JP2022182325A - モニタリングシステム及び付加製造システム - Google Patents

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Abstract

Figure 2022182325000001
【課題】付加製造された物品の品質をより容易に把握可能な、モニタリングシステム及び付加製造システムを提供する。
【解決手段】実施形態に係るモニタリングシステムは、収集装置及び処理装置を含む。前記収集装置は、金属粉の溶融と凝固とを繰り返して複数の層を形成する付加製造中に、凝固した凝固部の情報を収集する。前記処理装置は、前記情報を用いて前記凝固部における欠陥の有無を判定し、前記欠陥の有無を示す品質データを生成する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、モニタリングシステム及び付加製造システムに関する。
付加製造により物品を製造する付加製造装置がある。付加製造では、金属粉の溶融及び凝固の繰り返しにより、一つずつ層が付加されていく。付加製造された物品について、品質をより容易に把握できる技術が求められている。
特開２０２０-１５９４４号公報
本発明が解決しようとする課題は、付加製造された物品の品質をより容易に把握可能な、モニタリングシステム及び付加製造システムを提供することである。
実施形態に係るモニタリングシステムは、収集装置及び処理装置を含む。前記収集装置は、金属粉の溶融と凝固とを繰り返して複数の層を形成する付加製造中に、凝固した凝固部の情報を収集する。前記処理装置は、前記情報を用いて前記凝固部における欠陥の有無を判定し、前記欠陥の有無を示す品質データを生成する。
実施形態に係る付加製造システムを表す模式図である。 実施形態に係るモニタリングシステムの構成を表すブロック図である。 付加製造装置の制御系を表すブロック図である。 付加製造の様子を表す模式図である。 撮像装置により得られた画像を表す模式図である。 撮像領域を説明するための模式図である。 実施形態に係るモニタリングシステムの動作を表すフローチャートである。 実施形態に係る付加製造システムの構成を表すブロック図である。 実施形態に係るモニタリングシステムの動作を表すフローチャートである。 実施形態に係るモニタリングシステムの動作を表すフローチャートである。 ハードウェア構成を表す模式図である。
以下に、本発明の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
本願明細書と各図において、既に説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図１は、実施形態に係る付加製造システムを表す模式図である。
図２は、実施形態に係るモニタリングシステムの構成を表すブロック図である。
図３は、付加製造装置の制御系を表すブロック図である。
図１に表したように、付加製造システム２は、モニタリングシステム１及び付加製造装置１００を含む。
図１に表したように、付加製造装置１００は、第１容器１１０、第１ステージ１１１、第２容器１２０、第２ステージ１２１、コータ１３０、照射装置１４０、及び光学系１４１を含む。
第１容器１１０の内部には、金属粉２０１が敷かれた粉末床（パウダーベッド）２０５が設けられている。付加製造装置１００は、粉末床２０５上面に設けられた金属粉２０１を部分的に溶融させる。溶融した金属粉２０１が凝固し、凝固層が形成される。凝固層の上に別の凝固層が繰り返し付加され、接合されることで、凝固部２１０が形成される。最終的に、凝固部２１０からなる物品が製造される。
照射装置１４０は、第１容器１１０の金属粉２０１にレーザ光１５０を照射する。照射装置１４０は、電子ビームを発しても良い。レーザ光１５０は、光学系１４１により反射され、粉末床２０５の一部に照射される。光学系１４１の駆動により、レーザ光１５０は、粉末床２０５の任意の位置に照射される。
第２容器１２０は、第１容器１１０に供給される金属粉２０１を収納している。第１容器１１０の底部には、第１ステージ１１１が設けられている。第２容器１２０の底部には、第２ステージ１２１が設けられている。第１ステージ１１１及び第２ステージ１２１は、昇降可能である。第１ステージ１１１が上昇又は下降すると、粉末床２０５の上面の高さ及び凝固部２１０の上面の高さが変化する。第２ステージ１２１が上昇又は下降すると、第２容器１２０に収納された金属粉２０１の上面の高さが変化する。
レーザ光１５０により金属粉２０１が溶融し、凝固部２１０に新たな凝固層が付加されると、第１ステージ１１１が下降する。粉末床２０５の上面及び凝固部２１０の上面が、第１容器１１０の上面よりも下方に位置する。その後、第２ステージ１２１が上昇する。第２容器１２０に収納された金属粉２０１の上面が、第２容器１２０の上面よりも上方に位置する。コータ１３０は、第２容器１２０から第１容器１１０に向けて移動する。コータ１３０は、第２容器１２０の上面よりも上方に位置する金属粉２０１を、第１容器１１０に向けて運ぶ。コータ１３０により、粉末床２０５及び凝固部２１０の上に、新たな金属粉２０１の層が供給される。
