JP6576593B1 - 積層造形装置 - Google Patents

Abstract

積層造形装置（１００）は、ワーク（３）上で加工位置を移動させながら溶融した加工材料（７）を加工位置で積層することで付加加工を行うとともに、付加加工を繰り返して造形物（４）を形成する積層造形装置（１００）であって、ワーク（３）上に形成済みの造形物（４）の計測位置における高さを示す計測結果を出力する高さ計測部と、計測位置に新たに積層するときの加工条件を計測結果に応じて制御する制御部（１０）と、を備えることを特徴とする。

Description

本発明は、加工位置で加工材料を溶融して積層することで造形物を形成する積層造形装置に関する。

３Ｄプリンタのように加工材料を積層して３次元の造形物を形成する積層造形装置が従来から知られている。特許文献１は、加工材料として金属を積層する方式として、指向性エネルギー堆積（ＤＥＤ：Directed Energy Deposition）方式を用いた積層造形装置を開示する。特許文献１に記載の指向性エネルギー堆積方式を用いる積層造形装置は、供給口から金属ワイヤ、金属粉末などの金属材料を加工材料として、造形物を造形するためのベースに供給し、レーザ、電子ビームなどで金属材料を溶融して積層することで造形物を形成する。また、特許文献１に記載の積層造形装置は、供給口をＸ方向と、Ｙ方向と、Ｘ方向およびＹ方向とそれぞれ直交するＺ方向との３軸方向に移動することができる。

特開２０１５−１７４４２０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の積層造形装置は、あらかじめ定められた軌跡で供給口を移動させる。このため、形成された造形物が設計通りの形状とならない場合がある。具体的には、特許文献１に記載の積層造形装置は、ベースの上面と、供給口との間の距離が適切な値の範囲から外れると、均一に金属材料を積層することができない。例えば、ベースの上面と金属材料の供給口との間の距離が、適切な値の範囲よりも長い場所に位置する供給口から金属材料が提供された場合、言い換えれば造形物の高さが設計値よりも低い場合には、供給した金属材料が溶滴となり、造形物に凹凸が生じる。一方、ベースの上面と金属材料の供給口との間の距離が、適切な値の範囲よりも短い場所に位置する供給口から供給された場合、言い換えれば造形物の高さが設計値よりも高い場合には、金属材料が造形物に押し付けられ過ぎる影響で溶け残りが発生する。このように、従来の積層造形技術においては、形成された造形物が設計通りのものとはならず造形物を形成する精度が低下する場合があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、造形物を形成する精度の低下を抑制する積層造形装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる積層造形装置は、ワーク上で加工位置を移動させながら加工位置に加工材料を供給し、加工材料を溶融させ、溶融した後に凝固した加工材料を加工位置で積層することで付加加工を行うとともに、付加加工を繰り返して造形物を形成する積層造形装置であって、付加加工中にワーク上に形成済みの造形物の計測位置における高さを計測し、計測の結果を示す計測結果を出力する高さ計測部と、計測位置に新たに積層するときの加工条件を計測結果に応じて制御する制御部と、を備え、計測位置は、加工位置の移動に伴って移動し、加工材料が凝固した位置であることを特徴とする。

本発明によれば、造形物を形成する精度の低下を抑制する積層造形装置を得ることができるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる積層造形装置の構成を示す斜視図 実施の形態１にかかる制御回路を示す図 実施の形態１にかかる積層造形装置のＸＺ平面の断面を示す図 実施の形態１にかかる造形物に対する金属ワイヤの供給口の高さを示す図 実施の形態１にかかる加工中の加工点のＸＺ断面を示す図 実施の形態１にかかる加工中の加工点のＸＺ断面を示す別の図 実施の形態１にかかるワイヤ高さ制御の手順を示すフローチャート 実施の形態１にかかる積層造形装置が第２層目を加工する場合のワイヤ高さを示す図 実施の形態１にかかるライン照明が投影された造形物を拡大したＸＺ断面を示す図 実施の形態１にかかる造形物にラインビームを照射した際の受光素子上に結像されたラインビームの画像を示す図 実施の形態１にかかる加工中の受光素子であるイメージセンサの結像結果を示す概略図 図１のＸＺ平面の断面を示す別の図 実施の形態２にかかる造形物の形成方向を変更した加工を行う場合のＸＹ断面を示す第１の図 実施の形態２にかかる造形物の形成方向を変更した加工を行う場合のＸＹ断面を示す第２の図 実施の形態２にかかる造形物の形成方向を変更した加工を行う場合のＸＹ断面を示す第３の図

以下に、本発明の実施の形態にかかる積層造形装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる積層造形装置１００の構成を示す斜視図である。なお、以降の実施の形態も含めて、積層造形装置１００は、金属を加工材料として使用する金属積層装置であるものとするが、樹脂などの他の加工材料を使用するものであっても良い。また、積層造形装置１００によって形成される造形物は、積層物と呼ばれることもある。また、積層造形装置１００は、加工用レーザを用いて加工材料を溶解し、積層加工を行うものとするが、アーク放電など、他の加工方法を使用するものであっても良い。本実施の形態の積層造形装置１００は、加工用レーザ１と、加工ヘッド２と、固定具５と、駆動ステージ６と、ライン照明８と、演算部９と、制御部１０とを備える。

加工用レーザ１は、ワーク３上に造形物４を形成する造形加工に用いられる加工光３０を発する光源である。加工用レーザ１は、半導体レーザを用いたファイバレーザ、またはＣＯ_２レーザが用いられる。加工用レーザ１が照射する加工光３０の波長は、例えば、１０７０ｎｍである。加工ヘッド２は、加工光学系と、受光光学系とを備える。加工光学系は、加工用レーザ１から照射される加工光３０をワーク３上の加工位置に結像する。受光光学系は、ワーク３上に形成された造形物４の高さの計測を行う。受光光学系は、計測光学系、または高さセンサとも呼ばれる。一般的に、加工光３０は加工位置に点状に集光されるので、以降では加工位置を加工点と呼ぶ。加工用レーザ１および加工光学系が、加工部を構成する。ここで、以降の実施の形態も含めて、高さ計測方式として、光学系を用いたライン切断方式を用いるとするが、他の計測方式、例えば、光学方式を用いても良い。光学方式は、例えば、スポットタイプの三角測量方式、または共焦点方式が挙げられる。なお、光学方式以外の高さ計測方式を用いても良い。また、本実施の形態では、加工ヘッド２内に受光光学系を配置することで加工ヘッド２と高さセンサとを一体化したが、加工ヘッド２と高さセンサとが一体になっていれば、積層造形装置１００はその他の一体化方式を用いても良い。積層造形装置１００の小型化のためには、加工ヘッド２に高さ計測を行う受光光学系を内蔵し、加工光学系と受光光学系とを一体化することが望ましい。

