JP6848010B2 - 積層造形装置 - Google Patents

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Description

この発明は、積層造形装置に関する。
金属の積層造形においては、金属材料からなる粉末層を形成し、この粉末層の所定箇所にレーザ光または電子ビーム等のビームを照射して照射位置の粉末層を焼結または溶融させて焼結層を形成している。そして、粉末層の形成と焼結層の形成とを繰り返すことによって、所望の三次元造形物を造形している。
このような金属の積層造形を行う積層造形装置は、近年、その性能が向上してきている。この性能の向上に伴って、試作品の制作が主な用途であった積層造形装置の利用範囲が拡大してきている。特に、最近では、医療分野や航空宇宙分野においても、積層造形装置により重要な部品等を製作する機会が増加している。これらの分野では、部品等の品質が一定以上であることが求められており、部品等を製作する側にとっても、その品質を保証できることが重要になってきている。
造形物の品質を保証するための手段としては、成果物に対して厳密な検査を行うことが挙げられるが、造形物を形成する工程において品質の低下を抑制することも考えられる。
前者としては、例えば、造形物に対してＸ線ＣＴスキャンを実施する方法があり、後者としては、例えば、特許文献１に記載されているように、レーザビームのエネルギー密度を測定する方法がある。
特表２０１６−５４０８９５号公報
ところで、造形物の欠陥等の多くは、その形成過程において発生していることが多い。例えば、造形物中の空隙は、造形物の形成後に生じるものではなく、形成過程において生じるものである。したがって、造形物の形成過程を観察することは重要なことである。
しかしながら、特許文献１に記載されている技術は、基準支持体上にレーザビームを定期的に印加し、使用のたびに、この基準支持体上で得られる光強度を測定するものであり、造形物の形成過程において光強度を観察しているものではない。
本発明は、かかる事情を鑑みてなされたものであり、積層造形の過程において照射するレーザ光の状態を観察し、造形状態の良否を判定することのできる積層造形装置を提供することを目的とする。
本発明によれば、金属の材料粉末が敷かれるテーブルと、水平一軸方向に往復移動して前記テーブル上に材料粉末を供給するとともに平坦化して粉末層を形成するリコータヘッドと、光源から発せられたレーザ光を粉末層の所定の焼結領域にレーザ照射して材料粉末が焼結された焼結層を形成するレーザ照射部と、前記光源から発せられるレーザ光のレーザパワーを検出するレーザパワー検出部と、前記レーザ照射部から粉末層に照射されるレーザ光の走査速度を検出するレーザ走査速度検出部と、前記レーザ照射部から粉末層に照射されるレーザ光のビーム径を検出するレーザビーム径検出部と、良好な焼結が行われるレーザパワー、走査速度およびビーム径のそれぞれの最小値および最大値を記憶する記憶部と、前記レーザパワー検出部によって検出されたレーザパワー、前記レーザ走査速度検出部によって検出された走査速度および前記レーザビーム径検出部によって検出されたビーム径と、前記記憶部に記憶された最小値および最大値とをそれぞれ比較し、焼結の良不良を判定する判定部と、を備え、前記判定部は、前記レーザパワー検出部によって検出されたレーザパワー、前記レーザ走査速度検出部によって検出された走査速度および前記レーザビーム径検出部によって検出されたビーム径の少なくとも一つが前記記憶部に記憶された最小値から最大値までの範囲外であった場合、焼結の不良と判定することを特徴とする積層造形装置が提供される。
本発明に係る積層造形装置は、レーザ照射部から粉末層に照射されるレーザ光のレーザパワー、走査速度およびビーム径のそれぞれを良好な焼結が行われる最小値および最大値と比較し、焼結の良不良を判定するように構成される。このような構成により、積層造形の過程において形成中の造形物の造形状態の良否を判定することができる。
好ましくは、以下の発明が提供されてもよい。
前記記憶部には、レーザパワーの前記最小値、走査速度の前記最大値およびビーム径の前記最大値から算出されるレーザのエネルギー密度の最小値よりも大きい第１の値と、レーザパワーの前記最大値、走査速度の前記最小値およびビーム径の前記最小値から算出されるレーザのエネルギー密度の最大値よりも小さく、且つ、前記第１の値よりも大きい第２の値とがさらに記憶され、前記判定部は、前記レーザパワー検出部によって検出されたレーザパワー、前記レーザ走査速度検出部によって検出された走査速度および前記レーザビーム径検出部によって検出されたビーム径からレーザのエネルギー密度を算出し、該算出したエネルギー密度と、前記記憶部に記憶された第１の値および第２の値とを比較し、前記算出したエネルギー密度が前記第１の値未満であった場合または前記第２の値を超えた場合、焼結の不良と判定することを特徴とする前記積層造形装置。
