JP2023009555A - Powder bed evaluation device, additive manufacturing device, powder bed evaluation method and additive manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、粉末床評価装置、積層造形装置、粉末床評価方法、および積層造形方法に関し、さらに詳しくは、金属粉末材料を敷き詰めた粉末床の表面の状態についての評価を行うことができる粉末床評価装置、積層造形装置、粉末床評価方法、および積層造形方法に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a powder bed evaluation apparatus, an additive manufacturing apparatus, a powder bed evaluation method, and an additive manufacturing method, and more particularly, to a powder bed capable of evaluating the state of the surface of a powder bed in which a metal powder material is spread. The present invention relates to an evaluation apparatus, a layered manufacturing apparatus, a powder bed evaluation method, and a layered manufacturing 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、エネルギー線照射による金属粉末材料の固化を利用した積層造形法がある。金属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、レーザー粉末床溶融結合法(L-PBF)とも称する)、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、金属粉末材料を、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金属粉末材料が、溶融と再凝固によって固化し、造形体が形成される。粉末床への金属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。 As a new technique for manufacturing a three-dimensional model, additive manufacturing (AM) has developed remarkably in recent years. As one type of additive manufacturing technology, there is an additive manufacturing method that utilizes the solidification of metal powder materials by irradiation with energy beams. Examples of additive manufacturing methods using metal powder materials include Selective Laser Melting (SLM, also referred to as laser powder bed fusion method (L-PBF)) and Electron Beam Melting (EBM). etc. can be mentioned. In these methods, a metal powder material is supplied onto a base material to form a powder bed, and based on three-dimensional design data, a laser beam, an electron beam, or the like is applied to a predetermined position of the powder bed. of energy rays. Then, the metal powder material in the irradiated portion is solidified by melting and re-solidifying to form a shaped body. A three-dimensional modeled object is obtained by repeating the supply of metal powder material to the powder bed and modeling by irradiation with energy beams to sequentially form a modeled object 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。三次元造形物に不均一構造が生じる要因としては、粉末床における金属粉末材料の分布の不均一性、エネルギー線照射の照射条件等、造形にかかる条件の不備、製造対象の三次元造形物の設計形状の不適切性等、複数の要因が挙げられる。それらのうち、粉末床における金属粉末材料の分布の不均一性を評価する方法として、特許文献1に、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、その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、粉末供給工程と造形工程の間に、構成層の表面を撮影して画像を取得する撮影工程と、撮影工程で取得した画像に基づき、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、を行う粉末床評価方法が開示されている。特許文献1においては、撮影工程に用いる撮影装置として、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、また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、積層造形装置に備え付けられているカメラを兼用することが記載されている。
In the three-dimensional model obtained, a structure with uneven distribution of constituent materials, such as voids, occurs at positions corresponding to the surface of each layer when material is supplied to the powder bed and irradiated with energy rays in layers. Sometimes. It is desirable to suppress the generation of such a non-uniform structure as much as possible. Factors that cause a non-uniform structure in a three-dimensional model include non-uniform distribution of metal powder materials in the powder bed, inadequate conditions for modeling such as irradiation conditions for energy beam irradiation, and three-dimensional models to be manufactured. There are several factors, such as inappropriate design shape. Among them, as a method for evaluating the non-uniformity of the distribution of the metal powder material in the powder bed,
上記のように、積層造形法によって得られる三次元造形物に、不均一構造が生じる原因としては、粉末床における金属粉末材料の分布の不均一性をはじめとして、複数の現象が挙げられるが、それらの原因を除去するための対策を講じる基礎として、いずれの原因によって三次元造形物に不均一構造が生じているのかを特定することが重要となる。その観点で、特許文献1に記載されるように、カメラを用いて粉末床の表面を撮影し、撮影像を解析することは、粉末床における金属粉末材料の分布の均一性の程度を評価するのに、効果を発揮する。特に、特許文献1にも挙げられているとおり、既に途中まで形成され、粉末床に内包されている三次元造形物の突出による金属粉末材料の不均一分布や、さらには三次元造形物の粉末床からの露出があれば、敏感に検出することができる。この際、積層造形装置に内蔵されている監視用のカメラを利用すれば、そのような粉末床の評価を、簡便な装置構成で実施することができる。
As described above, the three-dimensional structure obtained by the additive manufacturing method has a non-uniform structure. As a basis for taking measures to eliminate these causes, it is important to identify which cause causes the non-uniform structure in the three-dimensional structure. In that respect, as described in
しかし、積層造形装置に内蔵されているカメラは、本来的に、異常等の監視を目的とするものであることから、金属粉末材料の均一性の程度を評価するのに必ずしも適したものではない。例えば、カメラの空間分解能があまり高くないため、金属粉末材料の不均一分布を、十分な空間分解能で検出できない可能性がある。また、金属粉末材料は、黒色またはそれに近い濃色を有することが多く、分布に不均一性が生じたとしても、カメラ撮影像のコントラストとして、明確にその不均一性を認識することが難しい場合がある。よって、途中まで形成されている三次元造形物の影響による不均一分布のように、大きな空間スケールで、また大きな高低差を伴って形成される金属粉末材料の不均一分布とは異なり、金属粉末材料の材質や構造、物性に起因する不均一分布等、粉末床の表面の短い距離において形成される不均一分布、また小さな高低差しか与えない不均一分布は、適切に検知できない可能性がある。このように、積層造形装置に内蔵されるカメラを用いて、粉末床における金属粉末材料の分布を評価しようとする場合には、金属粉末材料の分布に不均一性が存在しても、三次元造形物に不均一構造を与える他の要因との弁別に十分な情報として、その不均一性を検出するのが難しいことがある。 However, since the camera built into the additive manufacturing apparatus is originally intended for monitoring abnormalities, it is not necessarily suitable for evaluating the degree of uniformity of the metal powder material. . For example, because the spatial resolution of the camera is not very high, non-uniform distributions of metal powder materials may not be detected with sufficient spatial resolution. In addition, metal powder materials often have a black color or a dark color close to it, and even if unevenness occurs in the distribution, it is difficult to clearly recognize the unevenness as the contrast of the image captured by the camera. There is Therefore, unlike the uneven distribution of the metal powder material that is formed on a large spatial scale and with a large difference in height, such as the uneven distribution due to the influence of the three-dimensional structure that is formed halfway, the metal powder Inhomogeneous distribution formed in a short distance on the surface of the powder bed, such as inhomogeneous distribution caused by material quality, structure, and physical properties, and inhomogeneous distribution that gives only a small height difference may not be detected properly. . In this way, when trying to evaluate the distribution of the metal powder material in the powder bed using the camera built into the additive manufacturing apparatus, even if there is non-uniformity in the distribution of the metal powder material, three-dimensional The non-uniformity can be difficult to detect for sufficient information to distinguish it from other factors that contribute to the non-uniform structure of the build.
本発明が解決しようとする課題は、金属粉末材料より構成される粉末床において、金属粉末材料の分布に不均一性が存在する場合に、その不均一性を的確に検知することができる粉末床評価装置、積層造形装置、粉末床評価方法、および積層造形方法を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to enable accurate detection of non-uniformity in the distribution of the metal powder material in the powder bed composed of the metal powder material. An object of the present invention is to provide an evaluation apparatus, a layered manufacturing apparatus, a powder bed evaluation method, and a layered manufacturing method.
上記課題を解決するため、本発明にかかる粉末床評価装置は、金属粉末材料を供給する粉末供給部と、前記粉末供給部から供給される前記金属粉末材料より構成される粉末床を基材上に保持する粉末床容器と、前記粉末床容器に収容された前記金属粉末材料に接触した状態で、前記基材の面に沿って運動することで、前記金属粉末材料の分布を平滑化して前記粉末床を形成する平滑化部材と、前記平滑化部材に取り付けられ、前記粉末床容器内に形成された前記粉末床の表面における高さの分布を非接触で計測する高さ計測装置と、を有する。 In order to solve the above problems, the powder bed evaluation apparatus according to the present invention comprises a powder supply section that supplies a metal powder material, and a powder bed composed of the metal powder material supplied from the powder supply section on a substrate. and the metal powder material contained in the powder bed container is moved along the surface of the substrate while being in contact with the powder bed container to smooth the distribution of the metal powder material and the a smoothing member forming a powder bed; and a height measuring device attached to the smoothing member for non-contact measurement of height distribution on the surface of the powder bed formed in the powder bed container. have.
ここで、前記高さ計測装置は、レーザー変位計であるとよい。前記高さ計測装置は、前記粉末床の表面において、前記金属粉末材料の平均粒径の5分の1以下の空間分解能を有するとよい。 Here, the height measuring device is preferably a laser displacement meter. The height measuring device preferably has a spatial resolution of one-fifth or less of the average particle size of the metal powder material on the surface of the powder bed.
前記粉末床評価装置はさらに、前記粉末床容器の上方に設けられた撮影装置を有し、前記撮影装置は、前記高さ計測装置よりも低い空間分解能で、前記高さ計測装置より広視野にわたって、前記粉末床の表面を撮影するものであるとよい。この場合に、前記撮影装置は、前記粉末床の表面において、1mm以下の空間分解能を有するとよい。また、前記粉末床評価装置は、前記粉末床容器の側方に設けられ、前記粉末床の表面に側方から光を照射する照明装置をさらに有するとよい。 The powder bed evaluation apparatus further includes an imaging device provided above the powder bed container, and the imaging device has a lower spatial resolution than the height measurement device and a wider field of view than the height measurement device. , to photograph the surface of the powder bed. In this case, the imaging device preferably has a spatial resolution of 1 mm or less on the surface of the powder bed. Moreover, the powder bed evaluation apparatus may further include an illumination device that is provided on the side of the powder bed container and that irradiates the surface of the powder bed with light from the side.
