WO2024023972A1

WO2024023972A1 - 付加製造装置

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Publication number: WO2024023972A1
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Inventors: 宏昌藤井; 陽子井上
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Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2022-07-27
Filing date: 2022-07-27
Publication date: 2024-02-01
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Abstract

付加製造装置は、第１材料供給部と、加工ビーム源と、加工ヘッドと、２色温度カメラと、制御部と、を備える。第１材料供給部は、加工領域に向けて被加工物と異なる化学組成をもつ第１供給材料を供給する。加工ビーム源は、第１供給材料および被加工物を加熱する加工ビームを出力する。加工ヘッドは、加工ビームを加工領域に照射する。２色温度カメラは、加工領域を含む撮像領域を少なくとも２つの波長帯の光で撮像する。制御部は、２色温度カメラによる計測結果に基づいて、加工領域における被加工物、第１供給材料、並びに被加工物および第１供給材料が溶融した溶融池の温度を含む温度分布情報を算出する。また、制御部は、温度分布情報に基づいて、加工ビーム源の加工ビームの出力、加工ビームをスキャンする速度であるスキャンスピード、および第１供給材料の供給速度である材料供給速度から選択される少なくとも１つを含む加工パラメータを制御する。

Description

付加製造装置

　本開示は、３次元造形物を製造する付加製造装置に関する。

　３次元造形物を製造する付加製造装置において、造形中にリアルタイムで３次元造形物の品質を推定する技術が知られている。特許文献１には、３次元造形物が造形される造形台上に、３次元造形物の材料を噴射する材料噴射部と、噴射された材料に加工ビームの一例である光線を照射する光線照射部と、３次元造形物の造形中に、３次元造形物の造形状態を監視するためのモニタリングデータを取得するデータ取得部と、モニタリングデータに基づいて、３次元造形物の造形品質を推定する造形品質推定部と、を備える付加製造装置が開示されている。

特開２０１８－３４５１４号公報

　ところで、付加製造装置における被加工物の温度の算出には、一般的に、被加工物の組成によって異なる放射率が用いられる。付加製造装置での３次元造形物の製造において、被加工物上に加工ビームが照射される領域である加工領域における３次元造形物の組成が複数の材料を含む場合、一例では供給材料と被加工物との組成が異なる場合、が存在する。このような場合には、放射率を用いた正確な温度の計測を実行することが困難であるという問題があった。加工領域の正確な温度を計測することができないと、加工ビームのスキャンスピード、供給材料の供給速度を含む加工パラメータの制御を高精度に行うことができない。この結果、付加造形によって形成される３次元造形物の形状と目標形状との間のずれが大きくな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、被加工物に対して被加工物とは異なる化学組成の供給材料が付加造形される場合でも、異種材料間の付加造形を従来に比して高精度に実現することができ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、本開示に係る付加製造装置は、第１材料供給部と、加工ビーム源と、加工ヘッドと、２色温度カメラと、制御部と、を備える。第１材料供給部は、被加工物の加工領域に向けて被加工物と異なる化学組成をもつ第１供給材料を供給する。加工ビーム源は、第１供給材料および被加工物を加熱する加工ビームを出力する。加工ヘッドは、加工ビーム源からの加工ビームを加工領域に照射する。２色温度カメラは、加工領域を含む撮像領域を少なくとも２つの波長帯の光で撮像する。制御部は、２色温度カメラによる計測結果に基づいて、加工領域における被加工物、第１供給材料、並びに被加工物および第１供給材料が溶融した溶融池の温度を含む撮像領域の温度分布を示す温度分布情報を算出する。また、制御部は、温度分布情報に基づいて、加工ビーム源の加工ビームの出力、加工ビームをスキャンする速度であるスキャンスピード、および第１供給材料の供給速度である材料供給速度から選択される少なくとも１つを含む加工パラメータを制御する。

　本開示に係る付加製造装置は、被加工物に対して被加工物とは異なる化学組成の供給材料が付加造形される場合でも、異種材料間の付加造形を従来に比して高精度に実現することができるという効果を奏する。

実施の形態１に係る付加製造装置の構成の一例を模式的に示す図２色温度カメラの撮像領域における温度分布についての等高線図の一例を示す図２色温度カメラの撮像範囲における放射率分布の一例を模式的に示す図実施の形態１に係る付加製造装置の制御方法の手順の一例を示すフローチャート実施の形態２に係る付加製造装置の構成の一例を模式的に示す図予熱された供給材料と加工領域付近の温度分布についての等高線図の一例を模式的に示す図回折格子により分裂した集光スポットの一例を模式的に示す図実施の形態３に係る付加製造装置の構成の一例を示す図実施の形態１から３に係る付加製造装置の制御部のハードウェア構成の一例を示す図