前記判定部は、レーザパワーの前記最小値、走査速度の前記最大値およびビーム径の前記最大値からレーザのエネルギー密度の最小値を算出するとともに、該算出した最小値よりも予め定めた値だけ大きい第１の値を算出し、レーザパワーの前記最大値、走査速度の前記最小値およびビーム径の前記最小値からレーザのエネルギー密度の最大値を算出するとともに、該算出した最大値よりも予め定めた値だけ小さい第２の値を算出し、前記レーザパワー検出部によって検出されたレーザパワー、前記レーザ走査速度検出部によって検出された走査速度および前記レーザビーム径検出部によって検出されたビーム径からレーザのエネルギー密度を算出し、該算出したエネルギー密度と、前記第１の値および前記第２の値とを比較し、前記算出したエネルギー密度が前記第１の値未満であった場合または前記第２の値を超えた場合、焼結の不良と判定することを特徴とする前記積層造形装置。
前記判定部によって焼結の不良と判定された場合、前記リコータヘッドは、次の粉末層の形成を行わないことを特徴とする前記積層造形装置。
本発明の実施形態に係る積層造形装置１の構成を示した図である。 レーザ照射部５の構成の概略を示した図である。 リコータヘッド４２を上方から見た斜視図である。 リコータヘッド４２を下方から見た斜視図である。 制御装置の構成を示すブロック図である。 レーザ照射部５およびレーザ照射検出部８７の構成を示すブロック図である。 レーザ光Ｌの照射位置の軌跡を示した図である。 レーザ光Ｌの走査速度の遅れの例を示した図である。 拡散レンズ５３３の移動の遅れの例を示した図である。 レーザ光Ｌの走査速度とレーザ光Ｌの照射のタイミングの関係を示した図である。 積層造形装置１の動作の流れを示すアクティビティ図である。
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。
１．構成例
図１は、本発明の実施形態に係る積層造形装置１の構成を示した図である。図１に示すように、積層造形装置１は、テーブル２、テーブル駆動部３、粉末層形成部４、レーザ照射部５、チャンバ６およびウインドウ７を有している。
テーブル２は、所望の三次元造形物が形成される造形領域Ｒを有するものであり、金属の材料粉末が敷かれ、この材料粉末により粉末層Ｐが形成される。また、三次元造形物を形成する際には、テーブル２上にベースプレート２１が載置されてもよい。このとき、ベースプレート２１上に粉末層Ｐが形成される。
テーブル駆動部３は、テーブル２を鉛直方向（矢印Ｕ方向）に移動させる。このテーブル駆動部３により、テーブル２は、鉛直方向に移動可能となる。
粉末層形成部４は、造形領域Ｒに所定厚みの粉末層Ｐを形成する。具体的には、粉末層形成部４は、ベース台４１と、ベース台４１に配置され、水平一軸方向（矢印Ａ方向）に往復移動してテーブル２上に材料粉末を供給するとともに平坦化して粉末層Ｐを形成するリコータヘッド４２とを含む。なお、リコータヘッド４２の詳細については後述する。
レーザ照射部５は、光源５１から発せられたレーザ光Ｌを粉末層Ｐの所定の焼結領域にレーザ照射して材料粉末が焼結された焼結層Ｓを形成する。なお、レーザ照射部５の詳細については後述する。
チャンバ６は、造形領域Ｒを覆うように構成される。チャンバ６内には、不活性ガスが充満されていることが望ましい。
ウインドウ７は、レーザ光Ｌを透過させる素材、例えば、ガラス等であり、レーザ照射部５をヒューム等から保護するものである。
２．レーザ照射部
次に、レーザ照射部５について説明する。図２は、レーザ照射部５の構成の概略を示した図である。
レーザ照射部５は、光源５１、コリメータ５２、フォーカス制御ユニット５３、ガルバノミラー５４ｘおよびガルバノミラー５４ｙを有している。
光源５１は、レーザ光Ｌを出力する。レーザ光Ｌは、粉末層Ｐを焼結することが可能であり、例えば、ＣＯ ２ レーザ、ファイバーレーザ、またはＹＡＧレーザである。コリメータ５２は、光源５１から出力されたレーザ光Ｌを平行光に変換する。フォーカス制御ユニット５３は、コリメータ５２で平行光に変換されたレーザ光Ｌを集光し、所定のビーム径に調整する。ガルバノミラー５４ｘとガルバノミラー５４ｙは、それぞれ、レーザ光Ｌを反射し、その照射位置を制御する。
ガルバノミラー５４ｘとガルバノミラー５４ｙにより照射位置が制御されたレーザ光Ｌは、ウインドウ１２を通してテーブル２上の粉末層Ｐに照射され、焼結層Ｓを形成する。
３．リコータヘッド
次に、粉末層形成部４のリコータヘッド４２について説明する。図３は、リコータヘッド４２を上方から見た斜視図である。また、図４は、リコータヘッド４２を下方から見た斜視図である。
