JP7462350B2 - 積層造形における造形品質評価方法、積層造形システム、情報処理装置およびそのプログラム - Google Patents
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Description
積層造形における造形品質評価方法であって、
造形表面の3次元点群データを取得するデータ取得ステップと、
前記3次元点群データの自己相関関数に基づく凹凸の最小周期を示す最小自己相関長さSal(autocorrelation length)、前記3次元点群データの平均谷領域面積Sda(mean dale area)、前記3次元点群データの平均山領域面積Sha(mean hill area)、前記3次元点群データの平均谷領域容積Sdv(mean dale volume)、前記3次元点群データの谷部とコア部を分離する負荷面積率Smr2(material ratio)、造形密度との負の相関が得られる界面の展開面積比Sdr(development interfacial area ratio)、表面性状のアスペクト比Str(texture aspect ratio)、突出谷部深さ(Svk(μm))、コア部のレベル差(Sk(μm))、二乗平均平方根高さ(Sq(μm))、二乗平均平方根勾配(Sdq)、切断レベル差(Sxp(μm))、コア部空間体積(Vvc(mm3/mm2))、突出谷部空間体積(Vvv(mm3/mm2))、実体体積(Vm(mm3/mm2))、突出山部実体体積(Vmp(mm3/mm2))、及び空間体積(Vv(mm3/mm2))の少なくともいずれか1つを含む、内部欠陥と相関の高い3次元表面性状パラメータを算出するパラメータ算出ステップと、
前記3次元表面性状パラメータから造形密度を予測し、前記造形密度に基づいて造形品質を評価する評価ステップと、
を含む。
造形表面の3次元点群データを取得するデータ取得部と、
前記3次元点群データの自己相関関数に基づく凹凸の最小周期を示す最小自己相関長さSal(autocorrelation length)、前記3次元点群データの平均谷領域面積Sda(mean dale area)、前記3次元点群データの平均山領域面積Sha(mean hill area)、前記3次元点群データの平均谷領域容積Sdv(mean dale volume)、前記3次元点群データの谷部とコア部を分離する負荷面積率Smr2(material ratio)、造形密度との負の相関が得られる界面の展開面積比Sdr(development interfacial area ratio)、表面性状のアスペクト比Str(texture aspect ratio)、突出谷部深さ(Svk(μm))、コア部のレベル差(Sk(μm))、二乗平均平方根高さ(Sq(μm))、二乗平均平方根勾配(Sdq)、切断レベル差(Sxp(μm))、コア部空間体積(Vvc(mm3/mm2))、突出谷部空間体積(Vvv(mm3/mm2))、実体体積(Vm(mm3/mm2))、突出山部実体体積(Vmp(mm3/mm2))、及び空間体積(Vv(mm3/mm2))の少なくともいずれか1つを含む、内部欠陥と相関の高い3次元表面性状パラメータを算出するパラメータ算出部と、
前記3次元表面性状パラメータから造形密度を予測し、前記造形密度に基づいて造形品質を評価する評価部と、
を備える。
造形表面の3次元点群データを取得するデータ取得ステップと、
前記3次元点群データの自己相関関数に基づく凹凸の最小周期を示す最小自己相関長さSal(autocorrelation length)、前記3次元点群データの平均谷領域面積Sda(mean dale area)、前記3次元点群データの平均山領域面積Sha(mean hill area)、前記3次元点群データの平均谷領域容積Sdv(mean dale volume)、前記3次元点群データの谷部とコア部を分離する負荷面積率Smr2(material ratio)、造形密度との負の相関が得られる界面の展開面積比Sdr(development interfacial area ratio)、表面性状のアスペクト比Str(texture aspect ratio)、突出谷部深さ(Svk(μm))、コア部のレベル差(Sk(μm))、二乗平均平方根高さ(Sq(μm))、二乗平均平方根勾配(Sdq)、切断レベル差(Sxp(μm))、コア部空間体積(Vvc(mm3/mm2))、突出谷部空間体積(Vvv(mm3/mm2))、実体体積(Vm(mm3/mm2))、突出山部実体体積(Vmp(mm3/mm2))、及び空間体積(Vv(mm3/mm2))の少なくともいずれか1つを含む、内部欠陥と相関の高い3次元表面性状パラメータを算出するパラメータ算出ステップと、