前記平滑化部材は、前記粉末床容器において、前記金属粉末材料に接触した状態で、前記基材の面に沿って一方向に運動する平滑化運動を行い、前記金属粉末材料の分布を平滑化した後、前記金属粉末材料に接触しない状態で、前記平滑化運動とは反対の方向に運動する回帰運動を行い、前記高さ計測装置は、前記平滑化部材が前記回帰運動を行っている間に、前記粉末床の表面における高さの分布を計測するとよい。あるいは、前記平滑化部材が、前記粉末床容器において、前記金属粉末材料に接触した状態で、前記基材の面に沿って運動する平滑化運動によって、前記金属粉末材料の分布の平滑化を行っている間に、前記高さ計測装置が前記粉末床の表面の高さの分布を計測するとよい。 The smoothing member is in contact with the metal powder material in the powder bed container and performs a smoothing motion that moves in one direction along the surface of the base material to smooth the distribution of the metal powder material. After that, a recursive motion is performed in a direction opposite to the smoothing motion without contacting the metal powder material, and the height measuring device moves the smoothing member during the recursive motion. Second, it is preferable to measure the height distribution on the surface of the powder bed. Alternatively, the smoothing member smoothes the distribution of the metal powder material in the powder bed vessel by a smoothing motion that moves along the surface of the substrate while in contact with the metal powder material. The height measuring device preferably measures the height distribution of the surface of the powder bed while the powder bed is being heated.
本発明にかかる積層造形装置は、上記の粉末床評価装置を内蔵し、前記粉末供給部、前記粉末床容器、前記平滑化部材、前記高さ計測装置に加えて、前記粉末床容器内に形成された前記粉末床にエネルギー線を照射して、照射を受けた部位の前記金属粉末材料を溶融させるエネルギー線照射源をさらに備える。 A layered manufacturing apparatus according to the present invention incorporates the above-described powder bed evaluation device, and in addition to the powder supply unit, the powder bed container, the smoothing member, and the height measurement device, is formed in the powder bed container An energy ray irradiation source is further provided for irradiating the powder bed thus formed with energy rays to melt the metal powder material at the irradiated portion.
本発明にかかる粉末床評価方法は、上記の粉末床評価装置を用いて、前記粉末供給部から前記粉末床容器に前記金属粉末材料を供給する粉末供給工程と、前記平滑化部材によって、前記粉末床容器に供給された前記金属粉末材料の分布を平滑化する粉末床形成工程と、前記高さ計測装置によって、前記粉末床の表面における高さの分布を計測する計測工程と、を実行するものである。 The powder bed evaluation method according to the present invention includes a powder supply step of supplying the metal powder material from the powder supply unit to the powder bed container using the powder bed evaluation apparatus; A powder bed forming step of smoothing the distribution of the metal powder material supplied to the floor container, and a measuring step of measuring the height distribution on the surface of the powder bed by the height measuring device. is.
ここで、前記撮影装置を備えた粉末床評価装置を用いて、前記撮影装置によって、前記粉末床の表面を撮影する撮影工程を、前記計測工程とともに実施し、前記計測工程において得られた計測結果と合わせて、前記撮影工程で得られた撮影像を用いて、前記粉末床の表面における高さの分布を評価するとよい。 Here, using a powder bed evaluation apparatus equipped with the imaging device, an imaging step of imaging the surface of the powder bed with the imaging device is performed together with the measurement step, and the measurement results obtained in the measurement step. In addition to this, it is preferable to evaluate the height distribution on the surface of the powder bed using the photographed image obtained in the photographing step.
本発明にかかる積層造形方法は、上記の積層造形装置を用いて、前記粉末供給部から前記粉末床容器に前記金属粉末材料を供給する粉末供給工程と、前記平滑化部材によって、前記粉末床容器に供給された前記金属粉末材料の分布を平滑化する粉末床形成工程と、前記高さ計測装置によって、前記粉末床の表面における高さの分布を計測する計測工程と、前記エネルギー線照射源によって前記粉末床に前記エネルギー線を照射して、照射を受けた部位の前記金属粉末材料を溶融および再凝固させる造形工程と、を複数回繰り返すものである。 The layered manufacturing method according to the present invention includes a powder supplying step of supplying the metal powder material from the powder supply unit to the powder bed container by using the above-described layered manufacturing apparatus; A powder bed forming step of smoothing the distribution of the metal powder material supplied to the powder bed, a measuring step of measuring the height distribution on the surface of the powder bed by the height measuring device, and the energy beam irradiation source and a shaping step of irradiating the powder bed with the energy beam to melt and re-solidify the metal powder material in the irradiated portion.
ここで、前記撮影装置を備えた粉末床評価装置を内蔵する前記積層造形装置を用いて、前記撮影装置によって、前記粉末床の表面を撮影する撮影工程を、前記計測工程とともに実施するとよい。 Here, it is preferable to perform a photographing step of photographing the surface of the powder bed with the photographing device together with the measuring step using the layered manufacturing apparatus incorporating the powder bed evaluation device having the photographing device.
上記発明にかかる粉末床評価装置は、粉末床容器内に形成された粉末床の表面における高さの分布を計測する高さ計測装置を備えている。高さ計測装置によって、粉末床の表面の高さの分布を直接計測することで、粉末床の表面に、高低差を伴う不均一な金属粉末材料の分布が形成されていれば、その不均一分布を検出することができる。高さ計測装置が、粉末床の表面に金属粉末材料を平滑に敷き詰める平滑化部材に取り付けられていることで、形成された粉末床の表面そのものの状態を、確実性高く評価することが可能となる。また、高さ計測装置が、非接触式のものであることにより、粉末床の表面の状態を評価するための計測工程が、粉末床の状態に影響を与えることもない。粉末床の表面に金属粉末材料の不均一な分布が形成されていることが検出されれば、その不均一な分布を、他の要因と区別して、三次元造形物における不均一構造の形成と対応付けることができる。また、金属粉末材料の材料構成や形状、粒径の検討等、粉末床における不均一分布を低減するための対策に用いる基礎情報として、評価結果を利用することができる。 The powder bed evaluation apparatus according to the above invention includes a height measuring device for measuring the height distribution on the surface of the powder bed formed in the powder bed container. By directly measuring the height distribution on the surface of the powder bed with a height measuring device, if uneven metal powder material distribution with height differences is formed on the surface of the powder bed, the unevenness A distribution can be detected. By attaching the height measuring device to the smoothing member that smoothly spreads the metal powder material on the surface of the powder bed, it is possible to evaluate the state of the formed powder bed surface itself with high certainty. Become. Further, since the height measuring device is of a non-contact type, the measuring process for evaluating the state of the surface of the powder bed does not affect the state of the powder bed. If non-uniform distribution of the metal powder material is formed on the surface of the powder bed, the non-uniform distribution can be distinguished from other factors to form a non-uniform structure in the three-dimensional model. can be associated. In addition, the evaluation results can be used as basic information for measures to reduce non-uniform distribution in the powder bed, such as examining the material composition, shape, and particle size of the metal powder material.
ここで、高さ計測装置が、レーザー変位計であると、金属粉末材料の表面における高低差を伴う金属粉末材料の不均一分布を、高い空間分解能および精度で、非接触にて検出することができる。また、多くのレーザー変位計は、ヘッド部分が軽量かつ小型であり、リコータ等の平滑化部材に取り付けても、平滑化部材の運動をはじめとして、粉末床の形成の各工程に影響を与えにくい。さらに、計測結果は、金属粉末材料の有する色彩に実質的に影響を受けず、黒色等の濃色の金属粉末材料に対しても、高精度に分布の高低差を検出することができる。 Here, if the height measuring device is a laser displacement gauge, non-contact detection of non-uniform distribution of the metal powder material accompanied by height differences on the surface of the metal powder material can be performed with high spatial resolution and accuracy. can. In addition, many laser displacement meters have a lightweight and compact head part, and even if they are attached to a smoothing member such as a recoater, they do not easily affect the movement of the smoothing member and other steps in forming the powder bed. . Furthermore, the measurement results are substantially unaffected by the color of the metal powder material, and the height difference in the distribution can be detected with high accuracy even for dark-colored metal powder materials such as black.
高さ計測装置が、粉末床の表面において、金属粉末材料の平均粒径の5分の1以下の空間分解能を有する場合には、粉末床を構成する金属粉末材料において、粒子単位で生じる分布の不均一性も検出することができる。その結果、粒子の充填等、粒子単位で起こる現象まで考慮しながら、不均一性の発生要因やその低減方法を検討することも可能となる。 When the height measuring device has a spatial resolution of 1/5 or less of the average particle diameter of the metal powder material on the surface of the powder bed, the distribution generated in particle units in the metal powder material constituting the powder bed Non-uniformity can also be detected. As a result, it becomes possible to consider factors that cause non-uniformity and methods for reducing the non-uniformity, while taking into account phenomena that occur in particle units, such as particle packing.
粉末床評価装置がさらに、粉末床容器の上方に設けられた撮影装置を有し、撮影装置が、高さ計測装置よりも低い空間分解能で、高さ計測装置より広視野にわたって、粉末床の表面を撮影するものである場合には、微小な空間スケールにおいて粉末床の表面に生じる金属粉末材料の不均一分布を、高さ計測装置によって検出するとともに、比較的大きな空間スケールにおいて生じる金属粉末材料の不均一分布を、撮影装置によって検出することができる。よって、高さ計測装置と撮影装置によって得られる情報を合わせることで、多様な空間スケールで、粉末床の表面における金属粉末材料の分布の均一性の程度を評価し、また不均一分布を検知することができる。 The powder bed evaluation device further has an imaging device provided above the powder bed container, and the imaging device has a lower spatial resolution than the height measurement device and a wider field of view than the height measurement device. In the case of photographing, the uneven distribution of the metal powder material that occurs on the surface of the powder bed on a fine spatial scale is detected by a height measuring device, and the metal powder material that occurs on a relatively large spatial scale is detected. A non-uniform distribution can be detected by the imager. Therefore, by combining the information obtained by the height measurement device and the imaging device, it is possible to evaluate the degree of uniformity of the distribution of the metal powder material on the surface of the powder bed at various spatial scales, and to detect uneven distribution. be able to.
この場合に、撮影装置が、粉末床の表面において、1mm以下の空間分解能を有すると、金属粉末材料と平滑化部材の接触に起因する不均一分布等、粒子の集合体である粉体としての金属粉末材料の挙動において粉末床の表面に生じる不均一分布を、撮影装置によって、好適に検出することができる。 In this case, if the imaging device has a spatial resolution of 1 mm or less on the surface of the powder bed, uneven distribution due to contact between the metal powder material and the smoothing member will occur. Non-uniform distributions occurring on the surface of the powder bed in the behavior of the metal powder material can be preferably detected by means of the imaging device.