図３および図４に示すように、リコータヘッド４２は、材料収容部４２１と材料供給部４２２と材料吐出部４２３とを有する。材料収容部４２１は、材料粉末を収容する。材料供給部４２２は、材料収容部４２１の上面に配設され、図示しない材料供給部から材料収容部４２１に供給される材料粉末の受口となる。材料吐出部４２３は、材料収容部４２１の底面に配設され、材料収容部４２１内の材料粉末を吐出する。また、材料吐出部４２３はスリット形状であり、その長手方向は、リコータヘッド４２の移動方向（矢印Ａ方向）に直交する水平一軸方向（矢印Ｂ方向）である。
ブレード４２４は、リコータヘッド４２の側面に配設され、リコータヘッド４２から吐出された材料粉末を造形領域Ｒ上に撒布する。本実施形態ではリコータヘッド４２の両側面に１つずつブレード４２４が設けられるが、少なくとも１つのブレード４２４がリコータヘッド４２に取り付けられればよい。また、ブレード４２４としては、平板状のもの、可撓性のあるもの、ブラシ状のもの、ローラ状のもの等、所定厚みの粉末層Ｐを形成可能なものであれば、種々の形態が採用可能である。
このような構成により、粉末層形成部４は、リコータヘッド４２がテーブル２の造形領域Ｒ上を往復移動しながら材料吐出部４２３から材料粉末を吐出し、ブレード４２４がリコータヘッド４２の往復移動に伴って造形領域Ｒ上に吐出された材料粉末を均すことで、粉末層Ｐを形成する。
４．制御装置
次に、積層造形装置１を制御する制御装置について説明する。図５は、制御装置の構成を示すブロック図である。
図５に示すように、制御装置８は、ＣＡＭ装置８１、数値制御装置８２、表示装置８３、粉末層形成制御部８４、テーブル制御部８５、照射制御部８６、レーザ照射検出部８７、判定部８８および記憶部８９を有している。この制御装置８は、積層造形装置１のテーブル駆動部３と粉末層形成部４とレーザ照射部５とを制御するとともに、レーザ照射部５によるレーザ光Ｌの照射状態を観察するものである。
ＣＡＭ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）装置８１は、所望の三次元造形物を形成するためのメインプログラムと、造形プログラムとを含むプロジェクトファイルを作成する。メインプログラムは、シーケンス番号をふられた複数のプログラム行で構成され、各プログラム行には、所定の層における焼結の指令等を含む。また、造形プログラムは、照射プログラムファイルであり、レーザ光Ｌの照射位置等の指令を含む。
数値制御装置８２は、ＣＡＭ装置８１が作成したプロジェクトファイルにしたがって、所望の三次元造形物を形成すべく、粉末層形成部４、テーブル２の高さおよびレーザ照射部５を数値制御するもので、記憶装置８２１と演算装置８２２とメモリ８２３とを有している。
記憶装置８２１は、通信線や可搬記憶媒体を介してＣＡＭ装置８１から取得したプロジェクトファイルを記憶する。
演算装置８２２は、記憶装置８２１に記憶したプロジェクトファイルにしたがって、粉末層形成部４、テーブル２の高さおよびレーザ照射部５を数値制御するための演算処理を実行する。
メモリ８２３は、演算装置８２２による演算処理の過程で一時的に記憶する必要のある数値やデータを一時的に記憶する。
表示装置８３は、数値制御装置８２に接続され、数値制御装置８２が通知するデータやエラーメッセージ等を表示する。
粉末層形成制御部８４は、数値制御装置８２からの指令に基づいて粉末層形成部４を制御する。粉末層形成制御部８４からの指令は、粉末層形成部４の駆動部４３に入力され、当該指令に応じた電力を駆動部４３が出力することで粉末層形成部４の図示しないモータが回転し、リコータヘッド４２がベース台４１上を往復移動する。また、粉末層形成制御部８４には、駆動部４３の出力に応じた信号や図示しないモータに取り付けられたエンコーダ等からの信号が入力され、これら入力された信号に基づいて粉末層形成制御部８４は、フィードバック制御を行う。
テーブル制御部８５は、数値制御装置８２からの指令に基づいてテーブル駆動部３を制御する。テーブル制御部８５からの指令は、テーブル駆動部３の図示しない駆動部に入力され、当該指令に応じた電力をその駆動部が出力することでテーブル駆動部３の図示しないモータが回転し、テーブル２が上方向または下方向に移動し、その高さが変化する。また、テーブル制御部８５には、テーブル駆動部３の図示しない駆動部の出力に応じた信号や図示しないモータに取り付けられたエンコーダ等からの信号が入力され、これら入力された信号に基づいてテーブル制御部８５は、フィードバック制御を行う。