　以下に、本開示の実施の形態に係る付加製造装置を図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係る付加製造装置の構成の一例を模式的に示す図である。付加製造装置１は、供給材料１１１を加工ビームＢにより溶融させて被加工物３１上へ付加することで目標とする形状を造形する装置である。付加製造装置１は、供給材料１１１を被加工物３１上に供給する材料供給部１１と、加工ビームＢを出射する加工ビーム源１２と、供給材料１１１および被加工物３１に加工ビームＢを照射する加工ヘッド１３と、を備える。

　材料供給部１１は、加工領域に供給材料１１１を供給する。材料供給部１１は、供給材料１１１を被加工物３１上に供給する速度である材料供給速度を、後述する制御部１７からの指示に従って変更可能である。供給材料１１１は加工領域に向かって供給されるが、供給角度、方向は、特に限定されない。図１の例では、供給材料１１１を被加工物３１の斜め上方から被加工物３１に供給し、加工ビームＢを被加工物３１に対して垂直に入射させる場合を示したが、供給材料１１１を被加工物３１に対して垂直に供給し、加工ビームＢを斜めから入射させてもよい。実施の形態１では、供給材料１１１はワイヤ状に成型された金属である金属ワイヤであるとする。また、金属ワイヤは、被加工物３１とは異なる化学組成を有する。一例では、供給材料１１１は、第１供給材料に対応する。なお、実施の形態１の付加製造装置１は、異種材料間の付加造形を行うものであり、図示しないが異なる化学組成の供給材料を供給する複数の材料供給部１１を有する。つまり、図１では、被加工物３１は、図示される供給材料１１１とは化学組成が異なる供給材料を図示しない材料供給部から供給されることによって造形されたものである。

　加工ビーム源１２は、加工ビームＢを出射する。加工ビームＢがレーザ光である場合には、加工ビーム源１２は、固体レーザ、ガスレーザ、半導体レーザ等のレーザ光を出射するレーザ発振器である。加工ビームＢが電子線である場合には、加工ビーム源１２は、電子銃である。

　加工ヘッド１３は、加工ビーム源１２から出射される加工ビームＢを被加工物３１上に照射する。なお、加工ビームＢがレーザ光である場合には、加工ビーム源１２と加工ヘッド１３との間は光ファイバ１４によって接続される。この場合には、光ファイバ１４によってレーザ光が伝送される。また、加工ヘッド１３は、図示しない駆動機構を有する。駆動機構は、加工ヘッド１３を被加工物３１に対して水平方向に駆動させる。これによって、加工ヘッド１３は、加工ビームＢを被加工物３１上でスキャンさせることができる。駆動機構は、制御部１７からの指示に従って、被加工物３１上で加工ビームＢをスキャンさせる速度であるスキャンスピードを変更可能である。なお、駆動機構は、加工ヘッド１３を被加工物３１に対して垂直方向に駆動させてもよい。

　被加工物３１上の加工ビームＢが照射される領域である加工領域では、供給材料１１１、被加工物３１、または供給材料１１１と被加工物３１との両方が加熱され溶融することで、溶融池３２が形成される。形成された高温の溶融池３２が被加工物３１上で冷却され、融点を下回り、凝固することで金属が被加工物３１上に付加される。そして、加工ヘッド１３を移動させつつ供給材料１１１を連続的に供給することで線状の付加層であるビードが形成され、繰り返しビードを積み重ねることによって任意の形状の３次元造形物を造形することができる。

　付加製造装置１は、被加工物３１上の加工ビームＢが照射される領域である加工領域を含む定められた領域を少なくとも２つの波長帯の光で撮像する２色温度カメラ１５を備える。

　２色温度カメラ１５は、加工領域とその周辺領域の温度分布を計測する。以下では、２色温度カメラ１５が温度分布を計測する領域は、撮像領域と称される。２色温度カメラ１５は、２次元の温度分布を取得する放射温度計であり、視野に含まれる物体の表面温度を物体からの熱放射輝度を計測することで求める。２色温度カメラ１５は、一例では図１に示されるように、加工ヘッド１３の外部に設置される。ただし、これは一例であり、加工ビームＢと光学系の一部を共有するなどの方法で加工ヘッド１３に内蔵される構成であってもよい。

　実施の形態１における２色温度カメラ１５は、溶融池３２、供給材料１１１および溶融池３２の周辺の被加工物３１、すなわち加工領域を視野に含むよう設置される。２色温度カメラ１５を使うことによって、異なる化学組成からなる供給材料１１１、被加工物３１および溶融池３２の温度分布を加工中にリアルタイムで同時計測することが可能となる。

　付加製造装置１は、作業者に加工領域の状態を示す情報を表示する表示器１６と、２色温度カメラ１５での計測結果を用いて、付加製造装置１を加工時に動作させる際のパラメータである加工パラメータを制御するとともに、加工領域の状態を示す情報を表示器１６に表示する制御部１７と、を備える。