モニタリングシステム１は、付加製造装置１００による付加製造中の情報を収集する。モニタリングシステム１は、その情報を用いて、凝固部２１０における欠陥の有無を判定する。また、モニタリングシステム１は、判定結果に基づき、欠陥の有無を示す品質データを生成する。図１に表したように、モニタリングシステム１は、撮像装置２１、温度センサ２２、及び照明装置２３を含む。
撮像装置２１は、例えばカメラであり、付加製造中における第１容器１１０の様子を撮像する。撮像装置２１は、粉末床２０５、凝固部２１０、金属粉２０１の溶融により生じる溶融池２２０、粉末床２０５表面に当たるレーザ光１５０などを撮像する。これにより、付加製造中の様子を表す画像が、前記情報として収集される。
温度センサ２２は、粉末床２０５、凝固部２１０、又は溶融池２２０の温度を計測する。これにより、付加製造中の各部の温度、全体の温度分布等が、前記情報として収集される。温度センサ２２は、例えば、対象から放射される赤外線に基づき、対象の温度を計測する。
照明装置２３は、撮像装置２１がより明瞭な画像を得られるように、粉末床２０５を照らす。撮像装置２１による撮像位置及び照明装置２３による照明位置を調整するための光学系が、適宜設けられても良い。
図２は、実施形態に係るモニタリングシステムの構成を表す模式図である。
図２に表したように、実施形態に係るモニタリングシステム１は、処理装置１１、入力装置１２、表示装置１３、及び記憶装置１４をさらに含む。
処理装置１１は、撮像装置２１及び温度センサ２２によって収集された情報に基づいて、品質データを生成する。入力装置１２は、ユーザが処理装置１１にデータを入力する際に使用される。表示装置１３は、処理装置１１から出力されたデータをユーザに向けて表示する。記憶装置１４は、データを記憶する。例えば、撮像装置２１及び温度センサ２２は、取得した情報を記憶装置１４に保存する。処理装置１１は、記憶装置１４にアクセスし、情報を取得する。
撮像装置２１、温度センサ２２、及び照明装置２３のそれぞれの動作は、処理装置１１によって制御されても良いし、別の制御装置によって制御されても良い。
図３は、付加製造装置の制御系を表す模式図である。
例えば図３に表したように、付加製造装置１００は、制御装置１０１をさらに含む。第１ステージ１１１、第２ステージ１２１、コータ１３０、照射装置１４０、及び光学系１４１のそれぞれの動作は、制御装置１０１によって制御される。制御装置１０１は、予め設定された付加製造の条件を参照し、その条件に従って各構成要素を動作させる。
図４は、付加製造の様子を表す模式図である。
図４では、熱源としてのレーザ光１５０が、粉末床２０５の一部に照射され、金属粉２０１が溶融している。熱源は、電子ビームであっても良い。溶融した金属粉２０１により、溶融池２２０が形成されている。また、溶融した金属粉２０１が凝固し、凝固部２１０が形成されている。
凝固部２１０は、複数のビード２１１を含む。ビード２１１は、レーザ光１５０が走査される第１方向Ｄ１に沿って延びている。複数のビード２１１は、第１方向Ｄ１に対して垂直な第２方向Ｄ２に並んでいる。
第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２に沿って広がる１層の金属粉２０１に対して、１つ以上のビード２１１が形成されると、第３方向Ｄ３において新たな金属粉２０１の層が供給される。第３方向Ｄ３は、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２に対して垂直である。新たな金属粉２０１の層で、別のビードが形成される。
撮像装置２１は、レーザ光１５０の照射中に、１つ以上のビード２１１及び溶融池２２０を撮像する。撮像装置２１は、レーザ光１５０の照射前に、粉末床２０５を撮像しても良い。撮像装置２１は、レーザ光１５０の照射後であって、新たな金属粉２０１が供給される前に、粉末床２０５及び凝固部２１０を撮像しても良い。
図５は、撮像装置により得られた画像を表す模式図である。
図５に表した画像（第１画像）には、レーザ光１５０、金属粉２０１、複数のビード２１１ａ～２１１ｃ、及び溶融池２２０が写っている。ビード２１１ｂ（第２ビード）は、ビード２１１ａ（第１ビード）よりも前に形成されている。ビード２１１ｃは、ビード２１１ｂよりも前に形成されている。ビード２１１ｂは、ビード２１１ａと２１１ｃの間に位置し、ビード２１１ａ及び２１１ｃと隣り合っている。
処理装置１１は、図５に表した画像を受信すると、付加製造の特徴となるデータを画像から抽出する。例えば、処理装置１１は、凝固直後のビード２１１ａの幅Ｗ１、ビード２１１ａの輪郭、ビード２１１ａの表面形状、ビード２１１ｂの幅Ｗ２、ビード２１１ｂの輪郭、ビード２１１ｂの表面形状、ビード２１１ｃの幅Ｗ３、ビード２１１ｃの輪郭、ビード２１１ｃの表面形状、溶融池２２０の輪郭、及びレーザ光１５０のサイズから選択される１つ以上のデータを含む第１データを抽出する。
