JP2018193586A - Powder bed evaluation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、粉末床評価方法に関し、さらに詳しくは、粉末床にレーザービーム等のエネルギー線を照射し、三次元造形物を製造するに際し、粉末床における粉末材料の分布の均一性を評価するための方法に関するものである。 The present invention relates to a powder bed evaluation method, and more particularly, to evaluate the uniformity of the distribution of powder material in a powder bed when irradiating the powder bed with an energy beam such as a laser beam to produce a three-dimensional structure. It is about the method.
三次元造形物を製造する新しい技術として、付加製造技術(Additive Manufacturing;AM)の発展が近年著しい。付加製造技術の一種として、粉末材料のエネルギー線照射による固化を利用した積層造形法がある。粉末材料を用いた積層造形法としては、選択的レーザー溶融法(Selective Laser Melting;SLM)、選択的レーザー焼結法(Selective Laser Sintering;SLS)、電子線溶融法(Electron Beam Melting;EBM)等の方法を挙げることができる。これらの方法においては、樹脂、セラミックス、金属、あるいはそれらの複合材料等よりなる粉末材料を、ベースとなる基材上に供給して粉末床を形成し、三次元設計データをもとに、粉末床の所定の位置に、レーザービーム、電子線等のエネルギー線を照射する。すると、照射を受けた部位の粉末材料が、溶融と再凝固、または焼結によって固化し、造形体が形成される。粉末床への粉末材料の供給とエネルギー線照射による造形を繰り返し、造形体を層状に順次形成していくことで、三次元造形物が得られる。 In recent years, development of additive manufacturing (AM) has been remarkable as a new technique for manufacturing a three-dimensional structure. As one type of additive manufacturing technology, there is an additive manufacturing method using solidification of powdered material by irradiation with energy rays. The additive manufacturing method using a powder material includes a selective laser melting method (SLM), a selective laser sintering method (SLS), an electron beam melting method (EBM), and the like. Can be mentioned. In these methods, a powder material made of resin, ceramics, metal, or a composite material thereof is supplied onto a base material to form a powder bed, and based on three-dimensional design data, A predetermined position on the floor is irradiated with an energy beam such as a laser beam or an electron beam. Then, the powder material of the irradiated part is solidified by melting and re-solidification or sintering, and a shaped body is formed. By repeatedly supplying powder material to the powder bed and modeling by irradiation with energy rays, a three-dimensional model is obtained by sequentially forming the modeled body in layers.
得られた三次元造形物において、粉末床への材料供給とエネルギー線の照射を層状に行った際の各層の表面に対応する位置に、空隙等、構成材料の分布が不均一な構造が生じる場合がある。そのような不均一構造の生成は、極力抑制することが望ましい。例えば、特許文献1においては、金属粉末層の表面に対して垂直に静磁場を作用させて、溶融プール表面における表面張力に起因するマランゴニ対流を抑制することにより、デポジット表面リップル欠陥等の発生原因を無くすことを図っている。 In the obtained three-dimensional structure, a structure in which the distribution of constituent materials is not uniform, such as voids, is generated at the position corresponding to the surface of each layer when the material supply to the powder bed and the irradiation of energy rays are performed in layers. There is a case. It is desirable to suppress the generation of such a non-uniform structure as much as possible. For example, in Patent Document 1, by causing a static magnetic field to act perpendicularly to the surface of the metal powder layer and suppressing Marangoni convection caused by surface tension on the surface of the molten pool, the cause of the occurrence of deposit surface ripple defects, etc. We are trying to eliminate.
粉末床へのエネルギー線の照射による三次元造形物の製造において、三次元造形物の内部に、構成材料の分布が不均一な構造が生じる原因としては、特許文献1に記載されるようなエネルギー線の照射時に発生する現象だけでなく、さまざまな要素が存在しうる。その中で、エネルギー線照射前の粉末床の状態も、得られる三次元造形物の状態に大きな影響を与えうる。粉末床の状態によって三次元造形物の状態に影響が生じるのを抑制するための対策を取る前提として、粉末床の状態を評価すること、さらに、粉末床の状態と、得られる三次元造形物の状態との間の相関性を調査することが、重要となる。例えば、粉末床の表面における粉末材料の分布が不均一であれば、その不均一性が、三次元造形物内における構成材料の分布の不均一性として反映される可能性がある。 In the production of a three-dimensional structure by irradiating the powder bed with energy rays, the reason why a structure in which the distribution of the constituent materials is not uniform is generated inside the three-dimensional structure is the energy described in Patent Document 1. In addition to the phenomenon that occurs during the irradiation of rays, there can be various factors. Among them, the state of the powder bed before irradiation with energy rays can also greatly affect the state of the obtained three-dimensional structure. Assessing the state of the powder bed as a premise to take measures to suppress the influence of the state of the powder bed on the state of the three-dimensional structure, and further, evaluating the state of the powder bed, and the resulting three-dimensional structure It is important to investigate the correlation between these conditions. For example, if the distribution of the powder material on the surface of the powder bed is non-uniform, the non-uniformity may be reflected as the non-uniform distribution of the constituent materials in the three-dimensional structure.
本発明が解決しようとする課題は、粉末床へのエネルギー線の照射によって三次元造形物を製造するに際し、粉末床における粉末材料の分布の均一性を評価することができる粉末床評価方法を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to provide a powder bed evaluation method capable of evaluating the uniformity of the distribution of the powder material in the powder bed when producing a three-dimensional structure by irradiating the powder bed with energy rays. There is to do.
上記課題を解決するため、本発明に係る粉末床評価方法は、粉末材料を層状に敷き詰めて粉末床の構成層を形成する粉末供給工程と、前記構成層の表面にエネルギー線をスキャンしながら照射して、照射を受けた部位の前記粉末材料を固化させる造形工程と、を交互に繰り返し、三次元造形物を製造するに際し、前記粉末供給工程と前記造形工程の間に、前記構成層の表面を撮影して画像を取得する撮影工程と、前記撮影工程で取得した前記画像に基づき、前記構成層における粉末材料の分布が不均一な箇所を検出した評価データを取得する評価工程と、を行うものである。 In order to solve the above-mentioned problems, a powder bed evaluation method according to the present invention includes a powder supply step in which a powder material is spread in layers to form a constituent layer of a powder bed, and irradiation is performed while scanning energy rays on the surface of the constituent layer. Then, when the three-dimensional structure is manufactured by alternately repeating the modeling process for solidifying the powder material in the irradiated region, the surface of the constituent layer is between the powder supply process and the modeling process. An image capturing step for capturing an image and acquiring an image, and an evaluation step for acquiring evaluation data for detecting a portion where the distribution of the powder material in the constituent layer is non-uniform based on the image acquired in the image capturing step are performed. Is.
ここで、複数回の粉末供給工程に対応する撮影工程のそれぞれにおいて得られた前記画像に基づき、前記評価工程において、前記評価データを、前記粉末床における前記粉末材料の分布を三次元で示すデータとして取得するとよい。 Here, based on the images obtained in each of the photographing steps corresponding to a plurality of powder supply steps, in the evaluation step, the evaluation data is represented in three dimensions and the distribution of the powder material in the powder bed. Good to get as.
また、前記造形工程において前記エネルギー線を照射する位置を示す照射データを、前記評価工程で得られた前記評価データに重畳して、前記粉末床における前記粉末材料の分布を、前記三次元造形物における位置に対応づけるとよい。 In addition, irradiation data indicating a position where the energy beam is irradiated in the modeling process is superimposed on the evaluation data obtained in the evaluation process, and the distribution of the powder material in the powder bed is determined by the three-dimensional modeled object. It is good to associate with the position in.
そして、前記評価工程において、前記三次元造形物における空隙の分布と、前記粉末床における前記粉末材料の分布とを対応づけるとよい。 And in the said evaluation process, it is good to match the distribution of the space | gap in the said three-dimensional structure, and the distribution of the said powder material in the said powder bed.
そして、前記評価工程において、前記撮影工程で得られた前記画像に対して、フィルタリング処理による前記粉末材料の分布に関する情報の抽出と、二値化による前記粉末材料の分布が不均一な箇所の識別と、をこの順に行うとよい。 Then, in the evaluation step, for the image obtained in the photographing step, extraction of information on the distribution of the powder material by filtering processing and identification of a portion where the distribution of the powder material is not uniform by binarization And in this order.
上記発明にかかる粉末床の評価方法においては、形成途中の三次元造形物を内包する粉末床の表面に粉末材料を敷き詰め、新たに粉末床の構成層を形成した際に、その構成層の表面を撮影し、得られた画像に基づいて、粉末材料の分布が不均一な箇所を検出する。これにより、三次元造形物の形状や粉末材料の供給条件等に起因して、構成層において、粉末材料の分布状態が不均一になっていれば、その不均一な分布を定量的に検出することができる。そして、得られた情報をもとに、製造される三次元造形物に対して、構成材料の分布の均一性の程度を推測することや、粉末床形成をはじめとする積層造形の各工程にかかる条件の検証や改良を行うことが可能となる。 In the method for evaluating a powder bed according to the above invention, when the powder material is spread on the surface of the powder bed that encloses the three-dimensional structure being formed, and when a constituent layer of the powder bed is newly formed, the surface of the constituent layer , And a portion where the distribution of the powder material is not uniform is detected based on the obtained image. Thereby, if the distribution state of the powder material is non-uniform in the constituent layers due to the shape of the three-dimensional structure, the supply conditions of the powder material, etc., the non-uniform distribution is quantitatively detected. be able to. Based on the obtained information, for the three-dimensional structure to be manufactured, the degree of uniformity of the distribution of the constituent materials is estimated, and each process of additive manufacturing including powder bed formation is performed. It becomes possible to verify and improve such conditions.
ここで、複数回の粉末供給工程に対応する撮影工程のそれぞれにおいて得られた画像に基づき、評価工程において、評価データを、粉末床における粉末材料の分布を三次元で示すデータとして取得する場合には、層状に順次造形を行い、造形物を三次元で形成するのと対応させて、粉末床における粉末材料の分布状態に関する検証や解釈を行いやすい。 Here, based on the images obtained in each of the imaging processes corresponding to a plurality of powder supply processes, in the evaluation process, when acquiring the evaluation data as data indicating the distribution of the powder material in the powder bed in three dimensions It is easy to perform verification and interpretation regarding the distribution state of the powder material in the powder bed by sequentially forming the layers in a layered manner and forming the three-dimensional object in three dimensions.
また、造形工程においてエネルギー線を照射する位置を示す照射データを、評価工程で得られた評価データに重畳して、粉末床における粉末材料の分布を、三次元造形物における位置に対応づける場合には、粉末床において粉末材料の分布が不均一な部位があった場合に、その部位を、三次元造形物における具体的な位置に対応させることができる。その結果、三次元造形物において構成材料の分布が不均一となっている位置を高精度に推定することや、粉末床において粉末材料の分布に不均一性を生じる原因が、粉末床に内包されて下層に存在する既に形成された三次元造形物の形状にあるかどうか等、粉末床の不均一性と三次元造形物の形状との相関性を正確に検証することが可能となる。 In addition, when the irradiation data indicating the position where the energy beam is irradiated in the modeling process is superimposed on the evaluation data obtained in the evaluation process, and the distribution of the powder material in the powder bed is associated with the position in the three-dimensional structure. When there is a part where the distribution of the powder material is not uniform in the powder bed, the part can correspond to a specific position in the three-dimensional structure. As a result, the location where the distribution of the constituent material is uneven in the three-dimensional structure is estimated with high accuracy, and the cause of the non-uniformity in the distribution of the powder material in the powder bed is included in the powder bed. Thus, it is possible to accurately verify the correlation between the non-uniformity of the powder bed and the shape of the three-dimensional structure, such as whether or not the shape of the already formed three-dimensional structure exists in the lower layer.