　表示器１６は、制御部１７で算出される加工領域を含む撮像領域の温度分布を示す情報である温度分布情報を表示する。表示器１６の一例は、液晶表示パネルである。表示器１６は、表示部に対応する。

　制御部１７は、２色温度カメラ１５での計測結果から加工領域を含む撮像領域の温度分布を算出し、算出した温度分布に基づいて、加工パラメータを制御する。制御部１７は、２色温度カメラ１５での２つの近い波長帯における撮像領域の画像における各画素の光強度から放射輝度比を算出し、放射輝度比から各画素における温度を算出する。これによって、撮像領域の画像の各画素における温度を求めた温度分布が得られる。制御部１７は、撮像領域における温度分布を示す情報である温度分布情報を表示器１６に表示する。

　一例では、制御部１７は、等高線図を用いて撮像領域の温度分布を表したものを温度分布情報として表示器１６に表示する。これによって、２色温度カメラ１５で計測した撮像領域の温度が視覚的に表示される。図２は、２色温度カメラの撮像領域における温度分布についての等高線図の一例を示す図である。図２に示されるように、溶融池３２とその周辺の固体状態の被加工物３１および溶融池３２に搬送される直前の供給材料１１１の温度を同時に計測した結果が、表示器１６にて表示される。図２に示される等高線図では、加工領域の中央付近、すなわち溶融池３２で最も温度が高く、加工領域から離れるほど温度が低くなっている被加工物３１の温度に加えて、供給材料１１１の温度、溶融池３２の温度、撮像領域における温度分布、撮像領域における最高温度を作業者が短い時間で視認することができる。

　制御部１７は、２色温度カメラ１５で計測された結果から算出した温度分布情報を用いて溶融池３２の計測温度を取得し、溶融池３２の計測温度が予め設定された目標値に近づくように、加工ビーム源１２の加工ビームＢの出力、この場合にはレーザ出力を制御する。具体的には、制御部１７は、設定温度範囲の上下限値Ｔ_H，Ｔ_Lを温度の目標値に設定する。制御部１７は、２色温度カメラ１５で計測された溶融池３２の計測温度Ｔが上限値Ｔ_Hよりも大きい場合、すなわちＴ＞Ｔ_Hの場合に、レーザ出力を低下させる。制御部１７は、溶融池３２の計測温度Ｔが下限値Ｔ_Lよりも小さい場合、すなわちＴ＜Ｔ_Lの場合に、レーザ出力を上昇させる。このような制御を行うことで溶融池３２に入射するエネルギ量が調整される。

　また、制御部１７は、Ｔ＜Ｔ_Lである場合には、加工ビームＢをスキャンする速度であるスキャンスピードを遅くして被加工物３１の単位面積あたりの入熱量を増やすと同時に、供給材料１１１の供給速度である材料供給速度を遅くして被加工物３１の単位面積あたりの造形体積を一定に保つように制御する。制御部１７は、Ｔ＞Ｔ_Hの場合には、加工ビームＢのスキャンスピードを速くして被加工物３１の単位面積あたりの入熱量を減らすと同時に、供給材料１１１の材料供給速度を速くして被加工物３１の単位面積あたりの造形体積を一定に保つようにしてもよい。なお、実施の形態１では、加工ビームＢのスキャンスピードは、加工ヘッド１３をスキャンする速度でもある。

　このように、制御部１７は、加工ビーム源１２の加工ビームＢの出力、加工ビームＢのスキャンスピード、および供給材料１１１の材料供給速度から選択される少なくとも１つを含む加工パラメータを制御する。

　また、制御部１７は、２色温度カメラ１５で計測した温度を用いて２色温度カメラ１５で撮像された撮像範囲の各位置における放射率を算出し、撮像範囲における放射率の分布を示す情報である放射率分布情報を表示部に表示する。放射率は、２色温度カメラ１５の画素ごとに測定される。ここで、２色温度カメラ１５での計測結果を用いた温度分布および放射率分布の算出について説明する。あらゆる波長の光に対して吸収率が１である理想物体を黒体と呼び、黒体からの熱放射による分光放射輝度Ｉ_bbはプランクの法則により次式（１）のように表される。（１）式において、Ｔは絶対温度であり、λは光の波長であり、Ａ，Ｂは科学定数から成る既知の定数である。

Ｉ_bb（λ，Ｔ）＝Ａ／｛λ⁵（ｅｘｐ（Ｂ／λＴ）－１）｝　・・・（１）

　黒体でないある物体が発する熱放射の放射輝度は黒体の放射輝度よりも弱く、その比を表す係数は放射率と呼ばれる。放射率は吸収率と一致することがキルヒホッフの法則として一般に知られている。実際の物体からの分光放射輝度Ｉは、放射率をε（λ）とすると次式（２）で表される。

