JPWO2021024431A1 - 積層造形装置、積層造形方法、および積層造形プログラム - Google Patents

Abstract

加工材料（７）を溶融し、凝固した加工材料（７）を加工対象物（３）の上に付加する付加加工を繰り返して造形物（４）を形成する積層造形装置（１００）は、加工位置に形成済みの造形物（４）の高さを計測する高さ計測部と、高さ計測部の計測結果に基づいて、加工位置に加工材料（７）を付加するための加工条件を制御する制御部（５１）と、を備えることを特徴とする。

Description

本発明は、加工材料を加工対象物の上に付加して造形物を形成する積層造形装置、積層造形方法、および積層造形プログラムに関する。

３Ｄ（Dimension）プリンタのように加工材料を積層して三次元の造形物を形成する付加製造（ＡＭ：Additive Manufacturing）と呼ばれる技術を用いた積層造形装置が従来から知られている。

特許文献１には、金属の加工材料を積層する方法として、指向性エネルギー堆積（ＤＥＤ：Directed Energy Deposition）方式を用いた積層造形装置が開示されている。特許文献１に記載の指向性エネルギー堆積方式を用いた積層造形装置は、金属ワイヤ、金属粉末などの金属の加工材料を、供給口から加工位置に供給し、レーザ、電子ビームなどで加工材料を溶融して積層することで、所望の形状の造形物を形成する。加工材料であるワイヤに電流を供給することでワイヤの先端に溶融滴が形成され、加工対象物の上に形成される溶融池の中に溶融滴が堆積されることで造形物が形成される。この積層造形装置は、ワイヤに供給する電流を制御して、ワイヤの溶融と、ワイヤからの溶滴の切り離しとが行われている。

特開２０１６−１７９５０１号公報

特許文献１に記載された積層造形装置では、ワイヤと加工対象物との間にアーク放電が発生すると、加工対象物が破壊される可能性がある。このため、ワイヤと加工対象物との間にアーク放電が発生しないように、ワイヤに供給する電流を精密に制御する必要がある。しかしながら、ワイヤに供給する電流を、アーク放電が発生しないように制御すると、加工条件によっては、ワイヤから溶滴を切り離すことが十分にできないことがある。この場合、造形されるビードの高さが均一にならず、造形物の形状精度が低下してしまうという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、造形物の形状精度を向上させることが可能な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、本発明は、加工材料を溶融し、凝固した加工材料を加工対象物の上に付加する付加加工を繰り返して造形物を形成する積層造形装置であって、加工位置に形成済みの造形物の高さを計測する高さ計測部と、高さ計測部の計測結果に基づいて、加工位置に加工材料を付加するための加工条件を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、造形物の形状精度を向上させることが可能な積層造形装置を得ることができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる積層造形装置の構成を示す図 図１に示す演算部および制御部の機能を実現するための専用のハードウェアを示す図 図１に示す演算部および制御部の機能を実現するための制御回路の構成を示す図 図１に示す加工ヘッドの内部構成を示す図 図１に示す積層造形装置が玉ビードを形成する動作を説明するためのフローチャート 図１に示す積層造形装置の加工領域を示す模式的な断面図 図１に示す積層造形装置の加工領域へ吐出されたワイヤが付加対象面に接触した状態を示す模式的な断面図 図１に示す積層造形装置の加工領域へ加工光が照射された状態を示す模式的な断面図 図１に示す積層造形装置の加工領域へのワイヤの供給が開始された状態を示す模式的な断面図 図１に示す積層造形装置の加工領域からワイヤが引き抜かれる状態を示す模式的な断面図 図１に示す積層造形装置の加工領域への加工光の照射が停止された状態を示す模式的な断面図 図１に示す積層造形装置の加工ヘッドが次の加工点に移動する状態を示す模式的な断面図 図１に示す積層造形装置による造形物の造形方法を説明するための模式的な断面図 図１に示す積層造形装置が形成する造形物に対するワイヤの高さを示す図 図１に示す計測用照明部から照明光が投影された造形物のＸＺ断面を模式的に示す図 図１に示す積層造形装置が造形物に照明光を照射した際の受光素子上の受光位置を示す図 図１に示す積層造形装置が形成済みの造形物の高さの計測結果を用いて付加処理を行う手順を説明するためのフローチャート 図１に示す積層造形装置が２層目を加工する場合のワイヤ供給速度を制御する方法を示す図 図１に示す積層造形装置が制御する加工条件が玉ビードの個数である例を示す図 図１に示す積層造形装置が造形物の高さの計測結果に基づいてワイヤ高さを制御する方法を示す図 図１に示す積層造形装置が形成するビードの形状の変形例を示す図 図１に示す積層造形装置が形成済みの造形物の高さを計測する計測位置の変形例を示す図 本発明の実施の形態２にかかる積層造形装置が解決する課題を説明するための図 本発明の実施の形態２にかかる積層造形装置の加工位置探索処理を説明するためのフローチャート 図２４の処理を開始する前の計測用照明部とビードとの位置関係を示す図 図２５に示す状態における受光素子上の受光位置を示す図 図２４のステップＳ３０１の処理後の計測用照明部と加工対象物との位置関係を示す図 図２７に示す状態における受光素子上の受光位置を示す図 図２４のステップＳ３０２の処理後の計測用照明部と加工対象物との位置関係を示す図 図２９に示す状態における受光素子上の受光位置を示す図 図２４のステップＳ３０３で用いられる予め定められた範囲を示す図 図２４のステップＳ３０４において駆動ステージを停止させた状態を示す図 図２４の処理を開始する前とステップＳ３０４の処理を終えた後の状態を比較するための図 本発明の実施の形態３にかかる積層造形装置の構成を示す図 図３４に示す加工ヘッドの内部構成を示す図 図３４に示す積層造形装置における高さ計測の説明図 図３６（ａ）に示すビードからの反射光の受光位置を示す図 図３６（ｂ）に示すビードからの反射光の受光位置を示す図 図３６（ｃ）に示すビードからの反射光の受光位置を示す図 図３５に示す積層造形装置の変形例を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかる積層造形装置、積層造形方法、および積層造形プログラムを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる積層造形装置１００の構成を示す図である。以下、積層造形装置１００は、金属を加工材料として使用する金属積層装置であるものとするが、樹脂など金属以外の加工材料を使用するものであってもよい。また、以下の説明中において、積層造形装置１００によって形成される造形物は、積層物と呼ばれることもある。積層造形装置１００は、加工用レーザを用いて加工材料を溶融し、加工材料を加工対象物の加工対象面に付加する付加加工を行うものとする。しかしながら、積層造形装置１００は、アーク放電など、他の加工方法を使用するものであってもよい。

積層造形装置１００は、加工用レーザ１と、加工ヘッド２と、加工対象物３を固定するための固定具５と、駆動ステージ６と、計測用照明部８と、ガスノズル９と、加工材料供給部１０と、演算部５０と、制御部５１とを有する。

積層造形装置１００は、加工材料７を溶融して加工対象物３の上に付加する付加加工を繰り返して、造形物４を形成する。このとき、積層造形装置１００は、形成済みの造形物４の高さを計測して、計測結果に基づいて、次に行う付加加工の加工条件を制御する機能を有する。以下、このような機能を実現するための積層造形装置１００の構成について説明する。

加工用レーザ１は、加工対象物３上に造形物４を造形する造形加工に用いられる加工光３０を出射する光源である。加工用レーザ１は、半導体レーザを用いたファイバレーザ装置、ＣＯ_２レーザ装置などである。加工用レーザ１が出射する加工光３０の波長は、例えば、１０７０ｎｍである。

加工ヘッド２は、加工光学系と、受光光学系とを備える。加工光学系は、加工用レーザ１から照射される加工光３０を集光して加工対象物３上の加工位置に結像させる。受光光学系は、高さセンサとも称する。一般的に、加工光３０は、加工位置に点状に集光されるため、以降では加工位置を加工点とも呼ぶ。加工用レーザ１および加工光学系が、加工部を構成する。ここで、以下では、加工位置に形成済みの造形物４の高さを測定する方法は、光学系を用いたライン切断方式とする。しかしながら、造形物４の高さを測定する方法は、ライン切断方式以外の方式、例えば光学方式であってもよい。光学方式は、スポットタイプの三角測量方式、共焦点方式などである。

また、ここでは、加工ヘッド２内に受光光学系を配置し、加工光学系と受光光学系とを一体化している。これにより、積層造形装置１００を小型化することができる。しかしながら、本実施の形態はかかる例に限定されない。加工ヘッド２と高さセンサを一体化する方法については制限されない。

加工対象物３は、ワークとも呼ばれる。加工対象物３は、駆動ステージ６の上に載せられ、固定具５で駆動ステージ６の上に固定される。加工対象物３は、造形物４が形成される際の土台となり、加工対象物３の表面は、加工対象面とも呼ばれる。ここでは、加工対象物３は、ベースプレートとするが、３次元形状を有する物体であってもよい。