また、テーブル駆動部３は、例えば、テーブル２の下に設けられるスライドベースと、送りねじと、送りねじを支持するガイドベースと、を備える。テーブル駆動部３の送りねじは、ねじ軸と、ねじ軸に螺合しスライドベースの側面に固定されるナットと、ねじ軸を回転させるモータを含む。このモータが図示しない駆動部から供給される電力により回転するものである。
照射制御部８６は、数値制御装置８２から造形プログラムを受信し、この造形プログラムに基づいて照射データの生成を行い、生成した照射データに基づいてレーザ照射部５に指令を送出する。また、照射制御部８６には、レーザ照射部５の動作に基づく信号が入力され、これらの入力された信号に基づいて照射制御部８６は、フィードバック制御を行う。
レーザ照射検出部８７は、レーザ照射部５から、レーザ照射部５の動作に基づく信号を取得し、レーザ照射部５によるレーザ光Ｌの照射の状態を検出する。なお、レーザ照射検出部８７の詳細については後述する。
判定部８８は、レーザ照射検出部８７が検出したレーザ光Ｌの照射の状態に基づいて、レーザ光Ｌによる焼結の良否を判定する。なお、判定部８８の詳細については後述する。
記憶部８９は、判定部８８が判定の際に利用する閾値等を記憶する。なお、記憶部８９に記憶される値については後述する。
５．レーザ照射検出部
続いて、レーザ照射検出部８７の詳細について説明する。図６は、レーザ照射部５およびレーザ照射検出部８７の構成を示すブロック図である。
まず、レーザ照射部５について説明する。図６に示すように、レーザ照射部５は、光源５１、フォーカス制御ユニット５３、ガルバノミラー５４ｘ、ガルバノミラー５４ｙ、駆動部５５ｘ、駆動部５５ｙ、アクチュエータ５６ｘおよびアクチュエータ５６ｙを有している。なお、レーザ照射部５は、図６には示していないコリメータ５２も有している。
光源５１は、レーザ光Ｌを出力する。出力するレーザ光Ｌのパワーやレーザ光Ｌを出力するタイミングは、照射制御部８６から送出される指令に従う。
ここで、光源５１がレーザ光Ｌを出力するタイミングについて説明する。図７は、レーザ光Ｌの照射位置の軌跡を示した図である。レーザ照射部５は、粉末層Ｐの所定の焼結領域にレーザ光Ｌを照射して焼結層Ｓを形成する際に、所定の幅ｗ毎にレーザ光Ｌを照射する。図７に示した軌跡のうち、実線の矢印で示した軌跡が、焼結層Ｓを形成する部分で、レーザ光Ｌが照射される部分であり、一定の走査速度でレーザ光Ｌが照射される。また、図７に示した軌跡のうち、一点鎖線の矢印で示した軌跡は、ｘ軸方向の走査速度が減速している部分であり、二点鎖線の矢印で示した軌跡は、ｘ軸方向の走査速度が加速している部分であり、いずれも、レーザ光Ｌが照射されない部分である。
このように、レーザ光Ｌは、幅ｗ内の領域を間隔ｐ毎に照射されるが、この間隔ｐは、レーザ光Ｌのビーム径ｄと等しいものである。なお、図７では、レーザ光Ｌの走査方向をｘ軸方向として説明しているが、走査方向は必ずしもx軸方向である必要はない。また、形成する三次元造形物の形状に応じて、幅ｗ内においても、レーザ光Ｌを照射しない部分、つまり、焼結層Ｓを形成しない部分が生じる場合がある。
フォーカス制御ユニット５３は、駆動部５３１、アクチュエータ５３２および拡散レンズ５３３を有し、照射制御部８６から送出される指令に応じてレーザ光Ｌの焦点距離を調整する。具体的には、照射制御部８６からの指令は、駆動部５３１に入力され、当該指令に応じた電力を駆動部５３１が出力することでアクチュエータ５３２が動作し、拡散レンズ５３３が移動する。この拡散レンズ５３３の移動により、拡散レンズ５３３と図示しない集光レンズの距離が変化し、レーザ光Ｌの焦点距離が変化する。レーザ光Ｌの焦点距離が適切に調整されることで、レーザ光Ｌの照射位置である粉末層Ｐにおけるビーム径が所定の大きさとなる。
また、照射制御部８６には、駆動部５３１の出力に応じた信号やアクチュエータ５３２に取り付けられたエンコーダ等からの信号が入力され、これら入力された信号に基づいて照射制御部８６は、フォーカス制御ユニット５３をフィードバック制御する。
ガルバノミラー５４ｘは、照射制御部８６のミラー制御部８６１ｘから送出される指令に応じて回転し、レーザ光Ｌの照射位置のｘ軸方向の位置を調整する。具体的には、ミラー制御部８６１ｘからの指令は、駆動部５５ｘに入力され、当該指令に応じた電力を駆動部５５ｘが出力することでアクチュエータ５６ｘが動作し、ガルバノミラー５４ｘが回転する。なお、ｘ軸方向は、水平面の任意の方向であり、例えば、リコータヘッド４２の移動方向（矢印Ａ方向）である。
また、ミラー制御部８６１ｘには、駆動部５５ｘの出力に応じた信号やアクチュエータ５６ｘに取り付けられたエンコーダ等からの信号が入力され、これら入力された信号に基づいてミラー制御部８６１ｘは、ガルバノミラー５４ｘをフィードバック制御する。