ワーク３は、駆動ステージ６に載せられ、固定具５で駆動ステージ６の上に固定される。ワーク３は、造形物４が形成される際の土台となるものである。ここでは、ワーク３としてベースプレートを想定するが、３次元形状を有する物体であっても良い。駆動ステージ６が駆動されることで、加工ヘッド２に対するワーク３の位置が変化し、ワーク３上を加工点が移動する。すなわち、ワーク３上の加工点が走査される。加工点が走査されるとは、定められた経路に沿って、すなわち定められた軌跡を描くように加工点が移動することを意味する。積層造形装置１００は、ワーク３上で加工位置である加工点を移動させながら、溶融した加工材料７を加工点で積層することで付加加工を行う。言い換えると、積層造形装置１００は、ワーク３上を移動する加工点で、溶融した加工材料７を積層することで付加加工を行う。より具体的には、積層造形装置１００は、駆動ステージ６を駆動することで、ワーク３上で加工位置の候補点を移動させる。移動経路上の候補点の少なくとも１点が、加工材料７が積層される加工点となる。

積層造形装置１００は、加工点において、付加加工を行うために供給される加工材料７を加工光３０で溶融する。積層造形装置１００は、加工点の走査を繰り返すことで、溶融した加工材料７が凝固して生成されたビードを積層して、ワーク３上に造形物４を形成する。すなわち、積層造形装置１００は、付加加工を繰り返して造形物４を生成する。積層造形装置１００は、最初の付加加工ではワーク３の上に溶融した加工材料７を積層する。付加加工が繰り返されると、積層造形装置１００は、加工時点で既に形成済みの造形物４の上に溶融した加工材料７を積層する。駆動ステージ６は、ＸＹＺの３軸の走査が可能である。すなわち、駆動ステージ６は、ＸＹＺの軸いずれか１軸の方向に平行移動することが可能である。駆動ステージ６は、ＸＹ面内、ＹＺ面内での回転も行うことができる５軸ステージが使用されることが多い。ここで、駆動ステージ６を５軸で走査するものとするが、加工ヘッド２を走査しても良い。

ライン照明８は、計測時点までに形成済みの造形物４の高さを計測するために、ワーク３上の計測位置に、計測用のライン状の照明光であるラインビーム４０を照射する。計測位置は、加工点とは異なる位置となる。ラインビーム４０は計測位置で反射する。計測位置で反射した光を受光できるように、加工ヘッド２の中に受光光学系は配置される。また、受光光学系は、ラインビーム４０の光軸に対して斜め方向の光軸を持つように配置される。加工時に発生する熱輻射光のピーク波長が赤外であるため、ライン照明８の光源には、熱輻射光のピーク波長から離れた、波長５５０ｎｍ付近の緑色レーザ、または波長４２０ｎｍ付近の青色レーザを用いることが望ましい。なお、造形物４の高さを計測するために用いられる照明光は、必ずしもラインビーム４０である必要はなく、点状に集光された照明光であるスポットビームであっても良い。スポットビームを用いれば、ワーク３上の照明された点の高さを計測できる。一方、ラインビーム４０を用いれば、ワーク３上の照明された範囲の高さ分布を計測できる。本実施の形態では、造形物４の高さを計測するためにラインビーム４０が用いられるものとする。

演算部９は、ラインビーム４０の反射光の受光光学系における受光位置に基づいて、三角測量の原理によって、ラインビーム４０が照射された位置における造形物４の高さを演算する。造形物４の高さは、造形物４の上面のＺ方向の位置となる。また、制御部１０は、演算部９で演算された高さを用いて、付加加工における加工条件を制御する。より具体的には、制御部１０は、演算部９で演算された高さを用いて、加工用レーザ１の駆動条件、駆動ステージ６の駆動条件、加工材料７となる金属ワイヤを供給するワイヤ供給部の駆動条件などの加工条件を最適化する。ワイヤ供給部の駆動条件には、金属ワイヤを供給する高さが含まれる。ライン照明８が計測用照明となる。また、ライン照明８および受光光学系が、高さセンサを構成する。また、高さセンサおよび演算部９が、高さ計測部を構成する。つまり、高さ計測部は、ワーク３上に形成済みの造形物４の計測位置における高さを計測する。

実施の形態にかかる演算部９および制御部１０は、各処理を行う電子回路である処理回路により実現される。

本処理回路は、専用のハードウェアであっても、メモリおよびメモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit、中央演算装置）を備える制御回路であってもよい。ここでメモリとは、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリなどの、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスクなどが該当する。図２は、実施の形態１にかかる制御回路を示す図である。本処理回路がＣＰＵを備える制御回路である場合、この制御回路は例えば、図２に示す構成の制御回路２００となる。

図２に示すように、制御回路２００は、ＣＰＵであるプロセッサ２００ａと、メモリ２００ｂとを備える。図２に示す制御回路２００により実現される場合、プロセッサ２００ａがメモリ２００ｂに記憶された、各処理に対応するプログラムを読みだして実行することにより実現される。また、メモリ２００ｂは、プロセッサ２００ａが実施する各処理における一時メモリとしても使用される。