駆動ステージ６が駆動されることで、加工ヘッド２に対する加工対象物３の位置が変化し、加工対象物３上を加工点が移動する。すなわち、加工対象物３上の加工点が走査される。加工点が走査されるとは、定められた経路に沿って、すなわち定められた軌跡を描くように加工点が移動することを意味する。なお、加工点の移動は、造形物４の高さ方向に対して直交する方向への移動を伴う。すなわち、移動前の加工点の位置と、移動後の加工点の位置とでは、高さ方向に対して直交する平面に投影された位置が異なる。

積層造形装置１００は、加工対象物３上で加工位置である加工点を移動させ、予め定められた加工位置で溶融した加工材料７を加工点に積層することで付加加工を行う。言い換えると、積層造形装置１００は、加工対象物３上を移動する加工点で、溶融した加工材料７を積層することで付加加工を行う。より具体的には、積層造形装置１００は、駆動ステージ６を駆動して加工対象物３上で加工位置の候補点を移動させる。移動経路上の候補点の少なくとも１点が、加工材料７が積層される加工点となる。

積層造形装置１００は、加工点において、付加加工を行うために供給される加工材料７を加工光３０で溶融する。加工材料７は、金属ワイヤ、金属粉末などである。本実施の形態では、以下、加工材料７は金属ワイヤであることとして、説明する。金属ワイヤは、加工材料供給部１０から加工点に供給される。加工材料供給部１０は、例えば、金属ワイヤが巻きつけられているワイヤスプールを回転モータの駆動に伴って回転させ、金属ワイヤを加工点に送り出す。また、加工材料供給部１０は、逆方向にモータを回転することで加工点へ供給された金属ワイヤを引き抜くことができる。加工材料供給部１０は、加工ヘッド２と一体に設置され、駆動ステージ６によって、加工ヘッド２と一体で駆動される。なお、金属ワイヤを送給する方法は、上記の例に限定されない。

積層造形装置１００は、加工点の走査を繰り返すことで、溶融した加工材料７が凝固して生成されたビードを積層して、加工対象物３上に造形物４を形成する。すなわち、積層造形装置１００は、付加加工を繰り返して造形物４を生成する。ビードは、溶融した加工材料７が凝固することで形成される物体であり造形物４となる。積層造形装置１００は、最初の付加加工では加工対象物３の上に溶融した加工材料７を積層する。付加加工が繰り返されると、積層造形装置１００は、加工時点で既に形成済みの造形物４の上に溶融した加工材料７を積層する。実施の形態１において、積層造形装置１００は、玉状のビードを形成する。以下では、玉状のビードを玉ビードと称する。玉ビードは、加工材料７が溶融した後に凝固した玉状の金属である。

駆動ステージ６は、ＸＹＺの３軸の走査が可能である。なお、Ｚ方向は造形物４の高さ方向である。また、Ｘ方向はＺ方向に対して直交する方向である。さらに、Ｙ方向はＸ方向及びＺ方向の双方に直交する方向である。駆動ステージ６は、ＸＹＺの軸いずれか１つの軸の方向に平行移動することが可能である。駆動ステージ６は、ＸＹ面内、ＹＺ面内での回転も行うことができる５軸ステージであってもよい。回転ステージを用いることで、加工対象物３の姿勢または位置を変更することができる。積層造形装置１００は、駆動ステージ６を回転させることで、加工対象物３に対する加工光３０の照射位置を移動させることができる。このため、テーパ形状などを含む複雑な形状を造形することができる。ここでは、駆動ステージ６を５軸で走査するものとするが、加工ヘッド２を走査してもよい。

ガスノズル９は、造形物４の酸化抑制および玉ビードの冷却のためのシールドガスを加工対象物３に向けて噴出する。本実施の形態において、シールドガスは不活性ガスとする。ガスノズル９は、加工ヘッド２の下部に取り付けられ、加工点の上部に設置されている。本実施の形態では、ガスノズル９は加工光３０と同軸に設置されているが、Ｚ軸に対して斜めの方向から加工点に向けてガスを噴出してもよい。

計測用照明部８は、積層造形装置１００が加工対象物３の上に形成済みの造形物４の高さを計測するために、加工対象物３上の計測位置に、計測用の照明光４０を照射する。計測位置は、加工点と同じ位置である。照明光４０は計測位置で反射する。加工ヘッド２の受光光学系は、計測位置で反射した照明光４０を受光できる位置に配置される。また、受光光学系は、受光光学系の光軸が照明光４０の光軸に対して角度を有するように配置される。計測用照明部８の光源には、加工光３０と異なる波長のレーザを用いることが望ましい。照明光４０は、ライン状の光であるラインビームである。なお、造形物４の高さを計測するために用いられる照明光４０は、必ずしもラインビームである必要はない。照明光４０は、点状に集光された光であるスポットビームであってもよい。スポットビームを用いる場合、加工対象物３上の照明された点における造形物４の高さを計測することができる。ラインビームを用いる場合、加工対象物３上の照明された範囲における造形物４の高さを計測することができる。

演算部５０は、照明光４０が照射された位置、つまり加工位置における造形物４の高さを演算する。造形物４の高さの計測は、加工位置を移動した後、その加工位置における付加加工を実行する前に行われる。具体的には、演算部５０は、照明光４０の反射光の受光位置に基づいて、三角測量の原理を用いて、加工位置における造形物４の高さを演算する。ここで受光位置とは、受光光学系に含まれる受光素子における照明光４０の位置である。造形物４の高さは、造形物４の上面のＺ方向の位置である。計測用照明部８、受光光学系、および演算部５０は、高さ計測部を構成する。計測用照明部８および受光光学系は、高さセンサを構成する。高さ計測部は、加工対象物３上に形成済みの造形物４の計測位置、つまり加工位置における高さを計測する。

制御部５１は、演算部５０で演算された高さを用いて、加工用レーザ１の駆動条件、加工材料７である金属ワイヤを供給する加工材料供給部１０の駆動条件、積層する玉ビードの個数などの加工条件を制御する。加工材料供給部１０の駆動条件は、金属ワイヤを供給する高さが含まれる。

続いて、本発明の実施の形態１にかかる演算部５０および制御部５１のハードウェア構成について説明する。演算部５０および制御部５１は、処理回路により実現される。これらの処理回路は、専用のハードウェアにより実現されてもよいし、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いた制御回路であってもよい。

上記の処理回路が、専用のハードウェアにより実現される場合、これらは、図２に示す処理回路１９０により実現される。図２は、図１に示す演算部５０および制御部５１の機能を実現するための専用のハードウェアを示す図である。処理回路１９０は、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、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）、またはこれらを組み合わせたものである。

上記の処理回路が、ＣＰＵを用いた制御回路で実現される場合、この制御回路は例えば図３に示す構成の制御回路２００である。図３は、図１に示す演算部５０および制御部５１の機能を実現するための制御回路２００の構成を示す図である。図３に示すように、制御回路２００は、プロセッサ２００ａと、メモリ２００ｂとを備える。プロセッサ２００ａは、ＣＰＵであり、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）などとも呼ばれる。メモリ２００ｂは、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically ＥＰＲＯＭ）などの不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）などである。

上記の処理回路が制御回路２００により実現される場合、プロセッサ２００ａがメモリ２００ｂに記憶された、各構成要素の処理に対応するプログラムを読み出して実行することにより実現される。また、メモリ２００ｂは、プロセッサ２００ａが実行する各処理における一時メモリとしても使用される。

図４は、図１に示す加工ヘッド２の内部構成を示す図である。図４は、積層造形装置１００のＸＺ断面の構成が示されている。加工ヘッド２は、投光レンズ１１と、ビームスプリッタ１２と、対物レンズ１３と、バンドパスフィルタ１４と、集光レンズ１５と、受光部１６とを有する。

投光レンズ１１は、加工用レーザ１が出射した加工光３０をビームスプリッタ１２に向けて透過させる。ビームスプリッタ１２は、投光レンズ１１から入射する加工光３０を加工対象物３の方向に反射させる。対物レンズ１３は、投光レンズ１１およびビームスプリッタ１２を介して入射する加工光３０を集光して、加工対象物３上の加工位置に結像させる。投光レンズ１１、ビームスプリッタ１２および対物レンズ１３は、加工光学系を構成する。

例えば、投光レンズ１１の焦点距離は２００ｍｍ、対物レンズ１３の焦点距離は４６０ｍｍである。ビームスプリッタ１２の表面には、加工用レーザ１から照射される加工光３０の波長の反射率を高くし、加工光３０の波長よりも短い波長の光を透過するコーティングが施される。

