JP7325698B1 - 積層造形装置 - Google Patents

Abstract

積層造形装置は、材料供給部と、熱源供給部と、温度測定部と、温度調整部と、制御部と、を備える。材料供給部は、被加工物上の造形層を形成する領域に材料を供給する。熱源供給部は、材料を溶融させる熱源を被加工物に供給する。温度測定部は、造形物を形成する領域の全体を含む範囲である温度測定領域の温度を測定する。温度調整部は、造形物を加熱または冷却して温度調整を行う。制御部は、温度測定領域の温度分布情報に基づいて造形物の温度勾配を導出し、異なる時刻の温度分布情報に基づいて造形物の凝固速度および冷却速度を導出する。また、制御部は、導出した温度勾配、凝固速度および冷却速度が、目標とする組織を形成する温度勾配、凝固速度および冷却速度となるように、以降に形成される造形層を造形する造形条件を決定する。そして、制御部は、造形条件に基づいて、材料供給部、熱源供給部および温度調整部を制御して造形処理を実施する。

Description

本開示は、被加工物に金属の材料を溶融、凝固させた造形物を堆積させて積層造形物を製造する積層造形装置に関する。

部品等の３次元の造形物を製造する技術の一つとして、積層造形の技術が知られている。積層造形の方式のうち、指向性エネルギ堆積（Direct Energy Deposition：ＤＥＤ）方式は、他の方式と比べて、造形物の製造にかかる時間が短く、また材料の消費量が少ないという利点がある。

特許文献１には、上記技術分野において、赤外線カメラで撮像された溶融池の画像データの輝度に基づいて、溶融池の温度と温度勾配とを導出する技術が開示されている。

特許第６２２８３１４号公報

積層造形では、造形の初期から終期にかけて造形物の蓄熱が異なるため、造形物の内部組織は一様でないことが知られている。造形物の全体の特性を一様に向上させるためには、造形物の全体が目標の組織となるように制御して、造形物の全体を均質化することが求められる。しかしながら、特許文献１に記載の技術では、画像データの輝度から溶融池の温度分布および温度勾配を導出しているだけである。また、特許文献１には、造形物の全体を均質化することについては考慮されておらず、導出した溶融池の温度分布および温度勾配をどのように利用するのか不明である。このため、造形物の全体に渡って組織を均質化することができる技術が望まれていた。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、造形物の全体の組織を従来に比して均質化させることができる積層造形装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示は、造形物を形成する土台となる基材上に溶融した金属の層である造形層を積層させて造形物を形成する積層造形装置であって、材料供給部と、熱源供給部と、温度測定部と、温度調整部と、制御部と、を備える。材料供給部は、造形層の造形対象である被加工物上の造形層を形成する領域にワイヤまたは粉末からなる材料を供給する。熱源供給部は、材料を溶融させる熱源を被加工物に供給する。温度測定部は、造形物を形成する領域の全体を含む範囲である温度測定領域で、造形物の上面の温度および側面の温度を測定できるように配置される。温度調整部は、造形物を加熱または冷却して温度調整を行う。制御部は、材料供給部、熱源供給部および温度調整部を制御する。ここで、制御部は、温度測定部での温度測定領域の温度の測定結果である温度分布情報を用いて、造形物の造形中の最上面の造形層である最終造形層の各位置における造形層の積層方向に垂直な方向の温度勾配と、造形物の側面の各位置における積層方向および積層方向に垂直な方向の温度勾配と、を導出し、異なる時刻の温度分布情報に基づいて造形物の各位置における凝固速度および冷却速度を導出する。また、制御部は、導出した温度勾配、凝固速度および冷却速度が、目標とする組織を形成する温度勾配、凝固速度および冷却速度となるように、以降に形成される造形層を造形する造形条件を決定する。そして、制御部は、造形条件に基づいて、材料供給部、熱源供給部および温度調整部を制御して造形処理を実施する。

本開示に係る積層造形装置は、造形物の全体の組織を従来に比して均質化させることができるという効果を奏する。

実施の形態１に係る積層造形装置の構成の一例を模式的に示す図 温度分布情報から温度勾配と凝固速度とを導出する方法を説明する図 温度分布情報から高さ方向の温度勾配を導出する方法を説明する図 凝固した金属の組織の結晶形状と温度勾配および凝固速度の組み合わせとの関係の一例を模式的に示す図 温度分布情報から冷却速度を導出する方法を説明する図 温度分布情報から高さ方向の冷却速度を導出する方法を説明する図 高さ方向の温度勾配を下げる方法の一例を説明する図 実施の形態１に係る積層造形装置が有する制御装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図 実施の形態１に係る積層造形方法の処理手順の一例を示すフローチャート 実施の形態２に係る積層造形方法の処理手順の一例を示すフローチャート 実施の形態３に係る積層造形方法の処理手順の一例を示すフローチャート

以下に、本開示の実施の形態に係る積層造形装置を図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る積層造形装置の構成の一例を模式的に示す図である。積層造形装置１は、基材１１１上に金属の材料を溶融させ、溶融した金属の層である造形層を積層させて造形物１１２を形成する装置である。具体的には、積層造形装置１は、金属の材料であるワイヤＷを下地である被加工物の一部とともに溶融させて溶融池１１５を形成し、溶融池１１５を固化させたビードと呼ばれる造形層を被加工物に形成する。このように、金属の材料による造形層を被加工物上に堆積させて、造形層を被加工物の表面に形成する。造形層を所望の形状になるように堆積することで所望の３次元積層造形体を得ることができる。以下では、被加工物は、造形層を形成する際の下地となるもの、すなわち造形層の造形対象であり、基材１１１または造形層を指すものとする。また、造形層のうち、基材１１１上に形成される造形層は造形初期層１１３と称され、造形中の最上面の造形層は造形最終層１１４と称される。一例では、２層目を形成している場合には、２層目の造形層が造形最終層１１４であり、３層目を形成している場合には、３層目の造形層が造形最終層１１４である。造形物１１２は、基材１１１上に形成された造形層によって構成される。つまり、造形物１１２は、造形初期層１１３から造形最終層１１４までの造形層によって構成されるものである。造形物１１２は、造形処理中に成長していき、最終的には所望の形状の３次元積層造形体となる。さらに、実施の形態１において、熱源は、レーザビームＬであり、材料は、金属のワイヤＷである場合を例に挙げる。なお、熱源は、レーザビームＬに限られず、アークまたは電子ビームであってもよい。材料の形態も、金属のワイヤＷに限られず、金属の粉末であってもよい。また、図１において、鉛直方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向に垂直な面内における２つの互いに直交する方向をＸ軸方向およびＹ軸方向とする。

積層造形装置１は、ステージ１１と、ビーム照射装置１２と、ガス噴射装置１３と、ワイヤ供給装置１４と、ヘッド駆動装置１５と、レーザ発振器１６と、温度測定器１７と、温度調整装置１８と、制御装置１９と、を備える。なお、図１において、破線は信号線を意味している。

ステージ１１は、造形物１１２を形成する土台となる基材１１１を載置する。図１に示す例では、基材１１１は板材であるが、板材以外のものであってもよい。

ビーム照射装置１２は、材料を溶融させる熱源であるレーザビームＬを被加工物へ向けて照射する熱源照射部の一例である。レーザビームＬが照射されることにより被加工物が溶融し、溶融池１１５が形成される。その後、溶融池１１５が冷却過程で凝固することにより造形層が形成される。