そして、評価工程において、三次元造形物における空隙の分布と、粉末床における粉末材料の分布とを対応づける場合には、粉末床における粉末材料の分布の不均一性を原因とする三次元造形物中の空隙の存在を推定することや、粉末床における粉末材料の分布の不均一性と三次元造形物中の空隙との相関性について検証することが可能となる。 In the evaluation process, when the distribution of the voids in the three-dimensional structure and the distribution of the powder material in the powder bed are associated with each other, the three-dimensional structure is caused by the uneven distribution of the powder material in the powder bed. It is possible to estimate the presence of voids in the interior and to verify the correlation between the nonuniformity of the distribution of the powder material in the powder bed and the voids in the three-dimensional structure.
そして、評価工程において、撮影工程で得られた画像に対して、フィルタリング処理による粉末材料の分布に関する情報の抽出と、二値化による粉末材料の分布が不均一な箇所の識別と、をこの順に行う場合には、粉末床における粉末材料の不均一分布を、高精度に、また簡便に検出することができる。 Then, in the evaluation process, for the image obtained in the photographing process, extraction of information on the distribution of the powder material by filtering processing and identification of the nonuniform distribution of the powder material by binarization are performed in this order. When performed, the non-uniform distribution of the powder material in the powder bed can be easily detected with high accuracy.
以下に、本発明の一実施形態にかかる粉末床評価方法について詳細に説明する。本発明の一実施形態にかかる粉末床評価装置は、粉末材料を敷き詰めた粉末床に、レーザービーム、電子線等のエネルギー線を所定の二次元パターンで照射して、造形層(層状の造形体)を形成する工程を順次繰り返すことによって三次元造形物を作成する積層造形装置において、粉末床における粉末材料の分布状態を評価するものである。 Below, the powder bed evaluation method concerning one Embodiment of this invention is demonstrated in detail. A powder bed evaluation apparatus according to an embodiment of the present invention irradiates a powder bed on which a powder material is spread with an energy beam such as a laser beam and an electron beam in a predetermined two-dimensional pattern, thereby forming a modeling layer (a layered modeling object) In the additive manufacturing apparatus for creating a three-dimensional structure by sequentially repeating the process of forming the), the distribution state of the powder material in the powder bed is evaluated.
[積層造形装置]
まず、本発明の一実施形態にかかる粉末床評価方法が適用される積層造形装置1の一例について簡単に説明する。
[Stacking equipment]
First, an example of an additive manufacturing apparatus 1 to which a powder bed evaluation method according to an embodiment of the present invention is applied will be briefly described.
図1に、積層造形装置1の概略を示す。積層造形装置1は、選択的レーザー溶融法(SLM)によって、粉末材料に対する積層造形を行うものである。積層造形装置1は、粉末床容器10と、粉末供給装置20と、レーザー照射装置30と、カメラ40と、制御装置50と、を有している。積層造形装置1においては、粉末供給装置20を用いて粉末床容器10に粉末床Bを形成し、レーザー照射装置30を用いて粉末床Bの表面にレーザービームを照射することで、三次元造形物Pを製造する。 FIG. 1 shows an outline of the additive manufacturing apparatus 1. The additive manufacturing apparatus 1 performs additive manufacturing for a powder material by a selective laser melting method (SLM). The additive manufacturing apparatus 1 includes a powder bed container 10, a powder supply device 20, a laser irradiation device 30, a camera 40, and a control device 50. In the additive manufacturing apparatus 1, the powder bed B is formed in the powder bed container 10 using the powder supply apparatus 20, and the surface of the powder bed B is irradiated with a laser beam using the laser irradiation apparatus 30, thereby three-dimensional modeling. A product P is manufactured.
粉末床容器10は、基材11と、側壁12を有しており、基材11と側壁12に包囲された空間の内部に、粉末材料を収容し、粉末床Bを保持することができる。粉末床容器10の底面となる基材11は、駆動装置(不図示)によって上下方向の運動M1を駆動される。 The powder bed container 10 includes a base material 11 and a side wall 12. The powder material can be accommodated in the space surrounded by the base material 11 and the side wall 12 and the powder bed B can be held. The base material 11 which becomes the bottom surface of the powder bed container 10 is driven in the vertical motion M1 by a driving device (not shown).
粉末供給装置20は、タンク21と、粉末供給路22と、ブレード23とを有している。粉末供給路22とブレード23は、共通の保持部24に一体に保持されており、駆動装置(不図示)によって、水平面における保持部24の面内運動M2が駆動される。タンク21は、粉末材料を貯留し、その粉末材料を、所定の供給速度で、粉末供給路22に供給することができる。粉末供給路22は、下端に開口を有しており、タンク21から供給された粉末材料を、重力によって、開口から粉末床容器10へと吐出することができる。ブレード23は、ゴム等、弾性を有する材料よりなり、先端にエッジを有する板状の部材であり、粉末床Bの表面にエッジを接触させた状態で滑らせるように水平面内で運動させることで、粉末床Bの表面を平滑化することができる(スキージング)。 The powder supply device 20 includes a tank 21, a powder supply path 22, and a blade 23. The powder supply path 22 and the blade 23 are integrally held by a common holding part 24, and the in-plane motion M2 of the holding part 24 in the horizontal plane is driven by a driving device (not shown). The tank 21 can store the powder material and supply the powder material to the powder supply path 22 at a predetermined supply speed. The powder supply path 22 has an opening at the lower end, and the powder material supplied from the tank 21 can be discharged from the opening to the powder bed container 10 by gravity. The blade 23 is made of an elastic material such as rubber, and is a plate-like member having an edge at the tip. By moving the blade 23 in a horizontal plane so that the edge is in contact with the surface of the powder bed B, the blade 23 moves. The surface of the powder bed B can be smoothed (squeezing).
粉末供給装置20を用いて粉末床容器10に粉末材料を供給する際、粉末供給路22が前方、ブレード23が後方となるように、粉末供給装置20の面内運動M2を駆動しながら、粉末供給路22の開口から粉末材料を吐出する。これにより、粉末供給路22から吐出された粉末材料の層が、吐出直後に、ブレード23によるスキージングを受ける。 When the powder material is supplied to the powder bed container 10 using the powder supply device 20, the powder is supplied while driving the in-plane motion M2 of the powder supply device 20 so that the powder supply path 22 is the front and the blade 23 is the rear. The powder material is discharged from the opening of the supply path 22. Thereby, the layer of the powder material discharged from the powder supply path 22 is squeezed by the blade 23 immediately after the discharge.
レーザー照射装置30は、レーザーユニット31と、ガルバノスキャナ32と、を有している。レーザーユニット31は、レーザー発振により、レーザービームを発生させる。レーザービームの波長およびエネルギー密度は、使用する粉末材料を溶融させることができるように、選択すればよい。また、ビーム径は、製造すべき三次元造形物Pに要求される空間精度に応じて設定すればよい。 The laser irradiation device 30 includes a laser unit 31 and a galvano scanner 32. The laser unit 31 generates a laser beam by laser oscillation. The wavelength and energy density of the laser beam may be selected so that the powder material to be used can be melted. Moreover, what is necessary is just to set a beam diameter according to the space precision requested | required of the three-dimensional structure P to be manufactured.
ガルバノスキャナ32は、ミラー等の光学部品の組み合わせよりなり、レーザーユニット31から出射されたレーザービームを、粉末床容器10に形成された粉末床Bの表面の所定の位置に照射することができる。ガルバノスキャナ32においては、各光学部品のアラインメント(角度や配置等)を調整することで、粉末床Bの表面におけるレーザービームの照射位置を二次元的にスキャンすることができる。ガルバノスキャナ32には、コンピュータ等よりなる制御手段50から、製造すべき三次元造形物Pの設計形状に応じて、レーザービームを照射すべき位置を設定した設計データ、例えば三次元CADデータが入力され、その設計データに応じて、レーザービームのスキャンが行われる。 The galvano scanner 32 is composed of a combination of optical components such as mirrors, and can irradiate a predetermined position on the surface of the powder bed B formed in the powder bed container 10 with the laser beam emitted from the laser unit 31. In the galvano scanner 32, the irradiation position of the laser beam on the surface of the powder bed B can be two-dimensionally scanned by adjusting the alignment (angle, arrangement, etc.) of each optical component. The galvano scanner 32 receives design data, for example, three-dimensional CAD data, in which a position to be irradiated with a laser beam is set according to the design shape of the three-dimensional structure P to be manufactured, from a control unit 50 such as a computer. The laser beam is scanned according to the design data.
カメラ40は、粉末床容器10の上方に取り付けられ、粉末床Bの表面の画像撮影を行うことができる。カメラ40は、粉末床Bの表面における粉末の分布を反映した画像を得られるものであればよく、定点での撮影で、粉末床Bの全域の表面を1視野内に得られるものであることが好ましい。カメラ40は、得られた撮影像を、制御装置50へと出力する。なお、この種の積層造形装置1においては、造形中に、装置の構成部材や粉末床における不具合や異常を監視することや、造形が正常に進行しているかを確認すること等を目的として、粉末床Bの表面を撮影するカメラが備えられることも多く、ここでは、そのような備え付けのカメラをそのまま用いてもよい。また、カメラ40による粉末床Bの撮影を補助するために、フラッシュ装置等、粉末床Bの表面に光を照射する照明装置を適宜設けてもよい。 The camera 40 is attached above the powder bed container 10 and can take an image of the surface of the powder bed B. The camera 40 only needs to obtain an image reflecting the powder distribution on the surface of the powder bed B, and can capture the entire surface of the powder bed B within one field of view by photographing at a fixed point. Is preferred. The camera 40 outputs the obtained captured image to the control device 50. In addition, in this type of additive manufacturing apparatus 1, during the modeling, for the purpose of monitoring defects and abnormalities in the component members and powder bed of the apparatus, confirming whether the modeling is proceeding normally, etc. In many cases, a camera for photographing the surface of the powder bed B is provided, and here, such a camera may be used as it is. Moreover, in order to assist photographing of the powder bed B by the camera 40, an illumination device that irradiates light on the surface of the powder bed B, such as a flash device, may be provided as appropriate.
