JP2024057297A - 画像処理装置、付加製造装置、および付加製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、粉末床溶融結合法により付加製造品を製造する際に粉末層が溶融および凝固して形成される凝固層の赤外線画像による形状検出精度を向上させることが可能な画像処理装置を提供する。【解決手段】画像取得部１５１と、画像処理部１５２と、形状検出部１５３とを備える画像処理装置１５０。画像取得部１５１は、粉末床溶融結合法による付加製造品の製造時に粉末層が溶融および凝固して形成される各々の凝固層を時系列で撮影して複数の赤外線画像を取得する。画像処理部１５２は、画像取得部１５１によって取得された複数の赤外線画像の各々を二値化処理して時間平均することで複数の赤外線画像の二値化平均画像を生成する。形状検出部１５３は、画像処理部１５２によって生成された二値化平均画像に基づいて各々の凝固層の形状を検出する。【選択図】図２

Description

本開示は、画像処理装置、付加製造装置、および付加製造方法に関する。

従来から付加造形体の製造システムに関する発明が知られている（下記特許文献１を参照）。この従来の付加造形体の製造システムは、付加造形装置と、検査装置と、制御装置とを備えている（特許文献１、第０００８段落、請求項１、要約等）。

上記付加造形装置は、粉末を供給して粉末層を形成する工程と、熱源から前記粉末層に熱を供給し、前記粉末を溶融および凝固して固化層を形成する工程とを繰り返す付加造形処理を行う。上記検査装置は、上記粉末層または上記固化層を撮影する撮影機を有する。上記制御装置は、付加造形装置および前記検査装置の制御を行う。

上記撮影機は、繰り返し行われる上記粉末層を形成する工程ごとに上記粉末層を撮影可能であり、または繰り返し行われる上記固化層を形成する工程ごとに上記固化層を撮影可能である。この従来の付加造形体の製造システムは、上記制御装置が、上記付加造形処理の条件に応じて上記撮影機の撮影条件を選択することを特徴とする。

この従来の付加造形体の製造システムは、上記撮影機として、可視光画像撮影機と赤外線画像撮影機を例示している（特許文献１、第００２５段落）。可視光画像撮影機は、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、得られた熱画像を分析して不規則性を判定する。固化層を一定時間放熱させた後に赤外線放射による熱画像分析することで、熱溜まりを分析して内部欠陥を推定することができる。可視光領域の画像分析による判定と、赤外線熱画像による精度の高い不規則性判定によって、可視光画像の判定精度が高められる。

また、付加製造部品の検査や付加製造装置の運転性能のモニタリングを行うための方法が知られている（下記特許文献２を参照）。この従来の方法は、以下の各工程を含む（特許文献２、請求項１等）。まず、付加製造プロセス中にリアルタイムで、造形プラットフォームの領域のサーモグラフィスキャンを取得する工程である。次に、プロセッサによって、サーモグラフィスキャンを評価する工程である。そして、この評価する工程に基づいて、上記付加製造装置の動作不良が発生したか、または、少なくとも１つの部品に欠陥が発生したかを判定する工程である。

上記取得する工程は、赤外線イメージングデバイスでサーモグラフィスキャンを得ることを含み、赤外線イメージングデバイスは、赤外線カメラ、焦点面アレイ赤外線センサ、または酸化バナジウムマイクロボロメータアレイのうちの１つを含む（特許文献２、請求項５等）。

特開２０１９－１４２１８４号公報 米国特許出願公開第２０１８／０１０４７４２号明細書

上記粉末層または上記固化層を撮影する撮影機として可視光画像撮影機を使用すると、固化層の周縁部とその内側の部分との間の高低差による陰影や、固化層の周縁部に生じたバリなどにより、固化層の形状検出精度が低下するおそれがある。また、上記撮影機として赤外線画像撮影機や赤外線イメージングデバイスを使用すると、付加製造品の製造時にレーザを照射する各領域間の境界が検出され、固化層の形状検出精度が低下するおそれがある。

本開示は、粉末床溶融結合法により付加製造品を製造する際に粉末層が溶融および凝固して形成される凝固層の赤外線画像による形状検出精度を向上させることが可能な画像処理装置、付加製造装置、および付加製造方法を提供する。

