JP6869626B2 - 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制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、部品等を制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、粉末層の表面状態に応じて照射するビームを制御することで、造形物の特性変化や形状精度の低下を抑制する方法がある。
特開２０１８−３１４７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。
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形成中の造形物の状態を観察し、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、粉末層の所定の焼結領域にレーザを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、所定の位置毎に所定の基準面からの高さを計測することによって焼結層の表面に生じた凸部の状態を測定する表面状態測定部と、焼結層の内部状態が良好である場合と不良である場合との境界に対応する焼結層の表面状態が良好である場合と不良である場合との境界である凸部の状態の閾値が記憶された記憶部と、前記表面状態測定部によって測定された凸部の状態と前記記憶部に記憶された凸部の状態の閾値とを比較し、焼結層の造形状態の良不良を判定する判定部と、を備え、前記記憶部には、焼結層の表面状態が良好である場合と不良である場合との境界である凸部であるかどうかを決定する前記所定の基準面からの高さとともに、凸部が発生した領域の総面積または焼結領域における凸部の占有割合のうちの少なくとも一方が閾値として記憶され、前記判定部は、予め焼結層に生じた凸部の状態と焼結層の内部状態との関係に基づいて前記閾値を算出して前記記憶部に記憶させ、前記表面状態測定部によって測定された焼結層の表面に生じた凸部の状態から、前記凸部が発生した領域の総面積または前記焼結領域における凸部の占有割合のうちの少なくとも一方を算出して前記閾値と比較し、焼結層の内部状態の良不良に対応する焼結層の表面状態の良不良から焼結層の造形状態の良不良を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、焼結層の表面に生じた凸部の状態を測定し、その造形状態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、焼結層の表面状態が良好である場合と不良である場合との境界であって、凸部の発生個数または焼結領域の任意の領域の単位面積当たりの発生個数のうちの少なくとも一方が閾値としてさらに記憶され、前記判定部は、予め焼結層に生じた凸部の状態と焼結層の内部状態との関係に基づいて前記閾値を算出して前記記憶部に記憶させ、前記表面状態測定部によって測定された焼結層の表面に生じた凸部の状態から、前記凸部の発生個数または前記焼結領域の任意の領域の単位面積当たりの発生個数のうちの少なくとも一方を算出して前記閾値と比較し、焼結層の内部状態の良不良に対応する焼結層の表面状態の良不良から焼結層の造形状態の良不良を判定することを特徴とする前記積層造形装置。
焼結層を形成する前に、焼結層を形成するときと同じレーザ照射条件にて第１の仮の焼結層を形成し、前記表面状態測定部は、前記第１の仮の焼結層の表面の任意の領域の単位面積当たりに生じた凸部の状態を測定し、前記判定部は、前記第１の仮の焼結層の表面の任意の領域の単位面積当たりに生じた凸部の状態と前記第１の仮の焼結層の内部状態との関係に基づき、前記閾値を算出することを特徴とする前記積層造形装置。
焼結層を形成する前に、焼結層を形成するときと同じレーザ照射条件にて同じ形状に第２の仮の焼結層を形成し、前記表面状態測定部は、前記第２の仮の焼結層の表面に生じた凸部の状態を測定し、前記判定部は、前記第２の仮の焼結層に生じた凸部の状態と前記第２の仮の焼結層の内部状態との関係に基づき、前記閾値を算出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層の造形状態が不良であると判定された場合、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。