「凝固直後」は、レーザ光１５０が走査されているライン上のビード２１１を指す。凝固直後のビード２１１は、溶融池２２０と第１方向Ｄ１において並ぶ。ビード２１１ａ、２１１ｂ、又は２１１ｃの幅は、第２方向Ｄ２におけるビード２１１ａ、２１１ｂ、又は２１１ｃの長さに対応する。表面形状として、局所的な窪み（穴開き欠陥）のサイズ及び位置、表面粗さ、及び艶（輝度）から選択される少なくともいずれかが用いられる。レーザ光１５０のサイズは、レーザ光１５０の輪郭に囲われた領域の面積で表される。
記憶装置１４は、画像から第１データを抽出するための第１モデルを記憶しても良い。第１モデルは、例えばニューラルネットワークを含む。処理装置１１は、画像を第１モデルに入力し、第１モデルから出力された第１データを取得する。例えば、第１モデルは、図５に表した画像が入力されると、線分Ｌｉ１～Ｌｉ３を出力する。線分Ｌｉ１は、ビード２１１ａと金属粉２０１の境界線及びビード２１１ａとビード２１１ｂの境界線であり、ビード２１１ａの輪郭を示す。線分Ｌｉ２は、レーザ光１５０の輪郭を示す。線分Ｌｉ３は、溶融池２２０の輪郭を示す。
処理装置１１は、第１データを取得すると、記憶装置１４に記憶されたデータベースを参照する。データベースは、第１データに基づいて欠陥の有無を判定するための条件を含む。
一例として、欠陥が有る領域では、いずれかのビード２１１の幅が局所的に変化している。幅が予め設定された閾値未満のとき、その領域には欠陥が有ると判定される。別の例として、レーザ光１５０のサイズが小さいとき、十分な量の金属粉２０１が溶融されず、欠陥が発生し易い。サイズが予め設定された閾値未満のとき、その領域には欠陥が有ると判定される。
例えば、処理装置１１は、第１データとして、ビード２１１ａの輪郭、溶融池２２０の輪郭、及びレーザ光１５０のサイズからなる複数のデータを抽出する。データベースは、ビード２１１ａの輪郭、溶融池２２０の輪郭、及びレーザ光１５０のサイズのそれぞれに対する条件を含む。処理装置１１は、複数のデータを複数の条件とそれぞれ比較し、欠陥の有無を判定する。
データベースは、欠陥の種類に関する情報を含んでも良い。例えば、欠陥は、局所的に凝固部２１０が薄いアンダーカット、局所的に凝固部２１０が厚いオーバーラップ、又は、溶融した金属が飛散して形成されたスパッタなどである。１つのデータに対して、欠陥の複数の種類に対応した複数の条件がそれぞれ設定される。処理装置１１は、データベースに含まれる複数の条件に基づき、欠陥の有無と欠陥の種類を判定する。
欠陥の存在は、確率によって表されても良い。例えば、それぞれのデータに対して、１つ以上の条件が設定される。それぞれの条件に対して、欠陥の存在する確率が設定される。条件が満たされるとき、設定された確率で欠陥が存在すると判定される。複数の条件が満たされるとき、欠陥の存在する確率が上昇する。
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、撮像領域を説明するための模式図である。
図６（ａ）は、第１容器１１０に供給された金属粉２０１の最初の層Ａ１を表す。層Ａ１は、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２において複数の領域Ｂ１１～Ｂｘｙを含む。図示した例では、第１方向Ｄ１にｘ個の領域Ｂが並び、第２方向Ｄ２にｙ個の領域Ｂが並ぶ。撮像される範囲Ｃは、１つの領域Ｂよりも大きく設定される。撮像装置２１は、領域Ｂ１１～Ｂｘｙのそれぞれにレーザ光１５０が照射されときに、レーザ光１５０、凝固部２１０、及び溶融池２２０を撮像する。これにより、層Ａ１について、ｘ×ｙ個の画像が取得される。
撮像装置２１は、それぞれの層に対して、同様に撮像を繰り返す。例えば、図６（ｂ）は、第１容器１１０に供給されたｚ番目の層Ａｚを表す。撮像装置２１は、層Ａｚにおいて、層Ａ１と同様に、領域Ｂ１１～Ｂｘｙのそれぞれにレーザ光１５０が照射されときに撮像する。
撮像装置２１により、第１方向Ｄ１、第２方向Ｄ２、又は第３方向Ｄ３における撮像位置が互いに異なる、複数の画像が取得される。処理装置１１は、複数の画像に基づいて、複数の撮像領域における欠陥の有無をそれぞれ判定する。
処理装置１１は、複数の画像間の差分に基づいて、欠陥の有無を判定しても良い。典型的には、欠陥が有ると判定される領域の数は、欠陥が無いと判定される領域の数に比べて少ない。欠陥が無いと判定される領域の画像同士の間では、差分は相対的に小さい。欠陥が無いと判定される領域の画像と、欠陥が有ると判定される領域の画像と、の間では、差分は相対的に大きい。
例えば、処理装置１１は、新たな画像と、１つ以上の過去の画像と、を第１モデルに入力し、それぞれの画像に対応する線分Ｌｉ１～Ｌｉ３を取得する。処理装置１１は、線分Ｌｉ１～Ｌｉ３について、複数の画像の間での特徴量の差分を算出する。処理装置１１は、差分を予め設定された条件と比較し、新たな画像に写された領域における欠陥の有無を判定する。
又は、欠陥が無いときの参照画像が、予め記憶装置１４に保存されても良い。処理装置１１は、新たな画像と参照画像との間の差分を算出する。処理装置１１は、差分に基づいて、新たな画像に写された領域における欠陥の有無を判定する。
処理装置１１は、層Ａ１～Ａｚの間において、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２における位置が同じ領域Ｂの画像同士の間の差分を、算出しても良い。例えば、処理装置１１は、層Ａｚの領域Ｂ１１の画像と、層Ａ１～Ａｚ－１の領域Ｂ１１の画像と、の差分をそれぞれ算出する。