Ｉ（λ，Ｔ）＝ε（λ）Ａ／｛λ⁵（ｅｘｐ（Ｂ／λＴ）－１）｝　・・・（２）

　実測する黒体の放射輝度Ｉ_sysは、カメラの感度を有する波長帯のみであるから、カメラ固有の係数をＣ（λ）とすると次式（３）となる。

Ｉ_sys（Ｔ）＝∫Ｃ（λ）Ａ／｛λ⁵（ｅｘｐ（Ｂ／λＴ）－１）｝ｄλ　・・・（３）

　２つの近い波長帯で放射輝度を計測すれば、放射率を同一であると近似することで温度を計測する技術が知られている。この技術は、一例では、特開２００４－４５３０６号公報等に開示されている。この技術を用いて温度計測を行う方式が２色温度カメラ１５である。２色温度カメラ１５では、放射率を与えることなく温度計測が可能である。このため、計測した温度から放射率を算出することも可能である。２色温度カメラ１５で計測した放射輝度Ｉ_obs，Ｉ_sysから、放射率εは次式（４）から求められる。

ε＝Ｉ_obs／Ｉ_sys　・・・（４）

　ここで、２色温度カメラ１５は狭い波長範囲のみを計測することを前提としているため、（４）式において放射率εは波長に対して変化しないとする。また、放射輝度Ｉ_obsは、計測対象の部材の温度と放射輝度との間の定められた波長λにおける関係から、２色温度カメラ１５の各画素について算出した温度に基づいて求められる定められた波長における放射輝度である。放射輝度Ｉ_sysは、黒体の温度と放射輝度との間の定められた関係から、２色温度カメラ１５の各画素について算出した温度に基づいて求められる定められた波長における黒体の放射輝度である。以上のように、制御部１７は、２色温度カメラ１５により求めた加工領域を含む撮像領域の放射率分布情報を表示器１６に表示する。制御部１７は、一例では、温度分布情報と放射率分布情報とを１つの画面上に並べて配置して表示器１６に表示することが望ましい。これによって、作業者は、表示器１６に表示される放射率分布を確認することが可能となる。

　被加工物３１と供給材料１１１との放射率は一様であるが、溶融池３２とその周辺とにおいては被加工物３１と供給材料１１１との混合、合金化、化合物または酸化物の形成などの理由により放射率が変化する。つまり、放射率分布を生成することによって、加工中に加工領域周辺の化学状態または組成の変化を可視化することができる。

　図３は、２色温度カメラの撮像範囲における放射率分布の一例を模式的に示す図である。図３では、供給材料１１１と被加工物３１とは一定の放射率をもち、溶融池３２付近で異なる放射率となっている例が示されている。すなわち、溶融池３２付近において異なる組成または化学状態が実現しており、これが放射率の違いとして現れている。このように、放射率分布は、撮像範囲における化学状態または組成の変化を可視化したものとなる。組成の変化は、組成の空間分布ということもできる。図２の温度分布と図３の放射率分布とを表示器１６に同時に表示することで、加工状態を示す情報を作業者にリアルタイムに提供することができる。そして、作業者は、加工状態を示す情報のうち可視化した化学状態または組成の空間分布から加工品質を推定する。なお、可視化した化学状態または組成の空間分布から加工品質を推定する作業は、被加工物３１と供給材料１１１との組み合わせに依存するものであり、作業者は経験的に求められる情報に基づいて加工品質を推定する。

　ここで、付加製造装置１の制御方法について説明する。図４は、実施の形態１に係る付加製造装置の制御方法の手順の一例を示すフローチャートである。まず、付加製造装置１の制御部１７は、２色温度カメラ１５で計測された撮像領域における２つの近い波長帯の画像を取得する（ステップＳ１１）。制御部１７は、取得した２つの画像の各画素における放射輝度比を算出し、放射輝度比から各画素の温度を算出する（ステップＳ１２）。ここでは、２つの波長帯の放射輝度比と測定対象の表面温度との間の関係を予め算出した情報を用いて、放射輝度比から温度が算出される。制御部１７は、撮像領域における各画素の温度の分布を示す温度分布情報を生成する（ステップＳ１３）。制御部１７は、温度分布情報を表示器１６に表示する（ステップＳ１４）。

　また、制御部１７は、各画素での温度から定められた波長における放射輝度Ｉ_obsと、定められた波長における黒体の放射輝度Ｉ_sysと、を算出し、撮像領域の各画素の放射率を算出する（ステップＳ１５）。制御部１７は、撮像領域における各画素の放射率の分布を示す放射率分布情報を生成する（ステップＳ１６）。制御部１７は、放射率分布情報を表示器１６に表示する（ステップＳ１７）。このとき、制御部１７は、表示器１６が１つである場合には、放射率分布情報を温度分布情報とともに表示器１６に表示させることが望ましい。このようにすることで、作業者に加工領域における温度分布とともに、加工領域における化学状態または組成の変化に対応する放射率分布を提供することができる。