前記判定部によって焼結層の造形状態が不良であると判定された場合、前記レーザ照射部は、前記焼結領域のうちの凸部の発生領域にレーザを再照射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層の造形状態が不良であると判定された場合、前記レーザ照射部は、前記焼結領域の全域にレーザを再照射する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。 表面状態測定部６の測定結果をコンター図で表したものである。 制御装置の構成を示すブロック図である。 閾値の決定方法の流れを示すアクティビティ図である。 積層造形装置１による積層造形処理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、表面状態測定部６、チャンバ１１、ウインドウ１２及び粉末保持壁１３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、粉末層Ｐの所定の焼結領域にレーザＬを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。
表面状態測定部６は、焼結層Ｓの表面に生じた凸部の状態を測定する。凸部は、焼結層Ｓの上面等の所定の基準面に対して、突出した状態で焼結された部分である。なお、表面状態測定部６の詳細については後述する。
チャンバ１１は、造形領域Ｒを覆うように構成される。チャンバ１１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１２は、レーザ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。
粉末保持壁１３は、テーブル２の周りに設けられ、粉末保持壁１３によって囲まれる空間に、未焼結の材料粉末が保持される。
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及びガルバノミラー５４ｙを有している。
光源５１は、レーザＬを出力する。レーザ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Ｌを集光し、所定のスポット径に調整する。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．表面状態測定部
次に、表面状態測定部６について説明する。表面状態測定部６は、焼結層Ｓの表面に生じた凸部の状態を測定する。凸部の状態は、焼結層Ｓの表面のそれぞれの位置毎に基準面からの高さを計測することで測定する。この測定には、例えば、二次元レーザ変位計を利用する。
基準面は、任意に設定可能な面であるが、例えば、レーザ照射部５によりレーザＬを照射する直前の粉末層Ｐの表面を基準面とする。
また、表面状態測定部６は、造形領域Ｒの全面を測定可能であれば、チャンバ１１内の所定の位置に固定することも可能であるが、測定可能な領域が造形領域Ｒの全面よりも小さければ、水平一軸方向、水平二軸方向又は三軸方向に移動可能に構成される。
表面状態測定部６を三軸方向に移動させる場合は、ｘ軸方向と、ｘ軸方向に直行するｙ軸方向と、ｘ軸方向及びｙ軸方向と直交するｚ軸に移動させることになるが、ｘ軸方向は、例えば、リコータヘッド４２の移動方向（矢印Ａ方向）であり、ｙ軸方向は、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）であり、ｚ軸方向は、ｘ軸とy軸のいずれとも直交する方向（矢印Ｃ方向）である。
表面状態測定部６が測定した値は、高さを示す数値であるが、この数値を可視化した場合、例えば、コンター図で表すと、図５に示すようなものとなる。図５は、表面状態測定部６の測定結果をコンター図で表したものである。
５．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６は、制御装置の構成を示すブロック図である。
図６に示すように、制御装置７は、ＣＡＭ装置７１、数値制御装置７２、表示装置７３、粉末層形成制御部７４、テーブル制御部７５、測定制御部７６、記憶部７６１、判定部７６２、照射制御部７７、ミラー制御部７７１ｘ及びミラー制御部７７１ｙを有している。この制御装置７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と表面状態測定部６とを制御するものである。
ＣＡＭ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）装置７１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Ｌの照射位置等の指令を含む。
数値制御装置７２は、ＣＡＭ装置７１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、レーザ照射部５及び表面状態測定部６を数値制御するもので、記憶装置７２１と演算装置７２２とメモリ７２３とを有している。
記憶装置７２１は、通信線や可搬記憶媒体を介してＣＡＭ装置７１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７２２は、記憶装置７２１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、レーザ照射部５及び表面状態測定部６を数値制御するための演算処理を実行する。