ガス噴射装置１３は、レーザビームＬの照射位置である加工点へ向けてシールドガスＧを噴射する。シールドガスＧの一例は、窒素、アルゴンなどの不活性ガスである。シールドガスＧの噴射によって、加工点における被加工物の酸化を抑制するとともに、被加工物を冷却する。図１の例では、ガス噴射装置１３は、ビーム照射装置１２の外周面に設置され、ビーム照射装置１２から照射されるレーザビームＬの中心軸に沿うようにシールドガスＧを噴射する。すなわち、ビーム照射装置１２とガス噴射装置１３とは、互いに同軸上に配置されている。図１の例では、ビーム照射装置１２とガス噴射装置１３とは、一体的に構成されており、加工ヘッドを構成する。ただし、レーザビームＬが照射される加工点で溶融、凝固する材料が酸化しないようにシールドガスＧが加工点を含む領域に噴射されるようにガス噴射装置１３が設けられていればよい。このため、ガス噴射装置１３は、Ｚ軸から傾いた角度の方向から加工点に向けてシールドガスＧを噴射してもよい。つまり、ガス噴射装置１３は、ビーム照射装置１２と一体的に構成されるのではなく、ビーム照射装置１２から出射されるレーザビームＬの中心軸に対して斜めの方向にシールドガスＧを噴射する構成としてもよい。ガス噴射装置１３は、造形物１１２を加熱または冷却して温度調整を行う温度調整部の一例であり、第２温度調整部に対応する。

ワイヤ供給装置１４は、造形層の造形対象である被加工物の加工点に向かってワイヤＷを供給する装置である。一例では、ワイヤ供給装置１４は、ワイヤＷが巻き付けられているワイヤスプールと、ワイヤスプールを回転軸の周りに回転させる回転モータと、ワイヤスプールからのワイヤＷを被加工物の加工点へ向けて進行させるワイヤノズルと、を有する。ワイヤ供給装置１４は、造形層の造形対象である被加工物上の造形層を形成する領域にワイヤＷまたは粉末からなる材料を供給する材料供給部の一例である。

ヘッド駆動装置１５は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の各方向へビーム照射装置１２を移動させる。ヘッド駆動装置１５は、Ｘ軸方向へのビーム照射装置１２の移動のための動作機構を構成するサーボモータと、Ｙ軸方向へのビーム照射装置１２の移動のための動作機構を構成するサーボモータと、Ｚ軸方向へのビーム照射装置１２の移動のための動作機構を構成するサーボモータと、を有する。ヘッド駆動装置１５は、３軸のそれぞれの方向の並進運動を可能とする動作機構である。図１では、各サーボモータの図示を省略している。積層造形装置１は、ヘッド駆動装置１５によりビーム照射装置１２を移動させることで、被加工物におけるレーザビームＬの照射位置を移動させることができる。また、ヘッド駆動装置１５は、垂直な３軸方向の移動に限らず、ロボットアームのような多軸駆動装置を用いてもよい。なお、図１の例では、ヘッド駆動装置１５は、ビーム照射装置１２とガス噴射装置１３とが一体的に構成される加工ヘッドを構成しているので、加工ヘッドを駆動する装置となっている。

図１に示される例では、ビーム照射装置１２はＺ軸方向へレーザビームＬを出射させる。ワイヤ供給装置１４は、ＸＹ面内においてビーム照射装置１２とは離れた位置に設けられており、Ｚ軸から傾いた角度の方向からワイヤＷを加工点に進行させる。なお、ワイヤ供給装置１４の図示しないワイヤノズルは、ビーム照射装置１２に固定されていてもよい。また、ワイヤノズルがワイヤＷの進行方向がＺ軸方向となるようにビーム照射装置１２に固定させてもよい。

レーザ発振器１６は、固体レーザ、ガスレーザ、ファイバレーザ、半導体レーザ等のレーザビームＬを発振するビーム源である。レーザ発振器１６とビーム照射装置１２との間は、ファイバケーブルによって接続される。ファイバケーブルは、レーザ発振器１６からビーム照射装置１２へとレーザビームＬを伝搬する光伝送路である。レーザ発振器１６とビーム照射装置１２とにより、ワイヤＷを溶融させるレーザビームＬを被加工物へ照射する照射部が構成される。レーザ発振器１６は、材料を溶融させる熱源を発生させる熱源発生部の一例である。ビーム照射装置１２、ヘッド駆動装置１５およびレーザ発振器１６は、材料を溶融させる熱源を被加工物に供給する熱源供給部を構成する。

温度測定器１７は、造形物１１２を形成する領域の全体を含む範囲である温度測定領域の温度を測定する。基材１１１上に造形物１１２を形成する場合には、造形物１１２を形成する領域の全体に加え基材１１１を含む範囲が温度測定領域となる。ここでは、温度測定器１７は、基材１１１上の造形する領域の全体の温度分布、すなわち少なくとも基材１１１の全体を含む領域の各位置における温度である温度分布を測定し、測定した温度分布を温度分布情報として制御装置１９に出力する。温度測定器１７は、各造形層の造形中に造形物１１２の全体の温度分布を測定する。つまり、温度測定器１７は、造形初期層１１３から造形中の造形最終層１１４までの造形物１１２の全体の温度分布を測定する。

温度測定器１７に一般的な赤外線カメラを用いることも可能である。しかし、赤外線カメラを用いて造形物１１２の温度を測定する場合には、放射率を設定する必要がある。放射率は、造形物１１２の材種および表面状態によって異なる。このため、造形物１１２の材種および表面状態に合わせて適切な放射率を設定出来ていない場合には、制御装置１９は、実態の温度とはかけ離れた値を造形物１１２の温度として温度測定器１７から取得し、実態の温度とはかけ離れた温度で制御を行うことになる。この場合には、狙いの組織を有する造形物１１２が得られないという問題がある。

そこで、実施の形態１では、温度測定器１７は、測定対象から放射される異なる２つの波長の赤外線または可視光線の輝度比から温度測定領域の温度を測定する二色式サーモグラフィとすることが望ましい。二色式サーモグラフィは、２次元の温度分布を取得する放射温度計であり、物体からの熱放射輝度を測定することで視野に含まれる物体の表面温度を求める。具体的には、二色式サーモグラフィは、上記したように２つの波長帯における温度測定領域の画像における各画素の輝度、すなわち光強度から放射輝度比を算出し、放射輝度比から各画素における温度を算出する。そして、各画素における温度を表したものが温度分布情報となる。温度測定領域の画像における各画素は、温度測定領域の各位置に対応する。これによって、温度測定領域の画像の各画素における温度を求めた温度分布情報が得られる。このように二色式サーモグラフィでの温度測定領域の測定結果を用いることで、一般的な赤外線カメラで温度を測定する場合に必要な放射率の設定が不要となる。つまり、造形物１１２の材種および表面状態によって放射率が異なるような場合に、放射率の設定を行わなくても、赤外線カメラを使用する場合に比して造形物１１２の温度を精確に測定することが可能となる。

温度測定器１７は、ビーム照射装置１２に対して、一例では斜め横に配置され、あるいは造形する領域全体を捉えられる位置に配置されている。ビーム照射装置１２に対して斜め横に、すなわち鉛直線から角度をなして配置することで、造形層が高さ方向に積層された造形物１１２の上面だけではなく、側面の温度も測定することが可能となる。つまり、造形物１１２を形成する領域の全体を含む範囲である温度測定領域で、造形物１１２の上面だけではなく側面の温度も測定することができるように、温度測定器１７は配置される。温度測定器１７によって測定された造形物１１２の温度分布を取得することで、造形中の造形物１１２の温度をリアルタイムでモニタリングすることができる。また、温度測定器１７によって測定された温度分布を用いることで、造形処理中の造形層における温度だけではなく、過去に造形された造形層の温度も取得することが可能となる。温度測定器１７は、温度測定部に対応する。

温度調整装置１８は、基材１１１の温度が、制御装置１９によって設定された温度に維持されるように、基材１１１を加熱または冷却する。温度調整装置１８の一例は、高周波誘導加熱による加熱装置、ホットプレートのような電熱線による加熱装置、水冷によるヒートシンクを用いた冷却装置、ペルチェモジュールのような熱電冷却素子を用いた冷却装置等である。あるいは、温度調整装置１８は、上記の加熱装置および上記の冷却装置を組み合わせたものであってもよい。図１の例では、温度調整装置１８は、基材１１１の下面から基材１１１を加熱または冷却するようにステージ１１に設けられる。温度調整装置１８は、造形物１１２を加熱または冷却して温度調整を行う温度調整部の一例であり、第１温度調整部に対応する。