　制御部１７は、温度分布情報から溶融池３２における温度を取得し（ステップＳ１８）、溶融池３２の温度が設定温度範囲の上限値よりも大きいかを判定する（ステップＳ１９）。設定温度範囲は、被加工物３１と供給材料１１１との組み合わせによって定まる、造形処理中に維持されることが望まれる溶融池３２の温度範囲である。なお、一例では、制御部１７は、温度分布情報の内、最も高い領域を溶融池３２であると推定して、溶融池３２における温度を取得することができる。溶融池３２の温度が設定温度範囲の上限値以下である場合（ステップＳ１９でＮｏの場合）には、制御部１７は、溶融池３２の温度が設定温度範囲の下限値よりも小さいかを判定する（ステップＳ２０）。

　溶融池３２の温度が設定温度範囲の下限値以上である場合（ステップＳ２０でＮｏの場合）には、溶融池３２の温度が設定温度範囲となるように制御されている状態である。このため、特別な処理を行わず処理がステップＳ１１に戻る。

　ステップＳ１９で溶融池３２の温度が設定温度範囲の上限値よりも大きい場合（ステップＳ１９でＹｅｓの場合）、またはステップＳ２０で溶融池３２の温度が設定温度範囲の下限値よりも小さい場合（ステップＳ２０でＹｅｓの場合）には、制御部１７は、レーザ出力、加工ビームＢのスキャンスピードおよび供給材料１１１の材料供給速度を含む加工パラメータの内、少なくとも１つを溶融池３２の温度が設定温度範囲内となるように変更する（ステップＳ２１）。溶融池３２の温度が設定温度範囲の上限値よりも大きい場合に、一例では、制御部１７は、レーザ出力を低下させる。溶融池３２の温度が設定温度範囲の下限値よりも小さい場合に、一例では、制御部１７は、レーザ出力を上昇させるか、あるいは他の例では、加工ビームＢのスキャンスピードを遅くするとともに、供給材料１１１の材料供給速度を遅くする。その後、処理がステップＳ１１へと戻る。

　実施の形態１では、付加製造装置１は、被加工物３１の加工領域に向けて被加工物３１と異なる化学組成をもつ供給材料１１１を供給する材料供給部１１と、供給材料１１１および被加工物３１を加熱する加工ビームＢを加工領域に向けて供給する加工ビーム源１２と、加工ビーム源１２からの加工ビームＢを加工領域に照射する加工ヘッド１３と、加工領域を含む撮像領域を少なくとも２つの波長帯の光で撮像する２色温度カメラ１５と、を備える。また、実施の形態１では、付加製造装置１は、２色温度カメラ１５による計測結果に基づいて、加工領域における被加工物３１および供給材料１１１、並びに被加工物３１および供給材料１１１が溶融した溶融池３２の温度を含む撮像領域の温度分布を示す温度分布情報を算出し、温度分布情報に基づいて、加工ビーム源１２の加工ビームＢの出力、加工ビームＢをスキャンする速度であるスキャンスピード、および供給材料１１１の材料供給速度から選択される少なくとも１つを含む加工パラメータを制御する制御部１７と、を備える。これによって、被加工物３１に対して被加工物３１とは化学組成の異なる供給材料１１１が付加造形される場合でも、各材料の放射率を用いずに加工領域の各位置における温度を従来に比して正確に計測することができる。この結果、加工ビーム源１２の出力、加工ビームＢのスキャンスピード、および供給材料１１１の材料供給速度から選択される少なくとも１つを含む加工パラメータの制御を高精度に行うことができ、従来に比して高精度に異種材料間の付加造形を実現することができる。

　また、制御部１７は、温度分布情報を表示器１６に表示するようにした。これによって、作業者は、加工領域における温度分布を把握することが可能となる。さらに、制御部１７は、２色温度カメラ１５での計測結果から求めた撮像領域の各画素の放射率を示す放射率分布情報を表示器１６に表示するようにした。放射率分布は、撮像範囲における化学状態または組成の変化を可視化したものとなる。これによって、作業者は、化学状態または組成の変化と加工品質との関係から加工品質を推定することができる。

実施の形態２．
　図５は、実施の形態２に係る付加製造装置の構成の一例を模式的に示す図である。図５では、加工ビームＢがレーザ光Ｌである場合を示している。なお、図１と同一の構成要素には、同一の符号を付して、その説明を省略する。

