JP7346475B2 - 三次元積層造形装置および三次元積層造形方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元積層造形装置および三次元積層造形方法に関する。

近年、造形プレート上に層状に敷き詰められた粉末材料にビームを照射して粉末材料を溶融および凝固させるとともに、凝固させた層を造形プレートの移動により順に積み上げて三次元の造形物を形成する三次元積層造形装置が知られている。この種の三次元積層造形装置は、たとえば特許文献１に記載されている。

特開２０１５－１６７１２５号公報

特許文献１に記載された三次元積層造形装置では、造形プレート上に粉末材料を塗布する場合に、粉末材料が一様に塗布されず、粉末層の厚さが部分的に薄くなるなどの塗布不良が発生することがある。塗布不良の発生は、造形物の寸法精度を低下させる原因になる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、粉末材料の塗布不良を検出し、塗布不良によって造形物の寸法精度が低下することを抑制することができる技術を提供することにある。

本発明に係る三次元積層造形装置は、造形プレートと、造形プレートを上下方向に移動させるプレート移動装置と、造形プレート上に粉末材料を塗布して粉末層を形成する装置であって、造形プレート上を移動して粉末材料を敷き詰めるスキージを有する粉末塗布装置と、造形プレートまたは粉末層にビームを照射するビーム照射装置と、粉末塗布装置およびビーム照射装置を制御することにより、粉末塗布工程、パウダーヒート工程、本焼結工程およびアフターヒート工程を経て１層分の造形物を形成するとともに、プレート移動装置を制御して１層分の造形物を積層して三次元の造形物を造形する制御部と、粉末層の造形面を撮影するカメラと、スキージが造形面を通過中または通過直後にカメラによって撮影された画像を用いて、粉末材料の塗布不良が発生したか否かを判断する判断部と、を備える。判断部は、スキージが造形面を通過中にカメラによって撮影された画像を用いて、スキージが通過する前の画像の特徴量の経時変化から予測される、スキージが通過した直後の予測特徴量と、前記スキージが通過した直後の画像の特徴量との差を求めるとともに、求めた差に基づいて、粉末材料の塗布不良が発生したか否かを判断する。

本発明に係る三次元積層造形方法は、造形プレート上でスキージを水平方向に移動させることにより、造形プレート上に粉末材料を塗布して粉末層を形成する粉末塗布工程と、粉末塗布工程の後に、造形プレート上の粉末層を予備加熱するパウダーヒート工程と、パウダーヒート工程の後に、粉末層を形成している粉末材料を本焼結させる本焼結工程と、本焼結工程の後に、造形プレート上の粉末層を予備加熱するアフターヒート工程と、を含み、粉末塗布工程では、スキージが粉末層の造形面を通過中または通過直後にカメラによって撮影された造形面の画像を用いて、粉末材料の塗布不良が発生したか否かを判断するとともに、スキージが造形面を通過中にカメラによって撮影された画像を用いて、スキージが通過する前の画像の特徴量の経時変化から予測される、スキージが通過した直後の予測特徴量と、スキージが通過した直後の画像の特徴量との差を求めるとともに、求めた差に基づいて、粉末材料の塗布不良が発生したか否かを判断する。

本発明によれば、粉末材料の塗布不良を検出し、塗布不良によって造形物の寸法精度が低下することを抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係る三次元積層造形装置の構成を概略的に示す側面図である。 本発明の第１実施形態に係る三次元積層造形装置の制御系の構成例を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る三次元積層造形装置の基本的な処理動作の手順を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る三次元積層造形装置の処理動作の手順を示すフローチャートである。 画像の実測輝度と近似式との関係を説明する図である。 カメラによって造形面を撮影して得られる画像の例を示す模式図である。 本発明の第２実施形態に係る粉末塗布工程の処理手順を示すフローチャートである。 塗布不良にともなう粉末層の厚みの変化を示す模式図である。 本発明の第３実施形態に係る粉末塗布工程の処理手順を示すフローチャートである。 カメラによって撮影した画像を二値化して得られる白黒画像の例を示す模式図である。 カメラによって撮影した画像を二値化して得られる白黒画像の第１具体例を示す図である。 カメラによって撮影した画像を二値化して得られる白黒画像を、スキージ移動方向上流側の画像とスキージ移動方向下流側の画像に分けた状態を示す模式図である。 カメラによって撮影した画像を二値化して得られる白黒画像の第２具体例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。本明細書および図面において、実質的に同一の機能または構成を有する要素については、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る三次元積層造形装置の構成を概略的に示す側面図である。以降の説明では、三次元積層造形装置の各部の形状や位置関係などを明確にするために、図１の左右方向をＸ方向、図１の奥行き方向をＹ方向、図１の上下方向をＺ方向とする。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向は、互いに直交する方向である。また、Ｘ方向およびＹ方向は水平方向に平行な方向であり、Ｚ方向は鉛直方向に平行な方向である。

図１に示すように、三次元積層造形装置１０は、真空チャンバー１２と、ビーム照射装置１４と、粉末塗布装置１６と、造形テーブル１８と、造形ボックス２０と、回収ボックス２１と、造形プレート２２と、インナーベース２４と、プレート移動装置２６と、輻射シールドカバー２８と、マスクカバー３０と、カメラ４２と、シャッター４４と、を備えている。

真空チャンバー１２は、図示しない真空ポンプによってチャンバー内の空気を排気することにより、真空状態を作り出すためのチャンバーである。

ビーム照射装置１４は、造形プレート２２または粉末層３２ａに電子ビーム１５を照射する装置である。電子ビーム１５は、ビームの一例である。粉末層３２ａは、造形プレート２２に金属粉末３２を塗布することによって形成される層である。ビーム照射装置１４は、図示はしないが、電子ビーム１５の発生源となる電子銃と、電子銃が発生した電子ビームを集束させる集束レンズと、集束レンズで集束させた電子ビーム１５を偏向する偏向レンズと、を有している。集束レンズは集束コイルを用いて構成され、集束コイルが発生する磁界によって電子ビーム１５を集束させる。偏向レンズは偏向コイルを用いて構成され、偏向コイルが発生する磁界によって電子ビーム１５を偏向する。

粉末塗布装置１６は、造形物３８の原材料となる粉末材料の一例として、金属粉末３２を造形プレート２２上に塗布して粉末層３２ａを形成する装置である。粉末塗布装置１６は、ホッパー１６ａと、粉末投下器１６ｂと、スキージ１６ｃとを有している。ホッパー１６ａは、金属粉末を貯蔵するための容器である。粉末投下器１６ｂは、ホッパー１６ａに貯蔵されている金属粉末を造形テーブル１８上に投下する機器である。スキージ１６ｃは、造形プレート２２上を水平方向に移動して金属粉末３２を敷き詰める。スキージ１６ｃは、Ｙ方向に長い長尺状の部材であり、粉末敷き詰め用のブレード１６ｄを有している。スキージ１６ｃは、粉末投下器１６ｂによって投下された金属粉末３２をブレード１６ｄで押し込みながら、造形テーブル１８上に金属粉末３２を敷き詰める。スキージ１６ｃは、造形テーブル１８の全面に金属粉末３２を敷き詰めるために、Ｘ方向に移動可能に設けられている。

造形テーブル１８は、真空チャンバー１２の内部に水平に配置されている。造形テーブル１８は、粉末塗布装置１６よりも下方に配置されている。造形テーブル１８の中央部は開口している。造形テーブル１８の開口形状は、平面視円形または平面視角形（たとえば、平面視四角形）である。

造形ボックス２０は、造形用の空間を形成するボックスである。造形ボックス２０の上端部は、造形テーブル１８の開口縁に接続されている。造形ボックス２０の下端部は、真空チャンバー１２の底壁に接続されている。

回収ボックス２１は、粉末塗布装置１６によって造形テーブル１８上に供給された金属粉末３２のうち、必要以上に供給された金属粉末３２を回収するボックスである。

造形プレート２２は、金属粉末３２を用いて造形物３８を形成するためのプレートである。造形物３８は、造形プレート２２上に積層して形成される。造形プレート２２は、造形テーブル１８の開口形状に合わせて平面視円形または平面視角形に形成される。造形プレート２２は、電気的に浮いた状態とならないよう、アース線３４によってインナーベース２４に接続（接地）されている。インナーベース２４は、ＧＮＤ（グランド）電位に保持されている。造形プレート２２およびインナーベース２４の上には金属粉末３２が敷き詰められる。

インナーベース２４は、上下方向（Ｚ方向）に移動可能に設けられている。造形プレート２２は、インナーベース２４と一体に上下方向に移動する。インナーベース２４は、造形プレート２２よりも大きな外形寸法を有する。インナーベース２４は、造形ボックス２０の内側面に沿って上下方向に摺動する。インナーベース２４の外周部にはシール部材３６が取り付けられている。シール部材３６は、インナーベース２４の外周部と造形ボックス２０の内側面との間で、摺動性および密閉性を保持する部材である。シール部材３６は、耐熱性および弾力性を有する材料によって構成される。