制御装置１９は、加工プログラムに従って積層造形装置１、具体的にはビーム照射装置１２、ガス噴射装置１３、ワイヤ供給装置１４、ヘッド駆動装置１５、レーザ発振器１６および温度調整装置１８を制御する。制御装置１９は、一例では数値制御装置である。また、制御装置１９は、制御部に対応する。制御装置１９は、ヘッド駆動装置１５へ移動指令を出力することによって、ヘッド駆動装置１５の駆動を制御する。ヘッド駆動装置１５は、移動指令が入力されると、移動指令にしたがって、ビーム照射装置１２を移動させる。

制御装置１９は、レーザビームＬの出力であるビーム出力の条件に応じた指令をレーザ発振器１６へ出力することによって、レーザ発振器１６によるレーザ発振を制御する。

制御装置１９は、材料の供給量の条件に応じた指令をワイヤ供給装置１４へ出力することによって、ワイヤ供給装置１４を制御する。制御装置１９は、ワイヤ供給装置１４の駆動、より具体的には回転モータの駆動を制御することによって、ビーム照射位置へ向かうワイヤＷの送給速度を調整する。送給速度は、単位時間当たりの材料の供給量を表す。

制御装置１９は、シールドガスＧの供給量の条件に応じた指令をガス噴射装置１３へ出力することによって、ガス噴射装置１３から噴射されるシールドガスＧの供給量を制御する。

制御装置１９は、温度測定器１７から取得した温度分布情報に基づいて、造形物１１２の全体の組織が均質化するように、ヘッド駆動装置１５への移動指令、ビーム出力の条件、材料の供給量の条件、シールドガスＧの供給量の条件、および温度調整装置１８の温度条件を含む造形条件を調整する。制御装置１９は、調整した造形条件となるように、ガス噴射装置１３、ワイヤ供給装置１４、ヘッド駆動装置１５、レーザ発振器１６および温度調整装置１８のそれぞれに指令を出力する。制御装置１９は、各種の指令を出力することによって、積層造形装置１の全体を制御する。

ここで、制御装置１９による温度測定器１７で測定された温度分布情報を用いた造形条件の調整について説明する。制御装置１９は、温度測定器１７から取得した温度測定領域の温度分布情報に基づいて温度勾配、凝固速度および冷却速度を導出する。具体的には、制御装置１９は、ある時刻の温度測定領域の温度分布情報に基づいて温度勾配を導出し、異なる時刻の温度測定領域の温度分布情報に基づいて凝固速度および冷却速度を導出する。ここでは、造形物１１２の温度勾配、凝固速度および冷却速度が導出される。温度勾配は、任意の２点間の温度差を上記２点間の距離で割った値である。また、温度勾配は、左右方向の位置における温度勾配だけではなく、高さ方向の位置における温度勾配も導出される。左右方向の位置における温度勾配は、一例では温度分布情報の造形最終層１１４の上面を用いて導出される。高さ方向の位置における温度勾配は、一例では温度分布情報の造形物１１２の側面を用いて導出される。凝固速度は、溶融池１１５と造形物１１２との界面である固液界面が移動する速度である。冷却速度は、冷却過程における任意の定位置についての単位時間あたりの温度差、すなわち単位時間あたりの温度変化量である。

図２は、温度分布情報から温度勾配と凝固速度とを導出する方法を説明する図である。図２では、基材１１１上に、造形物１１２を形成している状態を模式的に示す造形模式図３１Ａと、造形模式図３１Ａで示された造形最終層１１４の各位置における温度分布を示す温度分布図３１Ｂと、を示している。

造形模式図３１Ａでは、基材１１１上に、造形初期層１１３、造形最終層１１４の２つ前に形成された造形層１１４ｂ、造形最終層１１４の１つ前に形成された造形層１１４ａが積層され、造形層１１４ａ上に造形最終層１１４が形成されている状態が示されている。造形模式図３１Ａでは、造形初期層１１３から造形最終層１１４までが造形物１１２となる。下地の造形層１１４ａの一部と図示しないワイヤＷとが溶融した溶融池１１５の位置に図示しないレーザビームＬが照射されている。この例では、図中の右から左に向かってレーザビームＬが照射されているものとする。この例では、溶融池１１５が凝固したものが造形最終層１１４となる。また、溶融池１１５と固体の造形最終層１１４との界面は固液界面１１６となる。この固液界面１１６が単位時間あたりに移動する速度が凝固速度となる。

温度分布図３１Ｂにおいて、横軸は温度測定領域における位置であり、この例では造形最終層１１４における左右方向の位置を示し、縦軸は温度を示している。つまり、温度分布図３１Ｂは、造形最終層１１４が形成されている位置の温度を示している。造形模式図３１Ａにおいて右から左に向かってレーザビームＬが走査されている。つまり、右側ほど溶融された時期が古いことになるので、横軸の溶融池１１５の位置から右側に向かって温度が低下している。なお、図示していないが、溶融池１１５よりも左側ではまだ加熱されていないので、温度が低い状態となっている。

制御装置１９は、取得した温度分布情報を基に造形最終層１１４における左右方向の任意の位置ａ１と位置ａ２との間における距離および温度差から温度勾配を導出する。温度勾配は、算出した温度差を算出した距離で割ることによって求めることができる。温度分布情報における単位距離と、温度測定領域における被加工物上の実際の距離と、の関係を予め求めておくことによって、温度分布情報における任意の位置ａ１と位置ａ２との間の距離を、基材１１１上または被加工物上の実際の距離に変換することができる。

また、制御装置１９は、予めワイヤＷの融点を取得している。このようにすることで、制御装置１９は、ワイヤＷの融点および温度分布情報から、溶融池１１５と造形物１１２との固液界面１１６の位置を取得する。制御装置１９は、時刻の異なる複数の温度分布情報から得られる固液界面１１６の位置から固液界面１１６の移動速度である凝固速度を導出する。一例では、２つの時刻における固液界面１１６の位置の変化量を、２つの時刻の差で割ることによって凝固速度が導出される。このように、温度測定器１７で得られる温度分布情報から、各時刻における特定の温度の座標位置を取得することが可能である。特定の温度をワイヤＷの融点に設定することで、各時刻における固液界面１１６の位置情報が取得可能となるため固液界面１１６の移動速度、つまり凝固速度の取得が可能となる。

図３は、温度分布情報から高さ方向の温度勾配を導出する方法を説明する図である。図３では、基材１１１上に、造形物１１２を形成している状態を模式的に示す造形模式図３１Ａと、造形模式図３１Ａで示された造形最終層１１４の位置ａ１の高さ方向における温度分布を示す温度分布図３１Ｃと、を示している。なお、図２と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。

実施の形態１では、同一の造形層内の造形物１１２の組織の均質化だけではなく、造形初期層１１３から造形最終層１１４にかけての高さ方向、すなわち垂直方向も含む広い範囲の組織の均質化を目的としている。このため、温度測定領域における面内方向の温度勾配だけではなく、高さ方向の温度勾配も取得される。

温度分布図３１Ｃにおいて、横軸は温度測定領域のある位置の高さ方向における位置を示し、縦軸は温度を示している。造形模式図３１Ａにおいて造形初期層１１３から造形最終層１１４に向かって順に造形層が形成される。つまり、下側の層ほど溶融された時期が古いことになるので、横軸の溶融池１１５の位置ａ１から下側に向かって温度が低下している。

制御装置１９は、取得した温度分布情報を基に高さ方向の任意の位置ａ１と位置ａ３との間における距離および温度差から温度勾配を導出する。温度勾配は、算出した温度差を算出した距離で割ることによって求めることができる。

