JP2022102029A - 付加製造条件の探索装置、付加製造条件の探索方法および標準サンプル - Google Patents

Abstract

【課題】粉末床溶融結合方式を用いた付加製造装置の造形条件を探索する探索装置および探索方法において、従来よりも格段に効率および精度を向上した探索装置および探索方法および付加製造装置の造形条件を探索するための標準サンプルを提供する。【解決手段】造形条件を探索する標準サンプル形状は、造形領域の塗潰し（Ｉｎ－ｓｋｉｎ）、オーバーハングを形成する（Ｄｏｗｎ－ｓｋｉｎ）、造形高さ方向最表面を形成する（Ｕｐ－ｓｋｉｎ）が関与する直線及び曲線で構成される抜き穴形状が集約された一面とを有し、標準サンプルのスライスデータは、積層方向中央部の任意の一層において、少なくとも二以上の独立した領域よりなり、前記標準サンプル外縁より１ｍｍ以下の幅で切断された小領域と、その他の部分よりなる大領域を備える。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、付加製造条件の付加製造条件の探索装置、付加製造条件の探索方法および標準サンプルに関する。

付加製造（積層造形）には、例えば、粉末床溶融結合（Ｐｏｗｄｅｒ Ｂｅｄ Ｆｕｓｉｏｎ）方式、指向性エネルギー堆積（Ｄｉｒｅｃｔｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方式等があることが知られている。粉末床溶融結合方式は、平らに敷き詰められた粉末に対して、光ビーム（レーザビームまたは電子ビーム等）を照射することで付加製造を行う。粉末床溶融結合方式には、ＳＬＭ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｍｅｌｔｉｎｇ）およびＥＢＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｍｅｌｔｉｎｇ）等が含まれる。指向性エネルギー堆積方式は、光ビームの照射と粉末材料の吐出を行うヘッドの位置を制御することで付加製造を行う。指向性エネルギー堆積方式には、ＬＭＤ（Ｌａｓｅｒ Ｍｅｔａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）およびＤＭＰ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等が含まれる。

一方、これらの付加製造には材料に応じて適切な製造条件（レシピ）を設定する必要があり、特に粉末床溶融結合方式では制御するパラメータの種類が多く、適切な製造条件を導き出すために多くの労力が必要となっている。

ところで、近年コンピュータの処理速度の向上に伴い、人工知能が急速に発展しており、例えば、下記特許文献１および２には、機械学習により、レーザ加工条件データを生成することが記載されている。これらは、造形中の状態をモニタリングすることで造形の良否判定をすることが記載されている。また、特許文献３には、試料画像から造形の良否を判定し、プロセスウィンドウを作成することが記載されている。

特開２０１７－１６４８０１号公報 特開２０２０－０１５９４４号公報 国際公開第２０２０／０３９５８１号

粉末床溶融結合において、製造条件の因子は多種存在するため、決定することは容易ではない。造形物の内部を塗潰す条件だけでも、熱源出力、走査速度、走査線間隔、走査線長さ、積層厚み、などがあり、最適な条件を求めるために数多くの造形物を製造して評価を行う必要があった。そのため、プロセスウィンドウの構築には、膨大なコストと時間とを要し、実験する人間によって個人差のあるプロセスウィンドウが構築されるという課題がある。また、プロセスウィンドウは造形物の内部欠陥率を低減する条件探索には有効であるが、プロセスウィンドウの範囲内で造形した場合においても、造形物の面積が大きく変化した場合には、溶融状態が変化して造形不良を起こす場合があるなどの課題がある。

本発明の目的は、上記事情に鑑み、粉末床溶融結合方式を用いた付加製造装置の造形条件を探索する探索装置および探索方法において、従来よりも格段に効率および精度を向上した探索装置および探索方法および付加製造装置の造形条件を探索するための標準サンプルを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、
粉末床溶融結合方式の付加製造装置の製造条件を探索する探索装置であって、探索装置はプロセッサおよびメモリを有し、プロセッサが、付加製造装置により製造された標準サンプルの造形結果と標準サンプルの造形結果に対応する条件と、標準サンプルの評価目標値と、条件と造形結果との範囲により規定される探索領域と、を受け付けて、プロセッサが、探索領域内の前記条件の設定値と、当該設定値を付加製造装置または付加製造装置の制御領域に与えた場合の造形結果と、に基づいて、条件と造形結果との関係を示す予測モデルを生成し、プロセッサが、受け付けた評価目標値を前記予測モデルに与えることにより、予測モデルから予測値を算出し、プロセッサが、予測値を前記付加製造装置または装置の制御領域に送信して実証実験を実施させ、当該実証実験の結果を実測値として取得し、プロセッサが、実測値が評価目標値を達成しているか否かを判定して、評価目標値を達成している場合には予測値を条件の設定値として出力し、評価目標値を達成していない場合には予測値と実測値を、条件の設定値と造形結果に加えて予測モデルを更新することで付加製造条件の適正化を行い、標準サンプルは、少なくともサンプルの三面が平滑面であり、条件で設定する３種の領域である造形領域の塗潰し領域と、オーバーハングを形成する領域と、造形高さ方向最表面を形成する領域とが関与する直線および曲線で構成される抜き穴形状が集約された一面を有し、標準サンプルのスライスデータは、積層方向中央部の任意の一層において、少なくとも二以上の独立した領域よりなり、標準サンプルの外縁より１ｍｍ以下の幅で切断された小領域と、その他の部分よりなる大領域を備えることを特徴とする付加製造条件の探索装置。

