JP6271746B1

JP6271746B1 - 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

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Publication number: JP6271746B1
Application number: JP2016547111A
Authority: JP
Inventors: 二井谷　春彦; 春彦二井谷
Original assignee: Technology Research Association for Future Additive Manufacturing (TRAFAM)
Current assignee: Technology Research Association for Future Additive Manufacturing (TRAFAM)
Priority date: 2016-03-25
Filing date: 2016-03-25
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2036-03-25
Also published as: WO2017163429A1; US10315251B2; JPWO2017163429A1; US20180141121A1; EP3246116A1; EP3246116A4; EP3246116B1

Abstract

撮像した画像に基づいて、高精度の３次元積層造形物を造形すること。３次元積層造形装置であって、造形台上に、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、前記造形台の位置の変化に基づいて、造形物に対する前記光線の走査方向を判定する走査方向判定手段と、前記撮像手段が撮像した画像および前記走査方向に基づいて、前記溶融池を検出する検出手段と、検出した前記溶融池に基づいて、前記光線の出力および前記光線の走査速度の少なくとも一方を制御する造形制御手段と、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、赤外線カメラで撮像した画像に基づいて、高精度の３次元積層造形物を造形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、
造形台上に、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、
前記造形台の位置の変化に基づいて、造形物に対する前記光線の走査方向を判定する走査方向判定手段と、
前記撮像手段が撮像した画像および前記走査方向に基づいて、前記溶融池を検出する検出手段と、
検出した前記溶融池に基づいて、前記光線の出力および前記光線の走査速度の少なくとも一方を制御する造形制御手段と、
を備え、
前記造形制御手段は、前記走査方向に対して直角をなす方向の前記溶融池の幅と前記３次元積層造形物の前記造形モデルの造形幅とを比較して、前記光線の出力および前記光線の走査速度の少なくとも一方を制御する３次元積層造形装置。

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、
造形台上に、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、
前記造形台の位置の変化に基づいて、造形物に対する前記光線の走査方向を判定する走査方向判定ステップと、
撮像手段が撮像した画像および前記走査方向に基づいて、前記溶融池を検出する検出ステップと、
検出した前記溶融池に基づいて、前記光線の出力および前記光線の走査速度の少なくとも一方を制御する造形制御ステップと、
を含み、
前記造形制御ステップにおいて、前記走査方向に対して直角をなす方向の前記溶融池の幅と前記３次元積層造形物の前記造形モデルの造形幅とを比較して、前記光線の出力および前記光線の走査速度の少なくとも一方を制御する３次元積層造形物の造形方法。

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、
造形台上に、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、
前記造形台の位置の変化に基づいて、造形物に対する前記光線の走査方向を判定する走査方向判定ステップと、
撮像手段が撮像した画像および前記走査方向に基づいて、前記溶融池を検出する検出ステップと、
検出した前記溶融池に基づいて、前記光線の出力および前記光線の走査速度の少なくとも一方を制御する造形制御ステップと、
をコンピュータに実行させ、
前記造形制御ステップにおいて、前記走査方向に対して直角をなす方向の前記溶融池の幅と前記３次元積層造形物の前記造形モデルの造形幅とを比較して、前記光線の出力および前記光線の走査速度の少なくとも一方を制御する３次元積層造形物の造形プログラム。

本発明によれば、撮像した画像に基づいて、高精度の３次元積層造形物を造形することができる。

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る切削加工の概略について説明する上面図である。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、噴射した材料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、走査方向判定部１０５と、検出部１０６と、造形制御部１０７とを含む。

材料噴射部１０１は、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、射出された材料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。走査方向判定部１０５は、造形台１２０の位置に基づいて、光線１４０の走査方向を判定する。検出部１０６は、溶融池１５０の走査方向に基づいて、溶融池１５０の形状を判定する。造形制御部１０７は、検出した溶融池１５０に基づいて、光線１４０の出力および光線１４０の走査速度の少なくとも一方を制御する。

本実施形態によれば、カメラなどで撮像した画像に基づいて、高精度の３次元積層造形物を造形できる。

［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、形状判定部２０６と、造形制御部２０７とを備える。３次元積層造形装置２００は、さらに、造形モデル取得部２０８と、造形形状判定部２０９と、切削加工経路決定部２１０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である金属粉末を噴射する。そして、光線照射部２０２は、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され、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カメラ２０３などの撮像装置により溶融池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と同じ軸上に配置してもよい。ここでは、撮像装置としてカメラ２０３を用いているが、可視光を撮像するカメラには限定されず、例えば、赤外光やその他の波長の光線を撮像可能な装置であればどのような装置であってもよい。

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の相対的な走査方向、すなわち、ＸＹ平面上で材料２３０が造形される方向を判定する。走査方向判定部２０５は、造形台２２０の位置の変化、例えば、ＮＣ（Numerical Control）装置の機械座標の変化に基づいて、造形台２２０の走査方向（移動方向）を判定し、これにより光線２４０の走査方向を判定する。そして、形状判定部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で判定した光線２４０の相対的な走査方向とに基づいて、溶融池２５０を検出する。

