JP6228314B1 - ３次元積層造形装置、３次元積層造形装置の制御方法および３次元積層造形装置の制御プログラム - Google Patents

３次元積層造形装置、３次元積層造形装置の制御方法および３次元積層造形装置の制御プログラム Download PDF

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Abstract

赤外線カメラなどで撮像した画像に基づいて、溶融池の温度を計測すること。３次元積層造形装置であって、３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射部を備える。３次元積層造形装置は、噴射された材料に光線を照射する光線照射部を備える。３次元積層造形装置は、前記噴射された材料に前記光線を照射することにより形成される前記材料の溶融池を撮像する撮像部を備える。３次元積層造形装置は、前記撮像部が撮像した溶融池の画像の輝度に基づいて、前記溶融池の温度を導出する温度導出部を備える。

Description

本発明は、３次元積層造形装置、３次元積層造形装置の制御方法および３次元積層造形装置の制御プログラムに関する。
上記技術分野において、特許文献１には、リコートした粉末層の表面温度を赤外線カメラにより計測する技術が開示されている。
特開２０１０−５０９０９２号公報
しかしながら、上記文献に記載の技術では、溶融池の温度を正確に計測することができなかった。
本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明に係る３次元積層造形装置は、
３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射手段と、
噴射された材料に光線を照射する光線照射手段と、
前記噴射された材料に前記光線を照射することにより形成される溶融池を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段が撮像した溶融池の画像の輝度に基づいて、前記溶融池の温度分布を導出する温度導出手段と、
前記光線の走査方向を導出する走査方向判定手段と、
前記輝度および前記走査方向に基づいて、前記溶融池の形状を導出する形状導出手段と、
前記輝度および走査距離に基づいて、前記溶融池の冷却速度を導出する冷却速度導出手段と、
を備える。
上記目的を達成するため、本発明に係る３次元積層造形物の造形方法は、
３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射ステップと、
噴射された材料に光線を照射する光線照射ステップと、
前記噴射された材料に前記光線を照射することにより形成される溶融池を撮像する撮像ステップと、
前記撮像ステップで撮像した溶融池の画像の輝度に基づいて、前記溶融池の温度を導出する温度導出ステップと、
前記光線の走査方向を導出する走査方向判定ステップと、
前記輝度および前記走査方向に基づいて、前記溶融池の形状を導出する形状導出ステップと、
前記輝度および走査距離に基づいて、前記溶融池の冷却速度を導出する冷却速度導出ステップと、
を含む。
上記目的を達成するため、本発明に係る３次元積層造形物の造形プログラムは、
３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射ステップと、
噴射された材料に光線を照射する光線照射ステップと、
前記噴射された材料に前記光線を照射することにより形成される溶融池を撮像する撮像ステップと、
前記撮像ステップで撮像した溶融池の画像の輝度に基づいて、前記溶融池の温度を導出する温度導出ステップと、
前記光線の走査方向を導出する走査方向判定ステップと、
前記輝度および前記走査方向に基づいて、前記溶融池の形状を導出する形状導出ステップと、
前記輝度および走査距離に基づいて、前記溶融池の冷却速度を導出する冷却速度導出ステップと、
をコンピュータに実行させる。
本発明によれば、赤外線カメラなどで撮像した画像に基づいて、溶融池の温度を正確に計測することができる。
本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の構成の概略を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置の構成の概略を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置により形成される溶融池を撮像した画像の一例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置により形成される溶融池を撮像した画像の輝度分布データグラフの一例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置により形成される溶融池の画像と輝度分布データとの関係を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置により形成される溶融池の画像から走査方向を導出する方法を説明する図である。 本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置により形成される溶融池の画像から溶融池の幅および長さを導出する方法を説明する図である。 本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置により形成される溶融池の画像から溶融池の冷却速度を導出する方法を説明する図である。 本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置の処理手順を説明するフローチャートである。
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して、例示的に詳しく説明記載する。ただし、以下の実施の形態に記載されている、構成、数値、処理の流れ、機能要素などは一例に過ぎず、その変形や変更は自由であって、本発明の技術範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態としての３次元積層造形装置１００について、図１を用いて説明する。３次元積層造形装置１００は、造形台１２０に材料１３０を噴射し、噴射された材料１３０に光線１４０を照射して３次元積層造形物を造形する装置である。