積層造形装置１００は、駆動ステージ６を駆動して加工対象物３を走査し、加工点を走査して予め定められた位置で停止し、加工材料７を加工点に供給する。加工光３０が加工点に照射されることで、加工点に供給される加工材料７が溶融した後に凝固し、加工対象物３の上に玉ビードが形成される。形成された玉ビードは、造形物４の一部となる。加工点が走査されるたびに、土台となる加工対象物３または形成済みの造形物４の上に新たに玉ビードが積層される。これにより、新たに造形物４の一部が形成される。この動作を繰り返すことで、加工材料７が積層されて造形物４の形状が所望の形状となる。

また、計測用照明部８は、照明光４０を計測位置に照射する。計測位置で反射した照明光４０は、対物レンズ１３およびビームスプリッタ１２を介してバンドパスフィルタ１４に入射する。ビームスプリッタ１２は、加工点からの照明光４０をバンドパスフィルタ１４の方向に透過させる。バンドパスフィルタ１４は、照明光４０の波長の光を選択的に透過させ、照明光４０の波長以外の波長の光を遮断する。バンドパスフィルタ１４は、加工光、熱輻射光、外乱光などの不要な波長の光を除去して、照明光４０を集光レンズ１５に向けて透過させる。集光レンズ１５は、照明光４０を集光して受光部１６に結像させる。受光部１６は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサなどの受光素子を搭載したエリアカメラなどである。受光部１６は、ＣＭＯＳセンサに限らず、二次元に画素が配列された受光素子を備えればよい。

対物レンズ１３および集光レンズ１５を合せて受光光学系と呼ぶ。ここでは受光光学系は、２枚のレンズで構成されることとしたが、３枚以上のレンズを用いてもよい。受光光学系は、照明光４０を受光部１６に結像させることができればその構成は制限されない。受光光学系および受光素子を合わせて受光ユニット１７と称する。

図５は、図１に示す積層造形装置１００が玉ビードを形成する動作を説明するためのフローチャートである。

まず、積層造形装置１００は、駆動ステージ６を駆動することで、加工ヘッド２の位置を、加工対象物３の付加対象面における加工領域の上方の予め定められた位置である加工点に合わせる（ステップＳ１０１）。ここで付加対象面は、加工対象物３において玉ビードが積層される面であり、ステージに載置された加工対象物３の上面である。既に形成済みの造形物４の上に付加加工を行う場合、造形物４の表面が付加対象面となる。

図６は、図１に示す積層造形装置１００の加工領域を示す模式的な断面図である。加工点は、図６に示すように、加工光３０の中心軸ＣＬが付加対象面と交差する点である。本実施の形態では、加工点は、付加対象面における加工領域の中央位置とする。

図５の説明に戻る。積層造形装置１００は、加工材料７である金属のワイヤの先端が、付加対象面に接触するように、ワイヤを吐出する（ステップＳ１０２）。

図７は、図１に示す積層造形装置１００の加工領域へ吐出されたワイヤが付加対象面に接触した状態を示す模式的な断面図である。図７に示すように、積層造形装置１００は、ワイヤである加工材料７を、加工領域の上方から斜めに吐出して、加工材料７の先端を付加対象面に接触させる。ワイヤを吐出するとは、積層造形装置１００が、加工材料供給部１０を制御して、ワイヤノズルからワイヤを進行させて加工点に供給することである。加工光３０を照射する前に、加工材料７は付加対象面に接触した状態となる。このため、溶融したワイヤの付加対象面への溶着が安定して行われ、溶融したワイヤが付加対象面に溶着しなかったり、溶融したワイヤの溶着する位置が所望の位置からずれてしまったりすることを防ぐことが可能になる。

ワイヤノズルから吐出されて付加対象面に接触したワイヤの中心軸ＣＷと、加工領域に照射される加工光３０の中心軸ＣＬとは、付加対象面の表面で交わることが好ましい。或いは、ワイヤの中心軸ＣＷは、加工領域に照射される加工光３０の中心軸ＣＬからワイヤノズル側の加工光３０のビーム半径内で、付加対象面の表面で交わっていることが好ましい。ワイヤをこのように配置することで、付加対象面において、ワイヤの中心軸ＣＷと加工領域に照射される加工光３０の中心軸ＣＬとの交点を中心として玉ビードを形成することができる。

図５の説明に戻る。積層造形装置１００は、加工材料７の準備が終わると、加工光３０の照射を開始し、不活性ガスをガスノズル９から噴出させる（ステップＳ１０３）。

図８は、図１に示す積層造形装置１００の加工領域へ加工光３０が照射された状態を示す模式的な断面図である。図８に示すように、加工光３０が付加対象面の加工領域へむけて照射される。このとき加工光３０は加工領域に配置された加工材料７であるワイヤに照射される。また、加工光３０の照射に合わせて、ガスノズル９から加工領域への不活性ガスの噴出が開始される。不活性ガスの噴出は、加工光３０を加工対象面に照射する前に開始されることが好ましい。また不活性ガスは、予め定められた一定時間にわたって噴出されることが好ましい。不活性ガスを加工光３０の照射よりも前の一定期間に渡って噴出することで、ガスノズル９内に残存している酸素などの活性ガスをガスノズル９内から除去することができる。

図５の説明に戻る。積層造形装置１００は、加工材料７であるワイヤの送給を開始する（ステップＳ１０４）。

図９は、図１に示す積層造形装置１００の加工領域へのワイヤの供給が開始された状態を示す模式的な断面図である。積層造形装置１００は、加工材料供給部１０のワイヤノズルを制御して、付加対象面の加工領域に向けて、図９の矢印の方向に、ワイヤを吐出させる。これにより、予め加工領域に配置されていたワイヤと、加工光３０の照射開始後に加工領域へ供給されたワイヤとが溶融し、溶融ワイヤが付加対象面に溶着する。加工領域では、加工光３０が照射されると、加工対象物３の表面または造形物４の表面からなる付加対象面が溶融して溶融池が形成される。そして、加工領域では、溶融ワイヤが、溶融池に溶着される。これにより、加工領域には、堆積物である溶融ビードが形成される。以降、予め定められた供給時間の間、加工領域へワイヤの供給が継続される。

ワイヤの供給速度は、加工材料供給部１０の回転モータの回転速度で調整することができる。ワイヤの供給速度は、加工光３０の出力によって制限がある。すなわち、加工領域への溶融ワイヤの適正な溶着を実現するためのワイヤの供給速度と加工光３０の出力とには相関がある。加工光３０の出力を上昇させることにより、玉ビードの造形速度を高めることができる。

加工光３０の出力に対してワイヤの供給速度が速すぎる場合、ワイヤが溶けずに残ってしまう。加工光３０の出力に対してワイヤの供給速度が遅すぎる場合、ワイヤが過剰に加熱されることにより、溶融ワイヤが液滴状にワイヤから落下し、所望の形状に溶着されない。

また、玉ビードの大きさは、ワイヤの供給時間および加工光３０の照射時間を変更することで調整することができる。ワイヤの供給時間および加工光３０の照射時間を長くするほど、直径の大きな玉ビードを形成することが可能である。一方、ワイヤの供給時間および加工光３０の照射時間を短くするほど、直径の小さな玉ビードを形成することが可能である。

図５の説明に戻る。第１の加工位置における付加加工が終わると、積層造形装置１００は、加工材料７であるワイヤを加工領域から引き抜く（ステップＳ１０５）。

図１０は、図１に示す積層造形装置１００の加工領域からワイヤが引き抜かれる状態を示す模式的な断面図である。積層造形装置１００は、第１の加工位置における付加加工が終わると、図１０の矢印に示す方向に、加工材料７であるワイヤを加工領域から引き抜く。このとき、加工対象物３に形成された溶融池と、溶融ビードとは一体化しており、ワイヤを引き抜くことで、ワイヤと溶融ビードとが分離する。

図５の説明に戻る。ワイヤを引き抜いた後、積層造形装置１００は、加工光３０の照射を停止する。また、積層造形装置１００は、加工光３０の照射を停止した後も、ガスノズル９から不活性ガスの噴出を継続する。そして、継続時間が経過した後、積層造形装置１００は、ガスノズル９から不活性ガスの噴出を停止させる（ステップＳ１０６）。

図１１は、図１に示す積層造形装置１００の加工領域への加工光３０の照射が停止された状態を示す模式的な断面図である。加工光３０の照射が停止された後、継続時間の間不活性ガスの噴出を継続し、継続時間が経過して不活性ガスの噴出が停止されると、溶融ビードが凝固して付加対象面上に玉ビードが形成される。

継続時間は、加工光３０の停止後に、加工領域に溶着された溶融ビードの温度が予め定められた温度に低下するまでの時間に基づいて定められる。溶融ビードの温度が予め定められた温度に低下するまでの時間は、ワイヤの材質、玉ビードの大きさなどの諸条件に依存する。これらの諸条件に基づく継続時間が制御部５１に予め記憶されている。継続時間が経過して、溶融ビードが予め定められた温度に低下すると、玉ビードの形成が完了する。

