JP6826201B2 - 三次元積層造形装置の施工異常検出システム、三次元積層造形装置、三次元積層造形装置の施工異常検出方法、三次元積層造形物の製造方法、及び、三次元積層造形物 - Google Patents

三次元積層造形装置の施工異常検出システム、三次元積層造形装置、三次元積層造形装置の施工異常検出方法、三次元積層造形物の製造方法、及び、三次元積層造形物 Download PDF

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Description

本開示は、敷設された粉末に光ビームや電子ビーム等のビームを照射して選択的に固化することにより積層造形を行う三次元積層造形装置の施工異常検出システム、当該システムを備える三次元積層造形装置、三次元積層造形装置の施工異常検出方法、当該施工異常検出方法を利用した三次元積層造形物の製造方法、及び、当該製造方法によって製造される三次元積層造形物に関する。に関する。
層状に敷設された粉末に光ビームや電子ビーム等のビームを照射することによって、三次元形状物を積層造形する三次元積層造形技術が知られている。例えば特許文献１には、粉末で形成された粉末層に光ビームを照射して焼結層を形成し、それを繰り返すことで、複数の焼結層が一体として積層された三次元形状物を製造する、三次元積層造形方法が開示されている。
特開２００９−１９００号公報
上記特許文献１のような三次元積層造形方法では、層状の焼結層を繰り返し積層することにより、大きな三次元形状物を形成するため、その完成までには、長い作業時間を要するのが現状である。特に鉄、銅、アルミニウム又はチタン等の金属粉末を用いる場合、その作業時間は数十時間にも及んでいる。
ところで、この種の三次元積層造形方法では、ビームの照射前に粉末を均一に敷設する必要があるが、その敷設面に凹凸があると造形物の品質不良に繋がる可能性がある。また、粉末の敷設後にビームを照射する施工は熱加工であるため、造形途中に大きな変形が生じる可能性もある。例えば粉末の敷設面より上方に突出するように変形が生じると、次のサイクルに粉末を敷設した際に敷設面に凹凸が生じやすくなってしまう。また、造形途中に溶融した粉末の一部から発生するスパッタが残留すると異物となり、クラックの発生原因となる融合不良や造形品の酸素濃度増加等の品質不良に繋がるおそれがある。
このように造形途中に品質不良に繋がる異常が発生することがあるが、このような異常発生は、もっぱら目視確認に頼らざるを得ないのが現状である。上述したように、造形作業は長時間に及ぶため、全行程にわたって目視確認を行うことは現実的でなく、新たな技術開発が望まれている。従来は、一連の造形プロセスが完了した後に、完成した造形品に対して非破壊検査を実施することで、品質不良の合否判定を行っている。しかしながら、このような手法では、造形プロセスの完了後の検査で異常が発見された場合、その造形品は不良品として廃棄処分せざるを得ず、それまでにかかった長い作業時間は無駄となってしまう。これは、手戻りや無駄な工数の増加を招き、生産性の向上を妨げる大きな要因の一つとなっている。
本発明の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、造形途中に発生する各種異常を早期かつ的確に検知可能な三次元積層造形装置の施工異常検出システム、当該システムを備える三次元積層造形装置、及び、三次元積層造形装置の施工異常検出方法を提供することを目的とする。また当該施工異常検出方法を利用することにより、良好な品質を有する三次元積層造形物の製造方法、及び、当該製造方法によって製造される三次元積層造形物を提供することを目的とする。
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形装置の施工異常検出システムは上記課題を解決するために、パウダーベッドにビームを照射して積層造形する三次元積層造形装置の施工異常検出システムであって、前記パウダーベッドの表面形状を測定するための形状測定センサと、前記形状測定センサの検出結果に基づいて、前記パウダーベッドの基準位置に対する平均高さが第１規定範囲から逸脱する第１条件と、前記パウダーベッドの高さのばらつきが第２規定範囲から逸脱する第２条件と、の少なくとも一方を満たす場合に、前記パウダーベッドの敷設異常が発生したと判定するように構成された敷設異常判定部と、を備える。
上記（１）の構成によれば、形状測定センサによってパウダーベッドの表面形状を測定した結果が第１条件及び第２条件の少なくとも一方を満たす場合に、敷設異常が発生したと判定する。この種の積層造形施工では、ビームの照射前に粉末を均一に敷設する必要があり、その敷設面に凹凸のような敷設異常があると造形物の品質不良に繋がる可能性があるが、このような第１条件及び第２条件に基づく判定によって、敷設異常を的確に検出できる。
第１条件では、パウダーベッドの基準位置に対する平均高さが第１規定範囲から逸脱するか否かに基づいて、敷設異常が判定される。これによって、例えば、敷設されたパウダーベッドの平均高さが低すぎることによって、ビーム出力がパウダーベッドの粉末量に対して過剰となることで溶融し過ぎてしまったり、逆に、敷設されたパウダーベッドの平均高さが高すぎることによって、ビーム出力がパウダーベッドの粉末量に対して不足することで溶融不足になってしまうような敷設異常を判断できる。また第２条件では、パウダーベッドの高さのばらつきが第２規定範囲から逸脱するか否かに基づいて敷設異常が判断できる。このように第１条件及び第２条件という２つの観点から敷設異常を判定することで、造形途中に発生する品質不良に繋がるような異常を早期かつ的確に検知できる。