例えば、処理装置１１は、差分として、輝度の差及びコントラスト値の差の１つ又は２つを算出する。処理装置１１は、差分の算出において、隣接する画素領域同士を微分してコントラストの勾配を算出、フーリエ変換で周期性を定量算出、単純に濃淡の差分を取る計算などを実行しても良い。画素領域は、１つ以上の画素からなる領域である。差分に対する条件として、閾値が予め設定される。処理装置１１は、差分が閾値よりも大きいとき、新たな画像に写された領域に欠陥が有ると判定する。
撮像装置２１は、新たな金属粉２０１の層が供給された後であって、レーザ光１５０が照射される前に、粉末床２０５を撮像し、画像（第２画像）を取得しても良い。例えば、処理装置１１は、得られた画像から、粉末床２０５の各点の第３方向Ｄ３における位置とそれらの平均位置を算出する。「点」は、「領域」の一部である。処理装置１１は、各点の位置と平均位置の間の距離（差分）を計算する。距離に対する条件（閾値）が、予め設定される。距離が閾値を超える場合、その点に形成された凝固部２１０の表面が局所的に窪んでいる又は盛り上がっていることを示す。処理装置１１は、距離が閾値を超えた点の直下の凝固部２１０に欠陥が有ると判定する。また、距離が閾値を超える点の金属粉２０１が凝固すると、欠陥が発生する可能性が高い。このため、距離が閾値を超えた点に欠陥が有る（発生する）と見なされても良い。第３方向Ｄ３における位置をより精度良く取得できるように、撮像装置２１は、深度センサを含んでも良い。
例えば、撮像装置２１は、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２における複数の位置で粉末床２０５を撮像する。処理装置１１は、得られた画像を第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２に並べて繋ぎ合わせ、１つの全体画像を得る。処理装置１１は、１つの全体画像において、各点の位置と平均位置の間の距離を計算する。
撮像装置２１は、レーザ光１５０の照射後であって、新たな金属粉２０１の層が供給される前に、凝固部２１０を撮像し、画像（第３画像）を取得しても良い。例えば、処理装置１１は、凝固部２１０の各領域の画像を繋ぎ合わせ、１つの全体画像を得る。処理装置１１は、得られた画像から、凝固部２１０の各点の第３方向Ｄ３における位置とそれらの平均位置を算出する。処理装置１１は、各点の位置と平均位置の間の距離（差分）を計算する。距離に対する条件（閾値）が、予め設定される。処理装置１１は、距離が閾値を超えた点に欠陥が有ると判定する。
処理装置１１は、全体画像から、凝固部２１０上に存在するスパッタを検出しても良い。例えば、第３方向Ｄ３における位置が平均位置に比べて、所定の閾値よりも高い領域が、スパッタとしてカウントされる。処理装置１１は、スパッタが検出された領域を欠陥の有る領域と判定する。処理装置１１は、予め設定された面積内に、規定数よりも多いスパッタが存在する領域を、欠陥の有る領域と判定しても良い。また、スパッタが存在する領域の上で金属粉２０１が凝固すると、欠陥が発生する可能性が高い。このため、スパッタが存在する領域の上に位置する領域に、欠陥が有る（発生する）と見なされても良い。
撮像装置２１は、複数設けられても良い。例えば、レーザ光１５０の照射中に各領域を撮像する撮像装置２１と、レーザ光１５０の照射前又は照射後に粉末床２０５又は凝固部２１０を撮像する別の撮像装置２１と、が設けられても良い。
温度センサ２２は、付加製造中に、各部の温度を計測する。例えば、温度センサ２２は、図５に表した、凝固直後のビード２１１ａの温度、ビード２１１ｂの温度、ビード２１１ｃの温度、又は溶融池２２０の温度を計測し、温度を示す第２データを生成する。
処理装置１１は、第２データを取得すると、記憶装置１４に記憶されたデータベースを参照する。データベースは、第２データに基づいて欠陥の有無を判定するための条件を含む。例えば、データベースは、ビード２１１ａの温度、ビード２１１ｂの温度、ビード２１１ｃの温度、及び溶融池２２０の温度のそれぞれに対する条件（閾値）を含む。処理装置１１は、第２データに含まれる複数の温度を複数の条件とそれぞれ比較し、欠陥の有無を判定する。一例として、凝固直後のビード２１１ａの温度又は溶融池２２０の温度が閾値よりも低い場合、欠陥が有ると判定される。
例えば、ビード２１１ａ、ビード２１１ｂ、及びビード２１１ｃのいずれかの温度が閾値よりも低い場合、ビード２１１ａ、ビード２１１ｂ、及びビード２１１ｃの間での温度差により、凝固部２１０に割れ又は熱歪みが発生する可能性がある。また、いずれかのビードの幅が変化すると、造形密度が変化する。造形密度の変化が大きいと、溶接不良、又は溶接不良に繋がる空隙が発生し、欠陥の原因となる。
