JP6844524B2 - Laminated modeling equipment and laminated modeling method - Google Patents
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Description
本発明は、積層造形技術に関し、レーザ光及び積層用粉末を用いた積層造形の制御技術に関する。 The present invention relates to a laminated molding technique, and relates to a laminated molding control technique using a laser beam and a laminating powder.
積層造形技術の1つとして、レーザ・メタル・デポジション(Laser metal deposition:LMDと記載する場合がある)が挙げられる。LMDは、レーザ金属堆積、レーザ粉体肉盛り、等と呼ばれる場合がある。LMD方式では、母体材料(母材と記載する場合がある)の面上を走査し、対象箇所に粉末金属材料(粉末金属と記載する場合がある)及びガス等の物質を供給しながら、レーザ光を照射する。レーザ光が照射された箇所では、母材または粉末金属が溶融して溶融池(melt pool)が形成される。その溶融池が凝固することで、積層物が形成される。このような加工を層毎に繰り返すことにより、母材面上に積層物による構造物が積層造形される。 One of the laminated molding techniques is laser metal deposition (sometimes referred to as LMD). LMD may be referred to as laser metal deposition, laser powder overlay, and the like. In the LMD method, the laser is scanned while scanning the surface of the base material (sometimes referred to as the base material) and supplying a substance such as a powder metal material (sometimes described as powder metal) and gas to the target location. Irradiate with light. At the location irradiated with the laser beam, the base metal or powder metal melts to form a melt pool. The molten pool solidifies to form a laminate. By repeating such processing for each layer, a structure made of a laminate is laminated on the surface of the base metal.
なお、補足として、溶融池は、母材や粉末金属が溶融した部分の混合物を指す。溶融池の形状、溶融や凝固の度合い等の詳細は、材料物性や制御パラメータ等に応じて異なる。溶融池は、母材や粉末金属に加えて、他の物質が混合している場合もある。レーザ光の照射箇所には、粉末金属以外にも、所定のガスや他の材料が供給される場合もある。 As a supplement, the molten pool refers to a mixture of the parts where the base metal and powdered metal are melted. Details such as the shape of the molten pool and the degree of melting and solidification differ depending on the physical characteristics of the material, control parameters, and the like. The molten pool may be mixed with other substances in addition to the base metal and powdered metal. In addition to powdered metal, a predetermined gas or other material may be supplied to the laser beam irradiation site.
LMD方式の積層造形に関する従来技術例として、積層造形装置のハードウェア技術としては、レーザ光出射機構を備えるレーザヘッドに粉末金属供給機構が内蔵されている構成等がある。また、積層造形の制御技術としては、レーザ光出力(即ち電力)や粉末金属供給量等を一定にするように基本的な制御を行う技術がある。また、溶融池面積を一定にするようにレーザ出力を自動的に可変に制御する技術がある。 As a prior art example of the LMD method of laminated molding, as a hardware technology of the laminated molding apparatus, there is a configuration in which a powder metal supply mechanism is built in a laser head provided with a laser light emitting mechanism. Further, as a control technique for laminated molding, there is a technique for performing basic control so as to keep the laser light output (that is, electric power), the amount of powdered metal supplied, and the like constant. In addition, there is a technique for automatically and variably controlling the laser output so as to keep the molten pool area constant.
LMD方式の積層造形に係わる先行技術例として、特開2013−119098号公報(特許文献1)が挙げられる。特許文献1には、レーザヘッドと対象物との距離に応じてレーザ出力を制御する旨が記載されている。
As an example of the prior art related to the laminated molding of the LMD method, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-119098 (Patent Document 1) can be mentioned.
上記LMD方式の積層造形に関する従来技術例では、レーザ出力等を一定にする制御の場合でも、溶融池面積を一定にするようにレーザ出力を可変にする制御の場合でも、積層物の形状や強度等に関する精度や品質の点で課題がある。積層造形の加工時には、意図的な制御または意図しない制御の結果によって、溶融池の面積等に大小の違いが生じる場合がある。材料の物性や形状や量等によって、溶融池の面積、深さ、高さ、体積等が変化する。溶融池面積等の大小によっては、積層物の形状崩れ、即ち目標の形状にならないことが生じる場合がある。例えば、粉末金属供給範囲に対して溶融池面積が比較的広い場合には、積層物の高さ不足等が生じる。また、例えば、粉末金属供給範囲に対して溶融池面積が比較的狭い場合には、積層物内の空洞(void)等が生じ、内部欠陥、強度不足等につながる。このような形状崩れが生じることで、目標とする構造物の形状や強度等に関する所定の精度や品質を満たせない場合がある。 In the above-mentioned prior art example regarding the laminated molding of the LMD method, the shape and strength of the laminate are used regardless of whether the control is to keep the laser output constant or to change the laser output so as to keep the molten pool area constant. There is a problem in terms of accuracy and quality. At the time of laminating molding processing, the area of the molten pool and the like may differ in size depending on the result of intentional control or unintended control. The area, depth, height, volume, etc. of the molten pool change depending on the physical properties, shape, amount, etc. of the material. Depending on the size of the molten pool area and the like, the shape of the laminate may collapse, that is, the target shape may not be obtained. For example, when the molten pool area is relatively large with respect to the powder metal supply range, the height of the laminate may be insufficient. Further, for example, when the molten pool area is relatively small with respect to the powder metal supply range, cavities in the laminate and the like occur, leading to internal defects, insufficient strength, and the like. When such shape collapse occurs, it may not be possible to satisfy the predetermined accuracy and quality regarding the shape and strength of the target structure.
本発明の目的は、粉末金属等の積層用の粉末を用いたレーザ粉体肉盛り方式の積層造形技術に関して、積層造形の制御によって積層物の形状や強度等に関する精度や品質を高めることができる技術を提供することである。 An object of the present invention is to improve the accuracy and quality of the shape and strength of a laminate by controlling the laminate molding with respect to the laser powder build-up method of the laminate molding technique using powder for lamination such as powder metal. To provide technology.
本発明のうち代表的な実施の形態は、積層造形装置等であって、以下に示す構成を有することを特徴とする。 A typical embodiment of the present invention is a laminated modeling apparatus or the like, and is characterized by having the following configurations.
一実施の形態の積層造形装置は、レーザ光の照射に基づいて母材に対し積層用粉末を溶融及び堆積する方式の積層造形装置であって、積層造形の制御を行う制御部と、前記レーザ光を照射するレーザ光出射機構と、前記積層用粉末を供給する粉末供給機構と、前記母材と前記積層用粉末とを含む混合物である溶融池の面積を検出するセンサと、前記母材と前記積層用粉末とを含む混合物である積層物の比熱を検出するセンサ、または計算する比熱計算部と、を備え、前記制御部は、前記比熱に応じて前記溶融池の面積の制御目標値を計算する溶融池制御目標値計算部と、前記溶融池の面積の制御目標値に近づくように、前記レーザ光の出力値を計算してフィードバック制御を行う出力制御部と、を有する積層造形装置である。 The laminated modeling device of one embodiment is a laminated modeling device of a type in which laminating powder is melted and deposited on a base material based on irradiation of laser light, and a control unit that controls laminating modeling and the laser. A laser light emitting mechanism that irradiates light, a powder supply mechanism that supplies the laminating powder, a sensor that detects the area of a molten pool that is a mixture of the base material and the laminating powder, and the base material. The control unit includes a sensor for detecting the specific heat of the laminate, which is a mixture containing the laminating powder, or a specific heat calculation unit for calculating the specific heat, and the control unit sets a control target value of the area of the molten pool according to the specific heat. A laminated molding apparatus having a molten pool control target value calculation unit for calculation and an output control unit for calculating the output value of the laser beam and performing feedback control so as to approach the control target value of the area of the molten pool. is there.
本発明のうち代表的な実施の形態によれば、積層造形の制御によって積層物の形状や強度等に関する精度や品質を高めることができる。 According to a typical embodiment of the present invention, the accuracy and quality of the shape and strength of the laminate can be improved by controlling the laminate molding.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において同一部には原則として同一符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In principle, the same parts are designated by the same reference numerals in all the drawings for explaining the embodiments, and the repeated description thereof will be omitted.
[課題等(1)−第1制御方式]
図13,図14を用いながら、従来技術例の積層造形装置及び方法における制御の課題等を補足説明する。
[Problems, etc. (1) -1st control method]
With reference to FIGS. 13 and 14, control issues and the like in the laminated modeling apparatus and method of the prior art example will be supplementarily described.