プレート移動装置２６は、造形プレート２２およびインナーベース２４を上下方向に移動させる装置である。プレート移動装置２６は、シャフト２６ａと、駆動機構部２６ｂとを備えている。シャフト２６ａは、インナーベース２４の下面に接続されている。駆動機構部２６ｂは、図示しないモータと動力伝達機構とを備え、モータを駆動源として動力伝達機構を駆動することにより、造形プレート２２およびインナーベース２４をシャフト２６ａと一体に上下方向に移動させる。動力伝達機構は、たとえば、ラックアンドピニオン機構、ボールネジ機構などによって構成される。

輻射シールドカバー２８は、Ｚ方向において、造形プレート２２とビーム照射装置１４との間に配置されている。輻射シールドカバー２８は、ステンレス鋼などの金属によって構成される。輻射シールドカバー２８は、ビーム照射装置１４によって金属粉末３２に電子ビーム１５を照射した際に発生する輻射熱をシールドする。金属粉末３２を本焼結させるために金属粉末３２に電子ビーム１５を照射すると金属粉末３２が溶融するが、このとき粉末層３２ａの造形面３２ｂから放射される熱、すなわち輻射熱が真空チャンバー１２内に広く拡散すると熱効率が悪くなる。これに対し、造形プレート２２の上方に輻射シールドカバー２８を配置した場合は、造形面３２ｂから放射される熱が輻射シールドカバー２８によってシールドされるとともに、シールドされた熱が輻射シールドカバー２８により反射されて造形プレート２２側に戻される。このため、電子ビーム１５の照射によって発生する熱を効率良く利用することができる。造形面３２ｂは、造形プレート２２上に金属粉末３２を敷き詰めて形成される粉末層３２ａの上面に相当する。

また、輻射シールドカバー２８は、金属粉末３２に電子ビーム１５を照射した際に発生する蒸発物質が真空チャンバー１２の内壁に付着（蒸着）することを抑制する機能を果たす。金属粉末３２に電子ビーム１５を照射すると、溶融した金属の一部が霧状の蒸発物質となって造形面３２ｂから立ち昇る。輻射シールドカバー２８は、この蒸発物質が真空チャンバー１２内に拡散しないよう、造形面３２ｂの上方空間を覆うように配置されている。

マスクカバー３０は、開口部３０ａおよびマスク部３０ｂを有する。マスクカバー３０は、造形物３８を形成するにあたって、金属粉末３２の上面、すなわち造形面３２ｂに被せて配置される。その際、開口部３０ａは、造形プレート２２上に敷き詰められる金属粉末３２を露出させ、マスク部３０ｂは、開口部３０ａよりも外側に位置する金属粉末３２を遮蔽する。開口部３０ａの形状は、造形プレート２２の形状にあわせて設定される。たとえば、造形プレート２２が平面視円形であれば、これにあわせて開口部３０ａの平面視形状は円形に設定され、造形プレート２２が平面視角形であれば、これにあわせて開口部３０ａの平面視形状は角形に設定される。本実施形態では、一例として、開口部３０ａの平面視形状が円形であるものとする。

マスクカバー３０は、輻射シールドカバー２８の下方に配置されている。マスクカバー３０の開口部３０ａおよびマスク部３０ｂは、Ｚ方向において、造形プレート２２と輻射シールドカバー２８との間に配置されている。マスクカバー３０は囲い部３０ｃを有する。囲い部３０ｃは、開口部３０ａの上方空間を囲うように配置される。囲い部３０ｃの一部（上部）は、Ｚ方向において輻射シールドカバー２８とオーバーラップしている。囲い部３０ｃは、造形面３２ｂから発生する輻射熱をシールドする機能と、造形面３２ｂから発生する蒸発物質の拡散を抑制する機能とを果たす。つまり、囲い部３０ｃは、輻射シールドカバー２８と同様の機能を果たす。

マスクカバー３０は、造形物３８の原料として使用する金属粉末３２よりも融点が高い金属で構成される。また、マスクカバー３０は、金属粉末３２との反応性が低い材料によって構成される。マスクカバー３０の構成材料としては、たとえばチタンを挙げることができる。また、マスクカバー３０は、使用する金属粉末３２と同じ材質の金属によって構成してもよい。マスクカバー３０は、電気的にＧＮＤに接地されている。マスクカバー３０は、後述する本焼結工程前の予備加熱工程において、電子ビーム１５の照射により金属粉末３２を仮焼結させる場合に、電気的なシールド機能を果たすことにより、粉末飛散の発生を小規模に抑える。

カメラ４２は、粉末層３２ａの造形面３２ｂを撮影可能なカメラである。カメラ４２は、ビーム照射装置１４と位置が干渉しないよう、ビーム照射装置１４とはＹ方向に位置をずらして配置されている。カメラ４２は、たとえばデジタルビデオカメラなどの可視光カメラによって構成することが好ましい。カメラ４２は、粉末層３２ａの造形面３２ｂを撮影して粉末層３２ａの画像（画像データ）を生成する。また、カメラ４２は、マスクカバー３０の開口部３０ａを通して造形面３２ｂを撮影する。このため、マスクカバー３０の開口部３０ａの平面視形状が円形である場合、カメラ４２が撮影する造形面３２ｂの画像は円形の画像になる。カメラ４２による撮影は、三次元積層造形装置１０が備える照明光源（図示せず）が発する照明光を粉末層３２ａの造形面３２ｂに当てた状態で行われる。

本実施形態においては、ビーム照射装置１４から粉末層３２ａに電子ビーム１５を照射する場合に、マスクカバー３０が粉末層３２ａの造形面３２ｂに被せて配置されるため、実質的に、造形面３２ｂとは、マスクカバー３０の開口部３０ａを通してカメラ４２から見える造形面３２ｂを意味する。ちなみに、マスクカバー３０を備えない三次元積層造形装置１０の場合は、電子ビーム１５の照射によって仮焼結される金属粉末３２の上面が造形面３２ｂに相当する。

シャッター４４は、電子ビーム１５の照射によって金属粉末３２を溶融させる際に造形面３２ｂから発生する蒸発物質がカメラ４２や観察窓に付着しないよう、カメラ４２や観察窓を保護するものである。カメラ４２による造形面３２ｂの撮影は、シャッター４４を開けた状態で行われる。また、蒸発物質が発生しやすい工程や、蒸発物質の発生量が多い工程は、シャッター４４を閉じた状態で行われる。

図２は、本発明の第１実施形態に係る三次元積層造形装置の制御系の構成例を示すブロック図である。
図２において、制御部５０は、たとえば図示しないＣＰＵ（中央演算処理装置）５０ａ、ＲＯＭ(Read Only Memory)５０ｂおよびＲＡＭ(Random Access Memory)５０ｃを備え、ＣＰＵ５０ａが、ＲＯＭ５０ｂに書き込まれたプログラムをＲＡＭ５０ｃに読み出して所定の制御処理を実行することにより、三次元積層造形装置１０の動作を統括的に制御する。制御部５０には、上述したビーム照射装置１４、粉末塗布装置１６、プレート移動装置２６およびカメラ４２の他に、マスクカバー昇降装置５２、シャッター駆動装置５４および画像処理部５６が接続されている。

プレート移動装置２６は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて造形プレート２２を移動させる。粉末塗布装置１６は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて造形プレート２２上に金属粉末３２を塗布する。粉末塗布装置１６が有するホッパー１６ａ、粉末投下器１６ｂおよびスキージ１６ｃの動作は、制御部５０によって制御される。マスクカバー昇降装置５２は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいてマスクカバー３０を昇降させる。シャッター駆動装置５４は、上述したシャッター４４を開閉する装置である。シャッター駆動装置５４は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいてシャッター４４を開閉する。たとえば、シャッター駆動装置５４は、制御部５０から与えられる制御指令に基づき、後述する本焼結工程においてシャッター４４を閉じ状態に保持することにより、カメラ４２の汚損を抑制する。

画像処理部５６は、カメラ４２が生成する画像を取り込むとともに、取り込んだ画像に所定の画像処理を施すものである。画像処理部５６は、粉末塗布装置１６が金属粉末３２を塗布する場合に、塗布不良の有無を判断する判断部５８を有する。判断部５８は、カメラ４２から取り込んだ画像を用いて、塗布不良が発生したか否かを判断する。画像処理部５６は、たとえば画像処理プロセッサによって構成される。画像処理部５６および判断部５８が行う具体的な処理内容については後述する。なお、画像処理部５６の機能は、制御部５０を構成するＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭによって実現してもよい。つまり、画像処理部５６を制御部５０と一体に構成することも可能である。

＜三次元積層造形装置の動作＞
図３は、本発明の第１実施形態に係る三次元積層造形装置の処理動作の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理動作は、制御部５０の制御下で行われる。

まず、造形を開始する前の状態では、造形プレート２２の上面を除いて、造形プレート２２の三方が金属粉末３２によって覆われた状態になる。また、造形プレート２２の上面は、造形テーブル１８上に敷き詰められた金属粉末３２の上面とほぼ同じ高さに配置される。一方、マスクカバー３０は、造形プレート２２の上面まで降ろされる。この場合、造形プレート２２の周囲に存在する金属粉末３２はマスクカバー３０のマスク部３０ｂによって覆われた状態になる。また、マスク部３０ｂは、金属粉末３２に接触した状態になる。以上述べた状態のもとで造形が開始される。