本開示の一態様は、粉末床溶融結合法による付加製造品の製造時に粉末層が溶融および凝固して形成される各々の凝固層を時系列で撮影した複数の赤外線画像を取得する画像取得部と、前記画像取得部によって取得された前記複数の赤外線画像の各々を二値化処理して時間平均することで前記複数の赤外線画像の二値化平均画像を生成する画像処理部と、前記画像処理部によって生成された前記二値化平均画像に基づいて各々の前記凝固層の形状を検出する形状検出部と、を備えることを特徴とする画像処理装置である。

本開示の上記一態様によれば、粉末床溶融結合法により付加製造品を製造する際に粉末層が溶融および凝固して形成される凝固層の赤外線画像による形状検出精度を向上させることが可能な画像処理装置を提供することができる。

本開示に係る付加製造装置の一実施形態を示す模式的な断面図。 本開示に係る画像処理装置の一実施形態を示すブロック図。 図１の付加製造装置を用いた付加製造方法のフロー図。 図２の画像処理装置によって取得される赤外線画像の一例。 図４の赤外線画像におけるV部の拡大図。 図２の画像処理装置によって生成される二値化処理画像の一例。 図３の赤外線画像の二値化平均画像を生成する工程の説明図。

以下、図面を参照して本開示に係る画像処理装置、付加製造装置、および付加製造方法の一実施形態を説明する。

図１は、本開示に係る付加製造装置の一実施形態を示す模式的な断面図である。本実施形態の付加製造装置１００は、たとえば、レーザや電子ビームなどの高エネルギービームＢにより材料粉末Ｐを溶融結合させて付加製造品Ｍを製造する粉末床溶融結合方式の付加製造装置である。付加製造装置１００は、たとえば、付加製造部１１０と、チャンバー１２０と、真空ポンプ１３０と、赤外線撮像装置１４０と、画像処理装置１５０と、制御装置１６０とを備えている。

付加製造部１１０は、たとえば、材料供給部１１１と、リコータ１１２と、積層造形部１１３と、材料回収部１１４と、ビーム源１１５と、を含む。材料供給部１１１は、たとえば、昇降ステージ１１１ａと、その昇降ステージ１１１ａを囲む隔壁１１１ｂとによって画定された空間に付加製造品Ｍの材料粉末Ｐを収容する。材料粉末Ｐとしては、たとえば、銅、チタン合金、ニッケル合金、アルミニウム合金、コバルトクロム合金、ステンレス鋼などの金属材料の粉末、ポリアミドなどの樹脂材料の粉末、セラミックスの粉末などを使用することができる。

リコータ１１２は、材料供給部１１１の上端に沿って材料供給部１１１の一端から他端まで移動可能に設けられている。リコータ１１２は、さらに、積層造形部１１３の上端に沿って材料回収部１１４の一端まで移動可能に設けられている。リコータ１１２は、移動方向に直交する方向において、材料供給部１１１およびリコータ１１２を横断する長さを有している。

積層造形部１１３は、たとえば、造形ステージ１１３ａと、その造形ステージ１１３ａの周囲を囲む隔壁１１３ｂとを有している。積層造形部１１３は、付加製造品Ｍの製造時に、付加製造品Ｍを造形するための粉末層の厚さに等しい高さで、造形ステージ１１３ａを隔壁１１３ｂの上端から段階的に下降させ、粉末層を形成するための凹状の空間を形成する。粉末層を形成するための凹状の空間は、造形ステージ１１３ａの上面、または、造形ステージ１１３ａの材料粉末Ｐおよび付加製造品Ｍの一部の上面と、隔壁１１３ｂとによって画定される。

材料回収部１１４は、底壁１１４ａとその底壁１１４ａを囲む隔壁１１４ｂによって材料粉末Ｐを収容可能な空間を画定する。材料回収部１１４は、材料供給部１１１から積層造形部１１３へ供給され、積層造形部１１３の粉末層を形成するための凹状の空間に収容しきれなかった残余の材料粉末Ｐを受け入れて回収する。

ビーム源１１５は、たとえば、真空中で数ｋＷ程度の出力の電子ビームを発生させる電子ビーム源や、数百Ｗから数ｋＷ程度の出力のレーザを発生させるレーザ光源を用いることができる。ビーム源１１５は、たとえば、波長が１０８０ｎｍ、出力が５００Ｗのシングルモードファイバーレーザ、すなわちエネルギー強度がガウス分布のファイバーレーザを発生させるレーザ光源である。