ガルバノミラー５４ｙは、照射制御部８６のミラー制御部８６１ｙから送出される指令に応じて回転し、レーザ光Ｌの照射位置のｙ軸方向の位置を調整する。具体的には、ミラー制御部８６１ｙからの指令は、駆動部５５ｙに入力され、当該指令に応じた電力を駆動部５５ｙが出力することでアクチュエータ５６ｙが動作し、ガルバノミラー５４ｙが回転する。なお、ｙ軸方向は、水平面においてｘ軸と直行する方向であり、例えば、ｘ軸がリコータヘッド４２の移動方向（矢印Ａ方向）であれば、ｙ軸は、リコータヘッド４２の移動方向に直交する方向（矢印Ｂ方向）である。
また、ミラー制御部８６１ｙには、駆動部５５ｙの出力に応じた信号やアクチュエータ５６ｙに取り付けられたエンコーダ等からの信号が入力され、これら入力された信号に基づいてミラー制御部８６１ｙは、ガルバノミラー５４ｙをフィードバック制御する。
続いて、レーザ照射検出部８７について説明する。図６に示すように、レーザ照射検出部８７は、レーザパワー検出部８７１、レーザ走査速度検出部８７２およびレーザビーム径検出部８７３を有している。
レーザパワー検出部８７１は、光源５１から発せられるレーザ光Ｌのレーザパワーを検出する。具体的には、レーザパワー検出部８７１は、光源５１に配されている出力モニタ端子から出力される信号を取得し、この信号に基づいて光源５１から発せられるレーザ光Ｌのレーザパワーを特定する。もちろん、別の方法、例えば、ビームスプリッタ等を利用してレーザ光Ｌの一部を受光して、そのパワーを検出するようにしてもよい。
レーザ走査速度検出部８７２は、レーザ照射部５から粉末層Ｐに照射されるレーザ光Ｌの走査速度を検出する。具体的には、レーザ走査速度検出部８７２は、アクチュエータ５６ｘに取り付けられたエンコーダ等からの信号とアクチュエータ５６ｙに取り付けられたエンコーダ等からの信号に基づいて、走査速度を算出する。
レーザ光Ｌの照射位置は、アクチュエータ５６ｘにより回転するガルバノミラー５４ｘの位置（角度）と、アクチュエータ５６ｙにより回転するガルバノミラー５４ｙの位置（角度）によって決定されるが、ガルバノミラー５４ｘとガルバノミラー５４ｙの回転は、慣性等の影響によりミラー制御部８６１ｘとからの指令とミラー制御部８６１ｙからの指令とから遅れが生じる場合がある。照射位置の制御に遅れが生じた場合、当然のことながら、レーザ光Ｌの走査速度にも遅れが生じることになる。このため、レーザ走査速度検出部８７２は、アクチュエータ５６ｘに取り付けられたエンコーダ等からの信号とアクチュエータ５６ｙに取り付けられたエンコーダ等からの信号に基づいて、走査速度を算出している。
図８は、レーザ光Ｌの走査速度の遅れの例を示した図である。図８に示したグラフにおいて、一点鎖線は、ミラー制御部８６１ｘとからの指令とミラー制御部８６１ｙからの指令とから算出したレーザ光Ｌの走査速度であり、実線は、アクチュエータ５６ｘに取り付けられたエンコーダ等からの信号とアクチュエータ５６ｙに取り付けられたエンコーダ等からの信号に基づいて算出したレーザ光Ｌの走査速度である。
レーザビーム径検出部８７３は、レーザ照射部５から粉末層Ｐに照射されるレーザ光Ｌのビーム径を検出する。具体的には、レーザビーム径検出部８７３は、アクチュエータ５６ｘに取り付けられたエンコーダ等からの信号とアクチュエータ５６ｙに取り付けられたエンコーダ等からの信号に基づいてレーザ光Ｌの照射位置を算出し、算出した照射位置からレーザ光Ｌの光路長を算出する。その一方で、レーザビーム径検出部８７３は、アクチュエータ５３２に取り付けられたエンコーダ等からの信号に基づいてレーザ光Ｌの焦点距離を算出する。そして、レーザビーム径検出部８７３は、算出したレーザ光Ｌの光路長と焦点距離とに基づいて、レーザ光Ｌの照射位置におけるビーム径を算出する。
レーザ光Ｌのビーム径は、アクチュエータ５６ｘにより回転するガルバノミラー５４ｘの位置（角度）と、アクチュエータ５６ｙにより回転するガルバノミラー５４ｙの位置（角度）と、アクチュエータ５３２により移動する拡散レンズ５３３の位置によって決定されるが、ガルバノミラー５４ｘとガルバノミラー５４ｙの回転は、前述したように遅れが生じる場合があり、拡散レンズ５３３の移動も慣性等の影響により照射制御部８６からの指令から遅れが生じる場合がある。このため、レーザビーム径検出部８７３は、アクチュエータ５６ｘに取り付けられたエンコーダ等からの信号とアクチュエータ５６ｙに取り付けられたエンコーダ等からの信号とアクチュエータ５３２に取り付けられたエンコーダ等からの信号とに基づいて、ビーム径を算出している。
図９は、拡散レンズ５３３の移動の遅れの例を示した図である。図９に示したグラフにおいて、一点鎖線は、照射制御部８６からの指令が示す拡散レンズ５３３の位置であり、実線は、アクチュエータ５３２に取り付けられたエンコーダ等からの信号が示す拡散レンズ５３３の位置である。
６．判定部
