JP7382912B2

JP7382912B2 - 付加製造装置および付加製造方法

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Publication number: JP7382912B2
Application number: JP2020135905A
Authority: JP
Inventors: 聡史服部; 崇史藤井; 真育林; 信行鷲見
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-08-11
Filing date: 2020-08-11
Publication date: 2023-11-17
Anticipated expiration: 2040-08-11
Also published as: JP2022032283A

Description

本開示は、３次元造形物を製造する付加製造装置および付加製造方法に関する。

３次元造形物を製造する技術の１つとして、付加製造（Additive Manufacturing：ＡＭ）の技術が知られている。付加製造の技術における複数の方式のうちの１つである指向性エネルギー堆積（Directed Energy Deposition：ＤＥＤ）方式によると、付加製造装置は、ビームの照射位置である加工点へ溶加材であるワイヤまたは粉末を供給しながら加工点を移動させることによって、ビードを形成する。ビードは、溶融した溶加材が凝固することによって得られる凝固物である。加工点の移動経路は、設計データに基づいて生成される。付加製造装置は、ビードを順次積み重ねることによって造形物を製造する。

特許文献１には、ビームの断面におけるビームの強度分布を変換する光学系と、ビームの状態を空間的に変調する空間光変調部とを備える付加製造装置が開示されている。特許文献１の付加製造装置は、被加工物のうちビードが形成される面の状態を測定して、被加工物の状態に合わせてビームの強度分布を調整することができる。

特開２０１８－１４１２４０号公報

付加製造装置では、ビームの出力が適切であっても、溶加材を溶融させる際における入熱量の過不足が生じることによって、形成されるビードの形状が所望の形状からずれる場合がある。特許文献１に開示されている従来の付加製造装置では、このような形状のずれを低減させるような調整は行われないことから、造形物の形状精度が低下する場合があるという問題があった。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、形状精度が高い造形物を製造可能とする付加製造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、本開示にかかる付加製造装置は、設計データにより指定された形状の造形物を製造する。本開示にかかる付加製造装置は、被加工物へ溶加材を供給する供給部と、供給された溶加材を溶融させるビームを照射する照射部と、被加工物におけるビームの強度分布を調整する強度分布調整部と、被加工物の状態または溶融した溶加材の固化物であるビードの状態を測定し、測定データを生成する測定部と、設計データと測定データとに基づいた演算によって強度分布を求める強度分布演算部と、を備える。

本開示にかかる付加製造装置は、形状精度が高い造形物を製造することができるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる付加製造装置の構成を示す図実施の形態１にかかる付加製造装置が有する演算装置の構成を示すブロック図実施の形態１にかかる付加製造装置の動作手順を示す第１のフローチャート実施の形態１にかかる付加製造装置の動作手順を示す第２のフローチャート実施の形態１にかかる付加製造装置が有する強度分布調整部の構成例を示す図図５に示す強度分布調整部による強度分布調整の例について説明するための第１の図図５に示す強度分布調整部による強度分布調整の例について説明するための第２の図図５に示す強度分布調整部による強度分布調整の他の例について説明するための図実施の形態２にかかる付加製造装置の動作について説明するための図実施の形態２における強度分布の調整について説明するための第１の図実施の形態２における強度分布の調整について説明するための第２の図実施の形態２における強度分布調整の変形例について説明するための図実施の形態３にかかる付加製造装置の動作について説明するための図実施の形態３における強度分布の調整について説明するための図実施の形態４にかかる付加製造装置の動作について説明するための図実施の形態５にかかる付加製造装置の動作について説明するための図実施の形態６にかかる付加製造装置の動作について説明するための第１の図実施の形態６にかかる付加製造装置の動作について説明するための第２の図実施の形態７にかかる付加製造装置の動作について説明するための第１の図実施の形態７にかかる付加製造装置の動作について説明するための第２の図実施の形態８において形成される第１のビードについて説明するための図実施の形態８において形成される第２のビードについて説明するための図実施の形態８にかかる付加製造装置において第１のビードを用いて製造される造形物について説明するための第１の図実施の形態８にかかる付加製造装置において第１のビードを用いて製造される造形物について説明するための第２の図実施の形態８にかかる付加製造装置において第２のビードを用いて製造される造形物について説明するための図実施の形態８によるビーム形状の選択例について説明するための第１の図実施の形態８によるビーム形状の選択例について説明するための第２の図実施の形態８によるビーム形状の選択例について説明するための第３の図実施の形態９にかかる付加製造装置が有する演算装置の構成を示すブロック図実施の形態９にかかる付加製造装置が有する学習装置の機能構成を示すブロック図実施の形態９における学習装置の処理手順を示すフローチャート実施の形態９にかかる付加製造装置が有する推論装置の機能構成を示すブロック図実施の形態９における推論装置の処理手順を示すフローチャート実施の形態１から９にかかる付加製造装置が有する演算装置のハードウェア構成例を示す図

以下に、実施の形態にかかる付加製造装置および付加製造方法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にかかる付加製造装置の構成を示す図である。実施の形態１にかかる付加製造装置１００は、溶融させた溶加材を被加工物へ付加することによって造形物を製造する工作機械である。付加製造装置１００は、ビームの照射によって溶加材を溶融する。実施の形態１において、ビームはレーザビーム１０であって、溶加材は金属のワイヤ５である。ワイヤ５は、金属以外であっても良い。溶加材は、ワイヤ５に限られず、金属または樹脂の粉末であっても良い。付加製造装置１００は、設計データ２６により指定された形状の造形物を製造する。

付加製造装置１００は、レーザビーム１０の照射位置である加工点９へワイヤ５を供給しながら加工点９を移動させることによって、ビード８を形成する。付加製造装置１００は、基材１１の上においてビード８を積み重ねることによって３次元造形物を製造する。図１に示す基材１１は、板材である。基材１１は板材以外の物であっても良い。被加工物は、溶融させた溶加材が付加される物体であって、基材１１または基材１１上のビード８である。実施の形態１において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに垂直な３軸である。Ｘ軸とＹ軸とは、水平方向の軸である。Ｚ軸は、鉛直方向の軸である。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の各々において、矢印で示す向きをプラス向き、矢印とは逆の向きをマイナス向きと称することがある。

ビーム源であるレーザ発振器１は、レーザビーム１０を発振する。レーザ発振器１により出力されたレーザビーム１０は、光伝送路であるファイバーケーブル２を通って加工ヘッド３へ伝搬する。レーザ発振器１とファイバーケーブル２と加工ヘッド３とは、供給された溶加材を溶融させるレーザビーム１０を被加工物へ照射する照射部を構成する。レーザ出力制御器１８は、レーザ発振器１を制御する。

加工ヘッド３の内部には、レーザビーム１０を平行化させるコリメート光学系と、強度分布調整部１９とが設けられている。強度分布調整部１９は、被加工物におけるレーザビーム１０の強度分布を調整する。強度分布制御器１７は、強度分布調整部１９を制御する。コリメート光学系の図示は省略する。

加工ヘッド３は、被加工物へ向けてレーザビーム１０を出射するビームノズル４を有する。レーザビーム１０は、集光レンズを透過して、ビームノズル４から出射する。集光レンズは、被加工物においてレーザビーム１０を集約させる。集光レンズの図示は省略する。コリメート光学系と集光レンズとは、加工点９におけるレーザビーム１０のスポットの大きさが所望の大きさとなるように設計されている。

強度分布調整部１９は、強度分布制御器１７からの制御信号に従って、強度分布を調整する。強度分布調整部１９が強度分布調整を行わない場合、被加工物におけるレーザビーム１０の強度分布は、強度分布調整部１９以外の光学素子群によって定められる強度分布である。強度分布調整部１９は、強度分布を調整することによって、被加工物におけるレーザビーム１０の強度分布を、強度分布調整部１９以外の光学素子群によって定められる強度分布とは別の強度分布へ変換させる。

ビームノズル４は、被加工物へ向けてシールドガスを噴射する。シールドガスとしては、不活性ガスであるアルゴンガスが使用される。付加製造装置１００は、シールドガスの噴射によって、ビード８の酸化を抑制するとともに、形成されたビード８を冷却する。シールドガスは、ビームノズル４へ供給される。ガス流量調整器２１は、ビームノズル４へ供給されるシールドガスの流量を調整する。シールドガスの供給源は、ガスボンベである。ガスボンベの図示は省略する。

付加製造装置１００には、ワイヤ５の供給源であるワイヤスプール６が取り付けられる。ワイヤ５は、ワイヤスプール６に巻き付けられている。ワイヤ送給器７は、加工ヘッド３に取り付けられている。ワイヤ送給器７は、被加工物へ溶加材を供給する供給部である。ワイヤ送給器７は、ワイヤスプール６から被加工物へ向けてワイヤ５を送り出す。また、ワイヤ送給器７は、送り出されたワイヤ５をワイヤスプール６のほうへ引き戻す。ビームノズル４とワイヤ送給器７とが加工ヘッド３に設けられていることで、ビームノズル４とワイヤ送給器７との相対位置は固定されている。

基材１１は、ロータリーステージ１２に固定される。ロータリーステージ１２は、Ｚ軸周りに回転する。ロータリーステージ１３は、Ｙ軸周りにおける回転によって、ロータリーステージ１２の傾きを変化させる。ＸＹＺステージ１４は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の各方向へ加工ヘッド３を移動させる。付加製造装置１００は、ロータリーステージ１２，１３の動作によって、基材１１の姿勢を変化させる。付加製造装置１００は、基材１１の姿勢を変化させるとともに加工ヘッド３を移動させることによって、被加工物におけるレーザビーム１０の照射位置を移動させる。付加製造装置１００は、加工点９に形成された溶融池にワイヤ５を送給し、ワイヤ５を溶融させることによってビード８を形成する。

駆動制御器２２は、ＸＹＺステージ１４を駆動することによって加工ヘッド３を移動させるヘッド駆動部２３と、ワイヤ送給器７を駆動するワイヤ送給駆動部２４と、ロータリーステージ１２，１３を駆動するステージ駆動部２５とを有する。

加工ヘッド３には、測定部であるセンサユニット２０が設けられている。センサユニット２０は、被加工物の状態または形成されたビード８の状態を測定する。センサユニット２０は、被加工物の形状、被加工物の温度、溶融池の形状などを測定する。センサユニット２０は、測定データ３０を生成する。

付加製造装置１００は、付加製造のための演算を行う演算装置１５と、付加製造装置１００を制御する数値制御（Numerical Control：ＮＣ）装置１６とを有する。ＮＣ装置１６は、演算装置１５から受けた加工プログラム２７と加工条件情報２８とに従って付加製造装置１００を制御する。

設計データ２６は、演算装置１５へ入力される。設計データ２６は、造形物の形状を指定するための３次元形状情報と、加工時のさまざまな条件を表すデータとを含む。３次元形状情報は、コンピュータ支援設計（Computer-Aided Design：ＣＡＤ）データ、ＳＴＬ（Standard Triangulated Language）データなどである。条件は、加工時の制約条件、および、加工時に優先させる事項を表す優先条件と、これらの条件に付与される重み付けなどを含む。制約条件は、例えば、加工中における温度の上限値などである。制約条件が設定されることで、製品の品質を一定の範囲に保つことが可能となる。

設計データ２６は、溶加材情報、レーザ出力、レーザビーム１０の強度分布などを含む。ワイヤ５についての溶加材情報には、ワイヤ５の径およびワイヤ５の材料の情報が含まれる。設計データ２６には、センサユニット２０による測定が可能な各種変数のデータが含まれても良い。各種変数には、ワイヤ５の融点またはワイヤ５におけるレーザビーム１０の反射率といった溶加材の物性、被加工物の温度、溶融池の大きさなどを示す変数が含まれる。

