JP2023181933A - Additive-manufactured article quality determination device and additive-manufactured article quality determination method - Google Patents

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Abstract

To non-destructively analyze an internal defect position of an additive-manufactured article.SOLUTION: An additive-manufactured article quality determination device 1 comprises: a first assessment unit 14 which, from results of monitoring respective layers of an additive-manufactured article obtained by a shaping device equipped with a monitoring instrument, predicts generation of a defect in the respective layers; a second assessment unit 15 which predicts generation and/or disappearance of a defect in the respective layers from results of monitoring performed by the first assessment unit 14 with respect to a prescribed number of layers situated above the respective layers in the additive-manufactured article, and which reflects the prediction in generation prediction result information regarding a defect in the respective layers; and an output unit 11 which, from the generation prediction result information regarding a defect in the layers obtained by the second assessment unit 15, outputs defect position information about the additive-manufactured article.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、付加造形品品質判定装置、および、付加造形品品質判定方法に関する。 The present invention relates to an additive-shaped product quality determination device and an additive-shaped product quality determination method.

付加造形は、アフターマーケット部品や、金型や特殊な機械部品のラピッドプロトタイピングなどの製造に使用されている。しかしながら、付加造形品に対しては、品質保証が確立されていない。このことは、メーカが、高い信頼性が要求される高付加価値のアプリケーションに対して金属積層造形の採用を妨げる要因となっている。 Additive manufacturing is used in the production of aftermarket parts and rapid prototyping of molds and specialized mechanical parts. However, quality assurance has not been established for additively shaped products. This is a factor that prevents manufacturers from adopting metal additive manufacturing for high value-added applications that require high reliability.

付加造形の品質を確認する方法に関して、造形中にカメラ等のモニタリング機器を用いたデータ取得を行い、品質を推定する方法が検討されている。例えば、特許文献1では、記付加製造物の製造途中の造形面を含む領域を撮像する撮像装置と、撮像された付加製造物の複数層の造形面の画像に基づいて取得した画像情報と品質とを訓練データセットとした機械学習により品質を推定する付加製造物の品質推定装置を提供できるとされている。 Regarding methods of confirming the quality of additive modeling, methods are being considered to estimate the quality by acquiring data using monitoring equipment such as cameras during modeling. For example, Patent Document 1 discloses an imaging device that images an area including a forming surface of an additive product in the middle of manufacturing, and image information and quality information acquired based on images of a plurality of layers of the forming surface of the additive product. It is said that it is possible to provide a quality estimating device for additive products that estimates quality by machine learning using as a training data set.

特開2021-9126号公報JP 2021-9126 Publication

品質確認の観点から、付加造形品の欠陥位置の確認は重要である。例えば、冷却水の配管として用いられる付加造形品の場合、この配管の気密性は非常に重要である。よって、配管部周囲の欠陥の有無を確認することや、個別の気密性評価試験などが必要となる。 From the viewpoint of quality confirmation, it is important to confirm the location of defects in additively manufactured products. For example, in the case of an additively shaped product used as a cooling water pipe, the airtightness of this pipe is very important. Therefore, it is necessary to check for defects around the piping and to conduct individual airtightness evaluation tests.

一方で、冷却水の配管として用いられる付加造形品の場合、配管部以外の欠陥は、品質に影響を与えない場合がある。このため、付加造形品の欠陥の有無と、その欠陥の位置を確認することは、品質を確認する上で非常に重要である。付加造形品の品質を保証するため、例えば付加造形品の欠陥情報などを、この付加造形品の品質情報として添付書面とするとよい。 On the other hand, in the case of an additively shaped product used as cooling water piping, defects in areas other than the piping portion may not affect the quality. For this reason, it is very important to confirm the presence or absence of defects in additively shaped products and the location of the defects in order to confirm quality. In order to guarantee the quality of the additively molded product, for example, defect information of the additively molded product may be included in an attached document as quality information of the additively molded product.

品質確認には破壊検査やX線CT(Computed Tomography)などの非破壊検査がある。破壊検査によって欠陥の位置を確認する場合、付加造形品が破壊されるため、実際の機器に適用する付加造形品の検査は行えない。また、非破壊検査で用いられるX線CTは、X線が透過可能な薄肉部の検査にしか適用できない。 Quality confirmation includes destructive testing and non-destructive testing such as X-ray CT (Computed Tomography). When confirming the position of a defect through a destructive inspection, the additively shaped product is destroyed, so it is not possible to inspect the additively shaped product that is applied to actual equipment. Furthermore, X-ray CT used in non-destructive inspection can only be applied to inspecting thin parts through which X-rays can pass.

また、特許文献1には、製造途中の付加造形品について、撮像装置の画像から得た情報を元に欠陥を推定する装置が提供できると記載されている。この装置では、造形面の輝度と造形密度の関係から、付加造形品の密度や、欠陥位置が推定できる。しかしながら、輝度と密度の比較から得たデータを元にした分析では、造形面からどの程度の深さに欠陥が形成したか、欠陥位置を推定することは困難である。 Further, Patent Document 1 describes that it is possible to provide a device that estimates defects in an additively shaped product that is in the process of being manufactured based on information obtained from an image taken by an imaging device. With this device, it is possible to estimate the density of an additionally shaped article and the position of a defect from the relationship between the brightness of the shaped surface and the density of the shaped object. However, with analysis based on data obtained from comparing brightness and density, it is difficult to estimate the depth of the defect from the modeling surface or the location of the defect.

そこで本発明では、付加造形品の内部欠陥位置を非破壊で分析することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to non-destructively analyze the internal defect position of an additively shaped article.

前記した課題を解決するため、本発明の付加造形品品質判定装置は、モニタリング機器を備えた付加造形装置による付加造形品の各層目のモニタリング結果より各前記層目の欠陥の生成を予測する第一評価部と、前記第一評価部による前記付加造形品の各前記層目よりも上の所定数層の前記モニタリング結果から各前記層目の欠陥の生成または/および消失を予測して、各前記層目の欠陥の生成予測結果情報に反映する第二評価部と、前記第二評価部が得た各前記層目の欠陥の生成予測結果情報より、前記付加造形品の欠陥位置情報を出力する出力部と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the additive-fabricated product quality determination device of the present invention includes a method for predicting the generation of defects in each layer of an additive-fabricated product based on the monitoring results of each layer of the additive-fabricated product by an additive-fabrication device equipped with a monitoring device. one evaluation unit and the first evaluation unit predict generation and/or disappearance of defects in each layer from the monitoring results of a predetermined number of layers above each layer of the additively formed article, and A second evaluation unit that reflects the defect generation prediction result information of the layer, and outputs defect position information of the additively formed product based on the defect generation prediction result information of each of the layers obtained by the second evaluation unit. The invention is characterized by comprising an output section that performs.

本発明の付加造形品品質判定方法は、モニタリング機器を備えた付加造形装置による付加造形品の各層目のモニタリング結果より各前記層目の欠陥の生成を予測するステップ、前記付加造形品の各層目よりも上の所定数層のモニタリング結果より各前記層目の欠陥の生成または/および消失を予測するステップ、各前記層目の欠陥の生成予測結果情報に反映するステップ、各前記層目で得られた欠陥の生成予測結果情報より前記付加造形品の欠陥位置情報を出力するステップ、を実行することを特徴とする。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。
The additive-printed product quality determination method of the present invention includes a step of predicting the generation of defects in each layer from the monitoring results of each layer of the additive-printed product by an additive-printing device equipped with a monitoring device; A step of predicting the generation and/or disappearance of defects in each layer from the monitoring results of a predetermined number of layers above the layer, a step of reflecting the defect generation prediction result information in each layer, and a step of reflecting the defect generation prediction result information in each layer. The method is characterized in that the step of outputting defect position information of the additively formed article is performed based on the generated defect generation prediction result information.
Other means will be explained in the detailed description.

本発明によれば、付加造形品の内部欠陥位置を非破壊で分析することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to non-destructively analyze the internal defect position of an additively shaped article.

付加造形装置の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of an additive modeling device. N+1層とN層の両方に跨る溶融池を示す断面の模式図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a molten pool spanning both the N+1 layer and the N layer. 付加造形品品質判定装置の論理ブロック図である。FIG. 2 is a logical block diagram of an additionally shaped product quality determination device. 付加造形品品質判定装置の物理ブロック図である。FIG. 2 is a physical block diagram of an additive-molded product quality determination device. 品質判定処理のフローチャートである。It is a flowchart of quality judgment processing. 変形例に係る品質判定処理のフローチャートである。It is a flow chart of quality judgment processing concerning a modification. 付加造形品の重ね合わせ層数の決定処理のフローチャートである。It is a flowchart of the determination process of the number of superimposed layers of an additively shaped article. N層目のX線CT像を示す図である。It is a figure which shows the X-ray CT image of the Nth layer. N層目の光トモグラフィのマッピング像を示す図である。It is a figure which shows the mapping image of the optical tomography of the Nth layer. N+1層目の光トモグラフィのマッピング像を示す図である。It is a figure which shows the mapping image of the optical tomography of the (N+1)th layer. N+2層目の光トモグラフィのマッピング像を示す図である。It is a figure which shows the mapping image of the optical tomography of the N+2nd layer. N+3層目の光トモグラフィのマッピング像を示す図である。It is a figure which shows the mapping image of the optical tomography of the N+3rd layer. 光トモグラフィのマッピング像を示す図である。It is a figure which shows the mapping image of optical tomography. 光トモグラフィの重ね合わせの輝度と欠陥率とを示すグラフである。It is a graph showing the brightness and defect rate of optical tomography superposition.