また、粉末床評価装置が、粉末床容器の側方に設けられ、粉末床の表面に側方から光を照射する照明装置をさらに有すると、粉末床の表面に不均一な高さ分布が形成されている場合に、撮影装置によって得られる撮影像において、その高さ分布が高いコントラストを与えるようになり、金属粉末材料の分布の均一性の程度に関する評価、また不均一分布の検出を、正確に行いやすくなる。 In addition, if the powder bed evaluation device is provided on the side of the powder bed container and further has a lighting device that irradiates the surface of the powder bed with light from the side, uneven height distribution is formed on the surface of the powder bed. In the image obtained by the imaging device, the height distribution gives a high contrast, and it is possible to accurately evaluate the degree of uniformity of the distribution of the metal powder material and detect non-uniform distribution. easier to get to.
平滑化部材が、粉末床容器において、金属粉末材料に接触した状態で、基材の面に沿って一方向に運動する平滑化運動を行い、金属粉末材料の分布を平滑化した後、金属粉末材料に接触しない状態で、平滑化運動とは反対の方向に運動する回帰運動を行い、高さ計測装置が、平滑化部材が回帰運動を行っている間に、粉末床の表面における高さの分布を計測する場合には、金属粉末材料の平滑化に適した平滑化部材の運動速度と、金属粉末材料の高さの分布の計測に適した高さ計測装置の移動速度が異なる場合でも、平滑化運動を前者に適した速度で行い、回帰運動を後者に適した速度で行うことで、それぞれの工程を適切な条件で実行することが可能となる。回帰運動は、粉末供給部からの金属粉末材料の供給と、供給された金属粉末材料の平滑化を繰り返して行う場合に、必然的に実行される工程であり、その工程の間に高さ計測装置による計測を行うことで、そのような計測を行わない場合と比較した際の所用時間の増加が、少なくて済む。 A smoothing member is in contact with the metal powder material in the powder bed container and performs a smoothing motion that moves in one direction along the surface of the base material to smooth the distribution of the metal powder material. Without contacting the material, a recursive movement moving in the direction opposite to the smoothing movement is performed, and the height measuring device measures the height at the surface of the powder bed during the recursive movement of the smoothing member. When measuring the distribution, even if the moving speed of the smoothing member suitable for smoothing the metal powder material and the moving speed of the height measuring device suitable for measuring the height distribution of the metal powder material are different, By performing the smoothing motion at a speed suitable for the former and performing the regression motion at a speed suitable for the latter, each process can be executed under appropriate conditions. The recursive movement is a process that is inevitably executed when the supply of the metal powder material from the powder supply unit and the smoothing of the supplied metal powder material are repeated. By performing the measurement with the device, the increase in required time is small compared with the case where such measurement is not performed.
あるいは、平滑化部材が、粉末床容器において、金属粉末材料に接触した状態で、基材の面に沿って運動する平滑化運動によって、金属粉末材料の分布の平滑化を行っている間に、高さ計測装置が粉末床の表面の高さの分布を計測する場合には、平滑化部材の運動によって平滑に敷き詰められた金属粉末材料の状態を、即座に評価することができる。 Alternatively, while the smoothing member smoothes the distribution of the metal powder material in the powder bed vessel by a smoothing motion moving along the surface of the substrate in contact with the metal powder material, When the height measuring device measures the height distribution of the surface of the powder bed, it is possible to immediately evaluate the state of the metal powder material that has been smoothly spread by the movement of the smoothing member.
上記発明にかかる積層造形装置は、上記の粉末床評価装置を内蔵し、さらに、粉末床評価装置を構成する各部材に加えて、粉末床を構成する金属粉末材料を溶融させるエネルギー線照射源をさらに備えている。そのため、粉末床評価装置を構成する高さ計測装置によって、粉末床の表面における均一性の程度を評価したうえで、粉末床の表面にエネルギー線を照射し、造形物の形成を行うことができる。表面の均一性の高い粉末床が形成されていることを実測に基づいて確認したうえで、造形物の形成を行うことで、得られる三次元造形物において、粉末床における金属材料の分布の不均一性に起因する不均一構造の生成を抑制しながら、積層造形を進めることができる。一方で、高さ計測装置による計測で、粉末床の表面に不均一な金属粉末材料の分布が形成されていることが検出された場合には、積層造形を中断すること、さらには粉末床において金属粉末材料の不均一分布を与える原因を除去したうえで積層造形を行うことも、可能となる。 The additive manufacturing apparatus according to the above invention incorporates the above-described powder bed evaluation apparatus, and in addition to each member constituting the powder bed evaluation apparatus, an energy beam irradiation source for melting the metal powder material constituting the powder bed. I have more. Therefore, after evaluating the degree of uniformity on the surface of the powder bed with a height measuring device that constitutes the powder bed evaluation device, the surface of the powder bed can be irradiated with energy rays to form a model. . After confirming through actual measurements that a powder bed with a highly uniform surface has been formed, the three-dimensional model is formed, and uneven distribution of metal materials in the powder bed is eliminated. Additive manufacturing can proceed while suppressing the generation of non-uniform structures due to uniformity. On the other hand, if the measurement by the height measuring device detects that a non-uniform metal powder material distribution is formed on the surface of the powder bed, the additive manufacturing should be interrupted, and furthermore, the powder bed should be It is also possible to perform layered manufacturing after removing the cause of non-uniform distribution of the metal powder material.
上記発明にかかる粉末床評価方法においては、粉末床形成工程において、平滑化部材によって、粉末床の表面における金属粉末材料の分布を平滑化した後に、計測工程を実施し、高さ計測装置によって、粉末床の表面における高さの分布を計測する。よって、直前の粉末床形成工程によって形成した粉末床の表面の均一性の程度を、計測工程において、実測によって評価することができる。よって、形成された粉末床の表面に、金属粉末材料の不均一な分布が存在すれば、その不均一分布を的確に検知することができる。さらに、検出された金属粉末材料の不均一な分布を、他の要因と区別して、三次元造形物中の不均一構造の形成と対応付けることができる。また、金属粉末材料の材料構成や形状、粒径の検討等、粉末床における不均一分布を低減するための対策を検討する際の基礎情報として、評価結果を利用することができる。 In the powder bed evaluation method according to the above invention, in the powder bed forming step, the distribution of the metal powder material on the surface of the powder bed is smoothed by the smoothing member, then the measurement step is performed, and the height measuring device Measure the height distribution on the surface of the powder bed. Therefore, the degree of surface uniformity of the powder bed formed by the immediately preceding powder bed formation step can be evaluated by actual measurement in the measurement step. Therefore, if non-uniform distribution of the metal powder material exists on the surface of the formed powder bed, the non-uniform distribution can be accurately detected. Further, the non-uniform distribution of metal powder material detected can be distinguished from other factors and correlated with the formation of non-uniform structures in the three-dimensional object. In addition, the evaluation results can be used as basic information when considering measures for reducing non-uniform distribution in the powder bed, such as examining the material composition, shape, and particle size of the metal powder material.
ここで、撮影装置を備えた粉末床評価装置を用いて、撮影装置によって、粉末床の表面を撮影する撮影工程を、計測工程とともに実施し、計測工程において得られた計測結果と合わせて、撮影工程で得られた撮影像を用いて、粉末床の表面の平滑性を評価する場合には、多様な空間スケールにわたって、粉末床の表面における金属粉末材料の分布の均一性に関する情報を得ることができる。粉末床の表面に形成される金属粉末材料の不均一分布の原因も、特定しやすくなる。 Here, using a powder bed evaluation device equipped with a photographing device, the photographing step of photographing the surface of the powder bed with the photographing device is performed together with the measurement step. When the images obtained in the process are used to evaluate the smoothness of the surface of the powder bed, it is possible to obtain information about the uniformity of the distribution of the metallic powder material on the surface of the powder bed over various spatial scales. can. The cause of uneven distribution of metal powder material that forms on the surface of the powder bed is also easier to identify.
上記発明にかかる積層造形方法においては、粉末床形成工程において、粉末床を形成したあと、エネルギー線をその粉末床の表面に照射する造形工程を行う前に、計測工程を実施し、高さ計測装置によって、粉末床の表面における高さ分布の計測を行う。計測工程によって、粉末床の表面における金属粉末材料の分布の均一性の程度を評価することができるので、表面の均一性の高い粉末床が形成されていることを確認したうえで、エネルギー線の照射によって造形層を形成することができる。もし、計測工程において、粉末床の表面に金属粉末材料の不均一な分布が形成されていることが検出されれば、積層造形の中断や、その不均一分布を低減する対策の実施を行うこともできる。このようにして、粉末床における金属粉末材料の分布が、十分に高い均一性を有していることを確認しながら、積層造形を行うことで、形成される三次元造形物において、金属粉末材料の不均一分布に起因して不均一構造が生成するのを、抑制することができる。また、形成される三次元造形物が、不均一構造を有する場合に、その不均一構造が生成する原因が、粉末床における金属粉末材料の不均一な分布にあるか否かを、他の要因と区別しながら検証し、またその原因の除去のための対策を講じる際の基礎情報として利用することができる。 In the layered manufacturing method according to the above invention, in the powder bed forming step, after forming the powder bed, before performing the modeling step of irradiating the surface of the powder bed with the energy beam, the measuring step is performed to measure the height. The device makes measurements of the height distribution at the surface of the powder bed. By the measurement process, it is possible to evaluate the uniformity of the distribution of the metal powder material on the surface of the powder bed. A build layer can be formed by irradiation. If the measurement process detects uneven distribution of metal powder material on the surface of the powder bed, discontinue additive manufacturing or take measures to reduce the uneven distribution. can also In this way, by performing layered manufacturing while confirming that the distribution of the metal powder material in the powder bed has sufficiently high uniformity, in the three-dimensional model formed, the metal powder material It is possible to suppress the generation of a non-uniform structure due to the non-uniform distribution of . In addition, when the three-dimensional structure to be formed has a non-uniform structure, whether or not the non-uniform structure is caused by the non-uniform distribution of the metal powder material in the powder bed is determined by other factors. It can be used as basic information when verifying while distinguishing from the cause and taking measures to eliminate the cause.