演算装置１５は、設計データ２６に基づいて、加工プログラム２７と、加工条件と、レーザビーム１０の強度分布とを最適化させるための演算を行う。演算装置１５は、演算によって、加工プログラム２７と、加工条件を表す加工条件情報２８と、レーザビーム１０の強度分布を調整させるための指令である調整指令２９とを生成する。演算装置１５は、加工プログラム２７と加工条件情報２８とをＮＣ装置１６へ送る。演算装置１５は、強度分布制御器１７へ調整指令２９を送る。

センサユニット２０は、測定の結果を表す測定データ３０を、演算装置１５へ送る。演算装置１５は、測定データ３０に基づいて、加工条件の調整と強度分布の変更とを行う。演算装置１５は、加工条件を調整した場合、調整後の加工条件を表す加工条件情報２８をＮＣ装置１６へ送る。演算装置１５は、強度分布を変更した場合、変更された強度分布での調整を行わせるための調整指令２９を強度分布制御器１７へ送る。

加工プログラム２７には、移動経路が指定されている。移動経路は、被加工物において加工点９を移動させる経路である。ＮＣ装置１６は、加工プログラム２７に記述されている内容を基に、移動経路を解析する。

ＮＣ装置１６は、移動経路と加工条件とに従って各種指令を生成する。ＮＣ装置１６は、移動経路上における単位時間ごとの補間点群である位置指令を生成する。ＮＣ装置１６は、ヘッド駆動部２３へ位置指令を送ることによって、ＸＹＺステージ１４を制御する。ＮＣ装置１６は、加工プログラム２７の記述に従った軸指令を生成する。ＮＣ装置１６は、ステージ駆動部２５へ軸指令を送ることによって、ロータリーステージ１２，１３を制御する。

ＮＣ装置１６は、加工プログラム２７と加工条件とに従ったレーザ出力指令３１を生成する。ＮＣ装置１６は、レーザ出力制御器１８へレーザ出力指令３１を送ることによって、レーザ発振器１を制御する。

ＮＣ装置１６は、加工プログラム２７と加工条件とに従った送給指令を生成する。ＮＣ装置１６は、ワイヤ送給駆動部２４へ送給指令を送ることによって、ワイヤ送給器７を制御する。ＮＣ装置１６は、加工プログラム２７に従ったガス供給指令を生成する。ＮＣ装置１６は、ガス流量調整器２１へガス供給指令を送ることによって、ガス流量調整器２１を制御する。

ＮＣ装置１６は、強度分布調整部１９の制御をレーザ出力指令３１に連携させるための同期信号３２を強度分布制御器１７へ送る。ＮＣ装置１６は、加工プログラム２７の記述に従って同期信号３２を生成する。強度分布制御器１７は、同期信号３２に従って、強度分布調整部１９へ制御信号を送るタイミングを調整する。これにより、強度分布調整部１９は、レーザ発振器１によるレーザ出力に合わせて強度分布を調整することができる。

なお、強度分布調整部１９による強度分布の調整は、レーザ発振器１によるレーザ出力の調整とともに行われても、レーザ発振器１によるレーザ出力が一定である状態において行われても良い。付加製造装置１００は、レーザ出力を低下させずにレーザビーム１０の強度分布を調整することができる。付加製造装置１００は、レーザ出力を低下させないことで、加工速度を低下させずに強度分布を最適化させることができる。

次に、センサユニット２０について説明する。センサユニット２０は、カメラ、温度計、形状測定器などを含む。センサユニット２０は、加工開始時の加工点９の位置、移動経路における任意の位置、および、加工終了時の加工点９の位置のうちの少なくとも１つの位置において測定を行う。センサユニット２０は、ビームノズル４と同軸であっても、ビームノズル４とは同軸でなくても良い。センサユニット２０は、加工ヘッド３の任意の位置に設けられても良い。センサユニット２０は、加工ヘッド３以外の位置に設けられても良い。

カメラは、可視光カメラ、赤外カメラ、高速度計測カメラなどである。カメラは、被加工物の形状、溶融状態、溶融池の形状、温度などを測定する。付加製造装置１００は、センサユニット２０にカメラが設けられることによって、被加工物の溶融状態、ワイヤ５の溶融状態、加工時に発生するヒュームまたはスパッタ、ワイヤ５の位置、被加工物の温度、ワイヤ５の温度、溶融池の温度などを観察することができる。

温度計は、被加工物から放射される光を検出する。温度計は、放射温度計またはサーモカメラといった、非接触タイプの温度計である。形状測定器は、Ｚ軸方向の高さ、Ｘ軸方向およびＹ軸方向における形状を測定する測定器であって、レーザ変位計、光干渉断層撮影を行う光干渉断層計（Optical Coherence Tomography：ＯＣＴ）等である。センサユニット２０は、分光器、音響測定器などを有しても良い。

センサユニット２０は、レーザビーム１０からの分岐された光を用いて各種測定を行っても良い。光の分岐には、レーザビーム１０と同軸上に配置されたダイクロイックミラーを用いることができる。ダイクロイックミラーは、特定波長の光を透過させ、特定波長以外の波長の光を反射する。測定位置は、ガルバノスキャナなどによるミラーの駆動、あるいはプリズムといった光学素子の使用によって、逐次移動させても良い。

次に、演算装置１５による処理について説明する。図２は、実施の形態１にかかる付加製造装置が有する演算装置の構成を示すブロック図である。図２には、演算装置１５が有する機能構成を示している。

演算装置１５は、情報が入力される入力部４１と、移動経路を示す経路データを生成する経路生成部４２と、加工プログラム２７を生成するプログラム生成部４３と、加工条件を調整する加工条件調整部４４と、設計データ２６に基づいた演算によってレーザビーム１０の強度分布を求める強度分布演算部４５とを有する。設計データ２６と測定データ３０とは、入力部４１へ入力される。

演算装置１５は、データを記憶するデータ記憶部４６と、設定された加工条件と、レーザビーム１０の設定された強度分布とを評価する評価部４７と、ビード８の形状を決定するビード形状決定部４８と、移動経路を基に造形物の形状を推定する形状推定部４９とを有する。

経路生成部４２は、付加製造によって造形物を製造するための移動経路を、設計データ２６に基づいて決定する。経路生成部４２は、決定された移動経路を示す経路データを生成する。プログラム生成部４３は、経路データに基づいて、ＮＣプログラムである加工プログラム２７を生成する。

加工が開始される前において、付加製造装置１００を使用する使用者によって加工条件の初期値が決定される。付加製造装置１００には、加工が開始される前に、初期値である加工条件が設定される。加工条件調整部４４は、設計データ２６または測定データ３０に基づいて、設定された加工条件を調整する。加工条件調整部４４は、設定された加工条件を表す加工条件情報２８を生成する。

付加製造装置１００には、加工が開始される前に、レーザビーム１０の強度分布として、初期値である強度分布が設定される。初期値である強度分布は、強度分布調整部１９が強度分布調整を行わない場合における強度分布である。すなわち、初期値である強度分布は、強度分布調整部１９以外の光学素子群によって定められる強度分布である。強度分布演算部４５は、設計データ２６または測定データ３０に基づいて、設定された強度分布を変更する。強度分布演算部４５は、設定された強度分布での調整を行わせるための調整指令２９を生成する。調整指令２９は、強度分布演算部４５によって求められた強度分布を示す強度分布情報である。

ビード形状決定部４８は、ビード８の外形であるビード形状を決定する。ビード８は、線ビードと点ビードとに分類される。線ビードは、加工点９を移動させながらワイヤ５の送給とレーザビーム１０の照射とを行うことによって形成される線状のビードである。点ビードは、点状のビードである。点ビードは、加工点９を停止させた状態でワイヤ５の送給とレーザビーム１０の照射とを行うことによって形成される。点ビードには、加工点９をわずかに移動させながら形成された点状のビードが含まれても良い。ビード形状決定部４８は、線ビードまたは点ビードについてのビード形状を決定する。

ここで、移動経路を決定する方法の１つの例を説明する。この説明では、ビード８は、線ビードとする。経路生成部４２は、３次元形状情報により表される３次元形状のうち、基材１１から一定の高さにおける切断面の形状である２次元形状を求める。経路生成部４２は、かかる２次元形状をさらに複数の短冊形状に分ける。経路生成部４２は、各短冊形状の中心線と、中心線同士の間の移動とを含む移動経路を決定する。経路生成部４２は、３次元形状における一定の高さごとの切断面について移動経路を決定する。

形状推定部４９は、設計データ２６と設定された加工条件と設定された強度分布とに基づいて形成される３次元形状を推定する。形状推定部４９は、決定された移動経路に、設定された加工条件と設定された強度分布とによって決まるビード形状を組み合わせることによって、設計データ２６と設定された加工条件と設定された強度分布とに基づいて形成される３次元形状を推定する。

評価部４７は、設計データ２６に示される形状と推定された３次元形状との差に基づいて、設定された加工条件と設定された強度分布とに従った造形の良否を評価する。造形が不良と判定された場合に、加工条件調整部４４は、設定された加工条件を調整する。または、造形が不良と判定された場合に、強度分布演算部４５は、設定された強度分布を変更する。

次に、付加製造装置１００の動作手順について説明する。図３は、実施の形態１にかかる付加製造装置の動作手順を示す第１のフローチャートである。第１のフローチャートは、加工が開始される前に加工条件の調整または強度分布の変更を行う場合における付加製造装置１００の動作手順を示す。

ステップＳ１において、付加製造装置１００は、設計データ２６を取得する。付加製造装置１００は、入力部４１へ設計データ２６が入力されることによって、設計データ２６を取得する。

ステップＳ２において、付加製造装置１００は、加工条件を設定する。ここでは、初期値である加工条件が設定される。使用者は、加工条件表を参照することにより、任意の加工条件を選択することができる。加工条件表には、レーザ出力、ワイヤ送り速度、および軸送り速度の各値が記載されている。使用者は、加工条件表に記載されている値の中から、レーザ出力、ワイヤ５の供給量、および加工ヘッド３の送り速度の各初期値を選ぶことによって、加工条件を選択する。

ステップＳ３において、付加製造装置１００は、ビード形状を決定する。ビード形状決定部４８は、データベースを参照することによって、ビード形状を決定する。ビード形状決定部４８は、データベースには無い条件についてのビード形状を決定する場合は、３次元形状を基にビード形状を推定するための演算を行う。ビード形状決定部４８は、試し加工の結果に基づいてビード形状を決定しても良い。

ステップＳ４において、付加製造装置１００は、移動経路を決定する。経路生成部４２は、設計データ２６に示される３次元形状と、決定されたビード形状とを基に、移動経路を決定する。

ステップＳ５において、付加製造装置１００は、設計データ２６と設定された加工条件と設定された強度分布とに基づいて形成される３次元形状である造形形状を推定する。形状推定部４９は、決定された移動経路にビード形状を組み合わせることによって造形形状を推定する。移動経路に組み合わせられるビード形状は、ステップＳ３において決定されたビード形状を目標として、設定された加工条件と設定された強度分布とに従ってビード８を形成した場合に得られるビード形状を推定したものである。

ステップＳ６において、付加製造装置１００は、設定された加工条件と設定された強度分布とに従った造形を評価する。評価部４７は、設計データ２６に示される３次元形状と推定された造形形状との差を求める。評価部４７は、求めた差があらかじめ設定された閾値以下である場合、造形を良と判定する。造形が良と判定された場合、付加製造装置１００は、後述するステップＳ８へ手順を進める。一方、評価部４７は、求めた差があらかじめ設定された閾値を超える場合、造形を不良と判定する。