（プレート加熱工程）
まず、ビーム照射装置１４は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート２２を加熱する（ステップＳ１）。
ステップＳ１において、ビーム照射装置１４は、マスクカバー３０の開口部３０ａを通して造形プレート２２に電子ビーム１５を照射するとともに、造形プレート２２上で電子ビーム１５を走査する。これにより、造形プレート２２は、金属粉末３２が仮焼結する程度の温度に加熱される。

（プレート下降工程）
次に、プレート移動装置２６は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート２２を所定量だけ下降させる（ステップＳ２）。
ステップＳ２において、プレート移動装置２６は、造形テーブル１８上に敷き詰められた金属粉末３２の上面よりも造形プレート２２の上面が僅かに下がった状態となるように、インナーベース２４を所定量だけ下降させる。このとき、造形プレート２２は、インナーベース２４と共に所定量だけ下降する。ここで記載する所定量（以下、「ΔＺ」とも記す）は、造形物３８を積層によって造形するときの一層分の厚さに相当する。

（マスクカバー上昇工程）
次に、マスクカバー昇降装置５２は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、マスクカバー３０を上昇させる（ステップＳ３）。
ステップＳ３において、マスクカバー昇降装置５２は、次のステップＳ４でスキージ１６ｃがマスクカバー３０に接触しないよう、スキージ１６ｃよりも高い位置までマスクカバー３０を上昇させる。

（粉末塗布工程）
次に、粉末塗布装置１６は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート２２上に金属粉末３２を塗布して粉末層３２ａを形成する（ステップＳ４）。
ステップＳ４において、粉末塗布装置１６は、ホッパー１６ａから粉末投下器１６ｂに供給された金属粉末３２を、粉末投下器１６ｂによって造形テーブル１８上に投下した後、スキージ１６ｃをＸ方向に移動させることにより、造形プレート２２上に金属粉末３２を敷き詰める。このとき、金属粉末３２は、ΔＺ相当の厚さで造形プレート２２上に敷き詰められる。これにより、造形プレート２２上に粉末層３２ａが形成される。また、余分な金属粉末３２は、回収ボックス２１に回収される。

（マスクカバー下降工程）
次に、マスクカバー昇降装置５２は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、マスクカバー３０を下降させる（ステップＳ５）。
ステップＳ５において、マスクカバー昇降装置５２は、金属粉末３２の造形面３２ｂに接触するようにマスクカバー３０を降ろす。これにより、造形プレート２２上の金属粉末３２は、マスクカバー３０の開口部３０ａを通して外部に露出した状態となる。また、造形プレート２２の周囲に存在する金属粉末３２は、マスクカバー３０のマスク部３０ｂによって覆われた状態になる。

（予備加熱工程）
次に、ビーム照射装置１４は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート２２上の粉末層３２ａを予備加熱する（ステップＳ６）。この予備加熱工程Ｓ６においては、金属粉末３２を仮焼結させるために粉末層３２ａを予備加熱する。金属粉末３２を仮焼結させると、金属粉末３２に導電性を持たせることができる。このため、予備加熱工程の後に行われる本焼結工程での粉末飛散を抑制することができる。本焼結工程の前に行われる予備加熱は、パウダーヒートとも呼ばれる。
ステップＳ６において、ビーム照射装置１４は、造形プレート２２上の金属粉末３２に電子ビーム１５を照射する。このとき、金属粉末３２の上にマスクカバー３０を被せて電子ビーム１５を照射することにより、予備加熱工程Ｓ６における粉末飛散の発生が、マスクカバー３０の電気的なシールド効果によって抑制される。また、ビーム照射装置１４は、造形物３８を形成するための領域（以下、「造形領域」ともいう。）よりも広範囲に電子ビーム１５を走査する。これにより、造形領域に存在する金属粉末３２と、造形領域の周囲に存在する金属粉末３２とが、共に仮焼結される。
なお、図１において、符号Ｅ１は、未焼結の金属粉末３２が存在する未焼結領域を示し、符号Ｅ２は、仮焼結された金属粉末３２が存在する仮焼結領域を示している。

（本焼結工程）
次に、ビーム照射装置１４は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、金属粉末３２を溶融および凝固によって本焼結させる（ステップＳ７）。
ステップＳ７においては、上述のように仮焼結させた金属粉末３２を電子ビーム１５の照射によって溶融および凝固させることにより、仮焼結体としての金属粉末３２を本焼結させる。ステップＳ７において、ビーム照射装置１４は、目的とする造形物３８の三次元ＣＡＤデータを一定の厚み（ΔＺに相当する厚み）にスライスした二次元データに基づいて造形領域を特定し、この造形領域を対象に電子ビーム１５を走査することにより、造形プレート２２上の金属粉末３２を選択的に溶融する。電子ビーム１５の照射によって溶融した金属粉末３２は、電子ビーム１５が通過した後に凝固する。これにより、１層目の造形物が形成される。

（プレート下降工程）
次に、プレート移動装置２６は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート２２を所定量（ΔＺ）だけ下降させる（ステップＳ８）。
ステップＳ８において、プレート移動装置２６は、造形プレート２２およびインナーベース２４をΔＺだけ下降させる。

（第１予備加熱工程）
続いて、ビーム照射装置１４は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート２２上の粉末層３２ａを予備加熱する（ステップＳ９）。この第１予備加熱工程Ｓ９においては、次の層の金属粉末３２を敷き詰めるための準備として、その前の層で本焼結工程を終えた粉末層３２ａを予備加熱する。本焼結工程の後に行われる予備加熱は、アフターヒートとも呼ばれる。
ステップＳ９において、ビーム照射装置１４は、マスクカバー３０の開口部３０ａを通して粉末層３２ａに電子ビーム１５を照射するとともに、粉末層３２ａ上で電子ビーム１５を走査する。これにより、開口部３０ａに露出している粉末層３２ａは、金属粉末３２が仮焼結する程度の温度に加熱される。

（マスク上昇工程）
次に、マスクカバー昇降装置５２は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、マスクカバー３０を上昇させる（ステップＳ１０）。
ステップＳ１０において、マスクカバー昇降装置５２は、次のステップＳ１１でスキージ１６ｃがマスクカバー３０に接触しないよう、スキージ１６ｃよりも高い位置までマスクカバー３０を上昇させる。

（粉末塗布工程）
次に、粉末塗布装置１６は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート２２上に金属粉末３２を塗布して粉末層３２ａを形成する（ステップＳ１１）。
ステップＳ１１において、粉末塗布装置１６は、上記ステップＳ４と同様に動作する。これにより、造形プレート２２上では、１層目の金属粉末３２によって形成された焼結体の上に、２層目の金属粉末３２が敷き詰められる。

（マスクカバー下降工程）
次に、マスクカバー昇降装置５２は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、マスクカバー３０を下降させる（ステップＳ１２）。
ステップＳ１２において、マスクカバー昇降装置５２は、上記ステップＳ５と同様に動作する。

（第２予備加熱工程）
次に、ビーム照射装置１４は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、２層目の粉末層３２ａを形成している金属粉末３２を予備加熱する（ステップＳ１３）。この第２予備加熱工程Ｓ１３においては、この後に行われる本焼結工程での粉末飛散を抑制するために粉末層３２ａを予備加熱する。
ステップＳ１３において、ビーム照射装置１４は、上記ステップＳ６と同様に動作する。これにより、２層目の粉末層３２ａを形成している金属粉末３２が仮焼結される。

（本焼結工程）
次に、ビーム照射装置１４は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、２層目の粉末層３２ａを形成している金属粉末３２を溶融および凝固によって本焼結させる（ステップＳ１４）。
ステップＳ１４において、ビーム照射装置１４は、上記ステップＳ７と同様に動作する。これにより、２層目の造形物が形成される。

次に、制御部５０は、目的とする造形物３８の造形が完了したか否かを確認する（ステップＳ１５）。そして、制御部５０は、造形物３８の造形が完了していないと判断すると、上記ステップＳ８に戻る。これにより、制御部５０は、３層目以降の各層についても、上記ステップＳ８～Ｓ１４の工程を繰り返す。そして、造形物３８の造形が完了したと判断すると、その時点で一連の処理を終える。

図４は、本発明の第１実施形態に係る粉末塗布工程の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、制御部５０の制御下で行われるとともに、図３のステップＳ１１に適用される。

まず、図１に示す配置状態のもとで、粉末投下器１６ｂは、制御部５０からの制御指令に従って、造形テーブル１８の上に金属粉末３２を投下する（ステップＳ１０１）。このとき、粉末投下器１６ｂが投下する金属粉末３２の量は、ΔＺの厚さで粉末層３２ａを形成するのに必要な塗布量に相当する。

次に、画像処理部５６は、制御部５０からの制御指令に従って、カメラ４２からの画像の取り込みを開始する（ステップＳ１０２）。カメラ４２は、制御部５０の制御下でカメラ電源が投入された後、粉末層３２ａの造形面３２ｂを継続的に撮影する。カメラ４２が撮影する画像は、静止画でも動画でもよい。静止画の場合は、所定のフレームレートでカメラ４２の画像が画像処理部５６に取り込まれるものとする。