　実施の形態２に係る付加製造装置１Ａでは、加工ヘッド１３Ａが実施の形態１のものとは異なる。また、実施の形態２に係る付加製造装置１Ａでは、２色温度カメラ１５は、加工領域を撮像することができる加工ヘッド１３Ａ内の位置に設けられている。

　加工ヘッド１３Ａは、光ファイバ１４からのレーザ光Ｌを出射端から出射させる伝送光学系１３０に、レーザ光Ｌの一部のレーザ光ＬＢを供給材料１１１の予熱に分岐させる予熱用光学素子１３２を有する。予熱用光学素子１３２は、予熱部に対応する。図５の例では、加工ヘッド１３Ａは、光ファイバ１４からのレーザ光Ｌを平行光線とするコリメートレンズ１３１と、レーザ光Ｌの一部を供給材料１１１に照射する予熱用光学素子１３２と、予熱用光学素子１３２を通過したレーザ光ＬＡ，ＬＢを反射させる反射ミラー１３３と、反射ミラー１３３で反射したレーザ光ＬＡ，ＬＢを加工位置に集光させる集光レンズ１３４と、を備える。なお、コリメートレンズ１３１、反射ミラー１３３および集光レンズ１３４は、一例であり、光ファイバ１４からのレーザ光Ｌを加工位置に集光させることができるものであれば、どのような構成であってもよい。

　加工領域へ供給する直前の供給材料１１１を加工ビームＢとは異なるエネルギ源または加工ビームＢの一部によって加熱することは、ここでは予熱と称される。実施の形態２では、加工ビームＢであるレーザ光Ｌを加工領域に導く伝送光学系１３０に、予熱部である予熱用光学素子１３２を挿入する。これによって、レーザ光Ｌの一部を加工領域へ突入前の供給材料１１１に照射し、供給材料１１１を予熱することができる。すなわち、予熱用光学素子１３２を挿入しない場合の伝送光学系１３０では、レーザ光Ｌはレーザ光ＬＡとして溶融池３２が形成される加工領域に照射されるが、予熱用光学素子１３２を挿入することによって、レーザ光Ｌの一部のレーザ光ＬＢが加工領域に突入前の供給材料１１１に照射される。すなわち、供給材料１１１の先端部付近が予熱される。供給材料１１１を予熱することによって、溶融池３２に突入する供給材料１１１は、加工領域で速やかに溶融されるため、安定した連続加工が可能となる。

　図６は、予熱された供給材料と加工領域付近の温度分布についての等高線図の一例を模式的に示す図である。予熱機構を持たない場合の図２に比べて、供給材料１１１が予熱箇所で高温となっている。典型的には、供給材料１１１の予熱箇所は加工領域近傍である。

　挿入する予熱用光学素子１３２は、レンズ、レンズアレイ、回折格子、メタレンズなどの加工用途にあわせて設計する任意の光学素子、または空間位相変調器である。これらの予熱用光学素子１３２は、加工ビームＢにわずかな変調を与えることで、加工領域における集光スポットの形状を変化させる。図５における予熱用光学素子１３２は回折格子であり、加工ビームＢであるレーザ光Ｌの一部に対して進行方向を変調することで、加工領域に照射されるレーザ光ＬＡと供給材料１１１に照射されるレーザ光ＬＢとに分岐させる。これによって、加工領域における集光スポットが二つに分裂される。

　図７は、回折格子により分裂した集光スポットの一例を模式的に示す図である。図７に示されるように、集光スポットＳＰ１が加工領域を加熱し、分岐した集光スポットＳＰ２が供給材料１１１を予熱する。このほかにも予熱用光学素子１３２によるビーム径を大きくする、楕円スポットを形成するなど予熱条件および加工条件に合わせてプロファイルを調整してもよい。

　実施の形態２では、加工ヘッド１３Ａは、光ファイバ１４からのレーザ光Ｌを出射端から出射させる伝送光学系１３０に、レーザ光Ｌの一部を供給材料１１１の予熱に分岐させる予熱用光学素子１３２を有する。これによって、レーザ光Ｌを２つのレーザ光ＬＡ，ＬＢに分岐させ、一方のレーザ光ＬＡを加工領域に照射させるとともに、他方のレーザ光ＬＢを加工領域に突入直前の供給材料１１１に照射して、供給材料１１１を予熱する。供給材料１１１が予熱されることで、加工領域に突入した供給材料１１１は、速やかに溶融され、安定した連続加工が可能となる。