データベースは、欠陥の種類に関する情報を含んでも良い。例えば、ビード２１１ａ、ビード２１１ｂ、又は溶融池２２０の温度に対して、欠陥の複数の種類に対応した複数の条件がそれぞれ設定される。処理装置１１は、データベースに含まれる複数の条件に基づき、欠陥の有無と欠陥の種類を判定する。欠陥の存在は、確率によって示されても良い。例えば、複数のデータに複数の条件がそれぞれ設定される。それぞれの条件に対して、欠陥の存在する確率が予め設定される。条件が満たされるとき、設定された確率で欠陥が存在すると判定される。複数の条件が満たされるとき、欠陥の存在する確率が上昇する。
温度センサ２２は、撮像装置２１と同様に、レーザ光１５０の照射に追従して、各層の各領域における温度を計測する。例えば図６（ａ）に表した領域Ｂ１１～Ｂｘｙのそれぞれにレーザ光１５０が照射されときに、温度センサ２２は、ビード２１１ａ、ビード２１１ｂ、及び溶融池２２０の温度を計測する。
温度センサ２２は、新たな金属粉２０１の層が供給された後であって、レーザ光１５０が照射される前に、粉末床２０５の各領域の温度を計測しても良い。例えば、処理装置１１は、複数の計測結果から、粉末床２０５における温度分布を生成する。処理装置１１は、温度分布から、平均温度、温度のばらつきなどを算出する。処理装置１１は、算出した値を、予め設定された条件（閾値）と比較し、欠陥の有無を判定する。
温度センサ２２は、レーザ光１５０の照射後であって、新たな金属粉２０１の層が供給される前に、各領域の温度を計測しても良い。処理装置１１は、複数の計測結果から、粉末床２０５及び凝固部２１０における温度分布を生成する。
例えば、温度分布が大きいと、その層の中で残留応力の偏り、形状の不均一などが発生しうる。温度分布が予め設定された閾値以上の場合、その層及び上下で隣接する層で造形の不良が発生する可能性が高い。処理装置１１は、前記層及び前記隣接する層に、欠陥が有ると判定する。
処理装置１１は、判定結果を記憶装置１４に保存する。欠陥が有ると判定されると、処理装置１１は、欠陥の位置を記憶装置１４に保存する。欠陥が有ると判定されたときに、処理装置１１は、その判定に用いた画像を判定結果及び欠陥位置と紐付けても良い。例えば、品質データは、製造された物品について、欠陥の有無の判定結果と、欠陥の位置と、欠陥の存在の判定に用いられた画像と、を含む。
図７は、実施形態に係るモニタリングシステムの動作を表すフローチャートである。
収集装置が、付加製造中の情報を収集する（ステップＳ１）。処理装置１１は、収集された情報を取得する（ステップＳ２）。処理装置１１は、情報を用いて、情報が収集された位置における欠陥の有無を判定する（ステップＳ３）。判定では、収集された情報に含まれる各データが、予め設定された条件と比較される。処理装置１１は、欠陥の有無を示す品質データを生成する（ステップＳ４）。
実施形態の利点を説明する。
付加製造により製造された物品に、欠陥が存在することがある。物品の欠陥は、例えばボイドである。欠陥の有無、欠陥の数は、物品の品質と関係する。欠陥が有る又は欠陥の数が多いと、品質が悪いと認定される。品質は、例えば、物品の価格、物品の適用対象などに影響する。又は、品質が悪い物品は、取引対象から除外される。換言すると、物品の価格、適用対象、取引の可否などを決定するために、製造された物品の品質を把握できることが好ましい。
製造された物品を非破壊検査し、欠陥の有無、欠陥の数を調べる方法もある。しかし、この方法では、検査に時間と費用を要する。このため、より簡便に、物品の品質を把握できる技術が望まれている。
実施形態に係るモニタリングシステム１によれば、収集装置が、付加製造中の情報を収集する。収集装置は、撮像装置２１又は温度センサ２２である。収集された情報を用いて、処理装置１１は、欠陥の有無を判定する。また、処理装置１１は、判定結果を含む品質データを生成する。
付加製造中に情報を収集することで、物品の製造後に別途検査工程を設ける必要が無い。また、ユーザは、品質データを確認することで、製造された物品における欠陥の可能性を把握できる。例えば、ユーザは、欠陥の存在する可能性、存在しうる欠陥の数などを把握できる。実施形態によれば、付加製造された物品の品質を、より容易に把握できる。
また、実施形態に係るモニタリングシステム１は、既に存在する付加製造装置１００に、後から追加することができる。既に存在する付加製造装置１００にモニタリングシステム１を追加することで、欠陥の判定機能が組み込まれた付加製造装置を新たに購入する場合に比べて、必要な費用を削減できる。
品質データは、製造された物品について、欠陥の位置を含むことが好ましい。ユーザは、物品のどの位置に欠陥が存在しうるか、容易に把握できる。また、品質データは、欠陥の判定に使用された画像を含むことが好ましい。ユーザは、処理装置１１による判定結果の確からしさを容易に確認できる。ユーザが画像中の欠陥の位置を容易に把握できるように、画像中に、欠陥の位置が印付けされても良い。
処理装置１１は、予め設定された条件に基づく判定に代えて、欠陥の有無を判定するための第２モデルを用いても良い。第２モデルは、例えばニューラルネットワークを含む。処理装置１１は、第１データ又は第２データを取得すると、第２モデルに第１データ又は第２データを入力する。第２モデルは、欠陥の有無を示すデータを出力する。処理装置１１は、第２モデルの出力を、判定結果として取得する。第２モデルは、複数の学習データを用いて学習される。学習データは、第１データ、第２データ、及びそれらのデータに対するラベルを含む。ラベルは、欠陥の有無及び欠陥の種類を示す。