次に、上記で説明した積層造形装置1を用いて三次元造形物Pを製造する方法について説明する。製造に先立ち、粉末供給装置20のタンク21に、三次元造形物Pの原料となる粉末材料を準備しておく。粉末材料としては、金属、セラミックス、サーメット等よりなるものを用いることができる。好ましくは、金属よりなるものを用いるとよい。粉末材料の具体的な成分組成は、製造すべき三次元造形物Pの材質に応じて選択すればよい。また、粉末の粒径は、三次元造形物Pにおいて要求される空間精度や粉末床Bの形成しやすさ等を勘案して適宜選択すればよいが、一般的にSLMにおいて使用される材料粉末の平均粒径は、15〜60μm程度である。 Next, a method for manufacturing the three-dimensional structure P using the layered manufacturing apparatus 1 described above will be described. Prior to production, a powder material to be a raw material of the three-dimensional structure P is prepared in the tank 21 of the powder supply device 20. As the powder material, a material made of metal, ceramics, cermet or the like can be used. Preferably, a metal is used. What is necessary is just to select the specific component composition of a powder material according to the material of the three-dimensional structure P to be manufactured. Further, the particle size of the powder may be appropriately selected in consideration of the spatial accuracy required for the three-dimensional structure P, the ease of forming the powder bed B, etc., but the material powder generally used in the SLM The average particle size of is about 15 to 60 μm.
三次元造形物Pの製造は、層状に順次行う。つまり、粉末床Bにおいて、薄い層状に粉末材料を充填した構成層B1を作成し、その構成層B1の表面にレーザービームを照射して、層状の固化物である造形層を形成するという工程を繰り返す。そのような造形層を順次積層することで、三次元形状を有する三次元造形物Pを完成させることができる。 The manufacture of the three-dimensional structure P is sequentially performed in layers. That is, in the powder bed B, a process of forming a constituent layer B1 filled with a powder material in a thin layer and irradiating the surface of the constituent layer B1 with a laser beam to form a modeling layer that is a layered solidified product. repeat. By sequentially stacking such modeling layers, a three-dimensional model P having a three-dimensional shape can be completed.
具体的には、最初に、粉末供給工程において、粉末床容器10の基材11の上に、粉末床Bの構成層B1を形成する。この際、粉末供給装置20の粉末供給路22から粉末材料を吐出するともに、粉末材料が吐出された部位の表面をブレード23でスキージングし、粉末材料を層状に敷き詰める。 Specifically, first, the constituent layer B1 of the powder bed B is formed on the base material 11 of the powder bed container 10 in the powder supply step. At this time, the powder material is discharged from the powder supply path 22 of the powder supply device 20, and the surface of the portion where the powder material is discharged is squeezed by the blade 23, and the powder material is spread in layers.
構成層B1の形成が完了すると、カメラ40で、構成層B1の表面を撮影して画像を取得する撮影工程を実行する。取得した画像は、制御装置50に送られる。 When the formation of the constituent layer B1 is completed, the camera 40 performs a photographing process of photographing the surface of the constituent layer B1 and acquiring an image. The acquired image is sent to the control device 50.
そして、形成した構成層B1の表面に、レーザー照射装置30からレーザービームを照射して、造形工程を実行する。この際、制御装置50から入力される設計データに基づき、所定の二次元パターンでレーザービームをスキャンしながら、照射を行う。ここで使用される設計データは、製造すべき三次元造形物Pの形状を、構成層B1の1層ずつに対応する薄層構造に分割したものよりなる三次元CADデータ等である。粉末床Bの構成層B1の面内のレーザービームの照射を受けた部位において、金属等、粉末材料を構成する物質が、レーザービームによって加熱されて溶融する。その部位におけるレーザービームの照射が終わると、照射を受けていた部位は冷却され、一旦溶融した物質がその場所で固化(再凝固)する。これにより、1層分の構成層B1に対応する造形層が形成される。形成された造形層は、構成層B1の面内において、設計データに従ってレーザービームをスキャンした二次元パターンに対応する形状を有している。 And the laser beam is irradiated from the laser irradiation apparatus 30 to the surface of the formed component layer B1, and a modeling process is performed. At this time, irradiation is performed while scanning a laser beam with a predetermined two-dimensional pattern based on design data input from the control device 50. The design data used here is three-dimensional CAD data formed by dividing the shape of the three-dimensional structure P to be manufactured into a thin layer structure corresponding to each of the constituent layers B1. In the portion of the powder bed B which is irradiated with the laser beam in the plane of the constituent layer B1, a substance constituting the powder material such as metal is heated and melted by the laser beam. When the irradiation of the laser beam at the site is completed, the irradiated site is cooled, and the once melted material is solidified (re-solidified) at the site. Thereby, a modeling layer corresponding to the constituent layer B1 for one layer is formed. The formed modeling layer has a shape corresponding to the two-dimensional pattern obtained by scanning the laser beam according to the design data in the plane of the constituent layer B1.
以上により、三次元造形物Pを構成する1層の造形層の形成が完了する。この状態においては、形成された造形層が、粉末材料に包囲されて、粉末床Bの中に内包されている。 Thus, the formation of the one modeling layer constituting the three-dimensional structure P is completed. In this state, the formed modeling layer is surrounded by the powder material and contained in the powder bed B.
次に、再度、粉末供給工程を実行する。この際まず、粉末床容器10の基材11の運動M1を駆動し、粉末床B全体の位置を下方に下げる。そして、粉末材料の吐出とブレード23によるスキージングを行い、新しい構成層B1を形成する。この時、新しい構成層B1は、先に形成された造形層を内包した既存の粉末床Bの表面の上に積層されることになる。新しい構成層B1を形成する前に、基材11を下方に移動させる距離は、新しい構成層B1を形成する前後で、粉末床Bの表面の高さ位置が変化しないように設定すればよい。形成する構成層B1の厚さが毎回同じであるならば、その構成層B1の厚さと等しい距離だけ、基材11を下方に移動させればよい。構成層B1の厚さは、材料粉末の平均粒径以上に設定することが好ましく、SLM法においては、一般的には、20〜200μm程度とされる。 Next, the powder supply process is performed again. At this time, first, the motion M1 of the base material 11 of the powder bed container 10 is driven to lower the position of the entire powder bed B downward. Then, discharge of the powder material and squeezing by the blade 23 are performed to form a new constituent layer B1. At this time, the new component layer B1 is laminated on the surface of the existing powder bed B including the previously formed modeling layer. Before forming the new constituent layer B1, the distance by which the substrate 11 is moved downward may be set so that the height position of the surface of the powder bed B does not change before and after the new constituent layer B1 is formed. If the thickness of the constituent layer B1 to be formed is the same every time, the substrate 11 may be moved downward by a distance equal to the thickness of the constituent layer B1. The thickness of the constituent layer B1 is preferably set to be equal to or larger than the average particle diameter of the material powder, and is generally about 20 to 200 μm in the SLM method.
新しい構成層B1が完成すると、再度、撮影工程を実行し、構成層B1の表面の撮影と、撮影で得られた画像の制御装置50への転送を行う。上記のように、基材11の移動により、構成層B1の表面の高さ位置が、前回の撮影工程の際と同じになっているので、同じ撮影条件で、実質的に同じ品質の撮影像を得ることができる。 When the new component layer B1 is completed, the imaging process is executed again, and the surface of the component layer B1 is imaged and the image obtained by the imaging is transferred to the control device 50. As described above, since the height position of the surface of the constituent layer B1 is the same as that in the previous photographing process due to the movement of the base material 11, a photographed image having substantially the same quality under the same photographing conditions. Can be obtained.
そして、再度、構成層B1の表面にレーザービームを照射して、造形工程を実行する。この際、レーザービームのスキャンは、三次元造形物Pの形状を薄層構造に分割したものよりなる設計データのうち、先の造形工程で形成した層の上の層に対応するデータに基づいて行われる。この際、設計データにおいて、1つ下の層の形状と新しく形成される層の形状が連続したものであれば、今回のレーザー照射による粉末材料の溶融と再凝固は、既に形成され、粉末床Bに内包されている三次元造形物Pを構成する表面の直上で起こり、その既存の三次元造形物Pに接合された状態で、新しい造形層が形成される。上記のように、基材11の移動により、構成層B1の表面の高さ位置が、前回の造形工程の際と同じになっているので、レーザー照射を同じ条件で行えば、粉末材料の溶融と再凝固が実質的に同様に進行する。 Then, again, the surface of the constituent layer B1 is irradiated with a laser beam to execute a modeling process. At this time, the laser beam scan is based on the data corresponding to the layer above the layer formed in the previous modeling process among the design data consisting of the three-dimensional structure P divided into a thin layer structure. Done. At this time, in the design data, if the shape of the next lower layer and the shape of the newly formed layer are continuous, the melting and re-solidification of the powder material by this laser irradiation has already been formed and the powder bed A new modeling layer is formed in a state where it occurs immediately above the surface constituting the three-dimensional structure P included in B and is joined to the existing three-dimensional structure P. As described above, since the height position of the surface of the constituent layer B1 is the same as in the previous modeling process due to the movement of the base material 11, if the laser irradiation is performed under the same conditions, the powder material is melted. And recoagulation proceeds in substantially the same way.
このように、粉末供給工程→撮影工程→造形工程→基材11の下方への移動→粉末供給工程→…と、各工程を何度も繰り返して、造形層を1層ずつ順に形成し、積層していくことで、立体形状を有する三次元造形物Pが製造できる。ここで、各造形層の形成に対応して撮影工程を実施しており、各粉末供給工程で形成した粉末床Bの構成層B1の表面を撮影した撮影像が得られている。本積層造形装置1においては、それらの撮影像に対して、次に説明する粉末床評価方法を実行し、三次元造形物Pの製造に用いられる粉末床Bにおける粉末材料の分布状態を評価する。 In this way, the powder supply process → the photographing process → the modeling process → the downward movement of the base material 11 → the powder supply process →... By doing so, a three-dimensional structure P having a three-dimensional shape can be manufactured. Here, a photographing process is performed corresponding to the formation of each modeling layer, and a photographed image obtained by photographing the surface of the constituent layer B1 of the powder bed B formed in each powder supply process is obtained. In the present layered modeling apparatus 1, the powder bed evaluation method described below is executed on these captured images, and the distribution state of the powder material in the powder bed B used for manufacturing the three-dimensional structure P is evaluated. .
ここで説明した積層造形装置1は、選択的レーザー溶融法(SLM)によって積層造形を行うものであるが、選択的レーザー焼結法(SLS)および電子線溶融法(EBM)等、粉末材料を原料とした他の積層造形法を用いる場合にも、それぞれの装置において、粉末床Bの表面を撮影できるカメラ40を設ければ、下記で説明する粉末床評価方法を同様に適用することができる。なお、SLSの場合は、粉末材料として、樹脂材料よりなるものが主に用いられ、平均粒径が20〜80μm程度、粉末床Bの構成層B1の厚さが60〜180μm程度とされる。また、EBMの場合は、粉末材料として、金属よりなるものが主に用いられ、平均粒径が45〜110μm程度、粉末床Bの構成層B1の厚さが50〜200μm程度とされる。また、ここで説明した積層造形装置1においては、粉末床Bへの粉末材料の供給を、粉末床Bの上方から行い、ブレード23によって粉末床Bの表面の平滑化を行っているが、基材11を押し上げるようにして粉末床Bの下方から粉末材料の供給を行う形態や、ローラーによって粉末床Bの表面の平滑化を行う形態においても、それぞれの装置に、粉末床Bの表面を撮影できるカメラ40を設ければ、下記で説明する粉末床評価方法を同様に適用することができる。 The additive manufacturing apparatus 1 described here performs additive manufacturing by a selective laser melting method (SLM). However, a powder material such as a selective laser sintering method (SLS) and an electron beam melting method (EBM) is used. Even when other additive manufacturing methods are used as raw materials, the powder bed evaluation method described below can be similarly applied if a camera 40 capable of photographing the surface of the powder bed B is provided in each apparatus. . In the case of SLS, the powder material is mainly made of a resin material, the average particle diameter is about 20 to 80 μm, and the thickness of the constituent layer B1 of the powder bed B is about 60 to 180 μm. In the case of EBM, the powder material is mainly made of metal, the average particle size is about 45 to 110 μm, and the thickness of the constituent layer B1 of the powder bed B is about 50 to 200 μm. In the additive manufacturing apparatus 1 described here, the powder material is supplied to the powder bed B from above the powder bed B, and the surface of the powder bed B is smoothed by the blade 23. The surface of the powder bed B is photographed on each apparatus in the form in which the powder material is supplied from below the powder bed B as if the material 11 is pushed up, and in the form in which the surface of the powder bed B is smoothed by a roller. If the camera 40 which can be provided is provided, the powder bed evaluation method demonstrated below can be applied similarly.