（２）幾つかの実施形態では上記（１）の構成において、前記ビームの照射後における前記パウダーベッドの前記形状測定センサによる測定結果に基づいて、前記ビームの照射による前記パウダーベッドの変形量が第３規定範囲から逸脱する第３条件を満たす場合に、前記パウダーベッドからの造形層の造形異常が発生したと判定するように構成された造形異常判定部を更に備える。
上記（２）の構成によれば、形状測定センサによってパウダーベッドの表面形状を測定した結果が第３条件を満たす場合に、造形異常が発生したと判定される。第３条件では、ビームの照射によるパウダーベッドの変形量が第３規定範囲から逸脱するか否かに基づいて、造形異常が判定される。粉末の敷設後にビームを照射する施工は熱加工であるため、造形途中に大きな変形を伴う造形異常が生じる可能性があるが、第３条件に基づく判定によって、このような造形異常を的確に検出できる。
（３）幾つかの実施形態では上記（２）の構成において、前記造形異常判定部は、前記ビームの照射後における前記パウダーベッドの前記形状測定センサによる測定結果に基づいて、前記造形層上にスパッタが局所的に存在する場合に、前記第３条件の成否に関わらず、前記パウダーベッドからの造形層の造形異常が発生したと判定する。
上記（３）の構成によれば、ビームの照射後の造形層上にスパッタが局所的に存在する場合、第３条件の成否に関わらず、造形異常が発生したと判定される。これは、スパッタは粉末がビームによって溶融された際に酸化物を比較的高い割合で含んで形成されるため、局所的に存在するとその後の造形不良を招きやすいためである。
尚、本構成におけるスパッタが局所的に存在するか否かは、例えば、ビーム照射後のパウダーベッドの表面に生じる凸状変形量の投影面積（凸部投影面積）が、想定されるスパッタ粒径以下であるか否かを基準に判定されてもよい。ここで、基準となるスパッタ粒径は、スパッタの発生形態に対応して設定可能であるが、例えば、パウダーベッドにビームが照射されて形成される溶融池から飛散して凝固する発生形態のスパッタの場合、想定されるスパッタ粒径は比較的大きく、１５０μｍ〜３００μｍ程度であることから、３００μｍ×３００μｍ以下の凸部投影面積が得られた場合にスパッタが局所的に存在すると判定することができる。
（４）幾つかの実施形態では上記（２）又は（３）の構成において、前記造形異常判定部により前記造形異常が発生したと判定されたとき、前記造形異常を知らせる警告を発する第造形異常警告通知部を更に備える。
上記（４）の構成によれば、上記構成において造形異常が発生したと判断された場合に、その旨を警告することで、造形作業を中断したり、中止するなど、適切な対応をとることが可能となる。
尚、第造形異常警告通知部による警告行為は、オペレータなどの人間の五感に知覚可能な態様で対応行動を促すものであってもよいし、造形作業を実施している三次元積層造形装置に対して電気的又は機械的な態様で自動制御を実施するように指示するものであってもよい。
（５）幾つかの実施形態では上記（１）から（４）のいずれか一構成において、前記形状測定センサは、前記パウダーベッドの表面にフリンジパターンを投影するためのプロジェクタと、前記フリンジパターンを撮像するための少なくとも１つの撮像ユニットと、前記撮像ユニットにより撮像された前記フリンジパターンに基づいて、前記パウダーベッドの前記表面形状を示す三次元データを生成するための解析部と、を含む。
上記（５）の構成によれば、形状測定センサとしてフリンジプロジェクション法を採用することにより、パウダーベッドの表面形状のリアルタイム計測を、非接触で高速に実施できる。
（６）幾つかの実施形態では上記（１）から（５）のいずれか一構成において、前記敷設異常判定部により前記敷設異常が発生したと判定されたとき、前記敷設異常を知らせる警告を発する敷設異常警告通知部を更に備える。
上記（６）の構成によれば、上記構成において敷設異常が発生したと判断された場合に、その旨を警告することで、造形作業を中断したり、中止するなど、適切な対応をとることが可能となる。
尚、敷設異常警告通知部による警告行為は、上述の造形異常警告通知部と同様に、オペレータなどの人間の五感に知覚可能な態様で対応行動を促すものであってもよいし、造形作業を実施している三次元積層造形装置に対して電気的又は機械的な態様で自動制御を実施するように指示するものであってもよい。
（７）幾つかの実施形態では上記（１）から（６）のいずれか一構成において、前記第１規定範囲は、前記パウダーベッドの基準位置に対する平均高さと前記基準位置との差異Δｔと、造形サイクルあたりのベースプレートの移動量Ｍと、を用いて次式
０．５Ｍ＜Δｔ＜２Ｍ
により規定される。
上記（７）の構成によれば、第１条件を判定するために用いられる第１規定範囲は、サイクル毎のベースプレートの移動量に基づいて上式で規定することで、敷設異常を的確に判定できる。
（８）幾つかの実施形態では上記（１）から（７）のいずれか一構成において、前記第２規定範囲は、前記パウダーベッドの高さのばらつきσと、造形サイクルあたりの前記ベースプレートの移動量Ｍと、を用いて次式
３σ＜Ｍ
により規定される。
上記（８）の構成によれば、第２条件を判定するために用いられる第２規定範囲は、サイクル毎のベースプレートの移動量に基づいて上式で規定することで、敷設異常を的確に判定できる。
（９）幾つかの実施形態では上記（２）の構成において、前記第３規定範囲は、前記パウダーベッドの最大変形量Ｃｍａｘと、造形サイクルあたりの前記ベースプレートの移動量Ｍと、を用いて次式
Ｃｍａｘ＜Ｍ
により規定される。
上記（９）の構成によれば、第３条件を判定するために用いられる第３規定範囲は、サイクル毎のベースプレートの移動量に基づいて上式で規定することで、敷設異常を的確に判定できる。