また、本発明の他の態様は、上記付加製造条件の探索装置を用いた付加製造条件の探索方法である。

また、本発明の他の態様は、付加製造装置の造形結果と、対応する製造条件との関係を示す情報を得るための標準サンプルであって、少なくともサンプルの三面が平滑面であり、造形領域の塗潰し領域と、オーバーハングを形成する領域と、造形高さ方向最表面を形成する領域とが関与する直線および曲線で構成される抜き穴形状が集約された一面を有し、標準サンプルのスライスデータは、積層方向中央部の任意の一層において、少なくとも二以上の独立した領域よりなり、標準サンプルの外縁より１ｍｍ以下の幅で切断された小領域と、その他の部分よりなる大領域を備える標準サンプルである。

本発明のより具体的な構成は、特許請求の範囲に記載される。

本発明によれば、粉末床溶融結合方式を用いた付加製造装置の造形条件を探索する探索装置および探索方法において、従来よりも格段に効率および精度を向上した探索装置、探索方法および付加製造装置の造形条件を探索するための標準サンプルを提供することができる。

前述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

付加製造装置の一例を示す構成図 標準サンプル形状の一例を示す模式図 標準サンプル形状の一例を示す断面図 標準サンプル形状の一例を示す模式図 標準サンプル形状の一例を示す断面図 標準サンプルの断面の３種の領域（塗潰し領域（Ｉｎ－ｓｋｉｎ）、オーバーハングを形成する領域（Ｄｏｗｎ－ｓｋｉｎ）、造形高さ方向最表面を形成する領域（Ｕｐ－ｓｋｉｎ）を示す図 標準サンプルの正面の模式図 は標準サンプルの側面の模式図 付加製造された標準サンプルの計測方法の一例を示す図 付加製造された標準サンプルの計測方法の一例を示す図 付加製造された標準サンプルの計測方法の一例を示す図 探索装置のハードウェア構成例を示すブロック図 探索装置の機能的構成例を示すブロック図 付加製造装置の製造条件を探索するフローチャート 付加製造装置の製造条件を探索するフローチャートの第二形態 割れ感受性を評価するためのサンプル形状の第一形態 割れ感受性を評価するためのサンプル形状の第二形態 付加製造装置の製造条件を探索するフローチャートの第三形態

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。ただし、以下の実施の形態に記載されている構成要素は単なる例示であり、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜付加製造装置＞
図１は付加製造装置の一例を示す構成図である。本発明の探索装置および探索方法を適用できる付加製造装置１００について、図１を参照して説明する。付加製造装置１００は、粉末床溶融結合方式のものである。付加製造装置１００は、層状に配置された金属粉末ＰＢに光ビームＬを照射し、前記金属粉末ＰＢを加熱することで溶融凝固させ、粉敷と光ビーム照射を繰り返すことによって、造形物Ｓを製造する装置である。

付加製造装置１００は、たとえば、チャンバ１０と、ガス供給部２０と、排気機構３０と、材料供給部４０と、付加製造部５０と、回収部６０と、スキージ７０と、光ビーム源８０と、制御部９０と、を備えている。

チャンバ１０は、ビーム源８０および排気機構３０を除く付加製造装置１００の各部を収容している。チャンバ１０は、保護ガラス１２ｇがはめ込まれた透過窓１２を有している。透過窓１２は、チャンバ１０の外部に配置されたビーム源８０から照射されるレーザＬを透過させ、チャンバ１０の内部の付加製造部５０のステージ５１に載置された粉末床ＰＢに到達させる。

また、付加製造装置１００には、温度センサ１３、圧力センサ１４、および酸素センサ１５などが設置されている。図１では簡略化しているが、温度センサ１３は、ステージ５１の温度を測定する熱電対などの接触式の温度センサと、ステージ５１の上に形成された粉末床ＰＢの温度を測定する赤外線放射温度計などの非接触式の温度センサとを含む。圧力センサ１４および酸素センサ１５は、それぞれ、チャンバ１０内の減圧環境の圧力および酸素量（酸素濃度）を測定する。また、図示を省略するが、チャンバ１０は、たとえば、付加製造部５０のステージ５１上に形成された粉末床ＰＢを撮影するカメラを有してもよい。

ガス供給部２０は、チャンバ１０に接続され、チャンバ１０の内部へ不活性ガスを供給する。ガス供給部２０は、たとえば、図示を省略するガス供給源や制御弁を備えている。ガス供給源は、不活性ガスが充填された高圧タンクによって構成されている。制御弁は、制御部９０によって制御され、ガス供給源からチャンバ１０へ供給する不活性ガスの流量を制御する。不活性ガスとしては、たとえば、窒素またはアルゴンを使用することができる。

排気機構３０は、真空ポンプによって構成され、真空引き用の配管３１を介してチャンバ１０に接続される。排気機構３０は、制御部９０によって制御され、チャンバ１０内の気体を排出することで、チャンバ１０の内部を大気圧よりも減圧された真空圧にして、チャンバ１０内を減圧環境にしても良い。

材料供給部４０は、材料粉末Ｐを収容可能な凹状に設けられ、上部が開放されて上端に開口部を有している。材料供給部４０は、材料粉末Ｐを載置して供給するための上下に移動可能なステージ４１を有している。ステージ４１は、材料供給部４０の底壁を構成している。ステージ４１は、適宜の昇降機構によって、所定のピッチで昇降可能に設けられている。ステージ４１の昇降機構は、制御部９０に接続され、制御部９０によって制御される。また、材料供給部４０は、昇降式でなく材料粉末Ｐを落下させて供給する方式でもよい。

造形物Ｓの付加製造に用いられる材料粉末Ｐとしては、特に限定されないが、たとえば、熱間工具鋼、銅、チタン合金、ニッケル合金、アルミニウム合金、コバルトクロム合金、ステンレス鋼などの金属材料の粉末、ポリアミドなどの樹脂材料の粉末、セラミックスの粉末などを用いることができる。本実施形態の付加製造装置１００は、材料粉末Ｐとして、平均粒径が約３０μｍ程度で、粒径の範囲が約１５μｍから約４５μｍの金属材料の粉末を使用することができる。用いる粉末の平均粒径は、上記した範囲に限定されるものではない。