ここで、撮影装置を備えた粉末床評価装置を内蔵する積層造形装置を用いて、撮影装置によって、粉末床の表面を撮影する撮影工程を、計測工程とともに実施する場合には、多様な空間スケールにわたって、粉末床の表面における金属粉末材料の分布が、十分に高い均一性を有していることを実際に確認しながら、積層造形を行うことができる。そのため、多様な空間スケールで生じうる不均一構造の生成を抑制しながら、三次元造形物を形成することができ、三次元造形物の品質を効果的に向上させることができる。また、三次元造形物に不均一構造を与える要因を特定しやすくなる。 Here, when performing a photographing process of photographing the surface of the powder bed with a photographing device using a layered manufacturing apparatus incorporating a powder bed evaluation device equipped with a photographing device along with a measurement step, various spatial scales Over time, additive manufacturing can be performed while actually ensuring that the distribution of the metal powder material at the surface of the powder bed has a sufficiently high uniformity. Therefore, it is possible to form a three-dimensional structure while suppressing generation of non-uniform structures that may occur on various spatial scales, and effectively improve the quality of the three-dimensional structure. In addition, it becomes easier to identify factors that give the three-dimensional modeled object a non-uniform structure.
以下に、本発明の実施形態にかかる粉末床評価装置、積層造形装置、粉末床評価方法、および積層造形方法について詳細に説明する。 A powder bed evaluation apparatus, a layered manufacturing apparatus, a powder bed evaluation method, and a layered manufacturing method according to embodiments of the present invention will be described below in detail.
本粉末床評価装置は、金属粉末材料を敷き詰めた粉末床に対して、表面における金属粉末材料の分布の均一性に関する評価を行い、不均一な分布が存在すれば、その不均一分布を検知するための装置である。本粉末床評価装置を用いて、本粉末床評価方法を実行することができる。また、本粉末床評価装置を内蔵し、かつ粉末床に対するエネルギー線照射によって積層造形を行うことができる装置として、本積層造形装置を構成することができる。さらに、本積層造形装置を用いて、本積層造形方法を実行することができる。以下、積層造形装置および積層造形方法を中心に説明を行うが、積層造形装置の構成要素うち、粉末床の形成と評価にかかる設備のみを抜き出したもの、つまりエネルギー線照射装置等、粉末床へのエネルギー線照射による造形に要する設備以外を抜き出したものを、粉末床評価装置とすることができる。また、積層造形方法のうち、粉末床の形成と評価にかかる工程のみを抜き出したもの、つまり粉末床へのエネルギー線照射によって造形を行う造形工程等、造形自体のために要する工程以外を抜き出したものを、粉末床評価方法とすることができる。 This powder bed evaluation device evaluates the uniformity of the distribution of the metal powder material on the surface of the powder bed on which the metal powder material is spread, and detects the non-uniform distribution if there is any non-uniform distribution. It is a device for The present powder bed evaluation method can be executed using the present powder bed evaluation apparatus. Further, the additive manufacturing apparatus can be configured as an apparatus that incorporates the powder bed evaluation apparatus and that can perform additive manufacturing by irradiating the powder bed with energy rays. Furthermore, this layered manufacturing method can be performed using this layered manufacturing apparatus. In the following, the explanation will focus on the additive manufacturing apparatus and the additive manufacturing method. A powder bed evaluation apparatus can be obtained by extracting equipment other than the equipment required for modeling by irradiation of energy beams. In addition, only the processes related to the formation and evaluation of the powder bed were extracted from the additive manufacturing method. can be a powder bed evaluation method.
[積層造形装置]
まず、本発明の一実施形態にかかる積層造形装置の構成について、説明する。図1に、本発明の一実施形態にかかる積層造形装置1の構成を、概略断面図によって表示する。積層造形装置1は、金属粉末材料Pを敷き詰めてなる粉末床B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ことができる装置である。
[Laminate manufacturing equipment]
First, the configuration of a layered manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 shows the configuration of a layered
図1に示す積層造形装置1は、LPB-F方式によって、金属粉末材料Pを用いた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、粉末供給部20と、エネルギー線照射源としてのレーザー照射装置30と、平滑化部材としてのリコータ40と、高さ計測装置としてのレーザー変位計50を有している。さらに、積層造形装置1は、任意に設けられる構成要素として、撮影装置としての粉末床撮影用カメラ60と、照明装置としてのサイド照明70を有している。積層造形装置1においては、粉末供給部20から粉末床容器10に金属粉末材料Pを供給したうえで、リコータ40を用いて粉末床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、三次元造形物を製造する。さらに、リコータ40を用いて粉末床Bを形成した後、レーザー照射装置30によるレーザー照射を行う前に、レーザー変位計50および粉末床撮影用カメラ60によって、粉末床Bの表面における金属粉末材料Pの分布に関する評価を行う。
The layered
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、金属粉末材料P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(図略)によって上下方向の運動M1を駆動される。
The
粉末供給部20も、底板21と、側壁22を有しており、底板21と側壁22に包囲された空間の内部に、金属粉末材料Pを収容することができる。粉末供給部20の底板21は、駆動装置(図略)によって、粉末床容器10の基材11とは独立に、上下方向の運動M2を駆動される。粉末床容器10と粉末供給部20は、それぞれの側壁12,22の一部を構成する共通の隔壁15を介して、相互に隣接して設けられており、粉末供給部20に貯留された金属粉末材料Pを、隔壁15を介して粉末床容器10へと移動させることで、粉末床容器10の内部に金属粉末材料Pを供給することができる。なお、粉末供給部は、粉末床容器10に金属粉末材料Pを供給できるものであれば、このような形態のものに限られず、例えば、特許文献1に示される形態のように、粉末床容器10の上方に、底部から金属粉末材料Pを吐出可能な容器を設け、粉末供給部としてもよい。
The
リコータ40は、運動によって、粉末床容器10に供給した金属粉末材料Pの表面を平滑化して、粉末床Bを形成するための部材であり、粉末供給部20から粉末床容器10に供給された金属粉末材料Pを平滑に敷き詰めて、粉末床Bを形成することができる。リコータ40は、基材11の面に沿って、つまり水平面内で運動することができるスキャン部42を有している。スキャン部42は、粉末供給部20から粉末床容器10にわたる領域を、連続的に往復運動することができる(運動M3)。スキャン部42には、ブレード41が取り付けられている。ブレード41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る。ブレード41およびスキャン部42は、粉末床容器10の幅方向(図面の奥行方向)に沿って、ほぼ全域にわたって設けられている。
The
リコータ40は、隔壁15を越えて粉末供給部20から粉末床容器10へと運動することで、ブレード41によって、粉末供給部20に貯留された金属粉末材料Pを粉末床容器10へ移動させることができる。さらに、粉末床容器10の内部で、粉末床Bの表面にブレード41のエッジを接触させた状態で、ブレード41を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)。スキージングにより、粉末供給部20から移動させて粉末床容器10に供給した金属粉末材料Pを、平滑な層として敷き詰め、粉末床Bの構成層とすることができる。
The
レーザー照射装置30は、レーザーユニットと、ガルバノスキャナと、を有しており(いずれも図略)、粉末床Bの表面の所定の位置に、レーザービームを照射することができる。レーザーユニットは、レーザー発振により、レーザービームを発生させる。ガルバノスキャナは、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。レーザービームが照射された位置において、金属粉末材料が溶融して再凝固し、造形物を構成するものとなる。ガルバノスキャナにおいては、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、製造すべき三次元造形物の設計形状に応じた三次元CAD等の設計データに従って、レーザービームのスキャンが行われる。なお、積層造形装置1に設けられるエネルギー線照射源は、必ずしもレーザー照射装置30に限られるものではなく、粉末床Bにエネルギー線を照射して、照射を受けた部位の金属粉末材料Pを溶融させるエネルギー線を発生させられるものであればよい。レーザー照射装置30以外のエネルギー線照射源として、電子線照射装置を挙げることができる。
The
レーザー変位計50としては、公知のレーザー変位計を適用することができる。多くの公知のレーザー変位計は、検査対象の表面にレーザー光を照射して、反射光を光学センサで検出することにより、材料の表面の高さの分布(凹凸分布)を、非接触にて計測するものであり、ここでもその種のレーザー変位計を好適に用いることができる。レーザー変位計50は、リコータ40を構成するスキャン部42に取り付けられており、スキャン部42の運動によって、粉末床容器10の基材11の面に沿って、移動することができる。スキャン部42によって、レーザー変位計50を、粉末床Bの表面の上方で移動させながら、レーザー変位計50によって、直下の位置における高さの計測を行うことで、スキャン部42の移動方向に沿って、粉末床Bの表面における高さの分布を検出することができる。レーザー変位計50による計測を行うタイミングについては、後で積層造形方法について詳しく説明するように、スキャン部42が、ブレード41による粉末床Bの表面のスキージングのための運動(平滑化運動)を行っている間に実施しても、スキージングを終え、原点復帰のための反対方向への運動(回帰運動)を行っている間に実施してもいずれでもよい。
As the
一般的なレーザー変位計は、ミクロンオーダーから数十ミクロンオーダーのビームスポット径を有しており、検査対象の表面において、ミクロンオーダーから数十ミクロンオーダーの空間分解能で、高さの計測を行うことができる。また、高さ計測における分解能も、ミクロンオーダーあるいはそれ以下となる。一般的に、積層造形の原料として用いられる金属粉末材料Pの平均粒径は、ミクロンオーダーあるいは数十ミクロンオーダーであり、レーザー変位計50によって、粒子1つあるいは数個程度のスケールにわたる分布状態を、好適に検出することができる。十分な空間分解能をもって粉末床Bの表面の高さ分布を計測する観点から、レーザー変位計50は、粉末床Bの表面において、粉末床Bを構成する金属粉末材料Pの平均粒径の5分の1以下の空間分解能を示すことが好ましい。例えば、5μm以下の空間分解能を有することが好ましい。なお、本明細書において、空間分解能について、「A以下」との表現(Aは長さの次元を有する量)は、A以下の長さ領域において対象を識別可能な空間分解能を有することを意味するものとする。逆に、空間分解能について、「A以上」との表現は、A以上の長さ領域において対象を識別不能な空間分解能しか有さないことを示す。
A general laser displacement meter has a beam spot diameter on the order of microns to several tens of microns, and measures the height of the surface of the inspection target with a spatial resolution on the order of microns to several tens of microns. can be done. Also, the resolution in height measurement is on the order of microns or less. In general, the average particle diameter of the metal powder material P used as a raw material for additive manufacturing is on the order of microns or on the order of several tens of microns. , can be preferably detected. From the viewpoint of measuring the height distribution on the surface of the powder bed B with sufficient spatial resolution, the