図３は、実施の形態１にかかる積層造形装置１００のＸＺ平面の断面を示す図である。加工ヘッド２は、投光レンズ１１と、ビームスプリッタ１２と、対物レンズ１３と、バンドパスフィルタ１４と、集光レンズ１５と、受光部１６と、を備える。加工用レーザ１から出射した加工光３０は投光レンズ１１を透過し、ビームスプリッタ１２でワーク３の方向に反射され、対物レンズ１３によってワーク３上の加工点に集光される。投光レンズ１１、ビームスプリッタ１２、および対物レンズ１３は、加工ヘッド２に備えられる加工光学系を構成する。例えば、投光レンズ１１の焦点距離は２００ｍｍ、対物レンズ１３の焦点距離は４６０ｍｍである。ビームスプリッタ１２の表面には、加工用レーザ１から照射される加工光３０の波長の反射率を高くし、加工光３０の波長より短い波長の光を透過するようなコーティングが行われる。また、積層造形装置１００は、駆動ステージ６を駆動することでワーク３を＋Ｘ方向に走査しながら、金属ワイヤまたは金属粉末を加工材料７として加工点に供給する。この結果、加工点が走査されるたびに、加工点において加工光３０によって加工材料７が溶融され、溶融された後に凝固し、ビードは−Ｘ方向にビードが延びていくように形成される。ここで＋Ｘ方向とは、例えば、図１に記載されるＸ軸が矢印に延びる方向である。この形成されたビードが造形物４の一部となる。加工点が走査されるたびに、土台となるワーク３または造形済みの造形物４の一部の上に新たにビードが積層されることで、新たに造形物４の一部が形成される。この動作を繰り返すことで、加工材料７が積層されて最終生成物である造形物４が形成される。

本実施の形態では、加工材料７として金属ワイヤが用いられるものとして説明を進める。また、加工の方向として、本実施の形態では、ワーク３を＋Ｘ方向に走査し、−Ｘ方向、すなわち加工材料７が供給される方向と反対方向にビードが延びていくように形成する条件で説明するが、駆動ステージ６を駆動することでワーク３を−Ｘ方向に走査しながら、＋Ｘ方向、すなわち加工材料７が供給される方向と同じ方向にビードが延びていくように形成することもできる。ここで、以降の実施の形態も含めて、ビードは線状に延びるように形成されるものとして説明するが、点状に形成したビードを繋げて一つのビードとするなど、その他のビード形成方法でも良い。

高さ計測用のライン照明８は、加工ヘッド２の側面に取り付けられワーク３または形成済みの造形物４上の計測位置に向けてラインビーム４０を照射する。計測位置は、加工材料７の供給方向などを考慮して決定される。例えば、計測位置は、加工点を基準として加工材料７の供給方向と反対側とすると、加工材料７に遮られることなく計測位置を照明するのが容易となる。ラインビーム４０は、ビードが造形される方向に対して直角であり、駆動ステージ６の上面に対して平行な方向（Ｙ方向）に広がったビームを形成するようシリンドリカルレンズなどを用いて形成される。したがって、ラインビーム４０は、形成済みの造形物４にライン状に照射される。計測位置に照射されたラインビーム４０は計測位置で反射され、対物レンズ１３に入射し、ビームスプリッタ１２とバンドパスフィルタ１４とを透過して、集光レンズ１５により受光部１６に結像される。

対物レンズ１３と集光レンズ１５とを合わせて受光光学系と呼ぶ。受光光学系は、例えば、対物レンズ１３および集光レンズ１５のレンズ２枚を用いて構成されるが、集光レンズ１５を凸レンズと凹レンズとの２枚構成にするなど３枚以上のレンズを用いた構成でも良く、受光部１６に結像できる機能を有していれば良い。受光部１６は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサなどの受光素子を搭載したエリアカメラなどが用いられるが、二次元に画素が配列された受光素子を備える構成であれば良い。なお、ビームスプリッタ１２から受光部１６までの光学系内に、ラインビーム４０の照射波長のみを透過するバンドパスフィルタ１４を入れておくことが望ましい。バンドパスフィルタ１４を備えることで、加工光、熱輻射光、外乱光などのうち、不必要な波長の光を除去することができる。

積層造形装置１００は、加工点に加工材料７として金属ワイヤを供給し、加工点に加工光３０を照射することで、形成済みの造形物４の上に新たな層を積層して新たな造形物４とする付加加工を行う。図４は、実施の形態１にかかる造形物４に対する金属ワイヤの供給口の高さを示す図である。ここで、金属ワイヤの供給口の高さとは、ワーク３の上面を基準とした金属ワイヤの供給口の高さを示す。以降では、金属ワイヤの供給口の高さは、単に供給口の高さと呼ばれることもある。なお、供給口からの金属ワイヤの出射量を既知の値に設定しておけば、供給口の高さから金属ワイヤの先端部の高さも算出することができる。供給口からの金属ワイヤの出射量は、供給口から金属ワイヤの先端部までの長さを表す。供給口の高さを制御することによって、金属ワイヤの先端部の高さを制御することができる。ここでは、供給口からの金属ワイヤの出射量は一定となるように制御され、供給口の高さと金属ワイヤの先端部の高さとは１対１に対応するものとする。また、供給口の高さの適切な高さの範囲は、造形済みの造形物４の高さに依存する。図４に示す通り、形成済みの造形物４に応じた金属ワイヤを適切な高さで供給できなければ、加工結果に不具合が発生する。例えば、図４に示す形成済みの造形物４に応じた供給口の適切な高さ範囲をｈａ±αとする。図４（ａ）では、供給口の高さは、ｈａ±αの範囲の中央である。つまり、図４（ａ）では、供給口の高さが、ｈａである。図４（ａ）においてｈａ＋αを上限値２１として示す。図４（ａ）においてｈａ−αを下限値２０として示す。図４（ａ）では、供給口の高さはｈａであり、ｈａ±αの範囲内であるため、加工結果に不具合は発生しない。しかし、図４（ｂ）では、供給口の高さｈｂは、ｈｂ＞ｈａ＋αであり、ｈａ±αの範囲外である。この場合、加工光３０が照射されて溶けた金属ワイヤが形成済みの造形物４に十分付着せず、溶滴７１が発生し、加工後の造形物４に凹凸が発生する。また、図４（ｃ）では、供給口の高さｈｃは、ｈｃ＜ｈａ−αであり、ｈａ±αの範囲外である。この場合、金属ワイヤが形成済みの造形物４の方向に押し付けられ過ぎ、加工光３０が照射されても金属ワイヤが全て溶けきらず、金属ワイヤの溶け残り７２が発生する。この結果、加工後の造形物４に溶け残った金属ワイヤが含まれてしまう。このように、形成済みの造形物４に応じた供給口の高さを加工中に適切な値に維持し続けることが高精度な加工には不可欠である。