前記3次元表面性状パラメータから造形密度を予測し、前記造形密度に基づいて造形品質を評価する評価ステップと、
をコンピュータに実行させる。
材料粉末を敷き詰めてレーザの照射を繰り返して造形物を作成する積層造形装置と、
前記積層造形装置における前記造形物の作成を制御する情報処理装置と、
を備え、
前記情報処理装置は、
造形表面の3次元点群データを取得するデータ取得部と、
前記3次元点群データの自己相関関数に基づく凹凸の最小周期を示す最小自己相関長さSal(autocorrelation length)、前記3次元点群データの平均谷領域面積Sda(mean dale area)、前記3次元点群データの平均山領域面積Sha(mean hill area)、前記3次元点群データの平均谷領域容積Sdv(mean dale volume)、前記3次元点群データの谷部とコア部を分離する負荷面積率Smr2(material ratio)、造形密度との負の相関が得られる界面の展開面積比Sdr(development interfacial area ratio)、表面性状のアスペクト比Str(texture aspect ratio)、突出谷部深さ(Svk(μm))、コア部のレベル差(Sk(μm))、二乗平均平方根高さ(Sq(μm))、二乗平均平方根勾配(Sdq)、切断レベル差(Sxp(μm))、コア部空間体積(Vvc(mm3/mm2))、突出谷部空間体積(Vvv(mm3/mm2))、実体体積(Vm(mm3/mm2))、突出山部実体体積(Vmp(mm3/mm2))、及び空間体積(Vv(mm3/mm2))の少なくともいずれか1つを含む、内部欠陥と相関の高い3次元表面性状パラメータを算出するパラメータ算出部と、
前記3次元表面性状パラメータから造形密度を予測し、前記造形密度に基づいて造形品質を評価する評価部と、
前記評価部の評価結果に応じて、前記レーザ出力および走査速度の少なくともいずれかに対する調整を指示するレーザ調整部と、
を備える。
3次元造形物の造形方法の1つとして、材料粉末の薄層を敷設し、材料粉末の薄層の所定箇所にレーザを照射し、材料粉末を溶融または焼結させて固化層を形成することを繰り返して造形物を造形する粉末積層造形法が知られている。この粉末積層造形法では、材料粉末への入熱量により粉末の固化状態(溶融、焼結、拡散接合状態)が変化し、薄層の粉末量に誤差が出ると造形物の特性が変化したり形状精度が低下したりする可能性がある。この問題を解決するために、例えば、特許文献1および2においては、2次元表面性状パラメータの1つである算術平均粗さRaを算出することによって、形状精度の向上を図っている。
しかしながら、粉末にレーザを照射して溶融し凝固する際に発生するスパッタが造形表面に付着したり、ボーリング現象やハンピング現象等により造形面の凹凸起伏が増大したりした場合、造形品質が低下する。さらに凹凸起伏が増大した場合、リコータブレードが造形面に接触して造形が途中で停止するだけでなく、装置部品を破損させることがある。このような凹凸の評価は、造形終了後の造形品に対して実施されることがほとんどであり、また、算術平均粗さ(例えば、Ra)で評価されることが多いため、スパッタ付着等による不規則かつ粗大な凹凸を定量化できていない。そのため、算術平均粗さRaの値を同じにしても、例えば造形密度といった造形品質が必ずしもよい結果とはならない。
