JP7318825B2 - 積層造形物の欠陥予測方法および積層造形物の製造方法 - Google Patents
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Description
また、前記変動係数CV範囲が0.135未満であることが好ましい。
また、前記輝度平均値範囲、輝度標準偏差範囲および変動係数CV範囲が、欠陥を有する積層造形物および欠陥を有さない積層造形物の輝度データをあらかじめ取得することで用意されることが好ましい。
また、前記金属粉末がNi基合金であることが好ましい。
また、前記変動係数CV範囲が0.135未満であることが好ましい。
まず、金属粉末に熱源等を照射し、金属粉末を溶融させることで溶融池が形成される際、溶融地から発せられる光の輝度(輝度データ)を取得する。熱源としては、レーザビームなどを用いることができる。
次に、輝度データ取得ステップ(S101)で得られた輝度データから、評価用データを抽出する。評価用データとは、輝度平均値と輝度標準偏差とを含む。
そして、あらかじめ設定した輝度平均値範囲と輝度標準偏差範囲と、前記輝度平均値と前記標準偏差とを比較して、積層造形物の欠陥有無を推定する。具体的には、欠陥の有無の推定(評価)方法としては、抽出した輝度平均値と輝度標準偏差とを、あらかじめ設定しておいた輝度平均値範囲と輝度標準偏差範囲とで比較すればよい。例えば、あらかじめ設定しておいた輝度平均値範囲と輝度標準偏差範囲とに対して、抽出した輝度平均値と輝度標準偏差との値が範囲内である場合、積層造形物に欠陥が無いと判断することができる。
なお、本明細書中において、積層造形物の欠陥有無を推定することを、単に欠陥を評価する、と称する場合がある。
CV=σn/Xn・・・式(1)
CV:変動係数
Xn:n層時の輝度平均値(Gv)
σn:n層時の輝度標準偏差(Gv)
上記までに、積層造形物の欠陥予測方法を説明してきたが、本発明の欠陥予測方法であれば、積層造形中の積層造形物の欠陥を評価しながら積層造形物を製造することも可能である。
[粉末供給ステップ:S201]
まず、積層造形しようとする積層造形物101の1層厚さ分だけ(例えば、約20~50μm)ステージ102を下降させる。次に、ステージ102の上面のベースプレート103に対し、パウダー供給用コンテナ104から金属(原料)粉末105を供給し、リコータ106により金属粉末105を平坦化して粉末床107(粉末層)を形成する。
次に、造形しようとする積層造形物101の形状情報、例えば、3D-CADデータから変換された2Dスライスデータに基づいて、所望の形状に積層造形していく。具体的には、レーザ発振器108から照射された熱源、例えばレーザ発振器108から照射されたレーザビーム109をガルバノメーターミラー110に通して、ベースプレート103上に敷き詰められた未溶融の粉末床107上の金属粉末105へ照射することで、微小な溶融池が形成される。そして、レーザビーム109を照射しながら走査していくことで、金属粉末105を溶融・凝固させて、2Dスライス形状の凝固層112を形成する。なお、未溶融の金属粉末105は、未溶融粉末回収用コンテナ111に回収するなどしてよい。
上記造形ステップ(S203)にて、積層造形物のn+1層の粉末の溶融・凝固が進むと同時に、凝固層n層までの粉末溶融時の輝度データを、sCMOSカメラ113と輝度データ取得装置および評価用データ抽出装置114とを用いて取得する。ここで、sCMOSカメラ113の仕様としては、前述の通り、例えば、画素数が400万ピクセル以上、撮影速度が1秒間当たり10フレーム程度であれば良い。より具体的には、sCMOSカメラ113と輝度データ取得装置および評価用データ抽出装置114は、例えば、EOSTATE Exposure OT(EOS社製)を用いることができる。EOSTATE Exposure OTは、鉛直上方からレーザ照射される造形エリアが発生する輝度を斜め上方に設置されたsCMOSカメラによって、溶融地周辺を撮影する。sCMOSカメラは、造形面に対して斜め上方に設置されているが、ソフト上で距離、角度を補正し、上からの観察像のように変換することができる。sCMOSカメラで取得する輝度(OT輝度)は、造形中の近赤外領域の輝度であれば良い。近赤外領域の輝度を取得するには、例えば、sCMOSカメラにバンドパスフィルターを設ければよい。
[評価用データ抽出ステップ:S207]
輝度データ取得装置および評価用データ抽出装置114にて取得した輝度データから、評価用データ、すなわち輝度平均値と輝度標準偏差とを抽出(出力)する。このとき、輝度平均値の最大値と、輝度標準偏差の最大値から最小値を引いた値とをさらに算出しておくことが好ましい。
次に、抽出した輝度平均値と輝度標準偏差とを用いて、欠陥を評価し、良好であれば、所望形状の積層造形物を得るまで各ステップ(S201~207)を繰り返す。欠陥の評価としては、例えば、抽出した輝度平均値と輝度標準偏差とを、あらかじめ設定しておいた輝度平均値範囲と輝度標準偏差範囲とで比較すればよい。例えば、あらかじめ設定しておいた輝度平均値範囲と輝度標準偏差範囲とに対して、抽出した輝度平均値と輝度標準偏差が範囲内である場合、積層造形物に欠陥が無いと判断できる。また、凝固層n層までの積層造形物に欠陥が無い場合には、各ステップ(S201~S207)を継続すればよい。