図５の説明に戻る。第１の加工位置における付加加工が終わり、玉ビードが形成されると、積層造形装置１００は、加工ヘッド２の位置を次の加工点に合わせる（ステップＳ１０７）。具体的には、積層造形装置１００は、駆動ステージ６を制御して加工対象物３と加工ヘッド２との相対位置を変化させることで、加工ヘッド２が次の加工点である第２の加工位置の上にくるように、位置を合わせる。

図１２は、図１に示す積層造形装置１００の加工ヘッド２が次の加工点に移動する状態を示す模式的な断面図である。なお、図６から図１２では、付加対象面における加工領域の周辺の状態を示している。図８から図１１において、不活性ガスの図示を省略している。

図１２の矢印は、加工対象物３に対する加工ヘッド２の移動方向を示しており、加工対象物３に対する加工ヘッド２の位置の移動に伴って、加工光３０の中心軸ＣＬが加工対象物３に対して矢印の方向に移動する。中心軸ＣＬは、次の加工点である第２の加工位置に移動される。

図１３は、図１に示す積層造形装置１００による造形物４の造形方法を説明するための模式的な断面図である。図５に示す工程を繰り返すことで、付加対象面上に造形物４を構成する玉ビードの層を形成することができる。ここでは、加工対象物３の表面に直接形成された玉ビードの層を第１層Ａとする。また、第１層Ａの上に形成された玉ビードの層を第２層Ｂとする。第２層Ｂの上に形成された玉ビードの層を第３層Ｃとする。複数の玉ビードの層を積層することで、積層造形装置１００は、加工対象物３の上に所望の形状の造形物４を形成することができる。積層造形装置１００は、各層の付加加工を終える度に、駆動ステージ６のＺ軸方向の位置を一定量変化させる。Ｚ軸方向の変化量は、形成する玉ビードの高さと等しいことが好ましい。

上記で示した各工程は、必ずしも記載した順番に実行される必要はない。例えば、上記では、加工位置を移動して玉ビードを造形する際に、加工点の上に加工ヘッド２がくるように位置合わせするステップと、ワイヤを吐出するステップとを分けて説明したが、本実施の形態はかかる例に限定されない。加工時間を短縮するために、ワイヤを吐出しながら次の加工点に移動してもよい。これにより、次の加工点に到着する際に、ワイヤが既に付加対象面に接触した状態とすることができ、加工時間を短縮することができる。

造形物４の高さは、設計通りに造形されることが好ましいが、付加加工時の条件によっては、付加する玉ビードの高さが変化して、造形物４の高さが設計通りにならないことがある。付加加工時の条件は、例えば、付加対象面の形状、ワイヤの送給位置、ワイヤの引き抜きの状況などである。付加対象面に対するワイヤの高さが最適範囲に入っていない場合、高精度に玉ビードを造形することができない。例えば、付加対象面に対して、ワイヤの位置が高すぎる場合、溶融ワイヤが付加対象面に十分に付着しなくなる。付加対象面に対して、ワイヤの位置が低すぎる場合、ワイヤが十分に溶けきらず、溶け残りが発生することがある。

図１４は、図１に示す積層造形装置１００が形成する造形物４に対するワイヤの高さを示す図である。ここで、ワイヤの高さとは、加工対象物３の上面、玉ビード上面などの付加対象面を基準としたワイヤの供給口の高さである。ワイヤの供給口からの出射量を設定しておけば、ワイヤ先端の高さを算出することができるため、ワイヤの高さは、ワイヤ先端の高さとしてもよい。また、ワイヤの高さの適切な範囲は、形成済みの造形物４の高さに依存する。

図１４に示すように、形成済みの造形物４に応じた高さでワイヤを供給できなければ、加工結果に不良が生じる。例えば、図１４に示す形成済みの造形物４に応じたワイヤの適切な高さの範囲をｈａ±αとする。図１４（ａ）では、ワイヤの高さは、ｈａ±αの範囲の中央である。つまり、図１４（ａ）では、ワイヤの高さがｈａである。ワイヤの高さの下限値２０は、ｈａ−αであり、ワイヤの高さの上限値２１は、ｈａ＋αである。図１４（ａ）では、ワイヤの高さはｈａであり、ｈａ±αの範囲内であるため、加工結果に不良は生じない。

しかしながら、図１４（ｂ）では、加工対象面となる形成済みの玉ビードの高さが設計値に対して低く、ワイヤの高さｈｂは、ｈｂ＞ｈａ+αとなり、ｈａ±αの範囲外となる。この場合、加工光３０が照射されて溶けたワイヤが形成済みの造形物４に十分に付着せず、溶滴７１が発生し、加工後の造形物４に凹凸が発生する。

また図１４（ｃ）では、加工対象面となる形成済みの玉ビードの高さが設計値に対して高く、ワイヤの高さｈｃは、ｈｃ＜ｈａ-αとなり、ｈａ±αの範囲外となる。この場合、ワイヤが形成済みの造形物４の方向に押し付けられすぎるため、加工光３０が照射されてもワイヤが全て溶けきらず、ワイヤの溶け残り７２が発生する。この結果、加工後の造形物４に溶け残ったワイヤが含まれてしまう。このように、形成済みの造形物４の状態に応じてワイヤの高さを適切な値に維持し続けることが、高精度な加工には不可欠である。

加工対象物３の上面に対して造形物４を積層する１層目の付加加工では、加工対象物３の上面が平坦であれば、ワイヤの高さを一定に維持して加工すればよい。しかしながら、２層目以降は、１つ前の層までに形成済みの造形物４の上に付加加工を行う必要がある。ここで、形成済みの造形物４の高さが設計値通りの高さであれば、設計値に基づいてワイヤの高さを制御すればよい。しかしながら、形成済みの造形物４の高さが設計値通りとならない場合がある。この場合、ワイヤの高さを設計上の１層分の高さだけ上昇させても、実際には、形成済みの造形物４の高さが設計値と異なる部分では、ワイヤの高さが適切な範囲外となる可能性がある。また、２層目では、ワイヤの高さが許容範囲ｈａ±αに入っていたとしても、言い換えれば、許容誤差範囲に入っていたとしても、複数回の付加加工を繰返し、ｎ層目（ｎ≧２）の付加加工を行う場合、誤差がｎ回分累積されるため、許容誤差範囲内に入らない可能性がある。そこで、本実施の形態では、実際の加工後の造形物４の高さを計測し、計測結果に基づいて、加工条件を制御する。

続いて、高さ計測部が形成済みの造形物４の高さを計測する方法について説明する。図１５は、図１に示す計測用照明部８から照明光４０が投影された造形物４のＸＺ断面を模式的に示す図である。計測用照明部８は、加工ヘッド２の側面に取り付けられ加工対象物３または形成済みの造形物４の上の計測位置に向けてラインビームである照明光４０を照射する。計測位置は、加工材料７の供給方向などを考慮して決定される。例えば、計測位置は、加工点を基準として加工材料７の供給方向と反対側とすると、加工材料７に遮られることなく計測位置を照明することが容易となる。照明光４０は、ワイヤが供給される方向に対して直角であり、駆動ステージ６の上面に対して平行な方向であるＹ方向に広がったビームを形成するようにシリンドリカルレンズなどを用いて形成される。したがって、照明光４０は、形成済みの造形物４に対してライン状に照射される。計測位置に照射された照明光４０は、計測位置で反射され、対物レンズ１３に入射し、ビームスプリッタ１２およびバンドパスフィルタ１４を透過して、集光レンズ１５により受光部１６に結像される。

高さセンサの受光光学系の焦点が玉ビードの加工位置の高さにある場合を考える。加工対象物３の上面に対する造形物４の高さをΔＺとし、照明光４０の照射角度をθとする。この場合、加工対象物３の上面の照明光４０の照明位置と、造形物４上の照明光４０の照射位置との差異ΔＸ＝ΔＺ／ｔａｎθで表される。

図１６は、図１に示す積層造形装置１００が造形物４に照明光４０を照射した際の受光素子上の受光位置を示す図である。受光光学系の焦点に対応する照明光４０の投影位置をＸ方向の画素中心とし、基準画素位置とする。また、Ｙ方向の加工位置に相当する位置の照明光４０のＸ方向の投影位置を、加工位置の玉ビード高さとする。ここでは、加工位置ＣＬが受光素子上のＹ方向の中心となるように設定しているが、中心でなくてもよい。加工位置ＣＬに相当するＹ方向の画素１ｐｉｘｅｌから算出した値を使用することができる。或いは、複数の画素の平均が使用されてもよい。

基準画素位置は、受光光学系の焦点である必要はなく任意に設定することができる。照明光４０は、受光光学系の焦点である玉ビード上の加工位置に投影されているため、ここでは受光光学系の焦点が受光素子上の基準画素位置になる。