図13は、実施の形態1に対する比較例として、従来技術例のLMD方式で積層造形を行う積層造形装置のレーザヘッド付近の構成を概略的に示す。なお、説明上の方向として、X方向、Y方向、Z方向を示す。X方向、Y方向は、水平面を構成する直交する2つの方向である。Z方向は鉛直方向である。 FIG. 13 schematically shows a configuration in the vicinity of the laser head of the laminated modeling apparatus that performs laminated modeling by the LMD method of the prior art example as a comparative example with respect to the first embodiment. In addition, as explanatory directions, the X direction, the Y direction, and the Z direction are shown. The X direction and the Y direction are two orthogonal directions forming a horizontal plane. The Z direction is the vertical direction.
図13の(A)では、レーザヘッド1を横(Y方向)から見た状態を示し、母材3や積層物5等を斜視で示す。この積層造形装置の制御としては、レーザ光出力を一定にする基本的な制御(第1制御とする)、あるいは、溶融池面積を一定にするようにレーザ光出力を可変にする制御(第2制御とする)が行われる。
FIG. 13A shows a state in which the
積層造形装置は、レーザヘッド1、駆動部91、制御部90等を備える。レーザヘッド1には、光ファイバ等が接続されており、実装例として、レーザ光出射機構と粉末金属供給機構とが内蔵されている。なお、粉末金属供給機構は、粉末金属以外に、所定のガスや他の物質を噴出して供給する機構でもよい。
The laminated modeling device includes a
制御部90は、積層造形装置の各部を制御し、積層造形の制御処理を行う。駆動部91は、制御部90からの駆動制御に基づいて、レーザヘッド1を駆動する。この駆動は、レーザ光出力の駆動と、粉体金属等の物質の供給の駆動とを含む。レーザヘッド1は、制御部90からの制御に基づいて駆動部91によって駆動される。レーザヘッド1は、駆動に基づいて、母材3の面上の対象箇所に、レーザ光2を出射しながら、粉末金属4及びガス等の物質を噴出する。このような動作を走査と称する。矢印で示す方向A1は、走査方向の例としてX方向の場合を示す。対象箇所の位置座標を(x,y,z)で示す。
The
図13の(B)では、レーザヘッド1の下面に対応するX−Y平面を示す。下面において、中心軸には、円形で示すように、レーザ光出射機構によるレーザ光出射面領域901を有する。そのレーザ光出射面領域901の外側にある円環形の外周部には、粉末金属供給機構による粉末金属出射面領域902を有する。レーザ光出射面領域901からZ方向下方の対象箇所に向けてレーザ光2が出射される。粉末金属出射面領域902からZ方向下方の対象箇所に向けて少なくとも粉末金属の物質が噴出して供給される。
FIG. 13B shows an XY plane corresponding to the lower surface of the
レーザヘッド1のZ方向の下端は、母材3の主面3pから一定の距離(距離Zcとする)にある。レーザヘッド1は、レーザ光出射機構によって、母材3の面上の対象箇所にレーザ光2を照射する。また、レーザヘッド1は、粉末金属供給機構によって、母材3の面上の対象箇所に対し、粉末金属4をガスと共に噴出することで供給する。制御部90は、目標の構造物の形状、走査の位置等に応じて、レーザ光2の照射や粉末金属4の供給を制御する。即ち、制御部90は、レーザ光2の出力のオン/オフ、電力等を制御し、粉末金属4等の物質の噴出のオン/オフ、供給量等を制御する。
The lower end of the
このレーザ光2の照射の際、例えば母材3と粉末金属4との両方が溶融することによって、それらの混合物として溶融池6が形成される。なお、溶融池6は、母材3の主面3pに対してZ方向で凸状となる場合も凹状となる場合もある。これらは物性や制御詳細に依存する。
When the
積層造形装置は、目標の構造物に応じた制御として、走査制御を行う。即ち、積層造形装置は、レーザヘッド1を、母材3の面上で所定の方向A1へ移動するように走査を行う。この走査と共に、レーザ光2の照射位置、及び粉末金属4の供給位置、溶融池6の発生位置等が、所定の方向A1へ移動することになる。なお、レーザヘッド1の走査による移動軌跡等は、パス、ツールパス等と呼ばれる場合がある。
The laminated modeling apparatus performs scanning control as a control according to the target structure. That is, the laminated modeling apparatus scans the
レーザ光2の照射によって溶融された母材3または粉末金属4またはそれらの両方の混合物による溶融池6は、レーザ光2の通過及び温度変化に応じて凝固する。これにより、レーザヘッド1及び溶融池6の移動軌跡上に、積層物5が造形される。なお、溶融池6の凝固のために、更に温度制御機構(例えば冷却機構)を用いてもよい。
The
同様に、母材3のY方向を含むX−Y平面上において所定のパスや位置で走査が行われる。これにより、X−Y平面での面積等を持つ積層物5が構成される。Z方向における複数の層のうち、ある層(例えば第1層)の造形が終了すると、その層の上の次の層(例えば第2層)のX−Y平面において、上記と同様に加工が行われる。これにより、その層に対応した積層物5が造形される。このような層毎の積層造形が同様に必要な回数(目標の構造物の高さ等に応じた複数)で繰り返される。なお、Z方向において現在加工が行われる層を識別するための数を、層数Nと記載する。
Similarly, scanning is performed at a predetermined path or position on the XY plane including the Y direction of the
なお、例えば第1層の積層物5の上に第2層の積層物5を造形する際(層数N=2の加工時)には、第1層の積層物5の部分の上面にレーザ光2が照射され、粉末金属4等が供給される。その積層物5の部分や粉末金属4が溶融することで、溶融池6が形成される。
For example, when molding the
上記積層造形の第1制御方式の場合で、レーザ光出力を一定にした場合でも、走査中にレーザ光2を対象箇所へ照射中に、母材3等の物質の温度変化によって、溶融池6の面積等が変化し得る。溶融池面積の変化によって、造形される積層物5の形状の変化が発生する。これにより、積層物5の形状崩れ、即ち目標の構造物の形状に対する違いが発生する場合がある。前述のように、例えば溶融池面積の大小に応じて、積層物5の高さ不足や、内部空洞による強度不足等が発生する場合がある。
In the case of the first control method of the laminated molding, even when the laser beam output is constant, the
[課題等(2)−第2制御方式]
積層造形の第2制御方式の場合には以下のとおりである。第2制御方式を適用する比較例の積層造形装置は、層毎の造形時に、センサ等を用いて、現在の溶融池面積の値を検出または計算する。積層造形装置は、その溶融池面積を一定にするように、溶融池面積の制御目標値を決定する。積層造形装置は、その溶融池面積の制御目標値に合わせて、レーザ光出力(即ち電力)を可変に制御するフィードバック制御を行う。即ち、積層造形装置は、溶融池面積の実際値が、制御目標値に近付くように、以降の加工時のレーザ光出力値を変更する。
[Problems (2) -Second control method]
In the case of the second control method of laminated modeling, it is as follows. The laminated modeling device of the comparative example to which the second control method is applied detects or calculates the value of the current molten pool area by using a sensor or the like at the time of modeling for each layer. The laminated molding apparatus determines a control target value of the molten pool area so as to keep the molten pool area constant. The laminated molding apparatus performs feedback control that variably controls the laser beam output (that is, electric power) according to the control target value of the molten pool area. That is, the laminated molding apparatus changes the laser beam output value during the subsequent processing so that the actual value of the molten pool area approaches the control target value.
例えば、積層造形装置は、ある層(例えば第1層)の造形の時点で、溶融池面積の実際値(第1値)が、制御目標値よりも大きかった場合、次の造形の時点のレーザ光出力値を減少する。また、積層造形装置は、ある層の造形の時点で、溶融池面積の実際値が、制御目標値よりも小さかった場合、次の造形の時点のレーザ光出力値を増加する。 For example, in a laminated molding apparatus, when the actual value (first value) of the molten pool area at the time of modeling a certain layer (for example, the first layer) is larger than the control target value, the laser at the time of the next modeling Decrease the light output value. Further, when the actual value of the molten pool area is smaller than the control target value at the time of modeling a certain layer, the laminated modeling apparatus increases the laser light output value at the time of the next modeling.