図示した装置では、レーザー変位計50としては、直下の位置にスポット状のビームを照射して、直下の点に対して高さ測定を行う形態のものを想定しており、リコータ40のスキャン部42の運動に伴って、直線状に、粉末床Bの表面における高さ分布を計測することになる。スキャン部42に対してレーザー変位計50を取り付ける位置は、ブレード41の端縁や粉末床容器10の側壁12の影響が生じうる端部近傍を除けば、特に限定されるものではないが、スキャン部42の幅方向(図面の奥行方向)の中央部またはその近傍に取り付けておくことが好ましい。レーザー変位計50としては、ライン状に計測を行えるものを用いてもよい。この場合には、スキャン部42の幅方向に沿って、直線状に広がった領域の高さ分布を一括して計測することができ、スキャン部42の運動によって、粉末床Bの表面における高さ分布を、二次元的に計測することができる。さらに、高さ計測装置としては、カメラによる画像撮影以外の原理により、粉末床Bの表面における高さ分布を非接触にて計測できるものであれば、レーザー変位計50に限られず、任意の形態の計測装置を用いることができる。
In the illustrated device, the
粉末床撮影用カメラ60は、粉末床容器10の上方に設けられており、粉末床Bの表面を撮影することができる。好ましくは、粉末床Bの表面に正対して撮影できるように、つまり鉛直方向下方に撮影方向を向けて、粉末床撮影用カメラ60が設けられているとよい。粉末床撮影用カメラ60によって得られる撮影像を解析することで、輝度や色相の分布に基づいて、粉末床Bの表面における高さの分布を計測することができる。例えば、粉末床撮影用カメラ60としてモノクロのCCDカメラを用いる場合には、金属粉末材料Pが高い位置に分布する箇所が、高輝度で観測されることになる。粉末床撮影用カメラ60は、上記で説明したレーザー変位計50よりも、低い空間分解能を有し、レーザー変位計50よりも広い視野にわたって、粉末床Bの表面を撮影できるカメラとして構成される。そのため、得られた撮影像に基づいて、レーザー変位計50で検出される高さ分布よりも、粉末床Bの表面において、大きな空間スケールにわたって形成される高さ分布を、好適に検出することができる。
The powder
多くの場合、積層造形装置には、造形中に、装置の構成部材における不具合や異常、また粉末床の大きな不具合を監視することや、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、監視用カメラ(図略)が設けられていることが多い。そのような監視用カメラを、粉末床撮影用カメラ60として兼用してもよいが、監視用カメラは、その目的に鑑みて、粉末床Bの表面の高さ分布を解析できるほどの高い空間分解能を発揮できるものでない場合が多い。よって、粉末床撮影用カメラ60としては、監視用カメラよりも画素数が多く、高空間分解能での撮影を行うことができる高性能のカメラを、監視用カメラとは別に設けることが好ましい。例えば、粉末床撮影用カメラ60として、粉末床Bの表面において1mm以下の空間分解能が得られるものを用いることが好ましい。一方で、レーザー変位計50で計測される高さ分布よりも十分に大きな空間スケールにわたって形成される高さ分布を好適に検出する観点から、粉末床撮影用カメラ60の空間分解能は、粉末床Bの表面において、10μm以上としておくとよい。例えば、200万画素以上、また6400万画素以下の高解像度のCCDカメラまたはCMOSカメラを、粉末床撮影用カメラ60として好適に用いることができる。
In many cases, additive manufacturing equipment is used for the purpose of monitoring defects and abnormalities in the component parts of the equipment during modeling, major defects in the powder bed, and confirming whether the modeling is progressing normally. As such, surveillance cameras (not shown) are often provided. Such a monitoring camera may also be used as the powder
サイド照明70は、粉末床容器10の側方に設けられた照明装置である。サイド照明70は、粉末床Bの表面に、側方から光を照射する。概ね、粉末床Bの表面から上方へ30°以内の角度から、粉末床Bの表面に光を照射するものであるとよい。サイド照明70で粉末床Bの表面を側方から照明することで、粉末床撮影用カメラ60で得られる撮影像において、粉末床Bの表面の凹凸が、高い輝度のコントラストを与えるものとなり、粉末床Bの表面における高さの分布を、明瞭に認識しやすくなる。サイド照明70として用いる照明装置の種類は、特に限定されるものではないが、粉末床Bの表面の広い領域を、明るく照明できるように、バー状の白色LED光源を、粉末床Bの幅方向(図面の奥行方向)に沿って配置する形態を、好適に例示できる。
The
積層造形装置1には、サイド照明70とは別に、粉末床Bの上方から照明を行う照明装置(図略)が設けられてもよい。サイド照明70は、粉末床撮影用カメラ60によって、粉末床Bの表面における高さ分布の評価を行うための撮影像を取得する際に使用する一方、粉末床Bの上方に設けた照明装置は、粉末床撮影用カメラ60、あるいは別途積層造形装置1に内蔵されている監視用カメラによって、粉末床Bや他の構成部材の全体的な状況を確認、監視する際に、好適に使用することができる。粉末床撮影用カメラ60によって、粉末床Bの表面における高さ分布の評価を行うための撮影像を取得する際には、粉末床Bの表面の高さ分布によるコントラストが明瞭に現れた画像を取得する観点から、上方に設けた照明装置は消灯しておくことが好ましい。
The
以上に説明した積層造形装置1は、レーザー変位計50および粉末床撮影用カメラ60を備えることで、積層造形を行うための粉末床Bの表面における金属粉末材料Pの高さ分布を計測できるように構成されている。そのため、粉末床Bの形成および評価、その粉末床Bを用いた積層造形を、1つの装置の中で完了できるようになっている。しかし、積層造形を実際に行う工程とは独立して、予備的に粉末床Bの状態を評価する等の目的で、積層造形を行わずに、粉末床Bの形成と評価のみを行う装置として、粉末床評価装置を構成することもできる。その場合には、粉末床評価装置は、粉末供給部20と、粉末床容器10と、平滑化部材としてのリコータ40と、高さ計測装置としてのレーザー変位計50を備え、さらに、任意に、撮影装置としての粉末床撮影用カメラ60、および照明装置としてのサイド照明70を備える一方、レーザー照射装置30を備えないものとして、構成すればよい。
The layered
[積層造形方法]
次に、上記で説明した積層造形装置1を用いて実行される、本発明の一実施形態にかかる積層造形方法について説明する。ここでは、粉末床Bの形成と評価、およびその粉末床Bを用いた三次元造形物の製造を行う。
[Laminate manufacturing method]
Next, a layered manufacturing method according to an embodiment of the present invention, which is executed using the layered
粉末床Bの形成に先立ち、粉末供給部20に、三次元造形物の原料となる金属粉末材料Pを貯留しておく。金属粉末材料Pの成分組成は、製造すべき三次元造形物の材質に応じて選択すればよい。また、金属粉末材料Pの粒径は、三次元造形物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L-PBF法において使用される金属粉末材料Pの平均粒径は、10~80μm程度である。
Prior to the formation of the powder bed B, the
三次元造形物の製造は、層状に順次行う。つまり、粉末床Bにおいて、薄い層状に金属粉末材料Pを充填した構成層を形成し、その構成層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。そのように、造形層を順次層状に形成することで、三次元形状を有する三次元造形物を完成させることができる。 The production of the three-dimensional structure is carried out layer by layer. That is, in the powder bed B, the process of forming a constituent layer filled with the metal powder material P in a thin layer and irradiating the constituent layer with a laser beam to form a modeling layer, which is a layered solidified product, is repeated. By sequentially forming modeling layers in this manner, a three-dimensional model 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、粉末供給部20から粉末床容器10へと、金属粉末材料Pを供給する。この際、粉末供給部20の底板21の位置を十分に上方に配置し、隔壁15よりも上方に金属粉末材料Pを位置させる。この状態で、ブレード41で金属粉末材料Pを押すようにして、リコータ40を粉末供給部20から粉末床容器10へと運動させることで、粉末供給部20の金属粉末材料Pの一部を、隔壁15を越えて粉末床容器10への移動させることができる。
Specifically, first, in the powder supply step, the metal powder material P is supplied from the
次に、粉末床形成工程を実施し、粉末床Bの表面に、構成層を形成する。つまり、粉末床容器10内で、ブレード41を金属粉末材料Pに接触させた状態で、基材11の面に沿って(基材11の面に平行に)リコータ40を運動させて(スキージング)、金属粉末材料Pの分布を平滑化する。これにより、金属粉末材料Pが平滑に敷き詰められ、粉末床Bの表面に、新たな構成層が形成される。上記粉末供給工程と、粉末床形成工程は、リコータ40を粉末供給部20から粉末床容器10へと運動させ、さらにそのまま粉末床容器10内で運動させることで、連続して実施することができる。この際、リコータ40の運動は、粉末供給部20から粉末床容器10に向かう一方向にのみ行う。
Next, a powder bed forming step is performed to form a constituent layer on the surface of the powder bed B. That is, in the
粉末床形成工程とともに、あるいは粉末床形成工程の後に、計測工程を実施し、粉末床形成工程で形成した粉末床Bの構成層の表面において、金属粉末材料Pの高さ分布を計測する。つまり、リコータ40のスキャン部42を移動させながら、レーザー変位計50を用いて、粉末床Bの表面における金属粉末材料Pの高さの分布を計測し、その計測結果に基づいて、粉末床Bの表面における金属粉末材料Pの均一性の程度を評価する。
Together with or after the powder bed formation process, a measurement process is carried out to measure the height distribution of the metal powder material P on the surface of the constituent layers of the powder bed B formed in the powder bed formation process. That is, while moving the
粉末床形成工程におけるリコータ40の運動、つまり粉末供給部20から粉末床容器10へと向かう運動(図中、右から左へ向かう運動)を平滑化運動として、その平滑化運動の方向に対して、ブレード41よりも後方において高さ計測を行えるように、レーザー変位計50を取り付けておけば、粉末床形成工程において、平滑化運動によるスキージングを行いながら、計測工程を実施し、平滑化を受けた直後の粉末床Bに対して、リアルタイムに、レーザー変位計50による高さの計測を行うことができる。あるいは、リコータ40が粉末床形成工程におけるスキージングを終え、原点復帰のために、平滑化運動とは逆の方向に運動する回帰運動(図中、左から右へ向かう運動)を行っている間に、計測工程を実施し、レーザー変位計50による高さ計測を行ってもよい。つまり、粉末床形成工程のスキージングが完了すると、粉末床容器10の基材11の面を少し下降させ、ブレード41が金属粉末材料Pと接触しない状態とされたうえで、隔壁15と反対側の粉末床容器10の端部から、隔壁15の方向に向かって、リコータ40が回帰運動を行うが、その回帰運動の間に、レーザー変位計50による高さ計測を行えばよい。回帰運動の速度は、レーザー変位計50での高さ計測に適した速度(例えば50~100mm/s)に調整すればよい。
The movement of the
積層造形装置1が、粉末床撮影用カメラ60を備える場合には、計測工程において、レーザー変位計50による粉末床Bの表面の高さ分布の計測を行うとともに、粉末床撮影用カメラ60によって粉末床Bの表面の撮影像を取得する撮影工程を実施し、計測工程で得られた計測結果と合わせて、撮影工程で得られた撮影像に基づいて、粉末床Bの表面の高さ分布を評価してもよい。このようにすることで、レーザー変位計50と粉末床撮影用カメラ60のそれぞれから、空間スケールの異なる高さ分布について、情報を得ることができる。粉末床撮影用カメラ60での撮影は、適宜、リコータ40の運動を伴うレーザー変位計50での高さ計測を終えた後など、リコータ40の運動が撮影像に影響を与えないタイミングで行えばよい。また、撮影を行う際には、サイド照明70によって、粉末床Bの表面を照明することが好ましい。
When the layered