次に、スキージ１６ｃは、制御部５０からの制御指令に従って、図１に示す造形テーブル１８上を左端から右端に向かって移動を開始する（ステップＳ１０３）。このとき、スキージ１６ｃは、金属粉末３２をブレード１６ｄで押し込みながら移動する。スキージ１６ｃが移動する様子は、カメラ４２が撮影する画像に映し出される。本実施形態において、カメラ４２は、マスクカバー３０の開口部３０ａを通して粉末層３２ａの造形面３２ｂを撮影する。このため、カメラ４２が撮影する画像には、マスクカバー３０の開口部３０ａを横切るように造形面３２ｂを通過するスキージ１６ｃの様子が映し出される。また、画像処理部５６には、スキージ１６ｃが造形面３２ｂを通過している最中にカメラ４２が撮影した画像が取り込まれる。

次に、判断部５８は、スキージ１６ｃが造形面３２ｂを通過中に所定のフレームレートで得られるカメラ４２の撮影画像を用いて、ΔＡを画素毎に算出する（ステップＳ１０４）。ΔＡは、造形面３２ｂの状態を時系列に表すフレーム画像において、スキージ１６ｃが通過した直後の画像の予測特徴量と、スキージ１６ｃが通過した直後の画像の特徴量（実測特徴量）との差である。画像の特徴量は、粉末塗布工程前の予備加熱工程で加熱された造形面３２ｂの温度変化に応じて数値が変化するものであればよい。好ましい一例を挙げると、画像の特徴量は、画像の輝度および彩度のうち少なくとも一方である。本実施形態においては、画像の特徴量が画像の輝度である場合を例に挙げて説明する。その場合、上述した画像の予測特徴量は、画像の予測輝度と置き換えられ、画像の特徴量は、画像の輝度（実測輝度）と置き換えられる。

画像の予測輝度は、スキージ１６ｃが通過する前の画像の輝度の経時変化から予測される輝度である。スキージ１６ｃが通過した直後とは、金属粉末３２の塗布不良が発生した場合と発生しなかった場合とを判別できる程度に、画像の特徴量（輝度または彩度）に差が生じている時間の範囲をいう。予測特徴量と実測特徴量との差を確認するタイミングを、スキージ１６ｃが通過した直後に限定する理由は、次の通りである。

まず、スキージ１６ｃの通過により金属粉末３２が正常に塗布された場合は、造形面３２ｂの画像の輝度が一旦下がった後、時間の経過によって徐々に上昇し、その後で減少傾向に転じる。これに対して、金属粉末３２が正常に塗布されなかった場合は、造形面３２ｂの画像の輝度が一様に緩やかに低下する。そして、スキージ１６ｃが通過した直後よりも長い時間が経過してしまうと、金属粉末３２の塗布不良が発生した場合と発生しなかった場合で画像の輝度にほとんど違いが生じなくなる。つまり、スキージ１６ｃが通過してから一定以上の時間が経過すると、金属粉末３２の塗布不良が発生した場合と発生しなかった場合とを判別することが困難になる。このため、予測特徴量と実測特徴量との差を確認するタイミングを、スキージ１６ｃが通過した直後に限定している。

判断部５８は、スキージ１６ｃが通過する前の画像の輝度の経時変化を基に、該輝度の経時変化を示す近似式を求めるとともに、求めた近似式に従って、スキージ１６ｃが通過した直後の予測輝度を決定する。以下、予測輝度の決定方法について詳しく説明する。

図５は、画像の実測輝度と近似式との関係を説明する図であって、図５の縦軸は画像の輝度、横軸は時間を示している。
画像の実測輝度７０は、カメラ４２によって造形面３２ｂを撮影して得られる画像が、図６Ａ～Ｃに示すような画像７４であるとすると、この画像７４を構成する複数の画素のうち、任意の画素７４ａにおける輝度の変化を示している。画像の実測輝度７０は、時間軸上で３つの期間に大別される。具体的には、実測輝度７０は、図６Ａに示すようにスキージ１６ｃが画素７４ａを通過する前に得られる実測輝度７０ａと、図６Ｂに示すようにスキージ１６ｃが画素７４ａを通過中に得られる実測輝度７０ｂと、図６Ｃに示すようにスキージ１６ｃが画素７４ａを通過した後に得られる実測輝度７０ｃとに大別される。

実測輝度７０ａが徐々に低下している理由は、粉末塗布工程前の予備加熱工程で加熱されて赤熱した造形面３２ｂの温度が時間の経過によって徐々に低下し、それにつれて造形面３２ｂの色合いが徐々に暗くなるからである。実測輝度７０ｂが急激に低下している理由は、カメラ４２から見て造形面３２ｂの手前にスキージ１６ｃが存在し、スキージ１６ｃが造形面３２ｂよりも暗く映し出されるからである。実測輝度７０ｃが徐々に上昇している理由は、スキージ１６ｃの通過によって造形面３２ｂを覆った新規の金属粉末３２が、造形面３２ｂから伝えられる熱で徐々に昇温し、赤みを増していくからである。

判断部５８は、スキージ１６ｃが通過する前に得られる実測輝度７０ａの経時変化を示す近似式を求める。近似式７２は、たとえば最小二乗法によって求めることができる。この場合、近似式７２は、図５に示す実測輝度７０ａの変化の傾きを示す直線、または、この直線に近い線で表すことができる。また、近似式７２は、スキージ１６ｃの通過中および通過後においては、造形面３２ｂ上に新たな金属粉末３２が塗布されなかった場合に予測される輝度の変化を示している。

次に、判断部５８は、先ほど求めた近似式７２に従って予測輝度Ｌｖ１を決定する。予測輝度Ｌｖ１は、スキージ１６ｃが通過した直後の時間（タイミング）をｔとすると、この時間ｔを近似式７２に入力して演算することにより得られる。
以上の方法により、スキージ１６ｃが通過した直後の予測輝度を決定することができる。

次に、判断部５８は、スキージ１６ｃが通過した直後の時間ｔで得られる実測輝度Ｌｖ２を取得する。
次に、判断部５８は、上述した予測輝度Ｌｖ１と実測輝度Ｌｖ２との差をΔＡとして算出する。すなわち、判断部５８は、ΔＡ＝Ｌｖ１－Ｌｖ２の計算式により、輝度差ΔＡを求める。輝度差ΔＡの値は、スキージ１６ｃの通過によって造形面３２ｂに金属粉末３２が正常に塗布された場合は大きな値となり、正常に塗布されなかった場合は小さな値になる。金属粉末３２が正常に塗布された場合とは、造形面３２ｂの上に新たな金属粉末３２がΔＺ相当の厚みで塗布された場合をいう。これに対し、金属粉末３２が正常に塗布されなかった場合とは、造形面３２ｂの上に新たな金属粉末３２がまったく塗布されていないか、塗布されていても塗布厚がΔＺに比べて不足している場合をいう。

上述した輝度差ΔＡは、スキージ１６ｃの移動中にカメラ４２が撮影した造形面３２ｂの画像を構成する画素ごとに算出される。このため、造形面３２ｂの画像が合計Ｍ個の画素によって構成される場合、判断部５８は、合計Ｍ個の輝度差ΔＡを算出する。

次に、画像処理部５６は、スキージ１６ｃが造形面３２ｂを完全に通過したか否かを判断する（ステップＳ１０５）。スキージ１６ｃが造形面３２ｂを完全に通過すると、スキージ１６ｃがマスクカバー３０のマスク部３０ｂに隠れて見えなくなる。このため、画像処理部５６は、カメラ４２から取り込まれる画像にスキージ１６ｃが映らなくなった時点で、スキージ１６ｃが造形面３２ｂを完全に通過したと判断する。そして、ステップＳ１０５でＮＯと判断した場合は、上記ステップＳ１０４に戻る。これにより、スキージ１６ｃが造形面３２ｂを完全に通過するまで輝度差ΔＡの算出が継続される。このため、造形面３２ｂの画像を構成するすべての画素について、輝度差ΔＡの値が得られる。

一方、ステップＳ１０５でＹＥＳと判断した場合はステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６において、画像処理部５６は、カメラ４２からの画像の取り込みを終了する。

その後、スキージ１６ｃが移動終点まで移動したことを、たとえば図示しない終点検出センサによって検出すると、この検出結果に基づく制御部５０からの制御指令に従って、スキージ１６ｃの移動が終了する（ステップＳ１０７）。スキージ１６ｃの移動終点は、図１に示す造形テーブル１８の右端に設定されている。また、図４のフローチャートには記載していないが、スキージ１６ｃは移動終点まで移動した後、粉末層３２ａの上面を均しながら移動始点まで戻る。つまり、スキージ１６ｃは、造形テーブル１８上を往復移動する。

次に、判断部５８は、上述のように算出した輝度差ΔＡと予め設定された第１閾値ＳＨ１との大小関係を画素毎に比較し、この比較結果に基づいて、ΔＡ≦ＳＨ１の条件を満たす画素の総数Ｂを算出する（ステップＳ１０８）。第１閾値ＳＨ１は、判断部５８において、金属粉末３２が正常に塗布された画素と正常に塗布されなかった画素とを判別するために設定される閾値である。そして、ΔＡ≦ＳＨ１の条件を満たす画素は、金属粉末３２が正常に塗布されなかったと判定される画素、つまり金属粉末３２の塗布不良が疑われる画素（以下、「異常画素」ともいう。）である。また、ΔＡ＞ＳＨ１の条件を満たす画素は、金属粉末３２が正常に塗布されたと判定される画素（以下、「正常画素」ともいう。）である。