図１に示すように、３次元積層造形装置１００は、材料噴射部１０１と、光線照射部１０２と、撮像部１０３と、温度導出部１０４とを含む。材料噴射部１０１は、３次元積層造形物が造形される造形台１２０上に、３次元積層造形物の材料１３０を噴射する。光線照射部１０２は、材料１３０に光線１４０を照射する。撮像部１０３は、材料１３０に光線１４０を照射することにより形成される材料１３０の溶融池１５０を撮像する。温度導出部１０４は、撮像部１０３が撮像した画像の輝度に基づいて、溶融池１５０の温度分布を導出する。
本実施形態によれば、撮像部で撮像した画像に基づいて、溶融池の温度を正確に計測することができる。
［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置２００について、図２乃至図５を用いて説明する。図２は、本実施形態に係る３次元積層造形装置２００の構成の概略を説明するための図である。
３次元積層造形装置２００は、噴射ノズル２０１と、光線照射部２０２と、カメラ２０３と、温度導出部２０４と、走査方向判定部２０５と、形状導出部２０６と、冷却速度導出部２０７と、幅導出部２０８とを備える。
噴射ノズル２０１は、造形台２２０上に３次元積層造形物の材料２３０である金属粉末などを噴射する。そして、光線照射部２０２から放射されたレーザ光などの光線２４０を噴射ノズル２０１の先端部分から材料２３０に照射する。レーザ光や電子線などの光線２４０を照射された材料２３０は、光線２４０から与えられた熱により溶融し、溶融池２５０（溶融プール）を形成する。
そして、噴射ノズル２０１に対して斜め横に配置された可視光を撮像するカメラ２０３により溶融池２５０の画像（映像）を撮像する。なお、カメラ２０３は、光線２４０の光軸２４１と同じ軸上に配置されてもよい。ここでは、撮像装置の一例としてカメラ２０３を用いているが、本発明はこれには限定されず、例えば、赤外光やその他の波長の光線を撮像可能なセンサでもよい。
また、本実施形態の３次元積層造形装置２００においては、造形台２２０がＸＹ平面上で（ＸＹ方向に）移動する。なお、本実施形態の３次元積層造形装置２００においては、噴射ノズル２０１が固定され、造形台２２０が移動する構成となっているが、これとは反対に、造形台２２０が固定され、噴射ノズル２０１が移動する構成であってもよい。
温度導出部２０４は、カメラ２０３で撮像した画像の輝度に基づいて、溶融池２５０の温度を計測する。走査方向判定部２０５は、光線２４０の走査方向、すなわち、ＸＹ平面上の材料２３０の積層される方向を導出する。走査方向判定部２０５は、造形台２２０の位置、例えば、ＮＣ（Numerical Control）装置の機械座標などに基づいて、造形台２２０の走査方向（移動方向）を導出する。この場合、例えば、走査方向判定部２０５は、造形台２２０の現在の位置や過去の位置に基づいて、造形台２２０の移動方向を導出し、これにより、光線２４０の走査方向を導出する。
そして、形状導出部２０６は、カメラ２０３で撮像した画像の輝度と、走査方向判定部２０５で導出した光線２４０の走査方向とに基づいて、溶融池２５０の形状を導出する。さらに、冷却速度導出部２０７は、カメラ２０３で撮像した画像の輝度と、光線２４０の走査方向とに基づいて、溶融池２５０の冷却速度を導出する。冷却速度導出部２０７は、光線２４０（造形台２２０）の走査距離、すなわち、光線２４０（造形台２２０）の移動距離、走査方向（移動方向）および画像の輝度に基づいて、溶融池２５０の冷却速度を導出する。例えば、冷却速度導出部２０７は、光線２４０の移動距離と画像の輝度変化とから溶融池２５０の冷却速度を導出する。つまり、時間に対する画像の輝度の変化は、時間に対する溶融池２５０の温度変化に相当するので、冷却速度導出部２０７は、この時間に対する温度変化から、溶融池２５０の冷却速度を導出する。
幅導出部２０８は、カメラ２０３で撮像した画像の輝度と、光線２４０の走査方向とに基づいて、光線２４０の走査方向（積層方向）に対して垂直な方向の溶融池の幅を導出する。例えば、幅導出部２０８は、画像の輝度、つまり、画像中の明るい部分の大きさなどに基づいて、積層方向に対して垂直な方向の溶融池２５０の幅を決定する。
図３Ａは、本実施形態に係る３次元積層造形装置２００により形成される溶融池２５０を撮像した画像の一例を示す図である。図３Ｂは、本実施形態に係る３次元積層造形装置２００により形成される溶融池２５０を撮像した画像の輝度分布データグラフの一例を示す図である。図３Ｃは、本実施形態に係る３次元積層造形装置２００により形成される溶融池２５０の画像と輝度分布データとの関係を示す図である。
図３Ａに示したように、溶融池２５０の形状は、光線２４０の走査方向（積層方向）を長辺とする楕円形状となる。つまり、溶融池２５０の形状は、光線２４０の走査方向（積層方向）に長く、走査方向に対して垂直な方向に短い楕円形状となる。そして、溶融池２５０の中心３０１に光線２４０が照射される。ここで、図３Ａに示した、解析角度は、カメラ２０３で撮像している方向と積層方向との角度をいう。
図３Ｂは、横軸を距離、縦軸を輝度とした輝度分布データのグラフの一例を示している。なお、この輝度分布データのグラフは、カメラ２０３で撮像した画像を、積層方向（光線２４０の走査方向）と、積層方向に対して垂直な方向（走査方向（進行方向）に対して９０°の方向）との２つの方向で解析した輝度のデータをグラフ化したものである。そして、図３Ｃには、図３Ａおよび図３Ｂで示した、溶融池２５０の画像と輝度分布データグラフとの関係を示した。光線２４０の焦点位置の輝度一番大きく、焦点位置から離れるにつれて輝度が低下していくことが分かる。