（１０）本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形装置の施工異常検出システムは上記課題を解決するために、パウダーベッドにビームを照射して積層造形する三次元積層造形装置の施工異常検出システムであって、前記パウダーベッドの表面形状を測定するための形状測定センサと、前記ビームの照射後における前記パウダーベッドの前記形状測定センサによる測定結果に基づいて、前記ビームの照射による前記パウダーベッドの変形量が第３規定範囲から逸脱する第３条件を満たす場合に、前記パウダーベッドからの造形層の造形異常が発生したと判定するように構成された造形異常判定部と、を備える。
上記（１０）の構成によれば、形状測定センサによってパウダーベッドの表面形状を測定した結果が第３条件を満たす場合に、造形異常が発生したと判定される。第３条件では、ビームの照射によるパウダーベッドの変形量が第３規定範囲から逸脱するか否かに基づいて、造形異常が判定される。粉末の敷設後にビームを照射する施工は熱加工であるため、造形途中に大きな変形を伴う造形異常が生じる可能性があるが、第３条件に基づく判定によって、このような造形異常を的確に検出できる。
（１１）本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形装置は上記課題を解決するために、ベースプレートと、前記ベースプレート上に粉末を敷設してパウダーベッドを形成するための粉末敷設ユニットと、前記パウダーベッドに光ビームを照射し、前記パウダーベッドを選択的に固化するための光ビーム照射ユニットと、少なくとも前記粉末敷設ユニットによる前記パウダーベッドの敷設異常を検出するように構成された、上記（１）から（１０）のいずれか一構成の施工異常検出システムと、を備える。
上記（１１）の構成によれば、上述の施工異常検出システム（上記各種態様を含む）を備えることにより、造形途中に発生する各種異常を早期かつ的確に検知できる。
（１２）本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形装置の施工異常検出方法は上記課題を解決するために、パウダーベッドに光ビームを照射して積層造形する三次元積層造形装置の施工異常検出方法であって、前記パウダーベッドの表面形状を測定する形状測定工程と、前記形状測定工程の測定結果に基づいて、前記パウダーベッドの基準位置に対する平均高さが第１規定範囲から逸脱する第１条件と、前記パウダーベッドの高さのばらつきが第２規定範囲から逸脱する第２条件と、の少なくとも一方を満たす場合に、前記パウダーベッドの敷設異常が発生したと判定する敷設異常判定工程と、を備える。
上記（１２）の方法は、上述の施工異常検出システム（上記各種態様を含む）によって好適に実施できる。
（１３）本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形装置の施工異常検出方法は上記課題を解決するために、パウダーベッドにビームを照射して積層造形する三次元積層造形装置の施工異常検出方法であって、前記ビームの照射後に前記パウダーベッドの表面形状を測定する形状測定工程と、前記形状測定工程の測定結果に基づいて、前記ビームの照射による前記パウダーベッドの変形量が第３規定範囲から逸脱する第３条件を満たす場合に、前記パウダーベッドからの造形層の造形異常が発生したと判定する造形異常判定工程と、を備える。
上記（１３）の方法は、上述の施工異常検出システム（上記各種態様を含む）によって好適に実施できる。
（１４）本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形物の製造方法は上記課題を解決するために、層状に敷設された粉末にビームを照射して積層造形を行う三次元積層造形物の製造方法であって、ベースプレート上に前記粉末を敷設してパウダーベッドを形成する工程と、前記パウダーベッドの表面形状を測定する形状測定工程と、前記形状測定工程の測定結果に基づいて、前記パウダーベッドの基準位置に対する平均高さが第１規定範囲から逸脱する第１条件と、前記パウダーベッドの高さのばらつきが第２規定範囲から逸脱する第２条件と、の少なくとも一方を満たす場合に、前記パウダーベッドの敷設異常が発生したと判定する敷設異常判定工程と、前記パウダーベッドの敷設異常が発生したと判定された場合、前記敷設欠陥の修復作業を実施する修復工程と、前記パウダーベッドに前記ビームを照射することにより、前記パウダーベッドを選択的に固化する工程と、を備える。
上記（１４）の製造方法によれば、敷設異常が少ない高品質な三次元積層造形物を製造できる。
（１５）本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形物は上記課題を解決するために、層状に敷設された粉末にビームを照射して積層造形を行うことにより製造される三次元積層造形物であって、ベースプレート上に前記粉末を敷設してパウダーベッドを形成し、前記パウダーベッドの表面形状を測定し、その測定結果に基づいて、前記パウダーベッドの基準位置に対する平均高さが第１規定範囲から逸脱する第１条件と、前記パウダーベッドの高さのばらつきが第２規定範囲から逸脱する第２条件と、の少なくとも一方を満たす場合に、前記パウダーベッドの敷設異常が発生したと判定し、前記パウダーベッドの敷設異常が発生したと判定された場合、前記敷設欠陥の修復作業を実施し、前記パウダーベッドに前記ビームを照射することにより、前記パウダーベッドを選択的に固化することで製造される。
上記（１５）の三次元積層造形物は、敷設欠陥が少なく高品質である。
本発明の少なくとも一実施形態によれば、造形途中に発生する各種異常を早期かつ的確に検知可能な三次元積層造形装置の施工異常検出システム、当該システムを備える三次元積層造形装置、及び、三次元積層造形装置の施工異常検出方法を提供できる。