メモリ７２３は、演算装置７２２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７３は、数値制御装置７２に接続され、数値制御装置７２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７４は、数値制御装置７２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７４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のモータ４４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７４には、駆動部４３の出力に応じた信号やモータ４４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７４は、フィードバック制御を行う。
テーブル制御部７５は、数値制御装置７２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７５からの指令は、テーブル駆動部３の駆動部３１に入力され、当該指令に応じた電力を駆動部３１が出力することでテーブル駆動部３のモータ３２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７５には、駆動部３１の出力に応じた信号やモータ３２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７５は、フィードバック制御を行う。
例えば、テーブル駆動部３は、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３２を含む。
測定制御部７６は、数値制御装置７２からの指令に基づいて表面状態測定部６を制御する。測定制御部７６からの指令は、表面状態測定部６の駆動部６１ｘと、駆動部６１ｙと、駆動部６１ｚとに入力され、当該指令に応じた電力を駆動部６１ｘと、駆動部６１ｙと、駆動部６１ｚとが出力することで表面状態測定部６のモータ６２ｘと、モータ６２ｙと、モータ６２ｚとがそれぞれ回転し、表面状態測定部６が造形領域Ｒ上の所定の高さを三軸方向に移動する。また、測定制御部７６には、駆動部６１ｘと、駆動部６１ｙと、駆動部６１ｚとの出力に応じた信号やモータ６２ｘと、モータ６２ｙと、モータ６２ｚとのそれぞれ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測定制御部７６は、フィードバック制御を行う。
例えば、表面状態測定部６として二次元レーザ変位計を利用する場合、測定可能な領域、つまり、測定幅が７ｍｍであり、測定すべき焼結層Ｓの大きさが７０ｍｍ×７０ｍｍであったとすれば、測定制御部７６は、表面状態測定部６をｘ軸方向に７０ｍｍ移動させた後にｙ軸方向に７ｍｍ移動させるといった処理を１０回繰り返す。これにより、表面状態測定部６は、焼結層Ｓの全表面の状態を測定することができる。
なお、表面状態測定部６が測定幅が造形領域Ｒの短手方向の長さ以上である場合には、表面状態測定部６は、水平一軸方向にのみ移動可能であればよい。
記憶部７６１は、焼結層Ｓの表面状態が良好である場合と不良である場合との境界である凸部の状態の閾値が記憶される。具体的には、記憶部７６１には、焼結層Ｓの表面状態が良好である場合と不良である場合との境界である凸部の高さ、並びに、凸部が発生した領域の総面積および焼結領域における凸部の占有割合のうちの少なくとも一方の閾値が記憶される。凸部の高さは、焼結層Ｓの高さ（厚み）に対する割合で表す。もちろん、凸部の高さを絶対値で表すようにしてもよい。
凸部の高さと総面積（占有割合）の閾値は、それぞれを別個のものとしてもよく、両者を関連付けるようにしてもよい。例えば、凸部の高さと総面積（占有割合）の閾値を別個のものとする場合、高さをｊ、総面積をＫとすれば、高さｊ％以上の凸部が一つでも存在すれば不良であり、また、凸部の高さにかかわらず、その総面積がＫ以上であれば不良であるとする閾値となる。また、凸部の高さと総面積（占有割合）の閾値を関連付ける場合は、例えば、高さｍ％以上の凸部の総面積がＭ以上の場合は不良であるとする閾値となるが、高さｎ％以上の凸部の総面積がＮ以上である場合も不良であるといったように、複数の閾値を設定するようにすることもできる。
また、所望する三次元造形物によって、焼結層Ｓの面積が大きく異なる場合がある。このため、凸部の総面積と凸部の占有割合のいずれを閾値とするかは、適宜選択することで、より適切な閾値を設定することが可能となる。
また、記憶部７６１には、焼結層Ｓの表面状態が良好である場合と不良である場合との境界であって、凸部の発生個数および焼結領域の任意の領域の単位面積当たりの発生個数のうちの少なくとも一方の閾値をさらに記憶するようにしてもよい。