本発明者は、3次元表面性状パラメータを用いることで、造形密度との正の相関が得られ、造形品質の評価に使用できることを見付けた。算出する3次元表面性状パラメータは、例えば、自己相関関数に基づく凹凸の最小周期を示す最小自己相関長さSal(autocorrelation length)や、平均谷領域面積Sda(mean dale area)や平均山領域面積Sha(mean hill area)、あるいは、平均谷領域容積Sdv(mean dale volume)、谷部とコア部を分離する負荷面積率Smr2(material ratio)等である。そして、算出した3次元表面性状パラメータの値から造形品質が低下する可能性があると判定された場合は、レーザ照射条件を適宜選択し変更することで造形を継続することができる。また、造形中に取得する各レイヤーの3次元点群データから算出した3次元表面性状パラメータを用いることでリアルタイムに造形品質を判定しながら、造形継続や造形停止を選択できる。算出した3次元表面性状パラメータの値からリコータブレードなどの装置部品が造形面に接触し破損する可能性があると判定した場合は、造形を停止するよう制御する。すなわち、本実施形態においては、造形表面の3次元点群データを低次元化し、面領域に拡張した3次元表面性状パラメータを算出して、3次元表面性状パラメータを用いて、造形品質を評価する。なお、3次元表面性状パラメータとは、例えば、造形表面に垂直な軸方向の値に基づいて算出される。
図3Aは、本実施形態に係る積層造形物の品質評価方法の手順を示すフローチャートである。
図3Bは、本実施形態に係る積層造形物の品質評価方法の他の手順を示すフローチャートである。図3Bは、沈み込み量による造形密度評価の手順を示す。造形密度は、レーザで溶融凝固した造形部分が溶融凝固しない部分からの沈み込み量が多いほど空隙が少ないので高いと予測することができる。なお、図3Bにおいて、図3Aと同様のステップには同じステップ番号を付して、重複する説明を省略する。
次に、第1実施形態の3次元表面性状パラメータを用いた、第2実施形態に係る積層造形装置について説明する。
図4Aは、本実施形態に係る積層造形技術400について説明する図である。
図4Bおよび図4Cを参照して、本実施形態に係る積層造形システム410の構成および動作を説明する。
図4Bは、本実施形態に係る積層造形システム410の構成を示すブロック図である。
図4Cは、本実施形態に係る積層造形システム410の動作手順を示すフローチャートである。
図5から図7を参照して、本実施形態に係る情報処理装置420の構成および動作を説明する。
図5は、本実施形態に係る情報処理装置420の構成を示すブロック図である。
図6Aは、本実施形態に係る造形品質評価テーブル543の構成を示す図である。造形品質評価テーブル543は、造形品質評価部506が3次元表面性状パラメータから造形密度を予測し、予測した造形密度により造形品質を評価するために用いる。
図6Bは、本実施形態に係るプロセスマップ571の構成を示す図である。プロセスマップ571は、積層造形制御指示部507が予測した造形密度により判定した造形品質を高くする、あるいは、劣化しないように制御するために用いられる。
図6Cは、本実施形態に係る造形中止条件テーブル581の構成を示す図である。造形中止条件テーブル581は、積層造形継続・中止指示部508が積層造形装置430の積層造形を継続するか中止するかを判定するために使用する。
図7Aおよび図7Bは、本実施形態に係る情報処理装置420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は、情報処理装置420のCPU(Central processing Unit)がRAM(Random Access Memory)を使用して実行し、図5の構成要素を実現する。
3次元光学プロファイラによる表面性状の画像から、造形表面のエネルギー密度を変えた場合の、それぞれの造形試験品の相対密度と、本実施形態に係る3次元表面性状パラメータを算出した。
本実施例で試験のために造形した試験片は、立方体(10mm×10mm×10mm)であり、積層ピッチは0.05mmとした。また、ハッチディスタンス(ハッチピッチ)は、0.10mmとした。
積層造形後の試験片の最表面(上面)を光学式非接触により三次元表面性状を点群データとして計測し、計測した三次元表面データを用いて、ISO25178-2に規定されている三次元表面性状パラメータを算出した。測定装置として、3次元光学プロファイラ NewView9000(Zygo製)を用いた。表面画像の分解能は、x,y=0.95μm、z=0.01nmである。