付加製造部５０は、前述の材料供給部４０と同様に、材料粉末Ｐを収容可能な凹状に設けられ、上部が開放されて上端に開口部を有している。付加製造部５０は、材料粉末Ｐを敷いて粉末床ＰＢを形成するためのステージ５１を有している。ステージ５１は、付加製造部５０の底壁を構成する。ステージ５１の上には、材料供給部４０から供給される材料粉末Ｐと、付加製造によって製造される造形物Ｓが載置される。

付加製造部５０の開口部と材料供給部４０の開口部は、鉛直方向の高さがおおむね等しく、おおむね水平方向に並んでいる。付加製造用のステージ５１は、前述の材料供給用のステージ４１と同様に、適宜の昇降機構によって、所定のピッチで昇降可能に設けられている。また、ステージ５１は、ステージ５１を予熱するヒータを含む予熱機構を備えていても良い。ステージ５１の昇降機構および予熱機構は、たとえば制御部９０に接続され、制御部９０によって制御される。

回収部６０は、たとえば、前述の材料供給部４０と同様に、材料粉末Ｐを収容可能な凹状に設けられ、上部が開放されて上端に開口部を有している。図示の例において、回収部６０の底壁は、下端部に固定されているが、材料供給部４０および付加製造部５０と同様に、昇降可能なステージによって構成されていてもよい。回収部６０の開口部と、付加製造部５０の開口部は、鉛直方向の高さがおおむね等しく、おおむね水平方向に並んでいる。回収部６０は、たとえば、リコータ７０によって材料供給部４０から付加製造部５０に供給された余分な材料粉末Ｐを収容して回収する。

リコータ７０は、材料供給部４０から供給される材料粉末Ｐを付加製造部５０のステージ５１上に運んで均しながら敷き詰めることで、ステージ５１上に粉末床ＰＢを形成する。リコータ７０は、移動機構７５を備えている。移動機構７５は、たとえばリニアモータであり、材料供給部４０から付加製造部５０へ向かうおおむね水平な進行方向Ｄに沿って、リコータ７０を移動させる。

ビーム源８０は、数Ｗから数ｋＷ程度の出力の光ビームＬを発生させるレーザ光源を用いることができる。本実施形態の付加製造装置１００のビーム源８０は、波長が１０８０ｎｍ、出力が５００Ｗのシングルモードファイバーレーザ、すなわちエネルギー強度がガウス分布のレーザを発生させるレーザ光源である。また、ビーム源８０は、粉末床ＰＢ上で光ビームＬを走査させるためのガルバノスキャナを含んでいる。

ここで、光ビームは、レーザビームおよび電子ビームを含み、その他に金属粉末Ｐを溶融することができる種々のビームを含む。また、レーザビームには、近赤外波長のレーザ、ＣＯ_２レーザ（遠赤外レーザ）、半導体レーザ等、種々のレーザを適用でき、対象の金属粉末Ｐに応じて適宜決定される。

制御部９０は、マイクロコントローラやファームウェアによって構成されている。制御部９０は、ＣＰＵなどの処理装置と、ＲＡＭやＲＯＭなどの記憶装置と、記憶装置に記憶されたプログラムやデータと、付加製造装置１００の各部との信号のやり取りを行う入出力部とを備えている。制御部９０は、処理装置によって記憶装置に記憶されたプログラムを実行することで、ガス供給部２０、排気機構３０、材料供給部４０、付加製造部５０、およびビーム源８０を制御する。また、温度センサ１３、圧力センサ１４および酸素センサ１５の検出結果ならびにカメラの出力などが、制御部９０に入力される。

＜粉末床溶融結合における製造条件を探索するための標準サンプル＞
次に、粉末床溶融結合の付加製造条件を探索するために用いる標準サンプルについて説明する。図２Ａおよびは標準サンプル形状の一例を示す模式図であり、図２Ｂは標準サンプル形状の一例を示す断面図である。また、図３Ａおよびは標準サンプル形状の一例を示す模式図であり、図３Ｂは標準サンプル形状の一例を示す断面図である。図２Ａおよび図２Ｂの標準サンプルは、全体的には六面体のブロック形状であり、底面と上面および背面は平滑面となっている。正面は平行四辺形と円形の抜き穴形状となっており、積層方向に任意の断面（例えば図３ＢのＤ－Ｄ断面あるいはＧ－Ｇ断面）において二つ以上の独立した領域よりなり、サンプル外縁より１ｍｍ以下の幅で切断された小領域と、その他の部分よりなる大領域とに分かれている。

例えば、単純なブロック形状で造形領域の塗潰し（Ｉｎ－ｓｋｉｎ）条件のプロセスウィンドウを導出し、その範囲内で細かな形状を造形した場合、面積の小さい領域では熱が溜まりやすく過溶融状態になり、形状が盛上るような変形が発生して、次層の粉末敷き詰めのときに造形物とスキージが接触して停止したり、造形物を破壊したりすることがある。

