(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象物又は造形材料の温度を測定して温度データとして出力する温度測定工程と、
基本指令及び加工条件を含む基本加工プログラムと前記温度データとに基づいて前記基本指令を補正し、材料供給指令、熱源供給部指令、駆動指令及びガス供給指令を含む補正後指令を決定する制御工程と、
前記材料供給指令に基づいて造形物の対象面の加工位置に造形材料を供給する造形材料供給工程と、
前記熱源供給部指令に基づいて前記加工位置に供給された前記造形材料を溶融させる熱源を前記加工位置に供給する熱源供給工程と、
前記駆動指令に基づいて前記加工位置と前記造形物との相対位置を変化させる駆動工程と、
前記ガス供給指令に基づいて前記加工位置に前記造形材料の反応を抑制するシールドガスを前記熱源が前記加工位置に当たる位置を前記シールドガスが取り囲むように前記加工位置に供給し前記シールドガスをガスノズルから前記加工位置に向けて供給するガス供給工程と、
吸引口の先端が前記ガスノズルのノズル先端に対して前記加工位置から見て前記シールドガスが噴射される方向と逆の方向に遠ざかる位置にある集塵器によって前記加工位置の周囲の雰囲気を吸引する吸引工程と
を備える積層造形方法。
【請求項２】
加工対象物又は造形材料の温度を測定して温度データとして出力する温度測定工程と、
造形物の対象面の加工位置からの光を検出して光検出結果として出力する光検出工程と、
基本指令及び加工条件を含む基本加工プログラムと前記温度データと前記光検出結果とに基づいて前記基本指令を補正し、材料供給指令、熱源供給部指令、駆動指令及びガス供給指令を含む補正後指令を決定し、前記光検出結果に基づいて液滴化、発火、発煙又は爆発のいずれかが発生を検出した状態である異常状態と判断した場合に、前記造形材料の反応を抑制するシールドガスの供給量を増やす、前記加工位置に供給された前記造形材料を溶融させる熱源の供給量を減らす、前記造形材料の供給量を増やす、前記加工位置と前記造形物との相対位置の変化の速度を下げる、のうちの少なくともいずれかひとつを実行する制御工程と、
前記材料供給指令に基づいて前記加工位置に前記造形材料を供給する造形材料供給工程と、
前記熱源供給部指令に基づいて前記熱源を前記加工位置に供給する熱源供給工程と、
前記駆動指令に基づいて前記相対位置を変化させる駆動工程と、
前記ガス供給指令に基づいて前記シールドガスを前記加工位置に供給するガス供給工程と、
前記加工位置の周囲の雰囲気を吸引する吸引工程と
を備える積層造形方法。
【請求項３】
前記制御工程は、前記光検出結果に基づいて液滴化、発火、発煙又は爆発のいずれの発生も検知しない状態である定常状態と判断した場合には、
前記基本加工プログラムと前記温度データとに基づいて前記基本指令を補正し、前記材料供給指令、前記熱源供給部指令、前記駆動指令及び前記ガス供給指令を含む前記補正後指令を決定することを特徴とする請求項２に記載の積層造形方法。
【請求項４】
前記光検出工程は、散乱光又は透過光を光検出結果として検出し、
前記散乱光は、前記加工位置から発生する光又は外部から供給された光が前記造形材料、飛散物又は煙によって散乱された光であり、前記透過光は、前記加工位置から発生する光又は外部から供給された光が、煙、前記シールドガス又は前記雰囲気を透過した光であることを特徴とする請求項２又は３に記載の積層造形方法。
【請求項５】
ワイヤ状の前記造形材料をジュール発熱により加熱する造形材料加熱工程を備える請求項１から４のいずれか１項に記載の積層造形方法。
【請求項６】
積層造形が中断された場合に、前記造形材料加熱工程によって前記造形材料を予め定めた温度まで加熱した後に前記積層造形を再開することを特徴とする請求項５に記載の積層造形方法。
【請求項７】
積層造形が中断された場合に、
前記積層造形の中断の前に形成された加工対象を予め定めた温度まで加熱した後に前記積層造形の再開を実行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方法。
【請求項８】
前記造形物は複数の層で構成され、
前記積層造形は前記層ごとに造形経路に沿って実行され、
前記積層造形の再開の後最初に前記積層造形が実行される前記造形経路を、予め定めた温度まで加熱した後に前記再開を実行することを特徴とする請求項７に記載の積層造形方法。
【請求項９】
前記積層造形が中断された際に前記熱源を前記加工位置に供給する射出口となる熱源供給口を含む加工ヘッドを前記加工対象物から退避させる退避工程と、
前記再開を実行する前に、退避させた前記加工ヘッドを前記加工対象物へと戻す復帰工程とを備える請求項７又は８に記載の積層造形方法。
【請求項１０】
加工対象物又は造形材料の温度を測定して温度データとして出力する温度測定部と、
基本指令及び加工条件を含む基本加工プログラムと前記温度データとに基づいて前記基本指令を補正し、材料供給指令、熱源供給部指令、駆動指令及びガス供給指令を含む補正後指令を決定する制御部と、
前記材料供給指令に基づいて造形物の対象面の加工位置に造形材料を供給する造形材料供給部と、
前記熱源供給部指令に基づいて前記加工位置に供給された前記造形材料を溶融させる熱源を前記加工位置に供給する熱源供給部と、