以降、本発明を実施するための形態を、各図を参照して詳細に説明する。本発明は、ここで取り挙げた実施形態に限定されるものではなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で公知技術と適宜組み合わせたり公知技術に基づいて改良したりすることが可能である。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the respective figures. The present invention is not limited to the embodiments mentioned here, and can be appropriately combined with known techniques or improved based on known techniques without departing from the technical idea of the invention. .

図1は、付加造形装置4の模式図である。
図1に示すように、付加造形装置4は、大別すると、付加造形処理を行う付加造形部41と、検査装置と、これらを制御する制御装置430と、通信部431とを備える。検査装置は、付加造形部41で形成される粉末層および固化層を評価する。制御装置430は、付加造形部41および検査装置を統括制御する。通信部431は、検査装置による検査データを、図3に示す付加造形品品質判定装置1に送信する。
FIG. 1 is a schematic diagram of the additive modeling device 4.
As shown in FIG. 1, the additive modeling device 4 is roughly divided into an additive modeling unit 41 that performs additive modeling processing, an inspection device, a control device 430 that controls these, and a communication unit 431. The inspection device evaluates the powder layer and solidified layer formed by the additional modeling section 41. The control device 430 centrally controls the additional modeling section 41 and the inspection device. The communication unit 431 transmits the inspection data by the inspection device to the additional molded product quality determination device 1 shown in FIG. 3 .

本発明における付加造形装置4は、粉末床溶融結合(Powder Bed Fusion)方式の金属三次元付加造形装置である。付加造形装置4は、付加造形体の原料となる金属粉末(原料粉末)が敷詰められた粉末層にエネルギーを照射して二次元平面の固化層を形成し、繰り返し積層することで付加造形品を製造するものである。 The additive manufacturing apparatus 4 in the present invention is a three-dimensional metal additive manufacturing apparatus using a powder bed fusion method. The additive manufacturing device 4 irradiates energy to a powder layer covered with metal powder (raw material powder) that is the raw material for an additively molded object to form a two-dimensional solidified layer, and repeatedly stacks the layers to create an additively molded product. It manufactures.

図1では、原料粉末414で構成される粉末層を固化する熱源供給装置としてレーザー光照射装置を備えており、レーザー発振器42、プロセスファイバ43、ガルバノヘッド44およびレーザー同軸照明45を有する。熱源供給装置としては、粉末を溶融および凝固できるものなら特に限定は無く、レーザー光照射装置の他、電子ビーム照射装置であってもよい。 In FIG. 1, a laser beam irradiation device is provided as a heat source supply device for solidifying a powder layer composed of raw material powder 414, and includes a laser oscillator 42, a process fiber 43, a galvano head 44, and a laser coaxial illumination 45. The heat source supply device is not particularly limited as long as it can melt and solidify the powder, and may be an electron beam irradiation device as well as a laser beam irradiation device.

付加造形体417が製造される処理室411は、ガス供給管412aおよびガス排気管412bを有しており、処理室411の雰囲気を制御可能な構成を有している。雰囲気制御は、例えば、熱源してレーザー光を用いる場合には不活性ガス雰囲気または真空雰囲気とし、熱源として電子ビームを用いる場合には真空雰囲気とする。 The processing chamber 411 in which the additional shaped object 417 is manufactured has a gas supply pipe 412a and a gas exhaust pipe 412b, and has a configuration in which the atmosphere of the processing chamber 411 can be controlled. Atmosphere control is, for example, an inert gas atmosphere or a vacuum atmosphere when a laser beam is used as a heat source, and a vacuum atmosphere when an electron beam is used as a heat source.

処理室411の内部は、原料粉末保管領域420と、粉末層を溶融および凝固して固化層を形成する付加造形領域421と、余った原料粉末が回収される原料粉末回収領域422に分けられる。原料粉末保管領域420は、付加造形体の原料粉末414を保管する領域である。付加造形領域421は、原料粉末414を積層した粉末層の形成と、熱源供給装置によって粉末層を溶融および凝固して固化層を形成する領域である。原料粉末回収領域422は、付加造形領域421で粉末層を形成する際に余った原料粉末が回収される領域である。 The inside of the processing chamber 411 is divided into a raw material powder storage area 420, an additional modeling area 421 where a powder layer is melted and solidified to form a solidified layer, and a raw material powder recovery area 422 where surplus raw material powder is collected. The raw material powder storage area 420 is an area for storing the raw material powder 414 of the additively shaped object. The additive modeling region 421 is a region in which a powder layer is formed by laminating the raw material powder 414, and a solidified layer is formed by melting and solidifying the powder layer using a heat source supply device. The raw material powder collection area 422 is an area where surplus raw material powder is collected when forming a powder layer in the additional modeling area 421.

粉末供給機413は、図1の白色矢印の方向に移動して原料粉末保管領域420から付加造形領域421に粉末を供給する。粉末供給機413としては、例えばリコータ、コータ、スキージおよびブレードを用いることができる。原料粉末保管領域420および付加造形領域421において、粉末が載置される試料台415a,415bは、図1の上下方向に上下可能な構成を有している。付加造形が行われる試料台415bは、図示していないが、粉末層または固化層を加熱可能な加熱器(ヒーター)を備えていてもよい。加熱器としては、25℃~650℃程度まで加熱可能なものが好ましい。粉末層または固化層の加熱は、原料粉末中の水分除去あるいはビーム入熱量低減による造形スピードの向上や、温度分布を均一化して歪みを低減する効果が得られる。 The powder supply machine 413 moves in the direction of the white arrow in FIG. 1 and supplies powder from the raw material powder storage area 420 to the additional modeling area 421. As the powder feeder 413, for example, a recoater, a coater, a squeegee, and a blade can be used. In the raw material powder storage area 420 and the additional modeling area 421, the sample stands 415a and 415b on which powder is placed have a configuration that allows them to be moved up and down in the vertical direction in FIG. Although not shown, the sample stage 415b on which additive modeling is performed may include a heater capable of heating the powder layer or the solidified layer. The heater is preferably one that can heat up to about 25°C to 650°C. Heating the powder layer or the solidified layer has the effect of improving the modeling speed by removing water in the raw material powder or reducing the amount of heat input by the beam, and reducing distortion by making the temperature distribution uniform.

検査装置として、本実施例では可視光画像撮影機46、赤外線画像撮影機47a、プラズマ発光撮影機47b、および溶融池観察機48を備えている。可視光画像撮影機46、および、プラズマ発光撮影機47bは、粉末層および固化層の可視光領域の画像を観察する。赤外線画像撮影機47aは、粉末層および固化層の赤外線放射画像を撮影し、得られた熱画像を観察する。後述の通り、積層造形において過大な入熱や入熱不足は内部欠陥の一因となる。固化層の内部に欠陥を生じた場合は、熱伝導率が低くなると伴に熱拡散率も低下する。そのため、内部欠陥の一因を分析することで、入熱の変化に起因した内部欠陥を推定することが出来る。溶融池観察機48は、粉末層に熱源が照射されて溶融された際の状態を観察する。 In this embodiment, the inspection device includes a visible light imager 46, an infrared imager 47a, a plasma emission imager 47b, and a molten pool observation device 48. The visible light image capturing device 46 and the plasma emission capturing device 47b observe images of the powder layer and the solidified layer in the visible light region. The infrared image camera 47a takes infrared radiation images of the powder layer and the solidified layer, and observes the obtained thermal images. As described below, excessive heat input or insufficient heat input in additive manufacturing contributes to internal defects. When defects occur inside the solidified layer, the thermal conductivity decreases and the thermal diffusivity also decreases. Therefore, by analyzing the causes of internal defects, it is possible to estimate internal defects caused by changes in heat input. The molten pool observation device 48 observes the state when the powder layer is irradiated with a heat source and melted.

なお、本実施形態は、造形中の熱画像を用いた解析方法に係るものであり、積層方向のデータ(N層目に対してN+1層目など)を活用する方法である。以下、その解析方法について詳細に説明する。 Note that this embodiment relates to an analysis method using a thermal image during modeling, and is a method that utilizes data in the stacking direction (for example, the N+1st layer relative to the Nth layer). The analysis method will be explained in detail below.

制御装置430は、付加造形装置4および検査装置に有線または無線で接続され、これらの動作の制御を行う。粉末供給機413と試料台415a,415bの駆動およびレーザー発振器42とガルバノヘッド44の動作も制御装置430によって制御・監視される。 The control device 430 is connected to the additive modeling device 4 and the inspection device by wire or wirelessly, and controls their operations. The drive of the powder feeder 413 and sample stands 415a and 415b, and the operation of the laser oscillator 42 and galvano head 44 are also controlled and monitored by the control device 430.