造形が不良と判定された場合、ステップＳ７において、付加製造装置１００は、強度分布を変更し、加工条件を調整する。強度分布演算部４５は、上記の求めた差に基づいて、当該差がゼロに近くなるように強度分布を調整する。加工条件調整部４４は、上記の求めた差に基づいて、当該差がゼロに近くなるように加工条件を調整する。付加製造装置１００は、当該差がゼロに近くなるように、強度分布の変更と加工条件の調整とのうちの一方のみを行うこととしても良い。付加製造装置１００は、ステップＳ７を終えると、ステップＳ３へ手順を戻す。

ステップＳ８において、付加製造装置１００は、演算装置１５からＮＣ装置１６へ加工プログラム２７と加工条件情報２８とを出力する。付加製造装置１００は、強度分布が初期値から変更された場合は、変更された強度分布での調整を行わせるための調整指令２９を演算装置１５から強度分布制御器１７へ出力する。以上により、付加製造装置１００は、図３に示す手順による動作を終了する。付加製造装置１００は、加工プログラム２７と、設定された加工条件と、設定された強度分布とに従った加工を開始する。

図４は、実施の形態１にかかる付加製造装置の動作手順を示す第２のフローチャートである。第２のフローチャートは、加工を開始してから加工を終了するまでの間に加工条件の調整または強度分布の変更を行う場合における付加製造装置１００の動作手順を示す。

ステップＳ１１において、付加製造装置１００は、ＮＣ装置１６において加工プログラム２７と加工条件情報２８とを取得する。ＮＣ装置１６による加工プログラム２７と加工条件情報２８とに従った制御によって、付加製造装置１００は加工を開始する。ステップＳ１２において、付加製造装置１００は、造形を行う。

ステップＳ１３において、付加製造装置１００は、測定データ３０を取得する。センサユニット２０による測定によって得られた測定データ３０は、入力部４１へ入力される。入力部４１へ入力された測定データ３０は、データ記憶部４６に記憶される。

ステップＳ１４において、付加製造装置１００は、取得された測定データ３０に基づいて造形を評価する。例を挙げると、評価部４７は、造形物の目標形状と測定された形状との差、または、加工時における被加工物の目標温度と測定された被加工物の温度との差を求める。評価部４７は、ワイヤ５の供給量の測定値と供給量の目標値との差を求めても良い。評価部４７は、ビード８の形成に要した時間である加工時間の測定値と加工時間の目標値との差を求めても良い。評価部４７は、求めた差があらかじめ設定された閾値以下である場合、造形を良と判定する。造形が良と判定された場合、付加製造装置１００は、後述するステップＳ１６へ手順を進める。一方、評価部４７は、求めた差があらかじめ設定された閾値を超える場合、造形を不良と判定する。

造形が不良と判定された場合、ステップＳ１５において、付加製造装置１００は、強度分布を変更し、加工条件を調整する。強度分布演算部４５は、上記求めた差に基づいて、当該差がゼロに近くなるように強度分布を調整する。加工条件調整部４４は、上記の求めた差に基づいて、当該差がゼロに近くなるように加工条件を調整する。付加製造装置１００は、当該差がゼロに近くなるように、強度分布の変更と加工条件の調整とのうちの一方のみを行うこととしても良い。付加製造装置１００は、ステップＳ１５を終えると、ステップＳ１２へ手順を戻す。

ステップＳ１６において、付加製造装置１００は、造形を終了するか否かを判断する。加工プログラム２７に従った造形物が完成していない場合、付加製造装置１００は、造形を終了しないと判断する。造形を終了しない場合（ステップＳ１６，Ｎｏ）、付加製造装置１００は、手順をステップＳ１２へ戻す。一方、付加製造装置１００は、加工プログラム２７に従った造形物が完成することによって、造形を終了とすると判断する。造形を終了する場合（ステップＳ１６，Ｙｅｓ）、付加製造装置１００は、図４に示す手順による動作を終了する。

次に、強度分布調整部１９について説明する。図５は、実施の形態１にかかる付加製造装置が有する強度分布調整部の構成例を示す図である。強度分布調整部１９には、コリメート光学系において平行化されたレーザビーム１０が入射する。図５に示す構成例によると、強度分布調整部１９は、レーザビーム１０の照射位置を移動させることによって強度分布を調整する。

強度分布調整部１９は、レーザビーム１０を偏向させるガルバノスキャナ３３Ｘ，３３Ｙと、強度分布制御器１７からの制御信号に従ってガルバノスキャナ３３Ｘを駆動するガルバノ駆動部３５Ｘと、強度分布制御器１７からの制御信号に従ってガルバノスキャナ３３Ｙを駆動するガルバノ駆動部３５Ｙとを有する。

ガルバノスキャナ３３Ｙは、加工ヘッド３へ入射したレーザビーム１０を反射するガルバノミラー３４Ｙを有する。ガルバノスキャナ３３Ｙは、特定の振り角の範囲内においてガルバノミラー３４Ｙを回転させることによって、レーザビーム１０の照射位置をＹ軸方向へ移動させる。

ガルバノスキャナ３３Ｘは、ガルバノスキャナ３３Ｙから入射したレーザビーム１０を反射するガルバノミラー３４Ｘを有する。ガルバノスキャナ３３Ｘは、特定の振り角の範囲内においてガルバノミラー３４Ｘを回転させることによって、レーザビーム１０の照射位置をＸ軸方向へ移動させる。

強度分布調整部１９は、ｆθレンズ３６を有する。ガルバノスキャナ３３Ｘで反射したレーザビーム１０は、ｆθレンズ３６へ入射する。ｆθレンズ３６は、ｆθレンズ３６の焦点距離ｆにガルバノミラー３４Ｘ，３４Ｙの偏向角θを掛け合せたｆθの位置にて、レーザビーム１０を収束させる。ｆθレンズ３６は、レーザビーム１０の光路のうち、ガルバノスキャナ３３Ｘ，３３Ｙへ入射する前のレーザビーム１０の光路に設けられても良い。ｆθレンズ３６が用いられることによって、像面の歪みを少なくさせることができる。ｆθレンズ３６は、高精度な強度分布調整に適している。なお、強度分布調整部１９には、ｆθレンズ３６の代わりに、ｆθレンズ３６以外のレンズが設けられても良い。

図６は、図５に示す強度分布調整部による強度分布調整の例について説明するための第１の図である。図７は、図５に示す強度分布調整部による強度分布調整の例について説明するための第２の図である。図６および図７に示す例では、強度分布調整部１９は、レーザビーム１０の強度を変化させながらレーザビーム１０を移動させることによって強度分布を調整する。

強度分布調整部１９は、レーザビーム１０により経路３７を走査する。強度分布調整部１９は、ガルバノスキャナ３３ＹによってＹ軸方向においてレーザビーム１０を往復させながら、ガルバノスキャナ３３ＸによってＸ軸方向のプラス向きにレーザビーム１０を移動させる。

図７に示すグラフは、強度分布調整部１９から出射するレーザビーム１０の強度の変化を表す。グラフの縦軸「Ｐ」は、レーザビーム１０の強度を表す。グラフの横軸「ｔ」は、時間を表す。強度分布調整部１９は、ガルバノスキャナ３３Ｘがレーザビーム１０を移動させるごとにレーザビーム１０の強度を低下させる。付加製造装置１００は、レーザ発振器１のレーザ出力を変化させることによって、強度分布調整部１９から出射するレーザビーム１０の強度を変化させる。付加製造装置１００は、同期信号３２を用いて、レーザ出力の変化とレーザビーム１０の走査とを互いに連携させる。

レーザビーム１０の強度は、Ｙ軸方向においてレーザビーム１０が１回往復するごとに、段階的に低下する。強度分布調整部１９は、かかるレーザビーム１０により経路３７を走査することによって、経路３７の範囲におけるレーザビーム１０の強度分布を、目標である強度分布Ｄｘ，Ｄｙへ調整する。強度分布Ｄｙは、Ｙ軸方向における強度分布を表す。Ｙ軸方向において照射位置が移動する間においてレーザビーム１０の強度は一定である。強度分布Ｄｘは、Ｘ軸方向における強度分布を表す。Ｘ軸方向のプラス向きに照射位置が移動するに従いレーザビーム１０の強度は低下する。

強度分布調整部１９は、レーザビーム１０の強度を変化させながらレーザビーム１０を移動させる方法以外の方法によって強度分布を調整しても良い。強度分布調整部１９は、レーザビーム１０の出力の変化、ビーム外形の回転、ビーム外形のサイズ変化、ビーム外形の形状変化、レーザビーム１０の多点ビームへの変更などによって強度分布を調整しても良い。ビーム外形は、レーザビーム１０の断面形状であって、一定強度を表す等高線の形状である。多点ビームは、ビーム外形が２つ以上に分離しているものを指す。互いに分離された複数のビームが、光学系の使用によって重ね合わせられる場合も、多点ビームに含まれる。次に示す図８では、強度分布調整の他の例について説明する。

図８は、図５に示す強度分布調整部による強度分布調整の他の例について説明するための図である。図８に示す第１の例では、強度分布調整部１９は、レーザビーム１０を多点ビームである５つのビーム１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅに変換する。被加工部において、各ビームのスポット５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ，５０ｅの一部同士が重ね合わせられる。強度分布調整部１９は、各ビーム１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅの強度を適宜調整することによって、強度分布を調整する。

図８に示す第２の例において、ビーム１０ｆは、Ｘ軸方向において往復するレーザビーム１０である。強度分布調整部１９は、Ｙ軸方向に対してＸ軸方向へ長い線形の領域においてビーム１０ｆを照射させることで、レーザビーム１０を線形のビーム外形に変換させる場合と同様の効果を得ることができる。強度分布調整部１９は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の少なくとも一方においてレーザビーム１０を移動させることによって、任意のビーム形状にレーザビーム１０を変換させる場合と同様の効果を得ることができる。また、強度分布調整部１９は、ビーム１０ｆのスポット５０ｆを移動させる態様を変化させることで、ビーム１０ｆが照射する領域における強度分布を調整することができる。このように、ガルバノスキャナ３３Ｘとガルバノスキャナ３３Ｙとの少なくとも一方を用いてレーザビーム１０を移動させることを、以下の説明ではラスタスキャンと称することがある。

図８に示す第３の例では、強度分布調整部１９は、レーザビーム１０を、ビーム外形の大きさが互いに異なる２つのビーム１０ｈ，１０ｇに変換する。強度分布調整部１９は、２つのビーム１０ｈ，１０ｇのうちビーム外形が小さいほうのビーム１０ｇをミラー３８で反射させて、ビーム１０ｇのスポット５０ｇをビーム１０ｈのスポット５０ｈに内包させる。このように、１つのビームのスポットを他のビームのスポットに重畳させることを、以下の説明ではスポットインスポットと称することがある。

スポット５０ｈのうちスポット５０ｇが重なり合う領域の強度は、スポット５０ｈのうちスポット５０ｇが重なり合う領域以外の領域よりも高くなる。第３の例において、強度分布調整部１９は、スポットインスポットを用いることで、強度分布を調整する。さらに、強度分布調整部１９は、ミラー３８を動かすことによって、スポット５０ｈの外形を変化させずに、スポット５０ｈ内の強度分布を変化させることができる。強度分布調整部１９は、ミラー３８の代わりにプリズムを用いることによってスポットインスポットを実現しても良い。