ワーク３に対して造形物４を加工し始める１層目の場合、ワーク３の高さが平坦であれば、供給口の高さを一定に維持して加工すればよい。しかし、２層目以降は、前回（前層）までに形成済みの造形物４上に加工を行う必要がある。ここで、前回までに形成済みの造形物４の高さが設計値通りの高さになっていない場合が考えられる。この場合には、前回の積層時の供給口の高さから、設計上の１層分の高さだけ供給口を上昇させても、実際には、前回の積層時までの造形物４の高さが設計値と異なる部分では、供給口の高さが今回積層する部分に対応する供給口の適切な範囲内ではない可能性がある。また、位置によって造形物４の高さが一定になっていない場合も考えられる。もし、２層目では適切な高さ範囲（ｈａ±α）、言い換えると許容誤差範囲に入っていたとしても、複数回加工を行い、ｎ層目（ｎ≧２）を加工する場合には積層誤差がｎ回加算されるため、許容誤差範囲（ｈａ±α）に入らない可能性がある。ここで、加工後の造形物４の高さを計測し、次回の加工時にこの計測結果を利用して、最適な制御を行う必要がある。また、造形物４の高さは、造形物４の温度が低下した後に計測することが望ましい。

次に、計測された形成済みの造形物４の高さを用いて、形成済みの造形物４に対して金属ワイヤを適切な高さに維持する方法について説明する。造形物４の加工後、加工とは別に再び同一経路を計測のために走査し、形成済みの造形物４の高さを計測することも可能である。しかし、この場合には、１層の付加加工に対して、加工経路を２度走査する必要があるため、時間がかかる。ここで、加工中に形成済みの造形物４の高さを計測することで、１層の付加加工に対する加工経路の走査回数を一度にしつつ、付加加工と形成済みの造形物４の高さの計測との両方を行うことができる。

図５は、実施の形態１にかかる加工中の加工点のＸＺ断面を示す図である。図５は、ビードが＋Ｘ方向（ワイヤと同じ方向）に延びるように加工する場合である。図５において、形成済みの造形物４の高さを計測する位置は、加工点に対して−Ｘ方向に移動した位置である。ここで、付加加工時に加工点に加工光３０が照射され、ワーク３上で金属ワイヤが溶けた状態となっている領域をメルトプール３１と呼ぶ。

例えば、図５のように−Ｘ方向にワーク３を載せた駆動ステージ６を走査すれば、加工点はワーク３上を＋Ｘ方向に移動し、＋Ｘ方向に延びるように直線状の造形物４を加工することができる。加工点のメルトプール３１近傍は高温となっており、駆動ステージ６を−Ｘ方向に移動させていくと、メルトプール３１は自然冷却されるが、加工後のメルトプール３１の後ろ（−Ｘ方向）には金属が高温となった領域、すなわち高温部３２が発生し、さらに時間が十分たつと、金属のビードとして一定の形状に凝固する。このビードが積層されて造形物４が形成される。高温部３２は、加工点を基準として加工点がワーク３上を移動していく方向と反対方向である−Ｘ方向に発生する。ここで、加工点がワーク３上を移動していく方向は、加工点の移動経路に沿った方向を指す。

ここで、メルトプール３１端を加工点の中心（加工光３０の光軸）から距離Ｗ離れた位置とし、さらに、ビードが高温となっており、十分凝固していない高温部３２をメルトプール３１の端から距離Ｕ離れた位置とする。メルトプール３１では加工材料７が溶融しており、形成済みの造形物４の高さを正確に計測することが困難である。また、メルトプール３１は、金属などの加工材料７を溶かす程の高温になるため、非常に高輝度な熱輻射光が発生し、この熱輻射光が計測の妨げとなる。したがって、高さが計測される計測位置は、加工点の中心からＷ以上離れた位置とすることが望ましい。すなわち、計測位置は、メルトプール３１と重ならないことが望ましい。

また、加工点を基準として−Ｘ方向には、加工点の中心から距離Ｗ＋Ｕの範囲に高温部３２が存在することになる。高温部３２ではビードが完全に凝固しておらず、正確な高さの測定が困難となる。したがって、加工点に対して−Ｘ方向に移動した位置で高さを計測する場合には、ラインビーム４０の照射位置Ｌは加工点の中心から少なくとも距離Ｗ＋Ｕ以上離れた位置とすることがより望ましい。すなわち、高さが計測される計測位置は、加工時に加工材料７が溶解している範囲から外れた位置とすることがより望ましい。

図６は、実施の形態１にかかる加工中の加工点のＸＺ断面を示す別の図である。図６は、ビードが−Ｘ方向（ワイヤと反対方向）に延びるように加工される場合である。図６においても、形成済みの造形物４の高さを計測する位置は、加工点に対して−Ｘ方向に移動した位置である。図６のように、＋Ｘ方向にワーク３を載せた駆動ステージ６を走査すれば、加工点はワーク３上を−Ｘ方向に移動し、−Ｘ方向に延びるように直線状の造形物４を加工することができる。この場合にも、メルトプール３１の外側の高温部３２は、加工点を基準として加工点がワーク３上を移動していく方向と反対方向に発生する。図６の場合には、加工点はワーク３上を−Ｘ方向に移動するので、メルトプール３１の外側の高温部３２は加工点に対して＋Ｘ方向に発生する。これに対して、形成済みの造形物４の高さは、加工点を基準として加工点がワーク３上を移動していく方向と同一方向である−Ｘ方向の位置で計測される。加工点に対して−Ｘ方向には高温部３２は発生しないため、計測位置はメルトプール３１のみ避ければよい。したがって、ラインビーム４０の照射位置Ｌは加工点の中心から少なくとも距離Ｗ以上離れた位置とすればよい。

このように、加工点を基準として加工点がワーク３上を移動していく方向と同一方向、すなわち、加工経路の進行方向に高さの計測位置を設けることで、加工点に対して近い位置で高さを計測することができる。言い換えると、加工点が移動する経路上であり、時間が経過したときに加工点が移動していく位置を計測位置とすると、加工点に近い位置で高さを計測することができる。したがって、加工点から見て、加工点がワーク３上を移動していく方向、すなわち、加工経路の進行方向に高さの計測位置を設けることがより望ましい。図６のように、加工点に対して高温部３２が発生する方向とは反対方向に計測位置を設けることで、ビードが高温となり、凝固せずに溶けている影響を受けずに、しかも加工点に対して近い位置を計測することができる。本実施の形態の積層造形装置１００において、ラインビーム４０は図６のように加工点から見て加工経路の進行方向に照射される。