また、製造すべき三次元造形物Pの形状を規定する設計データには、最終的に製造したい三次元造形物Pに加え、三次元造形物Pの製造を補助するための構造を適宜加えてもよい。例えば、図5(a)および図5(b)は、後の実施例で採用している設計形状を示しているが、それぞれブロック形状および梁形状の三次元造形物Pの底部から下方に延出して、歯型形状のサポートp1が設けられている。サポートp1は、造形中における三次元造形物Pの変形を防止するのに寄与する。また、三次元造形物Pにおける欠陥の発生も、サポートp1によって抑制することができる。サポートp1は、造形工程において、設計データに基づいて、三次元造形物Pと一体に造形される。複数回の造形工程を全て完了した後、適宜サポートp1を除去することで、最終的に所望される形状の三次元造形物Pを得ることができる。さらに、図8(a),(b)に、変形例として、サポートp1に加えて、各サポートp1の間を連結する薄板状のメッシュ部p2を設けた形態を示す。メッシュ部p2を設けることで、サポートp1の除去を行いやすくなる。 In addition to the three-dimensional structure P to be finally manufactured, the design data for defining the shape of the three-dimensional structure P to be manufactured is appropriately added with a structure for assisting the manufacture of the three-dimensional structure P. Also good. For example, FIG. 5 (a) and FIG. 5 (b) show the design shapes adopted in the following embodiments, and extend downward from the bottom of the block-shaped and beam-shaped three-dimensional structure P, respectively. A tooth-shaped support p1 is provided. The support p1 contributes to preventing deformation of the three-dimensional structure P during modeling. Moreover, generation | occurrence | production of the defect in the three-dimensional structure P can also be suppressed by the support p1. The support p1 is molded integrally with the three-dimensional structure P based on the design data in the modeling process. After all the modeling steps are completed, the support p1 is appropriately removed to obtain a three-dimensional structure P having a finally desired shape. Further, in FIGS. 8A and 8B, as a modification, a form in which a thin plate-like mesh portion p2 for connecting the supports p1 is provided in addition to the support p1. By providing the mesh part p2, the support p1 can be easily removed.
[粉末床評価方法]
次に、本発明の一実施形態にかかる粉末床評価方法について説明する。本粉末床評価方法は、上記で説明した積層造形装置1を用いて粉末供給工程、撮影工程、造形工程を順に繰り返して三次元造形物Pを製造するに際し、粉末供給工程において粉末床Bの構成層B1を形成するたびに、撮影工程においてその構成層B1の表面をカメラ40で撮影して取得した撮影像に基づいて、粉末床Bにおける粉末材料の分布状態を評価するものである。カメラ40で取得された撮影像は、制御装置50に送られ、その撮影像に対して、制御装置50にて、評価工程が実施される。
[Powder bed evaluation method]
Next, a powder bed evaluation method according to an embodiment of the present invention will be described. When this powder bed evaluation method manufactures the three-dimensional structure P by repeating the powder supply process, the imaging process, and the modeling process in order using the layered modeling apparatus 1 described above, the configuration of the powder bed B in the powder supply process. Each time the layer B1 is formed, the distribution state of the powder material in the powder bed B is evaluated based on a photographed image obtained by photographing the surface of the constituent layer B1 with the camera 40 in the photographing process. The captured image acquired by the camera 40 is sent to the control device 50, and an evaluation process is performed on the captured image by the control device 50.
(粉末床表面における粉末材料の分布の不均一性)
上記積層造形装置1においては、粉末材料の供給とレーザー照射による造形を層状に行っており、既に途中まで形成された三次元造形物Pを内包する粉末床Bの表面に、新しい構成層B1を積層している。そのため、粉末床Bに内包された三次元造形物Pが、新しく形成される構成層B1の状態に影響を与える場合がある。
(Non-uniformity of powder material distribution on the powder bed surface)
In the layered manufacturing apparatus 1, the powder material is supplied and the laser irradiation is performed in layers, and a new component layer B1 is formed on the surface of the powder bed B containing the three-dimensional structure P that has already been formed halfway. Laminated. Therefore, the three-dimensional structure P included in the powder bed B may affect the state of the newly formed component layer B1.
例えば、既に途中まで形成され、粉末床Bに内包されている三次元造形物Pが上方まで突出している部位等において、次の粉末供給工程で、他の部位に比べて十分に粉末材料が分布されない可能性がある。極端な場合には、その三次元造形物Pの上面が、次に形成される構成層B1の表面に露出した露出部D1が形成される場合がある。あるいは、突出した三次元造形物Pの部位の上に粉末材料が積層され、その部位だけ粉末材料の層が厚く形成される場合もありうる。反対に、粉末床Bに内包されている三次元造形部の上面が低くなっている部位においては、次の粉末供給工程で、他の部位と同様に粉末材料を供給したとしても、その部位だけ構成層B1の表面が下方に窪んだ陥没部(エグレ)D2が形成される場合がある。ブレード23でのスキージングを経ても、露出部D1や陥没部D2のような粉末材料の不均一分布を完全に解消できないことも多い。さらには、スキージング時に、ブレード23によって構成層B1の表面に筋状の不均一分布を形成してしまうことや、既に形成された三次元造形物Pにブレード23が引っ掛かること等により、スキージングを経て粉末材料の分布の不均一性が増長される場合もある。 For example, in a part where the three-dimensional structure P that has already been formed partway and is contained in the powder bed B protrudes upward, the powder material is sufficiently distributed in the next powder supply process compared to other parts. It may not be. In an extreme case, an exposed portion D1 may be formed in which the upper surface of the three-dimensional structure P is exposed on the surface of the constituent layer B1 to be formed next. Alternatively, the powder material may be stacked on the protruding portion of the three-dimensional structure P, and the layer of the powder material may be formed thicker at that portion. On the other hand, in the part where the upper surface of the three-dimensional modeling part included in the powder bed B is low, even if the powder material is supplied in the next powder supply process in the same manner as other parts, only that part. There is a case where a depressed portion (egre) D2 in which the surface of the constituent layer B1 is depressed downward is formed. Even after squeezing with the blade 23, the uneven distribution of the powder material such as the exposed portion D1 and the depressed portion D2 cannot often be completely eliminated. Further, during squeezing, the blade 23 forms a streaky non-uniform distribution on the surface of the constituent layer B1, or the squeezing is caused by the blade 23 being caught by the already formed three-dimensional structure P. In some cases, the nonuniformity of the distribution of the powder material may be increased.
(評価データの構築)
粉末床Bの構成層B1に、露出部D1や陥没部D2のような粉末材料の不均一分布が存在すると、撮影工程でカメラ40にて取得される撮影像に、そのような不均一分布が反映される。図2に、撮影像の例を示す。ここでは、粉末材料として金属粉末を用いている。図2(a)の画像においては、露出部D1や陥没部D2等の不均一分布が実質的に存在せず、ブレード23でのスキージングを経て、粉末材料が、高い均一性をもって、粉末床Bの面内全体に分布している。図2(b)の画像においては、破線で囲んだ部分に、画像の辺に対して傾斜を有する長細い領域の内部に、明るい部位と暗い部位が縞をなしたような構造が、多数見られている。これらの構造は、既に途中まで形成されている三次元造形物Pの上面にあたる金属面が露出した露出部D1に対応している。図2(c)の画像においては、符号Aで示した領域に、点状の明るい部位として観察される露出部D1と、符号Bで示した領域に、暗くなった部位として観察される陥没部D2と、が確認される。このように、カメラ40で取得される撮影像を用いれば、粉末床Bの構成層B1における粉末材料の分布の均一性を評価することができる。
(Construction of evaluation data)
If a non-uniform distribution of the powder material such as the exposed portion D1 and the depressed portion D2 is present in the constituent layer B1 of the powder bed B, such a non-uniform distribution is present in the photographed image acquired by the camera 40 in the photographing process. Reflected. FIG. 2 shows an example of a captured image. Here, metal powder is used as the powder material. In the image of FIG. 2 (a), there is substantially no non-uniform distribution such as the exposed portion D1 and the depressed portion D2, and the powder material has a high uniformity through squeezing with the blade 23. It is distributed over the entire surface of B. In the image of FIG. 2 (b), a large number of structures in which a bright part and a dark part are striped inside a long and narrow area inclined with respect to the side of the image are shown in a part surrounded by a broken line. It has been. These structures correspond to the exposed portion D1 where the metal surface corresponding to the upper surface of the three-dimensional structure P that has already been formed halfway is exposed. In the image of FIG. 2C, an exposed portion D1 that is observed as a dotted bright portion in the region indicated by the symbol A, and a depressed portion that is observed as a darkened portion in the region indicated by the symbol B. D2 is confirmed. In this way, by using the captured image acquired by the camera 40, the uniformity of the distribution of the powder material in the constituent layer B1 of the powder bed B can be evaluated.
本粉末床評価方法においては、図2のような構成層B1の撮影像をもとに、粉末床Bにおいて、粉末材料の分布が不均一な箇所を検出した評価データを構築する。以下に、評価データの構築法の一例について説明する。 In the present powder bed evaluation method, evaluation data for detecting a non-uniform distribution of the powder material in the powder bed B is constructed based on the photographed image of the constituent layer B1 as shown in FIG. Below, an example of the construction method of evaluation data is demonstrated.
(1)三次元分布像の作成
図2に示されるような各構成層B1の表面を撮影した二次元の撮影像に基づいて、粉末床Bにおける粉末材料の分布を三次元で示す三次元分布像を得ることができる。図3に、三次元分布像の作成の一例を示す。
(1) Creation of three-dimensional distribution image Three-dimensional distribution showing the distribution of the powder material in the powder bed B in three dimensions based on a two-dimensional photographed image of the surface of each component layer B1 as shown in FIG. An image can be obtained. FIG. 3 shows an example of creating a three-dimensional distribution image.