積層造形後の試験片をベースプレートから取り外し、サポートを除去した後、アルキメデス法により密度を測定した。測定した密度に対し、真密度を8.15g/cm3として相対密度を算出した。比重測定装置には、分析天秤AP224X、比重測定キットSMK-601(島津製作所製)を用いた。
レイヤモニタリングによる表面性状の画像から、造形表面のエネルギー密度を変えた場合の、それぞれの造形試験品の相対密度と、本実施形態に係る3次元表面性状パラメータを算出した。なお、レイヤモニタリング時の表面画像の分解能は、x、y=80μm、z=10または30μmである。なお、造形表面のエネルギー密度と相対密度との関係は、第1実施例と同様である。
上記第1実施例および第2実施例の結果から生成された、図5のプロセスマップ571に使用される具体的なプロセスマップ1310を図13Aに示す。
以下、第4実施例により、沈み込み量と造形密度とに相関関係があって、沈み込み量から造形密度が予測できることを説明する。
図14は、第4実施例に係る沈み込み量の測定を説明する図である。図14に示す1層の造形において、20個の造形試験片中、試験片1401は沈み込み量が少なく、試験片1402は沈み込み量が多い。なお、造形試験片の造形条件は、第1および第2実施例と同様に、レ―ザ出力と走査速度を変化させてエネルギー密度を変化させたのみである。
図15は、第4実施例に係る沈み込み量の測定結果を示す図である。
図19は、第5実施例として、新たに見つかった造形物の相対密度の予測に使用可能な3次元表面性状パラメータを示す図である。なお、図19の表記は、非特許文献2のISO25178-2および非特許文献3のJIS B 0681-2に準拠するものである。また、本実施例においては、3次元表面性状パラメータと相対密度との相関関係を評価する相関係数として、非線形な関係にある2変数間の相関についてMIC(Maximal Information Coefficient)を用いて検定した(非特許文献4参照)。そして、MICの値が相対的に高い、例えばMICが0.65以上の3次元表面性状パラメータを、図19に示した造形物の相対密度の予測に使用可能な3次元表面性状パラメータとして抽出した。
第5実施例で積層造形に使用した材料粉末は、第1実施例~第4実施例と同様である。また、第5実施例における積層造形装置や積層造形条件は、第1実施例~第4実施例と同様であるため、重複する記載は避ける。
以下、表8~表13に、実施例501から実施例588の実験結果の数値を示す。表8、表10および表12は、積層造形条件を変えた場合の相対密度と、判定結果とを示す。表9、表11および表13は、同じ実施例における使用可能な3次元表面性状パラメータの値を示す。
次に表8~表13に示した実験結果から相対密度(%)と各3次元表面性状パラメータとの相関を示すグラフと、MICによる相関係数の値を示す。
以下、表14に、実施例501から実施例588の実験結果に基づいて算出した、3次元表面性状パラメータSp(μm)の値を示す。
次に、表14から相対密度(%)と各3次元表面性状パラメータSpとの相関を示すグラフと、MICによる相関係数の値を示す。
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明の技術的範囲で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の技術的範囲に含まれる。
Claims (14)
- 積層造形における造形品質評価方法であって、
造形表面の3次元点群データを取得するデータ取得ステップと、