本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形装置の全体構成を示す模式図である。 図１の光ビーム照射ユニットの内部構成を示す模式図である。 図１の形状測定センサの具体的構成例を示す模式図である。 図１の制御装置の内部構成を機能的に示すブロック図である。 図１の破線領域Ｒにおける拡大断面図である。 図１の破線領域Ｒの光ビーム照射前後における拡大断面図である。 図１の三次元積層造形装置の制御内容を工程毎に示すフローチャートである。
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
また例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
図１は、本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形装置１の全体構成を示す模式図である。
三次元積層造形装置１は、層状に敷設された粉末にビームを照射して積層造形を行うことにより三次元形状物を製造するための装置である。三次元積層造形装置１は、三次元形状物が造形される土台となるベースプレート２を備える。ベースプレート２は、鉛直方向に沿った中心軸を有する略円筒形状のシリンダ４の内側に昇降可能に配置されている。ベースプレート２上には、後述するように粉末が敷設されることによりパウダーベッド８が形成される。パウダーベッド８は、造形作業の間、各サイクルにてベースプレート２が下降する毎に、上層側に粉末が敷設されることにより新たに形成される。
尚、本実施形態の三次元積層造形装置１ではビームとして光ビームを照射する場合を示すが、電子ビーム等の他の形態のビームを使用する場合にも、本発明の思想は同様に適用可能である。
三次元積層造形装置１は、ベースプレート２上に粉末を敷設してパウダーベッド８を形成するための粉末敷設ユニット１０を備える。粉末敷設ユニット１０は、ベースプレート２の上面側に粉末を供給し、その表面を平坦化することによって、ベースプレート２の上面全体に亘って略均一な厚さを有する層状のパウダーベッド８を形成する。各サイクルで形成されたパウダーベッド８には、後述する光ビーム照射ユニット１４から光ビームが照射されることによって選択的に固化され、次サイクルにて、粉末敷設ユニット１０によって再び上層側に粉末が敷設されることで、新たなパウダーベッドが形成されることによって、層状に積み重ねられていく。
尚、粉末敷設ユニット１０から供給される粉末は、三次元形状物の原料となる粉末状物質であり、例えば鉄、銅、アルミニウム又はチタン等の金属材料や、セラミック等の非金属材料を広く採用可能である。
三次元積層造形装置１は、パウダーベッド８を選択的に固化するようにパウダーベッド８に光ビームを照射するための光ビーム照射ユニット１４を備える。ここで図２は図１の光ビーム照射ユニット１４の内部構成を示す模式図である。光ビーム照射ユニット１４は、光ビームとしてレーザ光を出力する光源１８と、光源１８からの光ビームを集光部２５に案内するための光ファイバ２２と、複数の光学部材からなる集光部２５と、を備える。
集光部２５では、光ファイバ２２によって案内された光ビームが、コリメータ２４に入射する。コリメータ２４は光ビームを平行光に集束する。コリメータ２４からの出射光は、アイソレータ２６及びピンホール２８を介して、ビームエキスパンダ３０に入射する。光ビームはビームエキスパンダ３０で拡径された後、任意方向に揺動可能なガルバノミラー３２によって偏向され、ｆθレンズ３３を介してパウダーベッド８に照射される。
光ビーム照射ユニット１４から照射される光ビームは、パウダーベッド８上にて、その表面８ａに沿って二次元的に走査される。このような光ビームの二次元走査は、造形目的となる三次元形状物に応じたパターンで実施され、例えば光ビーム照射ユニット１４が不図示の駆動機構によってベースプレート２の表面に沿って移動することによって行われてもよいし、ガルバノミラー３２の角度が制御されることによって行われてもよいし、或いは、これらの組み合わせによって行われてもよい。
このような構成を有する三次元積層造形装置１では、各サイクルにおいて、粉末敷設ユニット１０によってベースプレート２上に粉末を敷設することでパウダーベッド８が形成され、当該パウダーベッド８に対して光ビーム照射ユニット１４から光ビームを照射しながら二次元走査することで、パウダーベッド８に含まれる粉末が選択的に固化される。造形作業では、このようなサイクルが繰り返し実施されることで、固化された造形層１５が積層され、目的となる三次元形状物が製造される。
再び図１に戻って、三次元積層造形装置１には、造形作業中におけるパウダーベッド８又は造形層１５における形状を監視するための形状測定センサ３４が備えられている。本実施形態では、形状測定センサ３４の一例としてフリンジプロジェクション法をベースにした光学式スキャナが用いられている。
ここで図３は、図１の形状測定センサ３４の具体的構成例を示す模式図である。形状測定センサ３４は、パウダーベッド８又は造形層１５の表面にフリンジパターン（縞模様）を投影するためのプロジェクタ３４ａと、前記投影されたフリンジパターンを撮像するための少なくとも１つの撮像ユニット３４ｂ１及び３４ｂ２と、これら撮像ユニット３４ｂ１及び３４ｂ２のより撮像されたフリンジパターンに基づいて、パウダーベッド８又は造形層１５の表面形状を示す三次元データを生成するための分析部３４ｃと、を備えて構成される。分析部３４ｃでは、撮像ユニット３４ｂ１及び３４ｂ２で撮像された二次元的なフリンジパターンが、光学的変換式に基づいて独立した三次元座標系にピクセル毎に変換されることによって、三次元データに演算される。