三次元分布像を得るためには、複数回の粉末供給工程に対応する撮影工程のそれぞれにおいて、各構成層B1に対して得られた二次元の撮影像を、構成層B1の積層順に対応させて、順次積層し、積層画像を得る。積層画像の例を、図3(a)に示す。図中、スキージングの方向を矢印で示している。粉末床Bにおける粉末材料の分布を高精度に分析する観点からは、全ての構成層B1に対応する撮影像を用いて積層画像を構成することが好ましいが、データ容量に制約がある場合等には、複数枚ごとに1枚の撮影像を抽出して用いる間引きや、複数枚ごとに画像を平均して用いる平均化を経て、積層画像を構成してもよい。 In order to obtain a three-dimensional distribution image, in each of the photographing steps corresponding to the plurality of powder supply steps, the two-dimensional photographed image obtained for each constituent layer B1 is made to correspond to the stacking order of the constituent layers B1. Are sequentially laminated to obtain a laminated image. An example of a laminated image is shown in FIG. In the figure, the direction of squeezing is indicated by an arrow. From the viewpoint of analyzing the distribution of the powder material in the powder bed B with high accuracy, it is preferable to construct a laminated image using photographed images corresponding to all the constituent layers B1, but when the data capacity is limited, etc. In other words, a laminated image may be configured through thinning and extracting and using one photographed image for each of a plurality of images or averaging using an image for each of a plurality of images.
図3(b)に、上記で得られた積層画像を三次元的に表示して得られる三次元分布像を示す。これは、積層造形装置1において、順次積層した各構成層B1の集合として形成された実際の粉末床Bにおける粉末材料の分布状態に対応するものである。図3(b)では、表面に、細長い領域の内部に凹凸を有する構造が多数見られている。この三次元分布像を得た実際の粉末床Bの表面においては、粉末材料および表面に露出した三次元造形物Pの面によって、凹凸を有する構造が形成されており、三次元分布像において、そのような表面状態が再現されている。なお、ここで得られる三次元分布は、レーザー照射による造形工程を挟みながら構成層B1を多層に積層して最終的に得られた粉末床Bにおける粉末材料の分布を示しているのではなく、各構成層B1を形成した時点での、その構成層B1における粉末材料の分布を、集積したものである。両分布が一致する場合もあるが、一般的に一致する訳ではない。 FIG. 3B shows a three-dimensional distribution image obtained by three-dimensionally displaying the layered image obtained above. This corresponds to the distribution state of the powder material in the actual powder bed B formed as an assembly of the respective constituent layers B1 sequentially stacked in the additive manufacturing apparatus 1. In FIG. 3B, a large number of structures having irregularities inside the elongated region are seen on the surface. On the surface of the actual powder bed B from which this three-dimensional distribution image was obtained, a structure having irregularities is formed by the powder material and the surface of the three-dimensional structure P exposed on the surface. In the three-dimensional distribution image, Such a surface state is reproduced. The three-dimensional distribution obtained here does not indicate the distribution of the powder material in the powder bed B finally obtained by laminating the constituent layers B1 in multiple layers while sandwiching the modeling process by laser irradiation, The distribution of the powder material in the constituent layer B1 at the time when each constituent layer B1 is formed is accumulated. Although both distributions may match, they generally do not match.
得られた三次元分布像に対して、任意の位置で切断した断面像を作成することで、粉末床Bの断面における粉末材料の分布を解析することができる。図3(b)の三次元分布像において、端部に断面を表示しているが、図3(c)に、その端部の表面近傍の部位を拡大した拡大断面像を示す。図3(c)の断面像によると、材料粉末の三次元分布の表面において凹凸状の不均一構造が見られる部位では、下方においても、周囲よりも明るい部位と暗い部位が混在した不均一構造が柱状に延びている。つまり、粉末材料の分布が不均一となった構造が、柱状に存在していることが分かる。これは、柱状体として形成されている三次元造形物Pの影響によるものであると解釈される。 The distribution of the powder material in the cross section of the powder bed B can be analyzed by creating a cross-sectional image cut at an arbitrary position with respect to the obtained three-dimensional distribution image. In the three-dimensional distribution image of FIG. 3 (b), the cross section is displayed at the end, and FIG. 3 (c) shows an enlarged cross-sectional image in which a portion near the surface of the end is enlarged. According to the cross-sectional image of FIG. 3 (c), in the portion where the uneven uneven structure is seen on the surface of the three-dimensional distribution of the material powder, the uneven structure in which the brighter portion and the darker portion are mixed even in the lower part. Extends in a columnar shape. That is, it can be seen that the structure in which the distribution of the powder material is nonuniform exists in a columnar shape. This is interpreted as being due to the influence of the three-dimensional structure P formed as a columnar body.
(2)粉末材料の不均一分布の定量評価
次に、得られた三次元分布像に対して解析を行い、粉末床Bにおける粉末材料の不均一分布を定量的に評価する方法について説明する。上記で得られた二次元あるいは三次元の像に対して、目視によって、粉末材料の分布に不均一性が存在することを認識することはできるが、その不均一性を定量的に解析することで、粉末床Bにおける粉末材料の分布状態を一層明確に分析することができる。
(2) Quantitative Evaluation of Nonuniform Distribution of Powder Material Next, a method for analyzing the obtained three-dimensional distribution image and quantitatively evaluating the nonuniform distribution of the powder material in the powder bed B will be described. Although it is possible to visually recognize the presence of non-uniformity in the distribution of the powder material from the two-dimensional or three-dimensional image obtained above, the non-uniformity should be analyzed quantitatively. Thus, the distribution state of the powder material in the powder bed B can be analyzed more clearly.
図4(a)に、上記と同様にして得られた三次元分布像に対して作成した断面像を示す。図4(a)においては、カメラ40で撮影した撮影像の積層と三次元化、断面の切り出し以外に、画像に対する処理や操作を行っておらず、未処理の断面像となっている。なお、図4(a)の画像は、後の実施例で、粉末Aを原料として梁形状試料を形成する際の粉末床に対して得られたものである。 FIG. 4A shows a cross-sectional image created for the three-dimensional distribution image obtained in the same manner as described above. In FIG. 4A, processing and operation are not performed on the image other than the stacking and three-dimensionalization of the captured images taken by the camera 40, and the cutting of the cross section, and an unprocessed cross sectional image is obtained. In addition, the image of Fig.4 (a) was obtained with respect to the powder bed at the time of forming a beam-shaped sample by using powder A as a raw material in the following Example.
カメラ40で撮影した状態のままの撮影像には、陰影や粉末床Bの表面での光の反射、撮影時のノイズ等、粉末床Bにおける粉末材料の分布状態に由来しない、非本質的な要素が重畳されている。そのような要素は、三次元分布像や断面像にも引き継がれる。このような非本質的要素が画像中に存在していることで、粉末材料の分布を定量的に解析するにあたり、妨げとなる可能性がある。そこで、そのような非本質的要素を、画像から除去し、粉末材料の分布に由来する本質的な情報を画像から抽出する処理を行うことが好ましい。そのような処理は、例えば、画像のフィルタリング処理によって行うことができる。フィルタリング処理とは、所定のアルゴリズムに従って画像データを処理することで、画像中の所定の構造を除去または抽出する操作である。画像中の陰影や反射、ノイズ等を除去するフィルタリング法は公知であり、ここではそれらを適用することができる。また、粉末床Bの各構成層B1において、三次元造形物Pの既に形成された部位の金属面が露出している場合に、そのような金属面に由来する画像中の構造を粉末材料に由来する構造と区別することも、フィルタリング処理によって行いうる。 The captured image as it is photographed by the camera 40 is non-essential and does not originate from the distribution of the powder material in the powder bed B, such as shadows, reflection of light on the surface of the powder bed B, noise during photographing, etc. Elements are superimposed. Such elements are inherited in the three-dimensional distribution image and the cross-sectional image. The presence of such non-essential elements in the image may hinder the quantitative analysis of the powder material distribution. Therefore, it is preferable to perform a process of removing such non-essential elements from the image and extracting essential information derived from the distribution of the powder material from the image. Such processing can be performed by, for example, image filtering processing. The filtering process is an operation for removing or extracting a predetermined structure in an image by processing image data according to a predetermined algorithm. Filtering methods for removing shadows, reflections, noise, and the like in an image are known, and can be applied here. Moreover, in each component layer B1 of the powder bed B, when the metal surface of the already formed part of the three-dimensional structure P is exposed, the structure in the image derived from such a metal surface is used as the powder material. Differentiating from the derived structure can also be performed by a filtering process.
図4(a)の未処理画像に対してフィルタリング処理を行い、粉末材料の分布に由来する本質的な情報を抽出したものを、図4(b)に示す。ここでは、図4(a)の未処理画像に比べ、画像全体のコントラストが鮮明になっている。画像中において、明るく撮影されている部位ほど、粉末材料の分布密度が高くなっている。 FIG. 4B shows a result of filtering processing performed on the unprocessed image in FIG. 4A and extracting essential information derived from the distribution of the powder material. Here, the contrast of the entire image is clearer than the unprocessed image of FIG. In the image, the distribution density of the powder material is higher as the region is brighter.
次に、粉末床Bにおいて、粉末材料が不均一に分布している箇所を特定し、抽出する処理を行う。そのためには、画像に対して、二値化処理を適用することができる。二値化処理においては、粉末材料の分布が不均一になっているとみなす信号強度の閾値を設定し、画像中の各データ点に対して、信号強度がその閾値以上(あるいは閾値超)となっているか、閾値未満(あるいは閾値以下)となっているかを弁別し、それぞれの状態を示す2水準のデータ(例えば0と1)に置き換える。これにより、各データ点において、粉末材料の不均一分布が生じているかいないかを判定することができる。信号強度が閾値以上(あるいは閾値超)となっている場合を不均一分布が発生しているとみなすのか、閾値未満(あるいは閾値以下)となっている場合を不均一分布が発生しているとみなすのかは、発生しうる不均一分布の種類、例えば、他の部位よりも粉末材料の密度が低い部位が発生しやすいのか、逆に密度の高い部位が発生しやすいのかや、粉末材料の種類、カメラ40での撮影条件等に依存するので、適宜選択すればよい。 Next, in the powder bed B, the location where the powder material is unevenly distributed is specified and extracted. For this purpose, binarization processing can be applied to the image. In the binarization process, a threshold value is set for the signal intensity that is considered to be non-uniform in the distribution of the powder material, and for each data point in the image, the signal intensity is equal to or greater than (or exceeds) the threshold value. Or less than the threshold value (or below the threshold value), and is replaced with two-level data (for example, 0 and 1) indicating each state. This makes it possible to determine whether or not a non-uniform distribution of the powder material occurs at each data point. If the signal intensity is greater than or equal to the threshold (or greater than the threshold), the non-uniform distribution is considered to occur, or if the signal intensity is less than the threshold (or less than the threshold), the non-uniform distribution is occurring What is considered is the type of non-uniform distribution that can occur, for example, whether a part with a lower density of the powder material is likely to occur than other parts, or conversely, a part with a higher density is more likely to occur, or the type of powder material Since it depends on the shooting conditions of the camera 40, etc., it may be selected as appropriate.