図４は、凝固した金属の組織の結晶形状と温度勾配および凝固速度の組み合わせとの関係の一例を模式的に示す図である。図４において、横軸は、金属の凝固速度を示し、縦軸は、金属の温度勾配を示している。金属の組織の結晶形状は、一般に固液界面１１６での温度勾配と凝固速度との関係から決定される。組織の結晶形状が柱状組織である場合には、この金属の機械的特性は異方性を有する。組織の結晶形状が等軸組織である場合には、この金属の機械的特性は異方性の無いものとなる。従って、固液界面１１６での温度勾配と凝固速度とを制御することで、造形物１１２の組織の結晶形状を制御することができ、この結果、造形物１１２の機械的特性を制御することが可能となる。

図５は、温度分布情報から冷却速度を導出する方法を説明する図である。図５では、基材１１１上に、造形物１１２を形成している状態を模式的に示す造形模式図３２Ａと、造形模式図３２Ａで示された造形最終層１１４の任意の定位置Ａにおける温度の時間変化を示す温度時間変化図３２Ｂと、を示している。なお、図２の造形模式図３１Ａと同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。

造形模式図３２Ａにおいて、造形最終層１１４の下地の造形層１１４ａの一部とワイヤＷとが溶融した溶融池１１５の位置に図示しないレーザビームＬが照射されている。この例では、図中の右から左に向かってレーザビームＬが照射されているものとする。溶融池１１５が凝固したものは、造形物１１２となる。

温度時間変化図３２Ｂにおいて、横軸は経過時間を示し、縦軸は温度を示している。位置ＡにワイヤＷが供給され、レーザビームＬが照射されると、照射位置における下地の造形層１１４ａおよびワイヤＷが溶融し溶融池１１５が形成される状態となる。造形模式図３２Ａにおいて右から左に向かってレーザビームＬが走査されているため、位置Ａでは、温度が低い状態から、温度が上昇した後、温度が低下していく。温度時間変化図３２Ｂには、位置ＡでのレーザビームＬの照射後における温度の低下の様子が示されている。なお、温度時間変化図３２Ｂは、一例では、保持された各時刻における温度分布情報の位置Ａにおける温度を抽出することによって生成される。

制御装置１９は、任意の定位置Ａにおける経過時間と温度履歴とから冷却速度を導出する。つまり、制御装置１９は、温度時間変化図３２Ｂから単位時間あたりの温度差を算出する。

図６は、温度分布情報から高さ方向の冷却速度を導出する方法を説明する図である。図６では、基材１１１上に、造形物１１２を形成している状態を模式的に示す造形模式図３２Ａと、造形模式図３２Ａで示された造形物１１２の任意の定位置Ｂにおける温度の時間変化を示す温度時間変化図３２Ｃと、を示している。図６では、位置Ｂは、造形最終層１１４ではなく、造形層１１４ｂにある。なお、図２の造形模式図３１Ａと同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。

温度時間変化図３２Ｃにおいて、横軸は経過時間を示し、縦軸は温度を示している。造形模式図３２Ａにおいて、位置Ｂでは、造形層１１４ｂが形成されるときに最も温度が高くなり、その後、造形層１１４ｂ上に造形層１１４ａおよび造形最終層１１４が順に形成されるにしたがって温度は低下していく。温度時間変化図３２Ｃには、造形処理中における位置Ｂでの温度の低下の様子が示されている。なお、温度時間変化図３２Ｃは、一例では、保持された各時刻における温度分布情報の位置Ｂにおける温度を抽出することによって生成される。

制御装置１９は、任意の定位置Ｂにおける経過時間と温度履歴とから冷却速度を導出する。つまり、制御装置１９は、温度時間変化図３２Ｃから単位時間あたりの温度差を算出する。

冷却速度は、凝固後の金属組織の大きさおよび析出相の種類に影響を及ぼす。本明細書において、組織の大きさは、組織を構成する結晶粒子の大きさである。この場合、結晶粒子の大きさとして、長径の平均値等の統計値を用いることができる。析出相の種類は、金属の冷却過程において生成する金属間化合物の種類、またはマルテンサイトのような結晶構造の変化に伴い生成する組織の種類を示す。

一例では、冷却速度が大きいと金属組織は微細化し、硬さおよび室温下での強度が向上する。また、鉄鋼材料において、溶融後の冷却速度が大きいとマルテンサイトが生成され、硬さが向上する。従って、冷却速度を制御することで造形物１１２の組織の大きさおよび析出相の種類を制御することができ、この結果、造形物１１２の機械的特性を制御することが可能となる。

制御装置１９は、造形物１１２を目標とする組織に均質化することを目的として、導出した温度勾配、凝固速度および冷却速度が定められた温度勾配、定められた凝固速度および定められた冷却速度となるように、以降に形成される造形層を造形する造形条件を決定する。つまり、制御装置１９は、導出した温度勾配、凝固速度および冷却速度に基づいて以降の造形条件として、レーザビームＬの出力、レーザビームＬの走査速度、ワイヤＷの送給速度、シールドガスＧの流量、基材１１１の温度および次層の造形処理を行うまでの待機時間を決定する。

温度勾配、凝固速度および冷却速度と造形条件との関係は、ワイヤＷの種類等に応じて変化するものであり、一律に決められるものではない。このため、温度勾配、凝固速度および冷却速度と造形条件との関係は、特に限定されることなく、任意の方法で求めておくことができる。一例では、ある材料のワイヤＷに対して、実際に様々な造形条件で造形を実施して、各造形条件での温度勾配、凝固速度および冷却速度を求めておけばよい。あるいは、有限要素法（Finite Element Method：ＦＥＭ）を用いた熱解析によって、任意の造形条件においての温度勾配、凝固速度、冷却速度を求めておけばよい。つまり、レーザビームＬの出力、レーザビームＬの走査速度、ワイヤＷの送給速度、シールドガスＧの流量、基材１１１の温度および次の造形層の造形を行うまでの時間を含む造形条件を種々に変化させたときに実際の造形処理または熱解析で得られる温度勾配、凝固速度および冷却速度を、造形条件情報として記憶しておけばよい。そして、制御装置１９は、所望の温度勾配、凝固速度および冷却速度が得られる造形条件を造形条件情報から取得し、取得した造形条件に従って造形処理を行う。すなわち、制御装置１９は、造形条件に基づいて、ガス噴射装置１３、ワイヤ供給装置１４、ヘッド駆動装置１５、レーザ発振器１６および温度調整装置１８を制御して造形処理を実施する。これによって、以降の造形層の造形処理において、所望の温度勾配、凝固速度および冷却速度が得られることになる。

制御装置１９は、造形処理中に、造形物１１２の温度分布情報から温度勾配および凝固速度を導出し、導出した温度勾配および凝固速度が、定められた閾値内であるかを判定する。図７は、高さ方向の温度勾配を下げる方法の一例を説明する図である。図７では、温度調整装置１８を有する基材１１１上に、造形物１１２を形成している状態を模式的に示す造形模式図３３Ａと、造形模式図３３Ａで示された造形最終層１１４の位置ａ１の高さ方向における温度分布を示す温度分布図３３Ｂと、を示している。なお、図２と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。

温度分布図３３Ｂで、位置ａ１における高さ方向の温度分布は、曲線Ｔ１のようになる。制御装置１９は、高さ方向に異なる位置ａ１と位置ａ３とから、位置ａ１における高さ方向の温度勾配ＴＧ１を導出する。制御装置１９は、導出した温度勾配ＴＧ１が閾値よりも大きいと判定した場合には、以降のレーザビームＬの出力を下げるか、あるいは温度調整装置１８により基材１１１の温度を上げる。このような条件で次の造形層の造形処理を行うことによって、位置ａ１における高さ方向の温度分布は、温度分布図３３Ｂの曲線Ｔ２のように変化する。すなわち、位置ａ１における高さ方向の温度勾配ＴＧ２は、温度勾配ＴＧ１よりも小さくなる。このように、造形層の温度勾配を下げる制御を実施する。

あるいは、制御装置１９は、導出した凝固速度が閾値よりも小さいと判定した場合には、以降のレーザビームＬの走査速度を上げるか、あるいはシールドガスＧの流量を上げることによって、造形層の凝固速度を上げる制御を実施する。