凸部の発生個数（単位面積当たりの発生個数）を閾値にする場合は、例えば、高さｊ％以上の凸部がｐ個以上存在すれば不良であり、また、凸部の高さにかかわらず、その総面積がＫ以上の凸部がｑ個以上存在すれば不良であるとする閾値となる。また、高さｍ％以上で総面積がＭ以上の凸部がｏ個以上存在すれば不良であるとする閾値としてもよい。
判定部７６２は、表面状態測定部６による測定結果が入力され、表面状態測定部６によって測定された凸部の状態と記憶部７６１に記憶された凸部の状態の閾値とを比較し、焼結層の造形状態の良不良を判定する。具体的には、判定部７６２は、表面状態測定部６によって測定された凸部の状態から、凸部の高さ、並びに、凸部が発生した領域の総面積および焼結領域における凸部の占有割合のうちの少なくとも一方を算出して対応する閾値とそれぞれ比較し、焼結層の造形状態の良不良を判定する。
表面状態測定部６による測定結果は、その分解能に応じた面積毎の高さの値であり、判定部７６２は、入力された測定結果の値に基づいて、焼結層Ｓの凸部の高さや面積（占有割合）を算出する。これらの算出には、様々なアルゴリズムを用いることができるが、例えば、表面状態測定部６による測定結果を画像として表し（図５参照）、画像処理のアルゴリズムを用いて、焼結層Ｓの凸部の高さ等を算出することができる。
また、判定部７６２は、表面状態測定部６によって測定された凸部の状態から、凸部の発生個数および焼結領域の任意の領域の単位面積当たりの発生個数のうちの少なくとも一方を算出して対応する閾値とそれぞれ比較し、焼結層Ｓの造形状態の良不良を判定するようにしてもよい。
照射制御部７７は、数値制御装置７２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ミラー制御部７７１ｘとミラー制御部７７１ｙに指令を送出する。
ミラー制御部７７１ｘは、照射制御部７７からの指令に基づいてレーザ照射部５を制御する。ミラー制御部７７１ｘからの指令は、レーザ照射部５の駆動部５５ｘに入力され、当該指令に応じた電力を駆動部５５ｘが出力することでレーザ照射部５のアクチュエータ５６ｘが動作し、ガルバノミラー５４ｘが回転する。
ミラー制御部７７１ｙは、照射制御部７７からの指令に基づいてレーザ照射部５を制御する。ミラー制御部７７１ｙからの指令は、レーザ照射部５の駆動部５５ｙに入力され、当該指令に応じた電力を駆動部５５ｙが出力することでレーザ照射部５のアクチュエータ５６ｙが動作し、ガルバノミラー５４ｙが回転する。
また、照射制御部７７は、フォーカス制御ユニット５３に指令を送出する。フォーカス制御ユニット５３は、図示しない駆動部、アクチュエータおよび拡散レンズを有し、照射制御部７７から送出される指令に応じてレーザＬの焦点距離を調整する。具体的には、照射制御部７７からの指令は、図示しない駆動部に入力され、当該指令に応じた電力を図示しない駆動部が出力することで図示しないアクチュエータが動作し、図示しない拡散レンズが移動する。この拡散レンズの移動により、この拡散レンズと図示しない集光レンズの距離が変化し、レーザＬの焦点距離が変化する。
また、照射制御部７７には、フォーカス制御ユニット５３の駆動部の出力に応じた信号やアクチュエ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照射制御部７７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。
また、照射制御部７７は、光源５１に指令を送出し、レーザＬの強度やオン／オフの切り替えを制御する。
６．閾値の決定
次に、記憶部７６１に記憶する閾値の決定方法について説明する。図７は、閾値の決定方法の流れを示すアクティビティ図である。
閾値を決定する際には、まず、オペレータがレーザ照射部５の照射条件を設定する（Ａ１０１）。ここで設定する照射条件は、その後に、同じ照射条件で所望の三次元造形物を積層造形することを想定したものである。
続いて、オペレータが積層造形装置１を動作させると、最初に、テーブル２が所定の高さだけ下降する（Ａ１０２）。テーブル２が下降する高さは、その後に形成する粉末層Ｐの１層分の高さである。
次に、積層造形装置１では、粉末層形成部４が動作し、テーブル２上の造形領域Ｒに、粉末層Ｐを形成する（Ａ１０３）。
そして、形成された粉末層Ｐの所定の領域に対して、レーザ照射部５がレーザＬを照射し、仮の焼結層を形成する（Ａ１０４）。仮の焼結層は、三次元造形物を積層造形する際に形成する焼結層Ｓと同様のものであるが、ここでは、閾値を決定するために形成するものであるため、仮の焼結層と称するものとしている。なお、仮の焼結層は、任意の形状、例えば、直方体等の形状とすることができる。
次に、表面状態測定部６が、仮の焼結層の表面状態を測定する（Ａ１０５）。この測定は、焼結層Ｓの表面状態を測定するのと同様に行われる。