造形制御部２０７は、形状判定部２０６が判定した溶融池２５０の大きさに基づいて、光線２４０の出力を調整する。造形制御部２０７は、相対的な光線の走査方向に対して垂直な方向の溶融池２５０の幅（の大きさ）を検出し、検出した幅の大きさに基づいて、光線２４０の出力と走査速度の両方、もしくはどちらか一方を制御する。

例えば、造形モデルの幅と比較して、検出した幅が大きい場合には、材料２３０が溶けすぎて、幅が広がった溶融池２５０の形状と判断できるので、造形制御部２０７は、光線２４０の出力を低下させる。つまり、造形制御部２０７は、材料２３０に与える熱の量を下げて、材料２３０が溶ける量を抑制する。ただし著しく光線２４０の出力を低下させると材料１３０が完全に溶融せず溶融池２５０が形成されない。その場合には、光線２４０の出力を一定以下にはせずに走査速度を増加させて溶融池２５０の幅を調整する。

これに対して、造形モデルの幅と比較して、検出した幅が小さい場合には、材料２３０の溶ける量が少なく、幅が狭い溶融池２５０の形状となるので、造形制御部２０７は、光線２４０の出力を上げて、材料２３０に与える熱の量を大きくして、材料２３０が溶ける量を多くする。

上記同様に走査速度を調整する場合もある。例えば、造形モデルの幅と比較して、検出した幅が大きい場合には、材料２３０が溶けすぎて、幅が広がった溶融池２５０の形状と判断できるので、造形制御部２０７は、光線２４０の走査速度を大きくする。つまり、造形制御部２０７は、材料２３０に与える熱の量を下げて、材料２３０が溶ける量を抑制する。ただし、光線の走査速度を大きくし過ぎると、材料１３０が完全に溶融せず溶融池２５０が形成されない。その場合には、光線２４０の走査速度を一定以下にはせずに光線２４０の出力を増加させて溶融池２５０の幅を調整する。

これに対して、造形モデルの幅と比較して、検出した幅が小さい場合には、材料２３０の溶ける量が少なく、幅が狭い溶融池２５０の形状となるので、造形制御部２０７は、走査速度を下げて、材料２３０に与える熱の量を大きくして、材料２３０が溶ける量を多くする。

造形モデル取得部２０８は、３次元積層造形装置２００が用いる３次元積層造形物の造形モデルを取得する。造形モデルは、３次元積層造形装置２００が３次元積層造形物の造形を実行する際に用いる３次元積層造形物に関するデータであり、３次元積層造形装置２００は、このデータに基づいて、３次元積層造形物の造形を実行する。

造形形状判定部２０９は、溶融池２５０の大きさに基づいて、３次元積層造形物の造形形状を特定する。つまり、造形形状判定部２０９は、カメラ２０３で撮像した溶融池２５０の映像や、溶融池２５０の形状などに基づいて、実際に造形された３次元積層造形物の形状を特定する。

切削加工経路決定部２１０は、造形モデルと、実際に造形された３次元積層造形物の造形形状とを比較して、３次元積層造形物の切削加工経路を決定する。つまり、３次元積層造形装置２００は、造形モデルに従って３次元積層造形物の造形を実行するが、実際に造形される３次元積層造形物の形状は、造形モデルの形状とは必ずしも一致せず、形状に差が生じる。そこで、３次元積層造形装置２００は、３次元積層造形物において、造形モデルの造形ラインよりもはみ出している部分を不図示の切削加工具により切削して、造形モデルの形状との差を補正する。

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３Ａに示したように、溶融池２５０の形状は、光線２４０の進行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の進行方向に長く、進行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進行方向との角度をいう。

図３Ａにおいては、光線２４０は、図の右上方向に進んでおり、光線２４０の進行方向（走査方向）に対して反対側にある溶融池２５０、すなわち、光線２４０が通り過ぎた場所は、光線２４０による熱の供給がストップするので、冷やされ、凝固する。ただし、３次元積層造形装置２００は、材料２３０の溶融速度や凝固速度を制御できないので、３次元積層造形物３１０の形状は、最終仕上げ形状（造形モデルの造形ライン）３３０と一致していない。

図３Ｂは、本実施形態に係る３次元積層造形装置２００による切削加工の概略について説明する上面図である。３次元積層造形装置では、積層する３次元積層造形物の形状や造形速度によって、材料が溶融して、凝固する寸法が変化する。

そこで、３次元積層造形装置２００は、３次元積層造形物３１０の積層造形中に、カメラ２０３で撮像した溶融池２５０の映像に基づいて、決定した削り代で切削加工を行う。

なお、切削加工は、３次元積層造形物の造形が全て完了した後に行ってもよい。また、切削加工は、積層造形中、１層の造形が終わるごとに切削加工を行ってもよく、数層の造形が終わったタイミングで切削加工を行ってもよい。