実施の形態３．
　図８は、実施の形態３に係る付加製造装置の構成の一例を示す図である。なお、実施の形態１と同一の構成要素には、同一の符号を付して、その説明を省略する。実施の形態３では、付加製造装置１Ｂは、粉末状の供給材料１８１を加工領域に供給する材料供給部１８をさらに備える。材料供給部１８は、粉末状の供給材料１８１を加工領域に噴射する。材料供給部１８は、被加工物３１上に粉末状の供給材料１８１を供給する速度である材料供給速度を、制御部１７からの指示に従って変更可能である。粉末状の供給材料１８１は加工領域に向かって供給されるが、供給角度、方向は、特に限定されない。図８の例では、粉末状の供給材料１８１を被加工物３１の斜め上方から被加工物３１に供給している場合を示している。実施の形態３では、粉末状の供給材料１８１は、粉末状の金属である金属粉末であるとする。ワイヤ状の供給材料１１１および粉末状の供給材料１８１を加工領域に同時に供給することで連続的に組成を制御しつつ付加造形を行うことが可能となる。ここで、ワイヤ状の供給材料１１１と粉末状の供給材料１８１とは化学組成が異なる。一例では、ワイヤ状の供給材料１１１は、第１供給材料に対応し、粉末状の供給材料１８１は、第２供給材料に対応する。また、ここでは、ワイヤ状の供給材料１１１は、図８における被加工物３１と同じ組成を有しており、被加工物３１上に、ワイヤ状の供給材料１１１とは異なる化学組成の付加層を形成する場合を例に挙げる。

　異種材料の接合面は一般に同種材料の界面と比較して脆い。このため、異種材料の造形を行う際に加工失敗の原因となり得る。そこで、被加工物３１上に異種材料で造形をする際に、異種材料の接合面における組成分布がグラデーション状となるように、層ごとに組成を少しずつ変えていくと、強固な接合界面が得られることが知られている。以下では、グラデーション状に沿うごとに組成を少しずつ変化させた接合界面は、グラデーション層と称される。

　グラデーション層は、一例ではワイヤ状の供給材料１１１と粉末状の供給材料１８１との合金から成る層である。複数の材料を加熱溶融させ、混合させた後にとる組成は、加熱、冷却経路によって決まる。つまり、溶融池３２の温度プロセスによって決定される。溶融池３２の温度が不適切であると、設計通りに合金化せず、金属が析出したり、酸化物等の化合物が生成したりしてしまう。

　合金化のプロセスは、ある温度における組成に関する相図を予め計算しておくことで設計される。設計されたプロセスを実現するには、加工中の温度を一定に保つことが必要である。実施の形態３の付加製造装置１Ｂは、加工領域の温度計測のために２色温度カメラ１５を備えるため、上記したように溶融池３２の温度を溶融池３２の組成に依らず正確に計測することが可能である。計測した溶融池３２の温度が設計されたプロセスでの温度となるように、制御部１７は、実施の形態１で説明したように加工パラメータを制御する。

　また、組成の制御は、ワイヤ状の供給材料１１１と、ワイヤ状の供給材料１１１とは異なる化学組成からなる粉末状の供給材料１８１と、の供給量比率を制御することで実現する。つまり、制御部１７は、ワイヤ状の供給材料１１１の材料供給速度と粉末状の供給材料１８１の材料供給速度とを変化させることによって形成される付加層の組成を制御する。また、制御部１７は、２色温度カメラ１５による計測結果から算出される温度分布情報を用いて、溶融池３２の温度が予め定められた範囲となるように、加工ビームＢの出力およびスキャンスピードを制御する。これによって、異種材料の造形時に強固な接合界面を得ることができる。なお、粉末状の供給材料１８１とワイヤ状の供給材料１１１とを同時に供給するのは、異種材料の界面を造形する場合である。異種材料の界面を造形した後は、異種材料の界面を造形する前に使用していた材料ではないワイヤ状の供給材料１１１または粉末状の供給材料１８１が使用されることになる。

　実施の形態３では、付加製造装置１Ｂは、ワイヤ状の供給材料１１１を供給する材料供給部１１と、粉末状の供給材料１８１を供給する材料供給部１８と、を備える。制御部１７は、異種材料の界面を造形する場合に、溶融池３２の温度が相図に基づいて予め設計されたプロセスの温度となるように、２色温度カメラ１５での計測結果に基づいて加工パラメータを制御するとともに、ワイヤ状の供給材料１１１と粉末状の供給材料１８１との供給比率を制御する。これによって、異種材料の強固な接合界面を有する３次元造形物が得られる。

　なお、上記した実施の形態１から３において、ワイヤ状の供給材料１１１および粉末状の供給材料１８１は、金属からなることを説明した。ここで、金属は、単体の金属元素からなる材料だけではなく、合金または金属間化合物であってもよい。

　ここで、付加製造装置１，１Ａ，１Ｂの制御部１７のハードウェア構成について説明する。図９は、実施の形態１から３に係る付加製造装置の制御部のハードウェア構成の一例を示す図である。