上述したような形状の標準サンプルを用いて製造条件の探索を行えば、あらかじめ造形面積の異なる、特に小領域を含む造形物に対しても対応が可能な条件を導き出すことができる。
図４Ａは標準サンプルの断面の３種の領域（塗潰し領域（Ｉｎ－ｓｋｉｎ）、オーバーハングを形成する領域（Ｄｏｗｎ－ｓｋｉｎ）、造形高さ方向最表面を形成する領域（Ｕｐ－ｓｋｉｎ）を示す図であり、図４Ｂは標準サンプルの正面の模式図であり、図４Ｃは標準サンプルの側面の模式図である。
図４Ａ～図４Ｃにおいて、造形領域の塗潰し（Ｉｎ－ｓｋｉｎ）は、造形物を形成する基礎となる領域である。オーバーハングを形成する（Ｄｏｗｎ－ｓｋｉｎ）は、３次元形状を積層厚さ毎にスライスデータ化した場合、任意のスライスデータとその一層（あるいは複数層）前のスライスデータを比較して、一層（あるいは複数層）前のスライスデータに造形領域が無く、任意のスライスデータに造形領域が存在する場合に造形領域の塗潰し（Ｉｎ－ｓｋｉｎ）とは異なる条件を設定する。これは、粉末の上にビームを照射すると、溶融した粉末と結合するものがない場合、また迅速に熱伝導によって放熱できない場合において、溶融した粉末が球形に収縮し、粉末の上に比較的大きな球形の塊を形成してしまう。この現象をボーリングと呼ぶが、ボーリングが発生するとオーバーハング部の表面状態が悪化する他、ボーリングした塊を粉敷の際に運んでしまい、何もない状態になってしまう。そのため、オーバーハングを形成する（Ｄｏｗｎ－ｓｋｉｎ）ではエネルギーを抑えた条件が選定される。

造形高さ方向最表面を形成する（Ｕｐ－ｓｋｉｎ）は、３次元形状を積層厚さ毎にスライスデータ化した場合、任意のスライスデータとその一層（あるいは複数層）後のスライスデータを比較して、一層（あるいは複数層）後のスライスデータに造形領域が無く、任意のスライスデータに造形領域が存在する場合に造形領域の塗潰し（Ｉｎ－ｓｋｉｎ）とは異なる条件を設定する。

従来は単純なブロック形状で造形領域の塗潰し（Ｉｎ－ｓｋｉｎ）条件のプロセスウィンドウを設定したあと、傾斜形状サンプルでオーバーハングを形成する（Ｄｏｗｎ－ｓｋｉｎ）と造形高さ方向最表面を形成する（Ｕｐ－ｓｋｉｎ）の条件を選定する。ただし、これら３種の領域を施工する条件は、それぞれが影響しながら造形されるため、造形面積が異なる部位ではその作用が変化するため、標準サンプルのような各施工条件が作用する形状で評価することで、適正な製造条件に近づくことができ、さらに機械学習活用することで適正な製造条件に早くたどり着くことができる。

標準サンプルでは、正面に形状再現性を評価する部位を集約することで、形状計測をサンプル正面の画像あるいは変位データを取得すれば良く、大面積領域で表面粗さと内部欠陥率を計測する際に、形状再現性が悪化（形状が乱れて破壊されたり）したとしても表面粗さと内部欠陥率への影響は小さいため、各評価項目を正確に簡便に計測することができる。さらに、平行四辺形の角度や幅および円の直径を変更することで、造形難易度を変更することが可能である。

＜製造条件と標準サンプル造形結果の計測＞
実施例１では、２４の制御因子を変化させ、２４の製造条件のデータセットを作成し、付加製造装置にて標準サンプルを付加製造する例について説明する。ここで、制御因子は、ｘ，ｙ，ｚ方向のスケール補正、輪郭線を照射するためのＣＡＤデータ上の輪郭線からのオフセット量、輪郭線に照射する光ビームの出力と走査速度、造形領域の塗潰し（Ｉｎ－ｓｋｉｎ）における、輪郭線照射位置からのオフセット量、走査線間隔、走査パターン、走査線長さ、走査パターン間のオフセット量、光ビームの出力と走査速度、オーバーハングを形成する（Ｄｏｗｎ－ｓｋｉｎ）における、輪郭線照射位置からのオフセット量、走査線間隔、走査パターン、走査線長さ、走査パターン間のオフセット量、光ビームの出力と走査速度、造形高さ方向最表面を形成する（Ｕｐ－ｓｋｉｎ）における、輪郭線照射位置からのオフセット量、二回照射の有無、走査線間隔、光ビームの出力と走査速度である。ただし、以上の制御因子は単なる例示であり、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図５Ａ～図５Ｃは付加製造された標準サンプルの計測方法の一例を示す図である。付加製造された標準サンプル形状の造形結果として、サンプルの全高、幅（二方向）、側面の粗さ（算術平均粗さＲａ、最大高さＲｙ、十点平均粗さＲｚ）、上面の粗さ（算術平均粗さＲａ、最大高さＲｙ、十点平均粗さＲｚ）、平行四辺形抜き穴の幅方向の平均寸法誤差、高さ方向の平均寸法誤差、円形状抜き穴の幅方向および高さ方向の平均寸法誤差、以上を計測したものと、平行四辺形の損傷度合いと円形状の損傷度合いを目視判定し、形状再現精度の高いものを０、破壊されるなど形状が悪いものを３として損傷度合いを０から３までの数値で評価した。また、サンプル断面を観察し断面欠陥率を計測した。

＜探索装置のハードウェア構成例＞
図６は探索装置のハードウェア構成例を示すブロック図である。探索装置２００は、探索領域から解となる入力パラメータの値を探索する。探索装置２００は、プロセッサ２０１と、記憶デバイス２０２と、入力デバイス２０３と、出力デバイス２０４と、通信インターフェース（通信ＩＦ２０５）と、を有する。プロセッサ２０１、記憶デバイス２０２、入力デバイス２０３、出力デバイス２０４、および通信ＩＦ２０５は、バス２０６により接続される。プロセッサ２０１は、探索装置２００を制御する。記憶デバイス２０２は、プロセッサ２０１の作業エリアとなる。また、記憶デバイス２０２は、各種プログラムやデータを記憶する非一時的なまたは一時的な記録媒体である。記憶デバイス２０２としては、たとえば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、フラッシュメモリがある。入力デバイス３０３は、データを入力する。入力デバイス２０３としては、たとえば、キーボード、マウス、タッチパネル、テンキー、スキャナがある。出力デバイス２０４は、データを出力する。出力デバイス２０４としては、たとえば、ディスプレイ、プリンタがある。通信ＩＦ２０５は、ネットワークと接続し、データを送受信する。