粉末積層造形装置(EOS社製EOS M290)およびモニタリング機器(EOSTATE Exposure OT(Optical Tomography))を用いて、積層造形物を製造し、その欠陥の有無を推定した。
金属粉末は、表1の合金組成(単位:質量%)を有している。金属粉末の作製方法としては、原料となるNi、Cr、Mo、Taのそれぞれの原料を表1の合金組成となるよう調製し、真空ガスアトマイズ法により造粒粉末化し、その造粒粉末をふるいに分けして、粒径が10μm~53μm、平均粒径(d50)が約35μmの金属粉末を作製した。
試料No.1~4について、X線CTスキャンを用いて内部欠陥を評価した。X線CTスキャンには、マイクロフォーカスX線CTシステム(SHIMADZU,InspeXio SMX-225CT FPD HR)を用いて、測定条件を測定電圧220V、電流70μAとした。画像解析には、VGStudioMAX3.2(島津製作所社製)を用いた。X線CTスキャンの分解能は、0.018mmと設定した。
101:積層造形物
102:ステージ
103:ベースプレート
104:パウダー供給用コンテナ
105:金属粉末
106:リコータ
107:粉末床(粉末層)
108:レーザ発振器
109:レーザビーム
110:ガルバノメーターミラー
111:未溶融粉末回収用コンテナ
112:2Dスライス形状の凝固層
113:sCMOSカメラ
114:輝度データ取得装置および評価用データ抽出装置
200:領域1
210:試験片1
220:粉末床位置1
300:領域2
310:試験片2
320:粉末床位置2
400:フローガス
Claims (9)
- 金属粉末を溶融凝固させて製造される積層造形物の欠陥予測方法であって、
前記金属粉末が溶融凝固した際に形成された溶融池から発せられた光の輝度データを取得する輝度データ取得ステップと、
前記輝度データから輝度平均値と輝度標準偏差とを含む評価用データを抽出する評価用データ抽出ステップと、
前記評価用データを用いて、あらかじめ設定した輝度平均値範囲および輝度標準偏差範囲と比較することで前記積層造形物の欠陥の有無を推定する評価ステップとを有し、
前記輝度平均値は、層毎における、画像の各ピクセルの、一定時間毎に取得した輝度を積算したものの平均値であること
を特徴とする積層造形物の欠陥予測方法。 - 前記評価用データ抽出ステップにおいて、
前記輝度平均値と前記輝度標準偏差とから変動係数CVを算出し、
前記評価ステップにおいて、
前記変動係数CVを用いて、あらかじめ設定した変動係数CV範囲と比較することで前記積層造形物の欠陥の有無を推定する
ことを特徴とする請求項1 に記載の積層造形物の欠陥予測方法。 - 前記変動係数CV範囲が0.135未満であることを特徴とする、請求項2に記載の積層造形物の欠陥予測方法。
- 前記輝度平均値範囲、輝度標準偏差範囲および変動係数CV範囲が、
欠陥を有する積層造形物および欠陥を有さない積層造形物の輝度データをあらかじめ取得することで用意されること
を特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載の積層造形物の欠陥予測方法。 - 前記金属粉末がNi基合金であることを特徴とする、請求項1に記載の積層造形物の欠陥予測方法。
- 金属粉未を供給する粉未供給ステップと、
金属粉末に熱源を照射し、前記金属粉末を溶融および凝固させて積層造形物を造形する造形ステップと、前記金属粉末が溶融する際に形成された溶融池から発せられた光の輝度データを取得する輝度データ取得ステップと、を備えた積層造形工程と、
前記輝度データから輝度平均値と輝度標準偏差とを含む評価用データを抽出する評価用データ抽出ステップと、前記評価用データを用いて、あらかじめ設定した輝度平均値範囲および輝度標準偏差範囲と比較することで前記積層造形物の欠陥の有無を推定する評価ステップと、を備えた検査工程と、を有し、
前記輝度平均値は、層毎における、画像の各ピクセルの、一定時間毎に取得した輝度を積算したものの平均値であること
を特徴とする積層造形物の製造方法。 - 前記評価用データ抽出ステップにおいて、前記輝度平均値と前記輝度標準偏差とから変動係数CVを算出し、
前記評価ステップにおいて、
変動係数CVを用いて、予め用意した変動係数CV範囲と比較することで前記積層造形物の欠陥の有無を推定する
ことを特徴とする請求項6に記載の積層造形物の製造方法。 - 前記変動係数CV範囲が0.135未満であることを特徴とする、請求項7に記載の積層造形物の製造方法。
- 前記検査工程において、
前記積層造形工程を継続するか否かを決定する選択ステップと、を
さらに備える
ことを特徴とする請求項6~8のいずれか一項に記載の積層造形物の製造方法。
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