しかしながら、上記第2制御方式を用いて、意図的に溶融池面積を一定にするようにレーザ光出力を制御した場合でも、積層物の形状崩れが発生する場合がある。例えば、溶融池6の混合物の成分(母材3、粉末金属4等)の詳細は、層数Nや位置座標(x,y,z)に応じて異なる。そのため、溶融池6の凝固によって形成される積層物5の部分では、内部の状態や外形の状態が異なり得る。
However, even when the laser beam output is intentionally controlled so as to keep the molten pool area constant by using the second control method, the shape of the laminate may be deformed. For example, the details of the components (
積層物5の部分では、例えば母材3の成分に対して供給された粉末金属4の成分の混合によって、比熱が変化する。層数Nや位置座標毎に、温度や、材料の混合比率が異なり、それに応じて比熱が異なる。比熱が異なることで、積層物5の形状崩れが生じる場合がある。
In the portion of the
[課題等(3)−形状崩れ]
図14は、比較例における積層造形の加工時の溶融池面積等の違いに応じた積層物の形状等の違い、及び形状崩れの例について模式的に示す。図14では、X−Z平面で、母材3及び溶融池6の部分を示す。まず、図14の(A)及び(B)は、第1条件として、好適な制御及び造形の場合を示す。(A)は、母材3の面上、X方向において、所定の粉末金属供給範囲W11で粉末金属4を供給しながらレーザ光を照射して、溶融池6が形成されている様子を示す。なお、図14では、比較のため、各条件で粉末金属供給範囲W11,W12,W13を同じにした場合を示している。X−Y平面での溶融池6の面積をS11等で示す。面積S11は好適な場合である。(B)は、(A)の制御及び加工の結果における、レーザヘッド1の通過後、凝固後の積層物5の形状を示す。積層物5のZ方向の高さをH11等で示す。この結果では、積層物5は、母材3の面(主面3pを基準とする)上における高さH11を有する。高さH11は、積層物5の形状が好適、即ち目標値に近い状態である。
[Problems (3) -Shape collapse]
FIG. 14 schematically shows a difference in the shape and the like of the laminate according to the difference in the molten pool area and the like during the processing of the laminated molding in the comparative example, and an example of the shape collapse. FIG. 14 shows the portions of the
図14の(C)及び(D)は、第2条件として、溶融池面積が(A)の場合に比べて大きい場合を示す。(C)は、所定の粉末金属供給範囲W12に対して、溶融池面積S12を有する。S12>S11である。こうなる要因としては、例えば粉末金属4等の溶融の温度に対し、レーザ光出力が大きすぎた場合や、後述の層毎の組成が異なる場合等、各種の要因が挙げられる。(D)は、(C)の結果として、積層物5は、母材3の面上における高さH12を有する。この状態では、積層物5の形状崩れとして高さ不足が発生している。高さH12は、(B)の高さH11に対して不足している。
14 (C) and 14 (D) show a case where the molten pool area is larger than that in the case of (A) as the second condition. (C) has a molten pool area S12 with respect to a predetermined powder metal supply range W12. S12> S11. Examples of such factors include various factors such as a case where the laser light output is too large with respect to the melting temperature of the
図14の(E)及び(F)は、第3条件として、溶融池面積が(A)の場合に比べて小さい場合を示す。(E)は、所定の粉末金属供給範囲W13に対して、溶融池面積S13を有する。S13<S11である。こうなる要因としては、例えば粉末金属4等の溶融の温度に対し、レーザ光出力が小さすぎた場合や、後述の層毎の組成が異なる場合等、各種の要因が挙げられる。(F)は、(E)の結果として、積層物5は、母材3の面上における高さH13を有する。この状態では、積層物5の形状崩れとして、内部に空洞が発生している。なお、積層物5の外形表面に窪みやひび等が発生する場合もある。高さH13は、(B)の目標の高さH11に対して過剰である。また、高さH13が高さH11と同程度になる場合もあるが、積層物5の内部には空洞が発生している。そのため、この積層物5の部分では、目標値に対して強度が不足しており、つぶれ等の原因となり得る。
14 (E) and 14 (F) show a case where the molten pool area is smaller than that in the case of (A) as the third condition. (E) has a molten pool area S13 with respect to a predetermined powder metal supply range W13. S13 <S11. Examples of such factors include various factors such as a case where the laser light output is too small with respect to the melting temperature of the
また、第2制御方式の場合では、溶融池面積を一定値(例えば制御目標値として面積S11)に近付けるようにレーザ光出力を可変制御する。その場合でも、レーザ光が照射される対象箇所では、溶融池6や積層物5の構成要素となる各種の物質の物性や組成(混合比率等)が異なることで、温度等の状態が異なる場合がある。その結果、上記のように形状崩れ等が発生する場合がある。
Further, in the case of the second control method, the laser beam output is variably controlled so that the molten pool area approaches a constant value (for example, the area S11 as a control target value). Even in that case, the temperature and other conditions may differ due to differences in the physical characteristics and composition (mixing ratio, etc.) of the various substances that are the constituent elements of the
本発明者等の検討として、溶融池面積を大小に変えた各種の設定及び制御で積層造形する実験を行った。その実験の結果、積層物の形状の精度や品質に違いが現れた。例えば、ある溶融池面積(第1値)にするように造形した場合に、積層物の形状崩れとして、図14の(D)のように、高さ不足が発生した。別のある溶融池面積(第2値)にするように造形した場合に、図14の(F)のように、積層物内に空洞が発生した。溶融池面積の値に応じて、積層物の形状崩れが発生する位置、種類、度合い等が異なった。この結果から、適切に溶融池面積を制御して造形すれば、積層物の形状の精度や品質を高めることができる、とわかった。 As a study by the present inventors, an experiment was conducted in which laminated molding was performed with various settings and controls in which the area of the molten pool was changed to large and small. As a result of the experiment, a difference appeared in the accuracy and quality of the shape of the laminate. For example, when molding was performed so as to have a certain molten pool area (first value), a height deficiency occurred as shown in FIG. 14 (D) as the shape of the laminate collapsed. When molding was performed so as to have another molten pool area (second value), cavities were generated in the laminate as shown in FIG. 14 (F). Depending on the value of the molten pool area, the position, type, degree, etc. of the shape collapse of the laminate differed. From this result, it was found that the accuracy and quality of the shape of the laminate can be improved if the molten pool area is appropriately controlled for modeling.
(実施の形態1)
図1〜図5を用いて、本発明の実施の形態1の積層造形装置及び方法について説明する。実施の形態1の積層造形装置は、LMD方式の積層造形を行う装置である。実施の形態1の積層造形方法は、LMD方式の積層造形の制御方法であり、実施の形態1の積層造形装置において実行されるステップを有する方法である。
(Embodiment 1)
The laminated modeling apparatus and method of the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5. The laminated modeling device of the first embodiment is an device that performs laminated modeling of the LMD method. The laminated modeling method of the first embodiment is a control method of the laminated modeling of the LMD method, and is a method having steps executed in the laminated modeling apparatus of the first embodiment.
[概要]
前述のように、比較例の積層造形装置では、加工時に、積層物5の形状崩れ等が発生し得る。そのため、実施の形態1の積層造形装置及び方法では、以下に説明するように、積層物5の形状崩れ等を防止または抑制するための工夫を有する。その工夫として、実施の形態1の積層造形装置及び方法では、特有の積層造形の制御を行う。実施の形態1の積層造形装置では、積層造形の制御として、第1制御方式または第2制御方式を基本としつつ、特有の制御を加える。実施の形態の積層造形装置及び方法では、適切に溶融池面積を制御する方式を用いる。
[Overview]
As described above, in the laminated modeling apparatus of the comparative example, the shape of the
実施の形態1の積層造形装置では、積層造形時に、加工の進行状況に応じて、リアルタイムで、対象箇所の溶融池の面積を測定するセンサと、積層物部分の比熱を検出するセンサとを有している。 The laminated molding apparatus of the first embodiment has a sensor for measuring the area of the molten pool at the target location in real time and a sensor for detecting the specific heat of the laminated portion at the time of laminated molding according to the progress of processing. doing.
実施の形態1の積層造形装置は、その比熱の値に応じて、好適な溶融池面積の制御目標値を決定する。即ち、実施の形態1の方式では、溶融池面積について好適に制御するための制御目標値そのものを、層数Nの積層物部分の比熱を反映した値として決定する。そして、実施の形態1の積層造形装置は、その溶融池面積制御目標値に応じて、レーザ光出力を可変するように、フィードバック制御を行う。このフィードバック制御は、実際値である検出値が制御目標値に近付くように補正する制御である。これにより、本方式では、積層物5の形状崩れ(前述の高さ不足や空洞発生等)を防止または抑制する。 The laminated modeling apparatus of the first embodiment determines a suitable control target value of the molten pool area according to the value of its specific heat. That is, in the method of the first embodiment, the control target value itself for appropriately controlling the molten pool area is determined as a value reflecting the specific heat of the laminated portion having the number of layers N. Then, the laminated modeling apparatus of the first embodiment performs feedback control so as to change the laser beam output according to the molten pool area control target value. This feedback control is a control that corrects the detected value, which is an actual value, so as to approach the control target value. Thereby, in this method, the shape collapse of the laminate 5 (the above-mentioned insufficient height, generation of cavities, etc.) is prevented or suppressed.