計測工程および撮影工程を終えると、次に造形工程を実施する。ただし、後に詳しく説明するように、計測工程および撮影工程で得られた計測結果において、積層造形において無視できない影響を与えうる不均一な高さ分布が、粉末床Bの表面に存在することが確認された場合には、次の造形工程を行わずに、本実施形態にかかる積層造形方法の実施を中断してもよい。あるいは、その不均一な高さ分布、およびその高さ分布を与えている原因を除去できるようであれば、それらを除去したうえで、造形工程を実施してもよい。 After completing the measurement process and the photographing process, the modeling process is carried out next. However, as will be described in detail later, the measurement results obtained in the measurement process and the photographing process confirmed that there was an uneven height distribution on the surface of the powder bed B, which could have a non-negligible effect on additive manufacturing. In this case, the layered manufacturing method according to the present embodiment may be suspended without performing the next modeling step. Alternatively, if the uneven height distribution and the cause of the height distribution can be removed, the shaping process may be performed after removing them.
造形工程においては、粉末床B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する。この際、製造すべき三次元造形物の形状を薄層状に分割した三次元CADデータ等よりな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。直前の粉末床形成工程で形成した粉末床Bの構成層において、レーザービームの照射を受けた部位の金属粉末材料P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、一旦溶融した金属粉末材料Pがその場所で固化(再凝固)する。これにより、1層分の構成層に対応する造形層が形成される。
In the modeling process, the surface of the powder bed B is irradiated with a laser beam from the
以上により、三次元造形物を構成する1層の造形層の形成が完了する。次に、再度、粉末供給工程および粉末床形成工程を実行する。この際、粉末床容器10の基材11の位置を下げるとともに、粉末供給部20の底板21の位置を上げる。そして、リコータ40の運動によって、粉末供給部20から粉末床容器10への金属粉末材料Pの供給と、粉末床容器10内での金属粉末材料Pの平滑化を行い、粉末床Bの新しい構成層を形成する。この時、新しい構成層は、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。粉末供給工程および粉末床形成工程に先立って、基材11を下方に移動させる距離は、それらの工程を実行する前後で、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。
By the above, the formation of one modeled layer that constitutes the three-dimensional modeled object is completed. Next, the powder feeding step and the powder bed forming step are performed again. At this time, the position of the
粉末床形成工程が完了すると、再度、計測工程および撮影工程を実行し、新たに構成層が形成された粉末床Bの表面の状態を評価する。上記のように、基材11の移動により、粉末床Bの表面の高さ位置が、前回の計測工程および撮影工程を実施した際と同じになっているので、前回の計測工程および撮影工程と同じ条件で、レーザー変位計50による計測および粉末床撮影用カメラ60による撮影を行うことができる。
When the powder bed formation process is completed, the measurement process and the photographing process are performed again to evaluate the state of the surface of the powder bed B on which the constituent layers have been newly formed. As described above, due to the movement of the
そして、再度、粉末床B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、三次元造形物の形状を薄層構造に分割した設計データのうち、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従って行われる。このように、粉末供給工程→粉末床形成工程→計測工程および撮影工程→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が製造できる。
Then, the surface of the powder bed B is again irradiated with the laser beam, and the modeling process is performed. At this time, the scanning of the laser beam is performed according to the data corresponding to the layer above the layer formed in the previous modeling process, among the design data obtained by dividing the shape of the three-dimensional model into a thin layer structure. In this way, each step of powder supply step→powder bed formation step→measurement step and photographing step→modeling step→moving the
以上、積層造形装置1を用いた積層造形方法について説明したが、同様の積層造形装置1を用いて、あるいはレーザー照射装置30を備えない粉末床評価装置を用いて、予備的に粉末床Bの状態を評価する等の目的で、積層造形を伴わない粉末床評価方法を実行することもできる。それらの場合には、上記で説明した各工程のうち、造形工程以外の工程を、順に行えばよい。つまり、粉末供給工程、粉末床形成工程、計測工程および撮影工程をこの順に実行すればよい。基材11の下方への移動を挟んで、これらの工程を順に複数回繰り返してもよい。
As described above, the layered manufacturing method using the layered
[粉末床の状態の評価]
次に、レーザー変位計50によって得られる計測結果、および粉末床撮影用カメラ60によって得られる撮影像に基づいた、粉末床Bの表面における金属粉末材料Pの分布状態の評価について、詳細に説明する。
[Evaluation of state of powder bed]
Next, evaluation of the distribution state of the metal powder material P on the surface of the powder bed B based on the measurement result obtained by the
上で説明したように、レーザー変位計50を用いることで、金属粉末材料Pの粒子1つ、あるいは数個の単位の空間スケールで、粉末床Bの表面における金属粉末材料Pの高さの分布を計測することができる。よって、金属粉末材料Pの粒子1つ、あるいは数個の単位で、分布に不均一性が存在する場合に、その不均一性を敏感に検知することができる。
As described above, by using the
例えば、図2(a)に、比較的流動性の低い金属粉末材料を用いて形成した粉末床に対して、レーザー変位計を用いて計測した、表面の高さ分布を示す。画像は、レーザー変位計による計測位置を二次元的にスキャンして、高さの分布をマッピングしたものであり、グラフは、画像中の表示した箇所における高さ分布を、位置の関数としてグラフに表示したものである。画像中に、明暗の分布が見られており、これは、金属粉末材料の分布の不均一性によって、粉末床の表面に形成された高低差に対応づけることができる。この高低差は、高さ分布のグラフにおいてさらに明確に認識することができ、横軸として表示される粉末床の表面の距離にしておおむね50~200μmの間隔で(サンプリング周期:5μm)、凹部と凸部が出現している。また、凹凸構造の高低差は、縦軸として表示される高さ位置にしておおむね50μm以下となっている。用いた金属粉末材料の平均粒径は、40μmであり、観測されている凹凸構造の周期および高低差は、おおむね粒子1個以下から粒子数個ぶんのスケールに対応する。 For example, FIG. 2(a) shows the height distribution of the surface measured using a laser displacement meter for a powder bed formed using a metal powder material with relatively low fluidity. The image is a two-dimensional scan of the measurement position by the laser displacement meter, and the height distribution is mapped. The graph shows the height distribution at the displayed location in the image as a function of position. It is displayed. A distribution of light and dark is seen in the image, which can be associated with height differences formed on the surface of the powder bed due to non-uniformity in the distribution of the metal powder material. This height difference can be more clearly recognized in the graph of the height distribution, and the distance between the surface of the powder bed displayed as the horizontal axis is approximately 50 to 200 μm (sampling period: 5 μm). A protrusion appears. Moreover, the height difference of the uneven structure is approximately 50 μm or less in terms of the height position displayed on the vertical axis. The average particle diameter of the metal powder material used was 40 μm, and the period and height difference of the uneven structure observed generally corresponds to a scale of one particle or less to several particles.
つまり、レーザー変位計50を用いることで、粒子1個から数個のスケールで形成される金属粉末材料Pの不均一分布を検出できることが確認される。このような小さなスケールにおける金属粉末材料Pの空間分布は、金属粉末材料Pの材料組成や粒子形状、粒子径、またそれらの結果として生じる粒子間相互作用の種類や大きさ等、金属粒子の材質や構造、物性と、直接関係するものである場合が多い。
That is, it is confirmed that non-uniform distribution of the metal powder material P formed on the scale of one to several particles can be detected by using the
さらに、図2(b)に、流動性の低い金属粉末材料(図2(a)で用いたのと同じもの)、および流動性の高い金属粉末材料を用いて、様々なスキージング速度(スキージング時のリコータの運動速度)にて粉末床を形成した場合について、図2(a)と同様のレーザー変位計による高さ分布測定の結果から得られた算術平均粗さ(Ra)を示す。これによると、いずれの金属粉末材料を用いた場合にも、スキージング速度を上げるほど、Raが大きくなっている。つまり、粉末床の表面に大きな高低差が形成されるようになっている。また、2種の金属粉末材料を用いた場合について、Raを比較すると、いずれのスキージング速度においても、流動性の高い金属粉末材料を用いた場合の方が、Raが小さくなっている。つまり、平滑性が高く、金属粉末材料の分布の均一性の高い粉末床が形成されていることが分かる。流動性の高い金属粉末材料を用いた場合の方が、スキージング速度の変化に対するRaの変化も小さく抑えられている。 Furthermore, in FIG. 2(b), a low-flow metal powder material (same as that used in FIG. 2(a)) and a high-flow metal powder material were used for various squeegee speeds The arithmetic average roughness (Ra) obtained from the height distribution measurement by the same laser displacement meter as in FIG. According to this, Ra increases as the squeegee speed increases, regardless of which metal powder material is used. That is, a large height difference is formed on the surface of the powder bed. In addition, when comparing Ra in the case of using two kinds of metal powder materials, Ra is smaller in the case of using the highly fluid metal powder material at any squeegeeing speed. In other words, it can be seen that a powder bed with high smoothness and highly uniform distribution of the metal powder material is formed. The change in Ra with respect to the change in squeegee speed is suppressed in the case of using a highly fluid metal powder material.