図５のように、加工点に対して高温部３２が発生する方向と同一方向に計測位置を設けた場合でも、ラインビーム４０の照射位置が加工点から十分遠ければ、ビードも十分凝固している。しかしながら、ラインビーム４０の照射角度を一定にする場合、ライン照明８および受光光学系の設置位置を加工ヘッド２から離す必要があり、装置が大きくなる。または、受光部１６の撮影エリア内にラインビーム４０が入るように、視野が大きくなるよう受光光学系の倍率を決定する必要があり、受光部１６の１ｐｉｘｅｌ当たりの解像度が低下するという課題がある。また、加工ヘッド２とライン照明８とを一体化した構成では計測できなくなることも考えられる。図５のように−Ｘ方向に駆動ステージ６を走査し、＋Ｘ方向からワイヤを供給する構成の場合、加工経路の進行方向（＋Ｘ方向）を計測しようとすると、ワイヤの供給部が計測の妨げになる。しかし、ラインビーム４０を用いる方法以外でワイヤの供給部が計測の妨げとならない場合には、図５のように−Ｘ方向に駆動ステージ６を走査する構成でも良い。

次に、ワイヤ高さ制御の手順を説明する。図７は、実施の形態１にかかるワイヤ高さ制御の手順を示すフローチャートである。ワイヤ高さとは、ワーク３の上面を基準とした、加工光３０が照射される加工材料７の先端部の高さを示す。なお、ワイヤ高さは、加工材料７が溶融していない状態での加工材料７の先端部の高さである。まず、１層目の付加加工を開始する（ステップＳ１）。平坦なベースプレートでは、１層目の付加加工時に計測位置にビードはないため、高さ計測の必要は無い。しかし、造形物４上に加工する場合、またはベースプレートがひずんでいる場合など、正確な積層加工を行うために１層目の高さ計測が有効である。ここで、１層目の付加加工と共に造形物４の高さの計測を開始し（ステップＳ２）、計測位置に対する造形物４の高さの計測結果を保存する（ステップＳ３）。そして、計測した造形物４の位置で次回の加工をする場合には、ステップＳ３で保存した計測結果を用いて加工制御を行う（ステップＳ４）。ここで、計測できる造形物４の高さの間隔は、受光部１６で受光素子として用いるイメージセンサのフレームレートと加工軸の走査速度（加工点の走査速度）とで決定される。例えば、フレームレートをＦ［ｆｐｓ］、駆動ステージ６の移動速度をｖ［ｍｍ／ｓ］とすると、造形物４の高さの加工点の走査方向の計測間隔Λ［ｍｍ］は、Λ＝ｖ／Ｆとなる。このため、加工点から計測点までの距離をＬとすると、Ｌ／Λ回前の周期で計測した結果が今回の加工位置に対応する計測結果となる。実際には加工点のステージの位置と計測位置とが紐づけられているため、現在の加工位置の計測結果を参照することができる。つまり、ｎ層目を加工する際に、ある計測位置のｎ−１層目の積層物の高さを計測し、この計測からＬ／Λ周期後に、加工位置である前述した計測位置を加工する際に計測した計測結果を用いて、最適な加工制御を行う。つまり、制御部１０は、計測位置に新たに積層するときの加工条件を計測結果に応じて制御する。

図８は、実施の形態１にかかる積層造形装置１００が第２層目を加工する場合のワイヤ高さを示す図である。加工制御の方法について、図８を用いて説明を行う。１層目で形成された造形物４が、目標の積層高さＴ０に対して、領域Ｉでは設計通り高さＴ１（＝Ｔ０）で造形できたとする。ここで、目標の積層高さとは、造形物４に新たに積層されるあらかじめ設定された積層物の高さを示す。また、１層目で形成された造形物４は、領域ＩＩでは設計より高いＴ２（＞Ｔ０）で造形でき、領域ＩＩＩでは設計より低いＴ３（＜Ｔ０）で造形できたとする。ここで、造形物４を目標の積層高さに加工するための、形成済みの造形物４を基準としたときのワイヤ高さを目標の積層高さと同じＴ０とすると、２層目を積層する際に積層高さを２×Ｔ０とするためにはワイヤ高さを２×Ｔ０とすれば良いことになる。ここで、簡単のため、造形物４を目標の高さに加工するためのワイヤ高さを、目標の造形物４の高さと同じＴ０として説明するが、実際には異なっていても良い。

領域Ｉの２層目を加工する場合には、２層目の計測結果Ｔ１が目標の積層高さＴ０と同じであるため、特に加工条件を変更する必要は無い。しかし、領域ＩＩを加工する場合には、計測した積層高さＴ２が目標の積層高さＴ０よりも高いため、２層目の積層高さを２×Ｔ０とするためには、２層目の積層量をＴ２−Ｔ０とする必要がある。積層量を変更するための加工パラメータ（加工条件）として、加工レーザ出力、ワイヤ送り速度、ステージの送り速度など様々なパラメータが考えられるが、ここでは、ワイヤ送り速度を制御する場合について説明する。領域ＩＩの場合には、積層量を設計より小さくする必要があるため、ワイヤ送り速度を遅くし、金属材料の供給量を減らすことで、１層目と合わせた２層目の積層量が２×Ｔ０となるように制御する。同様に、領域ＩＩＩを加工する場合には、計測した積層高さＴ３が目標の積層高さＴ０よりも小さいため、２層目の積層量をＴ０−Ｔ３とする必要がある。このため、ワイヤ送り速度を速くして、金属材料の供給量を多くすることで、１層目と合わせた２層目の積層量が２×Ｔ０となるように制御する。つまり、加工条件は、造形物４に新たに積層されるあらかじめ設定された積層物の高さと計測結果との差に応じて制御部１０によって制御される。