[積層造形装置]
図1は、実施の形態1の積層造形装置及び方法を含む構成を示す。図1では、加工対象物である母材3等を含めて示している。実施の形態1の積層造形装置は、レーザヘッド1、光ファイバ部1C、制御部10、記憶部20、駆動部30、入出力設定部40等を備え、それらの要素が相互に接続されている。
[Laminate modeling equipment]
FIG. 1 shows a configuration including a laminated modeling apparatus and method of the first embodiment. In FIG. 1, the
制御部10は、積層造形装置の全体及び各部を制御し、積層造形の制御を実行する。制御部10は、CPU、ROM、RAM等を有する。制御部10は、計算部11を含む。計算部11は、制御のための値を計算する。駆動部30は、制御部10からの制御に基づいて、レーザヘッド1等を駆動する。駆動部30は、光ファイバ部1C及びレーザヘッド1のレーザ光出射部1Aや粉末金属供給部1B等と接続されている。光ファイバ部1Cには、レーザヘッド1が接続されている。尚、レーザ光出射部はレーザ光出射機構の一実施形態であり、粉末金属供給部は粉末供給機構の一実施形態である。
The
光ファイバ部1C及びレーザヘッド1には、レーザ光出射部1A及び粉末金属供給部1Bが内蔵されている。レーザヘッド1の中心軸にはレーザ光出射部1Aが実装されており、その外側の円環部には、粉末金属供給部1Bが実装されている。レーザ光出射部1Aは、光ファイバ部1Cからのレーザ光2を、Z方向の下方の対象箇所へ向けて出射する。粉末金属供給部1Bは、ノズル等を含み、Z方向の下方の対象箇所へ向けて、粉末金属4及びガス等を噴出する。積層造形装置は、レーザ光出射部1Aを含むレーザ光出射機構と、粉末金属供給部1Bを含む粉末金属供給機構とを備える。粉末金属供給機構は、粉末金属4以外にも所定のガスや他の物質を供給可能な機構である。
The
実施の形態1での積層造形装置は、図1に示すようなレーザヘッド1等の構成に限らず、別の構成にも適用可能である。例えば、レーザヘッド1の中心軸に粉末金属供給部が内蔵され、外周部にレーザ光出射部が内蔵されていてもよい。また、レーザヘッド1と、粉末金属供給部を含むヘッドまたはノズル等とが、別体で分離され、並列配置されている構成でもよい。
The laminated modeling apparatus according to the first embodiment is not limited to the configuration of the
また、光ファイバ部1C及びレーザヘッド1の側面付近には、光センサ7及び比熱測定センサ8が設けられている。これらのセンサの実装や方式については特に限定しない。
Further, an
光センサ7は、溶融池の面積を検出するセンサ(溶融池面積測定部)である。光センサ7は、積層造形中、Z方向の下方の対象箇所における溶融池面積(後述の検出値S2)等を検出する。光センサ7の検出値は、検出信号として、制御部10の計算部11へ送られる。
The
光センサ7は、任意の方式で溶融池面積を検出する。光センサ7は、例えばサーモグラフィ方式で、対象箇所を含む母材3面の所定範囲内の温度分布を計測する機能を有する。その温度分布では、溶融池6の部分では相対的に温度が高く、溶融池6の外側の部分では相対的に温度が低くなっている。そのため、その温度分布から、例えば温度閾値との比較等によって、溶融池6の領域を特定し、溶融池面積を計算できる。
The
比熱測定センサ8は、積層造形中、Z方向の下方の対象箇所における形成された積層物5の部分の比熱(後述の積層物比熱Cm)を測定する。比熱測定センサ8での比熱の測定値は、検出信号として、制御部10の計算部11へ送られる。比熱測定センサ8は、任意の方式で比熱を測定する。例えば、比熱測定センサ8は、積層物に、赤外線センサを用いてセンサと反対側からレーザーパルス光を照射するレーザーフラッシュ法等により比熱を測定できるが、その他の方法で比熱を計算してもよい。
The specific
記憶部20には、制御用のプログラム21や設定情報22、構造物データ23、比熱情報24等が格納されている。制御部10は、プログラム21に従った処理を実行することで、積層造形の制御を実現する。設定情報22は、プログラム21に伴う設定情報であり、積層造形の制御に用いる各種の設定情報(事前入力設定値を含む)を含む。構造物データ23は、目標の構造物のデータであり、例えば3次元CADで作成されたデータである。比熱情報24は、後述の比熱の測定に用いるための公知情報であり、材料物質毎の比熱等の情報である。なお、比熱情報24は、予めDBとして整備されているものを用いてもよい。また、積層造形装置が外部のDBの比熱等を含む各種の情報を参照して制御に用いる形態としてもよい。
The
入出力設定部40は、積層造形装置の外部装置に対する入出力インタフェースや、ユーザに対するユーザインタフェースを有する。入出力設定部40は、例えば、操作パネルや表示装置、通信インタフェース装置等を備える。入出力設定部40は、PC等で構成してもよい。入出力設定部40は、ユーザの操作入力を受け付けて、操作入力に基づいて、設定情報22等を設定可能である。
The input /
目標の積層造形物を作成するための構造物データ23は、3次元CADシステムを用いて作製することができる。構造物データ23は、構造物の3次元形状を表すデータである。入出力設定部40は、構造物データ23を入力し、記憶部20に格納する。制御部10は、構造物データ23から、層数N等のパラメータの情報を抽出する。あるいは、ユーザが入出力設定部40を通じて層数N等のパラメータの情報を設定してもよい。
The
レーザヘッド1は、制御に基づいて、母材3の主面3p上で、走査に応じた方向A1へ移動しながら、主面3pの対象箇所へレーザ光2を照射し、粉末金属4及びガス等を供給する。レーザ光2が照射される箇所に、粉末金属4等が供給される。レーザ光2によって母材3の表面や粉末金属4等が溶融することで、溶融池6が形成される。走査に伴い、対象箇所(レーザ光2の照射位置及び粉末金属4の供給位置)が移動する。溶融池6は、レーザ光2の照射位置が通り過ぎることで、温度変化によって凝固し、積層物5として形成される。即ち、走査の移動軌跡上に積層物5が形成される。
Based on the control, the
実施の形態1では、概念として、溶融池6は母材3と粉末金属4との混合物であると考え、その混合物における母材混合比率εを考える。母材3と粉末金属4との混合比率は、様々であり、母材3が100%の場合も粉末金属4が100%の場合も含むとする。母材混合比率εを、母材3の質量(Mb)に対する粉末金属4の質量(Mp)の比率(ε=Mb/(Mp+Mb))とする。母材混合比率εは、0から1までの範囲内の値とする(0≦ε≦1)。
In the first embodiment, as a concept, the
実施の形態1の積層造形装置は、比較例と同様に、レーザヘッド1にレーザ光出射機構の一部及び粉末金属供給機構の一部が内蔵されている場合を示すが、これに限らず適用可能である。レーザ光出射機構と粉末金属供給機構とが別の装置として分かれていてもよい。また、例えば、レーザヘッドの中心軸に粉末金属供給部が設けられ、外周部にレーザ光出射部が設けられていてもよい。また、1つのヘッドにおいて、2つ以上のレーザ光出射部や、2つ以上の粉末金属供給部が設けられていてもよい。
The laminated modeling apparatus of the first embodiment shows a case where a part of the laser light emitting mechanism and a part of the powder metal supply mechanism are built in the
実施の形態1の積層造形装置は、レーザヘッド1に、光センサ7及び比熱測定センサ8が設けられている。これらのセンサの実装の詳細については限定しない。レーザヘッド1に各種のセンサが内蔵されていてもよいし、レーザヘッド1外にセンサが取り付けられていてもよい。レーザヘッド1と共にセンサが移動してもよいし、センサが移動せずに固定されていてもよい。
In the laminated modeling apparatus of the first embodiment, the
[積層物例]
図2は、積層物5や層数Nの例を示す。なお、X−Z断面を示すが、断面ハッチング等を省略する。母材3の主面3p上に、積層物5として、3層による構造物が形成されている例を示す。この積層物5は、母材3の主面3pから上層へ順に、第1層(N=1)の積層物51、第2層(N=2)の積層物52、第3層(N=3)の積層物53を有する。母材3のX−Y平面では、構造物の形状に応じたパスを有する。このパスは、レーザヘッド1の走査の軌跡と対応する。本例では、現在積層造形中の層が第3層(N=3)であり、その積層物53における対象箇所(一点鎖線で示すレーザヘッド1の中心軸の下方の位置)に、溶融池6が形成されている様子を示す。
[Example of laminate]
FIG. 2 shows an example of the
[制御パラメータ]
実施の形態1で制御部10が扱うパラメータ(一定値の場合を含む)として以下を有する。制御部10は、このようなパラメータ値をメモリ(RAM等)または記憶部20に記憶する。
[Control parameters]
The parameters (including the case of constant values) handled by the
N:層数
V:粉末金属供給量
Cm:積層物比熱
S1:溶融池面積の制御目標値
S2:溶融池面積の検出値
P:レーザ光出力(電力)。
N: Number of layers V: Powdered metal supply amount Cm: Laminate specific heat S1: Control target value of molten pool area S2: Detected value of molten pool area P: Laser light output (electric power).