＜探索装置２００の機構的構成例＞
図７は探索装置２００の機能的構成例を示すブロック図である。探索装置２００は、入力部４０１と、生成部４０２と、特定部４０３と、判断部４０４と、設定部４０５と、出力部４０６とを有する。各構成４０１～４０６は、具体的には、たとえば、図６に示した記憶デバイス３０２に記憶されたプログラムをプロセッサ３０１に実行させることにより実現される機能である。

入力部４０１は、ユーザ操作またはデータベース３０５からの読み込みにより、各種データの入力を受け付ける。具体的には、たとえば、入力部４０１は、付加製造装置１００に設定される条件値の入力を受け付ける。付加製造装置１００に設定される条件とは、上述した入力パラメータである。入力パラメータは、具体的には、たとえば、ｘ，ｙ，ｚ方向のスケール補正、輪郭線を照射するためのＣＡＤデータ上の輪郭線からのオフセット量、輪郭線に照射する光ビームの出力と走査速度、造形領域の塗潰し（Ｉｎ－ｓｋｉｎ）における、輪郭線照射位置からのオフセット量、走査線間隔、走査パターン、走査線長さ、走査パターン間のオフセット量、光ビームの出力と走査速度、オーバーハングを形成する（Ｄｏｗｎ－ｓｋｉｎ）における、輪郭線照射位置からのオフセット量、走査線間隔、走査パターン、走査線長さ、走査パターン間のオフセット量、光ビームの出力と走査速度、造形高さ方向最表面を形成する（Ｕｐ－ｓｋｉｎ）における、輪郭線照射位置からのオフセット量、二回照射の有無、走査線間隔、光ビームの出力と走査速度である。

また、入力部４０１は、付加製造装置１００により付加製造された造形結果（加工結果）を示す評価目標値の入力を受け付ける。付加製造装置１００により付加製造された加工結果とは、上述した出力パラメータである。出力パラメータは、具体的には、たとえば、付加製造装置１００による付加製造の標準サンプル形状の造形結果と、付加製造装置１００の装置状態に関するデータと、を含む。付加製造装置１００による標準サンプル形状の造形結果は、具体的には、たとえば、サンプルの全高、幅（二方向）、側面の粗さ（算術平均粗さＲａ、最大高さＲｙ、十点平均粗さＲｚ）、上面の粗さ（算術平均粗さＲａ、最大高さＲｙ、十点平均粗さＲｚ）、平行四辺形抜き穴の幅方向の平均寸法誤差、高さ方向の平均寸法誤差、円形状抜き穴の幅方向および高さ方向の平均寸法誤差、以上を計測したものと、平行四辺形の損傷度合いと円形状の損傷度合いを目視判定し、形状再現精度の高いものを０、破壊されるなど形状が悪いものを３として損傷度合いを０から３までの数値評価サンプル断面を観察した断面欠陥率を含む。付加製造装置１００により標準サンプル形状が造形された加工結果を示す評価目標値とは、ユーザが要求する標準サンプル形状の設計値および許容交差である。

また、入力部４０１は、条件（入力パラメータ）と加工結果（出力パラメータ）との範囲により規定される探索領域内における条件の基準値の入力を受け付ける。探索領域とは、入力パラメータの制御範囲と付加製造装置１００の出力パラメータの目標範囲とにより規定され、入力パラメータの値を探索する領域である。具体的には、たとえば、付加製造条件の制御因子として設定可能な入力範囲である。条件の基準値とは、入力パラメータの基準値である。具体的には、たとえば、過去に得られた入力パラメータの値である。

生成部４０２は、探索領域内の条件の設定値と、当該設定値を付加製造装置１００に与えた場合の加工結果の実測値と、に基づいて、条件と加工結果との関係を示す予測モデルを生成する。条件の設定値とは、たとえば、学習データとして用意された入力パラメータの値である。加工結果の実測値とは、学習データとして用意された入力パラメータの値（条件の設定値）が付加製造装置１００に与えられた場合における標準サンプル形状が造形された加工結果である。予測モデルとは、入力パラメータと出力パラメータとの関係を示す関数である。生成部４０２は、ニューラルネットワーク、サポートベクターマシン等の多入力多出力に応対可能な回帰分析や、相関分析、主成分分析、重回帰分析などの統計分析により、探索領域内の条件の設定値と出力の実測値との関係を示す予測モデルを生成する。

特定部４０３は、生成部４０２によって生成された予測モデルに、入力部４０１によって入力された評価目標値を与えることにより、評価目標値に対応する予測値を予測モデルから取得し、予測値の存在領域を探索領域から特定する。

判断部４０４は、予測値に対応する評価目標値が、入力部４０１によって入力された加工結果の基準値よりも評価目標値に近いか否かを判断する。具体的には、たとえば、判断部４０４は、予測値に対応する評価目標値と評価目標値との誤差１と、加工結果と評価目標値の誤差２とを求める。判断部４０４は、誤差１が誤差２よりも小さい場合、予測値に対応する評価目標値が加工結果の基準値よりも目標値に近いと判断する。判断部４０４は、第１距離が第２距離よりも短くない場合、予測値に対応する目標値が加工結果の基準値よりも目標値に近くないと判断する。