このように、ｎ層目を加工する際に直前に計測したｎ−１層目の積層高さの計測結果を用いて、加工条件を最適に制御することで図４に示した通り、常に目標のワイヤに対する積層高さをｈａ±αに維持することができる。このため、加工不具合を発生させずに加工を継続することができる。ここでは、ワイヤ送り速度を変更して加工制御を行ったが、別のパラメータ、または複数のパラメータを変更して加工制御を行っても良い。例えば、積層量を少なくしたい場合には、レーザ出力を小さくし、ステージ速度を速くするなどの方法が考えられる。また、ｎ層目を加工する前にｎ−２層目の平均高さが目標の積層高さＴ０に対して大きく異なっていた場合には、ｎ−１層目の加工終了後にｎ層目を加工するために上昇させるワイヤ高さの変化量を設計値であるＴ０に対してｎ−２層目を計測した平均高さとし、ｎ層目加工中にｎ−１層目の計測結果を用いて最適な加工制御を行う方法も考えられる。また、図８のように、ｎ層目の領域Ｉ、ｎ層目の領域ＩＩ、ｎ層目の領域ＩＩＩでそれぞれの領域の造形物４の高さの計測結果が異なる場合、領域ごとに上昇させるワイヤ高さの変化量を変更することも考えられる。

次に、加工後のビード高さを計測するための、光切断方式を用いた高さ計測動作について説明する。図９は、実施の形態１にかかるライン照明８が投影された造形物４を拡大したＸＺ断面を示す図である。ワーク３上面に対する造形物４の高さを△Ｚとし、ラインビーム４０の照射角度をθとすると、ワーク３上面のラインビーム４０の照射位置と、造形物４上のラインビーム４０の照射位置の差異△Ｘは、△Ｘ＝△Ｚ／ｔａｎθで表される。図１０は、実施の形態１にかかる造形物４にラインビーム４０を照射した際の受光素子上に結像されたラインビーム４０の画像を示す図である。造形物４の高さとワーク３の高さとの違いにより、ラインビーム４０の照射位置は△Ｘ’ずれて投影される。ここで、受光光学系の倍率Ｍを用いると、△Ｘ’＝Ｍ×△Ｘとなる。イメージセンサの１画素の大きさをＰとすると、１画素当たりの高さ変位量△Ｚ’は、△Ｚ’＝Ｐ×ｔａｎθ／Ｍと表される。例えば、Ｐ＝５．５μｍ、Ｍ＝１／２、θ＝７２ｄｅｇとすると、△Ｚ’＝３３．８μｍとなる。このようにイメージセンサ画像のラインビーム４０の投影位置から、三角測量の原理により、センサから対象物までの高さを算出することができる。また、ワーク３上面と造形物４の上面とのラインビーム４０の照射位置の差異から造形物４の高さを算出することができる。もし、造形物４の高さがワーク３上面に対して高くなり、ワーク３上面からのラインビーム４０の反射光が受光できなくなったとしても、受光素子上の視野内の造形物４上面から反射したラインビーム４０の照射位置を用いて、センサからの距離を算出することができる。

ラインビーム４０の照射位置は、一般的にラインビーム４０の投影パターンのＸ方向重心位置から計算される。各Ｙ方向画素に対して、Ｘ方向の出力を算出し、ラインビーム４０の断面強度分布から重心位置を算出する。ここで、ラインビーム４０の照射位置の算出方法は重心位置に限らず、光量のピーク位置など適切に選択される。ラインビーム４０の照射幅は、照射位置の算出に対して十分な大きさである必要がある。例えば、重心計算の場合には、狭すぎると重心計算ができず、太すぎるとビームの強度パターン変化の影響で誤差が生じやすい。このため、５〜１０ｐｉｘｅｌ程度が望ましい。また、ラインビーム４０のラインの長さ（ラインビーム４０の照射幅）は造形物４の幅に対して十分長ければ良い。このように画像のＹ方向の各画素に対してＸ方向の輝度重心位置を算出し、この結果を高さに換算することで、造形物４の幅方向における造形物４の高さの断面分布を計測することができる。造形物４の高さを計測するために用いられる照明光として、スポットビームを用いる場合には、造形物４の高さの断面分布を計測することはできないが、スポットの大きさを適切に選択することで、誤差の少ない測定が可能となる。

上記では、加工していない状態でラインビーム４０から造形物４の高さを算出する方法について説明したが、加工中に計測する場合には、加工点が高輝度な発光点となり、メルトプール３１の像が画像中心に写る。ここで、バンドパスフィルタ１４を受光光学系内に設置し、ライン照明８の出力を十分大きくすることで、メルトプール３１での発光の影響を受けずにラインビーム４０から高さを計測することができる。

図１１は、実施の形態１にかかる加工中の受光素子であるイメージセンサの結像結果を示す概略図である。上述の通り、ラインビーム４０の照射位置をメルトプール３１から離しているため、加工点５０から出た熱輻射光とラインビーム４０の反射光とを分離することが可能である。もし、高温部３２に計測位置を設けた場合には、ビードが完全に凝固しておらず、液状になっていると、ラインビーム４０が十分反射されず、ビード上の照度分布が計測できなくなる可能性がある。また、仮に計測できたとしても計測位置によって溶け方が異なるため、計測位置に対するビード高さに計測誤差が発生する。また、凝固後の状態と溶けている状態とでは金属の熱収縮により誤差が生じる。しかし、本実施の形態の積層造形装置１００は、加工点５０に対して加工点５０の移動方向を計測するので、メルトプール端よりも計測位置を離しておければ、高温部３２でビードが溶けている影響を受けず、高精度に積層物高さを計測することができる。

ここで、計測したい高さの範囲をＤとすると、距離Ｄに対するラインビーム４０の移動量Ｓは、Ｓ＝Ｄ×Ｍ／ｔａｎθで表されるため、画像中心からメルトプール端までの距離Ｗに対してＷ＋Ｓとなる視野を受光光学系としては最低限確保できるように設計することが望ましい。このように、本実施の形態の積層造形装置１００は、加工中に積層加工の進行方向のビード高さを計測し、次回加工時に加工条件を適切となるように制御することで、目標の積層物高さを維持することができる。また、本実施の形態の積層造形装置１００は、ワイヤ供給口と積層物との間の高さを一定に維持できるため、高精度積層加工を実現することができる。よって、積層造形装置１００は、造形物４を形成する精度の低下を抑制することができる。さらに、本実施の形態の積層造形装置１００は、加工点５０に近い位置のビード高さを計測できるため、高さセンサを加工ヘッド２と一体化することができ、装置を小型化することができる。