層数Nは、積層物5における現在積層造形されている対象の層を表す。母材3面上に積層造形される最初の層を第1層(N=1)とし、下層から上層へ順にN値が増加するものとする。
The number of layers N represents the target layer currently being laminated and modeled in the
粉末金属供給量Vは、レーザヘッド1の粉末金属供給部1Bから対象箇所へ噴出して供給される粉末金属4の供給量を示す。
The powder metal supply amount V indicates the supply amount of the
層数Nや粉末金属供給量Vは、基本的な制御パラメータであり、構造物データ23またはそれに対応する設定情報22のうちの1つの情報として得られる。その他、基本的な制御パラメータまたは設定情報としては、使用する材料物質、目標の構造物の寸法、等が挙げられる。
The number of layers N and the powder metal supply amount V are basic control parameters, and are obtained as one of the
積層物比熱Cmは、積層物5の部分(層数Nや位置座標に応じた部分)毎の比熱である。積層物比熱Cmは、比熱測定センサ8による測定値として得られる。
The specific heat Cm of the laminate is the specific heat of each portion of the laminate 5 (the portion corresponding to the number of layers N and the position coordinates). The specific heat Cm of the laminate is obtained as a value measured by the specific
溶融池面積の制御目標値S1は、積層物比熱Cmに応じて可変制御されるパラメータ値である。 The control target value S1 of the molten pool area is a parameter value that is variably controlled according to the specific heat Cm of the laminate.
溶融池面積の検出値S2は、光センサ7による検出値として得られる、対象箇所(層数Nや位置座標に応じた部分)の溶融池6の面積の実際値である。
The detection value S2 of the molten pool area is an actual value of the area of the
レーザ光出力Pは、レーザ光2の電力であり、溶融池面積の制御目標値S1に応じて可変制御されるパラメータ値である。
The laser light output P is the electric power of the
なお、制御の際には、例えば溶融池面積に関する閾値St等も用いる。閾値St等の閾値は、予め固定の一定値として設定されている形態でもよいし、入出力設定部40を通じてユーザが可変に設定できる形態でもよい。
At the time of control, for example, a threshold value St or the like related to the molten pool area is also used. The threshold value such as the threshold value St or the like may be set in advance as a fixed constant value, or may be set variably by the user through the input /
[積層造形の制御(積層造形方法)]
図3は、実施の形態1での制御部10による積層造形のフィードバック制御の概要を示す。制御部10は、基本制御パラメータとして、層数Nや粉末金属供給量V等を用いる。制御部10は、目標の構造物を積層造形するための高さ方向(Z方向)の複数の層における現在造形中の層を表す数(層数N)を把握する。制御部10は、層数Nに応じて、制御目標値を異ならせる。
[Control of laminated modeling (laminated modeling method)]
FIG. 3 shows an outline of feedback control of laminated modeling by the
制御部10は、積層プログラムの層数Nをカウントしており、層数が増加時点の制御として、計算部11を用いて、溶融池面積の制御目標値S1の計算101や、レーザ光出力Pの計算102を行う。なお、初回の時点の制御では、所定の初期設定値が適用される。制御部10は、計算して決定したレーザ光出力Pに基づいてレーザヘッド1を駆動させて、各回の時点の積層造形を実行させる。その各回の時点の積層造形の状態及び結果として、各センサによる検出値が得られる。即ち、光センサ7による検出値として、対象箇所の溶融池6の面積の検出値S2が得られる。また、比熱測定センサ8による測定値として、対象箇所の積層物5の積層物比熱Cmが得られる。
The
制御部10は、得られた溶融池面積の検出値S2と積層物比熱Cmとを用いて、次回の時点の制御を行う。制御部10は、まず、計算101として積層物比熱Cmを用いて、所定の関係式等に基づいて、溶融池面積の制御目標値S1を計算部11(特に溶融池制御目標値計算部)で計算して決定する。制御目標値S1は、積層物比熱Cmに比例する値として決定される。
The
次に、制御部10は、その溶融池面積の制御目標値S1を用いて、所定の関係式等に基づいて、レーザ光出力Pを計算部11(特に出力制御部)で計算して決定する。このように、各回の制御がフィードバック制御のループとして繰り返される。
Next, the
[溶融池面積制御目標値の計算]
計算部11は、計算101として、積層物比熱Cmの検出信号に基づいて、溶融池面積の制御目標値S1を計算する。この際、溶融池面積の制御目標値S1は、下記の式1に基づいて計算される。
[Calculation of molten pool area control target value]
As
S1=A×Cm ・・・式1
前出の通り、制御目標値S1が積層物比熱Cmに比例するということを式で示すと式1の通りである。式1は、溶融池面積の制御目標値S1が積層物比熱Cmと所定の係数Aとの乗算による一次関数で決定されることを示す。式1を変形すると、S1/Cm=Aである。係数Aは一定値である。
S1 = A × Cm ・ ・ ・
As described above, it is as shown in
図4は、式1に対応するパラメータの関係を表すグラフを示す。このグラフは、式1の一次関数に対応し、線形の直線で表される。横軸が積層物比熱Cm[J/(kg・K)]、縦軸が溶融池面積の制御目標値S1[mm2]である。計算部11は、このような関係式に基づいて、制御目標値S1を決定する。
FIG. 4 shows a graph showing the relationship between the parameters corresponding to
実施の形態1の方式において、層数N及び位置座標に応じた積層物5の部分毎に、積層物比熱Cmが異なる場合がある。その積層物比熱Cmに応じて異なる値として、溶融池面積の制御目標値S1が設定される。
In the method of the first embodiment, the specific heat Cm of the laminate may be different for each portion of the
[レーザ光出力の計算]
図5は、制御部10におけるレーザ光出力Pの制御、及び計算102について示す。実施の形態1の方式では、溶融池面積の制御目標値S1と検出値S2との差分をみて、次回の時点のレーザ光出力Pを決定する。制御部10は、溶融池面積の制御目標値S1に対し、検出値S2が、一定値以上に大きい場合、次回の時点のレーザ光出力Pを減少させる。同様に、制御部10は、制御目標値S1に対し、検出値S2が一定値以上に小さい場合、次回の時点のレーザ光出力Pを増加させる。
[Calculation of laser light output]
FIG. 5 shows the control of the laser light output P in the
実施の形態1の方式では、溶融池面積の制御目標値S1、検出値S2、及び閾値Stを用いて、レーザ光出力Pの可変値が計算される。本制御例では、レーザ光出力Pの基準値P0に対し、各回の制御で値を増減して可変制御値を決定する。正の閾値St1、負の閾値St2、とする。 In the method of the first embodiment, the variable value of the laser beam output P is calculated using the control target value S1, the detection value S2, and the threshold value St of the molten pool area. In this control example, the variable control value is determined by increasing or decreasing the value by each control with respect to the reference value P0 of the laser light output P. Let it be a positive threshold value St1 and a negative threshold value St2.