このような構成により、付加製造部１１０は、次のように動作する。材料供給部１１１の昇降ステージ１１１ａが上昇し、隔壁１１１ｂの上方に所定量の材料粉末Ｐを押し上げる。また、積層造形部１１３の造形ステージ１１３ａが下降し、隔壁１１３ｂによって囲まれて粉末層の厚さに対応する高さを有する凹状の空間が、造形ステージ１１３ａの上に形成される。この状態で、リコータ１１２が、材料供給部１１１の一端から材料回収部１１４の一端まで移動して、材料供給部１１１および積層造形部１１３の上を通過する。

リコータ１１２の移動により、材料供給部１１１の上に押し上げられた材料粉末Ｐが積層造形部１１３へ移動して、造形ステージ１１３ａの上の凹状の空間に敷き詰められ、造形ステージ１１３ａの上に付加製造品Ｍを造形するための粉末層が形成される。積層造形部１１３の空間に収容しきれなかった余剰の材料粉末Ｐは、リコータ１１２によって材料回収部１１４へ排出されて回収される。

ビーム源１１５は、高エネルギービームＢを積層造形部１１３の造形ステージ１１３ａの上の粉末層へ照射し、付加製造品Ｍを造形する粉末層の特定の領域において、高エネルギービームＢの照射領域を走査させる。その結果、粉末層を構成する材料粉末Ｐが溶融および凝固して、積層造形部１１３の造形ステージ１１３ａの上に付加製造品Ｍの一部が層状に形成される。以上の動作を付加製造部１１０が繰り返すことで、付加製造品Ｍの層状の部分が造形および積層されて付加製造品Ｍが製造される。

チャンバー１２０は、たとえば、透過窓１２１と、真空引き用の配管１２２とを有し、付加製造部１１０のビーム源１１５を除く部分を収容している。透過窓１２１は、たとえば、高エネルギービームＢおよび赤外線を透過する保護ガラス１２３を有している。なお、ビーム源１１５は、チャンバー１２０内に配置されていてもよい。真空ポンプ１３０は、たとえば、チャンバー１２０の配管１２２に接続され、配管１２２を介してチャンバー１２０の内部の空気を排出し、チャンバー１２０の内圧を大気圧よりも減圧された真空圧にする。

赤外線撮像装置１４０は、たとえば、付加製造部１１０の粉末床溶融結合法による付加製造品Ｍの製造時に、積層造形部１１３の粉末層が溶融および凝固して形成される各々の凝固層を時系列で撮影する。すなわち、赤外線撮像装置１４０は、各々の粉末層の材料粉末Ｐが溶融および凝固して造形され、積層されて付加製造品Ｍを構成する各々の凝固層の赤外線画像を、所定の時間間隔で複数回撮影する。赤外線撮像装置１４０は、たとえば、チャンバー１２０の外に配置され、赤外線を透過する透過窓１２１の保護ガラス１２３を介して凝固層の赤外線画像を撮影する。なお、赤外線撮像装置１４０は、チャンバー１２０の内部に配置されていてもよい。

画像処理装置１５０は、たとえば、赤外線撮像装置１４０から付加製造品Ｍを構成する各々の凝固層の赤外線画像を取得し、取得した赤外線画像の画像処理を行って、各々の凝固層の形状を検出する。また、画像処理装置１５０は、たとえば、付加製造品Ｍの設計上の３次元ＣＡＤデータを取得し、各々の凝固層の平面形状と、各々の凝固層に対応する３次元ＣＡＤデータの断面形状とに基づいて、各々の凝固層の成形精度を算出する。また、画像処理装置１５０は、たとえば、各々の凝固層の成形精度を、制御装置１６０へ出力する。

制御装置１６０は、たとえば、付加製造部１１０の昇降ステージ１１１ａ、リコータ１１２、造形ステージ１１３ａ、およびビーム源１１５に接続され、前述の付加製造部１１０の動作を制御する。また、制御装置１６０は、たとえば、真空ポンプ１３０を制御して、チャンバー１２０の内部を所定の真空圧に維持する。また、制御装置１６０は、たとえば、画像処理装置１５０から入力される各々の凝固層の形状検出結果または成形精度に基づいて、付加製造部１１０のビーム源１１５を制御する。

図２は、本開示に係る画像処理装置の一実施形態としての画像処理装置１５０の機能ブロック図である。画像処理装置１５０は、たとえば、中央処理装置（ＣＰＵ）、メモリ、タイマ、および入出力部を含む一つ以上のマイクロコントローラによって構成される。また、画像処理装置１５０は、たとえば、ハードディスクなどの記憶装置をさらに備えていてもよい。