このように、強度分布調整部１９は、多点ビーム、ラスタスキャン、またはスポットインスポットのうちのいずれかを用いて、強度分布を調整することができる。強度分布調整部１９は、被加工物におけるレーザビーム１０の強度分布をさまざまな強度分布へ変換させることができる。強度分布調整部１９は、多点ビーム、ラスタスキャン、およびスポットインスポットのうちの２つ以上を組み合わせて、強度分布を調整しても良い。この他、強度分布調整部１９は、非球面レンズ、光干渉、ズーム光学、ビームシェーパ、イメージローテータなどを用いることによって強度分布を調整しても良い。

付加製造装置１００は、強度分布調整部１９でのこのような調整によって、レーザ出力を低下させずに、被加工物におけるレーザビーム１０の強度分布を自在に変化させることができる。付加製造装置１００は、レーザ出力を低下させないことで、加工速度を低下させずに強度分布を最適化させることができる。付加製造装置１００は、加工速度を低下させないことで、高速な加工を実現できる。

実施の形態１によると、付加製造装置１００は、強度分布調整部１９により設計データ２６に基づいて強度分布を調整することで、溶加材を溶融させる際における入熱量の過不足を低減させることができる。これにより、付加製造装置１００は、造形物を高精度に製造することができるという効果を奏する。

実施の形態２．
実施の形態２では、単体の線ビードの中で入熱量が不足する領域においてレーザビーム１０の強度を高くする調整を行う場合について説明する。図９は、実施の形態２にかかる付加製造装置の動作について説明するための図である。図１０は、実施の形態２における強度分布の調整について説明するための第１の図である。図１１は、実施の形態２における強度分布の調整について説明するための第２の図である。実施の形態２では、上記の実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１とは異なる構成について主に説明する。

実施の形態２において、強度分布演算部４５は、設計データ２６と設定された加工条件と設定された強度分布とに基づいてビード８の形成時における被加工物の入熱量を推定し、入熱量に基づいて強度分布を変更する。

付加製造装置１００は、線ビードであるビード８を形成する際に、加工開始位置であるｘ１にレーザビーム１０の照射位置が合うように、加工ヘッド３を移動させる。付加製造装置１００は、レーザビーム１０の出力をオンにする。それと同時に、付加製造装置１００は、図１１に示すように、一定の供給量Ｗでのワイヤ５の送給と、一定の送り速度Ｆでの加工ヘッド３の移動とを開始する。付加製造装置１００は、加工終了位置であるｘ３まで、移動経路に沿って加工ヘッド３を移動させる。ｘ２は、移動経路上の位置であって、ｘ１とｘ３との間の位置とする。加工点９は、Ｘ軸方向のプラス向きへ移動するものとする。

加工点９において被加工物が溶融することによって、溶融池が形成される。加工点９の移動に伴って、加工点９が通り過ぎた位置の溶融池が固化するとともに、加工点９の移動先にて被加工物が溶融することによって、加工の進行に伴って溶融池の位置が移動する。溶融池には逐次ワイヤ５が送給される。加工点９が通り過ぎた位置において、溶融池とワイヤ５の溶融物とが固化することによって、ビード８が形成される。

加工点９がｘ３に到達したときに、付加製造装置１００は、加工ヘッド３を停止させる。それと同時に、付加製造装置１００が、レーザビーム１０の出力をオフにするとともに、ワイヤ５の送給を停止する。付加製造装置１００は、必要に応じてワイヤ５を引き戻すことによって、溶融池からワイヤ５を引き抜く。

図９には、強度分布調整部１９による強度分布の変更前における被加工物の入熱量を表すグラフと、強度分布調整部１９による強度分布の変更後における被加工物の入熱量を表すグラフとを示している。図１０に示すように、被加工物におけるビーム形状５１は、一辺の長さがｄである正方形とする。変更前における強度分布は、Ｄ１とする。入熱量は、被加工物におけるＸ軸方向の単位長さにおける熱量とする。入熱量は、ビーム出力Ｐを送り速度Ｆで割ることにより、Ｐ／Ｆと表される。入熱量の単位はＪ／ｍｍである。

ｘ１からｘ３まで、強度分布Ｄ１のレーザビーム１０を移動させる場合において、ｘ１では、レーザビーム１０の出力がオンになるのと同時に加工ヘッド３の移動が開始される。レーザビーム１０の中心がｘ１であるときにおけるレーザビーム１０の照射領域では、ｘ２寄りの部分ほど入熱量が多くなる。当該照射領域のうち入熱量が少ない部分では溶融させた溶加材の付加量が少なくなる一方、付加されず余剰となった溶加材が、入熱量が多いｘ２寄りの部分へ付加される。このため、加工開始時におけるレーザビーム１０の照射領域では、ｘ２寄りの部分にて付加される溶加材が多くなることによる形状誤差が生じ易い。レーザビーム１０の中心がｘ３であるときにおけるレーザビーム１０の照射領域では、ｘ２寄りの部分ほど入熱量が多くなるため、余剰となった溶加材がｘ２寄りの部分へ付加される。加工終了時におけるレーザビーム１０の照射領域でも、ｘ２寄りの部分にて付加される溶加材が多くなることによる形状誤差が生じ易い。このため、設計データ２６と設定された加工条件と設定された強度分布とに基づいてビード８が形成された場合でも、ビード８のうち加工開始位置である端と加工終了位置である端とにおいて、形状精度が低下し易い。

強度分布演算部４５は、入熱量を推定し、所望の形状のビード８を形成するために必要な入熱量に対して不足する入熱量を計算する。強度分布演算部４５は、入熱量の不足が生じる領域について、入熱量の不足を補い得る強度分布を求める。このように、強度分布演算部４５は、推定された入熱量に基づいて強度分布を変更する。

例えば、レーザビーム１０の中心がｘ３に到達したときにおけるレーザビーム１０の照射領域では、図９に示すＡ１に相当する入熱量が不足する。強度分布演算部４５は、当該領域に対して、Ａ１に相当する熱量を補填可能な強度分布Ｄ３を求める。入熱量の不足を補うために必要な熱量は、入熱量であるＰ／Ｆに、Ｘ軸方向におけるビーム形状５１の幅であるｄを掛け合わせて、（Ｐ／Ｆ）×ｄ×（１／２）＝（Ｐ×ｄ）／（２×Ｆ）と算出される。ｘ３が加工終了位置であることから、強度分布演算部４５は、当該領域では、Ｘ軸方向のプラス側ほど入熱量が少ないと推定する。強度分布演算部４５は、かかる推定に基づいて、Ｘ軸方向のプラス側ほど強度が高くなるような強度分布Ｄ３を求める。このように、強度分布演算部４５は、当該領域における入熱量の分布を推定し、推定された分布に適合する強度分布Ｄ３を求める。

当該領域におけるレーザビーム１０の強度をＰ’、照射時間をｓとして、入熱量の不足を補うために必要な照射時間は、ｓ＝（１／Ｐ’）×（Ｐ×ｄ）／（２×Ｆ）と算出される。当該領域におけるレーザビーム１０の強度がＰのままである場合、すなわちＰ’＝Ｐである場合、照射時間は、ｓ＝ｄ／（２×Ｆ）と算出される。

レーザビーム１０の中心がｘ１であるときにおけるレーザビーム１０の照射領域については、レーザビーム１０の中心がｘ３に到達したときの場合と同様に、必要となる熱量と照射時間とを算出することができる。ｘ１が加工開始位置であることから、強度分布演算部４５は、当該領域では、Ｘ軸方向のうちマイナス側ほど入熱量が少ないと推定する。強度分布演算部４５は、かかる推定に基づいて、Ｘ軸方向のマイナス側ほど強度が高くなるような強度分布Ｄ２を求める。このように、強度分布演算部４５は、当該領域における入熱量の分布を推定し、推定された分布に適合する強度分布Ｄ２を求める。

図１１に示すように、強度分布演算部４５は、レーザビーム１０がｘ１から移動を開始するタイミングを含む時間Ｔ１においてｘ１における強度分布をＤ２へ変更する。強度分布調整部１９は、強度分布をＤ２とする調整を行う。強度分布演算部４５は、レーザビーム１０がｘ３に到達したタイミングを含む時間Ｔ３における強度分布をＤ３へ変更する。強度分布調整部１９は、強度分布をＤ３とする調整を行う。強度分布調整部１９は、レーザビーム１０がｘ１からｘ３へ移動するまでの時間Ｔ２において強度分布の調整を行わず、強度分布をＤ１のままにさせる。

このように、強度分布演算部４５は、加工点９がｘ１であるときにレーザビーム１０が照射する領域と、加工点９の位置がｘ３であるときにレーザビーム１０が照射する領域とについて、入熱量を推定して、推定された入熱量に基づいて強度分布を変更する。これにより、付加製造装置１００は、ｘ１からｘ３までにおいて入熱量を一定にさせることができる。付加製造装置１００は、ｘ１からｘ３までにおける形状精度が高いビード８を形成することができる。付加製造装置１００は、加工開始位置と加工終了位置とにおけるビード８の形状精度を向上させることができることによって、造形物を高精度に製造することが可能となる。

図１１に示す例では、強度分布演算部４５は、レーザビーム１０の中心がｘ１であるときの強度分布がＤ２、レーザビーム１０の中心がｘ３であるときの強度分布がＤ３となるように、強度分布を調整する。強度分布演算部４５は、かかる方法によって強度分布を調整するものに限られない。ここで、実施の形態２における強度分布調整の変形例について説明する。

図１２は、実施の形態２における強度分布調整の変形例について説明するための図である。ここでは、強度分布調整の２つの変形例について説明する。図１２の（ａ）には、変形例１にかかる強度分布調整による強度分布の変化を模式的に表している。図１２の（ｂ）には、変形例２にかかる強度分布調整による強度分布の変化を模式的に表している。図１２の（ａ）および（ｂ）では、ｘ２からｘ３へレーザビーム１０を移動させてレーザビーム１０をオフにするまでにおいて、レーザビーム１０の強度分布が変化しながらレーザビーム１０が移動する様子を表している。図１２の（ａ）および（ｂ）において、縦軸「ｔ」は時間を表す。

図１２の（ａ）に示す変形例１では、レーザビーム１０の中心がｘ３に到達する前から強度分布を変化させることによって、レーザビーム１０の中心がｘ３に到達したときの照射領域における入熱量の不足を補う。レーザビーム１０がｘ２からｘ３へ向かうとき、レーザビーム１０の強度分布はＤ１である。ｘ３－ｄの位置に照射領域の中心が到達したタイミングから、照射領域の中心がｘ３に到達するまでの期間Δｔａにおいて、強度分布演算部４５は、Ｄ１から強度分布を変更する。強度分布演算部４５は、ｘ３が中心かつ幅がｄである領域内において、Ｘ軸方向のプラス側ほど強度が高くなるように、強度分布を変更する。レーザビーム１０の中心がｘ３に到達したタイミングにて、付加製造装置１００は、ワイヤ５の送給とレーザビーム１０の照射とを停止させる。付加製造装置１００は、このような強度分布の調整によって、入熱量の不足を補う。

強度分布演算部４５は、ｘ１からレーザビーム１０の移動を開始する際も、ｘ３にレーザビーム１０が到達するときと同じ要領により強度分布を変更する。強度分布演算部４５は、ｘ１が中心かつ幅がｄである領域内において、Ｘ軸方向のマイナス側ほど強度が高くなるように、強度分布を変更する。その後、レーザビーム１０の強度分布はＤ１へ変更されて、レーザビーム１０はｘ１からｘ２へ移動する。変形例１によると、付加製造装置１００は、ｘ１とｘ３とにおける強度分布の調整によって、ビード８のうちｘ１における端とｘ３における端とにおける形状精度の低下を防ぐことができる。変形例１の場合、図１１に示す例による強度分布調整の場合と比較して、加工時間を短縮することができる。