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の画像の一例を示す図である。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の進行方向は変化するので、溶融池２５０を撮像した画像からだけでは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の位置の変化、つまり、ＮＣ装置の機械座標の変化から進行方向を判定している。

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、光線２４０を相対的に移動させている。３次元積層造形装置２００は、造形台２２０の機械座標を常に把握しているので、走査方向判定部２０５は、この機械座標の変化に基づいて、光線２４０の進行方向を判定している。

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。造形制御部２０７は、例えば、所定の閾値を超える輝度値を有する画素領域を溶融池２５０と判断し、光線２４０の進行方向の溶融池２５０の長さであるメルトプール長さを求める。また、造形制御部２０７は、同様に、一定以上の輝度値を有する領域の光線２４０の走査方向に対して直角をなす方向（垂直方向）の長さ、すなわち、溶融池２５０の幅を求める。

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）の変化に基づいて、光線２４０の進行方向を判定する。ステップＳ５０９において、３次元積層造形装置２００は、溶融池２５０の温度および走査方向に基づいて、溶融池２５０の形状を導出する。ステップＳ５１１において、溶融池２５０の形状に基づいて、光線２４０の出力と走査速度の両方、もしくはどちらか一方を制御する。

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、ステップＳ５１５へ進む。ステップＳ５１５において、３次元積層造形装置２００は、溶融池２５０の形状に基づいて、取り代を決定し、取り代を切削する。なお、ステップＳ５１５の挿入位置は、図５に示した位置には限られず、例えば、ステップＳ５１１とステップＳ５１３との間に挿入してもよい。

本実施形態によれば、カメラなどで撮像した画像に基づいて、光線出力制御や造形速度制御、切削加工制御をすることができる。また、実際の積層形状を基に切削加工パスを決定するので、切削加工時間を短縮できる。さらに、造形完了後に取り代決定する場合では、造形物の形状が入り組んでいる場所では取り代の決定が困難であるが、積層造形中に取り代を決定するので、容易、正確に取り代を決定でき、３次元積層造形物の造形精度が向上する。

［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

造形台上に、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、
前記造形台の位置の変化に基づいて、造形物に対する前記光線の走査方向を判定する走査方向判定手段と、
前記撮像手段が撮像した画像および前記走査方向に基づいて、前記溶融池を検出する検出手段と、
検出した前記溶融池に基づいて、前記光線の出力および前記光線の走査速度の少なくとも一方を制御する造形制御手段と、
を備え、
前記造形制御手段は、前記走査方向に対して直角をなす方向の前記溶融池の幅と前記３次元積層造形物の前記造形モデルの造形幅とを比較して、前記光線の出力および前記光線の走査速度の少なくとも一方を制御する３次元積層造形装置。
前記造形制御手段は、
前記光線の出力および前記光線の走査速度を制御し、
前記溶融池の幅が所望の幅よりも大きい場合は、前記光線の出力または前記光線の走査速度を前記溶融池が形成される範囲内で制御する、請求項１に記載の３次元積層造形装置。
前記溶融池に基づいて、前記３次元積層造形物の形状を判定する造形形状判定手段と、
前記造形モデルと、判定した前記３次元積層造形物の前記造形形状とを比較して、前記３次元積層造形物の切削加工経路を決定する切削加工経路決定手段と、
をさらに備える請求項１または２に記載の３次元積層造形装置。
前記検出手段は、前記画像の輝度および前記走査方向に基づいて、
前記溶融池を検出する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置。
前記輝度に基づいて、前記溶融池の温度を導出する温度導出手段をさらに備え、
前記検出手段は、さらに、前記溶融池の温度に基づいて、前記溶融池を検出する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置。
造形台上に、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、
前記造形台の位置の変化に基づいて、造形物に対する前記光線の走査方向を判定する走査方向判定ステップと、
撮像手段が撮像した画像および前記走査方向に基づいて、前記溶融池を検出する検出ステップと、
検出した前記溶融池に基づいて、前記光線の出力および前記光線の走査速度の少なくとも一方を制御する造形制御ステップと、
を含み、
前記造形制御ステップにおいて、前記走査方向に対して直角をなす方向の前記溶融池の幅と前記３次元積層造形物の前記造形モデルの造形幅とを比較して、前記光線の出力および前記光線の走査速度の少なくとも一方を制御する３次元積層造形物の造形方法。
造形台上に、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、
前記造形台の位置の変化に基づいて、造形物に対する前記光線の走査方向を判定する走査方向判定ステップと、
撮像手段が撮像した画像および前記走査方向に基づいて、前記溶融池を検出する検出ステップと、
検出した前記溶融池に基づいて、前記光線の出力および前記光線の走査速度の少なくとも一方を制御する造形制御ステップと、
をコンピュータに実行させ、
前記造形制御ステップにおいて、前記走査方向に対して直角をなす方向の前記溶融池の幅と前記３次元積層造形物の前記造形モデルの造形幅とを比較して、前記光線の出力および前記光線の走査速度の少なくとも一方を制御する３次元積層造形物の造形プログラム。