積層造形装置１では、Ａ１０２からＡ１０５までの処理が所定回数だけ繰り返される。この回数は、１回であってもよい。
Ａ１０２からＡ１０５までの処理が所定回数だけ繰り返されると、オペレータが仮の焼結層の内部状態を確認する（Ａ１０６）。内部状態の確認は、例えば、単位体積あたりの空隙の数を計数する等の方法で行われる。この内部状態の確認に際しては、必要に応じて仮の焼結層の切削を伴う。
一方、積層造形装置１では、表面状態測定部６による測定結果に基づいて、判定部７６２が閾値を算出する（Ａ１０７）。
その後、仮の焼結層の内部状態が良好であれば、判定部７６２が算出した閾値を記憶部７６１に記憶し、閾値決定の処理を終了する。
一方、仮の焼結層の内部状態が不良であれば、オペレータは、レーザ照射部５による照射条件を見直して、照射条件を再設定し、同様の処理を行う。
このように、閾値の決定は、焼結層Ｓを形成する前に、焼結層Ｓを形成するときと同じレーザ照射条件にて仮の焼結層を形成し、表面状態測定部６が仮の焼結層の表面の任意の領域の単位面積当たりに生じた凸部の状態を測定し、判定部７６２が仮の焼結層の表面の任意の領域の単位面積当たりに生じた凸部の状態と仮の焼結層の内部状態との関係に基づいて閾値を算出することで行われる。
また、閾値の決定に際して、仮の焼結層を、三次元造形物を積層造形する際の焼結層Ｓと同様の形状に形成することもできる（Ａ１０４）。この場合には、閾値の決定は、焼結層Ｓを形成する前に、焼結層Ｓを形成するときと同じレーザ照射条件にて同じ形状に仮の焼結層を形成し、表面状態測定部６が仮の焼結層の表面に生じた凸部の状態を測定し、判定部７６２が仮の焼結層に生じた凸部の状態と仮の焼結層の内部状態との関係に基づいて閾値を算出することで行われる。
７．積層造形処理
次に、積層造形装置１による三次元造形物の積層造形処理の流れについて説明する。図８は、積層造形装置１による積層造形処理の流れを示すアクティビティ図である。
積層造形処理に際しては、まず、オペレータがレーザ照射部５の照射条件を設定する（Ａ２０１）。ここで設定する照射条件は、閾値を決定した際の条件と同様の照射条件である。
続いて、オペレータが積層造形装置１を動作させると、最初に、テーブル２が所定の高さだけ下降する（Ａ２０２）。テーブル２が下降する高さは、その後に形成する粉末層Ｐの１層分の高さである。
次に、積層造形装置１では、粉末層形成部４が動作し、テーブル２上の造形領域Ｒに、粉末層Ｐを形成する（Ａ２０３）。
そして、形成された粉末層Ｐの所定の領域に対して、レーザ照射部５がレーザＬを照射し、焼結層Ｓを形成する（Ａ２０４）。焼結層Ｓの形状は、所望する三次元造形物に応じた形状である。
次に、表面状態測定部６が、焼結層Ｓの表面状態を測定する（Ａ２０５）。そして、表面状態の測定結果に基づいて、判定部７６２が、焼結層Ｓの表面状態が良好であるか否かを判定する（Ａ２０６）。
判定部７６２による判定の結果、焼結層Ｓの表面状態が良好であれば、Ａ２０２からＡ２０６までの処理を所望する三次元造形物の造形が完了するまで繰り返し、その間に、判定部７６２により焼結層Ｓの表面状態が不良であると判定されなければ、積層造形処理を完了する。
一方、判定部７６２により焼結層Ｓの表面状態が判定部７６２により不良であると判定された場合には、積層造形装置１は、一切の積層造形処理を停止させる。結果として、リコータヘッド４２は、次の粉末層Ｐの形成を行わないことになる。
また、判定部７６２によって焼結層Ｓの造形状態が不良であると判定された場合、レーザ照射部５が焼結領域のうちの凸部の発生領域にレーザを再照射するようにすることもできる。
また、判定部７６２によって焼結層Ｓの造形状態が不良であると判定された場合、レーザ照射部５が焼結領域の全域にレーザを再照射するようにすることもできる。
このようにして、焼結層Ｓを形成する毎に、その表面状態を確認することで、焼結層Ｓに不良が生じた場合に、その後の無駄となる積層造形を中止し、又は、不良状態の回復を行うことが可能となり、効率よく三次元造形物を造形できることとなる。
１ ：積層造形装置
２ ：テーブル
３ ：テーブル駆動部
４ ：粉末層形成部
５ ：レーザ照射部
６ ：表面状態測定部
７ ：制御装置
１１ ：チャンバ
１２ ：ウインドウ
１３ ：粉末保持壁
２１ ：ベースプレート
３１ ：駆動部
３２ ：モータ
４１ ：ベース台
４２ ：リコータヘッド
４３ ：駆動部
４４ ：モータ
５１ ：光源
５２ ：コリメータ
５３ ：フォーカス制御ユニット
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
６１ｘ ：駆動部
６１ｙ ：駆動部
６２ｘ ：モータ
６２ｙ ：モータ
７１ ：ＣＡＭ装置
７２ ：数値制御装置
７３ ：表示装置
７４ ：粉末層形成制御部
７５ ：テーブル制御部
７６ ：測定制御部
７７ ：照射制御部
４２１ ：材料収容部
４２２ ：材料供給部
４２３ ：材料吐出部
４２４ ：ブレード