図１２の（ｂ）に示す変形例２では、レーザビーム１０の中心がｘ３に到達したときからレーザビーム１０の幅を縮小させるとともにレーザビーム１０の移動を継続させることによって、入熱量の不足を補う。レーザビーム１０がｘ２からｘ３へ向かうとき、レーザビーム１０の強度分布はＤ１である。照射領域の中心がｘ３に到達したタイミングにて、付加製造装置１００は、ワイヤ５の送給を停止する。ｘ３の位置に照射領域の中心が到達したタイミングから、レーザビーム１０の照射を停止するまでの期間Δｔｂにおいて、レーザビーム１０の移動が継続される。強度分布演算部４５は、期間Δｔｂにおいてレーザビーム１０の移動が継続される間、照射領域の幅を変化させることによって強度分布を変更する。強度分布演算部４５は、ｘ３＋２／ｄの位置よりもＸ軸方向のプラス側へ照射領域がはみ出ないように、Ｘ軸方向における照射領域の幅を漸次小さくさせる調整を行う。付加製造装置１００は、照射領域の幅を漸次小さくさせながらレーザビーム１０の移動を継続させた後、レーザビーム１０の照射を停止させる。付加製造装置１００は、このような強度分布の調整によって、入熱量の不足を補う。

強度分布演算部４５は、ｘ１からレーザビーム１０の移動を開始する前にも、ｘ３にレーザビーム１０が到達した後と同じ要領により強度分布を変更する。付加製造装置１００は、ｘ１よりもＸ軸方向マイナス側にておいてレーザビーム１０の照射を開始して、レーザビーム１０を移動させる。レーザビーム１０の照射開始時において、Ｘ軸方向における照射領域の幅は、ｄよりも小さい。強度分布演算部４５は、レーザビーム１０の中心がｘ１に到達したときにＸ軸方向における照射領域の幅がｄとなるように、照射領域の幅を漸次大きくする。強度分布演算部４５は、ｘ１－２／ｄの位置よりもＸ軸方向のマイナス側へ照射領域がはみ出ないように、照射領域の幅を調整する。レーザビーム１０の中心がｘ１に到達したときに強度分布はＤ１へ変更されて、レーザビーム１０はｘ１からｘ２へ移動する。変形例２によると、付加製造装置１００は、ｘ１とｘ３とにおける強度分布の調整によって、ビード８のうちｘ１における端とｘ３における端とにおける形状精度の低下を防ぐことができる。変形例２の場合、レーザビーム１０のエネルギー密度を変更せずに強度分布を調整することができる。

実施の形態２によると、付加製造装置１００は、ビード８の形成時における被加工物の入熱量を推定し、入熱量に基づいて強度分布を変更する。付加製造装置１００は、入熱量の不足を低減できることによって、設計データ２６に示される３次元形状からの形状のずれを低減させることができる。これにより、付加製造装置１００は、造形物を高精度に製造することができるという効果を奏する。

実施の形態３．
実施の形態３では、曲線状の線ビードの中で入熱量が不足する領域においてレーザビーム１０の強度を高くする調整を行う場合について説明する。図１３は、実施の形態３にかかる付加製造装置の動作について説明するための図である。図１４は、実施の形態３における強度分布の調整について説明するための図である。実施の形態３では、上記の実施の形態１または２と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１または２とは異なる構成について主に説明する。

実施の形態３において、強度分布演算部４５は、設計データ２６と設定された加工条件と設定された強度分布とに基づいてビード８の形成時における被加工物の入熱量を推定し、入熱量に基づいて強度分布を変更する。

実施の形態３では、付加製造装置１００が半径Ｒの円弧状のビード８を形成する場合を例とする。被加工物におけるビーム形状５１は、図１０に示す場合と同様に、一辺の長さがｄである正方形とする。変更前における強度分布は、Ｄ１とする。付加製造装置１００は、円弧状の移動経路に沿って一定の送り速度で加工点９を移動させる。

円弧に沿ってレーザビーム１０を移動させると、ビーム形状５１が通る領域では、内周側ほど入熱量が多くなり、外周側ほど入熱量が少なくなる。すなわち、図１４に示すように、ビーム形状５１が通る領域のうち内周側の端ｘｒ１では、当該領域のうち径方向における中心に比べて入熱量が多くなる。また、ビーム形状５１が通る領域のうち外周側の端ｘｒ２では、当該領域のうち径方向における中心に比べて入熱量が少なくなる。

端ｘｒ２と、中心と、端ｘｒ１との各々における入熱量の比は、円弧の長さの比によって表すことができる。すなわち、端ｘｒ２と、中心と、端ｘｒ１との各々における入熱量の比は、２π（Ｒ＋ｄ／２）：２πＲ：２π（Ｒ－ｄ／２）と表される。

強度分布演算部４５は、ビーム形状５１が通る領域における入熱量を推定し、所望の形状のビード８を形成するために必要な入熱量に対して不足する入熱量を計算する。また、強度分布演算部４５は、入熱量の過不足を補い得る強度分布を求める。このように、強度分布演算部４５は、推定された入熱量に基づいて強度分布を変更する。

強度分布演算部４５は、ビーム形状５１が通る領域のうち中心よりも内周側では、入熱量の過剰分を少なくさせるように強度分布を変更する。強度分布演算部４５は、ビーム形状５１が通る領域のうち中心よりも外周側では、入熱量の不足分を補うように強度分布を変更する。強度分布演算部４５は、決定されたビード形状を基に、内周側ほど入熱量が多く、かつ外周側ほど入熱量が少ないと推定する。強度分布演算部４５は、かかる推定に基づいて、内周側ほど強度が低く、かつ外周側ほど強度が高くなるような強度分布Ｄ４を求める。このように、強度分布演算部４５は、当該領域における入熱量の分布を推定し、推定された分布に適合する強度分布Ｄ４を求める。

付加製造装置１００は、ビーム形状５１が通る領域の内周側から外周側において、入熱量を一定にさせることができる。付加製造装置１００は、内周側から外周側における形状精度が高いビード８を形成することができる。付加製造装置１００は、加工開始位置と加工終了位置とにおけるビード８の形状精度を向上させることができることによって、造形物を高精度に製造することが可能となる。実施の形態３によると、付加製造装置１００は、加工速度を低下させなくても、形状精度が高い造形物を製造することができる。

実施の形態４．
実施の形態４では、被加工物の溶融状態と溶加材の溶融状態とを測定した結果に基づいて強度分布を調整する場合について説明する。図１５は、実施の形態４にかかる付加製造装置の動作について説明するための図である。図１５には、ビード８の形成時におけるワイヤ５とワイヤ送給器７とビード８とを加工ヘッド３側から観察した様子を示している。図１５には被加工物であるビード８を示している。実施の形態４では、上記の実施の形態１から３と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１から３とは異なる構成について主に説明する。

強度分布調整部１９は、１つのビームのスポット５２ａを他の１つのビームのスポット５２ｂに重畳させる。すなわち、強度分布調整部１９は、スポットインスポットを用いて、強度分布を調整する。スポット５２ａの外形は、Ｘ軸方向の長軸を有する楕円形である。スポット５２ａは、ワイヤ５の先端部を照射する。スポット５２ｂの外形は、矩形である。スポット５２ｂは、ワイヤ５の先端部と、ワイヤ５の先端部の周囲とを照射する。

ワイヤ５が溶融状態を維持可能なレーザビーム１０の強度をＰａ、被加工物が溶融状態を維持可能なレーザビーム１０の強度をＰｂとする。被加工物の溶融状態とワイヤ５の溶融状態とのそれぞれを維持するために、強度分布調整部１９は、スポット５２ａの強度をＰａ、スポット５２ｂの強度をＰｂにそれぞれ調整する。

強度分布調整部１９は、ワイヤ５の溶融状態の測定結果として、センサユニット２０によって測定されたワイヤ５の温度の値を取得する。強度分布調整部１９は、被加工物の溶融状態の測定結果として、センサユニット２０によって測定された被加工物の温度の値を取得する。強度分布調整部１９は、ワイヤ５の融点と、ワイヤ５におけるレーザビーム１０の吸収率と、ワイヤ５の熱容量とに基づいて、ワイヤ５の溶融状態を推定しても良い。強度分布調整部１９は、被加工物の融点と、被加工物におけるレーザビーム１０の吸収率と、被加工物の熱容量とに基づいて、被加工物の溶融状態を推定しても良い。

強度分布調整部１９は、ワイヤ５におけるレーザビーム１０の強度と被加工物におけるレーザビーム１０の強度とを個別に制御することによって、ワイヤ５の溶融状態と被加工物の溶融状態とを維持させることができる。付加製造装置１００は、ワイヤ５と被加工物とに反射率などの物性の違いがある場合でも、ワイヤ５と被加工物との双方を適切に溶融させることができる。また、付加製造装置１００は、被加工物に傾斜がある場合などのように、被加工物におけるエネルギー密度が低下する状況においても、ワイヤ５と被加工物との双方を適切に溶融させることができる。実施の形態４によると、付加製造装置１００は、溶加材と被加工物とを安定して溶融させることができることによって、造形物を高精度に製造することができる。

実施の形態５．
実施の形態５では、任意の内部構造を有する造形物を製造するための強度分布の変更について説明する。図１６は、実施の形態５にかかる付加製造装置の動作について説明するための図である。図１６では、点ビードの形成についての３つの例を示している。３つの例の各々について、Ｘ軸方向およびＹ軸方向におけるビーム形状と、点ビードの側面とを示している。実施の形態５では、上記の実施の形態１から４と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１から４とは異なる構成について主に説明する。

第１の例におけるビード５３ａは、円形のビーム外形を有するレーザビーム１０を照射することによって形成される点ビードである。レーザビーム１０の強度分布は、強度分布調整部１９による変更が行われていないときの強度分布であるＤ１０とする。図１６には、６×４個のビード５３ａが基材１１に形成された様子を示している。

付加製造装置１００は、ビード５３ａの間隔を適宜調整することによって、複数のビード５３ａを隙間無く並べることができる。付加製造装置１００は、隙間なく並べられた複数のビード５３ａの層を複数積み重ねることによって、中実のブロック形状を製造することができる。

第２の例において、ビード５３ｂとビード５３ｃとは、互いに同じ矩形の点ビードである。加工ヘッド３からビード５３ｂとビード５３ｃとを見た場合において、ビード５３ｂは、ビード５３ｃを４５度回転させたものである。ビード５３ｂを形成するときのビーム外形は、ビード５３ｃを形成するときのビーム外形を４５度回転させたものである。強度分布調整部１９は、ビード５３ｂが形成されるときの強度分布であるＤ１１を、ビード５３ｃが形成される強度分布であるＤ１２から４５度回転させるように、Ｄ１１とＤ１２とを変更する。

ビード５３ｂ同士の間隔と、ビード５３ｃ同士の間隔とは、互いに同じである。ビード５３ｃ同士が隙間無く並べられるのに対し、ビード５３ｂ同士の間には隙間が形成される。このため、複数のビード５３ｂが配置される密度は、複数のビード５３ｃが配置される密度よりも低くなる。このように、強度分布調整部１９は、強度分布の変更によってビーム外形を回転させることによって、内部構造における材料の密度が互いに異なる造形物を製造することができる。