造形物４の高さと加工対象物３の表面の高さとが異なるため、照明光４０の照射位置はΔＸ’だけずれて投影される。受光光学系の倍率Ｍを用いると、ΔＸ’＝Ｍ×ΔＸとなる。イメージセンサの１画素の大きさをＰとすると、１画素当たりの高さ変位量ΔＺ’は、ΔＺ’＝Ｐ×ｔａｎθ／Ｍと表される。このように、受光素子上の玉ビードの加工位置と加工対象物３の表面との照明光４０の投影位置のずれを、三角測量の原理を用いて換算することで、演算部５０は、玉ビードの加工対象物３の上面からの高さを算出することができる。

また、複数層の付加加工を行う場合、各層を積層するごとにＺ方向に駆動ステージ６を一定量上昇させるため、加工ヘッド２と高さセンサの加工対象物３の上面に対する高さが上昇する。つまり、高さセンサの焦点位置も、駆動ステージ６の上昇に伴って上昇する。したがって、基準画素位置となるＺ方向の高さも上昇する。このように、基準画素位置からの差分の計算を繰り返せば、造形物４の高さが加工対象物３の上面に対して高くなり、加工対象物３の上面からの照明光４０の反射光が受光できなくなったとしても、これまでのＺ軸上昇量の積分値と、受光素子上の視野内の造形物４の上面から反射した照明光４０の照射位置と基準画素位置との差分とから、造形物４の高さを算出することができる。Ｘ方向の受光素子の画素数をＮｐｉｘｅｌとすると、造形物４の高さを計測可能な範囲Ｚｒ＝Ｎ×ｔａｎθ／Ｍで表される。しかしながら、受光素子のＸ方向の画素数全てを高さ計測可能範囲とする必要がなく、収差の影響などで視野端の性能が低い場合、視野中心のみを限定して使用してもよい。

演算部５０は、ラインビームである照明光４０の照射位置を、照明光４０の投影パターンのＸ方向の重心位置に基づいて計算する。演算部５０は、各Ｙ方向画素に対して、Ｘ方向の出力を算出し、照明光４０の断面強度分布から重心位置を算出する。ここで、照明光４０の照射位置の算出方法は、重心位置を用いる方法に限らない。例えば、演算部５０は、光量のピーク位置に基づいて照明光４０の照射位置を算出してもよい。照明光４０の照射幅、つまりラインビームの長さは、照射位置の算出に対して十分な大きさである必要がある。例えば、重心位置を用いる場合、照射幅が狭すぎると重心位置が計算できず、照射幅が太すぎるとビームの強度パターン変化の影響で誤差が生じやすい。このため、照射幅は、５〜１０ｐｉｘｅｌ程度が望ましい。また、照明光４０の照射幅は、造形物４の幅に対して十分長ければよい。投影したラインビームのＹ方向全ての画素について重心計算を行い、高さを計算する必要がなく、例えば、加工位置ＣＬ付近のみでよいのであれば、加工位置ＣＬ付近の領域のみを使用してもよい。

このように画像のＹ方向の各画素に対して、Ｘ方向の輝度重心位置を算出し、算出結果を高さに換算することで、造形物４の幅方向における造形物４の高さの断面分布を計測することができる。造形物４の高さを計測するために用いられる照明光４０がスポットビームである場合には、造形物４の高さの断面分布を計測することはできないが、スポットの大きさを適切に選択することで、誤差の少ない測定が可能となる。

続いて、形成済みの造形物４の高さの計測結果を用いた付加処理の手順について説明する。図１７は、図１に示す積層造形装置１００が形成済みの造形物４の高さの計測結果を用いて付加処理を行う手順を説明するためのフローチャートである。

ここでは、１層がｍ個の玉ビードから構成され、ｍ個の玉ビードをｎ層積層する場合について説明する。まず、１層目の付加加工を開始する（ステップＳ２０１）。加工対象物３の上面が平坦なベースプレートである場合、１層目の付加加工時には計測位置にビードはないため、高さ計測の必要はない。しかしながら、造形物４の上に玉ビードを重ねる場合、または、ベースプレートがひずんでいる場合などを考慮して、正確な付加加工を行うために、１層目においても、高さ計測を行ってもよい。ここでは、１層目の高さ計測は省略する。なお、ステップＳ２０１では、具体的には、図５に示す処理が行われる。

１層目の付加加工が全て終了すると、積層造形装置１００は、２層目の付加加工を行うために、駆動ステージ６をＺ方向に上昇させる（ステップＳ２０２）。積層造形装置１００は、１つ目の玉ビードを加工する加工位置に加工ヘッド２がくるように、駆動ステージ６を移動させる（ステップＳ２０３）。

積層造形装置１００は、加工位置において、１層目に形成済みの造形物４の高さの計測を開始する（ステップＳ２０４）。積層造形装置１００は、形成済みの造形物４の高さの計測結果を保存する（ステップＳ２０５）。計測位置は、次に加工する玉ビードの加工位置である。

積層造形装置１００は、ステップＳ２０５で保存した造形物４の高さの計測結果を用いて、加工条件を制御しながら、付加加工を行う（ステップＳ２０６）。積層造形装置１００は、現在の層において、ｍ個の玉ビードを造形終了したか否かを判断する（ステップＳ２０７）。

ｍ個の玉ビードの造形が終了していない場合（ステップＳ２０７：Ｎｏ）、積層造形装置１００は、ステップＳ２０３の処理に戻る。ｍ個の玉ビードの造形が終了した場合（ステップＳ２０７：Ｙｅｓ）、続いて積層造形装置１００は、ｎ層の造形が終了したか否かを判定する（ステップＳ２０８）。ｎ層の造形が終了していない場合（ステップＳ２０８：Ｎｏ）、積層造形装置１００は、ステップＳ２０２の処理に戻る。ｎ層の造形が終了した場合（ステップＳ２０８：Ｙｅｓ）、積層造形装置１００は、付加加工を終了する。積層造形装置１００がステップＳ２０１〜ステップＳ２０８の処理を繰り返すことで、任意の形状の造形物４を積層加工することができる。

続いて、加工制御の具体的な内容について説明する。図１８は、図１に示す積層造形装置１００が２層目を加工する場合のワイヤ供給速度を制御する方法を示す図である。領域Ｉは、１層目で形成された造形物４の実際の高さＴ１が、造形物４の目標高さＴ０と等しい場合を示している。ここで、目標高さＴ０とは、造形物４に新たに積層される積層物の予め設定された高さである。領域ＩＩでは、１層目で形成された造形物４の実際の高さＴ２が目標高さＴ０よりも高い。領域ＩＩＩでは、１層目で形成された造形物４の実際の高さＴ３が目標高さＴ０よりも低い。ここで、簡単のため、造形物４を目標の積層高さに加工するためのワイヤ先端の高さであるワイヤ高さを、目標高さＴ０とする。しかしながら、実際には、造形物４を目標の積層高さに加工するためのワイヤ高さは、目標高さＴ０と異なっていてもよい。

領域Ｉの２層目を加工する場合、１層目の計測結果である高さＴ１が目標高さＴ０と同じであるため、制御部５１は、特に加工条件を変更しない。領域ＩＩの２層目を加工する場合、１層目の計測結果である高さＴ２が目標高さＴ０よりも高いため、１層目は付加対象面に対するワイヤ高さが許容範囲ｈａ±αに入っていたとしても、積層を続けることで許容範囲から外れてしまう。そこで、２層目の積層高さを２×Ｔ０とするために、２層目の積層高さを２×Ｔ０−Ｔ２とする必要がある。

積層高さを変更するための加工条件は、例えば、ワイヤ送り速度つまりワイヤ供給量、加工用レーザ１の出力、加工用レーザ１からの加工光３０の照射時間、玉ビードの積層個数、駆動ステージ６のＺ方向への送り量などである。ここでは、ワイヤの送り速度を制御する場合について説明する。

ワイヤの送り速度を制御すると、加工光３０を照射中に加工点に送り込むワイヤの供給量を制御することができる。領域Ｉにおいて目標高さＴ０を積層するためのワイヤ送り速度をｖ１とする。領域ＩＩでは、積層高さを領域Ｉよりも低くする必要があるため、制御部５１は、ワイヤ送り速度ｖ２をｖ１よりも遅くし、ワイヤの供給量を減らすことで、１層目と合せた２層目加工終了時の造形物４の高さが２×Ｔ０となるようにする。

領域ＩＩＩでは、計測結果である高さＴ３が目標高さＴ０よりも低いため、２層目の積層高さを２×Ｔ０−Ｔ３とする必要がある。このため、制御部５１は、ワイヤの送り速度ｖ３をｖ１よりも早くして、ワイヤの供給量を多くすることで、１層目と合せた２層目加工終了時の造形物４の高さが２×Ｔ０となるようにする。つまり、制御部５１は、計測結果と目標高さＴ０との差異に基づいて、加工条件を制御することで、次の付加加工で積層する積層高さを制御する。ワイヤ送り速度の制御値は、ワイヤ送り速度と積層されるビードの高さとの関係を予め算出して保持しておけばよい。また、複数の層を積層する場合、１つ前の層の計測したビード高さに基づいて積層した結果を用いて、積層加工中に動的に制御値を変更してもよい。

