
具有光检测工序，该光检测工序对来自所述加工位置的光进行检测而作为光检测结果进行输出，
所述控制工序基于所述光检测结果而决定所述校正后指令。
4.根据权利要求3所述的层叠造形方法，其特征在于，
所述控制工序在基于所述光检测结果而检测出异常的情况下，执行增加所述保护气体的供给量、减少所述热源的供给量、增加所述造形材料的供给量、降低所述相对位置的变化速度之中的至少任一个。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的层叠造形方法，其中，
具有造形材料加热工序，该造形材料加热工序通过焦耳发热对线状的所述造形材料进行加热。
6.根据权利要求5所述的层叠造形方法，其特征在于，
在层叠造形中断的情况下，在通过所述造形材料加热工序将所述造形材料加热至预先确定的温度为止后恢复所述层叠造形。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的层叠造形方法，其特征在于，
在层叠造形中断了的情况下，
在将在所述层叠造形中断前形成的加工对象加热至预先确定的温度为止后执行所述层叠造形的恢复。
8.根据权利要求7所述的层叠造形方法，其特征在于，
所述造形物由多个层构成，
所述层叠造形针对每个所述层沿造形路径执行，
在将在所述层叠造形恢复后首先执行所述层叠造形的所述造形路径加热至预先确定的温度为止后执行所述恢复。
9.根据权利要求7或8所述的层叠造形方法，其中，
具有：
退避工序，使加工头从所述加工对象物退避，该加工头包含成为在所述层叠造形中断时将所述热源供给至所述加工位置的射出口的热源供给口；以及
复位工序，在执行所述恢复前，将退避的所述加工头向所述加工对象物返回。
10.一种层叠造形装置，其具有：
温度测定部，其对加工对象物或造形材料的温度进行测定而作为温度数据进行输出；
控制部，其基于包含基本指令及加工条件在内的基本加工程序和所述温度数据而对所述基本指令进行校正，决定包含材料供给指令、热源供给部指令、驱动指令及气体供给指令在内的校正后指令；
造形材料供给部，其基于所述材料供给指令对造形物的对象面的加工位置供给造形材料；
热源供给部，其基于所述热源供给部指令将使供给至所述加工位置的所述造形材料熔融的热源供给至所述加工位置；
驱动部，其基于所述驱动指令使所述加工位置和所述造形物的相对位置变化；以及
气体供给部，其基于所述气体供给指令将在所述加工位置抑制所述造形材料的反应的保护气体供给至所述加工位置。
11.根据权利要求10所述的层叠造形装置，其中，
具有：
状态量观测部，其对至少包含所述基本指令、所述加工条件及所述温度数据在内的与层叠造形相关的量进行观测而作为状态量；以及
学习部，其基于所述状态量，对根据所述基本指令、所述加工条件及所述温度数据而执行层叠造形的所述校正后指令进行学习。
12.根据权利要求10所述的层叠造形装置，其中，
具有：
状态量观测部，其对至少包含所述基本指令、所述加工条件及所述温度数据在内的与层叠造形相关的量进行观测而作为状态量；以及
训练好的学习器，其基于所述状态量，对根据所述基本指令、所述加工条件及所述温度数据而执行层叠造形的所述校正后指令进行了学习。
13.一种层叠造形系统，其具有：
权利要求10至12中任一项所记载的层叠造形装置；以及
加工程序生成装置，其生成所述基本加工程序。
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