また、制御装置430は、検査装置の評価結果に基づいて、粉末層および固化層の良否の判定も行う。制御装置430は、可視光画像撮影機46、および、プラズマ発光撮影機47bから得られた画像の処理と欠陥の有無の判定を行う可視光画像処理部と、赤外線画像撮影機47aから得られた画像の処理と欠陥の有無の判定を行う赤外線画像処理部とを有する。 The control device 430 also determines whether the powder layer and the solidified layer are good or bad based on the evaluation results of the inspection device. The control device 430 includes a visible light image processing section that processes images obtained from the visible light image capturing device 46 and the plasma emission capturing device 47b and determines the presence or absence of defects, and an image obtained from the infrared image capturing device 47a. It has an infrared image processing unit that processes images and determines the presence or absence of defects.

《付加造形品の品質に係る不均質部》
付加造形品の品質には、付加造形品の特性の他に、造形中に生じる欠陥や特異的な金属組織などの不均質部の有無がある。ここでは不均質部をポア、亀裂(クラック)、組織的な不均質性、および幾何学的異常に分類して述べる。
《Heterogeneity related to the quality of additively shaped products》
In addition to the characteristics of the additively shaped article, the quality of the additively shaped article includes the presence or absence of defects that occur during modeling and the presence of inhomogeneities such as specific metal structures. Here, the heterogeneity is classified into pores, cracks, structural heterogeneity, and geometric abnormalities.

ポアは、付加造形中に付加造形品内に残留したガスに起因する。金属粉末を製造に用いられるガスアトマイズ法では、金属粉末の製造にガスを用いるため、金属粉末内に残留したガス成分が付加造形品中でポアになると推測される。また、付加造形における過大な入熱は溶融池の表面張力の変化に起因したマランゴニ対流や、元素の蒸発、キーホール形成といった金属の溶融現象に関連してポアを形成する。 Pores result from gases left within the additively printed article during additive manufacturing. In the gas atomization method used to manufacture metal powder, gas is used to manufacture the metal powder, so it is assumed that gas components remaining in the metal powder become pores in the additively formed article. In addition, excessive heat input during additive manufacturing causes pores to be formed in connection with metal melting phenomena such as Marangoni convection caused by changes in the surface tension of the molten pool, evaporation of elements, and keyhole formation.

溶融池のエネルギーが不十分な場合、粉末粒子を溶融できなくなると未溶融部(LOF:Lack of Fusion)による空隙が生じる。未溶融部の空隙は、不規則な形状であることが多く、未溶融の粉末を含むことがある。 If the energy of the molten pool is insufficient and the powder particles cannot be melted, voids are created due to unfused areas (LOF: Lack of Fusion). The voids in the unfused portion often have an irregular shape and may contain unfused powder.

亀裂も付加造形品に生じる欠陥の1つであり、前述したポアや未溶融部の空隙が亀裂状となって残るものである。また基板と付加造形品の線膨張係数に違いがある場合、または凝固の進行中に溶融池に大きな熱勾配がある場合に、亀裂が生じる可能性がある。 Cracks are also one of the defects that occur in additively shaped products, and the voids of the pores and unfused portions described above remain in the form of cracks. Cracks can also occur if there is a difference in the coefficient of linear expansion of the substrate and the additively formed part, or if there is a large thermal gradient in the molten pool during solidification.

続いて、組織的な不均質性(異方性介在物)について述べる。一般的に、造形において入熱量を変化させると、付加造形品の金属組織が変化する。溶融池の温度勾配の変化に伴って凝固速度が変化し、付加造形品の組織異方性などの微細構造に影響を与える。また酸素による酸化物の形成など、造形中の雰囲気や金属粉末中の不純物も微細組織に影響を及ぼす。金属組織の変化は、付加造形品の機械的特性の変化に直結する。 Next, we will discuss structural heterogeneity (anisotropic inclusions). Generally, when the amount of heat input is changed during modeling, the metal structure of the additively shaped article changes. As the temperature gradient of the molten pool changes, the solidification rate changes, which affects the microstructure such as the anisotropy of the additively formed product. Additionally, the atmosphere during modeling and impurities in the metal powder, such as the formation of oxides due to oxygen, also affect the microstructure. Changes in the metallographic structure are directly linked to changes in the mechanical properties of the additively shaped article.

最後に幾何学的な異常について述べる。幾何学的な異常は寸法変化と表面粗さに関するものである。溶融値の安定性に関するものであり、溶融池のサイズや形状変化は、付加造形品の寸法や表面粗さに大きな影響を与える。こうした幾何学的異常を最小限に抑えるには、安定した溶融池のサイズと形状が必要とされる。 Finally, we will discuss geometric anomalies. Geometric anomalies are related to dimensional changes and surface roughness. This relates to the stability of the melt value, and changes in the size and shape of the weld pool have a large effect on the dimensions and surface roughness of additively shaped products. A stable weld pool size and shape is required to minimize these geometric anomalies.

ここまで述べたポア(LOFを含む)、亀裂(クラック)、組織的な不均質性、および幾何学的異常はいずれも付加造形中の溶融現象に起因して形成すると考えられる。そのため、付加造形中に溶融現象に関連する情報をモニタリングすることで、付加造形品の品質を判定することが可能となる。 The pores (including LOF), cracks, structural heterogeneity, and geometric abnormalities described above are all thought to be formed due to melting phenomena during additive manufacturing. Therefore, by monitoring information related to the melting phenomenon during additive manufacturing, it is possible to determine the quality of the additively manufactured product.

《モニタリングデータ》
付加製造には様々な方式がある。粉末床溶融結合(Powder Bed Fusion)方式は、平らに敷き詰めた金属粉末に対して、レーザービーム(L-PBF:Laser Powder Bed Fusion)や電子ビーム(EBM:Electron Beam Melting)等を照射して付加製造する方式である。
指向性エネルギー堆積(Directed Energy Deposition)方式は、金属粉末を吐出しながら付加製造を行う方式であり、LMD(Laser Metal Deposition)、やDMP(Direct Metal Printing)等がある。ここでは代表として、レーザービーム照射による粉末床溶融結合における溶融池のモニタリングについて述べる。
《Monitoring data》
There are various methods of additive manufacturing. The powder bed fusion method involves irradiating a flat sheet of metal powder with a laser beam (L-PBF: Laser Powder Bed Fusion) or an electron beam (EBM: Electron Beam Melting). This is a manufacturing method.
The directed energy deposition method is a method of performing additive manufacturing while discharging metal powder, and includes LMD (Laser Metal Deposition) and DMP (Direct Metal Printing). As a representative example, we will discuss monitoring of the molten pool in powder bed fusion bonding using laser beam irradiation.

付加造形における溶融は、レーザーの照射によって生じる。溶融池はレーザーの出力やスキャン速度などの造形における造形パラメータ、および金属粉末の溶解に必要なエンタルピー、レーザーの反射率といった材料特性に影響される。溶融池の変化の1つとして、溶融池の温度変化がある。溶融池の温度変化に関連した情報をモニタリングすることで、溶融池の状況を推測することができる。レーザービーム照射による粉末床溶融結合では、反射、散乱されるレーザー、温度に応じた赤外線などの電磁波、イオン化されたガスと金属蒸気で構成されるプラズマプルームが溶融池から放出される。溶融池から放出される電磁波やプラズマプルームは、溶融池の状態や温度により変化することから、溶融現象に関連する各種の欠陥の形成を捉え、品質を判定するために重要な指標となる。 Melting in additive modeling is caused by laser irradiation. The molten pool is affected by modeling parameters such as laser output and scanning speed, as well as material properties such as the enthalpy required to melt the metal powder and laser reflectance. One of the changes in the molten pool is a change in the temperature of the molten pool. By monitoring information related to temperature changes in the molten pool, the status of the molten pool can be estimated. In powder bed fusion bonding using laser beam irradiation, a plasma plume consisting of reflected and scattered laser, infrared and other electromagnetic waves depending on temperature, and ionized gas and metal vapor is emitted from the molten pool. The electromagnetic waves and plasma plume emitted from the molten pool change depending on the state and temperature of the molten pool, so they are important indicators for detecting the formation of various defects related to the melting phenomenon and determining quality.

付加造形における一般的なモニタリング機器として可視光モニタリング、電磁波モニタリング、音響モニタリングが挙げられる。ここでは、電磁波モニタリングについて詳細に説明する。 Common monitoring devices in additive manufacturing include visible light monitoring, electromagnetic wave monitoring, and acoustic monitoring. Here, electromagnetic wave monitoring will be explained in detail.