次に、判断部５８は、上述のように算出した異常画素の総数Ｂと予め設定された第２閾値ＳＨ２との大小関係を比較する（ステップＳ１０９）。第２閾値ＳＨ２は、スキージ１６ｃの移動によって造形プレート２２上に新規に塗布された金属粉末３２（粉末層３２ａ）に、造形物の欠陥につながるおそれのあるレベルの塗布不良が発生したか否かを判別するために設定される閾値である。塗布不良に起因する造形物の欠陥としては、許容値を超える寸法精度の狂いなどが考えられる。第２閾値ＳＨ２は、カメラ４２によって撮影される造形面３２ｂの画像が合計Ｍ個の画素によって構成される場合に、Ｍよりも充分に小さい値に設定される。第２閾値ＳＨ２は、造形物に許容される欠陥のレベルに応じて任意に設定または変更することが可能である。

ステップＳ１０９において、異常画素の総数Ｂが第２閾値ＳＨ２を超える場合は、判断部５８は、金属粉末３２の塗布不良が発生したと判断（ステップＳ１０９でＹＥＳと判断）する。また、ステップＳ１０９において、異常画素の総数Ｂが第２閾値ＳＨ２以下である場合は、判断部５８は、金属粉末３２の塗布不良が発生しなかったと判断（ステップＳ１０９でＮＯと判断）する。

ステップＳ１０９でＹＥＳと判断した場合は、上記図３のステップＳ９に移行する。この場合、制御部５０は、今回の層の造形について第１予備加熱工程Ｓ９および粉末塗布工程Ｓ１１をやり直す。また、ステップＳ１０９でＮＯと判断した場合は、上記図３のステップＳ１２に進む。この場合、制御部５０は、今回の層の造形について第１予備加熱工程Ｓ９および粉末塗布工程Ｓ１１をやり直すことなく、第２予備加熱工程Ｓ１３および本焼結工程Ｓ１４を行う。

なお、図４に示すフローチャートは、図３のステップＳ１１だけでなくステップＳ４にも適用することが可能である。また、粉末塗布工程をやり直す場合、制御部５０は、粉末塗布装置１６による金属粉末３２の塗布量（換言すると、粉末投下器１６ｂによる金属粉末３２の投下量）を、やり直し前よりも増やすように、粉末塗布装置１６を制御してもよい。これにより、やり直し後の粉末塗布工程において、金属粉末３２の塗布量の不足に起因する塗布不良の発生を抑制することができる。

以上説明したように、本発明の第１実施形態に係る三次元積層造形装置１０は、スキージ１６ｃが造形面３２ｂを移動中にカメラ４２によって撮影された画像を用いて、金属粉末３２の塗布不良が発生したか否かを判断する判断部５８を備えている。これにより、金属粉末３２の塗布不良の発生を自動的に検出することができる。また、粉末塗布工程で塗布不良が発生したと判断部５８が判断した場合は、塗布不良が発生しなかった場合と異なる態様で三次元積層造形装置１０を動作させることにより、塗布不良が発生した後の造形作業を好適に継続することができる。その結果、塗布不良によって造形物の寸法精度が低下することが抑制することができる。

また、本発明の第１実施形態において、判断部５８は、スキージ１６ｃが造形面３２ｂを通過中にカメラ４２によって撮影された画像を用いて、スキージ１６ｃが通過する前の画像の輝度の経時変化から予測される、スキージ１６ｃが通過した直後の予測輝度Ｌｖ１と、スキージ１６ｃが通過した直後の実測輝度Ｌｖ２との差（ΔＡ）を求めるとともに、求めた差に基づいて、金属粉末３２の塗布不良が発生したか否かを判断する。これにより、粉末塗布工程におけるスキージ１６ｃの移動と並行して、塗布不良の発生有無を判断するためのデータ（ΔＡ）をリアルタイムに取得することができる。このため、塗布不良の発生を早期に検出することが可能となる。

また、本発明の第１実施形態において、制御部５０は、塗布不良が発生したと判断部５８が判断した場合に、今回の層の造形について第２予備加熱工程および本焼結工程を行う前に、第１予備加熱工程および粉末塗布工程をやり直す。これにより、最初の粉末塗布工程で金属粉末３２の塗布不良が発生した場合でも、その後に、第１予備加熱工程および粉末塗布工程をやり直すことで、粉末層３２ａの積層状態を良好な状態に回復させることができる。したがって、造形物に寸法精度の狂いなどの欠陥が生じることを抑制することができる。

また、本発明の第１実施形態によれば、真空チャンバー１２内の汚染または破損を抑制することができる。その理由は下記の通りである。
粉末塗布工程で塗布不良が発生したことに伴って粉末層３２ａの厚さが部分的または全体的にΔＺよりも薄くなった場合に、そのまま何も対策をとらずに通常どおり造形作業を継続すると、次の層について粉末塗布工程を行ったときに、粉末層３２ａの厚さが部分的または全体的にΔＺよりも厚くなることがある。そうした場合、第１予備加熱工程（アフターヒート工程）で前層の粉末層３２ａに蓄えた熱量が、次の層を形成する粉末層３２ａ全体に行き渡らず、仮焼結が十分に促進されないおそれがある。その結果、第２予備加熱工程（パウダーヒート工程）では、金属粉末３２の粉末粒子が高い電気抵抗をもったまま電子ビーム１５が金属粉末３２に照射されるため、粉末の電荷の中和が促進されず、電荷同士の反発によって粉末が飛散する現象、すなわちスモークが発生する可能性が高くなる。スモークが発生すると、真空チャンバー１２内に飛び散った粉末粒子が広範囲に散乱し、真空チャンバー１２の内部を汚染したり、真空チャンバー１２内に配置された部品を破損したりするおそれがある。
これに対し、本発明の第１実施形態においては、仮に塗布不良の発生によって粉末層３２ａの厚さが部分的または全体的に薄くなった場合でも、第１予備加熱工程および粉末塗布工程のやり直しにより、粉末層３２ａの厚さが全体的に均一（ΔＺ）になるように金属粉末３２を敷き詰めることができる。このため、仮焼結を十分に促進し、第２予備加熱工程におけるスモークの発生を抑制することができる。したがって、真空チャンバー１２内の汚染または破損を抑制することができる。

なお、上記第１実施形態においては、異常画素の総数Ｂを算出し、算出した総数Ｂが第２閾値ＳＨ２を超える場合に、金属粉末３２の塗布不良が発生したと判断しているが、本発明はこれに限らず、異常の総数Ｂに代えて異常画素の総面積を算出してもよい。そして、算出した異常画素の総面積が第２閾値を超える場合に、金属粉末３２の塗布不良が発生したと判断してもよい。

＜第２実施形態＞
図７は、本発明の第２実施形態に係る粉末塗布工程の処理手順を示すフローチャートである。
図７に示すように、本発明の第２実施形態においては、上述した第１実施形態（図４参照）の処理手順と比較して、ステップＳ１０１からステップＳ１０９までの処理の流れは同じであるが、ステップＳ１０９でＹＥＳと判断した後の処理の流れが異なる。

具体的には、ステップＳ１０９でＹＥＳと判断すると、ステップＳ１１０に移行する。
ステップＳ１１０において、制御部５０は、ステップＳ１０９で塗布不良が発生したと判断部５８が２回以上連続で判断したか否かを確認する。そして、制御部５０は、ステップＳ１１０でＹＥＳと判断した場合は、上記図３のステップＳ９に移行する。この場合、制御部５０は、今回の層の造形について第１予備加熱工程Ｓ９および粉末塗布工程Ｓ１１をやり直す。

これに対し、制御部５０は、ステップＳ１１０でＮＯと判断した場合、つまり塗布不良が発生したと判断部５８が判断した回数が１回（初回）である場合は、ステップＳ１１１に進む。

次に、ステップＳ１１１において、制御部５０は、次の層の造形に適用される条件を予約した後、上記図３のステップＳ１２に戻る。次の層の造形に適用される条件は、粉末飛散が無しの場合に適用される条件（以下、「通常条件」ともいう。）とは異なる内容で予約される。具体的には、制御部５０は、第１予備加熱工程Ｓ９の実行時間を延長する予約、粉末塗布工程Ｓ１１における粉末材料の塗布量を増やす予約、および、本焼結工程Ｓ１４で粉末層３２ａに加えられるエネルギーを増強する予約を行う。第１予備加熱工程Ｓ９の実行時間とは、第１予備加熱工程Ｓ９において電子ビーム１５の照射（走査）を開始してから終了するまでの時間である。第１予備加熱工程Ｓ９の実行時間を延長すると、通常条件を適用する場合に比べて電子ビーム１５の照射時間が長くなり、その分だけ粉末層３２ａの温度が高くなる。このため、第１予備加熱工程Ｓ９の実行時間を延長する予約に代えて、第１予備加熱工程Ｓ９の加熱目標温度を通常条件よりも高くする予約を行ってもよい。粉末材料の塗布量は、粉末塗布工程Ｓ１１で粉末投下器１６ｂから投下される金属粉末３２の投下量によって規定される。このため、制御部５０は、粉末投下器１６ｂによる金属粉末３２の投下量を通常条件よりも増やす予約を行う。