設定部４０５は、判断部４０４によって予測値に対応する目標値の方が、加工結果の基準値よりも目標値に近いと判断された場合、予測値および予測値に対応する目標値を条件の基準値および加工結果の基準値に設定し、特定部４０３によって特定された予測値の存在領域を探索領域に設定する。これにより、基準値が目標値に接近し、探索領域も予測値の存在領域に絞り込まれる。

出力部４０６は、予測値が目標値の達成条件を充足した場合に達成条件を充足した予測値を出力する。達成条件とは、たとえば、目標値の許容範囲である。出力部４０６は、達成条件を充足した予測値を出力デバイス３０４の一例であるディスプレイに表示してもよく、通信ＩＦ３０５を介して外部装置に送信してもよく、記憶デバイス３０２やデータベース２０５に保存してもよい。

＜付加製造装置１００の付加製造条件の探索＞
付加製造条件の探索は、予測モデルに基づいて実証実験を行って、目標を満たす最適の解を探索する。このため、実証実験の結果（加工結果）を学習データに加えて予測モデルの更新を、目標を満たすまで繰り返して実施し、さらに、目標を徐々に最終目標へ向けて更新することで最適の解を探索する。

付加製造においては、上記した２４の製造条件のデータセットを作成し、付加製造装置にて標準サンプルを付加製造し、実証実験結果（加工結果）を学習データとして、予測モデルを生成する。

探索装置２００は、実証実験結果を加えた学習データから予測モデルを生成し、予測モデルによる予測結果を算出する。上記にて導出した予測結果を製造条件とした実証実験の結果（加工結果）が目標を満たすまで上記の処理を繰り返すことで、最適の解を探索することができる。

図８は、本実施における付加製造装置１００の製造条件を探索するフローチャートである。

探索装置２００は、目標とする付加製造装置１００を用いて付加製造した標準サンプルの造形結果（標準サンプル造形結果の目標値）、および探索設定の入力を受け付ける（ステップ５０１）。探索設定とは、たとえば、探索結果と目標値との差または乖離の許容値である。

つぎに、探索装置２００は、ベースとなる解の入力およびその解に関する情報の入力を受け付ける（ステップ５０２）。具体的には、たとえば、上記した２４の製造条件のデータセットの入力パラメータおよびその入力パラメータを用いた際の出力パラメータ、探索開始前の最良の解（入力パラメータの値）および最良の解を用いた際の出力パラメータ、探索開始前の出力パラメータの目標値、入力パラメータと出力パラメータとの関係を説明するモデル関数の入力を受け付ける。
探索装置２００は、目標（標準サンプル造形結果の目標値）を満たす解（入力パラメータ）を予測するための予測モデルを生成する（ステップ５０５）。具体的には、たとえば、探索装置２００は、ステップ５０５でデータベース２０５に保存されたデータ（例えば、初期データ）を用いて、付加製造装置１００の入出力データの関係を示す関数を予測モデルとして生成する。入出力データとは、付加製造装置１００に与えられる入力パラメータの値（入力データ）と付加製造装置１００で付加製造した標準サンプルの造形結果から得られる計測値（出力データ）の組である。なお、入出力データの関係を解析する方法としては、ニューラルネットワーク、サポートベクター回帰、カーネル法を用いた回帰等の多入力多出力に応対可能な回帰分析を使用できる。また、相関分析、主成分分析、重回帰分析等の統計解析が使用できる。

つぎに、探索装置２００は、生成された予測モデルを用いて、目的の解が得られる、もしくは目的の解に近い加工結果を得るためのパラメータを予測し、予測結果として保存する（ステップ５０６）。

一回の予測で最良解を探索するためには、探索範囲内（付加製造条件で設定可能なパラメータの設定範囲）の全領域を網羅するデータを取得し、解析する必要があるが、前述した通り、パラメータ数の増加に従い、パラメータの組合せが膨大となるため、全領域の探索は探索時間が膨大となり、実施することが極めて困難となる。
これらの問題を回避しながら、効率良く解を探索するためには、（ａ）モデル作成用データの取得、（ｂ）予測モデルの作成、（ｃ）予測結果の取得、（ｄ）予測結果の実証実験を行い、更に（ａ´）実証実検データをモデル作成用データへ追加することで、予測と検証を繰り返せば良い。

これらの（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図８の、５０２、５０３、５０４、５０５のそれぞれのステップに対応する。また（ａ´）はステップ５０６に対応する。
具体的には、たとえば、探索装置２００は、予測条件を探索条件として、実証実験により、各探索条件における付加製造装置１００の入出力データを実証実検結果、すなわち探索結果として取得する。

探索装置２００は、探索結果をデータベース２０５に保存する（ステップ５０６）。具体的には、たとえば、探索装置２００は、実証実験（ステップ５０５）で用いられた入力パラメータの値と、当該入力パラメータの値を用いて取得された付加製造装置１００で付加製造された標準サンプルの造形結果の値と、の組である入出力データを、探索結果としてデータベース２０５に保存する。

つぎに、取得したデータから最良解ＯＳ１を特定し、特定した最良解ＯＳ１をデータベース２０５に保存する（ステップ５０７）。

このあと、探索装置２００は、最終の目標が達成されたか否かを判断する（ステップ５０８）。最終の目標が達成された場合（ステップ５０８：Ｙｅｓ）、探索装置２００は、制御処理を終了する。一方、目標が達成されていない場合（ステップ５０８：Ｎｏ）、ステップ５０９に移行し、ステップ５０９に移行し目標の更新を行い、ついでステップ５０２に移行し学習データの更新を行う。