前記3次元点群データの自己相関関数に基づく凹凸の最小周期を示す最小自己相関長さSal(autocorrelation length)、前記3次元点群データの平均谷領域面積Sda(mean dale area)、前記3次元点群データの平均山領域面積Sha(mean hill area)、前記3次元点群データの平均谷領域容積Sdv(mean dale volume)、前記3次元点群データの谷部とコア部を分離する負荷面積率Smr2(material ratio)、造形密度との負の相関が得られる界面の展開面積比Sdr(development interfacial area ratio)、表面性状のアスペクト比Str(texture aspect ratio)、突出谷部深さ(Svk(μm))、コア部のレベル差(Sk(μm))、二乗平均平方根高さ(Sq(μm))、二乗平均平方根勾配(Sdq)、切断レベル差(Sxp(μm))、コア部空間体積(Vvc(mm3/mm2))、突出谷部空間体積(Vvv(mm3/mm2))、実体体積(Vm(mm3/mm2))、突出山部実体体積(Vmp(mm3/mm2))、及び空間体積(Vv(mm3/mm2))の少なくともいずれか1つを含む、内部欠陥と相関の高い3次元表面性状パラメータを算出するパラメータ算出ステップと、
前記3次元表面性状パラメータから造形密度を予測し、前記造形密度に基づいて造形品質を評価する評価ステップと、
を含む造形品質評価方法。 - 前記造形密度は、前記3次元表面性状パラメータと前記造形密度とのあらかじめ記憶された相関関係に基づいて予測される請求項1に記載の造形品質評価方法。
- 前記評価ステップにおいては、少なくとも2つの前記3次元表面性状パラメータを組み合わせて造形品質を評価する請求項1または2に記載の造形品質評価方法。
- 前記パラメータ算出ステップにおいては、前記造形表面中の造形範囲内における前記3次元表面性状パラメータを算出する請求項1から3のいずれか1項に記載の造形品質評価方法。
- 前記パラメータ算出ステップにおいては、前記造形範囲内にあって、前記造形表面に垂直な軸方向の値の差が第1閾値を超える範囲内における前記3次元表面性状パラメータを算出する請求項4に記載の造形品質評価方法。
- 前記データ取得ステップにおいては、材料粉末を敷き詰めたパウダーベッド表面の3次元点群データをさらに取得し、
前記パラメータ算出ステップにおいては、前記造形範囲内にあって、前記パウダーベッド表面に垂直な軸方向の値の差が第2閾値を超える範囲内における前記3次元表面性状パラメータを算出する請求項4に記載の造形品質評価方法。 - 造形後の造形範囲の沈み込み量を算出する沈み込み量算出ステップをさらに含み、
前記評価ステップでは、さらに、前記沈み込み量に基づいて、造形品質を評価する請求項1から6のいずれか1項に記載の造形品質評価方法。 - 造形表面の3次元点群データを取得するデータ取得部と、
前記3次元点群データの自己相関関数に基づく凹凸の最小周期を示す最小自己相関長さSal(autocorrelation length)、前記3次元点群データの平均谷領域面積Sda(mean dale area)、前記3次元点群データの平均山領域面積Sha(mean hill area)、前記3次元点群データの平均谷領域容積Sdv(mean dale volume)、前記3次元点群データの谷部とコア部を分離する負荷面積率Smr2(material ratio)、造形密度との負の相関が得られる界面の展開面積比Sdr(development interfacial area ratio)、表面性状のアスペクト比Str(texture aspect ratio)、突出谷部深さ(Svk(μm))、コア部のレベル差(Sk(μm))、二乗平均平方根高さ(Sq(μm))、二乗平均平方根勾配(Sdq)、切断レベル差(Sxp(μm))、コア部空間体積(Vvc(mm3/mm2))、突出谷部空間体積(Vvv(mm3/mm2))、実体体積(Vm(mm3/mm2))、突出山部実体体積(Vmp(mm3/mm2))、及び空間体積(Vv(mm3/mm2))の少なくともいずれか1つを含む、内部欠陥と相関の高い3次元表面性状パラメータを算出するパラメータ算出部と、
前記3次元表面性状パラメータから造形密度を予測し、前記造形密度に基づいて造形品質を評価する評価部と、
を備える情報処理装置。 - 前記評価部の評価結果に応じて、レーザ出力および走査速度の少なくともいずれかに対する調整を指示するレーザ調整部をさらに備える請求項8に記載の情報処理装置。
- 前記レーザ調整部は、1層の積層造形ごとに、前記調整を指示する請求項9に記載の情報処理装置。