電磁波モニタリングは、主として温度により強度が変化する赤外線(波長700nm~)を観測するものであり、光トモグラフィ(OT:Optical Tomography)、フォトダイオード、2色温度計、サーモグラフィ、分光器、高速度カメラなどがある。溶融池の詳細な観察(メルトプールモニタリング)に用いられるフォトダイオードや2色温度計は、空間分解能を有さないが、レーザーと同軸となるよう設置して測定し、設定したレーザー照射パターンと比較することで空間的な位置関係を決定できる。溶融池からの熱放射の他にレーザー光の反射散乱も考慮する必要があるが、一般的にはスペクトルフィルターで所望の波長のみ観察する。 Electromagnetic wave monitoring mainly observes infrared rays (wavelength from 700 nm) whose intensity changes depending on temperature, and uses optical tomography (OT), photodiodes, two-color thermometers, thermography, spectrometers, and high-speed cameras. and so on. Photodiodes and two-color thermometers used for detailed observation of the molten pool (melt pool monitoring) do not have spatial resolution, but they are installed coaxially with the laser and measured, and compared with the set laser irradiation pattern. By doing so, the spatial relationship can be determined. In addition to thermal radiation from the molten pool, it is also necessary to consider the reflection and scattering of laser light, but generally only the desired wavelength is observed using a spectral filter.

CCD(Charge Coupling Device)カメラやCMOS(Complementary MOS)カメラを用いる光トモグラフィやサーモグラフィは空間分解能を有する特徴がある。これらCCDカメラやCMODカメラは、レーザーと同軸に設置して電磁波をモニタリングできる。
また、CCDカメラやCMODカメラは、造形チャンバの上部等から造形領域全体をモニタリングすることが可能である。これらは、非同軸の電磁波モニタリング手段である。また CCDカメラやCMODカメラは、前述のフォトダイオード等と同様に、スペクトルフィルターによって、観察する波長範囲を選択している。
Optical tomography and thermography using CCD (Charge Coupling Device) cameras and CMOS (Complementary MOS) cameras are characterized by their spatial resolution. These CCD cameras and CMOD cameras can be installed coaxially with the laser to monitor electromagnetic waves.
Furthermore, a CCD camera or a CMOD camera can monitor the entire printing area from the top of the printing chamber. These are non-coaxial electromagnetic wave monitoring means. Also, like the photodiodes mentioned above, CCD cameras and CMOD cameras use spectral filters to select the wavelength range to observe.

このように付加造形中の同軸または非同軸での電磁波モニタリングによって、溶融に関連した情報を観測することが可能である。溶融池の変化(温度、対流、大きさ、溶融深さなど)は欠陥の形成に関連することから、付加造形品に形成した欠陥と、電磁波モニタリングの関係を整理することで欠陥位置を類推可能となる。 In this way, information related to melting can be observed by coaxial or non-coaxial electromagnetic wave monitoring during additive modeling. Changes in the molten pool (temperature, convection, size, fusion depth, etc.) are related to defect formation, so it is possible to infer the defect location by arranging the relationship between defects formed in additively manufactured products and electromagnetic wave monitoring. becomes.

《付加造形品の欠陥検査》
前述の通り、付加造形における溶解は造形パラメータ、造形する金属粉末の物性に影響される。造形パラメータと造形する金属粉末は、対象とする付加造形品によって変化するものである。そのため例えば電磁波モニタリングにおいて、モニタリング手段は、輝度情報を取得し、輝度の閾値を決定して欠陥の有無を推定するなどの、画一的な手法によって品質推定することはできない。そこで本発明で用いられる品質決定手法は、品質項目(不均質部、材料特性、残留応力など)とモニタリングデータの相関を知るために事前に対象となる材料で欠陥の形成を確認する必要がある。そこで、ここでは欠陥の検査手法(破壊、および非破壊)について述べる。
《Defect inspection of additively shaped products》
As mentioned above, dissolution in additive manufacturing is influenced by the modeling parameters and the physical properties of the metal powder to be modeled. The modeling parameters and the metal powder to be modeled vary depending on the target additively modeled product. Therefore, in electromagnetic wave monitoring, for example, the monitoring means cannot estimate quality using a uniform method, such as acquiring brightness information, determining a brightness threshold, and estimating the presence or absence of a defect. Therefore, the quality determination method used in the present invention requires confirming the formation of defects in the target material in advance in order to know the correlation between quality items (heterogeneity, material properties, residual stress, etc.) and monitoring data. . Therefore, defect inspection methods (destructive and non-destructive) will be described here.

破壊的な方法は付加造形品の切断や研削などが必要なものであり、材料特性の取得のために試験片加工が必要なものも含まれる。前述の不均質部(ポア、クラック、組織的な不均質性、および幾何学的異常)の確認には付加造形品の各位置における組織観察によっても確認できる。例えば、所望の位置において切断断面を研磨し、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡、EPMA(電子線プローブマイクロアナラザ)、EBSD(電子後方散乱回折法)などで観察することにより、ポア、亀裂(クラック)、組織的な不均質性や付加造形品内部の幾何学的異常(変形)は、確認可能である。また粗さ計やレーザー顕微鏡などによっても、幾何学的異常(粗さ)は評価可能である。 Destructive methods include those that require cutting or grinding of additively shaped articles, and also include those that require specimen processing to obtain material properties. The above-mentioned heterogeneous parts (pores, cracks, structural heterogeneity, and geometric abnormalities) can also be confirmed by observing the structure at each position of the additively shaped article. For example, by polishing the cut cross section at a desired position and observing it with an optical microscope, scanning electron microscope, EPMA (electron beam probe microanalyzer), EBSD (electron backscatter diffraction method), etc., pores, cracks, etc. ), structural inhomogeneities and geometric abnormalities (deformations) inside the additively manufactured article can be confirmed. Geometric abnormalities (roughness) can also be evaluated using a roughness meter, laser microscope, etc.

また材料特性として、機械的特性(引張試験、疲労試験、硬さ試験、衝撃試験など)や耐食性評価試験(各種の腐食液への浸漬試験、公職電位測定などの電気化学的手法)などが挙げられる。
続いて非破壊検査として、X線CT、表面粗さ測定、密度測定などが挙げられる。
In addition, material properties include mechanical properties (tensile tests, fatigue tests, hardness tests, impact tests, etc.) and corrosion resistance evaluation tests (immersion tests in various corrosive liquids, electrochemical methods such as official potential measurements), etc. It will be done.
Next, examples of nondestructive testing include X-ray CT, surface roughness measurement, and density measurement.

《不均質部とモニタリングデータの対応》
レーザービーム照射による粉末床溶融結合では、一定の厚みの造形層を積層させていくことで付加造形を行う。造形層の厚みTは、材料や造形パラメータによって調整される。ここで、N層目(Nは自然数)およびN層目の上層にあたるN+1層目以上の造形を考える。まず、N層目の欠陥は、N層目の造形における溶融時に形成する。従って、N層目のモニタリングデータからN層目の欠陥位置を予測する必要がある。一般的にレーザーによる溶融は、造形層の厚みT以上とする。
《Correspondence between heterogeneous areas and monitoring data》
Powder bed fusion bonding using laser beam irradiation performs additive modeling by stacking modeling layers of a certain thickness. The thickness T of the modeling layer is adjusted depending on the material and modeling parameters. Here, consider the modeling of the Nth layer (N is a natural number) and the N+1th layer or higher, which is the upper layer of the Nth layer. First, the Nth layer defect is formed during melting in the Nth layer modeling. Therefore, it is necessary to predict the defect position of the Nth layer from the monitoring data of the Nth layer. Generally, laser melting is performed to a thickness T or more of the modeling layer.

図2は、N+1層目23とN層目22の両方に跨る溶融池21を示す模式図である。
N+1層目23の造形では、N層目22まで溶融させることで、N層目22とN+1層目23とが緻密に結合される。このため、N層目22の品質は、上層のN+1層目23以上における溶融の影響を受ける。N層目22では、N+1層目23の溶融による不均質部の消失、および形成が生じることから、これをN+1層目23のモニタリングデータから判定する必要がある。同様に、これより上の層であるN+2層目以上においても、所定数層に亘ってN層目22の欠陥形成への影響を検討する必要がある。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the molten pool 21 spanning both the N+1 layer 23 and the N layer 22.
In the modeling of the N+1 layer 23, by melting up to the N layer 22, the N layer 22 and the N+1 layer 23 are tightly bonded. Therefore, the quality of the Nth layer 22 is affected by melting in the upper N+1th layer 23 and above. In the Nth layer 22, the disappearance and formation of a heterogeneous portion due to the melting of the N+1st layer 23 occurs, so this needs to be determined from the monitoring data of the N+1th layer 23. Similarly, it is necessary to consider the influence on defect formation in the Nth layer 22 over a predetermined number of layers in the layers above this, the N+2th layer and above.

ここで、溶融池の深さは有限であることから、N層目の欠陥を考える場合、上層すべての溶融を考慮する必要はない。溶融の深さは、溶融時の温度に影響を受ける。モニタリングデータにおいて、高温と予測される部分、すなわち赤外線の輝度が高い場合には、深い溶融が生じている。低温と予測される部分、すなわち赤外線の輝度が低い場合には、溶融の深さが比較的浅いと判断される。このように、赤外線の輝度に応じて異なる溶け込み深さであることを考慮することで、N層目の欠陥形成におよぼす上層の影響を見積もることができる。 Here, since the depth of the molten pool is finite, when considering the Nth layer defect, it is not necessary to consider the melting of all the upper layers. The depth of melting is affected by the temperature at the time of melting. In the monitoring data, deep melting has occurred in areas where high temperatures are expected, that is, where infrared rays are high in brightness. In areas where the temperature is expected to be low, that is, where the brightness of infrared rays is low, it is determined that the depth of melting is relatively shallow. In this way, by considering that the penetration depth varies depending on the brightness of infrared rays, it is possible to estimate the influence of the upper layer on the formation of defects in the Nth layer.