また、制御装置１９は、造形物１１２の全体の温度分布情報から冷却速度を導出し、導出した冷却速度が定められた閾値内であるかを判定する。一例では、制御装置１９は、導出した冷却速度が閾値よりも小さいと判定した場合には、以降のレーザビームＬの出力を下げるか、レーザビームＬの走査速度を上げるか、あるいはシールドガスＧの流量を上げることによって造形層の冷却速度を上げる制御を実施する。なお、制御装置１９は、基材１１１の全体または造形物１１２が形成される領域の全体を含む温度測定領域での各位置での温度勾配、凝固速度および冷却速度を導出しているので、次の造形層の各位置の造形処理における造形条件は、上記した温度勾配、凝固速度および冷却速度に基づいて決定される。前の造形層の造形中における造形物１１２の各位置の温度勾配、凝固速度および冷却速度は、造形物１１２における蓄熱の影響を受けているため、次の造形層の造形条件は蓄熱を考慮したものとなる。

次に、制御装置１９が有するハードウェア構成について説明する。制御装置１９の機能は、積層造形装置１の制御を実行するためのプログラムである制御プログラムがハードウェアを用いて実行されることによって実現される。

図８は、実施の形態１に係る積層造形装置が有する制御装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。制御装置１９は、各種処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）１９１と、データ格納領域を含むＲＡＭ（Random Access Memory）１９２と、不揮発性メモリであるＲＯＭ（Read Only Memory）１９３と、記憶装置１９４と、制御装置１９への情報の入力および制御装置１９からの情報の出力のための入出力インタフェース１９５と、を有する。図８に示す各部は、バス１９６を介して相互に接続されている。

ＣＰＵ１９１は、ＲＯＭ１９３または記憶装置１９４に記憶されているプログラムを実行する。制御装置１９による、積層造形装置１の全体の制御は、ＣＰＵ１９１を使用して実現される。

記憶装置１９４は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）またはＳＳＤ（Solid State Drive）である。記憶装置１９４は、制御プログラムと各種データとを記憶する。ＲＯＭ１９３には、制御装置１９であるコンピュータまたはコントローラの基本となる制御のためのプログラムであるＢＩＯＳ（Basic Input/Output System）あるいはＵＥＦＩ（Unified Extensible Firmware Interface）といったブートローダであって、ハードウェアを制御するソフトウェアまたはプログラムが記憶されている。なお、制御プログラムは、ＲＯＭ１９３に記憶されてもよい。

ＲＯＭ１９３および記憶装置１９４に記憶されているプログラムは、ＲＡＭ１９２にロードされる。ＣＰＵ１９１は、ＲＡＭ１９２に制御プログラムを展開して各種処理を実行する。入出力インタフェース１９５は、制御装置１９の外部の装置との接続インタフェースである。入出力インタフェース１９５には、加工プログラムが入力される。また、入出力インタフェース１９５は、各種指令を出力する。制御装置１９は、キーボードおよびポインティングデバイスといった入力デバイス、およびディスプレイといった出力デバイスを有してもよい。

制御プログラムは、コンピュータによる読み取りが可能とされた記憶媒体に記憶されたものであってもよい。制御装置１９は、記憶媒体に記憶された制御プログラムを記憶装置１９４へ格納してもよい。記憶媒体は、フレキシブルディスクである可搬型記憶媒体、あるいは半導体メモリであるフラッシュメモリであってもよい。制御プログラムは、他のコンピュータあるいはサーバ装置から通信ネットワークを介して、制御装置１９となるコンピュータあるいはコントローラへインストールされてもよい。

制御装置１９の機能は、積層造形装置１の制御のための専用のハードウェアである処理回路によって実現されてもよい。処理回路は、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、またはこれらの組み合わせである。制御装置１９の機能は、一部を専用のハードウェアで実現し、他の一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。

次に、実施の形態１に係る積層造形装置１での積層造形方法について説明する。なお、積層造形方法によって３次元の積層造形物が製造されるので、以下に説明する積層造形方法は、積層造形物の製造方法でもある。図９は、実施の形態１に係る積層造形方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。図９では、積層造形装置１での制御装置１９の処理手順を示している。

まず、制御装置１９は、定められたレーザビームＬの出力および走査速度となるようにレーザ発振器１６およびヘッド駆動装置１５に指令を出力し、定められた送給速度となるようにワイヤ供給装置１４に指令を出力する（ステップＳ１１）。これによって、ワイヤ供給装置１４は、定められたワイヤＷの送給速度で被加工物上にワイヤＷを供給し、ビーム照射装置１２およびヘッド駆動装置１５は、定められた出力および走査速度で被加工物上にレーザビームＬを照射する。この結果、ワイヤＷが溶融、凝固した造形層が、被加工物上に付加される造形処理が実行される。

造形処理中においては、温度測定器１７は、造形物１１２を形成する領域の全体を含む範囲である温度測定領域の温度分布を測定している。つまり、温度測定器１７は、造形初期層１１３から造形中の溶融池１１５を含む造形最終層１１４までの造形物１１２の全体の温度分布を、それぞれの造形層の造形時に測定している。制御装置１９は、温度測定器１７から温度測定領域の温度分布の測定結果である温度分布情報を取得する（ステップＳ１２）。

次いで、制御装置１９は、以降の造形計画があるかを判定する（ステップＳ１３）。造形計画は、積層造形物の造形に関する情報であり、一例では造形物１１２の高さを含む情報である。以降の造形計画は、造形計画の現在造形中の造形層の後にある造形層を造形する計画である。一例では、現在までに造形した造形物１１２の高さが、造形計画の高さ未満である場合には、以降の造形計画がある。また、現在までに造形した造形物１１２の高さが、造形計画の高さと同じ場合には、以降の造形計画はない。制御装置１９は、一例では造形処理を実行する加工プログラムを解析することで、現在造形中の造形層上への造形処理が続くか、あるいは造形処理が終了するかによって以降の造形計画の有無を判定することができる。

以降の造形計画がないと判定した場合（ステップＳ１３でＮｏの場合）、すなわち現在造形中の造形層で造形処理が完了すると判定した場合には、制御装置１９は、積層造形処理を終了する。

以降の造形計画があると判定した場合（ステップＳ１３でＹｅｓの場合）には、制御装置１９は、ステップＳ１２で取得した温度測定領域の温度分布情報に基づいて造形物１１２の温度勾配、凝固速度および冷却速度を導出する（ステップＳ１４）。一例では、制御装置１９は、温度分布情報と材料の融点とを用いて固液界面１１６を特定し、固液界面１１６での温度勾配を導出する。制御装置１９は、造形層の積層方向に垂直な方向および積層方向である高さ方向の温度勾配を導出する。制御装置１９は、複数の時刻における温度分布情報を用いて、固液界面１１６での凝固速度を導出する。制御装置１９は、異なる時刻の温度分布情報を複数用いることで、任意の位置における冷却速度を導出する。なお、温度勾配、凝固速度および冷却速度は、温度測定領域の同じ位置であっても、層によって異なることがある。一例では、初期の層の造形では、被加工物への蓄熱は小さいが、造形を繰り返すことによって被加工物への蓄熱が大きくなる。このため、温度勾配、凝固速度および冷却速度は、下地の影響を受けることになる。

次いで、制御装置１９は、ステップＳ１４で導出した造形物１１２の温度勾配、凝固速度および冷却速度に基づいて以降の造形条件を決定する（ステップＳ１５）。具体的には、導出した造形物１１２の温度勾配、凝固速度および冷却速度が定められた閾値の範囲内となるように、造形条件情報を参照して、次の造形層を形成する際のガス噴射装置１３、ワイヤ供給装置１４、ヘッド駆動装置１５、レーザ発振器１６および温度調整装置１８の造形条件を決定する。

