JP2021159923A - 三次元積層装置、制御方法、及びプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本実施形態の三次元積層装置の模式図である。ここで、本実施形態では、水平面内の一方向を方向X、水平面内において方向Xと直交する方向を方向Y、方向X及び方向Yのそれぞれと直交する方向、すなわち鉛直方向を、方向Zとする。また、方向Zに沿う方向のうち一方の方向を、方向Z1とし、方向Zに沿う方向のうち他方の方向、すなわち方向Z1の反対方向を、方向Z2とする。本実施形態では、方向Z1が鉛直方向上方に向かう方向であり、方向Z2が鉛直方向下方に向かう方向である。
台部10は、基台移動部12や基台部14などを支持する台である。基台移動部12は、台部10上に設けられ、基台部14を支持する。基台移動部12は、制御装置26の制御により、基台部14を移動させる機構である。基台移動部12は、第1移動部12Aと、第2移動部12Bと、回転部12Cとを有する。第1移動部12Aは、水平方向に沿った(鉛直方向に直交する)第1方向に基台部14を移動させる機構である。本実施形態では、第1移動部12Aは、基台部14を方向Yに沿って移動させる。さらに言えば、本実施形態においては、第1移動部12A上に、第2移動部12B、回転部12C、及び基台部14が配置され、第1移動部12Aは、第2移動部12B、回転部12C、及び基台部14を、方向Yに沿って移動させる。
台部16は、三次元積層室R内に設けられる台座であり、本実施形態ではヘッド移動部20が設けられている。
ヘッド移動部20は、積層ヘッド18を方向Zに沿って移動させる。本実施形態では、ヘッド移動部20は、台部16に取付けられている。ヘッド移動部20は、積層ヘッド18を、方向Zに沿って移動させる。本実施形態では、ヘッド移動部20は、積層ヘッド18を移動させるスライダであるが、スライダ以外の機構であってもよい。また、ヘッド移動部20は、台部16に取付けられることに限られず、取付け位置は任意である。
積層ヘッド18は、基台部14の方向Z1側、すなわち基台部14の鉛直方向上方側に設けられる。積層ヘッド18は、光ビーム照射口32Bから、基台部14に向けて光ビームLを照射し、粉末噴射口34Bから、基台部14に向けて粉末Pを噴射することで、基台部14上で積層体Aを形成する。すなわち、本実施形態に係る三次元積層装置1は、積層ヘッド18を備えるデポジション方式の三次元積層装置である。
撮像部22は、本実施形態では赤外光Iの像を撮像する赤外カメラである。撮像部22は、例えば、InGaAsカメラである。撮像部22は、積層ヘッド18に取り付けられて、積層ヘッド18に対して位置が固定されている。図2に示すように、撮像部22は、積層ヘッド18のZ1方向側に設けられており、撮像部22の光軸は、ビーム経路32Aにおける光ビームLの光軸と同軸となっている。造形箇所(溶融池Mやその周囲の積層体A)からは、赤外光Iが放出される。赤外光Iは、光ビーム照射口32Bから、ビーム経路32A内をZ1方向に進行する。ミラー40は、光ビームLは反射するが赤外光Iを透過するため、赤外光Iは、ミラー40を透過して、撮像部22に入射する。撮像部22は、この赤外光Iの像を撮像することで、造形箇所の画像を撮像できる。撮像部22が検出する赤外光Iの波長は、例えば、0.75μm以上1000μm以下であり、さらに言えば、例えば波長が0.75μm以上1.4μm以下程度の近赤外線であることが好ましい。なお、撮像部22が設けられる位置は、以上で説明した位置に限られず、任意の位置であってもよい。また、撮像部22は、赤外カメラであることに限られない。
制御装置26は、三次元積層装置1を制御する装置、ここではコンピュータである。制御装置26は、積層ヘッド18を制御することで、積層ヘッド18から粉末Pを噴射させつつ光ビームLを照射させて、所定の送り速度で積層ヘッド18に対する基台部14(積層体A)の位置を移動させることで、積層体Aを造形させる。また、制御装置26は、積層体Aを造形中に撮像部22で撮像した造形箇所の画像である検出用画像KAを、後述する機械学習済みの学習モデルCNに入力することで、造形中の積層体Aの造形の異常を検出する。検出用画像KAとは、造形中の積層体Aの造形異常を検出するために撮像部22によって撮像された、造形中の積層体Aの造形箇所の画像といえる。
(学習モデル)