次に、判定部８８による焼結の良否の判定について説明する。判定部８８は、レーザ照射検出部８７が検出したレーザ光Ｌの照射の状態に基づいて、レーザ光Ｌによる焼結の良否を判定するが、この判定に際して、記憶部８９に記憶されている値を利用する。このため、まず、記憶部８９に記憶されている値について説明する。
記憶部８９には、良好な焼結が行われるレーザパワー、走査速度およびビーム径のそれぞれの最小値および最大値が記憶される。つまり、記憶部８９には、良好な焼結が行われると想定されるレーザ光Ｌのレーザパワーの範囲が、その最小値と最大値とで記憶されるとともに、良好な焼結が行われると想定されるレーザ光Ｌの走査速度の範囲が、その最小値と最大値とで記憶される。また、記憶部８９には、良好な焼結が行われると想定されるレーザ光Ｌのビーム径の範囲が、その最小値と最大値とで記憶される。
良好な焼結が行われると想定されるレーザ光Ｌのレーザパワー、走査速度、ビーム径の範囲は、粉末層Ｐを構成する金属の種類等に応じて予め決定される値である。
判定部８８は、レーザパワー検出部８７１によって検出されたレーザパワー、レーザ走査速度検出部８７２によって検出された走査速度およびレーザビーム径検出部８７３によって検出されたビーム径の少なくとも一つが記憶部８９に記憶された最小値から最大値までの範囲外であった場合、焼結の不良と判定する。
つまり、判定部８８は、レーザパワー検出部８７１が検出したレーザ光Ｌのレーザパワーが記憶部８９に記憶されているレーザパワーの最小値未満である場合と、レーザパワー検出部８７１が検出したレーザ光Ｌのレーザパワーが記憶部８９に記憶されているレーザパワーの最大値を超えている場合には、レーザ走査速度検出部８７２が検出したレーザ光Ｌの走査速度とレーザビーム径検出部８７３が検出したレーザ光Ｌのビーム径にかかわらず、焼結の不良と判定する。
また、判定部８８は、レーザ走査速度検出部８７２が検出したレーザ光Ｌの走査速度が記憶部８９に記憶されている走査速度の最小値未満である場合と、レーザ走査速度検出部８７２が検出したレーザ光Ｌの走査速度が記憶部８９に記憶されている走査速度の最大値を超えている場合には、レーザパワー検出部８７１が検出したレーザ光Ｌのレーザパワーとレーザビーム径検出部８７３が検出したレーザ光Ｌのビーム径にかかわらず、焼結の不良と判定する。
同様に、判定部８８は、レーザビーム径検出部８７３が検出したレーザ光Ｌのビーム径が記憶部８９に記憶されているビーム径の最小値未満である場合と、レーザビーム径検出部８７３が検出したレーザ光Ｌのビーム径が記憶部８９に記憶されているビーム径の最大値を超えている場合には、レーザパワー検出部８７１が検出したレーザ光Ｌのレーザパワーとレーザ走査速度検出部８７２が検出したレーザ光Ｌの走査速度にかかわらず、焼結の不良と判定する。
また、記憶部８９に、レーザパワーの最小値、走査速度の最大値およびビーム径の最大値から算出されるレーザのエネルギー密度の最小値よりも大きい第１の値と、レーザパワーの最大値、走査速度の最小値およびビーム径の最小値から算出されるレーザのエネルギー密度の最大値よりも小さく、且つ、第１の値よりも大きい第２の値とをさらに記憶するようにしてもよい。
レーザ光Ｌのエネルギー密度は、レーザパワーを、走査速度にビーム径を乗じた値で除した値となる。つまり、良好な焼結が行われると想定されるレーザパワーの最小値と、良好な焼結が行われると想定される走査速度の最大値と、良好な焼結が行われると想定されるビーム径の最大値を用いて算出したエネルギー密度は、良好な焼結が行われると想定される最小のエネルギー密度であり、良好な焼結が行われると想定されるレーザパワーの最大値と、良好な焼結が行われると想定される走査速度の最小値と、良好な焼結が行われると想定されるビーム径の最小値を用いて算出したエネルギー密度は、良好な焼結が行われると想定される最大のエネルギー密度である。
したがって、第１の値と第２の値で規定されるエネルギー密度は、良好な焼結が行われると想定されるレーザ光Ｌのレーザパワー、走査速度、ビーム径の範囲をより狭めたものとなる。
記憶部８９に、第１の値と第２の値を記憶している場合、判定部８８は、レーザパワー検出部８７１によって検出されたレーザパワー、レーザ走査速度検出部８７２によって検出された走査速度およびレーザビーム径検出部８７３によって検出されたビーム径からレーザのエネルギー密度を算出し、算出したエネルギー密度と、記憶部８９に記憶された第１の値および第２の値とを比較し、算出したエネルギー密度が第１の値未満であった場合または第２の値を超えた場合、焼結の不良と判定する。