　制御部１７は、図９に示される制御回路４００、すなわちプロセッサ４０１およびメモリ４０２により実現することができる。プロセッサ４０１の例は、ＣＰＵ（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、プロセッサ、ＤＳＰ（Digital　Signal　Processor）ともいう）またはシステムＬＳＩ（Large　Scale　Integration）である。メモリ４０２の例は、ＲＡＭ（Random　Access　Memory）またはＲＯＭ（Read　Only　Memory）である。

　プロセッサ４０１がメモリ４０２に記憶されている、制御部１７での処理を実行するためのプログラムである制御プログラムを読み出して実行することによって、制御部１７の機能は実現される。また、この制御プログラムは、制御部１７における付加製造装置１，１Ａ，１Ｂの制御方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。制御部１７で実行される制御プログラムは、２色温度カメラ１５での計測結果から撮像領域の温度分布情報および放射率分布情報を算出し、温度分布情報に基づいた加工パラメータを制御する処理をモジュール化したモジュール構成となっており、これらが主記憶装置上にロードされ、これらが主記憶装置上に生成される。なお、加工パラメータは、加工ビーム源１２の出力、加工ビームＢのスキャンスピードおよび材料供給部１１，１８の材料供給速度を含む。

　メモリ４０２は、３次元造形物を造形する際に使用するデータを記憶する。メモリ４０２は、プロセッサ４０１が各種処理を実行する際の一時メモリにも使用される。

　プロセッサ４０１が実行する制御プログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルで、コンピュータが読み取り可能な記憶媒体に記憶されてコンピュータプログラムプロダクトとして提供されてもよい。また、プロセッサ４０１が実行する制御プログラムは、インターネットなどのネットワーク経由で付加製造装置１，１Ａ，１Ｂの制御部１７に提供されてもよい。

　また、制御部１７を専用のハードウェアで実現してもよい。また、制御部１７の機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。

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

　１，１Ａ，１Ｂ　付加製造装置、１１，１８　材料供給部、１２　加工ビーム源、１３，１３Ａ　加工ヘッド、１４　光ファイバ、１５　２色温度カメラ、１６　表示器、１７　制御部、３１　被加工物、３２　溶融池、１１１，１８１　供給材料、１３０　伝送光学系、１３１　コリメートレンズ、１３２　予熱用光学素子、１３３　反射ミラー、１３４　集光レンズ、Ｂ　加工ビーム、Ｌ，ＬＡ，ＬＢ　レーザ光、ＳＰ１，ＳＰ２　集光スポット。

Claims

　被加工物の加工領域に向けて前記被加工物と異なる化学組成をもつ第１供給材料を供給する第１材料供給部と、
　前記第１供給材料および前記被加工物を加熱する加工ビームを出力する加工ビーム源と、
　前記加工ビーム源からの前記加工ビームを前記加工領域に照射する加工ヘッドと、
　前記加工領域を含む撮像領域を少なくとも２つの波長帯の光で撮像する２色温度カメラと、
　前記２色温度カメラによる計測結果に基づいて、前記加工領域における前記被加工物、前記第１供給材料、並びに前記被加工物および前記第１供給材料が溶融した溶融池の温度を含む前記撮像領域の温度分布を示す温度分布情報を算出し、前記温度分布情報に基づいて、前記加工ビーム源の前記加工ビームの出力、前記加工ビームをスキャンする速度であるスキャンスピード、および前記第１供給材料の供給速度である材料供給速度から選択される少なくとも１つを含む加工パラメータを制御する制御部と、
　を備えることを特徴とする付加製造装置。
　表示部をさらに備え、
　前記制御部は、前記温度分布情報を前記表示部に表示することを特徴とする請求項１に記載の付加製造装置。
　前記制御部は、前記温度分布情報に基づいて、前記２色温度カメラの撮像範囲における放射率の分布を示す放射率分布情報を算出し、前記放射率分布情報を前記表示部に表示することを特徴とする請求項２に記載の付加製造装置。
　前記加工領域に供給する直前の前記第１供給材料を加熱する予熱部をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の付加製造装置。
　前記加工ビームは、レーザ光であり、
　前記加工ヘッドは、前記レーザ光を前記加工領域に集光する伝送光学系を有し、
　前記予熱部は、前記伝送光学系によって前記加工領域に集光される前記レーザ光の一部を前記加工領域に突入する直前の前記第１供給材料に集光する予熱用光学素子であることを特徴とする請求項４に記載の付加製造装置。
　前記第１供給材料とは異なる化学組成の第２供給材料を供給する第２材料供給部をさらに備え、
　前記制御部は、
　前記第１供給材料の材料供給速度と前記第２供給材料の材料供給速度とを変化させることによって形成される付加層の組成を制御し、
　前記温度分布情報を用いて、前記溶融池の温度が予め定められた範囲となるように、前記加工ビームの出力および前記スキャンスピードを制御することを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の付加製造装置。