尚、形状測定センサ３４で実施されるフリンジプロジェクション法については公知の例に倣うこととし、詳述は割愛する。また分析部３４ｃは、例えばコンピュータ等の電子演算装置から構成されるが、後述する制御装置１００に含まれてもよい。
尚、本実施形態では、パウダーベッド８及び造形層１５の双方を共通の形状測定センサ３４によって監視可能に構成した場合を例示したが、パウダーベッド８及び造形層１５をそれぞれ別構成の形状測定センサによって監視可能に構成してもよい。
また三次元積層造形装置１は、オペレータや外部機器に対して異常発生を認識させるための敷設異常警告部４４ａ及び造形異常警告部４４ｂを備える。本実施形態では、三次元積層造形装置１で発生する異常として、敷設異常と造形異常の２種類がある。敷設異常警告部４４ａ及び造形異常警告部４４ｂは、それぞれ敷設異常と造形異常を報知することで、２種類の異常が識別可能に構成されている。
また敷設異常警告部４４ａ及び造形異常警告部４４ｂによる警告の認識対象がオペレータ等の人間である場合には、敷設異常警告部４４ａ及び造形異常警告部４４ｂは視覚や聴覚などの五感によって認識可能な態様で、例えば、異常発生を報知するためのブザーやインジケータによって構成される。また敷設異常警告部４４ａ及び造形異常警告部４４ｂによる警告の認識対象が外部機器である場合には、敷設異常警告部４４ａ及び造形異常警告部４４ｂは外部機器によって認識可能な電気的信号が送信されるように構成されており、外部機器はこの電気的信号を受信することで、所定の対応動作が自動的に実施されるように構成されてもよい。
制御装置１００は、三次元積層造形装置１のコントロールユニットであり、例えばコンピュータのような電子演算装置によって構成される。典型的には、各種情報を入力可能な入力デバイス、各種情報を記憶可能な記憶デバイス、各種情報を演算可能な演算デバイス、各種情報を出力可能な出力デバイスを含んで構成されるが、これら電子演算装置の一般的構成については公知の例に倣うこととし、ここでは詳しい説明は省略する。このような制御装置１００は、予め記憶デバイスに記憶されたプログラムに従って動作することにより、本発明の少なくとも一実施形態に係る施工異常検出方法を実施するように構成されている。
図４は図１の制御装置１００の内部構成を機能的に示すブロック図である。尚、図４では、制御装置１００の機能的構成のうち、後述する制御内容に関する構成のみを代表的に示しており、必要に応じて他の構成を備えていてもよい。
制御装置１００は、形状測定センサの検出結果を取得する形状モニタリング部１０２と、パウダーベッド８の敷設異常を判定するための敷設異常判定部１０４と、造形層の造形異常を判定するための造形異常判定部１０６と、敷設異常警告部４４ａ及び造形異常警告部４４ｂをそれぞれ作動するための敷設異常警告通知部１０８ａ及び造形異常警告通知部１０８ｂと、施工異常検出方法を実施に必要な各種情報を記憶可能な記憶部１１０と、を備える。
形状モニタリング部１０２は形状測定センサ３４から検出結果を取得し、敷設異常判定部１０４、形成異常判定部１０６又は記憶部１１０に対して、必要に応じて取得内容をそれぞれ与える。特に敷設異常判定部１０４には、形状測定センサ３４の検出結果のうち、光レーザが照射される前のパウダーベッド８の表面形状に関するデータが送られる。また造形異常判定部１０６には、形状測定センサ３４の検出結果のうち、光レーザが照射された後の造形層１５の表面形状に関するデータが送られる。
敷設異常判定部１０４は、形状モニタリング部１０２で取得された計測結果に基づいて、光ビーム照射ユニットによって光ビームが照射される前のパウダーベッド８における敷設異常を判定する。このような敷設異常の判定は、記憶部１１０に予め記憶された第１条件及び第２条件のいずれか一方を満たすか否かによって行われる。
ここで図５を参照して第１条件及び第２条件の規定内容について具体的に説明する。図５は図１の破線領域Ｒにおける拡大断面図である。図５では、ベースプレート２上に粉末敷設ユニット１０によって複数層にわたって敷設されたパウダーベッド８の断面が示されている。パウダーベッド８の各層は造形サイクル毎にベースプレート２が移動量Ｍずつ下方に移動する際に、ベースプレート２上に厚さＭで繰り返し敷設されて形成される。
このような積層断面では、基準位置Ｔｒｅｆとしてベースプレート２の表面が設定されている。この基準位置Ｔｒｅｆは、あるサイクルにおけるＮ（任意の自然数）層目のパウダーベッド８の表面位置を基準に設定されていてもよい。このように規定された基準位置Ｔｒｅｆは、予め記憶部１１０に記憶しておき、必要に応じて読み出されるようにしてもよい。
ここでパウダーベッド８の表面８ａは、光ビームの照射前に粉末を均一に敷設して平坦であることが理想であるが、図５に示されるように、実際には少なからず微視的な凹凸が存在しており、その大きさによっては造形物の品質不良に繋がる可能性がある。第１条件は、パウダーベッド８の基準位置Ｔｒｅｆに対する平均高さＴａｖｇと基準位置Ｔｒｅｆとの差異Δｔが第１規定範囲から逸脱するか否かに基づいて判断される。第１規定範囲は下限値Ｔａｖｇ＿ｍｉｎ及び上限値Ｔａｖｇ＿ｍａｘによって差異Δｔの適正範囲を規定する。下限値Ｔａｖｇ＿ｍｉｎは、敷設されたパウダーベッド８の平均高さＴａｖｇが低すぎることによって（例えばパウダーベッド８に凹部があることによって局所的に薄い領域がある場合）、光ビーム出力がパウダーベッド８の粉末量に対して過剰となることで溶融し過ぎるような敷設異常を判定するための閾値である。一方、上限値Ｔａｖｇ＿ｍａｘは、敷設されたパウダーベッド８の平均高さＴａｖｇが高すぎることによって（例えばパウダーベッド８に凸部があることによって局所的に厚い領域がある場合）、光ビーム出力がパウダーベッド８の粉末量に対して不足することで溶融不足になってしまうような敷設異常を判定するための閾値である。