画像処理装置１５０は、たとえば、画像取得部１５１と、画像処理部１５２と、形状検出部１５３と、を備えている。また、画像処理装置１５０は、たとえば、入力部１５４と、成形精度演算部１５５とを備えてもよい。これら画像処理装置１５０の各部は、たとえば、画像処理装置１５０のＣＰＵによってメモリや記憶装置に記憶されたプログラムを実行することで実現される画像処理装置１５０の機能を表している。

以下、図３から図７までを参照して、本実施形態の付加製造装置１００および画像処理装置１５０の動作を説明する。図３は、図１の付加製造装置１００を用いた付加製造方法ＡＭＭのフロー図である。付加製造装置１００は、図３に示す付加製造方法ＡＭＭによる付加製造品Ｍの製造を開始すると、たとえば、付加製造品Ｍの３次元（３Ｄ）ＣＡＤデータと、付加製造品Ｍを構成する各々の凝固層の厚さを取得する工程Ｓ１を実施する。

この工程Ｓ１において、付加製造装置１００は、たとえば、図２に示す画像処理装置１５０の入力部１５４によって、付加製造品Ｍの３Ｄ－ＣＡＤデータと、付加製造品Ｍを構成する各々の凝固層の厚さを取得する。より詳細には、たとえば、付加製造品Ｍの設計情報である３Ｄ－ＣＡＤデータと、付加製造品Ｍの付加製造に適した設計上の凝固層の厚さを、画像処理装置１５０の入出力部を介して入力部１５４へ入力する。入力部１５４は、入力された３Ｄ－ＣＡＤデータと各々の凝固層の設計上の厚さをメモリまたは記憶装置に記憶させる。

次に、付加製造装置１００は、たとえば、図３に示すように、３Ｄ－ＣＡＤデータから断面形状を取得する工程Ｓ２を実施する。より具体的には、図２に示す画像処理装置１５０の成形精度演算部１５５は、たとえば、入力部１５４に入力された３Ｄ－ＣＡＤデータおよび凝固層の厚さを取得し、凝固層の厚さに応じて３Ｄ－ＣＡＤデータをスライスする。これにより、成形精度演算部１５５は、各々の凝固層の平面形状に対応する３Ｄ－ＣＡＤデータの断面形状を取得する。

次に、付加製造装置１００は、たとえば、図３に示すように、高エネルギービームＢを照射するとともに赤外線画像を取得する工程Ｓ３を実施する。より具体的には、付加製造部１１０のビーム源１１５は、積層造形部１１３の粉末層に高エネルギービームＢを照射し、その照射領域を走査して凝固層を形成する。また、赤外線撮像装置１４０は、たとえば、各々の凝固層の赤外線画像を所定の時間間隔で連続的に撮影する。画像処理装置１５０の画像取得部１５１は、たとえば、粉末床溶融結合法による付加製造品Ｍの製造時に粉末層が溶融および凝固して形成される各々の凝固層を、赤外線撮像装置１４０が時系列で撮影した複数の赤外線画像を取得する。

図４は、図２の画像処理装置１５０の画像取得部１５１によって取得される凝固層Ｌｎと粉末層ＰＬの赤外線画像の一例である。図５は、図４の凝固層Ｌｎと粉末層ＰＬの赤外線画像におけるV部の拡大図である。工程Ｓ３では、前述のように、粉末層ＰＬに高エネルギービームＢを照射し、その高エネルギービームＢの照射領域を、積層されて付加製造品Ｍを構成する凝固層Ｌｎを形成する特定の領域内において走査させる。

そして、図４に示すように、周囲の粉末層ＰＬよりも温度が上昇した凝固層Ｌｎの赤外線画像が赤外線撮像装置１４０によって所定の時間間隔で複数回撮影される。画像処理装置１５０の画像取得部１５１は、たとえば、時系列で撮影された各々の凝固層Ｌｎの複数の赤外線画像を赤外線撮像装置１４０から取得する。図５に示すように、各々の凝固層Ｌｎの各々の赤外線画像には、たとえば、凝固層Ｌｎの輪郭線ＬｎＣだけでなく、凝固層Ｌｎを形成する領域に照射された高エネルギービームＢの照射領域の境界線ＬｎＢが含まれており、スパッタなどによるノイズＮが含まれる場合もある。