ステップ５０８では、具体的には、たとえば、更新後の最良解ＯＳ１に対応する出力パラメータが最終の目標値と等しいまたは最終の目標値との差が許容範囲内である場合、探索装置２００は、最終の目標を達成したと判断する（ステップ５０８：Ｙｅｓ）。

一方、更新後の最良解ＯＳ１に対応する出力パラメータが最終の目標値と等しいまたは最終の目標値との差が許容範囲内でない場合、目標未達成と判断する（ステップ５０８：Ｎｏ）。

ステップ５０９では目標値、探索結果と目標値との差、または乖離の許容値の更新を行う。５０３から５０８までの処理を進める際に、最初から最終的な目標を与える場合や、探索結果と目標値との差、または乖離の許容値として、非常に小さな値を与えた場合には、より良い最良解ＯＳ１の難易度が上昇し、解が発見できない可能性がある。これを避けるために、探索の初期段階では、最終目標とは別の目標を現在の目標として与えることができる。その現在の目標が達成され、かつ最終目標が満たされない場合（ステップ５０８：Ｎｏ）、ステップ５０９において、目標値を段階的に最終目標値に近付けることで、最終的な目標を達成する解を発見できる可能性を高めることができる。

また、現在の目標として、探索結果と目標値との差、または乖離の許容値として大きな値を与え、その現在の目標が達成され、かつ最終目標が満たされない場合（ステップ５０８：Ｎｏ）、目標値を段階的に最終目標値に近付けることで、最終的な目標を達成する解を発見できる可能性を高めることができる。

初期目標から最終目標への段階的な更新方法としては、初期目標と最終目標の間となる値を持った目標値を複数準備し、最初の現在の目標として、初期目標を与え、現在の目標が達成される毎に、最終目標へ近付く目標値を、現在の目標値として、更新すれば良い。もしくは、最初の現在の目標として、初期目標を与え、一定割合で徐々に最終目標へ近付くように目標値を複数準備し、それを用いることもできる。

実施例１における付加製造装置の製造条件探索において、標準サンプルを用いれば、造形可能な領域に配置できる数の造形条件を一度の実証実験で評価することが可能である。

一方、造形環境に関わるパラメータを取扱う場合、環境毎に造形条件を割り当てる必要がある。造形環境に関わるパラメータとは、例えば、積層厚さ、予熱温度、造形環境圧力、粉末粒径などを含む。すなわち、付加製造において、一度の実証実験で造形環境に関わるパラメータを変化させることができないため、造形環境に関わるパラメータを変更する毎に製造条件のデータセットを変更する必要がある。

造形環境に関わるパラメータを変更する場合、その目的を明確にする必要がある。例えば、上記造形条件と造形環境に関わるパラメータを含めた最適化が目的なのか、造形環境に関わるパラメータを決定することが目的なのか、という明確化である。
例えば、本発明者の検証結果では、積層厚さを含めた製造条件のデータセットを用いて付加製造条件を探索した場合、探索装置２００は、予測値として積層厚さがより薄い条件が導出されることが明らかとなった。

そのため、積層厚さを扱う場合は、エンジニアが必要とする積層厚さをあらかじめ決定し、固定条件として図８のフローによって最適化することが好ましい。ただし、所定の開発期間で目標値に対して乖離があった場合は、より小さい積層厚さに変更して最適解を求めると、その金属材料に対する積層厚さの最適解を求めることができる。

図９は積層厚さの変更が必要な場合の付加製造条件探索のフローである。図９に示すように、まず始めに積層厚さ等の環境条件を入力する。造形環境に関わるパラメータは、別の方法であらかじめ求めてから、本発明の探索装置に入力しても良い。

図１０は割れ感受性を評価するための第一形態であり、図１１は割れ感受性を評価するための第二形態である。予熱温度を含めた製造条件のデータセットを用いて付加製造条件を探索した場合、探索装置２００は、予測値として設定範囲内の任意の温度を導出する。しかしながら、予熱温度を変更すると入熱レンジが大きく変化するため、繰り返し実験の回数が多くなる課題がある。

予熱は、付加製造時に割れが発生する材料の場合に必要となる。そのため、付加製造時に割れが発生する金属材料を用いて、過去のデータから、最適化されていなくとも付加製造によって造形が可能な製造条件を用いて図１０または図１１のような切欠きを有し応力集中しやすいサンプルを用いて、割れ抑制が可能な予熱温度を探索したのちに、割れ抑制が可能な温度における付加製造条件を探索することが効率的である。

図１２は割れ抑制を目的とした予熱温度の決定と、上記予熱温度における製造条件探索フローである。

実施例３では、付加製造時に割れが発生する金属材料、例えば熱間工具鋼を用いて図１０のサンプル形状を用い、任意の製造条件を用いて割れが発生しない予熱温度を探索し、その後、制御因子を変えた製造条件のデータセットを設定して製造条件を探索することで、目標を達成する製造条件を探索することができる。

以上説明した通り、粉末床溶融結合方式を用いた付加製造装置の造形条件を探索するにあたり、従来よりも格段に効率および精度を向上した探索装置、探索方法および付加製造装置の造形条件を探索するための標準サンプルを提供できることが示された。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…標準サンプル、１０…チャンバ、２０…ガス供給部、３０…排気機構、４０…材料供給部、５０…付加製造部、６０…回収部、７０…スキージ、８０…光ビーム源、９０…制御部、１００…付加製造装置、２００…探索装置、２０１…プロセッサ、２０２…記憶デバイス、２０３…入力デバイス、２０４…出力デバイス、２０５…通信ＩＦ、４０１…入力部、４０２…生成部、４０３…特定部、４０４…判断部、４０５…設定部、４０６…出力部。

Claims (8)