詳しくは以下である。計算部11は、ある時点での溶融池面積の制御目標値S1に対する検出値S2の差分値Sd=(S2−S1)をみる。計算部11は、差分値Sdが、所定の正の閾値St1以上である場合(Sd≧St1)、次の時点のレーザ光出力Pを、前の時点のレーザ光出力Pに対し、所定の単位量または所定の率で減少させる。同様に、制御部10は、差分値Sdが、所定の負の閾値St2以下である場合(Sd≦St2)、次の時点のレーザ光出力Pを、前の時点のレーザ光出力Pに対し、所定の単位量または所定の率で増加させる。本例では、単位量Puを用いる。
The details are as follows. The
図5では、制御例を示す。横軸が時間、縦軸がレーザ光出力Pを示す。下側には閾値判定について示す。最初、レーザ光出力Pが初期値として基準値P0である。時点t1では、Sd=(S2−S1)≧St1となった。そのため、制御部10は、レーザ光出力Pを、基準値P0から所定の単位量Puで減少させた値P1(=P0−Pu)に変更している。また、時点t2では、Sd<St1となった。そのため、制御部10は、レーザ光出力Pを、値P1から所定の単位量Puで増加させた値に変更し、即ち基準値P0に戻っている。また、時点t3では、Sd≦St2となった。そのため、制御部10は、レーザ光出力Pを、基準値P0から所定の単位量Puで増加させた値P2(=P0+Pu)に変更している。また、時点t4では、Sd>St2となった。そのため、制御部10は、レーザ光出力Pを、値P2から単位量Puで減少させた値に変更し、即ち基準値P0に戻っている。
FIG. 5 shows a control example. The horizontal axis represents time and the vertical axis represents laser light output P. The lower side shows the threshold value determination. Initially, the laser light output P has a reference value P0 as an initial value. At the time point t1, Sd = (S2-S1) ≧ St1. Therefore, the
上記レーザ光出力Pの可変制御によって、溶融池面積の検出値S2が制御目標値S1に近付く。これにより、積層物5の形状崩れが防止または抑制される。上記制御例に限らず可能である。例えば、差分値Sd=(S2−S1)の大きさに応じた率で増減量を決定してもよい。
By the variable control of the laser beam output P, the detected value S2 of the molten pool area approaches the control target value S1. As a result, the shape collapse of the
[効果等]
上記のように、実施の形態1によれば、LMD方式の積層造形の制御によって、積層物5の形状崩れが防止または抑制されるので、構造物の形状や強度等に関する精度や品質を高めることができる。
[Effects, etc.]
As described above, according to the first embodiment, the shape collapse of the
(実施の形態2)
図6〜図12を用いて、本発明の実施の形態2の積層造形装置及び方法について説明する。実施の形態2の基本的な構成は実施の形態1と同様であり、以下、実施の形態2における実施の形態1とは異なる構成部分について説明する。実施の形態2では、センサの構成や、計算部11の計算処理内容が異なる。実施の形態2では、より詳しい計算を行う。実施の形態2では、積層物比熱Cmを、比熱測定センサ8で直接測定するのではなく、詳細な計算によって得る。
(Embodiment 2)
The laminated modeling apparatus and method of the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 to 12. The basic configuration of the second embodiment is the same as that of the first embodiment, and the components different from the first embodiment of the second embodiment will be described below. In the second embodiment, the configuration of the sensor and the calculation processing content of the
[積層造形装置]
図6は、実施の形態2の積層造形装置等の構成を示す。実施の形態2の積層造形装置では、レーザヘッド1において、光センサ7と、位置センサ9とを備え、前述の比熱測定センサ8については備えない。
[Laminate modeling equipment]
FIG. 6 shows the configuration of the laminated modeling apparatus and the like according to the second embodiment. In the laminated modeling apparatus of the second embodiment, the
位置センサ9は、任意の方式で、対象箇所における溶融池6の深さや積層物5の高さを検出する。位置センサ9の検出値は、検出信号として、計算部11へ送られる。
The
制御部10は、プログラム21及び事前入力設定値(設定情報22)に基づいて、層数N、粉末金属供給量V、母材比熱Cb、粉末金属比熱Cp等を参照して用いる(図9)。
The
計算部11は、位置センサ9の検出値(溶融池深さD、積層物高さH)、母材比熱Cb、粉末金属比熱Cpを用いて、積層物比熱Cmを計算する(図9)。
The
[制御パラメータ]
実施の形態2で制御部10が扱う制御パラメータ(一定値の場合を含む)として以下を有する。制御部10は、このようなパラメータ値をメモリまたは記憶部20に記憶する。なお、実施の形態1と共通のパラメータとして、N,V,Cm,S1,S2,Pである。
[Control parameters]
The control parameters (including the case of constant values) handled by the
N:層数
V:粉末金属供給量
Cb:母材比熱
Cp:粉末金属比熱
Cm:積層物比熱
ε:混合比率(母材混合比率)
S1:溶融池面積の制御目標値
S2:溶融池面積の検出値
D:溶融池深さ
H:積層物高さ
P:レーザ光出力(電力)。
N: Number of layers V: Powder metal supply amount Cb: Base material specific heat Cp: Powder metal specific heat Cm: Laminate specific heat ε: Mixing ratio (base material mixing ratio)
S1: Control target value of the molten pool area S2: Detected value of the molten pool area D: Depth of the molten pool H: Height of the laminate P: Laser light output (electric power).
実施の形態2では、母材比熱Cb、粉末金属比熱Cp、混合比率ε、溶融池深さD、積層物高さHを用いる。母材比熱Cbは、母材3の比熱である。粉末金属比熱Cpは、粉末金属4の比熱である。母材比熱Cbや粉末金属比熱Cpは、材料物質に応じた値であり、構造物データ23や比熱情報24の一部として得られる。積層物比熱Cmは、それらの比熱を用いて計算される。混合比率εは、対象箇所の積層物5の全体量に対して母材3の成分が混合している比率を示す。この比率は、概略的に、[母材量]/[全体量]=[母材量]/([粉末金属量]+[母材量])で表される。溶融池深さDは、溶融池6の深さ(Z方向の長さ)である。積層物高さHは、積層物5の高さ(Z方向の長さ)である。なお、本実施形態における全体量、母材量、及び粉末金属量の「量」は典型的には質量である。
In the second embodiment, the base material specific heat Cb, the powder metal specific heat Cp, the mixing ratio ε, the molten pool depth D, and the laminate height H are used. The base material specific heat Cb is the specific heat of the
[溶融池深さ、積層物高さ]
図7は、溶融池深さD、積層物高さHの概念について示す。層数N=1の場合で示す。図7の(A)は、母材3の主面3p上に第1層(N=1)の積層物5を造形する際の、対象箇所の溶融池6と、その溶融池面積の制御目標値S1(または検出値S2)、溶融池深さDを示す。図7の(B)は、(A)の加工結果として、即ち溶融池6の凝固によって造形された、第1層の積層物5の部分における、積層物高さHを示す。
[Melting pond depth, laminate height]
FIG. 7 shows the concept of the molten pool depth D and the laminate height H. It is shown in the case of the number of layers N = 1. FIG. 7A shows a control target of the
なお、溶融池6の形状の概念としては、図7の(C)や(D)のような溶融池6の形状になる場合も含む。図7の(C)では、Z方向で主面3p以上に溶融池6が凸状部分として形成されている。母材3は殆ど溶融していない。この場合、溶融池深さDは、溶融池高さの概念を含む。図7の(D)では、Z方向で主面3p以下に溶融池6が下に凸状部分として形成されている。
The concept of the shape of the
[光センサ、位置センサ]
図8は、光センサ7、及び位置センサ9の詳細例を示す。光センサ7は、例えばサーモグラフィ方式で温度分布状態を検出できるセンサである。光センサ7は、レーザヘッド1の中心軸の下方の対象箇所を含む所定の範囲801の温度分布状態を検出する。光センサ7(または計算部11)は、その温度分布状態から、溶融池6の領域を特定し、溶融池面積(検出値S2)を検出する。
[Optical sensor, position sensor]
FIG. 8 shows a detailed example of the
位置センサ9は、対象物(溶融池6や積層物5)の位置及び形状を検出する。位置センサ9は、例えば光学的な距離センサを用いる。位置センサ9は、対象箇所(レーザ光2の照射位置や、その後ろの所定の位置)へ向けて測定用の光を照射し、その反射光を検出する。位置センサ9は、その光が対象物に当たって戻ってくるまでの往復時間を測定し、その時間に基づいて、対象物との距離を測定する。位置センサ9(または計算部11)は、その距離と、基準となる距離Zc(主面3pとレーザヘッド1との距離)とから、溶融池深さDや積層物高さHを測定する。溶融池深さDの測定方法として、例えば光学センサでレーザ照射部付近の温度分布を測定して算出する等の方法があるが、測定方法はそれに限定しない。
The
なお、光センサ7で溶融池深さDを検出してもよい。また、溶融池深さDを検出するセンサと、積層物高さHを検出するセンサとを分けて設けてもよい。
The melting pond depth D may be detected by the
[積層造形の制御]
図9は、実施の形態2での制御部10による積層造形のフィードバック制御の概要を示す。制御部10は、基本制御パラメータとして、層数N、粉末金属供給量V、母材比熱Cb、粉末金属比熱Cp等を用いる。制御部10は、各回の時点の制御として、混合比率εの計算201、積層物比熱Cmの計算202、溶融池面積の制御目標値S1の計算203、及びレーザ光出力Pの計算204を行う。なお、初回の時点の制御では、所定の初期設定値が適用される。制御部10は、計算して決定したレーザ光出力Pに基づいてレーザヘッド1を駆動させて、各回の時点の積層造形を実行させる。