また、記憶部８９に第１の値と第２の値を記憶させずに、判定部８８が、記憶部８９に記憶されているレーザパワーの最小値、走査速度の最大値およびビーム径の最大値からレーザのエネルギー密度の最小値を算出するとともに、算出した最小値よりも予め定めた値だけ大きい第１の値を算出し、また、記憶部８９に記憶されているレーザパワーの最大値、走査速度の最小値およびビーム径の最小値からレーザのエネルギー密度の最大値を算出するとともに、算出した最大値よりも予め定めた値だけ小さい第２の値を算出するようにしてもよい。
この場合も、判定部８８は、レーザパワー検出部８７１によって検出されたレーザパワー、レーザ走査速度検出部８７２によって検出された走査速度およびレーザビーム径検出部８７３によって検出されたビーム径からレーザのエネルギー密度を算出し、算出したエネルギー密度と、記憶部８９に記憶された第１の値および第２の値とを比較し、算出したエネルギー密度が第１の値未満であった場合または第２の値を超えた場合、焼結の不良と判定する。
ところで、図７に示したように、レーザ光Ｌの走査方向は反転する場合があり、その際の走査速度は０となる。また、レーザ光Ｌが照射されないタイミングもあり、その際には、レーザ光Ｌのビーム径は０となり、レーザパワーも０となる。このような場合、レーザ光Ｌのレーザパワー、走査速度、ビーム径の少なくとも１つが、良好な焼結が行われると想定される範囲を逸脱することになるため、誤判定の原因となる。
ここで、レーザ光Ｌの走査速度とレーザ光Ｌの照射のタイミングの関係について説明する。図１０は、レーザ光Ｌの走査速度とレーザ光Ｌの照射のタイミングの関係を示した図である。図１０に示したグラフにおいて、破線は、レーザ光Ｌの走査速度であり、実線は、レーザ光Ｌが照射されている（ＯＮ）か否か（ＯＦＦ）を示している。
図１０から明らかなように、レーザ光Ｌの走査速度が０となる際には、レーザ光Ｌは照射されていない状態（ＯＦＦ）である。したがって、レーザ光Ｌが照射されていないタイミングにおいて、判定部８８による判定を中断するか、レーザ照射検出部８７による検出を中断することで、判定部８８による誤判定を防止することが可能となる。
７．全体動作
次に、積層造形装置１の動作の流れについて説明する。図１１は、積層造形装置１の動作の流れを示すアクティビティ図である。
積層造形装置１は、造形処理を開始すると、まず、テーブル２を所定の高さだけ下降させる（Ａ１０１）。
続いて、粉末層形成部４のリコータヘッド４２が動作して、テーブル２上に粉末層Ｐを形成する（Ａ１０２）。
テーブル２上に粉末層Ｐが形成されると、レーザ照射部５が動作して、粉末層Ｐ上にレーザ光Ｌを照射する（Ａ１０３）。
レーザ照射部５がレーザ光Ｌを照射している間に、レーザパワー検出部８７１がレーザ光Ｌのレーザパワーを検出し（Ａ１０４）、レーザ走査速度検出部８７２がレーザ光Ｌの走査速度を検出し（Ａ１０５）、レーザビーム径検出部８７３がレーザ光Ｌのビーム径を検出する（Ａ１０６）。
レーザパワー、走査速度、ビーム径が検出されると、判定部８８が、検出したそれぞれの値を記憶部８９に記憶されているそれぞれの最小値および最大値と比較し、焼結が良好に行われているか否かを判定する。
判定部８８により焼結が不良であると判定された場合には、リコータヘッド４２が次の粉末層Ｐの形成を行わない、つまり、積層造形装置１が造形処理を中止する。
判定部８８が、レーザパワー、走査速度、ビーム径のそれぞれの値を記憶部８９に記憶されているそれぞれの最小値および最大値と比較した結果、焼結が良好に行われていると判定した場合には、判定部８８は、さらに、レーザパワー、走査速度、ビーム径のそれぞれの値からレーザ光Ｌのエネルギー密度を算出する（Ａ１０７）。
判定部８８は、レーザ光Ｌのエネルギー密度を算出すると、算出したエネルギー密度の値を記憶部８９に記憶されている第１の値および第２の値と比較し、焼結が良好に行われているか否かを判定する。
判定部８８により焼結が不良であると判定された場合には、リコータヘッド４２が次の粉末層Ｐの形成を行わない、つまり、積層造形装置１が造形処理を中止する。
なお、記憶部８９に第１の値と第２の値が記憶されていない場合には、判定部８８が第１の値と第２の値を算出してもよく、エネルギー密度の算出を含む第１の値および第２の値との比較を省略してもよい。
これらＡ１０４以降の処理は、現に形成している焼結層の形成が完了するまで繰り返され、また、現に形成している焼結層の形成が完了すると、Ａ１０１以降の処理を、造形物が完成するまで繰り返される。
１ ：積層造形装置
１２ ：ウインドウ
２ ：テーブル
２１ ：ベースプレート
３ ：テーブル駆動部
４ ：粉末層形成部
４１ ：ベース台
４２ ：リコータヘッド
４２１ ：材料収容部
４２２ ：材料供給部
４２３ ：材料吐出部
４２４ ：ブレード
４３ ：駆動部
５ ：レーザ照射部
５１ ：光源
５２ ：コリメータ
５３ ：フォーカス制御ユニット
５３１ ：駆動部