その後、制御装置１９は、決定した造形条件に基づいて、ガス噴射装置１３、ワイヤ供給装置１４、ヘッド駆動装置１５、レーザ発振器１６および温度調整装置１８へ指令を出力する（ステップＳ１６）。これによって、制御装置１９は、積層造形装置１における以降の造形条件、一例では次に造形する造形層の造形条件を制御する。そして、このような制御を行うことで、温度勾配、凝固速度および冷却速度が所望の閾値に近くなるような造形条件で、被加工物の全体に渡って造形が行われることになり、被加工物の組織が全体的に均質化される。その後、処理がステップＳ１２に戻る。そして、以上の処理が、以降の造形計画がなくなるまで繰り返し実行されることになる。

実施の形態１によれば、温度測定器１７は、基材１１１上の造形する領域である温度測定領域の全体の温度分布を測定する。制御装置１９は、温度測定領域の温度分布を示す温度分布情報から造形物１１２の各位置における温度勾配、凝固速度および冷却速度を導出する。制御装置１９は、以降に形成される造形層の温度勾配、凝固速度および冷却速度が所望の閾値の範囲となるように、造形条件情報から造形条件を決定する。これによって、造形の初期から終期にかけての各層において、温度測定領域の造形物１１２の温度勾配、凝固速度および冷却速度が所望の閾値の範囲に収まるように制御される。この結果、各造形層の組織が同じものとなり、造形物１１２の全体に対して目標とする組織の均質化が可能となる。また、温度測定領域を造形初期層１１３まで広く対象とすることで、後続パスの熱影響および造形時の蓄熱も考慮した上で造形物１１２の全体に渡って目標とする組織の均質化が可能となる。加えて、温度測定器１７として二色式サーモグラフィを用いることで、放射率が逐次変わる造形物１１２の全体の正確な温度分布情報を取得することができる。

なお、温度測定器１７は、造形物１１２の表面の温度を測定しており、造形物１１２の内部の温度を測定するものではない。積層造形装置１で供給される材料は金属であり、一般的に金属は熱伝導率が高い材料である。造形中の温度分布を熱解析した結果、熱伝導率の高い材料で形成される造形物１１２の内部の点と、造形物１１２の表面の点と、において、温度履歴はほぼ同一であることが確かめられている。つまり、造形物１１２の表面の温度で、造形物１１２の内部の温度を代用することができる。このため、上記したように、温度測定器１７で造形物１１２の表面の温度を測定し、測定した表面の温度に基づいて造形物１１２の内部を含めた全体の組織の均質化を行うことが可能となる。

実施の形態２．
実施の形態２では、導出した温度勾配と凝固速度に基づいて、組織の結晶形状を推定し、造形後の加熱冷却処理を施すことによって、造形物１１２の組織を制御する方法について説明する。実施の形態２で使用される積層造形装置１は、実施の形態１で説明したものと同様であるので、その説明を省略する。ただし、実施の形態２で使用される積層造形装置１における制御装置１９の機能が実施の形態１とは異なる。

制御装置１９は、造形物１１２の温度分布情報から温度勾配および凝固速度を導出し、温度勾配および凝固速度と組織の結晶形状との関係を示す組織結晶形状情報から、導出された温度勾配および凝固速度における造形物１１２の組織の結晶形状を推定する。組織結晶形状情報は、予め求められる。制御装置１９は、推定した組織の結晶形状が目標とする組織の結晶形状であるかを判定する。制御装置１９は、推定した組織の結晶形状が目標とする組織の結晶形状と異なる場合に、造形処理を中断し、推定結果に基づいて、造形物１１２の加熱冷却条件を決定する。具体的には、制御装置１９は、目標とする組織の結晶形状に対応する温度勾配および凝固速度と、導出された温度勾配および凝固速度と、から造形物１１２が目標とする組織の結晶形状となる加熱冷却条件を決定する。そして、制御装置１９は、決定した加熱冷却条件に基づいて、ガス噴射装置１３、ヘッド駆動装置１５、レーザ発振器１６および温度調整装置１８を制御する。つまり、制御装置１９は、決定した加熱冷却条件で、ワイヤＷを供給せずに造形物１１２へのレーザビームＬの照射およびシールドガスＧの噴射の制御並びに基材１１１の温度の制御を行って熱処理を実行する。熱処理の後、制御装置１９は、決定した造形条件に基づいてガス噴射装置１３、ワイヤ供給装置１４、ヘッド駆動装置１５、レーザ発振器１６および温度調整装置１８を制御し、造形処理を行う。また、制御装置１９は、推定した組織の結晶形状が目標とする組織の結晶形状である場合には、造形処理を中断せずに、すなわち加熱冷却条件での処理を行わずに、決定した造形条件に基づいてガス噴射装置１３、ワイヤ供給装置１４、ヘッド駆動装置１５、レーザ発振器１６および温度調整装置１８を制御し、造形処理を行う。

本明細書において、加熱冷却条件は、ワイヤＷの融点以下の温度範囲で、凝固後の造形物１１２の再加熱または再冷却を行うことによって、造形物１１２の組織を制御するための造形最終層１１４を造形した後の熱処理条件のことを示す。一例では、造形後の熱処理条件は、凝固後の造形物１１２の再加熱または再冷却を行うときのレーザビームＬ、シールドガスＧおよび温度調整装置１８の動作を制御する条件である。

温度勾配および凝固速度と、組織の結晶形状と、の関係は、特に限定されることはなく、任意の方法で求めておくことができる。一例では、有限要素法を用いた熱解析によって、任意の造形条件での温度勾配および凝固速度を取得しておき、同様の造形条件による造形物１１２の組織形状を組織観察によって把握しておけばよい。つまり、造形条件と、温度勾配および凝固速度と、組織観察の結果である組織の結晶形状と、を対応付けた情報を組織結晶状態情報として記憶しておけばよい。また、上記の温度勾配および凝固速度と、組織の結晶形状と、の関係は文献等で公表されている既知のデータベースから求めてもよい。

加熱冷却条件と、温度勾配および凝固速度と、の関係は、特に限定されることはなく、任意の方法で求めておくことができる。一例では、有限要素法を用いた熱解析によって、任意の加熱冷却条件での温度勾配および凝固速度を取得しておけばよい。つまり、加熱冷却条件と、温度勾配および凝固速度と、を対応付けた情報を記憶しておけばよい。また、上記の加熱冷却条件と、温度勾配および凝固速度と、の関係は実際の造形物１１２を用いた実験値から求めてもよい。

一例では、制御装置１９は、造形物１１２の目標とする組織の形状が等軸組織であり、推定した組織の結晶形状が柱状組織である場合には、造形処理を中断し、温度勾配および凝固速度と、組織の結晶形状と、の間の関係を示す組織結晶形状情報に基づき造形物１１２の組織が等軸組織となる加熱冷却条件を決定する。一例では、温度分布情報から導出された温度勾配および凝固速度の組み合わせで示される組織を、目標とする組織とするための温度勾配および凝固速度の組み合わせを求め、求めた温度勾配および凝固速度の組み合わせとなるように造形物１１２の加熱冷却条件が求められる。すなわち、ガス噴射装置１３、ヘッド駆動装置１５、レーザ発振器１６および温度調整装置１８の動作条件が求められる。このとき、目標とする組織の結晶形状に対応する温度勾配および凝固速度の組み合わせが組織結晶形状情報から求められ、目標とする組織の結晶形状に対応する加熱冷却条件が、目標とする組織の結晶形状に対応する温度勾配および凝固速度の組み合わせと、造形物１１２の温度分布情報から導出された温度勾配および凝固速度の組み合わせと、に基づいて求められる。その後、制御装置１９は、決定した加熱冷却条件に基づいて、ガス噴射装置１３、ヘッド駆動装置１５、レーザ発振器１６および温度調整装置１８へ指令を出力する。これによって、造形物１１２の組織の形状が等軸組織となるための加熱処理または冷却処理に関する制御、すなわち熱処理に関する制御が実施される。つまり、形成された造形最終層１１４を含む造形物１１２に対して加熱処理または冷却処理を施すことによって、目標とする組織とする処理が、造形処理の中断中に実施される。この後に、造形処理が再開される。すなわち、次の造形層の造形処理が造形条件に基づいて実施される。