欠陥予測には、初めに標準的な試験片において、実際の付加造形品の造形と同様の条件にて付加造形を実施し、モニタリングデータと品質測定結果を揃える必要がある。前述の通り、付加造形は、溶融深さを考慮して実施される。例えば、X線CTにより内部欠陥であるポアの位置を確認し、ポアとモニタリングデータの関係を整理する場合を考える。前述の通り、ポアが生じる要因として過大な入熱、すなわち溶融池が高温になることが挙げられる。 To predict defects, it is first necessary to perform additive manufacturing on a standard test piece under conditions similar to those used for actual additively manufactured products, and to collect monitoring data and quality measurement results. As mentioned above, additive modeling is performed with consideration to the melting depth. For example, consider a case where the position of a pore, which is an internal defect, is confirmed using X-ray CT and the relationship between the pore and monitoring data is sorted out. As mentioned above, the cause of pores is excessive heat input, that is, the molten pool becomes high temperature.

溶融池が高温になる場合、赤外線の輝度が高くなることから、電磁波モニタリングの結果とX線CTで取得した結果の対応を検討することで、輝度に応じたポアの有無、あるいはポア形成の確率を算出できる。この時、N層目のポア形成にはN+1層目以上の欠陥形成が影響を与えることから、N+1層目以上におけるモニタリングデータからN層目のポア形成、消失を考慮した解析を実施する。X線CTによるポアの形成位置とモニタリングデータの比較検討によって、N層目におけるポア形成に与えるN層目とその上層のモニタリングデータの関係は、取得可能である。 When the temperature of the molten pool becomes high, the brightness of infrared rays increases, so by examining the correspondence between the results of electromagnetic wave monitoring and the results obtained by X-ray CT, we can determine the presence or absence of pores or the probability of pore formation depending on the brightness. can be calculated. At this time, since the formation of pores in the Nth layer is affected by the formation of defects in the N+1st layer and above, an analysis is performed that takes into account the formation and disappearance of pores in the Nth layer from the monitoring data in the N+1th layer and above. By comparing and examining the pore formation position and monitoring data by X-ray CT, it is possible to obtain the relationship between the monitoring data of the Nth layer and its upper layer, which affects the pore formation in the Nth layer.

ここではX線CTによって取得したポアの位置と赤外線のモニタリングデータの関係を例示したが、その他の不均質部、モニタリング手法の場合であっても同様の方法でデータの関係を取得できる。 Although the relationship between the pore position and infrared monitoring data obtained by X-ray CT is illustrated here, the data relationship can be obtained in a similar manner even in the case of other heterogeneous parts and monitoring methods.

図3は、付加造形品品質判定装置1の機能的構成を示すブロック図である。
付加造形品品質判定装置1は、付加造形品の造形時の光トモグラフィデータから、この付加造形品の品質を判定する。付加造形品品質判定装置1は、機能的構成として、出力部11と、判定部12と、相関決定部13と、第一評価部14と、第二評価部15と、データ取得部16と、欠陥位置算出部17とを有する。付加造形品品質判定装置1は、後記するプロセッサを備えたコンピュータであり、不図示の付加造形品品質判定プログラムを実行することで、各機能部を具現化して、付加造形品品質判定方法を実行する。
FIG. 3 is a block diagram showing the functional configuration of the additionally shaped product quality determination device 1. As shown in FIG.
The additive-molded product quality determination device 1 determines the quality of the additive-molded product from optical tomography data obtained during the modeling of the additive-molded product. The additive-shaped product quality determination device 1 includes, as functional configurations, an output section 11, a determination section 12, a correlation determination section 13, a first evaluation section 14, a second evaluation section 15, a data acquisition section 16, It has a defect position calculation section 17. The additive-fabricated product quality determination device 1 is a computer equipped with a processor to be described later, and by executing an additive-fabricated product quality determination program (not shown), embodies each functional unit and executes an additive-fabricated product quality determination method. do.

第一評価部14は、モニタリング機器を備えた付加造形装置4による付加造形品の各層目のモニタリング結果より各層目の欠陥の生成を予測する。ここで各層目の欠陥の生成予測とは、第一の評価結果である。モニタリング結果は、光トモグラフィ、CCDカメラ、CMOSカメラ、2色温度計、サーモグラフィ、高速度カメラ、フォトダイオードのうち少なくとも1つから提供される。第一評価部14は、付加造形品の各層目の光トモグラフィの輝度マッピング像を前記モニタリング結果とするが、これに限られず、光トモグラフィ中の所定形状を前記モニタリング結果としてもよい。 The first evaluation unit 14 predicts the generation of defects in each layer based on the monitoring results of each layer of the additively manufactured article by the additively molded device 4 equipped with a monitoring device. Here, the prediction of generation of defects in each layer is the first evaluation result. Monitoring results are provided from at least one of an optical tomography, a CCD camera, a CMOS camera, a two color thermometer, a thermography, a high speed camera, and a photodiode. The first evaluation unit 14 uses the brightness mapping image of the optical tomography of each layer of the additively shaped article as the monitoring result, but is not limited thereto, and may use a predetermined shape in the optical tomography as the monitoring result.

第二評価部15は、第一評価部14による付加造形品の各層目よりも上の所定数層のモニタリング結果から各層目の欠陥の生成または/および消失を予測して、各層目の欠陥の生成予測結果情報に反映する。ここで各層目の欠陥の生成予測結果情報とは、第二の評価結果である。 The second evaluation unit 15 predicts the generation and/or disappearance of defects in each layer from the monitoring results of a predetermined number of layers above each layer of the additively shaped article by the first evaluation unit 14, and Reflected in generation prediction result information. Here, the defect generation prediction result information for each layer is the second evaluation result.

出力部11は、第二評価部15が得た各層目の欠陥の生成予測結果情報より、前記付加造形品の欠陥位置情報を出力する。判定部12は、出力部11が出力した付加造形品の欠陥情報より、この付加造形品の品質を判定する。判定部12が判定する品質データは、内部欠陥の位置、内部欠陥の寸法、密度、欠陥率、亀裂、組織的な不均質性、および幾何学的異常のうち少なくとも1つを含んでいる。 The output unit 11 outputs defect position information of the additively shaped product based on the defect generation prediction result information of each layer obtained by the second evaluation unit 15. The determination unit 12 determines the quality of the additionally shaped article based on the defect information of the additionally shaped article outputted by the output unit 11. The quality data determined by the determining unit 12 includes at least one of internal defect position, internal defect size, density, defect rate, crack, structural heterogeneity, and geometric abnormality.

相関決定部13は、この付加造形品のN層目(Nは自然数)の欠陥との相関が閾値よりも高い所定数の層の重ね合わせを決定する。 The correlation determination unit 13 determines the superposition of a predetermined number of layers that have a correlation with the defect of the Nth layer (N is a natural number) of this additionally shaped article that is higher than a threshold value.

データ取得部16は、付加造形の全層のモニタリングデータを取得する。
欠陥位置算出部17は、モニタリングデータから、この付加造形品の欠陥位置情報を算出する。
The data acquisition unit 16 acquires monitoring data of all layers of additive modeling.
The defect position calculation unit 17 calculates defect position information of this additionally shaped article from the monitoring data.

図4は、付加造形品品質判定装置1のハードウェア構成を示すブロック図である。
付加造形品品質判定装置1は、ハードウェア構成として、プロセッサ101と、記憶部102と、操作部103と、表示部104と、通信部105とを有する。プロセッサ101と、記憶部102と、操作部103と、表示部104と、通信部105とは、バス106により接続される。
FIG. 4 is a block diagram showing the hardware configuration of the additionally shaped product quality determination device 1. As shown in FIG.
The additional shaped product quality determination device 1 has a processor 101, a storage section 102, an operation section 103, a display section 104, and a communication section 105 as a hardware configuration. The processor 101, the storage section 102, the operation section 103, the display section 104, and the communication section 105 are connected by a bus 106.

プロセッサ101は、例えばCPU(Central Processing Unit)であり、付加造形品品質判定装置1を統括制御する。記憶部102は、プロセッサ101の作業エリアとなる。また、記憶部102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り、不図示の付加造形品品質判定プログラムが格納される。記憶部102としては、例えば、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、HDD(Hard Disk Drive)、フラッシュメモリなどがある。 The processor 101 is, for example, a CPU (Central Processing Unit), and centrally controls the additional molded product quality determination device 1 . The storage unit 102 becomes a work area for the processor 101. Further, the storage unit 102 is a non-temporary or temporary recording medium that stores various programs and data, and stores an additional molded product quality determination program (not shown). Examples of the storage unit 102 include ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory), HDD (Hard Disk Drive), and flash memory.

操作部103は、操作データを入力する。操作部103としては、例えば、キーボード、マウス、タッチパネル、テンキーがある。表示部104は、例えば、ディスプレイやプリンタであり、データを表示する。通信部105は、ネットワークと接続し、データを送受信する。 The operation unit 103 inputs operation data. The operation unit 103 includes, for example, a keyboard, a mouse, a touch panel, and a numeric keypad. The display unit 104 is, for example, a display or a printer, and displays data. The communication unit 105 connects to a network and transmits and receives data.