このような第１条件は、例えば、造形サイクルあたりのベースプレート２の移動量（すなわちパウダーベッド８の一層あたりの厚さ）Ｍを用いて次式
０．５Ｍ＜Δｔ＜２Ｍ
により規定される。
第２条件は、パウダーベッド８の高さのばらつきσが第２規定範囲から逸脱するか否かに基づいて判断される。ここでばらつきσは、図５に示されるように、表面８ａ上の各位置における基準高さＴｒｅｆに対する差異Δｔと平均高さＴａｖｇとの偏差として規定される。第２規定範囲は、上限値σｒｅｆによってばらつきσの適正範囲を規定する。上限値σｒｅｆは、パウダーベッド８の表面８ａ上にある凹凸のばらつきが造形不良をもたらす程度に大きいか否かを判定するための閾値として設定される。
このような第２条件は、例えば、造形サイクルあたりのベースプレート２の移動量（すなわちパウダーベッド８の一層あたりの厚さ）Ｍを用いて次式
３σ＜Ｍ
により規定される。
続いて造形異常判定部１０６は、形状モニタリング部１０２で取得された計測結果に基づいて、光ビーム照射ユニット１４によって光ビームが照射されることで形成される造形層１５における造形異常を判定する。このような造形異常の判定は、記憶部１１０に予め記憶された第３条件を満たすか否かによって行われる。
ここで図６を参照して第３条件の規定内容について具体的に説明する。図６は図１の破線領域Ｒの光ビーム照射前後における拡大断面図である。左側に示されるように、厚さΔｔのパウダーベッド８に対して光ビームが照射されることで、厚さΔｔ’の造形層１５が形成される場合を例示する。この場合、光ビームの照射によるパウダーベッド８の変形量Ｃは、照射前の厚さΔｔと、照射後の厚さΔｔ’の差分として得られる。形成異常判定部１０６では、このような変形量Ｃを造形層１５の全体表面にわたって取得し、その最大値（最大変形量）Ｃｍａｘが第３規定範囲内であるか否かに基づいて造形異常を判定する。
このような第３条件は、例えば、パウダーベッド８の最大変形量Ｃｍａｘと、造形サイクルあたりのベースプレートの移動量Ｍと、を用いて次式
Ｃｍａｘ＜Ｍ
により規定される。
敷設異常警告通知部１０８ａは敷設異常判定部１０４によって敷設異常が存在すると判断された場合に、敷設異常警告部４４ａを作動させることにより、その旨を警告する。造形異常警告通知部１０８ｂは造形異常判定部１０６によって形成異常が存在すると判断された場合に、造形異常警告部４４ｂを作動させることにより、その旨を警告する。
記憶部１１０は、メモリ等の記憶媒体からなり、上述の第１乃至第３条件の規定内容をはじめとする各種情報を記憶する。
続いて上記構成を有する三次元積層造形装置１の制御内容について詳しく説明する。図７は図１の三次元積層造形装置１の制御内容を工程毎に示すフローチャートである。尚、三次元積層造形装置１は、造形目的となる三次元形状物を構成するために造形サイクルを繰り返して工程を進めていくが、以下の説明では、ｎ（任意の自然数）回目の造形サイクルを例に説明する。
まず三次元積層造形装置１は、ベースプレート２又はベースプレート上に既に敷設された（ｎー１）層目のパウダーベッド８上に粉末を敷設するように粉末敷設ユニット１０を制御し、ｎ層目のパウダーベッド８を形成する（ステップＳ１０１）。ここで新たに形成されるパウダーベッド８の層厚Ｍは、例えば数１０μｍである。
続いて形状モニタリング部１０２は、形状測定センサ３４から測定結果を取得することにより、パウダーベッド８の表面形状を測定する（ステップＳ１０２）。このとき形状測定センサ３４では、図３を参照して上述したようにフリンジプロジェクション法をベースとした計測によって、パウダーベッド８の表面形状が三次元構造として計測される。
続いて敷設異常判定部１０４は、形状モニタリング部１０２から取得した測定結果に基づいて、ステップＳ１０１で敷設されたパウダーベッド８に敷設異常がないか判定する（ステップＳ１０３）。この敷設異常の判定では、上述した第１条件及び第２条件の少なくとも一方を満たす場合に、パウダーベッド８の敷設異常が発生したと判定される。第１条件では、パウダーベッド８の基準位置Ｔｒｅｆに対する平均高さＴａｖｇが第１規定範囲から逸脱するか否かに基づいて、敷設異常が判定される。これによって、例えば、敷設されたパウダーベッド８の平均高さＴａｖｇが低すぎることによって、光ビーム出力がパウダーベッド８の粉末量に対して過剰となることで溶融し過ぎてしまったり、逆に、敷設されたパウダーベッド８の平均高さＴａｖｇが高すぎることによって、光ビーム出力がパウダーベッド８の粉末量に対して不足することで溶融不足になってしまうような敷設異常を判断できる。また第２条件では、パウダーベッド８の高さのばらつきσが第２規定範囲から逸脱するか否かに基づいて敷設異常が判断できる。このように第１条件及び第２条件という２つの観点から敷設異常を判定することで、造形途中に発生する品質不良に繋がるような異常を早期かつ的確に検知できる。
敷設異常があると判定された場合（ステップＳ１０３：ＮＯ）、敷設異常警告通知部１０８ａは敷設異常警告部４４ａを作動させることにより、敷設異常が発生した旨を報知する（ステップＳ１０８）。
これにより、警告を認識したオペレータや周辺機器は、造形作業を中断したり、中止するなど、適切な対応をとることが可能となる。例えば、敷設異常が存在すると判断された場合、造形作業を中断するとともに、敷設異常が存在すると判断された箇所に対して粉末の敷設状態を修復したり、パウダーベッドを再敷設するなどの修復作業が実施される。このような修復作業が完了すると、造形作業の中断状態は解除され、積層造形が継続される。