処理装置１１は、予め設定された条件に基づく判定と、第２モデルによる判定と、を組み合わせて最終的な判定結果を取得しても良い。例えば、処理装置１１は、予め設定された条件に基づいて欠陥が有ると判定される場合、その領域に欠陥が有ると判定する。処理装置１１は、予め設定された条件に基づいて欠陥が無いと判定された場合であっても、第１データ又は第２データを第２モデルに入力する。第２モデルによって欠陥の存在が示されると、処理装置１１は、その領域に欠陥が有ると判定する。第２モデルを組み合わせることで、条件のみでは判定が難しい欠陥の存在を、より精度良く判定可能となる。
図８は、実施形態に係る付加製造システムの構成を表すブロック図である。
付加製造システム２において、モニタリングシステム１による判定結果に応じて、付加製造装置１００の加工条件が変更されても良い。具体的には、欠陥が有ると判定されたときに、処理装置１１は、付加製造の加工条件を変更する。処理装置１１は、変更した加工条件を記憶装置１４に保存する。制御装置１０１は、変更された加工条件に従って、付加製造装置１００の各構成要素を制御する。
例えば、ビード２１１の一部の領域に、欠陥が有ると判定される。その領域に隣接する別の領域にレーザ光１５０を照射する際に、加工条件が変更される。これにより、欠陥が修正される可能性がある。一例として、第１データに基づいてアンダーカットが有ると判定される場合、隣接する領域にレーザ光１５０を照射する際、照射時間を延ばす、又は照射エネルギーを大きくする。これにより、別の領域で溶融した金属粉２０１の一部が、アンダーカットが有る領域に流れ、アンダーカットが修正されうる。
データベースは、付加製造における加工条件に関する情報を含む。データベースは、第１データの値と加工条件との対応を含む。欠陥が有ると判定されると、処理装置１１は、データベースにアクセスする。処理装置１１は、判定に用いられた第１データに対応する加工条件を取得する。処理装置１１は、取得した加工条件を記憶装置１４に保存する。これにより、予め設定された加工条件が、欠陥を修正するための加工条件に変更される。制御装置１０１は、変更された加工条件に従って付加製造装置１００を制御する。
加工条件は、欠陥の種類及び欠陥の程度に応じて変更されても良い。例えば、アンダーカットの窪みが大きい場合には、別の領域にレーザ光１５０を照射する際に、照射時間をさらに延ばす、又は照射エネルギーをさらに大きくする。これにより、溶融する金属粉２０１の量が大きくなり、アンダーカットへ溶融金属が流れ易くなる。欠陥が修正される可能性を、高めることができる。
第１データの種類ごとに、修正の可否が設定されても良い。処理装置１１は、欠陥が有ると判定されると、データベースにアクセスし、判定の根拠となった第１データについて、修正の可否を参照する。修正が可能である場合、処理装置１１は、データベースから、欠陥を修正するための変更された加工条件を取得する。修正が不可能である場合、処理装置１１は、加工条件を変更しない。
付加製造装置１００は、同じ物品を繰り返し製造しても良い。前の物品の製造時における判定結果に基づいて、次の物品の製造時の加工条件を変更しても良い。例えば、処理装置１１は、前の物品の製造時に欠陥が有ると判定されると、次の物品の製造時に、欠陥が判定された位置での加工条件を変更する。これにより、次の物品の製造時に、欠陥の発生が抑制される。
図９は、実施形態に係るモニタリングシステムの動作を表すフローチャートである。
図９を参照して、加工条件を変更する場合のモニタリングシステム１の動作を説明する。図７に表したフローチャートと同様に、収集装置が、付加製造中の情報を収集する（ステップＳ１）。処理装置１１は、情報を取得し（ステップＳ２）、欠陥の有無を判定する（ステップＳ３）。処理装置１１は、欠陥の存在が判定されたか判定する（ステップＳ１１）。欠陥の存在が判定された場合、処理装置１１は、データベースを参照し、その欠陥が修正可能か判定する（ステップＳ１２）。欠陥が修正可能である場合、処理装置１１は、加工条件を変更する（ステップＳ１３）。これにより、発生した欠陥が修正され得る。又は、次の物品において、欠陥の発生が抑制され得る。
ステップＳ１１にて欠陥が存在しないと判定された後、ステップＳ１２にて修正不可能と判定された後、又はステップＳ１３の後、処理装置１１は、結果を記憶装置１４に保存する（ステップＳ１４）。具体的には、処理装置１１は、欠陥の有無を判定した領域について、判定結果、欠陥の修正の可否、変更された加工条件などを保存する。処理装置１１は、付加製造が完了したか判定する（ステップＳ１５）。完了していない場合、ステップＳ１が再度実行される。又は、ステップＳ２以降は、付加製造中の各領域における情報が収集された後に実行されても良い。この場合、各情報に基づく処理が完了するまで、ステップＳ２～Ｓ１２が繰り返される。各領域についての判定が完了すると、処理装置１１は、品質データを生成する（ステップＳ４）。
処理装置１１は、各領域の判定結果に基づいて、物品の品質を判定しても良い。例えば、品質データは、物品の品質に関する情報をさらに含む。