図2(b)の結果から、金属粉末材料が高い流動性を示すほど、粉末床において、粒子1個または数個のスケールで、高低差の少ない、均一性の高い充填構造を形成することが分かる。図2(c)に模式的に例示するように、金属粉末材料の流動性が低い場合には、粒子の充填密度が低くなり、粉末床の表面にも粒子が密に充填されないため、最表面に露出する粒子の分布が、大きな高低差を形成しやすいと考えらえる。一方、金属粒子の流動性が高い場合には、粒子が高い充填密度を示すことにより、粉末床の表面にも、粒子が密に充填され、高低差の少ない面を露出させやすくなると考えられる。 From the results of FIG. 2(b), the higher the fluidity of the metal powder material, the more uniform the filling structure can be formed in the powder bed, on the scale of one or several particles, with little height difference. I understand. As schematically illustrated in FIG. 2(c), when the fluidity of the metal powder material is low, the packing density of the particles is low, and the particles are not densely packed even on the surface of the powder bed. It is considered that the distribution of particles exposed to the surface tends to form a large height difference. On the other hand, when the fluidity of the metal particles is high, the particles exhibit a high packing density, so that the particles are densely packed even on the surface of the powder bed, making it easy to expose a surface with little difference in height.
上記のように、レーザー変位計50によって検出されうる粒子1個または数個のスケールでの高低差の分布は、粒子の材質や構造、物性を直接的に反映するものである場合が多く、このスケールで金属粉末材料Pの分布に大きな不均一性が生じる場合には、用いている金属粉末材料Pが、均一な材料分布を与える粉末床Bを形成するものとして適していないと言える。そのような金属粉末材料Pを用いて、積層造形を行うとすれば、得られる三次元造形物において、空間的均一性が高く、緻密な組織が得られにくい。そこで、レーザー変位計50を用いた計測で、金属粉末材料Pの分布に大きな不均一性が検出された場合には、積層造形に用いる金属粉末材料Pを、流動性の高いものに交換すること等を検討すればよい。また、製造された三次元造形物に、不均一構造が形成されている場合に、粉末床Bの表面をレーザー変位計50で検査することで、その三次元造形物の不均一構造の原因が、金属粉末材料P自体にあるのか、あるは他の要因にあるのかを、区別することができる。レーザー変位計50を用いた検査で、金属粉末材料Pの粒子1つあるいは数個のスケールで、凹凸分布が検出されれば、三次元造形物に不均一構造が形成される原因が、金属粉末材料P自体にある蓋然性が高く、上記のように、用いる金属粉末材料Pの交換等を検討すればよい。
As described above, the distribution of height differences on the scale of one or several particles that can be detected by the
このように、レーザー変位計50等、対象面の高さ分布を直接計測できる高さ計測装置を用いて、粉末床Bの表面において凹凸分布を実測することで、粉末床Bの表面における金属粉末材料Pの分布の均一性の程度を、効果的に評価することができる。そして、もし不均一な分布が形成されていれば、その不均一分布を、的確に検知することができる。高さ計測装置は、非接触式にて高さ分布を計測するものであることから、計測により、粉末床Bの表面の状態に影響を与えることもない。また、高さ計測装置は、画像撮影に基づくものではないため、金属粉末材料Pが、黒色等、濃色の色彩を有しており、撮影像では不均一分布を認識しにくい場合等であっても、色彩に関係なく、金属粉末材料Pの不均一分布を認識することができる。特に、高さ計測装置として、レーザー変位計50のように、高い空間分解能を有するもの、中でも金属粉末材料Pの平均粒径の5分の1以下の高い空間分解能を示すものを用いることで、金属粉末材料Pにおいて、粒子単位で生じる不均一分布を、敏感に検知することができる。
In this way, by actually measuring the unevenness distribution on the surface of the powder bed B using a height measuring device that can directly measure the height distribution of the target surface, such as the
レーザー変位計50等の高さ計測装置を、粉末床Bを平滑化するためのリコータ40に取り付けておくことで、リコータ40による平滑化を受けて形成された粉末床Bの表面そのものに対して、高さ分布の計測を、確実に行うことができる。また、リコータ40の運動を利用して、粉末床Bの表面の広い領域にわたって計測を行えるうえ、粉末床Bの表面の直上で計測を行うので、粉末床Bの表面の高さ分布に関して、信頼性の高い情報を得ることが可能となる。多くの場合、レーザー変位計のヘッド部分は、軽量かつ小型であり、リコータ40に取り付けても、リコータ40の運動に大きな影響を与えるものとはならない。
By attaching a height measuring device such as a
上記のように、レーザー変位計50による高さ分布の計測は、リコータ40が、一方向へと粉末床Bの表面を平滑化するための平滑化運動を行っている間に、行うことができる。すると、平滑化した粉末床Bの表面の状態を即座に評価することができる。しかし、レーザー変位計50による高さ分布の計測は、リコータ40が平滑化運動を終え、逆方向に回帰する回帰運動を行っている間に行うことが好ましい。すると、平滑化運動を、ブレード41による粉末床Bの表面の平滑化に適した運動速度で行う一方、回帰運動を、レーザー変位計50による高さ分布の計測に適した運動速度で行うことができる。金属粉末材料Pの平滑化の工程に適した運動速度と、高さ分布の計測の工程に適した運動速度は、一般には一致しない場合も多いが、それらの工程を実施する時期を、平滑化運動時と回帰運動時に分けることにより、それぞれに適した速度で、両工程とも実施することができる。回帰運動は、積層造形において、金属粉末材料Pを新たに供給して、粉末床Bの構成層を形成してから、レーザービームの照射によって積層造形を行う工程を複数繰り返す場合に、必然的に実施されるものであり、その回帰運動の間に、粉末床Bの表面の高さ分布の計測を行うことで、時間を有効に活用できる。
As described above, the measurement of the height distribution by the
以上のように、レーザー変位計50等の高さ計測手段を用いて、金属粉末材料Pのミクロスケールの不均一分布を、敏感に検知することができるが、粉末床撮影用カメラ60等の撮影装置を組み合わせることで、それよりも大きな空間スケールにおいて生じる不均一分布を、合わせて検知することができる。図3(a)に、流動性の高い金属粉末材料(上段)、および流動性の低い金属粉末材料(下段)をそれぞれ用いて形成した粉末床に対して、サイド照明で照明を行いながら、粉末床撮影用カメラで撮影した撮影像を示す(画像サイズ:100mm×120mm)。これによると、流動性の低い金属粉末材料を用いた場合の方で、粗い縞状の不均一分布が形成されていることが分かる。明るく観測されている箇所ほど、金属粉末材料が高い位置に分布していることを示している。図3(a)の撮影像に対して、解析処理を施したものが図3(b)であり、撮影像に見られた縞状の不均一構造が、一層明瞭になっている。ここで、解析処理としては、撮影像に対して、n×n画素の移動平均フィルタで平均化処理を行って処理像1を作成し、元の撮影像からこの処理像1を差し引いた後、所定値で積算処理を行って、処理像2を得るようにするとよい。図3(b)の画像も、図3(a)の撮影像に対して、そのような処理を行ったものである。なお、移動平均フィルタに用いるカーネルとしては、粉末床撮影用カメラ60の空間分解能の少なくとも50倍以上の画素を用いるのが望ましい。さらに、図3(b)の解析像中の直線部におけるグレースケール値の分布を示したものが、図3(c)である。図3(c)のグラフにおいて、グレースケール値の差が、粉末床Bの表面における高低差を示している。グレースケール値の差が、高低差に必ずしも比例するものではないが、値の大小の傾向は、相互に対応するものとなっている。
As described above, the height measurement means such as the
図3(c)によると、流動性の低い金属粉末材料を用いた場合に、流動性の高い金属粉末材料を用いた場合よりも、位置によるグレースケール値の差が大きくなっている。つまり、高低差が大きくなっており、金属粉末材料の分布の不均一性が大きくなっている。この高低差としては、流動性の低い金属粉末材料を用いた場合で、横軸として表示される粉末床の表面の距離にしておおむね数ミリメートルから数十ミリメートルの間隔で(サンプリング周期:50μm)、凹部と凸部が出現している。この高低差の分布が生じている横軸のスケールは、図2でレーザー変位計による計測で得られた高さ分布のスケール(50~200μm)よりも、かなり大きくなっている。このスケールで形成されるマクロな金属粉末材料の不均一分布としては、金属粉末材料の材質や構造、物性等、金属粉末材料の性状に直接起因して、粒子単位で生じる現象ではなく、粒子の集合体である粉体としての金属粉末材料の性質に関係するものである。例えば、図3(a)で観測されているような縞状の不均一分布には、ゴム等の弾性体よりなるブレードが、金属粉末材料と接触した際に起こす反発や、金属粉末材料における雪崩現象等が関係していると考えられる。 According to FIG. 3(c), when a metal powder material with low fluidity is used, the difference in grayscale value depending on the position is larger than when a metal powder material with high fluidity is used. In other words, the height difference is large, and the non-uniformity of the distribution of the metal powder material is large. When using a metal powder material with low fluidity, the height difference is approximately several millimeters to several tens of millimeters in terms of the distance on the surface of the powder bed indicated on the horizontal axis (sampling period: 50 μm). Concave portions and convex portions appear. The scale of the horizontal axis on which this distribution of height differences occurs is considerably larger than the scale of the height distribution (50 to 200 μm) obtained by measurement with a laser displacement meter in FIG. The macro non-uniform distribution of the metal powder material formed on this scale is not a phenomenon that occurs in individual particles but directly due to the properties of the metal powder material, such as the material, structure, and physical properties of the metal powder material. It relates to the properties of the metal powder material as a powder that is an aggregate. For example, the striped non-uniform distribution observed in FIG. It is thought that the phenomenon etc. are related.