一方、敷設異常がない場合（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、制御装置１００は光ビーム照射ユニット１４を制御することにより、ステップＳ１０１で敷設されたパウダーベッド８に対して光ビームを照射して、造形処理を実施する（ステップＳ１０４）。
そして光ビームの照射が完了すると、造形異常判定部１０６は、形状モニタリング部１０２から取得した測定結果に基づいて、照射後の造形層１５に形成異常がないか判定する（ステップＳ１０５）。この形成異常の判定では、上述した第３条件で規定される第３規定範囲からパウダーベッド８の変形量が逸脱する場合に、形成異常が発生したと判定される。これにより、光ビームが照射されることでパウダーベッド８の粉末が溶融することによって想定以上に大きな変形を生じた場合には、造形異常として判断できる。
造形異常があると判定された場合（ステップＳ１０５：ＮＯ）、造形異常警告通知部１０８ｂは造形異常警告部４４ｂを作動させることにより、敷設異常が発生した旨を報知する（ステップＳ１０９）。
これにより、警告を認識したオペレータや周辺機器は、造形作業を中断したり、中止するなど、適切な対応をとることが可能となる。
一方、造形異常がないと判定された場合（ステップＳ１０５：ＹＥＳ）、造形異常判定部１０６は更に、形状モニタリング部１０２から取得した測定結果に基づいて、造形層１５上にスパッタが局所的に存在しないか判定する（ステップＳ６）。このようなスパッタの判定は、例えば、ビーム照射後のパウダーベッドの表面に生じる凸状変形量の投影面積（凸部投影面積）が、想定されるスパッタ粒径以下であるか否かを基準に判定されてもよい。ここで、基準となるスパッタ粒径は、スパッタの発生形態に対応して設定可能であるが、例えば、パウダーベッドにビームが照射されて形成される溶融池から飛散して凝固する発生形態のスパッタの場合、想定されるスパッタ粒径は比較的大きく、１５０μｍ〜３００μｍ程度であることから、３００μｍ×３００μｍ以下の凸部投影面積が得られた場合にスパッタが局所的に存在すると判定することができる。
スパッタが存在する場合（ステップＳ６：ＮＯ）、造形異常警告通知部１０８ｂは造形異常警告部４４ｂを作動させることにより、造形異常が発生した旨を報知する（ステップＳ１０９）。このように光ビームの照射後の造形層１５上にスパッタが局所的に存在する場合、第３条件の成否に関わらず、造形異常が発生したと判定される。これは、通常の粉末より大きい粒径のスパッタにより、融合不良が起こり強度低下を招くことやスパッタは粉末が光ビームによって溶融された際に酸化物を比較的高い割合で含んで形成されるため、局所的に存在するとその後の造形不良を招きやすいためである。
一方、スパッタが存在しない場合（ステップＳ６：ＹＥＳ）、制御装置１００は造形サイクルが十分繰り返されることで、一連の造形作業が完了したか否かを判定する（ステップＳ１０７）。造形処理が完了していない場合（ステップＳ１０７：ＮＯ）、制御装置１００は処理をステップＳ１０１に戻して（ｎ＋１）層目の造形処理に移行する（ステップＳ１１０）。
その後、造形サイクルが十分繰り返されて造形作業が完了すると（ステップＳ１０７：ＹＥＳ）、完成した三次元形状物に対して必要に応じて非破壊検査を実施し、一連の造形作業が終了する（終了）。
以上説明したように少なくとも一実施形態によれば、造形途中に発生する各種異常を早期かつ的確に検知可能な三次元積層造形装置の施工異常検出システム、三次元積層造形装置、及び、三次元積層造形装置の施工異常検出方法を提供できる。
本発明の少なくとも一実施形態は、敷設された粉末に光ビームを照射して選択的に固化することにより積層造形を行う三次元積層造形装置の施工異常検出システム、三次元積層造形装置、及び、三次元積層造形装置の施工異常検出方法に利用可能である。
１ 三次元積層造形装置
２ ベースプレート
４ シリンダ
８ パウダーベッド
８ａ 表面
１０ 粉末敷設ユニット
１４ 光ビーム照射ユニット
１５ 造形層
１８ 光源
２２ 光ファイバ
２４ コリメータ
２５ 集光部
２６ アイソレータ
２８ ピンホール
３０ ビームエキスパンダ
３２ ガルバノミラー
３３ レンズ
３４ 形状測定センサ
３４ａ プロジェクタ
３４ｂ１ 撮像ユニット
３４ｃ 分析部
４４ａ 敷設異常警告部
４４ｂ 造形異常警告部
１００ 制御装置
１０２ 形状モニタリング部
１０４ 敷設異常判定部
１０６ 造形異常判定部
１０８ａ 敷設異常警告通知部
１０８ｂ 造形異常警告通知部
１１０ 記憶部

Claims (14)

  1. パウダーベッドにビームを照射して積層造形する三次元積層造形装置の施工異常検出システムであって、
    前記パウダーベッドの表面形状を測定するための形状測定センサと、
    前記形状測定センサの測定結果に基づいて、前記パウダーベッドの基準位置に対する平均高さが第１規定範囲から逸脱する第１条件と、前記パウダーベッドの高さのばらつきが第２規定範囲から逸脱する第２条件と、の少なくとも一方を満たす場合に、前記パウダーベッドの敷設異常が発生したと判定するように構成された敷設異常判定部と、
    を備える、三次元積層造形装置の施工異常検出システム。
  2. 前記ビームの照射後における前記パウダーベッドの前記形状測定センサによる測定結果に基づいて、前記ビームの照射による前記パウダーベッドの変形量が第３規定範囲から逸脱する第３条件を満たす場合に、前記パウダーベッドからの造形層の造形異常が発生したと判定するように構成された造形異常判定部を更に備える、請求項１に記載の三次元積層造形装置の施工異常検出システム。
  3. 前記造形異常判定部は、前記ビームの照射後における前記パウダーベッドの前記形状測定センサによる測定結果に基づいて、前記造形層上にスパッタが局所的に存在する場合に、前記第３条件の成否に関わらず、前記パウダーベッドからの造形層の造形異常が発生したと判定する、請求項２に記載の三次元積層造形装置の施工異常検出システム。