図4は、学習モデルの概念的な模式図である。学習部60は、未学習の学習モデルを学習させて、機械学習済みの学習モデルCNを生成して、生成した学習モデルCNを記憶部52に記憶させる。学習モデルCNは、AI(Artificial Interigence)における学習モデルを指す。具体的には、学習モデルCNは、ディープラーニングによって学習された学習モデルであり、ディープラーニングによって学習された分類器を構成するニューラルネットワークを定義するモデル(ニューラルネットワークの構成情報)と、変数とで構成される。学習モデルCNは、入力されたデータと学習済みのデータとを比較して、類似の度合い、例えば類似度が何%であるか、を判定できるものである。ディープラーニングは、機械学習のうちの1つの手法であり、狭義には例えば4層以上のニューラルネットワークから構成される。本実施形態の例では、学習モデルCNは、CNN(Conventional Neural Network:畳み込みニューラルネットワーク)モデルであり、図4に示すように、複数の畳み込み層及び複数のプーリング層を含む中間層MNと、全結合層を含む最終層FNと、を備える。CNNモデルCNは、入力データINが入力された場合に、中間層MNと最終層FNとで演算を行って、出力データONを出力する。ただし、学習モデルCNは、CNNモデルに限られず、任意の方式の学習モデルであってもよい。
教師画像Kは、予め撮像された造形箇所の画像であり、積層体の造形が異常であるかのラベルが既知の画像である。教師画像Kは、実際に三次元積層装置1で造形中の積層体の造形箇所を、撮像部22によって撮像した画像であることが好ましい。すなわち、教師画像Kを撮像した撮像部は、これから造形異常を検出するために用いる撮像部22と同じ構成であることが好ましい。ここでの同じ構成とは、造形箇所に対する撮像部の位置が同じことを指す。言い換えれば、教師画像Kは、これから造形異常を検出するために撮像される検出用画像KAと同じアングルで撮像された画像であることが好ましい。
ラベルは、積層体の造形が異常であるかを示す情報であり、造形が異常であるかを分類する情報であるともいえる。ラベルは、教師画像K毎に割り当てられている。積層体の造形が異常であるとは、積層体が正常に造形されていない状態を指し、このまま造形を継続した場合には望んだ特性(形状や強度など)の積層体が造形できなくなる状態を指す。それぞれの教師画像Kには、積層体の造形が異常であることを示すラベルと、積層体の造形が正常であることを示すラベルとの、いずれかが割り当てられる。
以下、ラベル毎の、すなわち異常モード毎の教師画像Kの例を説明する。図5から図13は、ラベル毎の教師画像の例を示す模式図である。図5は、正常である旨を示すラベルが割り当てられる教師画像Kの例を示している。図5に示すように、造形箇所を撮像した教師画像Kは、内側領域AR1と、外側領域AR2とを含む。内側領域AR1は、教師画像Kのうちの、光ビーム照射口32Bの外周よりも内側の領域の像が写っている領域を指し、造形箇所が写っている領域といえる。内側領域AR1は、造形箇所が写っている造形箇所領域AR1aと、造形箇所領域AR1aの周囲の輝度が低い周囲領域AR1bとを含む。溶融池Mを含む造形箇所は高温になっているため、造形箇所が写っている造形箇所領域AR1aは、輝度が高くなっている。一方、周囲領域AR1bは、造形箇所の周囲であって温度が低下している箇所が写っているため、造形箇所領域AR1aよりも輝度が低くなっている。一方、外側領域AR2は、内周面32Cの像が写っている領域、すなわち内周面32Cで反射して撮像部22に到達した赤外光Iの像が写っている領域を指す。外側領域AR2は、内側領域AR1を囲うように形成されている。外側領域AR2は、造形箇所からの赤外光Iの内周面32Cでの反射光を撮像した領域であるため、周囲領域AR1bよりも輝度が高く、造形箇所領域AR1aよりも輝度が低い。
図3に示す画像取得部62は、撮像部22を制御して、撮像部22に、造形中の積層体Aの造形箇所の画像を撮像させて、撮像部22が撮像した画像を、検出用画像K1として取得する。画像取得部62は、所定の時間毎に撮像部22に撮像を行わせることで、所定の時間毎に撮像された検出用画像K1を取得する。検出用画像K1も、教師画像Kと同様に造形箇所を撮像した画像なので、内側領域AR1及び外側領域AR2を含む画像となるが、造形状況に応じて、教師画像Kとは異なる画像になる。