次に、付加製造装置１００は、たとえば、図３に示すように、凝固層Ｌｎの赤外線画像の二値化平均画像を生成する工程Ｓ４を実施する。この工程Ｓ４において、画像処理装置１５０の画像処理部１５２は、たとえば、図４および図５に示す各々の凝固層Ｌｎの各々の赤外線画像を二値化処理し、各々の凝固層Ｌｎの各々の二値化処理画像を時間平均することで、各々の凝固層Ｌｎの二値化平均画像を生成する。

図６は、図２の画像処理装置によって生成される凝固層Ｌｎの赤外線画像の二値化処理画像の一例である。図７は、図３の赤外線画像の二値化平均画像を生成する工程Ｓ４の説明図である。図６に示すように、凝固層Ｌｎの赤外線画像の二値化処理画像は、たとえば、輪郭線ＬｎＣだけでなく高エネルギービームＢの照射領域の境界線ＬｎＢを含んでおり、ノイズＮを含む場合もある。そのため、このような二値化処理画像から凝固層Ｌｎの形状を検出すると、凝固層Ｌｎの形状検出精度が低下してしまう。

そのため、本実施形態の付加製造方法ＡＭＭでは、図７に示すように、各々の凝固層Ｌｎの複数の二値化処理画像Ｌｎ（Ｔｎ），Ｌｎ（Ｔｎ＋１）を時間平均して、二値化平均画像Ｌｎ（Ａｖ）を生成する。ここで、図７に示す例において、凝固層Ｌｎの一方の二値化処理画像Ｌｎ（Ｔｎ＋１）は、たとえば、凝固層Ｌｎの他方の二値化処理画像Ｌｎ（Ｔｎ）の１フレーム後の二値化処理画像である。このように、一つの凝固層Ｌｎを異なる時点で撮影した複数の二値化処理画像Ｌｎ（Ｔｎ），Ｌｎ（Ｔｎ＋１）を時間平均することで、境界線ＬｎＢが除去された二値化平均画像Ｌｎ（Ａｖ）を生成することができる。

また、図７に示す凝固層Ｌｎの二値化平均画像Ｌｎ（Ａｖ）は、たとえば、一方の二値化処理画像Ｌｎ（Ｔｎ＋１）に含まれていたスパッタなどのノイズＮを含んでいる。このようなノイズＮは、たとえば、凝固層Ｌｎの二値化平均画像Ｌｎ（Ａｖ）と、その凝固層Ｌｎの平面形状に対応する付加製造品Ｍの３Ｄ－ＣＡＤデータの断面形状と比較することによって除去することが可能である。

次に、付加製造装置１００は、たとえば、図３に示すように、凝固層Ｌｎの形状を検出する工程Ｓ５を実施する。この工程にＳ５において、画像処理装置１５０の形状検出部１５３は、たとえば、画像処理部１５２によって生成された二値化平均画像Ｌｎ（Ａｖ）に基づいて、凝固層Ｌｎの形状を検出する。より具体的には、形状検出部１５３は、たとえば、凝固層Ｌｎの二値化平均画像Ｌｎ（Ａｖ）のエッジの画素数を算出して、凝固層Ｌｎの形状を検出する。形状検出部１５３は、たとえば、検出した凝固層Ｌｎの形状を、成形精度演算部１５５および制御装置１６０へ出力する。

次に、付加製造装置１００は、たとえば、図３に示すように、３Ｄ－ＣＡＤデータの断面形状と凝固層Ｌｎの二値化平均画像Ｌｎ（Ａｖ）とを整合する工程Ｓ６を実施する。この工程Ｓ６において、画像処理装置１５０の成形精度演算部１５５は、たとえば、前述の工程Ｓ２で生成した各々の凝固層Ｌｎの平面形状に対応する３Ｄ－ＣＡＤデータの断面形状を取得して二値化する。次に、成形精度演算部１５５は、たとえば、二値化した凝固層Ｌｎの平面形状と二値化した３次元ＣＡＤデータの断面形状とを位置合せする。

次に、付加製造装置１００は、たとえば、図３に示すように、凝固層Ｌｎの成形精度を算出する工程Ｓ７を実施する。この工程Ｓ７において、画像処理装置１５０の成形精度演算部１５５は、たとえば、凝固層Ｌｎの平面形状と、その平面形状に対応する３Ｄ－ＣＡＤデータの断面形状とを比較して、凝固層Ｌｎの平面形状の成形精度を算出する。