図4(b)の画像に対して二値化を行った結果を、図4(c)に示す。ここでは、暗く表示されている領域において、明るく表示されている領域よりも粉末材料の分布密度が低くなっている。明るく表示されている領域と暗く表示されている領域が入り混じっていることから、粉末床Bにおいて、粉末材料の不均一分布(ムラ)が生じているとみなすことができる。このように、二値化処理を経て、粉末床Bの中で粉末材料の分布が不均一になっている箇所を識別することができる。 The result of binarizing the image of FIG. 4B is shown in FIG. Here, the distribution density of the powder material is lower in the darkly displayed area than in the brightly displayed area. Since the brightly displayed area and the darkly displayed area are mixed, it can be considered that a non-uniform distribution (unevenness) of the powder material occurs in the powder bed B. In this way, the location where the distribution of the powder material is non-uniform in the powder bed B can be identified through the binarization process.
上記のように断面像に対して得た粉末材料のムラの分布を、三次元表示することもできる。粉末床Bの各位置に対応する断面で、同様に、フィルタリング処理と二値化処理を行ったうえで、得られた断面像を配列し、三次元的に表示することで、ムラの分布を三次元的に可視化することができる。図4(d)に、そのようにして得たムラの三次元分布の例を示す。ここでは、濃いグレーで表示した領域が、粉末材料の密度が他の部位よりも低くなっていることを示している。粉末床B全体に、そのような領域が分布していることが分かる。 The distribution of unevenness of the powder material obtained for the cross-sectional image as described above can also be displayed three-dimensionally. In the cross-section corresponding to each position of the powder bed B, similarly, after filtering processing and binarization processing, the obtained cross-sectional images are arranged and displayed in a three-dimensional manner. It can be visualized in three dimensions. FIG. 4D shows an example of the three-dimensional distribution of unevenness thus obtained. Here, the area | region displayed with dark gray has shown that the density of powder material is lower than another site | part. It can be seen that such a region is distributed throughout the powder bed B.
さらに、フィルタリングと二値化を経て得られた二次元像(図4(c))あるいは三次元像(図4(d))において、ムラの存在率を定量的に見積もることができる。二値化を経てムラが存在すると判定された部位が、画像中で粉末床B全体に占める面積、あるいは体積の割合を算出すればよい。例えば、図4(c)の二次次元像において、暗く表示されている他の領域より粉末材料の密度が低い領域が占める面積は、24.9%である。 Further, in the two-dimensional image (FIG. 4C) or the three-dimensional image (FIG. 4D) obtained through filtering and binarization, the unevenness existence rate can be quantitatively estimated. What is necessary is just to calculate the area or the volume ratio that the part determined to have unevenness through binarization occupies the entire powder bed B in the image. For example, in the secondary dimensional image of FIG. 4C, the area occupied by the area where the density of the powder material is lower than that of the other areas that are darkly displayed is 24.9%.
ここでは、カメラ40で得られた撮影像から三次元分布像を作成し、さらに断面像としたうえで、その断面像に対して、画像処理によるムラの定量化を行う形態について説明したが、そのような画像処理は、カメラ40で得られた二次元の撮影像に対して行ってもよい。この場合には、先に処理を経た画像に対して、積層、三次元化、断面像作成を行えばよい。あるいは、カメラ40で得られた二次元画像に基づいて形成した三次元分布像に対して、三次元のまま、画像処理を行ってもよい。 Here, a mode has been described in which a three-dimensional distribution image is created from a captured image obtained by the camera 40 and further a cross-sectional image, and the cross-sectional image is subjected to quantification of unevenness by image processing. Such image processing may be performed on a two-dimensional captured image obtained by the camera 40. In this case, layering, three-dimensionalization, and cross-sectional image creation may be performed on the image that has been processed previously. Alternatively, image processing may be performed on the three-dimensional distribution image formed based on the two-dimensional image obtained by the camera 40 while keeping the three-dimensional image.
(粉末床における粉末材料の分布と三次元造形物の形状との対応)
上記のようにして、三次元造形物Pを形成するための原材料としての粉末床Bにおける粉末材料の分布の均一性を評価したうえで、さらにそれを、製造される三次元造形物Pの形状と対応付けることができる。
(Correspondence between distribution of powder material in powder bed and shape of three-dimensional structure)
As described above, after evaluating the uniformity of the distribution of the powder material in the powder bed B as a raw material for forming the three-dimensional structure P, it is further converted into the shape of the three-dimensional structure P to be manufactured. Can be associated.
上記のように、層ごとの造形工程において、レーザービームを照射する位置は、製造すべき三次元造形物Pの形状を示す三次元CAD等の設計データに基づいて行われる。よって、その設計データを、上記で得られた粉末材料の分布と重畳することで、粉末床Bにおける粉末材料の分布を、製造される三次元造形物Pにおける位置に対応付けることができる。つまり、粉末床Bにおいて粉末材料の分布にムラが存在している部位が、三次元造形物P全体のうち、どのような部位を構成する材料となるのかを、対応付けることができる。 As described above, in the modeling process for each layer, the position where the laser beam is irradiated is performed based on design data such as a three-dimensional CAD indicating the shape of the three-dimensional structure P to be manufactured. Therefore, by superimposing the design data on the distribution of the powder material obtained above, the distribution of the powder material on the powder bed B can be associated with the position on the three-dimensional structure P to be manufactured. That is, in the powder bed B, it is possible to associate which part of the entire three-dimensional structure P is a part where unevenness exists in the distribution of the powder material.
粉末床Bにおいて、粉末材料の分布密度が低くなったムラの部位は、レーザー照射を受けて三次元造形物Pを構成する際に、構成材料の密度が低くなった、あるいは構成材料が欠損した空隙を構成する蓋然性が高い。このことを利用して、粉末床Bにおける粉末材料の分布を、三次元造形物Pにおける空隙の分布に対応付けることができる。具体的には、粉末床Bにおける粉末材料の分布と、レーザービームの照射位置を示す設計データを重畳し、粉末床Bにおける粉末材料の密度が低い部位が、三次元造形物Bにおいて空隙が形成される部位になるとみなすことで、三次元造形物Pにおいて、空隙が形成されている位置、またそのような空隙が三次元造形物Pに占める割合を、推定することができる。 In the powder bed B, the uneven portion where the distribution density of the powder material is low is reduced in the density of the constituent material or the constituent material is lost when the three-dimensional structure P is formed by receiving the laser irradiation. The probability of forming a void is high. By utilizing this, the distribution of the powder material in the powder bed B can be associated with the distribution of the voids in the three-dimensional structure P. Specifically, the distribution of the powder material in the powder bed B and the design data indicating the irradiation position of the laser beam are superimposed, and a portion where the density of the powder material in the powder bed B is low forms a void in the three-dimensional structure B. By considering that it becomes the site | part to be performed, in the three-dimensional structure P, the position where the space | gap is formed and the ratio which such a space | gap occupies for the three-dimensional structure P can be estimated.
上記のように、粉末床Bにおける粉末材料の分布のムラと、製造される三次元造形物Pにおける構成材料の密度には相関があり、そのことは、後の実施例でも示される。しかし、粉末床Bを構成する粉末材料が一旦溶融して再凝固し、三次元造形物Pの構成材料となるので、粉末床Bにおけるムラの割合(ムラ率)がそのまま、三次元造形物Pにおいて、構成材料が充填されていない空隙の割合(空隙率)となる訳ではない。また、三次元造形物Pにおける空隙の形成には、三次元造形物Pにおける残留応力も影響するため、空隙形成の程度は、三次元造形物Pの具体的形状にも依存する。しかし、同一または類似の形状を有する三次元造形物Pを、様々な分布状態を有する粉末床Bを用いて形成する事前の試験等により、粉末床Bにおけるムラ率と三次元造形物Pにおける空隙率の相関性を定量的に見積もっておけば、粉末床Bにおけるムラ率から、三次元造形物Pにおける空隙率を定量的に推定することも可能となる。なお、ムラ率との対応付けに用いる三次元造形物Pにおける空隙率は、三次元造形物Pに対する断面写真の解析、密度の測定等によって見積もることができる。 As described above, there is a correlation between the uneven distribution of the powder material in the powder bed B and the density of the constituent material in the manufactured three-dimensional structure P, which is also shown in a later example. However, since the powder material constituting the powder bed B is once melted and re-solidified to become a constituent material of the three-dimensional structure P, the unevenness ratio (unevenness ratio) in the powder bed B remains as it is, and the three-dimensional structure P However, the ratio of voids not filled with the constituent material (void ratio) is not necessarily obtained. Further, since the residual stress in the three-dimensional structure P also affects the formation of the void in the three-dimensional structure P, the degree of void formation also depends on the specific shape of the three-dimensional structure P. However, the unevenness ratio in the powder bed B and the void in the three-dimensional structure P are determined by a preliminary test or the like for forming the three-dimensional structure P having the same or similar shape using the powder bed B having various distribution states. If the correlation of the rates is quantitatively estimated, it is possible to quantitatively estimate the porosity in the three-dimensional structure P from the unevenness rate in the powder bed B. In addition, the porosity in the three-dimensional structure P used for matching with the unevenness ratio can be estimated by analyzing a cross-sectional photograph of the three-dimensional structure P, measuring the density, or the like.
(粉末床の評価によって得られる情報の利用)
以上のように、粉末床Bを構成する構成層B1の表面を撮影した撮影像に基づいて、粉末床Bにおける粉末材料の分布を解析することで、粉末床Bにおける粉末材料の分布の均一性を評価することができる。特に、粉末床Bにおいて、粉末材料の分布が不均一になった箇所を検出し、さらにその不均一性を定量的に評価することができる。積層造形の原料となる粉末床Bにおいて粉末材料の分布にムラが存在すれば、そのムラは、粉末床Bにレーザー照射を行って得られる三次元造形物Pにおいて、構成材料のムラとして引き継がれる蓋然性が高い。従って、評価によって得られた粉末床Bにおける粉末材料の分布に関する情報を基に、製造される三次元造形物Pにおける構成材料の分布の均一性を推定することができる。製造された三次元造形物Pの内部において、構成材料の密度分布を調べようとすれば、その三次元造形物Pを切断して観察するか、分析装置を用いた非破壊分析等を行う必要があるが、粉末床Bにおける粉末材料の分布状態から、三次元造形物Pにおける構成材料の密度分布を推定できることで、そのような分析を行わなくて済むようになる。また、順次構成層B1を形成し、レーザー照射を行って三次元造形物Pを層状に作製しながら、粉末床Bにおける粉末材料の分布をリアルタイムで解析し、ムラが多いことが分かった場合には、それ以上造形を続けても高品質な三次元造形物Pは得られないと判断し、造形を中止する、というように、積層造形の工程の監視のために、粉末床Bにおけるムラの評価を利用することも可能である。
(Use of information obtained by powder bed evaluation)
As described above, the distribution of the powder material in the powder bed B is analyzed by analyzing the distribution of the powder material in the powder bed B based on the photographed image obtained by photographing the surface of the constituent layer B1 constituting the powder bed B. Can be evaluated. In particular, in the powder bed B, a portion where the distribution of the powder material is non-uniform can be detected, and the non-uniformity can be quantitatively evaluated. If there is unevenness in the distribution of the powder material in the powder bed B that is the raw material for additive manufacturing, the unevenness is inherited as unevenness in the constituent material in the three-dimensional structure P obtained by irradiating the powder bed B with laser. The probability is high. Therefore, the uniformity of the distribution of the constituent material in the three-dimensional structure P to be manufactured can be estimated based on the information regarding the distribution of the powder material in the powder bed B obtained by the evaluation. If the density distribution of the constituent material is to be examined inside the manufactured three-dimensional structure P, it is necessary to cut and observe the three-dimensional structure P or perform non-destructive analysis using an analyzer. However, since the density distribution of the constituent material in the three-dimensional structure P can be estimated from the distribution state of the powder material in the powder bed B, such an analysis can be omitted. In addition, when the constituent layer B1 is sequentially formed and laser irradiation is performed to produce the three-dimensional structure P in layers, the distribution of the powder material on the powder bed B is analyzed in real time, and it is found that there are many unevennesses. Determines that a high-quality three-dimensional model P cannot be obtained even if the modeling is continued further, and stops the modeling. Evaluation can also be used.