[Control of laminated modeling]
FIG. 9 shows an outline of feedback control of laminated modeling by the
各回の時点の積層造形の状態及び結果として、各センサによる検出値が得られる。即ち、光センサ7による検出値として、対象箇所の溶融池面積の検出値S2が得られる。位置センサ9による測定値として、対象箇所の溶融池深さD、及び積層物高さHが得られる。
As a result of the state of laminated modeling at each time, the value detected by each sensor is obtained. That is, as the detection value by the
制御部10は、得られた溶融池面積の検出値S2、溶融池深さD、及び積層物高さH等を用いて、次回の時点の制御を行う。計算部11は、まず、計算201として、層数Nや、それらの検出値(S2,D,H)を用いて、所定の関係式等に基づいて、混合比率εを計算する。
The
次に、計算部11の比熱計算部により、計算202として、その混合比率εと、母材比熱Cb、及び粉末金属比熱Cpを用いて、所定の関係式等に基づいて、積層物比熱Cmを計算する。
Next, the specific heat calculation unit of the
次に、計算部11の溶融池制御目標値計算部により、計算203として、実施の形態1と同様に、その積層物比熱Cmを用いて、所定の関係式で、溶融池面積の制御目標値S1を計算する。
Next, the molten pool control target value calculation unit of the
次に、計算部11は、計算204として、実施の形態1と同様に、その溶融池面積の制御目標値S1を用いて、所定の方式で、レーザ光出力Pを決定する。このように、各回の制御がフィードバック制御のループとして繰り返される。
Next, as
実施の形態2の積層造形装置は、上記のように、ある時点の層数Nの積層造形の際に、実際に形成された積層物5の部分における混合比率ε及び積層物比熱Cmを計算し、メモリに記憶する。積層造形装置は、混合比率ε及び積層物比熱Cmを、事前入力設定値(層数Nや粉末金属供給量V等)と、位置センサ9の検出値とを用いて計算する。
As described above, the laminated molding apparatus of the second embodiment calculates the mixing ratio ε and the specific heat Cm of the laminated product in the portion of the
混合比率は、例えば母材混合比率であり、着目する積層物部分の全体に対して母材が混合している比率を表す。 The mixing ratio is, for example, the base material mixing ratio, and represents the ratio in which the base material is mixed with respect to the entire laminated portion of interest.
実施の形態2の積層造形装置は、ある時点の層数Nの積層物5の部分の混合比率ε及び積層物比熱Cmに基づいて、次の時点の制御のための溶融池面積の制御目標値S1を決定する。言い換えると、積層造形装置は、層数Nの積層物5の部分毎の混合比率ε及び積層物比熱Cmの変化に応じて、溶融池面積の制御目標値S1を変化させるように設定する。
In the laminated molding apparatus of the second embodiment, the control target value of the molten pool area for the control at the next time point is based on the mixing ratio ε of the part of the
積層造形装置は、溶融池面積の制御目標値S1に応じて、レーザ光出力Pの可変値を決定して、フィードバック制御を行う。このようなフィードバック制御の繰り返しによって、積層物5の形状崩れが防止または抑制される。その結果、構造物の形状や強度等に関する精度や品質を高めることができる。
The laminated molding apparatus determines a variable value of the laser beam output P according to the control target value S1 of the molten pool area, and performs feedback control. By repeating such feedback control, the shape collapse of the
[混合比率の計算]
図10は、実施の形態2における混合比率εの計算202について示す。図10のグラフは、混合比率εと層数Nとの関係を示す。下側には、混合比率εを計算するための式3も示している。
[Calculation of mixing ratio]
FIG. 10 shows the
計算部11は、光センサ7及び位置センサ9の検出信号に基づいて、溶融池6の面積の検出値S2、溶融池深さD、積層物高さHを把握する。計算部11は、それらの値に基づいて、下記の式3によって、層数Nの溶融池6や積層物5の部分における、母材3と粉末金属4との混合比率εを計算する。
The
εN=εN−1(1−V/(S2×(D+H))) ・・・式3
図10のグラフの折線は、式3に基づいた関係として、層数Nに応じた混合比率ε[%]を示す。式3で、混合比率εは、漸化式で表される。混合比率εは、層数N、溶融池面積の検出値S2、溶融池深さD、積層物高さH、粉末金属供給量Vを用いて計算される。式3では、ある層(層数N)のある位置(x,y)の積層物5の部分の混合比率εNは、その1つ下の層(N−1)の同じ位置(x,y)の積層物5(または母材3)の部分の混合比率εN−1との関係で計算できることを表している。(S2×(D+H))は、概略的に、溶融池6または積層物5の部分の体積を示している。
ε N = ε N-1 (1-V / (S2 × (D + H))) ・ ・ ・
The polygonal line in the graph of FIG. 10 shows the mixing ratio ε [%] according to the number of layers N as the relationship based on the
混合比率ε(母材混合比率)は、概略的に、[母材量]/[全体量]=[母材量]/([粉末金属量]+[母材量])で表される。 The mixing ratio ε (base material mixing ratio) is roughly represented by [base material amount] / [total amount] = [base material amount] / ([powder metal amount] + [base material amount]).
図10のグラフの折線では、混合比率εは、層数Nが大きくなるほど、0に近付いた値になっている。上層の構造物5の部分になるほど、混合物の成分として、粉末金属4の量に対し母材3の量が少なくなる。そのため、このような関係になる。このように、層数Nに応じて混合比率εが異なることから、層数Nの積層物5の部分毎に積層物比熱Cmも異なる。
In the polygonal line of the graph of FIG. 10, the mixing ratio ε becomes a value closer to 0 as the number of layers N increases. The larger the portion of the
計算部11は、計算した混合比率ε等の値を、メモリまたは記憶部20に記憶する。計算部11は、例えば、層数Nが増加する毎に、式3を用いて、混合比率εの値を更新する。
The
なお、変形例の積層造形装置としては、式3を単純化して、εN=εN−1×Bのような式を設定して適用してもよい。係数Bは、物性や詳細制御に応じた設定値である。この式は、ある層数Nの混合比率εを計算する際に、その1つ下の層の混合比率εが係数Bの乗算で反映されることを表す。例えば、第1層では母材3の成分が50%、第2層では25%、第3層では12.5%、といったように、(1/2)^Nの関係で、母材混合比率が小さくなる。
As the laminated modeling device of the modified example, the
[積層物比熱の計算]
図11は、実施の形態2における積層物比熱Cmの計算202について示す。計算部11は、事前入力設定値である母材比熱Cb及び粉末金属比熱Cpの値と、上記計算201で得られた混合比率εの値とに基づいて、対象箇所の積層物5の部分の積層物比熱Cmを、下記の式4を用いて計算する。
[Calculation of specific heat of laminate]
FIG. 11 shows the
Cm=ε×Cb+(1−ε)×Cp ・・・式4
図11のグラフの直線は、式4に基づいた関係として、混合比率ε[%]に応じた積層物比熱Cm[J/(kg・K)]を示す。式4のように、積層物比熱Cmは、混合比率εに応じた母材比熱Cb及び粉末金属比熱Cpの組み合わせの計算で得られる。図11では、積層物比熱Cmは、混合比率εを変数とした線形の直線で表される。なお、母材3の層を考えた場合、その層では、混合比率ε=100%=1.0であり、式4ではCm=Cbとなり、例えばNi基合金(718合金)を母材に選択した場合、Cmは450程度となる。また、母材3の成分が殆ど無い上層を考えた場合、その部分では、混合比率ε=0%=0であり、式4ではCm=Cpとなり、例えば超硬合金を粉末金属に選択した場合、Cmは250程度である。
Cm = ε × Cb + (1-ε) × Cp ・ ・ ・
The straight line in the graph of FIG. 11 shows the specific heat Cm [J / (kg · K)] of the laminate corresponding to the mixing ratio ε [%] as a relationship based on the
[層数、混合比率、積層物比熱]
図12は、実施の形態2の補足として、積層物5の層数Nに応じて異なる混合比率εや積層物比熱Cmについて示す。図12の(A)は、母材3の主面3p上の第1層(N=1)の積層物51における対象箇所の溶融池6等を示す。本例では、溶融池面積の検出値S2として面積S0である。この溶融池6の部分では、混合物として、母材3と粉末金属4との両方が影響している。詳細は材質や制御パラメータにも依存する。
[Number of layers, mixing ratio, specific heat of laminate]
FIG. 12 shows, as a supplement to the second embodiment, the mixing ratio ε and the specific heat Cm of the laminate, which differ depending on the number of layers N of the
図12の(B)は、(A)に対応した加工結果としての積層物51の部分501を示す。この部分501では、第1層(N=1)であるため、母材3の成分が多く、混合比率ε(母材混合比率)は、相対的に大きい値になっている。例えば、この部分501における母材3の量と粉末金属4の量との比を、[母材量]:[粉末金属量]=2:1と仮定して設定する。その場合、この時点の混合比率ε=ε1は、[母材量]/[全体量]から、約2/3=66%である。この混合比率ε1を用いて、この積層物51の部分501における積層物比熱Cm1が計算される。
FIG. 12B shows a
図12の(C)は、第2層(N=2)の積層物52における溶融池6を示す。この溶融池6は、第1層の面積S0の積層物51の部分501の上に形成される部分である。この溶融池6の部分では、第1層の積層物51の部分501(それを構成する粉末金属4及び母材3)と、供給された粉末金属4との両方が影響している。
FIG. 12C shows the