第３の例において、ビード５３ｄとビード５３ｅとは、互いに同じ楕円形の点ビードである。加工ヘッド３からビード５３ｄとビード５３ｅとを見た場合において、ビード５３ｅは、ビード５３ｄを４５度回転させたものである。ビード５３ｅを形成するときのビーム外形は、ビード５３ｄを形成するときのビーム外形を４５度回転させたものである。強度分布調整部１９は、ビード５３ｄが形成されるときの強度分布であるＤ１３を、ビード５３ｅが形成される強度分布であるＤ１４から４５度回転させるように、Ｄ１３とＤ１４とを変更する。

ビード５３ｄと、ビード５３ｅとは、Ｘ軸方向とＹ軸方向との各々において、一定の間隔で交互に配置される。複数のビード５３ｄと複数のビード５３ｅとが並べられることによって、２つのビード５３ｄと２つのビード５３ｅとによって囲まれた隙間が形成される。付加製造装置１００は、ビード５３ｄおよびビード５３ｅの層を複数積み重ねることによって、中空構造を有する造形物を製造することができる。

実施の形態５によると、付加製造装置１００は、強度分布調整部１９による強度分布の調整によってビーム外形を変化させる。付加製造装置１００は、ビーム外形を変更することによって、任意の内部構造を有する造形物を製造することができる。

実施の形態６．
実施の形態６では、被加工物の温度分布に基づいて強度分布を調整する例について説明する。図１７は、実施の形態６にかかる付加製造装置の動作について説明するための第１の図である。図１８は、実施の形態６にかかる付加製造装置の動作について説明するための第２の図である。図１７には、ビード８の形成時におけるビード８と溶融池５５とを加工ヘッド３側から観察した様子を示している。図１７では、溶融池５５へ供給されているワイヤ５の図示は省略する。実施の形態６では、上記の実施の形態１から５と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１から５とは異なる構成について主に説明する。

実施の形態６において、ビーム外形は、直径がｄである円形とする。図１７において、加工点９は、Ｘ軸方向においてプラス向きに移動している。センサユニット２０に備えられている温度計は、第１の測定ライン５６Ａにおける被加工物の温度分布を測定する。第１の測定ライン５６Ａは、移動経路上の位置を通る線分であって、移動経路に垂直な線分である。第１の測定ライン５６Ａと移動経路との交点は、現在の加工点９よりも先の位置である。

温度計は、加工ヘッド３に固定されている。第１の測定ライン５６Ａは、加工点９の移動とともに移動経路の前方へ移動する。被加工物上の位置を第１の測定ライン５６Ａが通過してから当該位置を加工点９が通過するまでの時間が分かるのであれば、加工点９と第１の測定ライン５６Ａとの距離は、固定されていても、固定されていなくても良い。強度分布調整部１９は、第１の測定ライン５６Ａにおける温度の測定結果に基づいて、レーザビーム１０の強度分布を調整する。

図１８には、温度計による測定結果である測定値の分布と、強度分布の変換のための変換値の分布と、変換値に基づいて変換された後の強度分布とを示している。図１８に示す測定値の分布は、Ｙ軸方向における分布である。強度分布演算部４５は、温度値の分布における測定値とは大小が逆である変換値を求め、変換値に基づいて強度分布を変更する。

第１の測定ライン５６Ａにおける温度の測定値の分布をＴ（ｙ）、溶融池５５の目標温度をα、係数をβとすると、目標温度の溶融池５５を得るための強度分布は、β｛α－Ｔ（ｙ）｝と表される。Ｔ（ｙ）は、Ｙ軸方向における位置ごとにおける測定値を表す。｛α－Ｔ（ｙ）｝は、目標温度と測定値との差を表す。第１の測定ライン５６Ａが通過したある位置に加工点９が到達したとき、強度分布調整部１９は、レーザビーム１０の強度分布をβ｛α－Ｔ（ｙ）｝へ調整する。

βは、主に、被加工物におけるレーザビーム１０の吸収率と、被加工物の熱容量によって決まる係数である。βの値は、計算によって求められる。βの値は、試し加工の結果に基づいて補正されても良い。

実施の形態６によると、付加製造装置１００は、被加工物の温度分布に基づいてレーザビーム１０の強度分布を調整することによって、溶融池５５における温度分布を均一にすることができる。付加製造装置１００は、ビード８の形状精度を向上させることができ、形状精度が高い造形物を製造することができる。

なお、付加製造装置１００は、図１７に示す第２の測定ライン５６Ｂにおける温度の測定結果に基づいてαおよびβの各値を逐次補正しても良い。この場合、センサユニット２０に備えられている温度計は、第２の測定ライン５６Ｂにおける被加工物の温度分布を測定する。第２の測定ライン５６Ｂは、移動経路上の位置を通る線分であって、移動経路に垂直な線分である。第２の測定ライン５６Ｂと移動経路との交点は、現在の加工点９よりも後の位置である。付加製造装置１００は、αおよびβを補正することによって、形状精度が高い造形物を製造することができる。

実施の形態７．
実施の形態７では、被加工物の形状に基づいて強度分布を調整する場合について説明する。図１９は、実施の形態７にかかる付加製造装置の動作について説明するための第１の図である。図２０は、実施の形態７にかかる付加製造装置の動作について説明するための第２の図である。実施の形態７では、上記の実施の形態１から６と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１から６とは異なる構成について主に説明する。

被加工物である２つのビード８は、Ｘ軸方向に並べられている。図１９には、２つのビード８の間の凹部５８にビード８を形成するときの様子を示している。実施の形態７において、スポット外形は、一辺の長さがｄである正方形とする。変更前における強度分布は、図１０に示す場合と同様のＤ１とする。

図１９において、加工点９は、Ｙ軸方向においてプラス向きに移動している。センサユニット２０に備えられている形状測定器は、測定ライン５９における被加工物の高さの分布を測定する。高さは、Ｚ軸方向における高さである。測定ライン５９は、移動経路上の位置を通る線分であって、移動経路に垂直な線分である。測定ライン５９と移動経路との交点は、現在の加工点９よりも先の位置である。強度分布調整部１９は、測定ライン５９における高さの測定結果に基づいて、レーザビーム１０の温度分布を調整する。

図２０には、測定ライン５９における被加工物の断面の形状と、高さの測定結果である測定値の分布と、測定値を微分した結果である微分値の分布と、当該微分値の絶対値と、当該絶対値に基づいて変換された後の強度分布とを示している。図２０に示す測定値の分布は、Ｘ軸方向における分布である。

測定ライン５９における測定値の分布をＨ（ｘ）とする。Ｈ（ｘ）は、Ｙ軸方向における位置ごとにおける測定値を表す。被加工物における入熱量を均一にするためには、Ｘ軸に対する被加工物の表面の傾斜が大きくなるに従って、供給するエネルギーを多くする必要がある。かかる傾斜は、ｄＨ（ｘ）／ｄｘと表される。図２０に示す微分値は、被加工物の表面における傾斜の分布を表す。Ｘ軸と被加工物の表面との角度をθとすると、θ＝ａｒｃｔａｎ｜ｄＨ（ｘ）／ｄｘ｜が成り立つ。必要な強度分布は、Ｄ１（ｘ）と１／ｃｏｓ（θ）との積であるＤ１（ｘ）／ｃｏｓ（θ）と表すことができる。強度分布調整部１９は、θ＝ａｒｃｔａｎ｜ｄＨ（ｘ）／ｄｘ｜として、レーザビーム１０の強度分布をＤ１（ｘ）／ｃｏｓ（θ）へ調整する。

実施の形態７によると、付加製造装置１００は、被加工物の形状に基づいてレーザビーム１０の強度分布を調整することによって、被加工物における入熱量を均一にすることができる。付加製造装置１００は、ビード８の形状精度を向上させることができ、形状精度が高い造形物を製造することができる。付加製造装置１００は、入熱量が部分的に不足することによる濡れ性の低下を低減できる。これにより、付加製造装置１００は、加工精度の低下と空隙の発生とを抑制することができる。

実施の形態８．
実施の形態８では、設計データ２６に適合した強度分布の選び方について説明する。実施の形態８では、レーザビーム１０のビーム外形を、円形と矩形との２つから選択可能であるものとする。実施の形態８では、強度分布調整部１９は、設計データ２６により指定された形状に基づいて強度分布を調整する。実施の形態８では、上記の実施の形態１から７と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１から７とは異なる構成について主に説明する。

図２１は、実施の形態８において形成される第１のビードについて説明するための図である。図２２は、実施の形態８において形成される第２のビードについて説明するための図である。図２１に示す第１のビード６０ａは、ビーム外形が円形であるレーザビーム１０を用いて形成される線ビードである。図２２に示す第２のビード６０ｂは、ビーム外形が矩形であるレーザビーム１０を用いて形成される線ビードである。

図２３は、実施の形態８にかかる付加製造装置において第１のビードを用いて製造される造形物について説明するための第１の図である。図２４は、実施の形態８にかかる付加製造装置において第１のビードを用いて製造される造形物について説明するための第２の図である。実施の形態８では、Ｘ軸方向における長さがＬ、Ｙ軸方向における幅がＭ、Ｚ軸方向における高さがＨである造形物を製造する場合について説明する。

第１のビード６０ａを形成する際における加工開始位置から加工終了位置までの距離をＸＬ１とする。第１のビード６０ａのうち、加工開始側の第１端と加工終了側の第２端とは、どちらも半球形となる。第１端の半球形の半径をａ１１、第２端の半球形の半径をａ１２とすると、第１のビード６０ａのＸ軸方向における長さは、ＸＬ１＋ａ１１＋ａ１２と表される。第１のビード６０ａのＹ軸方向における幅はｃ１、第１のビード６０ａのＺ軸方向における高さはｈ１とする。

図２３には、４つの第１のビード６０ａが形成されたときの様子と、設計データ２６の３次元形状情報に示される製品形状６１とを示している。製品形状６１よりも大型の付加加工形状を得るために、４つの第１のビード６０ａが必要となる。なお、付加加工形状のうち製品形状６１からはみ出た部分は、後加工である切削加工により除去される。

図２４には、図２３に示す４つの第１のビード６０ａのうち、最初の１つが形成されたときの様子を示している。１つの第１のビード６０ａが形成されるときにおける移動経路である加工パス６２の長さは、Ｌと同じ長さであるＸＬ１である。第１のビード６０ａのうち、第１端側における長さａ１１の部分と、第２端側における長さａ１２の部分とは、切削加工により除去される。第１のビード６０ａの幅ｃ１にも、製品形状６１からはみ出る部分が含まれている。幅ｃ１のうち製品形状６１からはみ出る部分は、切削加工により除去される。第１のビード６０ａの高さｈ１にも、製品形状６１からはみ出る部分が含まれている。高さｈ１のうち製品形状６１からはみ出る部分は、切削加工により除去される。Ｙ軸方向における加工パス６２の位置は、ｃ１とｈ１とが最小となるように決定される。

最初の第１のビード６０ａが形成されるときの加工パス６２と、２番目の第１のビード６０ａが形成されるときの加工パス６２との間隔をＹｐとする。Ｙｐは、２つの第１のビード６０ａの各々における頂点が互いに同じ高さの位置となるように設定される。頂点とは、第１のビード６０ａのうちＺ軸方向において最も高い位置とする。Ｙｐは、第１のビード６０ａの断面形状から算出される。Ｙｐは、試し加工の結果に基づいて決定されても良い。移動パス６３は、加工を行わず加工ヘッド３を移動させる経路である。図２４には、４つの第１のビード６０ａを形成する場合における加工パス６２と移動パス６３とを示している。加工パス６２と移動パス６３とは、図２に示す経路生成部４２によって決定される。