本焼結工程Ｓ１４で粉末層３２ａに加えられるエネルギーを増強する方法としては、たとえば下記（ａ）、（ｂ）および（ｃ）の方法が考えられる。
（ａ）本焼結工程Ｓ１４で粉末層３２ａに照射する電子ビーム１５のビーム電流を通常条件よりも大きくする。
（ｂ）本焼結工程Ｓ１４で粉末層３２ａに照射する電子ビーム１５の走査速度を通常条件よりも低下させる。
（ｃ）上記の（ａ）および（ｂ）を同時に実施する。

なお、ステップＳ１１１において、制御部５０は、第１予備加熱工程Ｓ９の実行時間を延長する予約、第１予備加熱工程Ｓ９の加熱目標温度を高くする予約、粉末塗布工程Ｓ１１における粉末材料の塗布量を増やす予約、および、本焼結工程Ｓ１４で粉末層３２ａに加えられるエネルギーを増強する予約のうち、すべての予約を行ってもよいし、いずれか３つ、いずれか２つ、または、いずれか１つの予約を行ってもよい。また、ステップＳ１１１で予約した条件は、次の層だけでなく、次の層を含む２以上の層に連続して適用してもよい。

このように、ステップＳ１１１で次の層の造形に適用される条件を予約してからステップＳ１２に戻る場合、制御部５０は、今回の層の造形について第１予備加熱工程Ｓ９および粉末塗布工程Ｓ１１をやり直すことなく、第２予備加熱工程Ｓ１３および本焼結工程Ｓ１４を行う。そして、制御部５０は、次の層についてステップＳ８～Ｓ１４の処理を行う場合に、第１予備加熱工程Ｓ９では、上記ステップＳ１１１で予約した実行時間、および／または、加熱目標温度を適用し、粉末塗布工程Ｓ１１では、上記ステップＳ１１１で予約した粉末材料（金属粉末３２）の塗布量を適用し、本焼結工程Ｓ１０９では、上記ステップＳ１１１で予約したエネルギー量を適用する。

なお、図示はしないが、同じ層を対象にステップＳ１０９でＹＥＳと判断された回数が、既定の回数Ｎ（Ｎは２よりも大きい整数）に達した場合は、たとえばホッパー１６ａの粉末残量が空になったなど、粉末塗布工程をやり直しても回復不可能な異常が三次元積層造形装置１０に発生した可能性がある。その場合は装置保全のために三次元積層造形装置１０の動作を停止させることが好ましい。この点は、上述した第１実施形態についても同様である。

このように、本発明の第２実施形態において、制御部５０は、粉末材料の塗布不良が発生したと判断部５８が判断した場合に、次の層の造形に適用される条件を、粉末材料の塗布不良が発生しなかった場合に適用される条件とは異なる内容で予約したうえで、今回の層の造形について第２予備加熱工程１３および本焼結工程Ｓ１４を行う。そして、制御部５０は、次の層の造形については上記予約した条件に従って、プレート下降工程Ｓ８、第１予備加熱工程Ｓ９、粉末塗布工程Ｓ１１、第２予備加熱工程Ｓ１３および本焼結工程Ｓ１４を行う。
これにより、上述した第１実施形態に比べて、造形スループットの向上を図ることができる。その理由は下記の通りである。

まず、上述した第１実施形態においては、粉末材料の塗布不良が発生したと判断部５８が判断した場合に、今回の層の造形について第１予備加熱工程Ｓ９および粉末塗布工程Ｓ１１をやり直すようにしている。このような工程のやり直しは、粉末層３２ａの積層状態を回復させて欠陥の発生を抑制する効果が得られる反面、造形スループットの低下につながる。これに対し、本第２実施形態においては、粉末材料の塗布不良が発生したと判断部５８が判断した場合に、次の層の造形に適用される条件を予約したうえで、今回の層の造形について第２予備加熱工程Ｓ１３および本焼結工程Ｓ１４を行う。このため、工程のやり直しにともなう造形スループットの低下を抑えることができる。

また、次の層の造形を、予約した条件に従って行うことにより、塗布不良にともなう粉末層３２ａの厚みの変化に適切に対応することができる。詳述すると、今回の層の造形について粉末塗布工程Ｓ１１で塗布不良が発生すると、粉末層３２ａの厚さが部分的または全体的に薄くなる。このため、次の層の造形について粉末塗布工程を行うと、前層の薄さを補うように金属粉末３２が厚く塗布される。たとえば、図８Ａに示すように今回の層の造形について粉末層３２ａ－１の厚みが部分的にΔＺよりも薄くなった場合、その粉末層３２ａの上に次の層の粉末層３２ａ－２を形成すると、図８Ｂに示すように造形面３２ｂ－２の厚みが部分的にΔＺよりも厚くなる。そうした場合、通常条件と同じ内容で造形すると、第１予備加熱工程Ｓ９で加熱不足が発生したり、粉末塗布工程Ｓ１４で塗布量不足が発生したり、本焼結工程Ｓ１４でエネルギー不足が発生したりする。本第２実施形態においては、次の層の造形に適用される条件の予約として、第１予備加熱工程Ｓ９の実行時間を延長する予約、粉末塗布工程Ｓ１１における粉末材料の塗布量を増やす予約、および、本焼結工程Ｓ１４で粉末層３２ａに加えられるエネルギーを増強する予約を行う。このため、第１予備加熱工程Ｓ９での加熱不足や粉末塗布工程Ｓ１１での塗布不足、さらには本焼結工程Ｓ１４でのエネルギー不足を回避することができる。したがって、塗布不良にともなう粉末層３２ａの厚みの変化に適切に対応することができる。また、工程のやり直しを行わなくても、造形物の積層を良好な状態に回復させることができる。

＜第３実施形態＞
図９は、本発明の第３実施形態に係る粉末塗布工程の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、制御部５０の制御下で行われるとともに、図３のステップＳ１１、および／または、ステップＳ４に適用される。

まず、図１に示す配置状態のもとで、粉末投下器１６ｂは、制御部５０からの制御指令に従って、造形テーブル１８の上に金属粉末３２を投下する（ステップＳ２０１）。ステップＳ２０１は、上述したステップＳ１０１と同様に行われる。

次に、スキージ１６ｃは、制御部５０からの制御指令に従って、図１に示す造形テーブル１８上を左端から右端に向かって移動を開始する（ステップＳ２０２）。ステップＳ２０２は、上述したステップＳ１０３と同様に行われる。

次に、画像処理部５６は、スキージ１６ｃが造形面３２ｂを完全に通過したか否かを判断する（ステップＳ２０３）。ステップＳ２０３は、上述したステップＳ１０５と同様に行われる。そして、ステップＳ２０３でＮＯと判断した場合は、スキージ１６ｃが造形面３２ｂを完全に通過するまで待ち、ステップＳ２０３でＹＥＳと判断した場合はステップＳ２０４に進む。ステップＳ２０４において、画像処理部５６は、カメラ４２からの画像を取り込む。これにより、スキージ１６ｃが造形面３２ｂを通過した直後の粉末層３２ａの状態を示す画像が得られる。スキージ１６ｃが造形面３２ｂを通過した直後のカメラ画像を用いる理由については後述する。

その後、スキージ１６ｃが移動終点まで移動したことを、たとえば図示しない終点検出センサによって検出すると、この検出結果に基づく制御部５０からの制御指令に従って、スキージ１６ｃの移動が終了する（ステップＳ２０５）。ステップＳ２０５は、上述したステップＳ１０７と同様に行われる。また、スキージ１６ｃは移動終点まで移動した後、粉末層３２ａの上面を均しながら移動始点まで戻る。

次に、判断部５８は、上記ステップＳ２０４で画像処理部５６が取り込んだ画像を用いて、金属粉末３２の塗布不良が発生したか否かを以下の処理によって判断する。
まず、判断部５８は、画像処理部５６が取り込んだ画像を二値化する（ステップＳ２０６）。画像の二値化は、金属粉末３２の塗布不良が発生したか否かを判断部５８が判断するための前処理として行われる。以下、詳しく説明する。

予備加熱を終えた粉末層３２ａの上に、次の層の金属粉末３２を敷き詰めると、造形面３２ｂの温度が下がる。このため、カメラ４２によって撮影される造形面３２ｂの画像は、次の層の金属粉末３２を敷き詰める前に比べて少し暗くなる。ただし、次の層の金属粉末３２が正常に塗布されず、粉末層３２ａの厚みが部分的にΔＺよりも薄くなった場合は、その部分の画像が、正常に塗布された場合に比べて明るくなる。このため、スキージ１６ｃによって金属粉末３２の塗布を終えた後の造形面３２ｂの画像をカメラ４２から取り込んで二値化することにより、その画像の輝度分布を白黒画像によって把握することができる。白黒画像は、白領域と黒領域の組み合わせからなる画像である。また、粉末層３２ａの造形面３２ｂの画像において、金属粉末３２が正常に塗布された部分は暗い画像となり、正常に塗布されなかった部分は明るい画像となって映し出される。