ここで、成形精度演算部１５５は、たとえば、下記の式（１）に示すように、二値化した凝固層Ｌｎの平面形状の画素数Ｐ（Ｌｎ）と二値化した３Ｄ－ＣＡＤデータの断面形状の画素数Ｐ（ＣＡＤ）の差分を３Ｄ－ＣＡＤデータの断面形状の画素数Ｐ（ＣＡＤ）で除した値を、１から差し引くことで、凝固層Ｌｎの平面形状の成形精度ＭＡを算出する。なお、画素数Ｐ（ＣＡＤ），Ｐ（Ｌｎ）の差分は、下記式（１）に示すように、絶対値としてもよい。

ＭＡ＝｛１－｜Ｐ（ＣＡＤ）－Ｐ（Ｌｎ）｜／Ｐ（ＣＡＤ）｝×１００ ・・・（１）

次に、付加製造装置１００は、たとえば、図３に示すように、凝固層Ｌｎの成形精度がしきい値を超えているか否かを判定する工程Ｓ８を実施する。この工程Ｓ８において、成形精度演算部１５５は、あらかじめメモリまたは記憶装置に記憶されたしきい値と、算出した凝固層Ｌｎの成形精度ＭＡとを比較し、凝固層Ｌｎの成形精度ＭＡがしきい値を超えているか否かの判定結果を制御装置１６０へ出力する。

この工程Ｓ８において、成形精度演算部１５５によって成形精度ＭＡがしきい値を超えていること（ＹＥＳ）が判定され、その判定結果が制御装置１６０へ入力されると、制御装置１６０は、今回の制御周期で成形された凝固層Ｌｎが、付加製造品Ｍを構成する最後の凝固層Ｌｎであるか否かを判定する処理Ｐ９を実施する。この工程Ｓ９において、制御装置１６０によって、今回の制御周期で成形された凝固層Ｌｎが最後の凝固層Ｌｎではないこと（ＮＯ）が判定されると、付加製造装置１００は、新たな粉末層ＰＬを形成して、前述の工程Ｓ３を実施する。

一方、工程Ｓ９において、制御装置１６０によって、今回の制御周期で成形された凝固層Ｌｎが最後の凝固層Ｌｎであること（ＹＥＳ）が判定されると、付加製造装置１００は、図３に示す付加製造方法ＡＭＭを終了させ、付加製造品Ｍの製造が終了する。また、前述の工程Ｓ８において、成形精度演算部１５５によって成形精度ＭＡがしきい値を超えていないこと（ＮＯ）が判定され、その判定結果が制御装置１６０へ入力されると、制御装置１６０は、ビーム源１１５を制御して付加製造品Ｍの製造を停止し、図３に示す付加製造方法ＡＭＭを終了する。

以下、本実施形態に係る画像処理装置１５０、付加製造装置１００、および付加製造方法ＡＭＭの作用を説明する。

粉末床溶融結合法による付加製造品の製造時には、粉末層の材料粉末が溶融および凝固して凝固層が形成される。このとき、凝固層は、高温の膨張した状態から温度が低下して凝固するが、たとえば、加熱時や冷却時の温度条件の変化によって様々な膨張や収縮が起き、凝固層に残留応力が生じる場合がある。このような残留応力は、付加製造品の形状精度の低下や割れなどの欠陥を生じさせる原因となり得る。

付加製造では、人手による測定の手間とコストを削減するために、付加製造品の品質保証の自動化が求められている。付加製造では、多くの製造装置が可視光撮像装置や赤外線撮像装置など、造形中の付加製造品を計測する機能を有している。しかし、付加製造品の品質保証を行うために、凝固層の成形精度を測定する機能や手法については、現在のところ自動化されていない。

たとえば、付加製造品の製造時に凝固層を撮影する撮影機として可視光画像撮影機を使用すると、凝固層の周縁部とその内側の部分との間の高低差による陰影や、凝固層の周縁部に生じたバリなどにより、凝固層の形状検出精度が低下するおそれがある。また、上記撮影機として赤外線画像撮影機や赤外線イメージングデバイスを使用すると、付加製造品の製造時に高エネルギービームを照射する各領域間の境界線が検出され、凝固層の形状検出精度が低下するおそれがある。