図１０は、実施の形態２に係る積層造形方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。図１０では、積層造形装置１での制御装置１９の処理手順を示している。なお、図９と同一の処理には同一のステップ番号を付し、その説明を省略する。

ステップＳ１５の後、制御装置１９は、温度勾配および凝固速度と組織の結晶形状との間の関係を示す予め求められた組織結晶形状情報と、ステップＳ１４で導出された温度勾配および凝固速度と、から、組織の結晶形状を推定する（ステップＳ３１）。

その後、制御装置１９は、推定した組織の結晶形状が目標とする組織の結晶形状であるかを判定する（ステップＳ３２）。推定した組織の結晶形状が目標とする組織の結晶形状であると判定した場合（ステップＳ３２でＹｅｓの場合）には、処理がステップＳ１６へと移る。つまり、この場合には、形成した造形物１１２の組織の結晶形状は目標とする組織の結晶形状を有しているので、この造形物１１２に対して組織の結晶形状を変更するための加熱処理または冷却処理は不要である。このため、実施の形態１で説明した以降の造形計画を決定した造形条件に基づいて実施する。

一方、推定した組織の結晶形状が目標とする組織の結晶形状と異なると判定した場合（ステップＳ３２でＮｏの場合）には、制御装置１９は、造形処理を中断する（ステップＳ３３）。

次いで、制御装置１９は、目標とする組織の結晶形状に対応する温度勾配および凝固速度の組み合わせと、ステップＳ１４で導出された温度勾配および凝固速度の組み合わせと、に基づいて、造形物１１２の組織が目標とする組織の結晶形状となる加熱冷却条件を決定する（ステップＳ３４）。その後、制御装置１９は、決定した加熱冷却条件に基づいて、ガス噴射装置１３、ヘッド駆動装置１５、レーザ発振器１６および温度調整装置１８へ指令を出力する（ステップＳ３５）。このように、ワイヤＷを供給せずに造形物１１２へのレーザビームＬの照射およびシールドガスＧの噴射の制御並びに基材１１１の温度の制御を行うことで、造形物１１２の組織を制御するための造形物１１２の造形後の熱処理が実施される。その後、処理がステップＳ１６に戻り、造形処理が再開される。

実施の形態２によれば、制御装置１９は、温度勾配および凝固速度から造形物１１２の組織の結晶形状を推定する。推定した組織の結晶形状が目標とする組織の結晶形状である場合には、そのまま造形処理を継続する。一方、推定した組織の結晶形状が目標とする組織の結晶形状ではない場合には、制御装置１９は、造形処理を一時中断し、組織の結晶形状が目標とする組織の結晶形状となるように決定した加熱冷却条件で積層造形装置１を制御して、造形物１１２の熱処理を行う。これによって、形成された造形物１１２が目標とする組織の結晶形状を有していない場合でも、加熱冷却条件に基づいた処理を行うことで目標とする組織の結晶形状とすることができる。この結果、造形物１１２の全体に渡って目標とする組織の均質化を行うことが可能となる。

実施の形態３．
実施の形態３では、導出した冷却速度に基づいて、組織の大きさおよび析出相の種類を推定し、造形後の加熱冷却処理を施すことによって、造形物１１２の組織を制御する方法について説明する。実施の形態３で使用される積層造形装置１は、実施の形態１で説明したものと同様であるので、その説明を省略する。ただし、実施の形態３で使用される積層造形装置１における制御装置１９の機能が実施の形態１とは異なる。

制御装置１９は、造形物１１２の温度分布情報から冷却速度を導出し、冷却速度と造形物１１２の組織の大きさおよび析出相の種類との関係を示す組織析出相情報から、導出された冷却速度における造形物１１２の組織の大きさおよび析出相の種類を推定する。組織析出相情報は、予め求められる。制御装置１９は、推定した組織の大きさおよび析出相の種類が目標とする組織の大きさおよび析出相の種類であるかを判定する。推定した組織の大きさおよび析出相の種類が目標とする組織の大きさおよび析出相の種類と異なる場合に、制御装置１９は、造形処理を中断し、推定結果に基づいて、造形物１１２の加熱冷却条件を決定する。具体的には、制御装置１９は、目標とする組織の大きさおよび析出相の種類に対応する冷却速度と、導出された冷却速度と、から造形物１１２が目標とする組織の大きさおよび析出相の種類となる加熱冷却条件を決定する。そして、制御装置１９は、加熱冷却条件に基づいて、ガス噴射装置１３、ヘッド駆動装置１５、レーザ発振器１６および温度調整装置１８を制御する。つまり、制御装置１９は、決定した加熱冷却条件で、ワイヤＷを供給せずに造形物１１２へのレーザビームＬの照射およびシールドガスＧの噴射の制御並びに基材１１１の温度の制御を行って熱処理を実行する。熱処理の後、制御装置１９は、決定した造形条件に基づいてガス噴射装置１３、ワイヤ供給装置１４、ヘッド駆動装置１５、レーザ発振器１６および温度調整装置１８を制御し、造形処理を行う。また、制御装置１９は、推定した組織の大きさおよび析出相の種類が目標とする組織の大きさおよび析出相の種類である場合には、造形処理を中断せずに、すなわち加熱冷却条件での処理を行わずに、決定した造形条件で造形処理を行う。つまり、制御装置１９は、造形条件に基づいて、ガス噴射装置１３、ワイヤ供給装置１４、ヘッド駆動装置１５、レーザ発振器１６および温度調整装置１８を制御し、造形処理を行う。

冷却速度と、組織の大きさおよび析出相の種類と、の関係は、特に限定されることはなく、任意の方法で求めておくことができる。一例では、有限要素法を用いた熱解析によって、任意の造形条件での冷却速度を取得しておき、同様の造形条件による造形物１１２の組織の大きさおよび析出相の種類を組織観察によって把握しておけばよい。つまり、造形条件と、冷却速度と、組織観察の結果である組織の大きさおよび析出相の種類と、を対応付けた情報を組織析出相情報として記憶しておけばよい。また、上記の冷却速度と、組織の大きさおよび析出相の種類と、の関係は文献等で公表されている既知のデータベースから求めてもよい。一例では、推定した組織の大きさおよび析出相の種類が目標とする組織の大きさおよび析出相の種類と異なる場合には、目標とする組織の大きさおよび析出相に対応する冷却速度が組織析出相情報から求められ、目標とする組織の大きさおよび析出相の種類に対応する加熱冷却条件が、目標とする組織の大きさおよび析出相の種類に対応する冷却速度と、造形物１１２の温度分布情報から導出された冷却速度と、に基づいて求められる。

加熱冷却条件と冷却速度との関係は、特に限定されることはなく、任意の方法で求めておくことができる。一例では、有限要素法を用いた熱解析によって、任意の加熱冷却条件での冷却速度を取得しておけばよい。つまり、加熱冷却条件と冷却速度とを対応付けた情報を記憶しておけばよい。また、上記の加熱冷却条件と、冷却速度と、の関係は実際の造形物１１２を用いた実験値から求めてもよい。

図１１は、実施の形態３に係る積層造形方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。図１１では、積層造形装置１での制御装置１９の処理手順を示している。なお、図９と同一の処理には同一のステップ番号を付し、その説明を省略する。

ステップＳ１５の後、制御装置１９は、冷却速度と組織の大きさおよび析出相の種類との関係を示す予め求められた組織析出相情報と、ステップＳ１４で導出された冷却速度と、から、組織の大きさおよび析出相の種類を推定する（ステップＳ５１）。

その後、制御装置１９は、推定した組織の大きさおよび析出相の種類が目標とする組織の大きさおよび析出相の種類であるかを判定する（ステップＳ５２）。推定した組織の大きさおよび析出相の種類が目標とする組織の大きさおよび析出相の種類であると判定した場合（ステップＳ５２でＹｅｓの場合）には、処理がステップＳ１６へと移る。つまり、この場合には、形成した造形物１１２の組織の大きさおよび析出相の種類は目標とする組織の大きさおよび析出相の種類を有しているので、この造形物１１２に対して組織の大きさおよび析出相の種類を変更するための加熱処理または冷却処理は不要である。このため、実施の形態１で説明した以降の造形計画を決定した造形条件に基づいて実施する。