そこで、判断部５８は、二値化後の白黒画像から把握される画像の輝度分布に基づいて、金属粉末３２の塗布不良が発生したか否かを判断する。具体的には、ステップＳ２０７において、判断部５８は、二値化後の白黒画像に占める白領域の割合が所定値を超える場合は、塗布不良が発生したと判断（ステップＳ２０７でＹＥＳと判断）し、それ以外の場合（ステップＳ２０７でＮＯと判断した場合）は、塗布不良が発生しなかったと判断する。そして、ステップＳ２０７でＹＥＳと判断した場合は、上記図３のステップＳ９に移行し、ステップＳ２０７でＮＯと判断した場合は、上記図３のステップＳ１２に進む。

ここで、スキージ１６ｃが造形面３２ｂを通過した直後のカメラ画像を用いる理由について説明する。
まず、スキージ１６ｃが金属粉末３２を敷き詰めながら造形面３２ｂを通過すると、金属粉末３２が正常に塗布された部分は、下地となる下層（前層）の造形面３２ｂが新たに塗布された金属粉末３２に覆われるため、造形面３２ｂの画像の輝度が低下する。ただし、その後の時間経過により、造形面３２ｂの画像の輝度は徐々に上昇する。なぜなら、新たに塗布された金属粉末３２が下地の造形面３２ｂから伝えられる熱によって昇温し、造形面３２ｂの画像が次第に明るくなるからである。造形面３２ｂの画像が時間の経過により一定以上に明るくなると、金属粉末３２が正常に塗布された場合と正常に塗布されなかった場合で、輝度分布に明瞭な差が現れなくなる。一方、スキージ１６ｃが造形面３２ｂを通過した直後のカメラ画像には、金属粉末３２が正常に塗布された場合と正常に塗布されなかった場合で、輝度分布に明瞭な差が現れる。このため、塗布不良の有無を的確に判断するには、スキージ１６ｃが造形面３２ｂを通過した直後のカメラ画像を用いる必要がある。スキージ１６ｃが造形面３２ｂを通過した直後とは、金属粉末３２の塗布不良が発生した場合と発生しなかった場合とを判別できる程度に、画像の輝度分布に差が生じている時間の範囲をいう。

以上説明したように、本発明の第３実施形態に係る三次元積層造形装置１０は、スキージ１６ｃがスキージ１６ｃを通過した直後にカメラ４２によって撮影された画像を用いて、金属粉末３２の塗布不良が発生したか否かを判断する判断部５８を備えている。これにより、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、本発明の第３実施形態において、判断部５８が塗布不良の発生を検出した場合（ステップＳ２０７でＹＥＳと判断した場合）に、上記図７に示すステップＳ１１０に移行することにより、上記第２実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、スキージ１６ｃが造形面３２ｂを通過した直後にカメラ４２によって撮影された画像を二値化し、この二値化によって得られる白黒画像に基づいて、金属粉末３２の塗布不良の発生有無を判断する方法は、上記の方法に限らず、たとえば下記のような種々の変形が可能である。

（第１の変形例）
まず、粉末投下器１６ｂにより投下した金属粉末３２をスキージ１６ｃの移動によって敷き詰める場合に、その前に行われる予備加熱工程の設定温度や、使用する金属粉末３２の種類によっては、粉末敷き詰め後の比較的早い段階で金属粉末３２が加熱され、赤熱し始めることがある。このため、たとえばスキージ１６ｃを図１の左から右に向かって移動させた場合は、スキージ１６ｃの移動始点に近い左側から先に金属粉末３２が赤熱し始める。したがって、カメラ４２の撮影画像を二値化して得られる白黒画像には、図１０Ａに示すように、スキージ１６ｃの移動方向上流側（図１０Ａの左側）に、金属粉末３２の赤熱にともなって輝度の高い部分、すなわち白領域８０が広く現れる可能性がある。この白領域８０は塗布不良が発生していない場合でも現れるため、実際に塗布不良の発生有無を判断する場合は、二値化後の白黒画像から白領域８０の部分を差し引くことが好ましい。

白領域８０の部分を差し引くとは、実質的に、白領域８０を黒領域とみなすことを意味する。差し引くべき白領域８０がどの部分になるかは、予め実験等によって特定しておけばよい。これにより、たとえば図１０Ｂに示すように、二値化後の白黒画像のなかに、塗布不良にともなう白領域８２と、上述した白領域８０とが存在する場合に、白領域８０の影響を排除して白領域８２だけを抽出し、白領域８２の割合に基づいて塗布不良の発生有無を判断することができる。また、図１０Ｂに示す白黒画像において、スキージ移動方向上流側の画像に現れる白領域８０を無視し、スキージ移動方向下流側の画像に現れる白領域８２の割合が所定値を超える場合に、金属粉末３２の塗布不良が発生したと判断してもよい。参考までに、図１１Ａは、塗布不良が発生しなかった場合のカメラ画像を二値化して得られた白黒画像であり、図１１Ｂは、塗布不良が発生した場合のカメラ画像を二値化して得られた白黒画像である。なお、図１１においては、図面表記の都合により、造形面３２ｂの外形を白線の円で示している。この点は、後述する図１３においても同様である。

（第２の変形例）
金属粉末３２の塗布不良は、主にスキージ１６ｃの移動方向下流側で発生する。このため、判断部５８は、カメラ４２によって撮影された画像を二値化して得られる白黒画像において、スキージ移動方向下流側の画像に現れる白領域がスキージ移動方向上流側の画像に現れる白領域よりも広い場合に、金属粉末３２の塗布不良が発生したと判断してもよい。具体的には、図１２に示すように、スキージ移動方向であるＸ方向において、二値化後の白黒画像８４を、Ｘ方向の中心位置を境に、スキージ移動方向上流側の画像８４ａと、スキージ移動方向下流側の画像８４ｂとに分ける。そして、判断部５８は、スキージ移動方向下流側の画像８４ｂに現れる白領域８６がスキージ移動方向上流側の画像８４ｂに現れる白領域（図示せず）よりも広い場合に、金属粉末３２の塗布不良が発生したと判断する。参考までに、図１３Ａは、塗布不良が発生しなかった場合のカメラ画像を二値化して得られた白黒画像であり、図１３Ｂおよび図１３Ｃは、いずれも、塗布不良が発生した場合のカメラ画像を二値化して得られた白黒画像である。図１３Ａから分かるように、塗布不良が発生しなかった場合でも、スキージ移動方向の上流側に位置する画像部分には白領域８８が広く現れている。これは、上述したように粉末敷き詰め後の比較的早い段階で金属粉末３２が赤熱し始めるためである。よって、この場合も、スキージ移動方向上流側の画像に現れる白領域８８の部分を差し引く、あるいは無視して、スキージ移動方向下流側の画像に現れる白領域とスキージ移動方向上流側の画像に現れる白領域の広さを比較し、この比較結果に基づいて塗布不良の発生有無を判断するとよい。また、画像８４ａと画像８４ｂとに分ける位置は、Ｘ方向の中心位置に限らず、Ｘ方向の中心位置よりも少し上流側または下流側に偏った位置であってもよい。

また、照明光源から造形面３２ｂに光が照射された場合に、照明光源とカメラ４２との位置関係等により、カメラ４２から常に明るく見える領域（換言すると、二値化によって常に白領域となる画像部分）が存在する場合は、その領域についても差し引く、あるいは無視することにより、塗布不良の発生有無を的確に判断することができる。

また、上記第３実施形態においては、カメラ４２によって撮影された画像を二値化することにより、白領域と黒領域とからなる白黒画像、すなわち２階調画像が表す輝度分布に基づいて、金属粉末３２の塗布不良が発生したか否かを判断しているが、本発明はこれに限らない。たとえば、カメラ４２によって撮影された画像をグレースケールの多階調画像に変換し、この多階調画像が表す輝度分布に基づいて、金属粉末３２の塗布不良が発生したか否かを判断してもよい。

また、上記第３実施形態においては、スキージ１６ｃが造形面３２ｂを通過直後にカメラ４２によって撮影された画像の輝度分布に基づいて、金属粉末３２の塗布不良が発生したか否かを判断しているが、本発明はこれに限らず、画像の輝度分布に代えて画像の彩度分布を採用してもよい。その理由は、次の通りである。

まず、粉末塗布工程の前に行われる予備加熱工程（一次予備加熱工程）で粉末層３２ａに電子ビーム１５を照射すると、粉末層３２ａの造形面３２ｂが赤熱して赤くなる。次に、赤熱した状態の造形面３２ｂの上に粉末塗布工程で金属粉末３２を塗布すると、金属粉末３２が正常に塗布された部分は赤みが弱まって黒っぽい色合い、すなわち彩度が低くなり、金属粉末３２が正常に塗布されなかった部分は下地（赤熱状態）の造形面３２ｂの色が浮き出て赤い色合い、すなわち彩度が高くなる。よって、輝度分布に代えて彩度分布を採用した場合でも、塗布不良の発生有無を判断することができる。

１０…三次元積層造形装置
１４…ビーム照射装置
１５…電子ビーム（ビーム）
１６…粉末塗布装置
２２…造形プレート
２６…プレート移動装置
３２…金属粉末（粉末材料）
３２ａ…粉末層
３２ｂ…造形面
３８…造形物
４２…カメラ
５０…制御部
５８…判断部