図１０は、実施形態に係るモニタリングシステムの動作を表すフローチャートである。
処理装置１１は、図７又は図９に表したフローチャートのステップＳ４において、図１０に表した処理を実行しても良い。処理装置１１は、記憶装置１４にアクセスし、各領域の判定結果を参照する（ステップＳ４１）。処理装置１１は、いずれかの領域にて欠陥の存在が判定されたか判定する（ステップＳ４２）。いずれの領域においても欠陥の存在が判定されていない場合、処理装置１１は、その物品の品質を優良と判定する（ステップＳ４３）。
例えば、データベースは、欠陥に関する情報と、欠陥モードと、の対応関係を含む。いずれの領域に欠陥の存在が判定された場合、処理装置１１は、データベースにアクセスし、欠陥の数、欠陥の位置、欠陥の種類などの情報を、欠陥モードと照合する（ステップＳ４４）。例えば、データベースは、それぞれの欠陥モードについて、許容可能か否かを示すデータを含む。処理装置１１は、得られた欠陥モードが、許容可能か判定する（ステップＳ４５）。欠陥モードが許容可能である場合、処理装置１１は、品質を許容可能と判定する（ステップＳ４６）。欠陥モードが許容不可能である場合、処理装置１１は、品質を不良と判定する（ステップＳ４７）。
優良は、許容可能よりも優れていることを示す。許容可能は、不良よりも優れていることを示す。ここでは、品質を３つのグレードに分類する例を説明した。品質は、欠陥の有無、欠陥モードなどに応じて、４つ以上のグレードに分類されても良い。
処理装置１１は、品質データとしてレポートを生成する（ステップＳ４８）。例えば、レポートは、欠陥の有無、欠陥の数、欠陥の種類、変更された加工条件、欠陥モード、欠陥が判定された領域の画像、及び品質を含む。処理装置１１は、レポートを、表示装置１３に表示させる（ステップＳ４９）。又は、処理装置１１は、レポートを、"Comma Separated Value（ＣＳＶ）などの所定のファイル形式で出力し、ＳＤカードなどの記録媒体に書き込んでも良い。処理装置１１は、File Transfer Protocol（ＦＴＰ）などを用いて外部のサーバへデータを送信しても良いし、データベース通信を行って、Open Database Connectivity（ＯＤＢＣ）などを用いて、外部のデータベースサーバへデータを挿入してもよい。
図１１は、ハードウェア構成を表す模式図である。
例えば、実施形態に係るモニタリングシステム１の処理装置１１は、コンピュータであり、ＲＯＭ(Read Only Memory)１１ａ、ＲＡＭ(Random Access Memory)１１ｂ、ＣＰＵ(Central Processing Unit)１１ｃ、およびＨＤＤ(Hard Disk Drive)１１ｄを有する。
ＲＯＭ１１ａは、コンピュータの動作を制御するプログラムを記憶している。ＲＯＭ１１ａには、コンピュータに上述した各処理を実現させるために必要なプログラムが記憶されている。
ＲＡＭ１１ｂは、ＲＯＭ１１ａに記憶されたプログラムが展開される記憶領域として機能する。ＣＰＵ１１ｃは、処理回路を含む。ＣＰＵ１１ｃは、ＲＯＭ１１ａに記憶された制御プログラムを読み込み、当該制御プログラムに従ってコンピュータの動作を制御する。また、ＣＰＵ１１ｃは、コンピュータの動作によって得られた様々なデータをＲＡＭ１１ｂに展開する。ＨＤＤ１１ｄは、読み取りに必要なデータや、読み取りの過程で得られたデータを記憶する。ＨＤＤ１１ｄは、例えば、図２に表した記憶装置１４として機能する。
処理装置１１は、ＨＤＤ１１ｄに代えて、ｅＭＭＣ（embedded Multi Media Card）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、ＳＳＨＤ（Solid State Hybrid Drive）などを含んでも良い。処理装置１１のそれぞれの処理及び機能は、より多くのコンピュータの協働により実現されても良い。
入力装置１２は、マウス、キーボード、及びタッチパッドの少なくともいずれかを含む。表示装置１３は、モニタ及びプロジェクタの少なくともいずれかを含む。タッチパネルのように、入力装置１２及び表示装置１３の両方として機能する装置が用いられても良い。
以上で説明したモニタリングシステム、処理装置、又はモニタリング方法によれば、付加製造された物品の品質を、より容易に把握できる。また、コンピュータを、処理装置として動作させるためのプログラムを用いることで、同様の効果を得ることができる。
上記の種々のデータの処理は、コンピュータに実行させることのできるプログラムとして、磁気ディスク（フレキシブルディスク及びハードディスクなど）、光ディスク（ＣＤ－ＲＯＭ、ＣＤ－Ｒ、ＣＤ－ＲＷ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ±Ｒ、ＤＶＤ±ＲＷなど）、半導体メモリ、または、他の記録媒体に記録されても良い。
例えば、記録媒体に記録されたデータは、コンピュータ（または組み込みシステム）により読み出されることが可能である。記録媒体において、記録形式（記憶形式）は任意である。例えば、コンピュータは、記録媒体からプログラムを読み出し、このプログラムに基づいてプログラムに記述されている指示をＣＰＵで実行させる。コンピュータにおいて、プログラムの取得（または読み出し）は、ネットワークを通じて行われても良い。