また、粉末床Bにおける粉末材料の分布のムラを検出し、定量的に評価することで、粉末床Bの形成にかかる条件を検証し、そのようなムラを与える原因を分析することや、その分析結果に基づいて、粉末床形成等にかかる条件を改良し、粉末床Bにおけるムラの低減を図ることができる。粉末床Bにおいて粉末材料の分布にムラが生じる原因としては、粉末材料の特性(粒径や粒子形状、表面処理等)、粉末材料の供給速度、ブレード23の構成(材料や形状)、スキージング時のブレード23の移動速度、各構成層B1の厚さ等を挙げることができる。例えば、これらのうちいずれかのパラメータを変化させて、粉末床Bにおける粉末材料の分布ムラを比較することで、どのようなパラメータが分布の不均一性を与える原因となっているのかを推定し、そのパラメータを調整することで、粉末材料の分布ムラを低減することができる。また、上記のように、粉末床Bの構成層B1における露出部D1や陥没部D2の形成に、三次元造形物Pの既に形成されている下層の部位の形状が影響することも多いが、可能であれば、三次元造形物Pの設計形状を変更することでも、粉末材料の分布ムラを低減できる可能性がある。 In addition, by detecting the unevenness of the distribution of the powder material in the powder bed B and quantitatively evaluating it, the conditions for forming the powder bed B can be verified, and the cause of giving such unevenness can be analyzed, Based on the analysis result, conditions for forming the powder bed and the like can be improved, and unevenness in the powder bed B can be reduced. The causes of unevenness in the distribution of the powder material in the powder bed B include the characteristics of the powder material (particle size, particle shape, surface treatment, etc.), the supply speed of the powder material, the configuration of the blade 23 (material and shape), and squeezing. The moving speed of the blade 23 at the time, the thickness of each constituent layer B1, etc. can be mentioned. For example, by changing any of these parameters and comparing the distribution unevenness of the powder material in the powder bed B, it is possible to estimate what parameter causes the distribution non-uniformity. By adjusting the parameters, uneven distribution of the powder material can be reduced. In addition, as described above, the shape of the lower portion of the three-dimensional structure P that is already formed often affects the formation of the exposed portion D1 and the depressed portion D2 in the constituent layer B1 of the powder bed B. If possible, the distribution unevenness of the powder material may be reduced by changing the design shape of the three-dimensional structure P.
一方、粉末床Bにおける粉末材料の分布の均一性は高いにもかかわらず、得られる三次元造形物Pにおいて、空隙率が高くなってしまう場合もある。このような場合には、粉末床Bにおける粉末材料の分布以外の要因が、三次元造形物Pにおいて空隙を発生させていると推定することができる。その種の要因としては、粉末材料を構成する金属等の材料の物性や、レーザービームの照射条件を挙げることができる。このような場合には、用いる粉末材料の種類やレーザービームの照射条件(波長やエネルギー密度)の変更を検討すればよい。 On the other hand, although the uniformity of the distribution of the powder material in the powder bed B is high, the void ratio may be high in the obtained three-dimensional structure P. In such a case, it can be presumed that factors other than the distribution of the powder material in the powder bed B are generating voids in the three-dimensional structure P. Such factors include physical properties of materials such as metals constituting the powder material, and laser beam irradiation conditions. In such a case, the change of the type of powder material to be used and the laser beam irradiation conditions (wavelength and energy density) may be considered.
粉末床Bにおいて、各構成層B1の撮影像に基づいて粉末材料の分布が不均一になったムラを検出するための具体的な解析方法としては、どのようなものを用いてもよいが、フィルタリング処理によって粉末材料の分布を示す本質的な画像情報を抽出したうえで、二値化処理によってムラを識別するという方法を用いることで、粉末床Bにおけるムラの存在を、高精度かつ簡便に検出することができる。また、粉末床Bにおけるムラ率を定量化しやすい。粉末床Bの構成層B1のそれぞれに対して表面の撮影を行っていることから、処理すべき撮影像の量が膨大になる場合もあるが、フィルタリング処理と二値化処理によって自動的にムラを識別すれば、撮影像のデータ処理を一括して効率的に実行することができる。また、粉末床Bを構成する粉末材料の種類や、カメラ40での撮影条件が変化しても、フィルタリング処理に用いるパラメータや、二値化時の閾値を調整することで、同じ方法で、ムラの定量的検出を行うことができる。 In the powder bed B, any specific analysis method for detecting unevenness in which the distribution of the powder material becomes non-uniform based on the captured image of each component layer B1 may be used. After extracting essential image information indicating the distribution of the powder material by filtering processing, and using a method of identifying unevenness by binarization processing, the presence of unevenness in the powder bed B can be detected with high accuracy and simplicity. Can be detected. Moreover, it is easy to quantify the unevenness ratio in the powder bed B. Since the surface of each of the constituent layers B1 of the powder bed B is photographed, the amount of photographed images to be processed may become enormous. However, unevenness is automatically generated by filtering and binarization. Can be efficiently executed collectively on the captured image data processing. Even if the type of powder material composing the powder bed B and the photographing conditions with the camera 40 change, the same method can be used to adjust the parameters used for the filtering process and the threshold value for binarization. Can be quantitatively detected.
粉末床Bにおける粉末材料の分布の評価は、粉末床Bの各構成層B1に対して得られる二次元の撮影像に対して行うこともできるが、そのような二次元画像を積層して得られる三次元情報に対して評価を行うことで、三次元造形物Pが、造形層を積層して三次元的に形成されるのと対応させて、粉末床Bにおける粉末材料の分布の評価や、得られる三次元造形物Pに対するその影響の検証および解釈を行いやすくなる。さらに、レーザー照射に用いる設計データと粉末床Bにおける粉末材料の三次元分布像を重畳し、三次元造形物Pの形状と粉末床Bにおける粉末材料の分布と対応させることで、原料としての粉末材料の分布ムラに起因して、三次元造形物Pの構成材料の分布が不均一になっている箇所を、正確に推定することができる。また、粉末床Bにおける粉末材料の分布と、三次元造形物Pの形状との相関性を正確に検証することができ、粉末床Bにおける粉末材料の分布ムラの改善および三次元造形物Pにおける構成材料の均一性の向上につなげることが可能となる。特に、粉末床Bにおけるムラ率と三次元造形物Pにおける空隙率を定量的に対応づけることで、粉末床Bのムラに起因した三次元造形物Pにおける空隙の存在位置およびその割合を定量的に推定すること、粉末床Bにおける粉末材料の分布と三次元造形物Pにおける空隙の相関性を検討すること、また、検討結果に基づいて、積層造形にかかる各工程の条件の改良を行うことが可能となる。 The evaluation of the distribution of the powder material in the powder bed B can be performed on a two-dimensional photographed image obtained for each constituent layer B1 of the powder bed B, and is obtained by stacking such two-dimensional images. By evaluating the three-dimensional information to be obtained, the three-dimensional structure P is formed in a three-dimensional manner by stacking the modeling layers, and the distribution of the powder material in the powder bed B is evaluated. It becomes easier to verify and interpret the influence on the obtained three-dimensional structure P. Furthermore, the design data used for laser irradiation and the three-dimensional distribution image of the powder material in the powder bed B are superimposed, and the powder as the raw material is made to correspond to the shape of the three-dimensional structure P and the distribution of the powder material in the powder bed B. It is possible to accurately estimate a location where the distribution of the constituent materials of the three-dimensional structure P is non-uniform due to uneven material distribution. In addition, the correlation between the distribution of the powder material in the powder bed B and the shape of the three-dimensional structure P can be verified accurately, the improvement in the uneven distribution of the powder material in the powder bed B and the three-dimensional structure P It becomes possible to improve the uniformity of the constituent materials. In particular, by quantitatively associating the unevenness ratio in the powder bed B and the void ratio in the three-dimensional structure P, the position and ratio of the voids in the three-dimensional structure P caused by the unevenness in the powder bed B are quantitatively determined. To estimate the correlation between the distribution of the powder material in the powder bed B and the void in the three-dimensional structure P, and to improve the conditions of each process related to additive manufacturing based on the results of the investigation Is possible.
以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
[試験方法]
(試料造形物の作製)
SLM法を用いて、金属粉末を原料として、試料造形物の作製を行った。試料造形物の作製には、SLM Solutions社製 金属3Dプリンター(SLM280HL)を用いた。
[Test method]
(Preparation of sample model)
Using the SLM method, a sample model was produced using metal powder as a raw material. A metal 3D printer (SLM280HL) manufactured by SLM Solutions was used for the preparation of the sample model.
材料粉末としては、以下の4種類の金属粉末を準備した。
・粉末A:Fe基合金のガス噴霧粉(平均粒径:45μm)
・粉末B:Fe基合金の高圧水噴霧粉(平均粒径:45μm)
・粉末C:粉末Aに、0.05%のナノシリカを混合したもの
・粉末D:Ni基合金粉末(平均粒径:45μm)
The following four types of metal powders were prepared as material powders.
・ Powder A: Gas spray powder of Fe-based alloy (average particle size: 45 μm)
-Powder B: High-pressure water spray powder of Fe-based alloy (average particle diameter: 45 μm)
・ Powder C: Powder A mixed with 0.05% nano silica ・ Powder D: Ni-based alloy powder (average particle size: 45 μm)
試料造形物を作製する際のレーザー照射に用いた三次元CADデータに基づいて、試料造形物の形状を図5に示す。各材料粉末を用いて、図5(a)のブロック形状試料と、図5(b)の梁形状試料の2種の試料造形物を作成した。それぞれの試料には、底部にサポート(p1)を設けてある。 Based on the three-dimensional CAD data used for laser irradiation when producing the sample model, the shape of the sample model is shown in FIG. Using each of the material powders, two types of sample shaped objects were created: a block shape sample in FIG. 5A and a beam shape sample in FIG. 5B. Each sample has a support (p1) at the bottom.
試料造形物の作製に際し、粉末床において順次積層する各構成層の厚さは、50μmとした。また、造形時に照射したレーザービームのエネルギー密度を、図6中に示している。 In the production of the sample model, the thickness of each constituent layer sequentially laminated on the powder bed was 50 μm. Moreover, the energy density of the laser beam irradiated at the time of modeling is shown in FIG.