図２２に示すように、第２のビード６０ｂを形成する際における加工開始位置から加工終了位置までの距離をＸＬ２とする。第２のビード６０ｂのうち、加工開始側の第１端と加工終了側の第２端とは、どちらも立方体状となる。第１端の立方体部分におけるＸ軸方向の幅をａ２１、第２端の立方体部分におけるＸ軸方向の幅をａ２２とすると、第２のビード６０ｂのＸ軸方向における長さは、ＸＬ２＋ａ２１＋ａ２２と表される。第２のビード６０ｂのＹ軸方向における幅はｃ２、第２のビード６０ｂのＺ軸方向における高さはｈ２とする。

図２５は、実施の形態８にかかる付加製造装置において第２のビードを用いて製造される造形物について説明するための図である。図２５には、３つの第２のビード６０ｂが形成されたときの様子と、設計データ２６の３次元形状情報に示される製品形状６１とを示している。製品形状６１よりも大型の付加加工形状を得るために、３つの第２のビード６０ｂが必要となる。

１つの第２のビード６０ｂが形成されるときにおける加工パス６２の長さは、１つの第１のビード６０ａが形成されるときにおける加工パス６２の長さよりも短い。すなわち、ＸＬ１＞ＸＬ２が成り立つ。また、ａ１１＞ａ２１，ａ１２＞ａ２２，ｃ１＞ｃ２，ｈ１＞ｈ２が成り立つ。すなわち、ビーム外形が円形である場合とビーム外形が矩形である場合とを比べると、ビーム外形が矩形である場合のほうが、製品形状６１に対して余剰となる材料の体積が少なくなる。さらに、第２のビード６０ｂにより付加加工形状を製造する場合は、第１のビード６０ａにより付加加工形状を製造する場合よりもビード数が少ない。

図２に示す強度分布演算部４５は、ビーム外形が円形である場合とビーム外形が矩形である場合とについて造形を評価する。強度分布演算部４５は、経路生成部４２によって加工パス６２および移動パス６３が決定されると、付加加工形状と加工時間とに基づいて造形を評価する。図２３から図２５に示す例の場合、強度分布演算部４５は、ビーム外形が矩形である場合のほうが、ビーム外形が円形である場合よりも加工時間を短縮することができると評価する。強度分布演算部４５は、加工時間についての評価の結果を基に、製品形状６１の形成において矩形のビーム外形を選択する。このように、付加製造装置１００は、設計データ２６に基づいて最適なビーム形状を選択することができる。

図２６は、実施の形態８によるビーム形状の選択例について説明するための第１の図である。図２６に示す例では、付加製造装置１００は、正三角形の製品形状６６を製造するために、正三角形のビーム外形６４のレーザビーム１０を使用して線ビードを形成する。付加製造装置１００は、製品形状６６のうちの終点位置６５では、正三角形の点ビードを形成する。

図２７は、実施の形態８によるビーム形状の選択例について説明するための第２の図である。図２７に示す例では、付加製造装置１００は、平行四辺形の製品形状６６を製造するために、平行四辺形のビーム外形６４のレーザビーム１０を使用して線ビードを形成する。

図２８は、実施の形態８によるビーム形状の選択例について説明するための第３の図である。図２８に示す例では、付加製造装置１００は、楕円形の製品形状６６を製造するために、楕円形のビーム外形６４のレーザビーム１０を使用して線ビードを形成する。付加製造装置１００は、製品形状６６のうちの終点位置６５では、楕円形の点ビードを形成する。

実施の形態８によると、付加製造装置１００は、設計データ２６により指定されている３次元形状に合わせてビーム外形を最適化することにより、付加加工形状の余剰分を少なくすることができ、かつ加工時間を短縮することができる。これにより、付加製造装置１００は、造形品を効率良く製造することができる。

実施の形態９．
実施の形態９では、機械学習の手法によって、設計データ２６に適した移動経路と加工条件と強度分布とを学習する例について説明する。図２９は、実施の形態９にかかる付加製造装置が有する演算装置の構成を示すブロック図である。演算装置７０は、付加製造のための演算を行う。図２９には、演算装置７０が有する機能構成を示している。

演算装置７０は、図２に示す演算装置１５と同様に、入力部４１、プログラム生成部４３、データ記憶部４６、評価部４７、ビード形状決定部４８および形状推定部４９を有する。演算装置７０は、機械学習を行う学習装置７１と、加工条件の調整と強度分布を求める演算とを行う推論装置７２と、学習済モデルを記憶するモデル記憶部７３とを有する。

学習装置７１は、設計データ２６により指定されている３次元形状の造形に適する移動経路と加工条件と強度分布とを学習し、学習済モデルを生成する。推論装置７２は、学習済モデルを用いて、造形に適した移動経路と加工条件と強度分布とを推論する。推論装置７２は、経路生成部４２と加工条件調整部４４と強度分布演算部４５との各機能を担う。

図３０は、実施の形態９にかかる付加製造装置が有する学習装置の機能構成を示すブロック図である。学習装置７１は、データ取得部７４とモデル生成部７５とを有する。データ取得部７４は、設計データ２６と、ＮＣ装置１６において実行された加工に用いられた加工プログラム２７と、加工条件情報２８と、強度分布情報である調整指令２９と、測定データ３０とを、学習用データとして取得する。

データ取得部７４は、設計データ２６に含まれる３次元形状情報と、加工プログラム２７に含まれる移動経路の情報と、加工条件情報２８と、調整指令２９とを含むデータセットを作成する。３次元形状情報は、設計データ２６により指定された形状を表す情報である。データ取得部７４は、作成されたデータセットをモデル生成部７５へ出力する。また、データ取得部７４は、測定データ３０をモデル生成部７５へ出力する。

モデル生成部７５は、データセットを用いて学習済モデルを生成する。モデル生成部７５が用いる学習アルゴリズムは、どのようなものであっても良い。一例として、強化学習（Reinforcement Learning）を適用した場合について説明する。強化学習は、ある環境内におけるエージェントである行動主体が、現在の状態を観測し、取るべき行動を決定する、というものである。エージェントは行動を選択することで環境から報酬を得て、一連の行動を通じて報酬が最も多く得られるような方策を学習する。強化学習の代表的な手法として、Ｑ学習（Q－Learning）およびＴＤ学習（TD－Learning）などが知られている。例えば、Ｑ学習の場合、行動価値関数Ｑ（ｓ，ａ）の一般的な更新式である行動価値テーブルは、次の式（１）で表される。行動価値関数Ｑ（ｓ，ａ）は、環境「ｓ」のもとで行動「ａ」を選択する行動の価値である行動価値Ｑを表す。

上記の式（１）において、「ｓ_ｔ」は、時刻「ｔ」における環境の状態を表す。「ａ_ｔ」は、時刻「ｔ」における行動を表す。行動「ａ_ｔ」により、状態は「ｓ_ｔ」から「ｓ_ｔ＋１」へ変わる。「ｒ_ｔ＋１」は、状態が「ｓ_ｔ」から「ｓ_ｔ＋１」へ変わることによってもらえる報酬を表す。「γ」は、割引率を表し、０＜γ≦１を満たす。「α」は、学習係数を表し、０＜α≦１を満たす。実施の形態９において、行動「ａ_ｔ」は、移動経路の情報、加工条件情報２８および調整指令２９である。状態「ｓ_ｔ」は、測定データ３０である。モデル生成部７５は、時刻「ｔ」の状態「ｓ_ｔ」における最良の行動「ａ_ｔ」を学習する。

上記の式（１）により表される更新式は、時刻「ｔ＋１」における最良の行動「ａ」の行動価値が、時刻「ｔ」において実行された行動「ａ」の行動価値Ｑよりも大きければ、行動価値Ｑを大きくし、逆の場合は、行動価値Ｑを小さくする。換言すれば、時刻「ｔ」における行動「ａ」の行動価値Ｑを、時刻「ｔ＋１」における最良の行動価値に近づけるように、行動価値関数Ｑ（ｓ，ａ）を更新する。それにより、ある環境における最良の行動価値が、それ以前の環境における行動価値に順次伝播する。

モデル生成部７５は、報酬計算部７６と関数更新部７７とを有する。報酬計算部７６は、測定データ３０に含まれる形状データと３次元形状情報との差に基づいて報酬を計算する。形状データは、ビード８の形状を表すデータであって、Ｘ軸方向およびＹ軸方向における形状と、Ｚ軸方向における高さとを表す。関数更新部７７は、報酬計算部７６によって計算される報酬に従って、移動経路と、加工条件と、強度分布とを決定するための関数を更新する。関数更新部７７は、関数の更新によって作成された学習済モデルをモデル記憶部７３へ出力する。

報酬計算部７６は、形状データと３次元形状情報との差に基づいて、報酬「ｒ」を計算する。報酬計算部７６は、当該差が小さくなった場合において、報酬「ｒ」を増大させる。報酬計算部７６は、報酬の値である「１」を与えることによって報酬「ｒ」を増大させる。なお、報酬の値は「１」に限られない。また、報酬計算部７６は、当該差が大きくなった場合に、報酬「ｒ」を低減させる。報酬計算部７６は、報酬の値である「－１」を与えることによって報酬「ｒ」を低減させる。なお、報酬の値は「－１」に限られない。センサユニット２０による測定が可能な各種変数、加工条件または強度分布についての制約条件が設計データ２６に含まれる場合、報酬計算部７６は、制約条件を満たさない場合に報酬を低減させても良い。

図３１は、実施の形態９における学習装置の処理手順を示すフローチャートである。図３１のフローチャートを参照して、行動価値関数Ｑ（ｓ，ａ）を更新する強化学習の方法について説明する。

ステップＳ２１において、学習装置７１は、学習用データを取得する。ステップＳ２２において、学習装置７１は、報酬を算出する。ステップＳ２３において、学習装置７１は、報酬に基づいて行動価値関数Ｑ（ｓ，ａ）を更新する。ステップＳ２４において、学習装置７１は、行動価値関数Ｑ（ｓ，ａ）が収束したか否かを判断する。学習装置７１は、ステップＳ２３における行動価値関数Ｑ（ｓ，ａ）の更新が行われなくなることによって行動価値関数Ｑ（ｓ，ａ）が収束したと判定する。

行動価値関数Ｑ（ｓ，ａ）が収束していないと判定された場合（ステップＳ２４，Ｎｏ）、学習装置７１は、動作手順をステップＳ２１へ戻す。行動価値関数Ｑ（ｓ，ａ）が収束したと判定された場合（ステップＳ２４，Ｙｅｓ）、学習装置７１は、図３１に示す手順による学習を終了する。なお、学習装置７１は、ステップＳ２４による判定を行わず、ステップＳ２３からステップＳ２１へ動作手順を戻すことによって学習を継続させることとしても良い。モデル記憶部７３は、生成された行動価値関数Ｑ（ｓ，ａ）である学習済モデルを記憶する。

図３２は、実施の形態９にかかる付加製造装置が有する推論装置の機能構成を示すブロック図である。推論装置７２は、学習済モデルに基づいて、設計データ２６に適した移動経路と加工条件と強度分布とを推論する。推論装置７２は、データ取得部７８と推論部７９とを有する。

データ取得部７８は、設計データ２６を推論用データとして取得する。データ取得部７８は、設計データ２６を推論部７９へ出力する。推論部７９は、モデル記憶部７３から読み出された学習済モデルへ設計データ２６を入力することで、設計データ２６に適した移動経路と加工条件と強度分布とを推論する。