Claims (17)

1. 造形プレートと、
   前記造形プレートを上下方向に移動させるプレート移動装置と、
   前記造形プレート上に粉末材料を塗布して粉末層を形成する装置であって、前記造形プレート上を移動して前記粉末材料を敷き詰めるスキージを有する粉末塗布装置と、
   前記造形プレートまたは前記粉末層にビームを照射するビーム照射装置と、
   前記粉末塗布装置および前記ビーム照射装置を制御することにより、粉末塗布工程、パウダーヒート工程、本焼結工程およびアフターヒート工程を経て１層分の造形物を形成するとともに、前記プレート移動装置を制御して前記１層分の造形物を積層して三次元の造形物を造形する制御部と、
   前記粉末層の造形面を撮影するカメラと、
   前記スキージが前記造形面を通過中または通過直後に前記カメラによって撮影された画像を用いて、前記粉末材料の塗布不良が発生したか否かを判断する判断部と、
   を備え、
   前記判断部は、前記スキージが前記造形面を通過中に前記カメラによって撮影された画像を用いて、前記スキージが通過する前の画像の特徴量の経時変化から予測される、前記スキージが通過した直後の予測特徴量と、前記スキージが通過した直後の画像の特徴量との差を求めるとともに、求めた差に基づいて、前記粉末材料の塗布不良が発生したか否かを判断する
   三次元積層造形装置。
2. 前記判断部は、前記スキージが通過する前の画像の特徴量の経時変化を基に、該特徴量の経時変化を示す近似式を求め、前記近似式に従って前記予測特徴量を決定する
   請求項１に記載の三次元積層造形装置。
3. 前記判断部は、前記スキージが通過した直後の予測特徴量と、前記スキージが通過した直後の画像の特徴量との差が第１閾値以下である画素の総数または総面積を算出し、前記画素の総数または総面積が第２閾値を超える場合に、前記粉末材料の塗布不良が発生したと判断する
   請求項１または２に記載の三次元積層造形装置。
4. 前記画像の特徴量は、画像の輝度および彩度のうち少なくとも一方である
   請求項１に記載の三次元積層造形装置。
5. 前記制御部は、前記塗布不良が発生したと前記判断部が判断した場合に、前記粉末塗布工程の後、前記アフターヒート工程、前記粉末塗布工程、前記パウダーヒート工程、前記本焼結工程、前記アフターヒート工程の順に造形を行って今回の１層分の造形を行う
   請求項１に記載の三次元積層造形装置。
6. 前記制御部は、前記アフターヒート工程後の前記粉末塗布工程において、前記粉末塗布装置による粉末材料の塗布量を、前記塗布不良が発生する前の塗布量よりも増やすように、前記粉末塗布装置を制御する
   請求項５に記載の三次元積層造形装置。
7. 前記制御部は、前記粉末材料の塗布不良が発生したと前記判断部が判断した場合に、今回の層の前記アフターヒート工程に適用される条件と次の層の造形に適用される条件を、前記粉末材料の塗布不良が発生しなかった場合に適用される条件とは異なる内容で予約したうえで、今回の層の造形について前記パウダーヒート工程および前記本焼結工程を行った後に前記アフターヒート工程を前記予約した条件に従って行い、次の層の造形については前記予約した条件に従って造形を行う
   請求項１に記載の三次元積層造形装置。
8. 前記制御部は、前記塗布不良が発生したと前記判断部が２回以上連続で判断した場合に、前記粉末塗布工程の後、前記アフターヒート工程、前記粉末塗布工程、前記パウダーヒート工程、前記本焼結工程、前記アフターヒート工程の順に造形を行って今回の１層分の造形を行う
   請求項７に記載の三次元積層造形装置。
9. 前記今回の層の前記アフターヒート工程に適用される条件の予約は、前記アフターヒート工程の実行時間を延長する予約、および、前記アフターヒート工程の加熱目標温度を高くする予約のうち、少なくとも１つであり、
   前記次の層の造形に適用される条件の予約は、前記粉末塗布工程における前記粉末材料の塗布量を増やす予約、および、前記本焼結工程で前記粉末層に加えられるエネルギーを増強する予約のうち、少なくとも１つである
   請求項７に記載の三次元積層造形装置。
10. 前記判断部は、前記スキージが前記造形面を通過直後に前記カメラによって撮影された画像の輝度分布または彩度分布に基づいて、前記粉末材料の塗布不良が発生したか否かを判断する
    請求項１に記載の三次元積層造形装置。
11. 前記判断部は、前記カメラによって撮影された画像を二値化し、前記二値化によって得られる白黒画像に占める白領域の割合が所定値を超える場合に、前記粉末材料の塗布不良が発生したと判断する
    請求項１０に記載の三次元積層造形装置。
12. 前記判断部は、スキージ移動方向下流側における画像の白領域の割合が所定値を超える場合に、前記粉末材料の塗布不良が発生したと判断する
    請求項１０に記載の三次元積層造形装置。
13. 前記判断部は、前記スキージが前記造形面を通過直後に前記カメラによって撮影された画像で、且つ、前記粉末材料の塗布不良が発生しなかった場合の画像を予め基準画像として取得しておき、前記基準画像を二値化した場合にスキージ移動方向上流側の画像に現れる白領域の部分を差し引いた状態で、前記白領域の割合と前記所定値とを比較する
    請求項１１または１２に記載の三次元積層造形装置。
14. 造形プレートと、
    前記造形プレートを上下方向に移動させるプレート移動装置と、
    前記造形プレート上に粉末材料を塗布して粉末層を形成する装置であって、前記造形プレート上を移動して前記粉末材料を敷き詰めるスキージを有する粉末塗布装置と、
    前記造形プレートまたは前記粉末層にビームを照射するビーム照射装置と、
    前記粉末塗布装置および前記ビーム照射装置を制御することにより、粉末塗布工程、パウダーヒート工程、本焼結工程およびアフターヒート工程を経て１層分の造形物を形成するとともに、前記プレート移動装置を制御して前記１層分の造形物を積層して三次元の造形物を造形する制御部と、
    前記粉末層の造形面を撮影するカメラと、
    前記スキージが前記造形面を通過中または通過直後に前記カメラによって撮影された画像を用いて、前記粉末材料の塗布不良が発生したか否かを判断する判断部と、
    を備え、
    前記判断部は、前記カメラによって撮影された画像を二値化し、スキージ移動方向下流側の画像に現れる白領域がスキージ移動方向上流側の画像に現れる白領域よりも広い場合に、前記粉末材料の塗布不良が発生したと判断する
    三次元積層造形装置。
15. 前記判断部は、前記スキージが前記造形面を通過直後に前記カメラによって撮影された画像で、且つ、前記粉末材料の塗布不良が発生しなかった場合の画像を予め基準画像として取得しておき、前記基準画像を二値化した場合にスキージ移動方向上流側の画像に現れる白領域の面積分を差し引いた状態で、前記スキージ移動方向下流側の画像に現れる白領域と前記スキージ移動方向上流側の画像に現れる白領域の広さを比較する
    請求項１４に記載の三次元積層造形装置。
16. 造形プレート上でスキージを水平方向に移動させることにより、前記造形プレート上に粉末材料を塗布して粉末層を形成する粉末塗布工程と、
    前記粉末塗布工程の後に、前記造形プレート上の粉末層を予備加熱するパウダーヒート工程と、
    前記パウダーヒート工程の後に、前記粉末層を形成している前記粉末材料を本焼結させる本焼結工程と、
    前記本焼結工程の後に、前記造形プレート上の粉末層を予備加熱するアフターヒート工程と、
    を含む三次元積層造形方法であって、
    前記粉末塗布工程では、前記スキージが前記粉末層の造形面を通過中または通過直後にカメラによって撮影された前記造形面の画像を用いて、前記粉末材料の塗布不良が発生したか否かを判断するとともに、前記スキージが前記造形面を通過中に前記カメラによって撮影された画像を用いて、前記スキージが通過する前の画像の特徴量の経時変化から予測される、前記スキージが通過した直後の予測特徴量と、前記スキージが通過した直後の画像の特徴量との差を求めるとともに、求めた差に基づいて、前記粉末材料の塗布不良が発生したか否かを判断する
    三次元積層造形方法。
17. 造形プレート上でスキージを水平方向に移動させることにより、前記造形プレート上に粉末材料を塗布して粉末層を形成する粉末塗布工程と、
    前記粉末塗布工程の後に、前記造形プレート上の粉末層を予備加熱するパウダーヒート工程と、
    前記パウダーヒート工程の後に、前記粉末層を形成している前記粉末材料を本焼結させる本焼結工程と、
    前記本焼結工程の後に、前記造形プレート上の粉末層を予備加熱するアフターヒート工程と、
    を含む三次元積層造形方法であって、
    前記粉末塗布工程では、前記スキージが前記粉末層の造形面を通過中または通過直後にカメラによって撮影された前記造形面の画像を用いて、前記粉末材料の塗布不良が発生したか否かを判断するとともに、前記カメラによって撮影された画像を二値化し、スキージ移動方向下流側の画像に現れる白領域がスキージ移動方向上流側の画像に現れる白領域よりも広い場合に、前記粉末材料の塗布不良が発生したと判断する
    三次元積層造形方法。

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