一方、推定した組織の大きさおよび析出相の種類が目標とする組織の大きさおよび析出相の種類と異なると判定した場合（ステップＳ５２でＮｏの場合）には、制御装置１９は、造形処理を中断する（ステップＳ５３）。

次いで、制御装置１９は、目標とする組織の大きさおよび析出相の種類に対応する冷却速度と、ステップＳ１４で導出された冷却速度と、に基づいて、造形物１１２の組織が目標とする組織の大きさおよび析出相の種類となる加熱冷却条件を決定する（ステップＳ５４）。その後、制御装置１９は、決定した加熱冷却条件に基づいて、ガス噴射装置１３、ヘッド駆動装置１５、レーザ発振器１６および温度調整装置１８へ指令を出力する（ステップＳ５５）。このように、ワイヤＷを供給せずに造形物１１２へのレーザビームＬの照射およびシールドガスＧの噴射の制御並びに基材１１１の温度の制御を行うことで、造形物１１２の組織を制御するための造形後の熱処理が実施される。その後、処理がステップＳ１６に戻り、造形処理が再開される。

実施の形態３によれば、制御装置１９は、冷却速度から造形物１１２の組織の大きさおよび析出相の種類を推定する。推定した組織の大きさおよび析出相の種類が目標とする組織の大きさおよび析出相の種類である場合には、そのまま造形処理を継続する。一方、推定した組織の大きさおよび析出相の種類が目標とする組織の大きさおよび析出相の種類と異なる場合には、制御装置１９は、造形処理を一時中断し、組織の大きさおよび析出相の種類が目標とする組織の大きさおよび析出相の種類と同じとなるように決定した加熱冷却条件で積層造形装置１を制御して、造形物１１２の熱処理を行う。これによって、形成された造形物１１２が目標とする組織の大きさおよび析出相の種類を有していない場合でも、加熱冷却条件に基づいた処理を行うことで目標とする組織の大きさおよび析出相の種類とすることができる。この結果、造形物１１２の全体に渡って目標とする組織の均質化を行うことが可能となる。

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 積層造形装置、１１ ステージ、１２ ビーム照射装置、１３ ガス噴射装置、１４ ワイヤ供給装置、１５ ヘッド駆動装置、１６ レーザ発振器、１７ 温度測定器、１８ 温度調整装置、１９ 制御装置、１１１ 基材、１１２ 造形物、１１３ 造形初期層、１１４ 造形最終層、１１４ａ，１１４ｂ 造形層、１１５ 溶融池、１１６ 固液界面、Ｇ シールドガス、Ｌ レーザビーム、Ｗ ワイヤ。

Claims (10)

1. 造形物を形成する土台となる基材上に溶融した金属の層である造形層を積層させて前記造形物を形成する積層造形装置であって、
   前記造形層の造形対象である被加工物上の前記造形層を形成する領域にワイヤまたは粉末からなる材料を供給する材料供給部と、
   前記材料を溶融させる熱源を前記被加工物に供給する熱源供給部と、
   前記造形物を形成する領域の全体を含む範囲である温度測定領域で、前記造形物の上面の温度および側面の温度を測定できるように配置される温度測定部と、
   前記造形物を加熱または冷却して温度調整を行う温度調整部と、
   前記材料供給部、前記熱源供給部および前記温度調整部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記温度測定部での前記温度測定領域の温度の測定結果である温度分布情報を用いて、前記造形物の造形中の最上面の造形層である最終造形層の各位置における前記造形層の積層方向に垂直な方向の温度勾配と、前記造形物の側面の各位置における前記積層方向および前記積層方向に垂直な方向の温度勾配と、を導出し、異なる時刻の前記温度分布情報に基づいて前記造形物の各位置における凝固速度および冷却速度を導出し、
   導出した前記温度勾配、前記凝固速度および前記冷却速度が、目標とする組織を形成する温度勾配、凝固速度および冷却速度となるように、以降に形成される造形層を造形する造形条件を決定し、
   前記造形条件に基づいて、前記材料供給部、前記熱源供給部および前記温度調整部を制御して造形処理を実施することを特徴とする積層造形装置。
2. 前記温度測定部は、異なる２つの波長の輝度比から前記温度測定領域の温度を測定する二色式サーモグラフィであることを特徴とする請求項１に記載の積層造形装置。
3. 前記温度調整部は、前記基材を加熱または冷却する第１温度調整部を有し、
   前記温度測定部は、前記造形物を形成する領域の全体に加え前記基材を含む範囲を前記温度測定領域とし、
   前記制御部は、前記造形条件に基づいて、前記材料供給部、前記熱源供給部および前記温度調整部を制御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. 前記温度調整部は、前記被加工物に不活性ガスを噴射して冷却する第２温度調整部を有し、
   前記温度測定部は、前記造形物を形成する領域の全体に加え前記基材を含む範囲を前記温度測定領域とし、
   前記制御部は、前記造形条件に基づいて、前記材料供給部、前記熱源供給部および前記温度調整部を制御することを特徴とする請求項１に記載の積層造形装置。
5. 前記制御部は、
   温度勾配および凝固速度と組織の結晶形状との関係を示す組織結晶形状情報から、導出された前記温度勾配および前記凝固速度における前記造形物の組織の結晶形状を推定し、
   推定した前記組織の結晶形状が目標とする組織の結晶形状であるかを判定することを特徴とする請求項３または４に記載の積層造形装置。
6. 前記制御部は、推定した前記組織の結晶形状が目標とする組織の結晶形状である場合に、前記造形条件に基づいて、前記材料供給部、前記熱源供給部および前記温度調整部を制御することを特徴とする請求項５に記載の積層造形装置。
7. 前記制御部は、
   推定した前記組織の結晶形状が前記目標とする組織の結晶形状ではない場合に、
   前記造形処理を中断し、
   前記目標とする組織の結晶形状に対応する温度勾配および凝固速度の組み合わせと、導出された前記温度勾配および前記凝固速度の組み合わせと、に基づいて前記造形物が前記目標とする組織の結晶形状となる加熱冷却条件を決定し、
   前記加熱冷却条件に基づいて、前記熱源供給部および前記温度調整部を制御して熱処理を実行し、
   前記熱処理後に、前記造形条件に基づいて、前記材料供給部、前記熱源供給部および前記温度調整部を制御することを特徴とする請求項５に記載の積層造形装置。
8. 前記制御部は、
   冷却速度と組織の大きさおよび析出相の種類との関係を示す組織析出相情報から、導出された前記冷却速度における前記造形物の組織の大きさおよび析出相の種類を推定し、
   推定した前記組織の大きさおよび析出相の種類が目標とする組織の大きさおよび析出相の種類であるかを判定することを特徴とする請求項３または４に記載の積層造形装置。
9. 前記制御部は、推定した前記組織の大きさおよび析出相の種類が目標とする組織の大きさおよび析出相の種類である場合に、前記造形条件に基づいて、前記材料供給部、前記熱源供給部および前記温度調整部を制御することを特徴とする請求項８に記載の積層造形装置。
10. 前記制御部は、
    推定した前記組織の大きさおよび析出相の種類が前記目標とする組織の大きさおよび析出相の種類ではない場合に、
    前記造形処理を中断し、
    前記目標とする組織の大きさおよび析出相の種類に対応する冷却速度と、導出された前記冷却速度と、に基づいて前記造形物が前記目標とする組織の大きさおよび析出相の種類となる加熱冷却条件を決定し、
    前記加熱冷却条件に基づいて、前記熱源供給部および前記温度調整部を制御して熱処理を実行し、
    前記熱処理後に、前記造形条件に基づいて、前記材料供給部、前記熱源供給部および前記温度調整部を制御することを特徴とする請求項８に記載の積層造形装置。

Images