図12の(D)は、(C)に対応した加工結果としての積層物52の部分502を示す。この部分502は、1つ下の層の積層物51の部分501の上に形成されている。この部分502は、1つ下の層の部分501よりも上層にあるため、母材3の成分が相対的に少なくなっている。そのため、混合比率ε(母材混合比率)は、部分501に比べて相対的に小さい値になっている。例えば、この第2層の積層物52の部分502の混合比率ε=ε2(εN)は、部分501の混合比率ε1(εN−1)を用いて、前述の式で計算できる。この混合比率ε2を用いて、この部分502における積層物比熱Cm2が計算できる。
(D) of FIG. 12 shows a
同様であるが、層数Nの各層における溶融池6及び積層物5の部分では、その1つ下の層の部分の特性が大きく影響しているので、その影響を考慮して、所定の関係式で、混合比率εや積層物比熱Cmが計算できる。これにより、層数Nに応じて異なる積層物比熱Cmを反映した溶融池面積の制御目標値S1を用いた制御が実現できる。
The same is true, but in the
[効果等]
上記のように、実施の形態2によれば、LMD方式の積層造形の制御によって、積層物5の形状崩れが防止または抑制されるので、構造物の形状や強度等に関する精度や品質を高めることができる。
[Effects, etc.]
As described above, according to the second embodiment, the shape collapse of the
(変形例)
実施の形態1や実施の形態2の変形例の積層造形装置及び方法として、更に以下のような制御を行ってもよい。本発明者等による実験や検討によれば、層数Nの溶融池及び積層物の部分に応じて、混合比率や比熱が異なると共に、発生する形状崩れの度合いや種類や詳細も異なる。層数Nの溶融池及び積層物の部分に応じて、溶融池面積及びレーザ光出力を好適に制御することで、加工結果の積層物5の形状や強度等において、より好適な結果が得られる。例えば、構造物の複数の層を、概略的に下層、中層、上層のように複数に区分し、各層区分で制御パラメータ値を異なる値に設定してもよい。また、実施の形態1及び2では、制御部10による制御目標値S1に近づくようなレーザ光出力Pの計算処理を開示した。しかし、制御目標値S1に近づくようなレーザ光出力Pの計算として他の計算を採用してもよい。
(Modification example)
As the laminated modeling apparatus and method of the modified examples of the first embodiment and the second embodiment, the following control may be further performed. According to experiments and studies by the present inventors, the mixing ratio and specific heat are different, and the degree, type, and details of the shape collapse that occur are also different depending on the molten pool and the part of the laminate having the number of layers N. By appropriately controlling the area of the molten pool and the laser beam output according to the portion of the molten pool and the laminate having the number of layers N, more suitable results can be obtained in terms of the shape and strength of the
他の変形例として、レーザ光出力の可変制御だけでなく、他のパラメータ(例えば粉末金属供給量)の可変制御を追加してもよい。 As another modification, not only the variable control of the laser beam output but also the variable control of other parameters (for example, the amount of powdered metal supplied) may be added.
以上、本発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、粉末金属は、合金(例えば超硬合金)の粉末でもよい。また、積層用粉末として、これまで粉末金属4を用いる場合について説明してきたが、積層用粉末は、(1)母材と異なる比熱を持つ、(2)レーザ光で溶融でき、積層用粉末の溶融物が母材の溶融物と混合できる、という特性を有する物質であればよく、本発明は粉末金属以外の積層用粉末の場合にも適用できる。そのような積層用粉末の一例としては、前述の粉末金属以外に、セラミックス粉末、サーメット粉末が挙げられる。そして、母材についても、レーザ光で溶融する特性を持つ物質であればよく、金属(合金を含む)以外に、セラミックス、サーメットであってもよい。
Although the present invention has been specifically described above based on the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments and can be variously modified without departing from the gist thereof. For example, the powder metal may be a powder of an alloy (for example, cemented carbide). Further, although the case where the
1…レーザヘッド、1A…レーザ光出射部、1B…粉末金属供給部、1C…光ファイバ部、2…レーザ光、3…母材、4…粉末金属、5…積層物、6…溶融池、7…光センサ、8…比熱測定センサ、9…位置センサ、10…制御部、11…計算部、20…記憶部、21…プログラム、22…設定情報、23…構造物データ、24…比熱情報、30…駆動部、40…入出力設定部。 1 ... Laser head, 1A ... Laser light emitting part, 1B ... Powder metal supply part, 1C ... Optical fiber part, 2 ... Laser light, 3 ... Base material, 4 ... Powder metal, 5 ... Laminate, 6 ... Molten pond, 7 ... Optical sensor, 8 ... Specific heat measurement sensor, 9 ... Position sensor, 10 ... Control unit, 11 ... Calculation unit, 20 ... Storage unit, 21 ... Program, 22 ... Setting information, 23 ... Structure data, 24 ... Specific heat information , 30 ... Drive unit, 40 ... Input / output setting unit.
Claims (6)
積層造形の制御を行う制御部と、
前記レーザ光を照射するレーザ光出射機構と、
前記積層用粉末を供給する粉末供給機構と、
少なくとも前記母材と前記積層用粉末とを含む混合物である溶融池の面積を検出するセンサと、
少なくとも前記母材と前記積層用粉末とを含む混合物である積層物の比熱を検出するセンサ、または計算する比熱計算部と、を備え、
前記制御部は、前記比熱に応じて前記溶融池の面積の制御目標値を計算する溶融池制御目標値計算部と、
前記溶融池の面積の制御目標値に近づくように、前記レーザ光の出力値を計算してフィードバック制御を行う出力制御部と、を有する積層造形装置。 It is a laminating molding device of the type that melts and deposits laminating powder on the base material based on the irradiation of laser light.
A control unit that controls laminated modeling and
A laser light emitting mechanism that irradiates the laser light and
A powder supply mechanism for supplying the laminating powder and
A sensor that detects the area of a molten pool that is a mixture containing at least the base material and the laminating powder, and
A sensor for detecting the specific heat of a laminate, which is a mixture containing at least the base material and the powder for lamination, or a specific heat calculation unit for calculating the specific heat is provided.
The control unit includes a molten pool control target value calculation unit that calculates a control target value of the area of the molten pool according to the specific heat.
A laminated molding apparatus including an output control unit that calculates an output value of the laser beam and performs feedback control so as to approach a control target value of the area of the molten pool.
少なくとも前記母材と前記積層用粉末とを含む混合物である溶融池の面積の検出値、及び少なくとも前記母材と前記積層用粉末とを含む混合物である積層物の比熱から前記溶融池の面積の制御目標値を計算するステップと、
前記溶融池の面積の制御目標値に近づくように、前記レーザ光の出力値を調整してフィードバック制御を行うステップと、
を有する、積層造形方法。 It is a laminating molding method using a laminating molding device that melts and deposits laminating powder on a base material based on laser light irradiation.
The area of the molten pool is determined from at least the detected value of the area of the molten pool which is a mixture containing the base material and the laminating powder, and at least the specific heat of the laminate which is a mixture containing the base material and the laminating powder. Steps to calculate the control target value and
A step of adjusting the output value of the laser beam to perform feedback control so as to approach the control target value of the area of the molten pool, and
Laminated modeling method.
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