５３２ ：アクチュエータ
５３３ ：拡散レンズ
５４ｘ ：ガルバノミラー
５４ｙ ：ガルバノミラー
５５ｘ ：駆動部
５５ｙ ：駆動部
５６ｘ ：アクチュエータ
５６ｙ ：アクチュエータ
６ ：チャンバ
７ ：ウインドウ
８ ：制御装置
８１ ：ＣＡＭ装置
８２ ：数値制御装置
８２１ ：記憶装置
８２２ ：演算装置
８２３ ：メモリ
８３ ：表示装置
８４ ：粉末層形成制御部
８５ ：テーブル制御部
８６ ：照射制御部
８６１ｘ ：ミラー制御部
８６１ｙ ：ミラー制御部
８７ ：レーザ照射検出部
８７１ ：レーザパワー検出部
８７２ ：レーザ走査速度検出部
８７３ ：レーザビーム径検出部
８８ ：判定部
８９ ：記憶部
Ａ ：矢印
Ｂ ：矢印
Ｌ ：レーザ光
Ｐ ：粉末層
Ｒ ：造形領域
Ｓ ：焼結層
Ｕ ：矢印
ｄ ：ビーム径
ｐ ：間隔
ｗ ：幅

Claims (4)

  1. 金属の材料粉末が敷かれるテーブルと、
    水平一軸方向に往復移動して前記テーブル上に材料粉末を供給するとともに平坦化して粉末層を形成するリコータヘッドと、
    光源から発せられたレーザ光を粉末層の所定の焼結領域にレーザ照射して材料粉末が焼結された焼結層を形成するレーザ照射部と、
    前記光源から前記焼結領域に照射されるレーザ光のレーザパワーを検出するレーザパワー検出部と、
    前記レーザ照射部から前記焼結領域に照射されるレーザ光の走査速度を検出するレーザ走査速度検出部と、
    前記レーザ照射部から前記焼結領域に照射されるレーザ光のビーム径を検出するレーザビーム径検出部と、
    良好な焼結が行われるレーザパワー、走査速度およびビーム径のそれぞれの最小値および最大値を記憶する記憶部と、
    前記レーザパワー検出部によって検出されたレーザパワー、前記レーザ走査速度検出部によって検出された走査速度および前記レーザビーム径検出部によって検出されたビーム径と、前記記憶部に記憶された最小値および最大値とをそれぞれ比較し、焼結の良不良を判定する判定部と、
    を備え、
    前記判定部は、前記レーザパワー検出部によって検出されたレーザパワー、前記レーザ走査速度検出部によって検出された走査速度および前記レーザビーム径検出部によって検出されたビーム径の少なくとも一つが前記記憶部に記憶された最小値から最大値までの範囲外であった場合、造形中の造形物の焼結が不良であると判定することを特徴とする積層造形装置。
  2. 前記記憶部には、レーザパワーの前記最小値、走査速度の前記最大値およびビーム径の前記最大値から算出されるレーザのエネルギー密度の最小値よりも大きい第１の値と、レーザパワーの前記最大値、走査速度の前記最小値およびビーム径の前記最小値から算出されるレーザのエネルギー密度の最大値よりも小さく、且つ、前記第１の値よりも大きい第２の値とがさらに記憶され、
    前記判定部は、前記レーザパワー検出部によって検出されたレーザパワー、前記レーザ走査速度検出部によって検出された走査速度および前記レーザビーム径検出部によって検出されたビーム径からレーザのエネルギー密度を算出し、該算出したエネルギー密度と、前記記憶部に記憶された第１の値および第２の値とを比較し、前記算出したエネルギー密度が前記第１の値未満であった場合または前記第２の値を超えた場合、焼結の不良と判定することを特徴とする請求項１に記載の積層造形装置。
  3. 前記判定部は、
    レーザパワーの前記最小値、走査速度の前記最大値およびビーム径の前記最大値からレーザのエネルギー密度の最小値を算出するとともに、該算出した最大値よりも予め定めた値だけ大きい第１の値を算出し、
    レーザパワーの前記最大値、走査速度の前記最小値およびビーム径の前記最小値からレーザのエネルギー密度の最大値を算出するとともに、該算出した最小値よりも予め定めた値だけ小さい第２の値を算出し、
    前記レーザパワー検出部によって検出されたレーザパワー、前記レーザ走査速度検出部によって検出された走査速度および前記レーザビーム径検出部によって検出されたビーム径からレーザのエネルギー密度を算出し、該算出したエネルギー密度と、前記第１の値および前記第２の値とを比較し、前記算出したエネルギー密度が前記第１の値未満であった場合または前記第２の値を超えた場合、焼結の不良と判定することを特徴とする請求項１に記載の積層造形装置。
  4. 前記判定部によって焼結の不良と判定された場合、
    前記リコータヘッドは、次の粉末層の形成を行わないことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の積層造形装置。
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