図４Ａは、本実施形態に係る３次元積層造形装置２００により形成される溶融池２５０の画像から走査方向を導出する方法を説明する図である。溶融池２５０（メルトプール）の冷却速度（温度勾配）を導出するためには、光線２４０の焦点位置（レーザ焦点位置）と溶融池２５０の後端の位置の輝度（温度）とを把握する必要がある。しかしながら、３次元積層造形物の造形中は、積層したい形状に応じて光線２４０の走査方向（進行方向）が常に変化しているので、溶融池２５０を撮像した画像からだけでは走査方向（進行方向）を判断するのは困難である。そこで、走査方向判定部２０５は、造形台２２０の位置、つまり、ＮＣ装置の機械座標から走査方向（進行方向）を導出している。
３次元積層造形装置２００においては、噴射ノズル２０１は固定され、造形台２２０が移動することにより、３次元積層造形物を造形している。そして、３次元積層造形装置２００は、造形台２２０の機械座標のデータを常に把握しているので、走査方向判定部２０５は、この機械座標のデータの変化に基づいて、進行方向を導出している。
図４Ｂは、本実施形態に係る３次元積層造形装置２００により形成される溶融池２５０の画像から溶融池の幅および長さを導出する方法を説明する図である。幅導出部２０８は、例えば、一定の輝度値（閾値）を超えるエリアを溶融池２５０（メルトプール）と判断し、光線２４０の走査方向（進行方向、積層方向）の溶融池２５０の長さであるメルトプール長さを導出する（計算する）。また、幅導出部２０８は、同様に、一定の輝度値を超えるエリアにおいて、光線２４０の走査方向に対して直角方向（垂直方向）の長さ、すなわち、溶融池２５０の幅を導出する（計算する）。そして、幅導出部２０８による導出値（計算値）の変動を低減させるために、例えば、事前に設定した輝度の閾値の境界線としての長さ計算用ライン数を指定できるようにしている。
図４Ｃは、本実施形態に係る３次元積層造形装置２００により形成される溶融池２５０の画像から溶融池の冷却速度を導出する方法を説明する図である。材料２３０の積層後の溶融池２５０の温度変化を監視することを目的として、溶融池２５０内の温度勾配を確認できるように、冷却速度導出部２０７は、光線２４０の照射位置（焦点位置）から溶融池２５０後端までの距離であるベース長さを導出する。また、同様の理由により、冷却速度導出部２０７は、ベース高さ（光線２４０の照射位置の輝度値−溶融池２５０の輝度閾値）を導出する。
図５は、本実施形態に係る３次元積層造形装置２００の処理手順を説明するフローチャートである。ステップＳ５０１において、３次元積層造形装置２００は、造形台２２０上に材料２３０を噴射し、光線照射部２０２から光線２４０を照射する。３次元積層造形装置２００は、例えば、３次元積層造形物の造形モデルを取得し、取得した造形モデルに基づいて、材料２３０の噴射プランおよび光線２４０の照射プランを作成し、作成した噴射プランおよび照射プランに従って、３次元積層造形物の造形を実行する。
ステップＳ５０３において、３次元積層造形装置２００は、溶融池２５０をカメラ２０３で撮像し、溶融池２５０の画像を取得する。ステップＳ５０５において、３次元積層造形装置２００は、取得した溶融池２５０の画像の輝度に基づいて、溶融池２５０の温度を導出する。ステップＳ５０７において、３次元積層造形装置２００は、造形台２２０の位置（機械座標）に基づいて、光線２４０の走査方向（積層方向、進行方向）を導出する。ステップＳ５０９において、３次元積層造形装置２００は、溶融池２５０の画像の輝度および光線２４０の走査方向に基づいて、溶融池２５０の冷却速度を導出する。
ステップＳ５１１において、３次元積層造形装置２００は、溶融池２５０の画像の輝度および光線２４０の走査方向に基づいて、光線２４０の走査方向に垂直な方向の溶融池２５０の幅を導出する。また、ステップＳ５１１において、３次元積層造形装置２００は、溶融池２５０の画像の輝度および光線２４０の走査方向に基づいて、光線２４０の走査方向に平行な方向の溶融池２５０の長さを導出してもよい。なお、上述したステップＳ５０５〜Ｓ５１１までの順序は、ここに示した順序には限定されず、様々な順序としてもよい。
ステップＳ５１３において、３次元積層造形装置２００は、３次元積層造形物の造形が終了したか否かを判断する。３次元積層造形物の造形が終了していない場合（ステップＳ５１３のＮＯ）、３次元積層造形装置２００は、ステップＳ５０１に戻り、以降の各ステップを繰り返す。３次元積層造形物の造形が終了した場合（ステップＳ５１３のＹＥＳ）、３次元積層造形装置２００は、処理を終了する。
本実施形態によれば、撮像部で撮像した画像に基づいて、溶融池の温度を正確に計測することができる。また、撮像部で撮像した画像に基づいて、光線の走査方向に平行な方向の溶融池の長さや、光線の走査方向に垂直な方向の溶融池の幅を計測することができる。さらに、撮像部で撮像した画像の輝度および光線の走査方向に基づいて、溶融池の冷却速度を導出することができる。さらにまた、溶融池の絶対温度によらず、溶融地の、輝度変化を温度勾配として近似して利用するため測定器の校正が不要となる。さらに輝度変化の閾値を設定しその境界を表す二次元座標データを溶融地の寸法として簡略化、利用するため高応答の計測、制御が可能となる。
［他の実施形態］
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の範疇に含まれる。
また、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用されてもよいし、単体の装置に適用されてもよい。さらに、本発明は、実施形態の機能を実現する情報処理プログラムが、システムあるいは装置に直接あるいは遠隔から供給される場合にも適用可能である。したがって、本発明の機能をコンピュータで実現するために、コンピュータにインストールされるプログラム、あるいはそのプログラムを格納した媒体、そのプログラムをダウンロードさせるＷＷＷ(World Wide Web)サーバも、本発明の範疇に含まれる。特に、少なくとも、上述した実施形態に含まれる処理ステップをコンピュータに実行させるプログラムを格納した非一時的コンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）は本発明の範疇に含まれる。