  4. 前記造形異常判定部により前記造形異常が発生したと判定されたとき、前記造形異常を知らせる警告を発する造形異常警告通知部を更に備える、請求項２又は３に記載の三次元積層造形装置の施工異常検出システム。
  5. 前記形状測定センサは、
    前記パウダーベッドの表面にフリンジパターンを投影するためのプロジェクタと、
    前記フリンジパターンを撮像するための少なくとも１つの撮像ユニットと、
    前記撮像ユニットにより撮像された前記フリンジパターンに基づいて、前記パウダーベッドの前記表面形状を示す三次元データを生成するための解析部と、
    を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の三次元積層造形装置の施工異常検出システム。
  6. 前記敷設異常判定部により前記敷設異常が発生したと判定されたとき、前記敷設異常を知らせる警告を発する敷設異常警告通知部を更に備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の三次元積層造形装置の施工異常検出システム。
  7. 前記第１規定範囲は、前記パウダーベッドの基準位置に対する平均高さと前記基準位置との差異Δｔと、造形サイクルあたりのベースプレートの移動量Ｍと、を用いて次式
    ０．５Ｍ＜Δt＜２Ｍ
    により規定される、請求項１から６のいずれか一項に記載の三次元積層造形装置の施工異常検出システム。
  8. 前記第２規定範囲は、前記パウダーベッドの高さのばらつきσと、造形サイクルあたりのベースプレートの移動量Ｍと、を用いて次式
    ３σ＜Ｍ
    により規定される、請求項１から６のいずれか一項に記載の三次元積層造形装置の施工異常検出システム。
  9. 前記第３規定範囲は、前記パウダーベッドの最大変形量Ｃｍａｘと、造形サイクルあたりのベースプレートの移動量Ｍと、を用いて次式
    Ｃｍａｘ＜Ｍ
    により規定される、請求項２に記載の三次元積層造形装置の施工異常検出システム。
  10. パウダーベッドにビームを照射して積層造形する三次元積層造形装置の施工異常検出システムであって、
    前記パウダーベッドの表面形状を測定するための形状測定センサと、
    前記ビームの照射前及び照射後における前記パウダーベッドの前記形状測定センサによる測定結果に基づいて、前記ビームの照射による前記パウダーベッドの変形量が第３規定範囲から逸脱する第３条件を満たす場合に、前記パウダーベッドからの造形層の造形異常が発生したと判定するように構成された造形異常判定部と、
    を備える、三次元積層造形装置の施工異常検出システム。
  11. ベースプレートと、
    前記ベースプレート上に粉末を敷設してパウダーベッドを形成するための粉末敷設ユニットと、
    前記パウダーベッドにビームを照射し、前記パウダーベッドを選択的に固化するためのビーム照射ユニットと、
    少なくとも前記粉末敷設ユニットによる前記パウダーベッドの敷設異常を検出するように構成された、請求項１から１０のいずれか一項に記載の施工異常検出システムと、
    を備えることを特徴とする三次元積層造形装置。
  12. パウダーベッドにビームを照射して積層造形する三次元積層造形装置の施工異常検出方法であって、
    前記パウダーベッドの表面形状を測定する形状測定工程と、
    前記形状測定工程の測定結果に基づいて、前記パウダーベッドの基準位置に対する平均高さが第１規定範囲から逸脱する第１条件と、前記パウダーベッドの高さのばらつきが第２規定範囲から逸脱する第２条件と、の少なくとも一方を満たす場合に、前記パウダーベッドの敷設異常が発生したと判定する敷設異常判定工程と、
    を備える、三次元積層造形装置の施工異常検出方法。
  13. パウダーベッドにビームを照射して積層造形する三次元積層造形装置の施工異常検出方法であって、
    前記ビームの照射前及び照射後に前記パウダーベッドの表面形状を測定する形状測定工程と、
    前記形状測定工程の測定結果に基づいて、前記ビームの照射による前記パウダーベッドの変形量が第３規定範囲から逸脱する第３条件を満たす場合に、前記パウダーベッドからの造形層の造形異常が発生したと判定する造形異常判定工程と、
    を備える、三次元積層造形装置の施工異常検出方法。
  14. 層状に敷設された粉末にビームを照射して積層造形を行う三次元積層造形物の製造方法であって、
    ベースプレート上に前記粉末を敷設してパウダーベッドを形成する工程と、
    前記パウダーベッドの表面形状を測定する形状測定工程と、
    前記形状測定工程の測定結果に基づいて、前記パウダーベッドの基準位置に対する平均高さが第１規定範囲から逸脱する第１条件と、前記パウダーベッドの高さのばらつきが第２規定範囲から逸脱する第２条件と、の少なくとも一方を満たす場合に、前記パウダーベッドの敷設異常が発生したと判定する敷設異常判定工程と、
    前記パウダーベッドの敷設異常が発生したと判定された場合、前記敷設異常の修復作業を実施する修復工程と、
    前記パウダーベッドに前記ビームを照射することにより、前記パウダーベッドを選択的に固化する工程と、
    を備える、三次元積層造形物の製造方法。
JP2019535487A 2017-08-08 2017-08-08 三次元積層造形装置の施工異常検出システム、三次元積層造形装置、三次元積層造形装置の施工異常検出方法、三次元積層造形物の製造方法、及び、三次元積層造形物 Active JP6826201B2 (ja)

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