図3に示す結果取得部64は、記憶部52から機械学習済みの学習モデルCNを読み出して、画像取得部62が取得した検出用画像K1を、学習モデルCNに入力する。学習モデルCNにおいては、検出用画像K1が入力データINとして入力されて検出用画像K1の特徴量が抽出され、演算が実行される。その結果、学習モデルCNからは、入力された検出用画像K1のラベルが、出力データONとして出力される。結果取得部64は、出力データONとして出力された検出用画像K1のラベルを、積層体Aの造形が異常であるかの判断結果として取得する。結果取得部64は、検出用画像K1が取得される毎に学習モデルCNに入力して、検出用画像K1毎に判断結果(ラベル)を取得する。
図3に示す情報出力部66は、結果取得部64が取得した判断結果に基づく情報を出力する。より具体的には、情報出力部66は、結果取得部64が取得した判断結果に基づいて、三次元積層装置1を制御する。情報出力部66は、結果取得部64が取得した判断結果に基づいて、積層体Aの造形を停止させたり、警告を出力したりする。なお、積層体Aの造形の停止とは、光ビームLの照射及び粉末Pの噴射を停止することを指す。また、ここでの警告とは、造形異常の可能性がある旨を示す情報であり、音で通知してもよいし、表示装置に表示させてもよい。また、警告として、ラベルの情報を、すなわち造形異常の種類の情報を、出力してもよい。
次に、以上で説明した制御装置26による制御についてのフローを説明する。図15は、本実施形態に係る制御フローを説明するフローチャートである。図15に示すように、制御装置26は、積層ヘッド18を制御して、粉末Pを供給させつつ光ビームLを照射させながら(ステップS10)、撮像部22に検出用画像K1を撮像させる(ステップS12)。制御装置26は、学習済みの学習モデルCNに検出用画像K1を入力して、判断結果を、すなわち検出用画像K1に割り当てられたラベルを取得する(ステップS14)。制御装置26は、判断結果に基づいて造形異常とされた回数をカウントし、造形異常とされた回数が閾値(第2閾値)以上である場合に(ステップS16;Yes)、造形を停止する(ステップS18)。一方、造形異常とされた回数が閾値(第2閾値)以上でない場合(ステップS16;No)には、造形を停止せず、ステップS10に戻り造形を続行する。なお、ここでは造形停止の制御のみを示しているが、上述のように、造形異常とされた回数に基づき、警告の出力や、送り速度Vの調整や、光ビームLの出力の調整なども実行してよい。
以上説明したように、本実施形態に係る三次元積層装置1は、粉末Pを供給する粉末供給部(本実施形態では積層ヘッド18)と、粉末Pに光ビームLを照射して粉末Pを溶融固化させて積層体Aを造形する光照射部(本実施形態では積層ヘッド18)と、溶融した粉末Pで形成される溶融池を含む造形箇所の画像(検出用画像K1)を撮像する撮像部22と、結果取得部64と、情報出力部66とを含む。結果取得部64は、異常時の造形箇所の画像(教師画像K)とその画像の異常種類の対応関係を機械学習させた学習モデルCNであって、積層体Aの造形が異常であるかを判断するための学習モデルCNに、検出用画像K1を入力して、積層体Aの造形が異常であるかの判断結果を取得する。情報出力部66は、判断結果に基づく情報を出力する。ここで、三次元積層装置によって造形を行う場合、造形異常が起こる場合がある。造形異常は、様々な原因で起こるため、造形の実行中に造形異常を適切に検出することは難しい。それに対し、本実施形態に係る三次元積層装置1は、学習モデルCNによって造形異常のパターンを予め学習させておき、その学習モデルCNに造形中に撮像した検出用画像K1を入力する。本実施形態に係る三次元積層装置1は、このように学習モデルCNを用いることで、造形異常を適切に検出することが可能となる。さらに、本実施形態に係る三次元積層装置1は、溶融池Mを含んだ造形箇所の画像を、検出用画像K1として学習モデルCNに入力する。溶融池Mを含んだ造形箇所は、造形異常を検出するのに適しているため、本実施形態に係る三次元積層装置1によると、造形異常を適切に検出することが可能となる。
18 積層ヘッド(粉末供給部、光照射部)
22 撮像部
26 制御装置
60 学習部
62 画像取得部
64 結果取得部
66 情報出力部
A 積層体
B ビード
CN 学習モデル
K 教師画像
K1 検出用画像(画像)
Claims (12)
- 粉末を供給する粉末供給部と、
前記粉末に光ビームを照射して前記粉末を溶融固化させて積層体を造形する光照射部と、
溶融した前記粉末で形成される溶融池を含む造形箇所の画像を撮像する撮像部と、