Claims (6)

  1. ３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射手段と、
    噴射された材料に光線を照射する光線照射手段と、
    前記噴射された材料に前記光線を照射することにより形成される溶融池を撮像する撮像手段と、
    前記撮像手段が撮像した溶融池の画像の輝度に基づいて、前記溶融池の温度分布を導出する温度導出手段と、
    前記光線の走査方向を導出する走査方向判定手段と、
    前記輝度および前記走査方向に基づいて、前記溶融池の形状を導出する形状導出手段と、
    前記輝度および走査距離に基づいて、前記溶融池の冷却速度を導出する冷却速度導出手段と、
    を備える３次元積層造形装置。
  2. 前記輝度および前記走査方向に基づいて、前記溶融池の前記走査方向に対して垂直な方向の幅を導出する幅導出手段をさらに備える請求項１に記載の３次元積層造形装置。
  3. 前記幅導出手段は、事前に設定した前記輝度の閾値の境界線を用いる請求項２に記載の３次元積層造形装置。
  4. 前記輝度は、前記溶融池からの放射光の輝度である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置。
  5. ３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射ステップと、
    噴射された材料に光線を照射する光線照射ステップと、
    前記噴射された材料に前記光線を照射することにより形成される溶融池を撮像する撮像ステップと、
    前記撮像ステップで撮像した溶融池の画像の輝度に基づいて、前記溶融池の温度を導出する温度導出ステップと、
    前記光線の走査方向を導出する走査方向判定ステップと、
    前記輝度および前記走査方向に基づいて、前記溶融池の形状を導出する形状導出ステップと、
    前記輝度および走査距離に基づいて、前記溶融池の冷却速度を導出する冷却速度導出ステップと、
    を含む３次元積層造形物の造形方法。
  6. ３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射ステップと、
    噴射された材料に光線を照射する光線照射ステップと、
    前記噴射された材料に前記光線を照射することにより形成される溶融池を撮像する撮像ステップと、
    前記撮像ステップで撮像した溶融池の画像の輝度に基づいて、前記溶融池の温度を導出する温度導出ステップと、
    前記光線の走査方向を導出する走査方向判定ステップと、
    前記輝度および前記走査方向に基づいて、前記溶融池の形状を導出する形状導出ステップと、
    前記輝度および走査距離に基づいて、前記溶融池の冷却速度を導出する冷却速度導出ステップと、
    をコンピュータに実行させる３次元積層造形物の造形プログラム。
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