《実機造形における付加造形品の品質判定》
付加造形品の造形では、標準的な試験片で取得したモニタリングデータと不均質部の関係から不均質部を予測し、品質を判定する。
《Quality judgment of additively molded products in actual machine molding》
When creating additively shaped products, quality is determined by predicting non-uniform areas based on the relationship between monitoring data obtained using standard test pieces and the non-uniform areas.

図5は、品質判定処理のフローチャートである。
最初、データ取得部16は、付加造形の全層のモニタリングデータを取得する(ステップS10)。このモニタリングデータとは、光トモグラフィデータである。
次に、プロセッサ101は、ステップS11からS15に亘り、この付加造形品のモニタリングデータの各層目についての処理を繰り返す。
FIG. 5 is a flowchart of the quality determination process.
First, the data acquisition unit 16 acquires monitoring data of all layers of additive modeling (step S10). This monitoring data is optical tomography data.
Next, the processor 101 repeats the process for each layer of the monitoring data of the additionally shaped article from steps S11 to S15.

この繰り返し処理にて、第一評価部14は、N層目のモニタリング結果から、N層目の不均質部の生成を予測する(ステップS12)。ここで予測した情報は、第一の評価結果ともいう。 Through this repeated process, the first evaluation unit 14 predicts the generation of the Nth layer heterogeneous portion from the Nth layer monitoring results (step S12). The information predicted here is also called the first evaluation result.

そして第二評価部15は、N+1層目のモニタリング結果より、N層目の不均質部の生成または/および消失を予測し(ステップS13)、N層目の欠陥の生成予測結果情報に反映する(ステップS14)。ここで反映した情報は、第二の評価結果ともいう。 Then, the second evaluation unit 15 predicts the generation and/or disappearance of the Nth layer heterogeneous portion based on the monitoring results of the N+1th layer (step S13), and reflects this in the Nth layer defect generation prediction result information. (Step S14). The information reflected here is also called the second evaluation result.

プロセッサ101は、この付加造形品のモニタリングデータの全ての層目についての処理を繰り返したか否かを判定する(ステップS15)。プロセッサ101は、この付加造形品のモニタリングデータの全ての層目についての処理を繰り返していなかったならば、ステップS11の処理に戻る。 The processor 101 determines whether the processing has been repeated for all layers of the monitoring data of this additionally shaped article (step S15). If the processor 101 has not repeated the process for all layers of the monitoring data of this additionally shaped article, it returns to the process of step S11.

出力部11は、各層で得られた第二の評価結果より、付加造形品の不均質情報を出力する(ステップS16)。そして判定部12が、この出力結果より付加造形品の品質を判定すると(ステップS17)、図5の処理を終了する。品質の判定は、欠陥率、欠陥サイズ、密度、欠陥位置、介在物の数密度、材料特性などについて、任意に設定できる。
ここで述べた品質判定は造形後に実施する他に、造形と同時に実施しても良い。
The output unit 11 outputs heterogeneity information of the additionally shaped article based on the second evaluation results obtained for each layer (step S16). When the determination unit 12 determines the quality of the additionally shaped article based on this output result (step S17), the process of FIG. 5 is ended. Quality can be determined arbitrarily with respect to defect rate, defect size, density, defect position, number density of inclusions, material properties, etc.
The quality determination described here may be performed not only after modeling, but also at the same time as modeling.

なお、ここではN+1層目以上のモニタリングデータについて述べていないが、溶融時の溶融深さを考慮して、N+1層目以上のモニタリングデータをN層目の不均質部の予測に活用しても良い。 Although the monitoring data from the N+1 layer and above is not described here, it is possible to use the monitoring data from the N+1 layer and above to predict the heterogeneous portion of the N layer, taking into account the melting depth at the time of melting. good.

図6は、変形例に係る品質判定処理のフローチャートである。
最初、データ取得部16は、付加造形の全層のモニタリングデータを取得する(ステップS20)。
次に、プロセッサ101は、ステップS21からS25に亘り、この付加造形品のモニタリングデータの各層目についての処理を繰り返す。
FIG. 6 is a flowchart of quality determination processing according to a modification.
First, the data acquisition unit 16 acquires monitoring data of all layers of additive modeling (step S20).
Next, the processor 101 repeats the process for each layer of the monitoring data of the additionally shaped article from steps S21 to S25.

この繰り返し処理にて、第一評価部14は、N層目のモニタリング結果から、N層目の不均質部の生成を予測する(ステップS22)。ここで予測した情報は、第一の評価結果ともいう。 Through this repeated process, the first evaluation unit 14 predicts the generation of the Nth layer heterogeneous portion from the Nth layer monitoring results (Step S22). The information predicted here is also called the first evaluation result.

そして第二評価部15は、N+1層目からN+M層目(Mは自然数)のモニタリング結果より、N層目の不均質部の生成または/および消失を予測し(ステップS23)、N層目の欠陥の生成予測結果情報に反映する(ステップS24)。ここで反映した情報は、第二の評価結果ともいう。 Then, the second evaluation unit 15 predicts the generation and/or disappearance of the heterogeneous portion of the Nth layer based on the monitoring results of the N+1st layer to the N+Mth layer (M is a natural number) (step S23), and It is reflected in the defect generation prediction result information (step S24). The information reflected here is also called the second evaluation result.

プロセッサ101は、この付加造形品のモニタリングデータの全ての層目についての処理を繰り返したか否かを判定する(ステップS25)。プロセッサ101は、この付加造形品のモニタリングデータの全ての層目についての処理を繰り返していなかったならば、ステップS21の処理に戻る。プロセッサ101は、この付加造形品のモニタリングデータの全ての層目についての処理を繰り返したならば、ステップS26の処理に進む。 The processor 101 determines whether the processing has been repeated for all layers of the monitoring data of this additionally shaped article (step S25). If the processor 101 has not repeated the process for all layers of the monitoring data of this additionally shaped article, the process returns to step S21. After the processor 101 repeats the process for all layers of the monitoring data of the additionally shaped article, the process proceeds to step S26.

ステップS26にて、出力部11は、各層で得られた第二の評価結果より、付加造形品の不均質情報を出力する。そして判定部12が、この出力結果より付加造形品の品質を判定すると(ステップS27)、図6の処理を終了する。 In step S26, the output unit 11 outputs heterogeneity information of the additively shaped article based on the second evaluation results obtained for each layer. When the determination unit 12 determines the quality of the additionally shaped article based on this output result (step S27), the process of FIG. 6 ends.

また、N層目に影響を及ぼすN層目よりも上側の層数を、予め決定しておくとよい。これにより、付加造形品品質判定装置1は、好適な付加造形品の重ね合わせ層数を算出して、高精度な不均質情報を出力すると共に、高精度に付加造形品の品質を判定可能となる。また、付加造形品の品質を保証するため、例えば付加造形品の複数層の重ね合わせ画像を、この付加造形品の品質を示すための添付書面とすることが考えられる。 Further, it is preferable to determine in advance the number of layers above the Nth layer that will affect the Nth layer. As a result, the additive-printed product quality determination device 1 can calculate the suitable number of overlapping layers of the additive-printed product, output highly accurate heterogeneity information, and judge the quality of the additive-printed product with high accuracy. Become. Furthermore, in order to guarantee the quality of the additively shaped article, it is conceivable to use, for example, a superimposed image of multiple layers of the additively shaped article as an attached document to indicate the quality of the additively shaped article.

図7は、付加造形品の重ね合わせ層数の決定処理のフローチャートである。
最初、データ取得部16は、付加造形の全層のモニタリングデータを取得する(ステップS31)。欠陥位置算出部17は、この付加造形の全層のモニタリングデータから、付加造形品の欠陥位置情報を算出する(ステップS32)。
FIG. 7 is a flowchart of a process for determining the number of overlapping layers of an additively shaped article.
First, the data acquisition unit 16 acquires monitoring data of all layers of additive modeling (step S31). The defect position calculation unit 17 calculates defect position information of the additive-molded product from the monitoring data of all layers of the additive-molded product (step S32).

次に、プロセッサ101は、ステップS33からS36に亘り、変数Pを1から所定数まで繰り返す。なお、変数Pは自然数である。 Next, the processor 101 repeats the variable P from 1 to a predetermined number from steps S33 to S36. Note that the variable P is a natural number.

この繰り返し処理にて、第一評価部14と第二評価部15は、N層目からN+P層目までのモニタリング結果の重ね合わせ情報を算出する(ステップS34)。そして、相関決定部13は、X線CT画像の欠陥発生領域と、モニタリング結果の重ね合わせ情報の相関を算出する。 Through this repeated process, the first evaluation unit 14 and the second evaluation unit 15 calculate superimposition information of the monitoring results from the Nth layer to the N+Pth layer (step S34). Then, the correlation determination unit 13 calculates the correlation between the defect occurrence area of the X-ray CT image and the superimposition information of the monitoring results.