なお上記では、ワイヤの送り速度を変更して、付加加工の積層高さを変更したが、送り速度以外のパラメータを変更してもよい。或いは、複数の種類のパラメータを変更して加工条件を制御してもよい。例えば、積層高さを低くしたい場合、加工用レーザ１の出力を小さくし、加工光３０の照射時間を短くすることが考えられる。或いは、積層高さを高くしたい場合、加工用レーザ１の出力を大きくし、加工光３０の照射時間を長くすることが考えられる。

図１９は、図１に示す積層造形装置１００が制御する加工条件が玉ビードの個数である例を示す図である。１層目加工終了時の状況は、図１８と同様である。２層目の目標高さＴ４とし、領域Ｉの２層目を加工する場合、１層目の計測結果である高さＴ１が１層目の目標高さＴ０と等しいため、制御部５１は、加工条件を変更せずに付加加工を行う。領域ＩＩでは、計測結果である高さＴ２が目標高さＴ０よりも高く、２層目の付加加工終了時の目標の高さＴ０＋Ｔ４に近くなっている。そこで、領域ＩＩにおいて、制御部５１は、２層目の付加加工を行わない。また、領域ＩＩＩでは、計測結果である高さＴ３は、目標高さＴ０よりも低く、２層目の付加加工終了時の目標の高さＴ０＋Ｔ４と高さＴ３の差異がＴ４の２倍以上であるため、玉ビードを２層連続で積層する。つまり、制御部５１は、玉ビードの積層個数を、目標高さと計測結果との差異に基づいて、変更する。玉ビードの積層個数を変更することは、ｎ層の積層を行う中で、目標の高さと計測結果との差異が大きくなった場合に有効である。また、積層個数だけでは、細かな高さの制御が難しいため、積層個数の制御と、ワイヤ供給速度などの他の制御パラメータの変更とを合わせて行うことが好ましい。

図２０は、図１に示す積層造形装置１００が造形物４の高さの計測結果に基づいてワイヤ高さを制御する方法を示す図である。１層目加工終了時の状態は、図１８と同様とする。例えば、領域ＩＩおよび領域ＩＩＩにおいて、１層目の造形物４の高さが目標高さＴ０から大きく外れており、２層目の付加加工時にワイヤ高さをＴ０上昇させると、付加対象面に対するワイヤ高さの許容範囲ｈａ±αに入らない場合が考えられる。このような場合には、駆動ステージ６のＺ方向の上昇量を変化させて、ワイヤ高さを制御することが好ましい。

領域Ｉの２層目の付加加工では、１層目の計測結果である高さＴ１が目標高さＴ０と等しいため、ワイヤ高さをＴ０とすればよい。領域ＩＩの２層目を加工する場合には、計測結果である高さＴ２が目標高さＴ０よりも高いため、ワイヤ高さをＴ０とすると、ワイヤ高さが許容範囲に入らない。そこで、ワイヤ高さをＴ２とすることで、加工不具合を発生させずに２層目の付加加工を行うことができる。領域ＩＩＩの２層目の付加加工では、１層目の計測結果である高さＴ３が目標高さＴ０よりも低いため、ワイヤ高さをＴ０とすると、ワイヤ高さが許容範囲に入らない。そこで、ワイヤ高さをＴ３として加工することで、加工不具合を発生させずに２層目の付加加工を行うことができる。

上記のように、形成済みの造形物４の高さの計測結果に基づいて、ワイヤ高さを調整することで、加工不具合の発生を防止することができる。ワイヤ高さは、加工条件の一例である。ワイヤ高さの制御は、ワイヤ高さ以外の積層高さを変更するための加工条件、例えば、ワイヤ送り速度、加工用レーザ１の出力、加工光３０の照射時間などと合わせて制御することが好ましい。

また、ｎ層目を加工する前に、ｎ−１層目の平均高さと、目標高さＴ０との差異が大きい場合、ｎ−１層目の加工終了時に上昇させるワイヤ高さの変化量を設計値であるＴ０に代えて、ｎ−１層目の平均高さとすることも考えられる。

ｎ層目を加工する際に、直前に計測したｎ−１層目の積層高さの計測結果を用いて、加工条件を制御することで、図１４に示したように、目標高さとワイヤ高さとの差を許容範囲ｈａ±αに維持することができる。このため、加工不具合を発生させずに加工を継続することができ、造形物４の造形精度を向上させることができる。

本実施の形態では、高さセンサと加工ヘッド２とが一体化している構成について説明した。しかしながら、高さセンサと加工ヘッド２とが一体化していなくてもよい。加工ヘッド２と別体の高さセンサを設ける場合、高さ計測を行う際に、加工位置が高さセンサの計測位置と一致するように駆動ステージ６を移動し、高さセンサの計測が終了し、加工する際に駆動ステージ６を移動して、加工位置が加工光３０の照射位置と一致するようにすればよい。高さセンサと加工ヘッド２とが一体化していることで、高さ計測にかかる時間を短縮することができる。なお、本実施の形態における高さセンサは、照明光４０としてラインビームを用いたが、高さセンサと加工ヘッド２とが一体化しておらず、加工用と高さ計測用とを併用しない集光レンズ１５は、ラインビームのみを受光部１６に結像することができる光学系であることが好ましい。

また、本実施の形態では、玉ビードの形状は、半球形状としたが、半球以外の形状であっても、駆動ステージ６を停止中に形成した一塊の加工材料７からなるビードを複数並べることで造形物４を形成することができればよい。図２１は、図１に示す積層造形装置１００が形成するビードの形状の変形例を示す図である。例えば、図２１に示すように、半球の中央が欠けた形状のビードであっても、本実施の形態における高さセンサと加工条件の制御とを用いることで、高精度な積層造形が可能である。その他の形状のビードを用いても、玉状に形成されたビードであれば問題はない。

また、本実施の形態では、玉ビードの中心を加工位置としたが、加工位置が玉ビードの中心からずれていても同様の効果を得ることはできる。図２２は、図１に示す積層造形装置１００が形成済みの造形物４の高さを計測する計測位置の変形例を示す図である。本実施の形態において説明した、玉ビードの中心に積層する場合の加工位置をＣＬ０とすると、照明光４０の計測位置をＣＬ０として計測結果に基づいて加工条件を制御することができる。しかしながら、造形したい形状によって、玉ビードの中心以外に造形してもよい。例えば、図２２に示す玉ビードの曲面の加工位置ＣＬ１，ＣＬ３と、隣接する玉ビードとのつなぎ目である加工位置ＣＬ２とが考えられる。このような場合、ビード高さは、玉ビードの中心の高さＴ１よりも低くなる。しかしながら、本実施の形態で説明したように、ラインビームである照明光４０を用いて加工位置に形成済みの造形物４の高さを計測し、加工条件を制御すれば、高精度な加工が可能になる。

さらに、本実施の形態では、１つの玉ビードを形成する前に、形成済みの造形物４の高さを計測し、計測後に積層加工を行い、次の加工点へ移動することとしたが、本実施の形態はかかる例に限定されない。例えば、１層の付加加工が全て終了した後に、１層分全ての、形成済みの造形物４の高さをまとめて計測しておき、計測結果に基づいて、加工条件を制御してｎ層目の付加加工を行ってもよい。

また、本実施の形態では、加工点をＸ方向またはＹ方向に移動させて積層を行うことで、溶融した加工材料７が完全に凝固する時間を待つ必要がなく、ｎ−１層目のビードが完全に凝固した状態のビード高さを計測することができる。このため、計測精度の向上と加工時間の短縮とを両立することができる。Ｚ方向に連続した積層を行う場合、ｎ−１層目のビードが完全に凝固する時間待ってから、造形物４の高さの計測と、ｎ層目の付加加工とを行えばよい。

以上説明したように、本発明の実施の形態１によれば、形成される造形物４の実際の高さを計測し、計測結果に基づいて加工条件が制御されるため、造形物４の高さを均一にすることができ、造形物４の形状精度を向上させることが可能になる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２にかかる積層造形装置１００の構成は、図１に示す実施の形態１にかかる積層造形装置１００と同様であるため、ここでは詳細な説明は省略する。また、実施の形態１と同一の符号を用いて積層造形装置１００と称する。以下、実施の形態１と異なる部分について主に説明する。

図２３は、本発明の実施の形態２にかかる積層造形装置１００が解決する課題を説明するための図である。本実施の形態では、制御部５１が、形成済みの造形物４の高さを計測する際に加工位置を探索する加工位置探索部を有する。ラインビームを斜めから照射する光切断方式では、造形物４の高さが変化した際に計測位置が横方向にずれるが、加工位置探索部を設けることで造形物高さによらず加工位置の高さを高精度に計測することができる。

図２３（ａ）は、目標高さＴ１の場合に設計通りの玉ビードが造形されている場合を示している。２層目を積層する際には、玉ビードの高さＴ１と同じだけ加工ヘッド２を上昇させるため、加工位置を計測するための位置に駆動ステージ６を移動させると、加工位置ＣＬ＝計測位置ＣＨとなり、加工位置において造形物４の高さを計測することができる。