以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
１：モニタリングシステム、 ２：付加製造システム、 １１：処理装置、 １２：入力装置、 １３：表示装置、 １４：記憶装置、 ２１：撮像装置、 ２２：温度センサ、 ２３：照明装置、 １００：付加製造装置、 １０１：制御装置、 １１０：第１容器、 １１１：第１ステージ、 １２０：第２容器、 １２１：第２ステージ、 １３０：コータ、 １４０：照射装置、 １４１：光学系、 １５０：レーザ光、 ２０１：金属粉、 ２０５：粉末床、 ２１０：凝固部、 ２１１，２１１ａ～２１１ｃ：ビード、 ２２０：溶融池、 Ｄ１：第１方向、 Ｄ２：第２方向、 Ｄ３：第３方向、 Ｌｉ１～Ｌｉ３：線分

Claims (15)

  1. 金属粉の溶融と凝固とを繰り返して複数の層を形成する付加製造中に、凝固した凝固部の情報を収集する収集装置と、
    前記情報を用いて前記凝固部における欠陥の有無を判定し、前記欠陥の有無を示す品質データを生成する処理装置と、
    を備えたモニタリングシステム。
  2. 前記収集装置は、撮像装置を含み、
    前記情報は、画像を含み、
    前記処理装置は、前記画像に基づいて前記凝固部における前記欠陥の有無を判定する請求項１記載のモニタリングシステム。
  3. 前記情報は、前記凝固部に含まれる第１ビード及び第２ビードと、溶融している溶融池と、熱源と、を写した第１画像を含み、
    前記処理装置は、
    前記第１画像から、凝固直後の前記第１ビードの幅、前記第１ビードの輪郭、前記第１ビードの表面形状、前記第１ビードと隣り合う前記第２ビードの幅、前記第２ビードの輪郭、前記第２ビードの幅、前記溶融池の輪郭、及び前記熱源のサイズから選択される１つ以上のデータを含む第１データを取得し、
    前記第１データに基づいて、前記凝固部における前記欠陥の有無を判定する、
    請求項２記載のモニタリングシステム。
  4. 前記処理装置は、前記第１データに対して予め設定された条件を参照し、前記第１データと前記条件との比較により前記欠陥の有無を判定する請求項３記載のモニタリングシステム。
  5. 前記処理装置は、第１モデルに前記第１画像を入力することで、前記第１ビードの輪郭、前記溶融池の輪郭、及び前記熱源の輪郭を含む前記第１データを取得する請求項３又は４に記載のモニタリングシステム。
  6. 前記処理装置は、複数の前記第１画像の間の差分を抽出し、前記差分に基づいて前記凝固部における前記欠陥の有無を判定する請求項３記載のモニタリングシステム。
  7. 前記情報は、新たな前記金属粉の層が供給された後であって、前記金属粉が溶融される前に、前記金属粉が敷かれた粉末床を写した第２画像をさらに含み、
    前記処理装置は、前記第２画像から、前記粉末床の表面形状を取得し、前記表面形状に基づいて前記凝固部における前記欠陥の有無を判定する請求項２記載のモニタリングシステム。
  8. 前記情報は、前記金属粉が溶融されて凝固した後であって、新たな前記金属粉の層が供給される前に、前記凝固部を写した第３画像をさらに含み、
    前記処理装置は、前記第３画像から、前記凝固部の表面形状を取得し、前記表面形状に基づいて前記凝固部における前記欠陥の有無を判定する請求項２記載のモニタリングシステム。
  9. 前記処理装置は、前記欠陥が有ると判定したときに、その判定に使用された前記画像を、前記品質データに加える請求項２～８のいずれか１つに記載のモニタリングシステム。
  10. 前記凝固部を照らす照明装置をさらに備えた請求項１～９のいずれか１つに記載のモニタリングシステム。
  11. 前記収集装置は、温度センサを含み、
    前記情報は、溶融している溶融池の温度、及び前記凝固部の温度を示す第２データを含み、
    前記処理装置は、前記第２データに基づいて、前記凝固部における前記欠陥の有無を判定する請求項１～１０のいずれか１つに記載のモニタリングシステム。
  12. 前記収集装置は、前記複数の層のそれぞれの形成時に、前記凝固部の前記情報を収集する請求項１～１１のいずれか１つに記載のモニタリングシステム。
  13. 前記収集装置は、付加製造中に複数の前記情報を収集し、
    前記処理装置は、前記凝固部の複数の領域における前記欠陥の有無を判定し、
    前記品質データは、前記欠陥の有無と、前記欠陥を含む前記領域の位置と、を含む請求項１～１２のいずれか１つに記載のモニタリングシステム。
  14. 前記処理装置は、前記欠陥の有無の判定結果に基づいて、付加製造時の加工条件を変更する、請求項１～１３のいずれか１つに記載のモニタリングシステム。
  15. 請求項１～１４のいずれか１つに記載のモニタリングシステムと、
    付加製造を実行する付加製造装置と、
    を備えた付加製造システム。
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