これに対し、本実施形態の画像処理装置１５０は、画像取得部１５１と、画像処理部１５２と、形状検出部１５３と、を備えている。画像取得部１５１は、粉末床溶融結合法による付加製造品Ｍの製造時に粉末層ＰＬが溶融および凝固して形成される各々の凝固層Ｌｎを時系列で撮影した複数の赤外線画像を取得する。画像処理部１５２は、画像取得部１５１によって取得された複数の赤外線画像の各々を二値化処理して時間平均することで複数の赤外線画像の二値化平均画像Ｌｎ（Ａｖ）を生成する。形状検出部１５３は、画像処理部１５２によって生成された二値化平均画像Ｌｎ（Ａｖ）に基づいて各々の凝固層Ｌｎの形状を検出する。

このような構成により、本実施形態の画像処理装置１５０は、図７に示すように、付加製造品Ｍを構成する各々の凝固層Ｌｎの複数の赤外線画像から、二値化平均画像Ｌｎ（Ａｖ）を生成することで、高エネルギービームＢを照射する領域間の境界線ＬｎＢを除去して、各々の凝固層Ｌｎの形状検出精度を向上させることができる。したがって、本実施形態によれば、粉末床溶融結合法により付加製造品Ｍを製造する際に粉末層ＰＬが溶融および凝固して形成される凝固層Ｌｎの赤外線画像による形状検出精度を向上させることが可能な画像処理装置１５０を提供することができる。

また、本実施形態の画像処理装置１５０において、形状検出部１５３は、二値化平均画像Ｌｎ（Ａｖ）のエッジの画素数を算出して凝固層Ｌｎの形状を検出する。このような構成により、本実施形態の画像処理装置１５０は、各々の凝固層Ｌｎの形状検出を自動化し、形状検出精度を向上させることができる。

また、本実施形態の画像処理装置１５０は、付加製造品Ｍの設計上の形状に対応する３次元ＣＡＤデータを取得する成形精度演算部１５５をさらに備えている。成形精度演算部１５５は、形状検出部１５３によって検出された各々の凝固層Ｌｎの平面形状と、その平面形状に対応する３次元ＣＡＤデータの断面形状とを比較して、凝固層Ｌｎの平面形状の成形精度を算出する。このような構成により、本実施形態の画像処理装置１５０は、付加製造品Ｍの設計上の３次元ＣＡＤデータを用いて各々の凝固層Ｌｎの形状検出精度を向上させることができる。

また、本実施形態の画像処理装置１５０において、成形精度演算部１５５は、二値化した各々の凝固層Ｌｎの平面形状と二値化した３次元ＣＡＤデータの断面形状とを位置合せする。このような構成により、画像処理装置１５０は、高エネルギービームＢに起因する境界線ＬｎＢが除去された赤外線画像に基づく凝固層Ｌｎの平面形状と、付加製造品Ｍの設計上の３次元ＣＡＤデータの対応する断面とを比較することが可能になる。したがって、本実施形態の画像処理装置１５０によれば、凝固層Ｌｎの形状検出精度を向上させることができる。

また、本実施形態の画像処理装置１５０において、成形精度演算部１５５は、二値化した各々の凝固層Ｌｎの平面形状の画素数と二値化した３次元ＣＡＤデータの断面形状の画素数との差分を３次元ＣＡＤデータの断面形状の画素数で除した値を１から差し引くことで、平面形状の成形精度を算出する。このような構成により、本実施形態の画像処理装置１５０によれば、各々の凝固層Ｌｎの成形精度を自動的に算出して、付加製造品Ｍの品質保証を自動化することができる。

また、本実施形態の付加製造装置１００は、前述の画像処理装置１５０と、ビーム源１１５と、赤外線撮像装置１４０と、制御装置１６０と、を備える。ビーム源１１５は、粉末床溶融結合法による付加製造品Ｍの製造時に粉末層ＰＬに高エネルギービームＢを照射するとともに、高エネルギービームＢの照射領域を走査させて凝固層Ｌｎを形成する。赤外線撮像装置１４０は、各々の凝固層Ｌｎを時系列で撮影して複数の赤外線画像を画像処理装置１５０へ出力する。制御装置１６０は、画像処理装置１５０による凝固層Ｌｎの形状検出結果に基づいてビーム源１１５を制御する。