異常時の前記造形箇所の画像と、該画像の異常種類の対応関係を機械学習させた学習モデルであって、前記積層体の造形が異常であるかを判断するための学習モデルに、前記画像を入力して、前記積層体の造形が異常であるかの判断結果を取得する結果取得部と、
前記判断結果に基づく情報を出力する情報出力部と、
を含む、三次元積層装置。 - 前記学習モデルは、前記積層体の造形の異常の種類を分類可能に構成されており、前記結果取得部は、前記学習モデルに前記画像を入力することで、前記積層体の造形の異常の種類を、前記判断結果として取得する、請求項1に記載の三次元積層装置。
- 前記結果取得部は、前記三次元積層装置の異常と前記積層体の異常との少なくとも1つを、前記判断結果として取得する、請求項2に記載の三次元積層装置。
- 前記結果取得部は、前記三次元積層装置の異常の種類として、前記光照射部に設けられる保護ガラスの異常と、前記光照射部及び前記粉末供給部の少なくとも一方に異物が付着している状態と、前記光照射部の結露と、前記光照射部と前記粉末供給部とのアラインメント異常との、少なくとも1つを取得する、請求項3に記載の三次元積層装置。
- 前記結果取得部は、前記積層体の異常の種類として、前記積層体のビードの高さの異常と、前記積層体の割れと、前記積層体からスパッタが発生している状態との、少なくとも1つを取得する、請求項3又は請求項4に記載の三次元積層装置。
- 前記情報出力部は、前記判断結果に基づき、前記積層体の造形を停止する、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の三次元積層装置。
- 前記情報出力部は、前記積層体の造形が異常であるとの判断結果を取得した回数が閾値以上となった場合に、前記積層体の造形を停止する、請求項6に記載の三次元積層装置。
- 前記情報出力部は、前記判断結果に基づき、造形に異常がある旨の警告を出力する、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の三次元積層装置。
- 前記情報出力部は、前記判断結果に基づき、前記積層体に対する前記粉末供給部の移動速度と、前記光ビームの出力との、少なくとも1つを制御する、請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の三次元積層装置。
- 前記学習モデルは、前記異常種類として、前記光照射部に設けられる保護ガラスの異常と、前記光照射部及び前記粉末供給部の少なくとも一方に異物が付着している状態と、前記光照射部の結露と、前記光照射部と前記粉末供給部とのアラインメント異常と、前記積層体のビードの高さの異常と、前記積層体の割れと、前記積層体からスパッタが発生している状態との、少なくとも1つが起こった際の前記造形箇所の画像と、前記異常種類との対応関係を機械学習させた学習モデルである、請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の三次元積層装置。
- 粉末を供給する粉末供給部と前記粉末に光ビームを照射して前記粉末を溶融固化させて積層体を造形する光照射部とを備える三次元積層装置に用いられる制御方法であって、
溶融した前記粉末で形成される溶融池を含む造形箇所の画像を撮像するステップと、
異常時の前記造形箇所の画像と該画像の異常種類の対応関係を機械学習させた学習モデルであって、前記積層体の造形が異常であるかを判断するための学習モデルに、前記画像を入力して、前記積層体の造形が異常であるかの判断結果を取得するステップと、
前記判断結果に基づく情報を出力するステップと、
を含む、制御方法。 - 粉末を供給する粉末供給部と、前記粉末に光ビームを照射して前記粉末を溶融固化させて積層体を形成する光照射部とを備える三次元積層装置に用いられる制御方法をコンピュータに実行させるプログラムであって、
溶融した前記粉末で形成される溶融池を含む造形箇所の画像を撮像するステップと、
異常時の前記造形箇所の画像と該画像の異常種類の対応関係を機械学習させた学習モデルであって、前記積層体の造形が異常であるかを判断するための学習モデルに、前記画像を入力して、前記積層体の造形が異常であるかの判断結果を取得するステップと、
前記判断結果に基づく情報を出力するステップと、
をコンピュータに実行させる、プログラム。
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