- 前記評価部は、少なくとも2つの前記3次元表面性状パラメータを組み合わせて造形品質を評価する請求項8から10のいずれか1項に記載の情報処理装置。
- 前記パラメータ算出部は、さらに、造形可能領域全面の各点における表面の最大山高さSp(Maximum peak height)および最大高さSz(Maximum height)の少なくとも1つを算出し、
前記最大山高さSpが第3閾値を超えた場合、または、前記最大高さSzが第4閾値を超えた場合には、造形中止を指示する造形制御指示部をさらに備える請求項8から11のいずれか1項に記載の情報処理装置。 - 造形表面の3次元点群データを取得するデータ取得ステップと、
前記3次元点群データの自己相関関数に基づく凹凸の最小周期を示す最小自己相関長さSal(autocorrelation length)、前記3次元点群データの平均谷領域面積Sda(mean dale area)、前記3次元点群データの平均山領域面積Sha(mean hill area)、前記3次元点群データの平均谷領域容積Sdv(mean dale volume)、前記3次元点群データの谷部とコア部を分離する負荷面積率Smr2(material ratio)、造形密度との負の相関が得られる界面の展開面積比Sdr(development interfacial area ratio)、表面性状のアスペクト比Str(texture aspect ratio)、突出谷部深さ(Svk(μm))、コア部のレベル差(Sk(μm))、二乗平均平方根高さ(Sq(μm))、二乗平均平方根勾配(Sdq)、切断レベル差(Sxp(μm))、コア部空間体積(Vvc(mm3/mm2))、突出谷部空間体積(Vvv(mm3/mm2))、実体体積(Vm(mm3/mm2))、突出山部実体体積(Vmp(mm3/mm2))、及び空間体積(Vv(mm3/mm2))の少なくともいずれか1つを含む、内部欠陥と相関の高い3次元表面性状パラメータを算出するパラメータ算出ステップと、
前記3次元表面性状パラメータから造形密度を予測し、前記造形密度に基づいて造形品質を評価する評価ステップと、
をコンピュータに実行させる情報処理プログラム。 - 材料粉末を敷き詰めてレーザの照射を繰り返して造形物を作成する積層造形装置と、
前記積層造形装置における前記造形物の作成を制御する情報処理装置と、
を備え、
前記情報処理装置は、
造形表面の3次元点群データを取得するデータ取得部と、
前記3次元点群データの自己相関関数に基づく凹凸の最小周期を示す最小自己相関長さSal(autocorrelation length)、前記3次元点群データの平均谷領域面積Sda(mean dale area)、前記3次元点群データの平均山領域面積Sha(mean hill area)、前記3次元点群データの平均谷領域容積Sdv(mean dale volume)、前記3次元点群データの谷部とコア部を分離する負荷面積率Smr2(material ratio)、造形密度との負の相関が得られる界面の展開面積比Sdr(development interfacial area ratio)、表面性状のアスペクト比Str(texture aspect ratio)、突出谷部深さ(Svk(μm))、コア部のレベル差(Sk(μm))、二乗平均平方根高さ(Sq(μm))、二乗平均平方根勾配(Sdq)、切断レベル差(Sxp(μm))、コア部空間体積(Vvc(mm3/mm2))、突出谷部空間体積(Vvv(mm3/mm2))、実体体積(Vm(mm3/mm2))、突出山部実体体積(Vmp(mm3/mm2))、及び空間体積(Vv(mm3/mm2))の少なくともいずれか1つを含む、内部欠陥と相関の高い3次元表面性状パラメータを算出するパラメータ算出部と、
前記3次元表面性状パラメータから造形密度を予測し、前記造形密度に基づいて造形品質を評価する評価部と、
前記評価部の評価結果に応じて、前記レーザ出力および走査速度の少なくともいずれかに対する調整を指示するレーザ調整部と、
を備える積層造形システム。
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