図３３は、実施の形態９における推論装置の処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ３１において、推論装置７２は、データ取得部７８において、推論用データを取得する。ステップＳ３２において、推論装置７２は、推論部７９において、取得されたデータである推論用データを学習済モデルへ入力し、移動経路と加工条件と強度分布とを求める。ステップＳ３３において、推論装置７２は、移動経路の情報と加工条件情報２８と調整指令２９とを出力する。これにより、推論装置７２は、図３３に示す手順による処理を終了する。

実施の形態９では、学習装置７１が用いる学習アルゴリズムに強化学習を適用する場合について説明したが、学習アルゴリズムには、強化学習以外の学習が適用されても良い。学習装置７１は、強化学習以外の公知の学習アルゴリズム、例えば、深層学習（Deep Learning）、ニューラルネットワーク、遺伝的プログラミング、機能論理プログラミングあるいはサポートベクターマシンといった学習アルゴリズムを用いて機械学習を実行しても良い。

実施の形態９では、学習装置７１は、付加製造装置１００に内蔵されている。学習装置７１は、付加製造装置１００に含まれる装置に限られず、付加製造装置１００の外部の装置であっても良い。学習装置７１は、ネットワークを介して付加製造装置１００に接続可能な装置であっても良い。学習装置７１は、クラウドサーバ上に存在する装置であっても良い。

学習装置７１は、複数の付加製造装置１００に対して作成されたデータセットに従って、パラメータを学習しても良い。学習装置７１は、同一の現場で使用される複数の付加製造装置１００からデータセットを取得しても良く、あるいは、互いに異なる現場で使用される複数の付加製造装置１００からデータセットを取得しても良い。データセットは、複数の現場において互いに独立して稼働する複数の付加製造装置１００から収集されたものであっても良い。複数の付加製造装置１００からのデータセットの収集を開始した後に、データセットが収集される対象に新たな付加製造装置１００が追加されても良い。また、複数の付加製造装置１００からのデータセットの収集を開始した後に、データセットが収集される対象から、複数の付加製造装置１００のうちの一部が除外されても良い。

ある１つの付加製造装置１００について学習を行った学習装置７１は、当該付加製造装置１００以外の他の付加製造装置１００についての学習を行っても良い。当該他の付加製造装置１００についての学習を行う学習装置７１は、当該他の付加製造装置１００における再学習によって、出力の予測モデルを更新することができる。

実施の形態９によると、付加製造装置１００は、設計データ２６に適した移動経路と加工条件と強度分布とを推論するための学習済モデルを使用して、移動経路の決定と、加工条件の調整と、強度分布の調整とを行う。付加製造装置１００は、設計データ２６に基づいて強度分布および加工条件を調整することで、溶加材を溶融させる際における入熱量の過不足を低減させることができる。これにより、付加製造装置１００は、造形物を高精度に製造することができる。付加製造装置１００は、設計データ２６に従った加工に適した移動経路を決定することができ、付加加工形状の余剰分を少なくすることができ、かつ加工時間を短縮することができる。これにより、付加製造装置１００は、造形品を効率良く製造することができる。

次に、実施の形態１から９にかかる演算装置１５，７０が有するハードウェア構成について説明する。図３４は、実施の形態１から９にかかる付加製造装置が有する演算装置のハードウェア構成例を示す図である。図３４には、プログラムを実行するハードウェアを用いることによって演算装置１５，７０の機能が実現される場合におけるハードウェア構成を示している。

演算装置１５，７０は、各種処理を実行するプロセッサ８１と、内蔵メモリであるメモリ８２と、情報を記憶する記憶装置８３と、演算装置１５，７０への情報の入力と演算装置１５，７０からの情報の出力のためのインタフェース回路８４とを有する。

プロセッサ８１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）である。プロセッサ８１は、処理装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、又はＤＳＰ（Digital Signal Processor）であっても良い。メモリ８２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）またはＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）である。

記憶装置８３は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）またはＳＳＤ（Solid State Drive）である。コンピュータを演算装置１５，７０として機能させるプログラムは、記憶装置８３に格納される。プロセッサ８１は、記憶装置８３に格納されているプログラムをメモリ８２に読み出して実行する。

プログラムは、コンピュータシステム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良い。演算装置１５，７０は、記憶媒体に記録されたプログラムをメモリ８２へ格納しても良い。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良い。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コンピュータシステムへインストールされても良い。

経路生成部４２、プログラム生成部４３、加工条件調整部４４、強度分布演算部４５、評価部４７、ビード形状決定部４８、形状推定部４９、学習装置７１および推論装置７２の各機能は、プロセッサ８１とソフトウェアの組み合わせによって実現される。当該各機能は、プロセッサ８１およびファームウェアの組み合わせによって実現されても良く、プロセッサ８１、ソフトウェアおよびファームウェアの組み合わせによって実現されても良い。ソフトウェアまたはファームウェアは、プログラムとして記述され、記憶装置８３に格納される。データ記憶部４６およびモデル記憶部７３の各機能は、記憶装置８３の使用により実現される。

インタフェース回路８４は、ハードウェアに接続される外部機器からの信号を受信する。外部機器は、ＮＣ装置１６、強度分布制御器１７、センサユニット２０である。入力部４１の機能は、インタフェース回路８４の使用により実現される。

以上の各実施の形態に示した構成は、本開示の内容の一例を示すものである。各実施の形態の構成は、別の公知の技術と組み合わせることが可能である。各実施の形態の構成同士が適宜組み合わせられても良い。本開示の要旨を逸脱しない範囲で、各実施の形態の構成の一部を省略または変更することが可能である。

１レーザ発振器、２ファイバーケーブル、３加工ヘッド、４ビームノズル、５ワイヤ、６ワイヤスプール、７ワイヤ送給器、８，５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄ，５３ｅビード、９加工点、１０レーザビーム、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ，１０ｇ，１０ｈビーム、１１基材、１２，１３ロータリーステージ、１４ＸＹＺステージ、１５，７０演算装置、１６ＮＣ装置、１７強度分布制御器、１８レーザ出力制御器、１９強度分布調整部、２０センサユニット、２１ガス流量調整器、２２駆動制御器、２３ヘッド駆動部、２４ワイヤ送給駆動部、２５ステージ駆動部、２６設計データ、２７加工プログラム、２８加工条件情報、２９調整指令、３０測定データ、３１レーザ出力指令、３２同期信号、３３Ｘ，３３Ｙガルバノスキャナ、３４Ｘ，３４Ｙガルバノミラー、３５Ｘ，３５Ｙガルバノ駆動部、３６ｆθレンズ、３７経路、３８ミラー、４１入力部、４２経路生成部、４３プログラム生成部、４４加工条件調整部、４５強度分布演算部、４６データ記憶部、４７評価部、４８ビード形状決定部、４９形状推定部、５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ，５０ｅ，５０ｆ，５０ｇ，５０ｈ，５２ａ，５２ｂスポット、５１ビーム形状、５５溶融池、５６Ａ第１の測定ライン、５６Ｂ第２の測定ライン、５８凹部、５９測定ライン、６０ａ第１のビード、６０ｂ第２のビード、６１，６６製品形状、６２加工パス、６３移動パス、６４ビーム外形、６５終点位置、７１学習装置、７２推論装置、７３モデル記憶部、７４，７８データ取得部、７５モデル生成部、７６報酬計算部、７７関数更新部、７９推論部、８１プロセッサ、８２メモリ、８３記憶装置、８４インタフェース回路、１００付加製造装置。

Claims

設計データにより指定された形状の造形物を製造する付加製造装置であって、
被加工物へ溶加材を供給する供給部と、
供給された前記溶加材を溶融させるビームを照射する照射部と、
前記被加工物における前記ビームの強度分布を調整する強度分布調整部と、
前記被加工物の状態または溶融した前記溶加材の固化物であるビードの状態を測定し、測定データを生成する測定部と、
前記設計データと前記測定データとに基づいた演算によって前記強度分布を求める強度分布演算部と、を備えることを特徴とする付加製造装置。
前記設計データと前記設計データに基づいて調整される加工条件と前記強度分布とに基づいて形成される３次元形状を推定する形状推定部を備え、
前記強度分布演算部は、前記設計データに示される形状と推定された前記３次元形状との差に基づいて前記強度分布を変更することを特徴とする請求項１に記載の付加製造装置。
前記強度分布演算部は、前記設計データと前記設計データに基づいて調整される加工条件と前記強度分布とに基づいて前記ビードの形成時における前記被加工物の入熱量を推定し、前記入熱量に基づいて前記強度分布を変更することを特徴とする請求項１に記載の付加製造装置。
前記強度分布調整部は、前記被加工物の溶融状態と前記溶加材の溶融状態とを測定した結果に基づいて前記強度分布を調整することを特徴とする請求項１に記載の付加製造装置。
前記強度分布調整部は、前記強度分布を調整することによって、前記ビームの断面形状であるビーム外形を変化させることを特徴とする請求項１に記載の付加製造装置。
前記強度分布調整部は、前記被加工物の温度分布に基づいて前記強度分布を調整することを特徴とする請求項１に記載の付加製造装置。
前記強度分布調整部は、前記被加工物の形状に基づいて前記強度分布を調整することを特徴とする請求項１に記載の付加製造装置。
前記強度分布調整部は、前記設計データにより指定された形状に基づいて前記強度分布を調整することを特徴とする請求項１に記載の付加製造装置。
設計データにより指定された形状の造形物を製造する付加製造装置であって、
被加工物へ溶加材を供給する供給部と、
供給された前記溶加材を溶融させるビームを照射する照射部と、
前記被加工物における前記ビームの強度分布を調整する強度分布調整部と、
前記設計データに基づいた演算によって前記強度分布を求める強度分布演算部と、を備え、
前記強度分布調整部は、前記被加工物の溶融状態と前記溶加材の溶融状態とを測定した結果に基づいて前記強度分布を調整することを特徴とする付加製造装置。
前記強度分布演算部の機能を有し、前記設計データにより指定された形状の造形に適した前記強度分布と、前記設計データに基づいて調整され、前記指定された形状の造形に適した加工条件とを、前記設計データに基づいて推論する推論装置を備えることを特徴とする請求項１から９のいずれか１つに記載の付加製造装置。
前記指定された形状の造形に適した前記強度分布と、前記指定された形状の造形に適した前記加工条件とを推論するための学習済モデルを生成する学習装置を備え、
前記推論装置は、前記学習済モデルを用いて、前記指定された形状の造形に適した前記強度分布と、前記指定された形状の造形に適した前記加工条件とを推論することを特徴とする請求項１０に記載の付加製造装置。
前記学習装置は、前記指定された形状を示す３次元形状情報と、前記加工条件を示す加工条件情報と、前記強度分布を示す強度分布情報とを取得するデータ取得部と、
前記３次元形状情報と、前記加工条件情報と、前記強度分布情報とを含むデータセットを用いて前記学習済モデルを生成するモデル生成部と、を有することを特徴とする請求項１１に記載の付加製造装置。
設計データにより指定された形状の造形物を付加製造装置によって製造する付加製造方法であって、
被加工物の状態または溶融した溶加材の固化物であるビードの状態の測定によって生成された測定データを取得する工程と、
前記溶加材を溶融させるビームの強度分布を前記設計データと前記測定データとに基づいて求める工程と、
求めた前記強度分布を示す指令を生成する工程と、
前記被加工物における前記ビームの強度分布を前記指令に従って調整する工程と、を含むことを特徴とする付加製造方法。