７２１ ：記憶装置
７２２ ：演算装置
７２３ ：メモリ
７６１ ：記憶部
７６２ ：判定部
７７１ｘ ：ミラー制御部
７７１ｙ ：ミラー制御部
Ａ ：矢印
Ｂ ：矢印
Ｃ ：矢印
Ｌ ：レーザ
Ｐ ：粉末層
Ｒ ：造形領域
Ｓ ：焼結層
Ｕ ：矢印

Claims (7)

  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、
    粉末層の所定の焼結領域にレーザを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、
    所定の位置毎に所定の基準面からの高さを計測することによって焼結層の表面に生じた凸部の状態を測定する表面状態測定部と、
    焼結層の内部状態が良好である場合と不良である場合との境界に対応する焼結層の表面状態が良好である場合と不良である場合との境界である凸部の状態の閾値が記憶された記憶部と、
    前記表面状態測定部によって測定された凸部の状態と前記記憶部に記憶された凸部の状態の閾値とを比較し、焼結層の造形状態の良不良を判定する判定部と、
    を備え、
    前記記憶部には、焼結層の表面状態が良好である場合と不良である場合との境界である凸部であるかどうかを決定する前記所定の基準面からの高さとともに、凸部が発生した領域の総面積または焼結領域における凸部の占有割合のうちの少なくとも一方が閾値として記憶され、
    前記判定部は、予め焼結層に生じた凸部の状態と焼結層の内部状態との関係に基づいて前記閾値を算出して前記記憶部に記憶させ、前記表面状態測定部によって測定された焼結層の表面に生じた凸部の状態から、前記凸部が発生した領域の総面積または前記焼結領域における凸部の占有割合のうちの少なくとも一方を算出して前記閾値と比較し、焼結層の内部状態の良不良に対応する焼結層の表面状態の良不良から焼結層の造形状態の良不良を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、焼結層の表面状態が良好である場合と不良である場合との境界であって、凸部の発生個数または焼結領域の任意の領域の単位面積当たりの発生個数のうちの少なくとも一方が閾値としてさらに記憶され、
    前記判定部は、予め焼結層に生じた凸部の状態と焼結層の内部状態との関係に基づいて前記閾値を算出して前記記憶部に記憶させ、前記表面状態測定部によって測定された焼結層の表面に生じた凸部の状態から、前記凸部の発生個数または前記焼結領域の任意の領域の単位面積当たりの発生個数のうちの少なくとも一方を算出して前記閾値と比較し、焼結層の内部状態の良不良に対応する焼結層の表面状態の良不良から焼結層の造形状態の良不良を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. 焼結層を形成する前に、焼結層を形成するときと同じレーザ照射条件にて第１の仮の焼結層を形成し、
    前記表面状態測定部は、前記第１の仮の焼結層の表面の任意の領域の単位面積当たりに生じた凸部の状態を測定し、
    前記判定部は、前記第１の仮の焼結層の表面の任意の領域の単位面積当たりに生じた凸部の状態と前記第１の仮の焼結層の内部状態との関係に基づき、前記閾値を算出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の積層造形装置。
  4. 焼結層を形成する前に、焼結層を形成するときと同じレーザ照射条件にて同じ形状に第２の仮の焼結層を形成し、
    前記表面状態測定部は、前記第２の仮の焼結層の表面に生じた凸部の状態を測定し、
    前記判定部は、前記第２の仮の焼結層に生じた凸部の状態と前記第２の仮の焼結層の内部状態との関係に基づき、前記閾値を算出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の積層造形装置。
  5. 前記判定部によって焼結層の造形状態が不良であると判定された場合、
    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または請求項２に記載の積層造形装置。
  6. 前記判定部によって焼結層の造形状態が不良であると判定された場合、
    前記レーザ照射部は、前記焼結領域のうちの凸部の発生領域にレーザを再照射することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の積層造形装置。
  7. 前記判定部によって焼結層の造形状態が不良であると判定された場合、
    前記レーザ照射部は、前記焼結領域の全域にレーザを再照射することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の積層造形装置。
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