粉末床撮影用カメラ60の撮影像から把握される、比較的大きなスケールにわたる金属粉末材料Pの不均一分布も、レーザー変位計50による計測で検出される粒子単位の小さなスケールで生じる不均一分布と同様に、積層造形を行った際に得られる三次元造形物において、不均一構造を与える要因となりうる。そこで、粉末床撮影用カメラ60によって得られた撮影像で、金属粉末材料Pの分布に大きな不均一性が検出された場合には、用いる金属粉末材料Pの交換、リコータ40のブレード41の交換、スキージング速度や形成する構成層の厚さ等、粉末床Bの形成にかかる条件の変更等を検討すればよい。この際、得られた画像データをもとに、輝度分布の振幅や周波数、平均値等により、金属粉末材料Pの分布の均一性の程度を定量化すれば、各種の要因と金属粉末材料Pの分布の均一性の程度との間の関係性を、さらに定量的に解釈できる可能性もある。なお、積層造形を行う際に、粉末床Bの表面に検出されるミリメートルオーダーあるいはそれ以上のスケールの不均一分布には、既に形成された下層の造形体の露出や、下層の造形体の影響による金属粉末材料Pの分布ムラ等、特許文献1に記載されるように、積層造形装置1に内蔵される監視用カメラを用いて検知可能なものもあるが、それら三次元造形物の形状に起因する金属粉末材料Pの不均一分布も、粉末床撮影用カメラ60の撮影像から検知することができる。それら三次元造形物の形状に起因する金属粉末材料Pの不均一分布が検出された場合には、三次元造形物の設計形状の変更、粉末床形成にかかる条件の変更等を検討すればよい。
The non-uniform distribution of the metal powder material P over a relatively large scale, which is grasped from the captured image of the powder
積層造形装置1や粉末床評価装置において、レーザー変位計50のように、ミクロスケールの凹凸分布を検出可能な高さ計測装置と、それよりも空間分解能には劣るが、広い領域を撮影し、マクロスケールの凹凸分布を検出することができる粉末床撮影用カメラ60の両方を設けておくことで、粉末床Bの表面において、多様な空間スケールにわたって金属粉末材料Pが形成する高さの不均一分布を検出し、分布の均一性の程度を評価することができる。上記のように、金属粉末材料Pの粒子としての性質によって生じる不均一分布と、粉体としての性質によって生じる不均一分布は、空間スケールが異なっており、ミクロなスケールで形成される前者の不均一分布は、レーザー変位計50によって敏感に検出することができる一方、マクロなスケールで形成される後者の不均一分布は、粉末床撮影用カメラ60によって敏感に検出することができる。
In the
粉末床撮影用カメラ60としては、粉末床Bの表面において、1mm以下の空間分解能を示すものを用いれば、ブレード41との相互作用等、金属粉末材料Pの粉体としての特性に起因する不均一分布を、敏感に検出することができる。また、粉末床撮影用カメラ60の画素数が、500万画素以上、また2000万画素以下程度であれば、それらの不均一分布を検出するのに十分な空間分解能と広い視野を、十分に両立しやすい。また、粉末床撮影用カメラ60によって撮影像を得る際に、サイド照明70を用いて、粉末床Bの表面を側方から照明することで、金属粉末材料Pが高い位置に分布している箇所が、低い位置に分布している箇所よりも、明るく照明され、撮影像において、顕著に高い輝度を与えやすくなる。そのため、撮影像において、金属粉末材料Pの分布の高低差が、高いコントラストを与えるものとなる。
As the powder
以上、本発明の実施形態について説明した。本発明は、これらの実施形態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 of the present invention have been described above. The present invention is not particularly limited to these embodiments, and various modifications are possible.
1 積層造形装置
10 粉末床容器
11 基材
15 隔壁
20 粉末供給部
21 底板
30 レーザー照射装置(エネルギー線照射源)
40 リコータ(平滑化部材)
41 ブレード
42 スキャン部
50 レーザー変位計(高さ計測装置)
60 粉末床撮影用カメラ(撮影装置)
70 (サイド)照明装置
B 粉末床
P 金属粉末材料
1
40 recoater (smoothing member)
41
60 powder bed imaging camera (imaging device)
70 (Side) Lighting device B Powder bed P Metal powder material
Claims (13)
前記粉末供給部から供給される前記金属粉末材料より構成される粉末床を基材上に保持する粉末床容器と、
前記粉末床容器に収容された前記金属粉末材料に接触した状態で、前記基材の面に沿って運動することで、前記金属粉末材料の分布を平滑化して前記粉末床を形成する平滑化部材と、
前記平滑化部材に取り付けられ、前記粉末床容器内に形成された前記粉末床の表面における高さの分布を非接触で計測する高さ計測装置と、を有する、粉末床評価装置。 a powder supply unit that supplies a metal powder material;
a powder bed container for holding, on a substrate, a powder bed composed of the metal powder material supplied from the powder supply unit;
A smoothing member configured to move along the surface of the substrate while in contact with the powder metal material contained in the powder bed container to smooth the distribution of the powder metal material to form the powder bed. When,
a height measurement device attached to the smoothing member for non-contact measurement of height distribution on the surface of the powder bed formed in the powder bed container.
前記撮影装置は、前記高さ計測装置よりも低い空間分解能で、前記高さ計測装置より広視野にわたって、前記粉末床の表面を撮影する、請求項1および請求項2に記載の粉末床評価装置。 The powder bed evaluation device further has an imaging device provided above the powder bed container,
3. The powder bed evaluation apparatus according to claim 1, wherein the photographing device photographs the surface of the powder bed with a spatial resolution lower than that of the height measuring device and over a wider field of view than the height measuring device. .
前記高さ計測装置は、前記平滑化部材が前記回帰運動を行っている間に、前記粉末床の表面における高さの分布を計測する、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の粉末床評価装置。 The smoothing member is in contact with the metal powder material in the powder bed container and performs a smoothing motion that moves in one direction along the surface of the base material to smooth the distribution of the metal powder material. After that, perform a return motion in a direction opposite to the smoothing motion without contacting the metal powder material,
7. The height measuring device according to any one of claims 1 to 6, wherein the height measuring device measures the height distribution on the surface of the powder bed while the smoothing member is performing the recursive motion. powder bed evaluation equipment.
前記粉末供給部、前記粉末床容器、前記平滑化部材、前記高さ計測装置に加えて、
前記粉末床容器内に形成された前記粉末床にエネルギー線を照射して、照射を受けた部位の前記金属粉末材料を溶融させるエネルギー線照射源をさらに備える、積層造形装置。 Built-in the powder bed evaluation device according to any one of claims 1 to 8,
In addition to the powder supply unit, the powder bed container, the smoothing member, and the height measuring device,
A layered manufacturing apparatus further comprising an energy ray irradiation source for irradiating the powder bed formed in the powder bed container with an energy ray to melt the metal powder material in the irradiated portion.
前記粉末供給部から前記粉末床容器に前記金属粉末材料を供給する粉末供給工程と、
前記平滑化部材によって、前記粉末床容器に供給された前記金属粉末材料の分布を平滑化する粉末床形成工程と、
前記高さ計測装置によって、前記粉末床の表面における高さの分布を計測する計測工程と、を実行する、粉末床評価方法。 Using the powder bed evaluation device according to any one of claims 1 to 8,
a powder supply step of supplying the metal powder material from the powder supply unit to the powder bed container;
a powder bed forming step of smoothing the distribution of the metal powder material supplied to the powder bed vessel by the smoothing member;
and a measuring step of measuring the height distribution on the surface of the powder bed with the height measuring device.
前記撮影装置によって、前記粉末床の表面を撮影する撮影工程を、前記計測工程とともに実施し、
前記計測工程において得られた計測結果と合わせて、前記撮影工程で得られた撮影像を用いて、前記粉末床の表面における高さの分布を評価する、請求項10に記載の粉末床評価方法。 Using the powder bed evaluation device according to any one of claims 4 to 6 comprising the imaging device,
Performing a photographing step of photographing the surface of the powder bed with the photographing device together with the measuring step,
11. The powder bed evaluation method according to claim 10, wherein the height distribution on the surface of the powder bed is evaluated using the photographed image obtained in the photographing step together with the measurement result obtained in the measurement step. .
前記粉末供給部から前記粉末床容器に前記金属粉末材料を供給する粉末供給工程と、
前記平滑化部材によって、前記粉末床容器に供給された前記金属粉末材料の分布を平滑化する粉末床形成工程と、
前記高さ計測装置によって、前記粉末床の表面における高さの分布を計測する計測工程と、
前記エネルギー線照射源によって前記粉末床に前記エネルギー線を照射して、照射を受けた部位の前記金属粉末材料を溶融および再凝固させる造形工程と、を複数回繰り返す、積層造形方法。 Using the layered modeling apparatus according to claim 9,
a powder supply step of supplying the metal powder material from the powder supply unit to the powder bed container;
a powder bed forming step of smoothing the distribution of the metal powder material supplied to the powder bed vessel by the smoothing member;
a measuring step of measuring the height distribution on the surface of the powder bed with the height measuring device;
and a modeling step of irradiating the powder bed with the energy ray from the energy ray irradiation source to melt and re-solidify the metal powder material in the irradiated portion a plurality of times.
前記撮影装置によって、前記粉末床の表面を撮影する撮影工程を、前記計測工程とともに実施する、請求項12に記載の積層造形方法。 Using the layered manufacturing apparatus incorporating the powder bed evaluation apparatus according to any one of claims 4 to 6, which includes the imaging device,
13. The layered manufacturing method according to claim 12, wherein a photographing step of photographing the surface of said powder bed with said photographing device is carried out together with said measuring step.
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