ステップS36にて、プロセッサ101は、変数Pを1から所定数まで繰り返したか否かを判定する。プロセッサ101は、変数Pを1から所定数まで繰り返していなかったならば、ステップS33の処理に戻る。プロセッサ101は、変数Pを1から所定数まで繰り返したならば、ステップS37の処理に進む。 In step S36, the processor 101 determines whether the variable P has been repeated from 1 to a predetermined number. If the processor 101 has not repeated the variable P from 1 to the predetermined number, the process returns to step S33. After the processor 101 repeats the variable P from 1 to a predetermined number, the processor 101 proceeds to step S37.

ステップS37にて、相関決定部13は、欠陥の発生との相関が閾値よりも高い所定数の層の重ね合わせを決定すると、図7の処理を終了する。
以下、実施例により本開示をさらに具体的に説明する。なお、本開示はこれらの実施例に限定されるものではない。
In step S37, when the correlation determination unit 13 determines the superposition of a predetermined number of layers whose correlation with the occurrence of defects is higher than the threshold value, the process of FIG. 7 ends.
Hereinafter, the present disclosure will be explained in more detail with reference to Examples. Note that the present disclosure is not limited to these examples.

《造形、およびモニタリング設備》
造形は、レーザービーム照射による粉末床溶融結合により実施した、モニタリングは光トモグラフィによるモニタリングシステムを用いた。造形エリア内において、鉛直上方からのレーザー照射により溶融池から発生する輝度を、斜め上方に設置されたsCMOS(scientific CMOS)カメラにより撮影している。sCMOSカメラは、造形面に対して斜め上方に設置されているが、解析プログラム上で距離、角度を補正し、直上からの観察像のように変換している。以降の測定では輝度積算値を用いた。輝度積算値は画像の1画素中の輝度を積算したものである。なお、光トモグラフィデータの単位は、Gv(Gray value:濃淡値)で表す。
《Modeling and monitoring equipment》
Molding was performed by powder bed fusion bonding using laser beam irradiation, and monitoring was performed using an optical tomography monitoring system. Inside the modeling area, a sCMOS (scientific CMOS) camera installed diagonally above records the brightness generated from the molten pool by laser irradiation from vertically above. The sCMOS camera is installed diagonally above the modeling surface, but the distance and angle are corrected in the analysis program and converted to look like an image viewed from directly above. In subsequent measurements, the luminance integrated value was used. The integrated brightness value is the integrated value of the brightness in one pixel of the image. Note that the unit of optical tomography data is expressed in Gv (Gray value).

《造形条件》
本造形では、造形領域をレーザー照射で塗りつぶすIn-skin条件のみを適用した。レーザー出力、および施工速度は適正範囲よりも大入熱となる条件とした。ここで適正範囲とは、実験的に内部欠陥率が所定割合未満となる条件のことと定義した。
《Building conditions》
In this build, only the in-skin condition was applied, in which the build area was filled with laser irradiation. The laser output and construction speed were set to conditions that resulted in a higher heat input than the appropriate range. Here, the appropriate range is experimentally defined as a condition under which the internal defect rate is less than a predetermined rate.

《X線CT》
光トモグラフィデータから付加造形品中の欠陥判定を行うため、欠陥サイズと位置を特定するためのリファレンスとなるX線CTの結果を取得する必要がある。得られたCTデータは、三次元データに再構成し、その後に解析・可視化ソフトウェアの欠陥・介在物解析モジュールを用いて解析した。そして発明者らは、欠陥位置および欠陥分布の他に、欠陥率を得た。
《X-ray CT》
In order to determine defects in additive-molded products from optical tomography data, it is necessary to obtain X-ray CT results that serve as a reference for specifying the defect size and position. The obtained CT data was reconstructed into three-dimensional data, and then analyzed using the defect/inclusion analysis module of the analysis/visualization software. The inventors then obtained the defect rate in addition to the defect location and defect distribution.

《密度測定》
発明者らは、X線CTにて得られた欠陥率の精度を確認するため、液浸法による相対密度測定から欠陥率を算出した。液浸法はアルキメデスの原理を用いた。発明者らは、得られた密度と真密度の比較から、欠陥率2.5%を得た。X線CTでの解析では欠陥率2.8%であったことから、約11%の誤差が認められたものの、X線CTでは概ね正確に欠陥情報が取得できたと判断した。
《Density measurement》
In order to confirm the accuracy of the defect rate obtained by X-ray CT, the inventors calculated the defect rate from relative density measurement using an immersion method. The immersion method used Archimedes' principle. The inventors obtained a defect rate of 2.5% from a comparison of the obtained density and true density. Since the defect rate was 2.8% in the X-ray CT analysis, it was determined that although an error of about 11% was observed, the defect information could be obtained generally accurately with the X-ray CT.

《光トモグラフィと品質の相関》
X線CTは所定ピッチの厚さのスライスデータとして出力し、造形1層当たりの厚みと同じ厚さとなるように8枚を重ねた。
《Correlation between optical tomography and quality》
The X-ray CT was output as slice data with a thickness of a predetermined pitch, and eight slices were stacked so that the thickness was the same as that of one layer.

図8は、N層目のX線CT像を示す図である。
このX線CT像の黒色の部分は、欠陥を示している。
FIG. 8 is a diagram showing an X-ray CT image of the Nth layer.
Black portions in this X-ray CT image indicate defects.

図9A~図9Dは、N層目からN+3層目の光トモグラフィにおける輝度のマッピング像である。
N層目からN+3層目までの各層目における光トモグラフィの高輝度部分とX線CT比較では、低輝度部分にも欠陥が多く存在する。
9A to 9D are brightness mapping images in optical tomography of the Nth layer to the N+3rd layer.
Comparison of the high-brightness part of optical tomography and X-ray CT in each layer from the Nth layer to the N+3th layer shows that many defects are also present in the low-brightness part.

図10は、光トモグラフィの輝度マッピング像を4層分に亘って積層した画像を示す図である。
この画像は、光トモグラフィの輝度マッピング像を4層分に亘って積層した画像である。この画像により、複数層目に亘って熱が加え続けられた領域を濃度によって示すことができる。この画像は、造形品の品質評価用の画像であり、造形品質情報として造形品の添付書面とすることが望ましい。
FIG. 10 is a diagram showing an image in which four layers of luminance mapping images obtained by optical tomography are stacked.
This image is an image in which four layers of luminance mapping images obtained by optical tomography are stacked. With this image, it is possible to show, by density, areas where heat has been continuously applied over multiple layers. This image is an image for quality evaluation of the modeled product, and is preferably included in the document attached to the modeled product as modeling quality information.

図11は、光トモグラフィの重ね合わせの輝度と欠陥率とを示すグラフである。
グラフの縦軸は、欠陥率を示している。グラフの横軸は、光トモグラフィの輝度を示している。このグラフより、高輝度ほど欠陥である確率が高いことが確認できる。
このように溶融深さを考慮してモニタリングデータを解析し、その後に実際の付加造形を実施することによって、付加造形品の不均質部を予測することが可能である。
FIG. 11 is a graph showing the brightness and defect rate of optical tomography superimposition.
The vertical axis of the graph indicates the defect rate. The horizontal axis of the graph indicates the brightness of optical tomography. From this graph, it can be confirmed that the higher the brightness, the higher the probability that it is a defect.
In this way, by analyzing the monitoring data in consideration of the melting depth and then performing actual additive manufacturing, it is possible to predict the heterogeneous portion of the additively manufactured product.

(変形例)
本発明は上記した実施形態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形態は、本発明を分かりやす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。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
(Modified example)
The present invention is not limited to the embodiments described above, and includes various modifications. For example, the embodiments described above are described in detail to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. It is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. Furthermore, it is also possible to add, delete, or replace some of the configurations of each embodiment with other configurations.

上記の各構成、機能、処理部、処理手段などは、それらの一部または全部を、例えば集積回路などのハードウェアで実現してもよい。上記の各構成、機能などは、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈して実行することにより、ソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイルなどの情報は、メモリ、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)などの記録装置、または、フラッシュメモリカード、DVD(Digital Versatile Disk)などの記録媒体に置くことができる。 Part or all of the above configurations, functions, processing units, processing means, etc. may be realized by hardware such as an integrated circuit. Each of the above configurations, functions, etc. may be realized by software by a processor interpreting and executing a program for realizing each function. Information such as programs, tables, and files that implement each function can be stored in a storage device such as memory, hard disk, SSD (Solid State Drive), or recording medium such as a flash memory card or DVD (Digital Versatile Disk). can.

各実施形態に於いて、制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。 In each embodiment, the control lines and information lines are those considered necessary for explanation, and not all control lines and information lines are necessarily shown in the product. In reality, almost all components may be considered interconnected.