(粉末床のムラの評価)
試料造形物の作製中に粉末床の各構成層に対して取得した撮影像を積層して三次元分布像とし、図5のような設計データと対応させて、図5中のA−A断面およびB−B断面に対応する位置の断面像を作成した。そして、断面像に対して、フィルタリング処理を行った。図6中、「積層画像」の欄に、処理後の画像を示す。画像中に破線で示した断面に対応する領域の中で、データ点の明るさの均一性が高いほど、粉末床における粉末材料の分布の均一性が高いことを示している。例えば粉末Aの梁形状試料のように、領域内に、明るい部位と暗い部位が筋状に入り混じっているのは、粉末材料の分布が不均一で、ムラが多く存在していることを示している。さらに、二値化処理を施した後、画像中で暗く見えている領域の面積を見積もり、断面全体の面積に対する割合として、ムラ率を算出した。
得られたムラ率の値は、図6中の「積層画像」の欄に合わせて示している。
(Evaluation of powder bed unevenness)
A photographed image acquired for each constituent layer of the powder bed during the preparation of the sample shaped object is laminated to form a three-dimensional distribution image, which corresponds to the design data as shown in FIG. And the cross-sectional image of the position corresponding to a BB cross section was created. And the filtering process was performed with respect to the cross-sectional image. In FIG. 6, an image after processing is shown in the “stacked image” column. In the region corresponding to the cross section indicated by the broken line in the image, the higher the uniformity of the brightness of the data points, the higher the uniformity of the distribution of the powder material in the powder bed. For example, as in the beam A sample of powder A, bright and dark parts are mixed in a streak in the region, indicating that the distribution of the powder material is non-uniform and uneven. ing. Furthermore, after performing the binarization process, the area of the region that appears dark in the image was estimated, and the unevenness rate was calculated as a ratio to the area of the entire cross section.
The value of the obtained unevenness rate is shown together with the “stacked image” column in FIG.
(試料造形物中の空隙の評価)
実際に作製した各試料造形物に対して、図5中のA−A断面およびB−B断面に対応する位置で切断を行い、断面を得た。図6中、「断面」の欄に、それら断面を撮影した写真を示す。写真において、断面内に穴のように暗く観察されている領域が、空隙である。そのような空隙の総面積を写真から見積もり、断面全体の面積に占める割合として、空隙率を算出した。得られた空隙率の値は、図6中の「断面」の欄に合わせて示している。
(Evaluation of voids in the sample model)
Each actually formed sample was cut at a position corresponding to the AA cross section and the BB cross section in FIG. 5 to obtain a cross section. In FIG. 6, a photograph of the cross section is shown in the “cross section” column. In the photograph, a region that is darkly observed like a hole in the cross section is a void. The total area of such voids was estimated from the photograph, and the void ratio was calculated as a ratio to the total area of the cross section. The value of the obtained porosity is shown together with the column of “cross section” in FIG.
[結果と考察]
(粉末床のムラ率と試料造形物の空隙率の相関)
図6に、各金属粉末を用いて各形状の試料造形物を作製した場合について、粉末床における粉末材料の分布を示す断面像(積層画像)と、実際に作製された試料造形物の断面写真(断面)の対比を示す。いずれも、図5中のA−A断面およびB−B断面に対応するものである。
[Results and discussion]
(Correlation between powder bed unevenness and porosity of sample molding)
FIG. 6 shows a cross-sectional image (laminated image) showing the distribution of the powder material on the powder bed and a cross-sectional photograph of the actually produced sample model for the case where a sample model of each shape is prepared using each metal powder. (Cross section) contrast is shown. Both correspond to the AA cross section and the BB cross section in FIG.
図6を見ると、粉末Dのエネルギー密度25.0J/mm3の場合を除いて、粉末床の積層画像において明暗の混在の程度が大きく、粉末床における粉末材料の分布ムラが大きい場合ほど、試料造形物の断面写真において、穴状の空隙が多く分布している傾向が見て取れる。この傾向を確認するために、各画像から算出したムラ率と空隙率の値をプロットしたものを、図7に示す。 Looking at FIG. 6, except for the case where the energy density of the powder D is 25.0 J / mm 3 , the degree of mixture of light and dark in the laminated image of the powder bed is large, and the distribution unevenness of the powder material in the powder bed is large, In the cross-sectional photograph of the sample object, it can be seen that there are many hole-like voids distributed. In order to confirm this tendency, FIG. 7 shows a plot of the unevenness rate and the porosity value calculated from each image.
図7によると、粉末床におけるムラ率と、試料造形物の断面における空隙率の間に、正の相関があるのが確認できる。図中には、データ点を線形近似した結果を、併せて破線で示しているが、ある程度良い近似が成り立っており、粉末床におけるムラ率と、試料造形物の断面における空隙率の間には、線形の関係があると言える。このように、粉末床における粉末材料のムラと、その粉末床を原料として得られる試料造形物において形成される空隙の間に、線形の関係が見られるということは、試料造形物における空隙の主要な発生要因が、原料としての粉末床における粉末材料の不均一分布であることを示している。 According to FIG. 7, it can be confirmed that there is a positive correlation between the unevenness ratio in the powder bed and the void ratio in the cross section of the sample shaped article. In the figure, the result of linear approximation of the data points is also shown by a broken line, but a good approximation is established to some extent, and between the unevenness ratio in the powder bed and the void ratio in the cross section of the sample object It can be said that there is a linear relationship. Thus, the fact that a linear relationship is observed between the unevenness of the powder material in the powder bed and the gap formed in the sample shaped article obtained using the powder bed as a raw material means that the voids in the sample shaped article are main. This indicates that the main cause is the uneven distribution of the powder material in the powder bed as a raw material.
一方、粉末Dを用いてブロック形状試料を作製した場合に着目すると、粉末床における粉末材料の分布の均一性はほぼ同じであるにもかかわらず、造形に用いるレーザービームのエネルギー密度が低い場合に、空隙率が大きくなっている。このことは、少なくとも粉末Dを原料とする場合について、作製される試料造形物における空隙の形成は、粉末床における粉末材料の分布ムラだけによるのではなく、レーザー照射の条件にもよることが分かる。例えば、粉末材料を構成する合金の材料物性自体に起因する、レーザー照射時の溶融および再凝固の挙動が、照射するレーザーのエネルギー密度に依存し、その依存性が空隙の形成にも関係していると解釈できる。 On the other hand, focusing on the case where a block-shaped sample is prepared using powder D, the uniformity of the distribution of the powder material in the powder bed is almost the same, but the energy density of the laser beam used for modeling is low. The porosity is increased. This indicates that, for at least the case where powder D is used as a raw material, the formation of voids in the sample specimen to be produced is not only due to uneven distribution of the powder material in the powder bed, but also due to laser irradiation conditions. . For example, the behavior of melting and re-solidification during laser irradiation due to the material properties of the alloy that constitutes the powder material depends on the energy density of the irradiated laser, and that dependency is related to the formation of voids. Can be interpreted.
(試料形状と空隙率、ムラ率の関係)
図6を見ると、粉末Dを原料として用いる場合を除いて、ブロック形状試料よりも、梁形状試料において、粉末床のムラ率および試料造形物中の空隙率が大きくなる傾向が見られている。つまり、ブロック形状試料を作製する際よりも、梁形状試料を作製する際において、粉末床の各構成層における粉末材料のムラが大きく、その結果としてレーザー照射によって得られる試料造形物において空隙率が大きくなっている。これは、梁形状試料の方が、ブロック形状試料よりも、レーザー照射による熱変形を受けやすいためであると解釈される。積層造形において、形成途中の試料造形物の上に粉末材料を敷き詰めて新しい構成層を形成するに際し、その形成途中の試料造形物が熱変形を受けていることにより、その上に形成される構成層において粉末材料が均一に分布しにくくなるものと考えらえる。
(Relationship between sample shape, porosity and unevenness)
When FIG. 6 is seen, except the case where powder D is used as a raw material, the tendency for the nonuniformity of a powder bed and the porosity in a sample molded object to become large in a beam-shaped sample is seen rather than a block-shaped sample. . In other words, when preparing a beam-shaped sample, the powder material unevenness in each constituent layer of the powder bed is larger than when preparing a block-shaped sample, and as a result, the porosity of the sample model obtained by laser irradiation is higher. It is getting bigger. This is interpreted that the beam-shaped sample is more susceptible to thermal deformation due to laser irradiation than the block-shaped sample. In layered modeling, when forming a new component layer by laying a powder material on a sample model in the process of formation, the sample model in the process of forming is subjected to thermal deformation, thereby forming a structure on the model model. It can be considered that the powder material becomes difficult to be uniformly distributed in the layer.
粉末Dを用いた場合については、ブロック形状試料と梁形状試料で、粉末床のムラ率および試料造形物の空隙率がほとんど変わっていない。このことは、粉末Dについては、粉末床における粉末材料の分布および試料造形物における空隙の形成において、粉末Dに特有の材料物性(合金材料自体の物性)や粉末特性(粉末の形状やサイズに関する特性)が、試料形状よりも大きな影響を与えることを意味している。上記の粉末材料のムラ率と試料造形物の空隙率の相関に関する考察も、材料物性の寄与の大きさを示唆している。 In the case of using the powder D, the unevenness ratio of the powder bed and the porosity of the sample shaped object are hardly changed between the block-shaped sample and the beam-shaped sample. This means that for powder D, the material properties specific to powder D (physical properties of the alloy material itself) and powder characteristics (related to the shape and size of the powder) in the distribution of the powder material in the powder bed and the formation of voids in the sample model Characteristic) has a larger influence than the sample shape. Consideration regarding the correlation between the unevenness ratio of the powder material and the void ratio of the sample shaped article also suggests the magnitude of the contribution of the material properties.
以上、本発明の実施形態および実施例について説明した。本発明は、これらの実施形態および実施例に特に限定されることなく、種々の改変を行うことが可能である。 The embodiments and examples of the present invention have been described above. The present invention is not particularly limited to these embodiments and examples, and various modifications can be made.
1 積層造形装置
10 粉末床容器
11 基材
20 粉末供給装置
22 粉末供給路
23 ブレード
30 レーザー照射装置
31 レーザーユニット
32 ガルバノスキャナ
40 カメラ
50 制御装置
B 粉末床
B1 構成層
D1 露出部
D2 陥没部
P 三次元造形物
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Layered modeling apparatus 10 Powder bed container 11 Base material 20 Powder supply apparatus 22 Powder supply path 23 Blade 30 Laser irradiation apparatus 31 Laser unit 32 Galvano scanner 40 Camera 50 Control apparatus B Powder bed B1 Component layer D1 Exposed part D2 Depressed part P Tertiary Original model
Claims (5)
前記粉末供給工程と前記造形工程の間に、前記構成層の表面を撮影して画像を取得する撮影工程と、
前記撮影工程で取得した前記画像に基づき、前記構成層における粉末材料の分布が不均一な箇所を検出した評価データを取得する評価工程と、を行うことを特徴とする粉末床評価方法。 A powder supplying process for forming a constituent layer of a powder bed by spreading powder materials in layers, and a modeling process for irradiating the surface of the constituent layer while scanning with energy rays to solidify the powder material in the irradiated part And alternately, to produce a three-dimensional structure,
A photographing step of photographing the surface of the constituent layer to obtain an image between the powder supply step and the modeling step;
An evaluation step of acquiring evaluation data in which a portion where the distribution of the powder material in the constituent layer is not uniform is acquired based on the image acquired in the photographing step.
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