図２３（ｂ）は、１層目の玉ビードの高さＴ２が目標高さＴ１よりも高い場合を示している。２層目を積層する際には、加工ヘッド２をＴ１だけ上昇させ、加工位置を計測するための位置に駆動ステージ６を移動しても、加工位置ＣＬ＝計測位置ＣＨとならず、ΔＸ２の差異が生じる。

図２３（ｃ）は、１層目の玉ビードの高さＴ３が目標高さＴ１よりも低い場合を示している。２層目を積層する際には、加工ヘッド２をＴ１だけ上昇させ、加工位置を計測するための位置に駆動ステージ６を移動しても、加工位置ＣＬ＝計測位置ＣＨとならず、ΔＸ３の差異が生じる。

上記のように、斜めからラインビームを照射する光切断方式では、形成済みの造形物４の高さが目標高さＴ１からずれると、計測位置のずれが生じる。造形物４の上面が平坦であれば、計測位置のずれの影響は小さいが、玉ビードのような局面形状であれば、計測位置のずれによる造形物４の高さの計測精度の低下が大きくなる。高さ計測精度が低下すると、付加対象面に対するワイヤの高さが許容範囲に入らず、加工不具合が発生する可能性がある。ここでは、斜めからラインビームを照射する光切断方式について説明するが、スポット光を用いる三角測量方式、干渉方式などであっても、斜めから光を照射する方式について同様に本実施の形態の技術を適用することができる。

図２４は、本発明の実施の形態２にかかる積層造形装置１００の加工位置探索処理を説明するためのフローチャートである。ここで、加工位置探索処理について図２５から図３３を用いて説明する。

まず、積層造形装置１００は、加工位置において高さを計測するための位置に駆動ステージ６を移動させて、高さ計測を開始する。図２５は、図２４の処理を開始する前の計測用照明部８とビードとの位置関係を示す図である。ここでは、目標高さＴ０よりも造形物４の実際の高さＴ２が高い場合を用いて説明する。高さＴ２が目標高さＴ０と異なる場合、加工位置ＣＬ＝計測位置ＣＨとならず、計測位置ＣＨの加工位置ＣＬに対するずれの量は、ΔＸ２である。

図２６は、図２５に示す状態における受光素子上の受光位置を示す図である。ラインビームである照明光４０の位置ずれ量ΔＸ２に対応して、Ｘ方向において、基準画素位置に対する受光位置のずれ量ΔＸ２’が発生している。ΔＸ２’＝Ｍ×ΔＸ２である。

図２４の説明に戻る。制御部５１の加工位置探索部は、駆動ステージ６を移動させて、Ｚ方向の高さを一定量下降させる（ステップＳ３０１）。ここでは、駆動ステージ６を移動させているため、Ｚ方向の高さを下降させるためには、駆動ステージ６をＺ方向に上昇させることになる。ここで、高さの低下量は、図１６に示した受光素子の画素数によって決まる高さ計測範囲の下限値とする。低下量は、計測したい玉ビードの高さ範囲によって任意に設定することができる。

図２７は、図２４のステップＳ３０１の処理後の計測用照明部８と加工対象物３との位置関係を示す図である。図２５に示す状態から、駆動ステージ６を移動させることで、計測用照明部８の加工対象物３に対する高さをＨ０からＨ１に低下させる。低下量Ｈ０−Ｈ１は、高さ計測範囲の半分Ｚｒ／２＝Ｎ×ｔａｎθ／Ｍ／２とする。図２８は、図２７に示す状態における受光素子上の受光位置を示す図である。

図２４の説明に戻る。制御部５１の加工位置探索部は、Ｚ方向の高さを上昇させる（ステップＳ３０２）。図２９は、図２４のステップＳ３０２の処理後の計測用照明部８と加工対象物３との位置関係を示す図である。図２７に示す状態から、駆動ステージ６を移動させることで、計測用照明部８の加工対象物３に対する高さをＨ１からＨ２に上昇させる。図３０は、図２９に示す状態における受光素子上の受光位置を示す図である。図３０に示すように、計測用照明部８の加工対象物３に対する高さを上昇させると、受光素子上の照明光４０の受光位置が＋Ｘ方向に移動する。

なお、ここでは、計測用照明部８の加工対象物３に対する高さを低下させた後に上昇させる方法について説明したが、計測用照明部８の加工対象物３に対する高さを上昇させた後に低下させてもよい。

図２４の説明に戻る。制御部５１の加工位置探索部は、加工位置の造形物４から反射した照明光４０の受光位置が、受光素子上の予め定められた範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ３０３）。

図３１は、図２４のステップＳ３０３で用いられる予め定められた範囲Ｌを示す図である。範囲Ｌとは、基準画素位置に対して計測したい造形物４の高さの精度に応じた範囲とする。例えば、１画素当たりの高さ変位量ΔＺ’は、数式ΔＺ’＝Ｐｔａｎθ／Ｍを用いて決定することができる。

図２４の説明に戻る。制御部５１の加工位置探索部は、照明光４０の受光位置が予め定められた範囲Ｌ内である場合（ステップＳ３０３：Ｙｅｓ）、駆動ステージ６を停止させる（ステップＳ３０４）。照明光４０の受光位置が予め定められた範囲Ｌ内でない場合（ステップＳ３０３：Ｎｏ）、制御部５１の加工位置探索部は、ステップＳ３０２の処理に戻る。

図３２は、図２４のステップＳ３０４において駆動ステージ６を停止させた状態を示す図である。図３２に示すように、計測用照明部８の加工対象物３に対する高さがＨ３であるときに、図３１に示すように受光位置が範囲Ｌに入った場合、駆動ステージ６が停止される。

図３３は、図２４の処理を開始する前とステップＳ３０４の処理を終えた後の状態を比較するための図である。図３３のＨ０は、図２４の処理を開始する前の計測用照明部８の加工対象物３に対する高さを示している。図３３のＨ３は、図２４のステップＳ３０４の処理を終えた後の計測用照明部８の加工対象物３に対する高さを示している。

高さ計測部は、駆動ステージ６の高さの差分である高さＨ３とＨ０との差分Ｈ３−Ｈ０を計算する（ステップＳ３０５）。これにより、造形物４の高さの目標高さからの差異Ｔ２−Ｔ０＝Ｈ３−Ｈ０とすることができる。

以上説明したように、加工位置探索部を設けることで、斜めからラインビームを照射する光切断方式において、造形物４の高さが変化し、計測位置が加工位置からずれたとしても、加工位置における造形物４の高さを計測することが可能になる。

実施の形態３．
図３４は、本発明の実施の形態３にかかる積層造形装置１０１の構成を示す図である。積層造形装置１０１は、実施の形態１にかかる積層造形装置１００と比較して、計測用照明部８と撮像系の配置とが異なる。以下、実施の形態１と異なる部分について主に説明し、実施の形態１と同様の部分については詳細な説明を省略する。

積層造形装置１０１は、計測用照明部８がラインビームである照明光４０を加工光３０の光軸と平行に投影する。また、受光ユニット１７は、斜め方向に反射した反射光を受光する。これにより、実施の形態２において説明したようなラインビームの計測位置ずれが発生しないため、加工位置探索処理を行わなくても、高精度に造形物４の高さを計測することができる。

積層造形装置１０１において、計測用照明部８は、加工ヘッド２に組み込まれており、受光光学系および受光素子を含む受光ユニット１７は加工ヘッド２の側面に取り付けられる。

図３５は、図３４に示す加工ヘッド２の内部構成を示す図である。図３５では、積層造形装置１０１のＸＺ断面を示している。加工ヘッド２は、投光レンズ１１と、ビームスプリッタ１２と、対物レンズ１３と、ビームスプリッタ２２と、計測用照明部８とを有する。加工光学系は実施の形態１と同様であるため、詳細な説明を省略する。

計測用照明部８が出力する照明光４０は、ビームスプリッタ２２で反射され、対物レンズ１３を通して計測位置である造形物４上の加工位置に照射される。加工用の対物レンズ１３を通すため、計測用照明部８は、対物レンズ１３を通して造形物４上に集光されるような特性をもったビームを出射する。実施の形態１と同様に、照明光４０は、必ずしもラインビームである必要はなく、点状に集光されたスポットビームであってもよい。

受光ユニット１７は、集光レンズ１５と受光部１６とから構成される。受光ユニット１７は、照明光４０の照射波長を選択的に透過させるバンドパスフィルタ１４をさらに有することが好ましい。

図３６は、図３４に示す積層造形装置１０１における高さ計測の説明図である。図３６（ａ）は、目標高さＴ１の玉ビードが造形された状態を示している。図３６（ｂ）は、目標高さＴ１よりも高い玉ビードが造形された状態を示している。図３６（ｃ）は、目標高さＴ１よりも低い玉ビードが造形された状態を示している。照明光４０は、加工光３０と同軸に照射される。このため、計測位置ＣＨは、加工位置ＣＬと一致する。