また、本実施形態の付加製造方法ＡＭＭは、前述の付加製造装置１００を用いる。付加製造方法ＡＭＭは、次の各工程を有している。まず、ビーム源１１５によって粉末層ＰＬに高エネルギービームＢを照射するとともに高エネルギービームＢの照射領域を走査させて凝固層Ｌｎを形成する工程Ｓ３である。また、赤外線撮像装置１４０によって各々の凝固層Ｌｎを時系列で撮影して複数の赤外線画像を画像処理装置１５０へ出力する工程Ｓ３である。そして、画像処理装置１５０による凝固層Ｌｎの形状検出結果に基づいて制御装置１６０によってビーム源１１５を制御する工程Ｓ８，Ｓ９である。

このような構成により、本実施形態の付加製造装置１００および付加製造方法ＡＭＭは、たとえば、画像処理装置１５０によって検出された凝固層Ｌｎの成形精度がしきい値以下である場合に、ビーム源１１５による高エネルギービームＢの照射を停止することができる。これにより、その後に付加製造品Ｍの製造に消費される材料粉末Ｐ、エネルギー、および時間が無駄になることが防止され、付加製造品Ｍの生産性を向上させることができる。

以上、図面を用いて本開示に係る画像処理装置および付加製造装置の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本開示に含まれるものである。

１００ 付加製造装置
１１５ ビーム源
１４０ 赤外線撮像装置
１５０ 画像処理装置
１５１ 画像取得部
１５２ 画像処理部
１５３ 形状検出部
１５５ 成形精度演算部
１６０ 制御装置
ＡＭＭ 付加製造方法
Ｂ 高エネルギービーム
Ｌｎ 凝固層
Ｌｎ（Ａｖ） 二値化平均画像
Ｍ 付加製造品
ＰＬ 粉末層
Ｓ３ 凝固層を形成して赤外線画像を出力する工程
Ｓ８ ビーム源を制御する工程
Ｓ９ ビーム源を制御する工程

Claims (7)

1. 粉末床溶融結合法による付加製造品の製造時に粉末層が溶融および凝固して形成される各々の凝固層を時系列で撮影して複数の赤外線画像を取得する画像取得部と、
   前記画像取得部によって取得された前記複数の赤外線画像の各々を二値化処理して時間平均することで前記複数の赤外線画像の二値化平均画像を生成する画像処理部と、
   前記画像処理部によって生成された前記二値化平均画像に基づいて各々の前記凝固層の形状を検出する形状検出部と、を備えることを特徴とする画像処理装置。
2. 前記形状検出部は、前記二値化平均画像のエッジの画素数を算出して前記凝固層の形状を検出することを特徴とする請求項１に記載の画像処理装置。
3. 前記付加製造品の設計上の形状に対応する３次元ＣＡＤデータを取得し、前記形状検出部によって検出された各々の前記凝固層の平面形状と、該平面形状に対応する前記３次元ＣＡＤデータの断面形状とを比較して、前記平面形状の成形精度を算出する成形精度演算部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の画像処理装置。
4. 前記成形精度演算部は、二値化した各々の前記凝固層の前記平面形状と二値化した前記３次元ＣＡＤデータの前記断面形状とを位置合せすることを特徴とする請求項３に記載の画像処理装置。
5. 前記成形精度演算部は、二値化した各々の前記凝固層の前記平面形状の画素数と二値化した前記３次元ＣＡＤデータの前記断面形状の画素数との差分を前記３次元ＣＡＤデータの前記断面形状の画素数で除した値を１から差し引くことで、前記平面形状の前記成形精度を算出することを特徴とする請求項４に記載の画像処理装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の画像処理装置と、
   前記粉末床溶融結合法による前記付加製造品の製造時に前記粉末層に高エネルギービームを照射するとともに該高エネルギービームの照射領域を走査させて前記凝固層を形成するビーム源と、
   各々の前記凝固層を時系列で撮影して前記複数の赤外線画像を前記画像処理装置へ出力する赤外線撮像装置と、
   前記画像処理装置による前記凝固層の形状検出結果に基づいて前記ビーム源を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする付加製造装置。
7. 請求項６に記載の付加製造装置を用いた付加製造方法であって、
   前記ビーム源によって前記粉末層に前記高エネルギービームを照射するとともに該高エネルギービームの照射領域を走査させて前記凝固層を形成する工程と、
   前記赤外線撮像装置によって各々の前記凝固層を時系列で撮影して前記複数の赤外線画像を前記画像処理装置へ出力する工程と、
   前記画像処理装置による前記凝固層の形状検出結果に基づいて前記制御装置によって前記ビーム源を制御する工程と、を有することを特徴とする付加製造方法。

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