1. 粉末床溶融結合方式の付加製造装置の製造条件を探索する探索装置であって、
   前記探索装置はプロセッサおよびメモリを有し、前記プロセッサが、前記付加製造装置により製造された標準サンプルの造形結果と、前記標準サンプルの造形結果に対応する条件と、前記標準サンプルの評価目標値と、前記条件と前記造形結果との範囲により規定される探索領域と、を受け付けて、前記プロセッサが、前記探索領域内の前記条件の設定値と、当該設定値を前記付加製造装置または前記付加製造装置の制御領域に与えた場合の造形結果と、に基づいて、前記条件と前記造形結果との関係を示す予測モデルを生成し、
   前記プロセッサが、受け付けた前記評価目標値を前記予測モデルに与えることにより、前記予測モデルから予測値を算出し、前記プロセッサが、前記予測値を前記付加製造装置または装置の制御領域に送信して実証実験を実施させ、当該実証実験の結果を実測値として取得し、
   前記プロセッサが、前記実測値が前評価目標値を達成しているか否かを判定して、前記評価目標値を達成している場合には前記予測値を前記条件の設定値として出力し、前記評価目標値を達成していない場合には前記予測値と前記実測値を、前記条件の設定値と前記造形結果に加えて前記予測モデルを更新することで付加製造条件の適正化を行い、
   前記標準サンプルは、少なくともサンプルの三面が平滑面であり、前記条件で設定する３種の領域である造形領域の塗潰し領域と、オーバーハングを形成する領域と、造形高さ方向最表面を形成する領域とが関与する直線および曲線で構成される抜き穴形状が集約された一面を有し、前記標準サンプルのスライスデータは、積層方向中央部の任意の一層において、少なくとも二以上の独立した領域よりなり、前記標準サンプルの外縁より１ｍｍ以下の幅で切断された小領域と、その他の部分よりなる大領域を備えることを特徴とする付加製造条件の探索装置。
2. 請求項１に記載の付加製造条件の探索装置であって、
   前記プロセッサが、前記実測値が前記評価目標値を達成しているか否かを判定して、前記評価目標値を達成している場合には、前記評価目標値を最終評価目標値へ向けて段階的に更新し、前記予測モデルの更新を前記最終評価目標値が達成されるまで繰り返すことを特徴とする付加製造条件の探索装置。
3. 請求項１に記載の付加製造条件の探索装置であって、
   前記プロセッサが、前記予測モデルの最初の生成後に前記探索領域で探索を行い、探索結果を用いて前記予測モデルを更新することを特徴とする付加製造条件の探索装置。
4. 請求項１に記載の付加製造条件の探索装置であって、
   前記プロセッサが、複数の種類の前記予測モデルを用いて予測を行い、各前記予測モデルからそれぞれの前記予測値を取得することを特徴とする付加製造条件の探索装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の付加製造条件の探索装置であって、
   前記プロセッサにあらかじめ実験した造形環境に関わるパラメータの情報を考慮して前記条件を探索することを特徴とする付加製造条件の探索装置。
6. 請求項５に記載の付加製造条件の探索装置であって、
   前記造形環境に関わるパラメータが積層厚さ、予熱温度、造形環境圧力または粉末粒径であることを特徴とする付加製造条件の探索装置。
7. 粉末床溶融結合方式の付加製造装置の製造条件を探索する探索装置を用いた探索方法であって、
   前記探索装置はプロセッサおよびメモリを有し、前記プロセッサが、前記付加製造装置により製造された標準サンプルの造形結果と、前記標準サンプルの造形結果に対応する条件と、前記標準サンプルの評価目標値と、前記条件と前記造形結果との範囲により規定される探索領域と、を受け付けて、前記プロセッサが、前記探索領域内の前記条件の設定値と、当該設定値を前記付加製造装置または前記付加製造装置の制御領域に与えた場合の造形結果と、に基づいて、前記条件と前記造形結果との関係を示す予測モデルを生成し、
   前記プロセッサが、受け付けた前記評価目標値を前記予測モデルに与えることにより、前記予測モデルから予測値を算出し、前記プロセッサが、前記予測値を前記付加製造装置または装置の制御領域に送信して実証実験を実施させ、当該実証実験の結果を実測値として取得し、
   前記プロセッサが、前記実測値が前記評価目標値を達成しているか否かを判定して、前記評価目標値を達成している場合には前記予測値を前記条件の設定値として出力し、前記評価目標値を達成していない場合には前記予測値と前記実測値を、前記条件の設定値と前記造形結果に加えて前記予測モデルを更新することで付加製造条件の適正化を行い、
   前記標準サンプルは、少なくともサンプルの三面が平滑面であり、前記条件で設定する３種の領域である造形領域の塗潰し領域と、オーバーハングを形成する領域と、造形高さ方向最表面を形成する領域とが関与する直線および曲線で構成される抜き穴形状が集約された一面を有し、前記標準サンプルのスライスデータは、積層方向中央部の任意の一層において、少なくとも二以上の独立した領域よりなり、前記標準サンプルの外縁より１ｍｍ以下の幅で切断された小領域と、その他の部分よりなる大領域を備えることを特徴とする付加製造条件の探索方法。
8. 付加製造装置の造形結果と、対応する製造条件との関係を示す情報を得るための標準サンプルであって、
   前記標準サンプルの少なくとも三面が平滑面であり、造形領域の塗潰し領域と、オーバーハングを形成する領域と、造形高さ方向最表面を形成する領域とが関与する直線および曲線で構成される抜き穴形状が集約された一面を有し、
   前記標準サンプルのスライスデータは、積層方向中央部の任意の一層において、少なくとも二以上の独立した領域よりなり、前記標準サンプルの外縁より１ｍｍ以下の幅で切断された小領域と、その他の部分よりなる大領域を備える標準サンプル。

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