図３７は、図３６（ａ）に示すビードからの反射光の受光位置を示す図である。図３６（ａ）のように、目標高さＴ１の玉ビードが造形された場合、２層目の付加加工を行う際には、加工ヘッド２をＴ１だけ上昇させるため、受光部１６の受光素子上のＹ方向の加工位置における受光位置は、基準画素位置となる。

図３８は、図３６（ｂ）に示すビードからの反射光の受光位置を示す図である。図３６（ｂ）のように、目標高さＴ１よりも高い高さＴ２の玉ビードが形成された場合、加工ヘッド２をＴ１だけ上昇させると、受光素子上のＹ方向の受光位置は、基準画素位置からΔＸ２’だけずれる。ΔＸ２’の値と、三角測量の原理とを用いて、Ｔ２−Ｔ１を算出することができる。

図３９は、図３６（ｃ）に示すビードからの反射光の受光位置を示す図である。図３６（ｃ）のように、目標高さＴ１よりも低い高さＴ３の玉ビードが形成された場合、加工ヘッド２をＴ１だけ上昇させると、受光素子上のＹ方向の受光位置は、基準画素位置からΔＸ３’だけずれる。ΔＸ３’の値と、三角測量の原理とを用いて、Ｔ１−Ｔ３を算出することができる。

以上説明したように、本実施の形態にかかる積層造形装置１０１は、高さ計測用の照明光４０を加工光３０の光軸と並行に投影し、光軸に対して斜め方向に受光ユニット１７を設けている。このような構成をとることで、玉ビードの高さの変化によらず、照明光４０の計測位置を加工位置とすることができる。このため、造形物４の高さによらず加工位置の高さを高精度に計測することができる。

図４０は、図３５に示す積層造形装置１０１の変形例を示す図である。図３５では、計測用照明部８を加工ヘッド２と一体化した構成例について説明したが、本実施の形態は係る例に限定されない。図４０に示すように、計測用照明部８と加工ヘッド２とが別体であってもよい。この場合、計測用照明部８から出射される照明光４０の光軸と、加工光３０の光軸との間に差異ΔＤが生じる。このため、高さ計測を行う際には、加工位置と計測位置との差異ΔＤだけ駆動ステージ６を移動させることで、高精度に加工位置の造形物４の高さを計測することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の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、本発明の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 加工用レーザ、２ 加工ヘッド、３ 加工対象物、４ 造形物、５ 固定具、６ 駆動ステージ、７ 加工材料、８ 計測用照明部、９ ガスノズル、１０ 加工材料供給部、１１ 投光レンズ、１２ ビームスプリッタ、１３ 対物レンズ、１４ バンドパスフィルタ、１５ 集光レンズ、１６ 受光部、１７ 受光ユニット、２０ 下限値、２１ 上限値、３０ 加工光、４０ 照明光、５０ 演算部、５１ 制御部、７１ 溶滴、７２ 溶け残り、１００ 積層造形装置、１９０ 処理回路、２００ 制御回路、２００ａ プロセッサ、２００ｂ メモリ。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、加工材料を溶融し、凝固した加工材料を加工対象物の上に付加する付加加工を繰り返して造形物を形成する積層造形装置であって、付加加工を実行する加工ヘッドと加工対象物との位置関係を変化させ、複数の加工点で停止させる駆動ステージと、駆動ステージが加工点で停止するごとに、停止したときの加工位置に形成済みの造形物の高さを計測する高さ計測部と、高さ計測部の計測結果に基づいて、加工位置で加工材料を付加するための加工条件を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。

Claims (20)

1. 加工材料を溶融し、凝固した前記加工材料を加工対象物の上に付加する付加加工を繰り返して造形物を形成する積層造形装置であって、
   加工位置に形成済みの前記造形物の高さを計測する高さ計測部と、
   前記高さ計測部の計測結果に基づいて、前記加工位置に前記加工材料を付加するための加工条件を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする積層造形装置。
2. 前記制御部は、前記加工位置に付加される前記加工材料の高さが、目標高さと前記計測結果との差分となるように、前記加工条件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。
3. 前記高さ計測部は、第１の加工位置における付加加工を実行する前に、前記第１の加工位置の造形物の高さを計測し、
   制御部は、前記第１の加工位置における付加加工後の造形物の高さが目標高さとなるように前記加工条件を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の積層造形装置。
4. 前記付加加工は、第１の加工位置に供給される前記加工材料を溶融する第１の動作と、前記第１の動作の後に実行される動作であって、前記第１の加工位置と異なる第２の加工位置に前記加工材料の供給位置を移動させる第２の動作とを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の積層造形装置。
5. 第１の加工位置から前記第１の加工位置の次の加工位置である第２の加工位置への移動は、前記造形物の高さ方向に対して直交する方向への移動を伴うことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の積層造形装置。
6. 前記加工材料を加工位置で溶融して形成されるビードを用いて前記造形物の少なくとも一部を造形することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の積層造形装置。
7. 前記高さ計測部は、計測位置に計測用の照明光を照射する計測用照明部と、前記計測用の照明光が前記計測位置で反射した反射光を受光する受光部と、を有し、前記受光部上における前記反射光の受光位置に基づいて、前記加工対象物の上に形成された造形物の高さを算出することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の積層造形装置。
8. 前記高さ計測部は、前記反射光を前記受光部に集光させる受光光学系を有し、
   前記受光光学系は、加工材料を溶融する加工光を加工位置に結像させる加工光学系と一体であることを特徴とする請求項７に記載の積層造形装置。
9. 前記計測位置は、前記受光部が有する受光素子の視野内であることを特徴とする請求項７または８に記載の積層造形装置。
10. 前記計測用の照明光は、ライン状に照射されるラインビームであることを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載の積層造形装置。
11. 前記加工材料を溶融する加工光を加工位置に結像させる加工光学系を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の積層造形装置。
12. 前記制御部は、前記計測結果が予め定められた目標高さよりも高い場合、加工位置に供給する加工材料の供給量を減少させ、前記計測結果が前記目標高さよりも低い場合、前記供給量を増加させることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の積層造形装置。
13. 前記制御部は、前記計測結果が予め定められた目標高さよりも高い場合、前記加工材料を溶融する加工光の出力を減少させ、前記計測結果が前記目標高さよりも低い場合、前記加工光の出力を増加させることを特徴とする請求項７から１０のいずれか１項に記載の積層造形装置。
14. 前記制御部は、前記計測結果が予め定められた目標高さよりも高い場合、前記加工材料を溶融する加工光の照射時間を減少させ、前記計測結果が前記目標高さよりも低い場合、前記加工材料を溶融する加工光の照射時間を増加させることを特徴とする請求項７から１０のいずれか１項に記載の積層造形装置。
15. 前記制御部は、前記計測結果が予め定められた目標高さよりも高い場合、前記加工位置に積層する造形回数を減少させ、前記計測結果が前記目標高さよりも低い場合、前記加工位置に積層する造形回数を増加させることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の積層造形装置。
16. 前記制御部は、前記加工材料の先端部の高さを、予め定められた目標高さに応じて上昇させ、前記計測結果が前記目標高さよりも高い場合、溶融前の前記先端部の高さを上昇させる量を増加させ、前記計測結果が前記目標高さよりも低い場合、溶融前の前記先端部の高さを上昇させる量を減少させることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の積層造形装置。
17. 前記制御部は、前記計測用照明部の前記加工対象物に対する高さを変化させ、
    前記高さ計測部は、前記計測用照明部の前記加工対象物に対する高さを変化させる間における前記受光位置に基づいて、前記加工位置に形成済みの前記造形物の高さを計測することを特徴とする請求項７に記載の積層造形装置。
18. 前記計測用の照明光の光軸が、加工光の光軸に対して平行であることを特徴とする請求項７に記載の積層造形装置。
19. 加工材料を溶融し、凝固した前記加工材料を加工対象物の上に付加する付加加工を繰り返して、前記加工対象物の上に造形物を形成する積層造形方法において、
    積層造形装置が、加工位置に形成済みの前記造形物の高さを計測するステップと、
    前記積層造形装置が、前記形成済みの造形物の高さの計測結果に基づいて、前記加工位置に前記加工材料を付加するための加工条件を制御するステップと、
    を含むことを特徴とする積層造形方法。
20. 加工対象物の上の加工位置に形成済みの造形物の高さを計測するステップと、
    前記形成済みの造形物の高さの計測結果に基づいて、前記加工位置に加工材料を付加するための加工条件を制御するステップと、
    を含み、
    加工材料を溶融し、凝固した加工材料を前記加工対象物の上に付加する付加加工を繰り返して、前記加工対象物の上に造形物を形成する積層造形処理をコンピュータに実行させることを特徴とする積層造形プログラム。

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