1 付加造形品品質判定装置
101 プロセッサ
102 記憶部
103 操作部
104 表示部
105 通信部
106 バス
11 出力部
12 判定部
13 相関決定部
14 第一評価部
15 第二評価部
16 データ取得部
17 欠陥位置算出部
21 溶融池
22 N層目
23 N+1層目
4 付加造形装置
41 付加造形部
411 処理室
412a ガス供給管
412b ガス排気管
413 粉末供給機
414 原料粉末
415a 試料台
415b 試料台
417 付加造形体
42 レーザー発振器
420 原料粉末保管領域
421 付加造形領域
422 原料粉末回収領域
430 制御装置
43 プロセスファイバ
44 ガルバノヘッド
45 レーザー同軸照明
46 可視光画像撮影機
47a 赤外線画像撮影機
47b プラズマ発光撮影機
48 溶融池観察機
1 Additionally shaped product quality determination device 101 Processor 102 Storage unit 103 Operation unit 104 Display unit 105 Communication unit 106 Bus 11 Output unit 12 Judgment unit 13 Correlation determining unit 14 First evaluation unit 15 Second evaluation unit 16 Data acquisition unit 17 Defect position Calculation unit 21 Molten pool 22 Nth layer 23 N+1st layer 4 Additive modeling device 41 Additive modeling unit 411 Processing chamber 412a Gas supply pipe 412b Gas exhaust pipe 413 Powder feeder 414 Raw powder 415a Sample stage 415b Sample stage 417 Additive shaped object 42 Laser oscillator 420 Raw material powder storage area 421 Additional modeling area 422 Raw material powder collection area 430 Control device 43 Process fiber 44 Galvano head 45 Laser coaxial illumination 46 Visible light imager 47a Infrared imager 47b Plasma emission imager 48 Molten pool observation device

Claims (15)

モニタリング機器を備えた付加造形装置による付加造形品の各層目のモニタリング結果より各前記層目の欠陥の生成を予測する第一評価部と、
前記第一評価部による前記付加造形品の各前記層目よりも上の所定数層の前記モニタリング結果から各前記層目の欠陥の生成または/および消失を予測して、各前記層目の欠陥の生成予測結果情報に反映する第二評価部と、
前記第二評価部が得た各前記層目の欠陥の生成予測結果情報より、前記付加造形品の欠陥位置情報を出力する出力部と、
を備えることを特徴とする付加造形品品質判定装置。
a first evaluation unit that predicts the generation of defects in each layer based on the monitoring results of each layer of the additively manufactured product by the additively molded device equipped with a monitoring device;
The generation and/or disappearance of defects in each layer is predicted from the monitoring results of a predetermined number of layers above each layer of the additively shaped article by the first evaluation unit, and the defects in each layer are determined. a second evaluation unit that reflects the generated prediction result information;
an output unit that outputs defect position information of the additively shaped product based on defect generation prediction result information of each layer obtained by the second evaluation unit;
An additively formed product quality determination device comprising:
前記出力部が出力した前記付加造形品の欠陥位置情報より、当該付加造形品の品質を判定する判定部と、
を更に備えることを特徴とする請求項1に記載の付加造形品品質判定装置。
a determination unit that determines the quality of the additively shaped product based on the defect position information of the additively shaped product outputted by the output unit;
The additionally shaped product quality determination device according to claim 1, further comprising:
前記判定部が判定する品質データは、内部欠陥の位置、内部欠陥の寸法、密度、欠陥率、亀裂、組織的な不均質性、および幾何学的異常のうち少なくとも1つを含む、
ことを特徴とする請求項2に記載の付加造形品品質判定装置。
The quality data determined by the determination unit includes at least one of internal defect position, internal defect size, density, defect rate, crack, structural heterogeneity, and geometric abnormality.
3. The additionally shaped product quality determination device according to claim 2.
前記第一評価部は、付加造形品の各層目の光トモグラフィの輝度マッピング像を前記モニタリング結果とする、
ことを特徴とする請求項1に記載の付加造形品品質判定装置。
The first evaluation unit uses a brightness mapping image of optical tomography of each layer of the additively shaped article as the monitoring result.
The additionally shaped product quality determination device according to claim 1, characterized in that:
前記第一評価部は、付加造形品の各層目の光トモグラフィ中の所定形状を前記モニタリング結果とする、
ことを特徴とする請求項1に記載の付加造形品品質判定装置。
The first evaluation unit takes a predetermined shape in optical tomography of each layer of the additively shaped article as the monitoring result.
The additionally shaped product quality determination device according to claim 1, characterized in that:
前記第二評価部は、前記付加造形品の各前記層目よりも1層からM層(Mは2以上の自然数)だけ上の層目までの前記モニタリング結果から各前記層目の欠陥の生成または/および消失を予測して、各前記層目の欠陥の生成予測結果情報に反映する、
ことを特徴とする請求項1に記載の付加造形品品質判定装置。
The second evaluation unit generates defects in each layer from the monitoring results from the first layer to the layer M layers (M is a natural number of 2 or more) above each layer of the additively formed product. or/and predicting the disappearance and reflecting it in the generation prediction result information of the defects in each layer;
The additionally shaped product quality determination device according to claim 1, characterized in that:
前記モニタリング結果は、光トモグラフィ、CCDカメラ、CMOSカメラ、2色温度計、サーモグラフィ、高速度カメラ、フォトダイオードのうち少なくとも1つから提供される、
ことを特徴とする請求項1から6のうちの何れか1項に記載の付加造形品品質判定装置。
The monitoring results are provided from at least one of an optical tomography, a CCD camera, a CMOS camera, a two-color thermometer, a thermography, a high-speed camera, and a photodiode.
The additionally shaped product quality determination device according to any one of claims 1 to 6.
前記付加造形品のN層目(Nは自然数)の欠陥との相関が閾値よりも高い所定数の層の重ね合わせを決定する相関決定部を備える、
ことを特徴とする請求項1に記載の付加造形品品質判定装置。
comprising a correlation determination unit that determines the superposition of a predetermined number of layers whose correlation with the defect of the Nth layer (N is a natural number) of the additively shaped product is higher than a threshold;
The additionally shaped product quality determination device according to claim 1, characterized in that:
前記モニタリング結果から、当該付加造形品の欠陥位置情報を算出する欠陥位置算出部を備える、
ことを特徴とする請求項8に記載の付加造形品品質判定装置。
comprising a defect position calculation unit that calculates defect position information of the additionally shaped product from the monitoring results;
9. The additionally shaped product quality determination device according to claim 8.
モニタリング機器を備えた付加造形装置による付加造形品の各層目のモニタリング結果より各前記層目の欠陥の生成を予測するステップ、
前記付加造形品の各層目よりも上の所定数層のモニタリング結果より各前記層目の欠陥の生成または/および消失を予測するステップ、
各前記層目の欠陥の生成予測結果情報に反映するステップ、
各前記層目で得られた欠陥の生成予測結果情報より前記付加造形品の欠陥位置情報を出力するステップ、
を実行することを特徴とする付加造形品品質判定方法。
predicting the generation of defects in each layer based on the monitoring results of each layer of the additively manufactured article by an additively molded device equipped with a monitoring device;
predicting the generation and/or disappearance of defects in each layer based on the monitoring results of a predetermined number of layers above each layer of the additively formed article;
reflecting the defect generation prediction result information of each layer;
outputting defect position information of the additively shaped product based on defect generation prediction result information obtained in each layer;
A method for determining the quality of additively manufactured products, characterized by performing the following steps.
前記付加造形品の欠陥位置情報より、当該付加造形品の品質を判定するステップ、
を更に備えることを特徴とする請求項10に記載の付加造形品品質判定方法。
a step of determining the quality of the additively shaped article based on the defect position information of the additively shaped article;
The method for determining quality of an additively shaped product according to claim 10, further comprising:
前記付加造形品を判定した品質データは、内部欠陥の位置、内部欠陥の寸法、密度、欠陥率、亀裂、組織的な不均質性、および幾何学的異常のうち少なくとも1つを含む、
ことを特徴とする請求項11に記載の付加造形品品質判定方法。
The quality data determined for the additively shaped article includes at least one of internal defect location, internal defect size, density, defect rate, cracks, structural heterogeneity, and geometric abnormality.
The method for determining the quality of an additively shaped product according to claim 11.
付加造形品の各層目の光トモグラフィの輝度マッピング像を前記モニタリング結果とするステップ、
を実行することを特徴とする請求項10に記載の付加造形品品質判定方法。
a step of using a brightness mapping image of optical tomography of each layer of the additively shaped article as the monitoring result;
11. The method for determining the quality of an additively shaped product according to claim 10.
付加造形品の各層目の光トモグラフィ中の所定形状を前記モニタリング結果とするステップ、
ことを特徴とする請求項10に記載の付加造形品品質判定方法。
a step of determining a predetermined shape in optical tomography of each layer of the additively shaped article as the monitoring result;
The method for determining the quality of an additively shaped product according to claim 10.
前記付加造形品の各前記層目よりも1層からM層(Mは2以上の自然数)だけ上の層目までの前記モニタリング結果から各前記層目の欠陥の生成または/および消失を予測して、各前記層目の欠陥の生成予測結果情報に反映するステップ、
ことを特徴とする請求項10に記載の付加造形品品質判定方法。
Predicting the generation and/or disappearance of defects in each layer from the monitoring results from the first layer to the layer M layers (M is a natural number of 2 or more) above each layer of the additively shaped product. a step of reflecting the defect generation prediction result information in each layer;
The method for determining the quality of an additively shaped product according to claim 10.
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