今回は高さセンサと加工ヘッド２とを一体化して装置の小型化を行う構成について説明したが、厳密に高さセンサと加工ヘッド２とが一体化している必要は無く、加工ヘッド２とは別体として高さセンサを配置し、加工点５０の近傍の積層物高さを計測する場合でも同様の効果が得られることは言うまでもない。ここで、本発明における高さセンサでは、ラインビーム４０を用いて高さ計測を行うため、加工用と高さ計測用とを併用しない集光レンズ１５は、ラインビーム４０のみを受光部１６に結像できる光学系であった方が良い。

図１２は、図１のＸＺ平面の断面を示す別の図である。例えば、図１２に示すように、対物レンズ１３の中心軸に対して直角な方向に、対物レンズ１３の中心軸と、集光レンズ１５の中心軸とを軸ずれさせておいてもよい。ここで、対物レンズ１３は、加工位置に加工光３０を集光するレンズである。したがって、図１２における構成では、対物レンズ１３を透過した反射光を受光部１６に結像する光学系の中心軸の位置は、加工位置に加工光３０を集光する対物レンズ１３の中心軸の位置とは異なっている。このような構成とすることで、計測用の照明光であるラインビーム４０の反射光をできるだけレンズの収差の影響を受けずに受光素子に結像できるようになり、高さ計測精度を向上できる。

上記のように中心軸の位置をずらした構成とする代わりに、対物レンズ１３を透過した反射光を受光部１６に結像する第三の結像光学系の中心軸が、加工位置に加工光３０を集光する対物レンズ１３の中心軸に対して傾いた構成とすることでも同様の効果が得られる。また、集光レンズ１５のレンズ面の形状を変更しても良い。また、受光部１６の視野は、高さ計測範囲内でラインビーム４０が移動する範囲より広ければよく、ラインビーム４０の移動範囲だけを拡大するような結像系を用いることでラインビーム４０の解像度を上げることができ、高さ計測精度を向上することができる。

実施の形態２．
実施の形態２にかかる積層造形装置１００は、実施の形態１におけるものと構成は同様であるが、高さ計測に用いるラインビームの形状が異なる。実施の形態２にかかる積層造形装置１００は、ラインビーム４０の照射形状が直線ではなく、加工点５０を中心とした円形形状である。このようにラインビーム４０の照射形状を円形とすることで、加工形状が直線ではなく、加工点５０の走査方向が加工中に変化する場合にも、造形物４に対して直角に横切る方向（造形物４の幅方向）にライン照明８を照射することができるため、走査ステージの回転機構を無くすことができ、装置を小型化できる。例えば、駆動ステージ６をＸＹ平面内で回転させれば、Ｘ軸およびＹ軸に対して斜め方向に走査する場合でも、計測位置が加工点５０の前方となるようにすることができる。しかし、ラインビーム４０の照射形状を円形とすることで、駆動ステージ６を回転させなくても、計測位置の少なくとも一部が、加工点５０の前方となるようにすることができる。

図１３は、実施の形態２にかかる造形物４の形成方向を変更した加工を行う場合のＸＹ断面を示す第１の図である。なお、図１３以降において、点線で囲われた範囲は、積層造形装置１００が積層する予定の範囲を示す。図１３（ａ）に示すように、回転ステージを用いて造形物４の形成方向を変更した加工を行う場合には、駆動ステージ６上のＸＹ平面の回転ステージを用いて、図１３（ｂ）に示すように、ワーク３をθ回転させ造形を行うことができるので、加工方向は常に一定である。この場合、直線状のラインビーム４０を用いても、常に造形物４の加工方向に対して垂直にラインビーム４０を照射することができる。

図１４は、実施の形態２にかかる造形物４の形成方向を変更した加工を行う場合のＸＹ断面を示す第２の図である。図１４（ａ）に示すように、回転ステージがない場合に造形物４の形成方向を変更した加工を行う場合には、Ｘ軸方向の動作速度とＹ軸方向の動作速度とを適切な比率に制御することで、加工方向を変更することができるが、ＸＹ平面に対して斜め方向に加工する必要がある。しかし、直線状のラインビーム４０を用いると、図１４（ｂ）に示すように、斜め方向に加工する場合に、造形物４が延びるように積層される方向に対して垂直な断面を計測することができなくなる。

図１５は、実施の形態２にかかる造形物４の形成方向を変更した加工を行う場合のＸＹ断面を示す第３の図である。図１５（ａ）に示すように、ライン照明８は、円形のラインビーム４０ａを用いる。この場合、図１５（ｂ）に示すように、斜め方向に造形物４の加工を行っても、ラインビーム４０ａが加工点５０を中心とした円形状で照射されるため、加工方向に依らず、常に加工点５０から一定の距離の造形物４の高さを計測することができる。本実施の形態の積層造形装置１００は、ラインビーム４０ａが円状に照射された照射エリアのうち、加工点５０を基準としてワーク３上における加工点５０の移動方向の前方にある照射領域を用いて高さ計測を行う。

受光部１６には円状の照射エリアの全周からの反射光が結像されるが、本実施の形態の積層造形装置１００は、これらのうち加工点５０の移動方向の前方にある円弧からの反射光の像を用いて高さを計測する。ワイヤを＋Ｘ方向から装填する場合、一般には、＋Ｙ方向〜−Ｘ方向〜−Ｙ方向の１８０度の範囲で加工されることが多い。このため、ここでは、円形のラインビーム４０ａについて説明したが、厳密に円形である必要はなく、楕円形状であっても良く、半円など、一部途切れていても問題はない。ラインビームのラインが延びる方向の変化量が９０度以上であれば、加工点５０がどの方向に走査される場合であっても、形成済みの造形物４の高さ測定が可能である。例えば、円弧状のラインビーム４０ａの場合、中心角が９０度以上であればよい。もし、−Ｘ方向から＋Ｙ方向までの９０度の円弧状のラインビームを用いるとすると、＋Ｘ方向、−Ｙ方向にビードが延びるように形成される場合には、加工直後を計測することとなり、−Ｘ方向、＋Ｙ方向にビードが延びるように形成される場合には、加工直前を計測することとなる。また、曲線状のラインビームであれば、接線方向の変化量が９０度以上であればよい。また、加工方向が互いに垂直な２方向だけであれば、正方形などの四角形状でも良い。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 加工用レーザ、２ 加工ヘッド、３ ワーク、４ 造形物、５ 固定具、６ 駆動ステージ、７ 加工材料、８ ライン照明、９ 演算部、１０ 制御部、１１ 投光レンズ、１２ ビームスプリッタ、１３ 対物レンズ、１４ バンドパスフィルタ、１５ 集光レンズ、１６ 受光部、２０ 下限値、２１ 上限値、３０ 加工光、３１ メルトプール、３２ 高温部、４０，４０ａ ラインビーム、５０ 加工点、７１ 溶滴、７２ 溶け残り、１００ 積層造形装置、２００ 制御回路、２００ａ プロセッサ、２００ｂ メモリ。

Claims (15)

1. ワーク上で加工位置を移動させながら前記加工位置に加工材料を供給し、前記加工材料を溶融させ、溶融した後に凝固した前記加工材料を前記加工位置で積層することで付加加工を行うとともに、前記付加加工を繰り返して造形物を形成する積層造形装置であって、
   前記付加加工中に前記ワーク上に形成済みの前記造形物の計測位置における高さを計測し、前記計測の結果を示す計測結果を出力する高さ計測部と、
   前記計測位置に新たに積層するときの加工条件を前記計測結果に応じて制御する制御部と、
   を備え、
   前記計測位置は、
   前記加工位置の移動に伴って移動し、前記加工材料が凝固した位置であることを特徴とする積層造形装置。
2. ワーク上で加工位置を移動させながら前記加工位置に加工材料を供給し、前記加工材料を溶融させ、溶融した後に凝固した前記加工材料を前記加工位置で積層することで付加加工を行うとともに、前記付加加工を繰り返して造形物を形成する積層造形装置であって、
   前記ワーク上に形成済みの前記造形物の計測位置における高さを示す計測結果を出力する高さ計測部と、
   前記計測位置に新たに積層するときの加工条件を前記計測結果に応じて制御する制御部と、
   を備え、
   前記計測位置は、
   前記加工位置の移動に伴って移動し、前記加工材料が凝固した位置であって、前記加工位置から見て前記加工位置が前記ワーク上を移動していく方向に位置することを特徴とする積層造形装置。
3. ワーク上で加工位置を移動させながら前記加工位置に加工材料を供給し、前記加工材料を溶融させ、溶融した後に凝固した前記加工材料を前記加工位置で積層することで付加加工を行うとともに、前記付加加工を繰り返して造形物を形成する積層造形装置であって、
   前記ワーク上に形成済みの前記造形物の計測位置における高さを示す計測結果を出力する高さ計測部と、
   前記計測位置に新たに積層するときの加工条件を前記計測結果に応じて制御する制御部と、
   を備え、
   前記計測位置は、
   前記加工位置の移動に伴って移動し、前記加工材料が凝固した位置であり、
   前記高さ計測部は、
   前記計測位置に計測用の照明光を照射する計測用照明と、
   前記計測用の照明光が前記計測位置で反射した反射光を受光素子で受光する受光光学系と、
   を有し、
   前記受光素子上における前記反射光の受光位置に基づいて、前記ワーク上に形成された造形物の高さを算出することを特徴とする積層造形装置。
4. 前記計測位置は、
   前記加工位置から見て前記加工位置が前記ワーク上を移動していく方向に位置することを特徴とする請求項１または３に記載の積層造形装置。
5. 前記高さ計測部は、
   前記計測位置に計測用の照明光を照射する計測用照明と、
   前記計測用の照明光が前記計測位置で反射した反射光を受光素子で受光する受光光学系と、
   を有し、
   前記受光素子上における前記反射光の受光位置に基づいて、前記ワーク上に形成された造形物の高さを算出することを特徴とする請求項１または２に記載の積層造形装置。
6. 前記加工材料を溶融する加工光を前記加工位置に結像する加工光学系を有することを特徴とする請求項３または５に記載の積層造形装置。
7. 前記受光光学系は、
   前記加工光学系と一体であることを特徴とする請求項６に記載の積層造形装置。
8. 前記計測位置は、
   前記受光素子の視野内であることを特徴とする請求項６または７に記載の積層造形装置。
9. 前記計測用の照明光は、
   ライン状に照射されるラインビームであることを特徴とする請求項６から８のいずれか１つに記載の積層造形装置。
10. 前記計測用の照明光は、
    円形状に照射されるラインビームであることを特徴とする請求項６から８のいずれか１つに記載の積層造形装置。
11. 前記ラインビームのラインが延びる方向の変化量が９０度以上であることを特徴とする請求項９または１０に記載の積層造形装置。
12. 前記制御部は、
    前記計測結果が、あらかじめ設定された積層物の高さである目標値より高い場合は、前記加工位置に供給する前記加工材料の供給量を減少させ、前記計測結果が前記目標値より低い場合は、前記供給量を増加させることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１つに記載の積層造形装置。
13. 前記制御部は、
    前記計測結果が、あらかじめ設定された積層物の高さである目標値より高い場合は、前記加工光の出力を減少させ、前記計測結果が前記目標値より低い場合は、前記加工光の出力を増加させることを特徴とする請求項６から１１のいずれか１つに記載の積層造形装置。
14. 前記制御部は、
    前記計測結果が、あらかじめ設定された積層物の高さである目標値より高い場合は、前記加工位置を移動させる速度を増加させ、前記計測結果が前記目標値より低い場合は、前記加工位置を移動させる速度を減少させることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１つに記載の積層造形装置。
15. 前記制御部は、
    前記加工材料の先端部の溶融前の高さを、あらかじめ設定された積層物の高さである目標値に応じて上昇させ、前記計測結果が、前記目標値より高い場合は、前記溶融前の高さを上昇させる量を増加させ、前記計測結果が前記目標値より低い場合は、前記溶融前の高さを上昇させる量を減少させることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１つに記載の積層造形装置。

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