前記駆動指令に基づいて前記加工位置と前記造形物との相対位置を変化させる駆動部と、
前記ガス供給指令に基づいて前記加工位置に前記造形材料の反応を抑制するシールドガスを前記熱源が前記加工位置に当たる位置を前記シールドガスが取り囲むように前記加工位置に供給し前記シールドガスをガスノズルから前記加工位置に向けて供給するガス供給部と、
吸引口の先端が前記ガスノズルのノズル先端に対して前記加工位置から見て前記シールドガスが噴射される方向と逆の方向に遠ざかる位置にあり前記加工位置の周囲の雰囲気を吸引する集塵器と
を備える積層造形装置。
【請求項１１】
加工対象物又は造形材料の温度を測定して温度データとして出力する温度測定部と、
造形物の対象面の加工位置からの光を検出して光検出結果として出力する光検出部と、
基本指令及び加工条件を含む基本加工プログラムと前記温度データと前記光検出結果とに基づいて前記基本指令を補正し、材料供給指令、熱源供給部指令、駆動指令及びガス供給指令を含む補正後指令を決定し、前記光検出結果に基づいて液滴化、発火、発煙又は爆発のいずれかが発生を検出した状態である異常状態と判断した場合に、前記造形材料の反応を抑制するシールドガスの供給量を増やす、前記加工位置に供給された前記造形材料を溶融させる熱源の供給量を減らす、前記造形材料の供給量を増やす、前記加工位置と前記造形物との相対位置の変化の速度を下げる、のうちの少なくともいずれかひとつを実行する制御部と、
前記材料供給指令に基づいて前記加工位置に前記造形材料を供給する造形材料供給部と、
前記熱源供給部指令に基づいて前記熱源を前記加工位置に供給する熱源供給部と、
前記駆動指令に基づいて前記相対位置を変化させる駆動部と、
前記ガス供給指令に基づいて前記シールドガスを前記加工位置に供給するガス供給部と、
前記加工位置の周囲の雰囲気を吸引する集塵器と
を備える積層造形装置。
【請求項１２】
前記制御部は、前記光検出結果に基づいて液滴化、発火、発煙又は爆発のいずれの発生も検知しない状態である定常状態と判断した場合には、
前記基本加工プログラムと前記温度データとに基づいて前記基本指令を補正し、前記材料供給指令、前記熱源供給部指令、前記駆動指令及び前記ガス供給指令を含む前記補正後指令を決定することを特徴とする請求項１１に記載の積層造形装置。
【請求項１３】
前記光検出部は、散乱光又は透過光を光検出結果として検出し、
前記散乱光は、前記加工位置から発生する光又は外部から供給された光が前記造形材料、飛散物又は煙によって散乱された光であり、前記透過光は、前記加工位置から発生する光又は外部から供給された光が、煙、前記シールドガス又は前記雰囲気を透過した光であることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の積層造形装置。
【請求項１４】
少なくとも前記基本指令、前記加工条件及び前記温度データを含む積層造形に関する量を状態量として観測する状態量観測部と、
前記状態量に基づいて、前記基本指令、前記加工条件及び前記温度データから積層造形を実行する前記補正後指令を学習する学習部と
を備える請求項１０から１３のいずれか１項に記載の積層造形装置。
【請求項１５】
少なくとも前記基本指令、前記加工条件及び前記温度データを含む積層造形に関する量を状態量として観測する状態量観測部と、
前記状態量に基づいて、前記基本指令、前記加工条件及び前記温度データから積層造形を実行する前記補正後指令を学習した学習済学習器と
を備える請求項１０から１３のいずれか１項に記載の積層造形装置。
【請求項１６】
請求項１０から１５のいずれか１項に記載の積層造形装置と、
前記基本加工プログラムを生成する加工プログラム生成装置と
を備える積層造形システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この開示は、造形材料を溶融させて積層する積層造形方法、積層造形装置及び積層造形システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
造形物を形成する技術として、造形材料を加熱して溶融させ、溶融した造形材料を凝固させて造形物をベース材等に接合させて形成する付加製造（ＡＭ：Additive  Manufacturing）とよばれる技術が知られている。付加製造技術の中には、造形材料を造形箇所に供給しつつ供給した造形材料をレーザ光、電子ビーム、プラズマアークなどの指向エネルギービームを用いて溶融させるダイレクトエナジーデポジション（ＤＥＤ：Directed  Energy  Deposition）方式（以下、ＤＥＤ方式という。）とよばれる方式がある。【０００３】
特許文献１には、光ビームが照射された時又は光ビームの照射後の造形物に関する造形物状態、及び、製造条件を学習データとする機械学習により、製造条件を決定するため、又は、造形物状態を推定するための学習モデルを生成する付加製造用学習モデル生成装置が開示されている。特許文献１に記載の付加製造用学習モデル生成装置は、層状に配置された金属粉末に光ビームを照射し、金属粉末を加熱することによって、造形物を製造する方法に適用される。また、特許文献１に記載の付加製造用学習モデル生成装置は、造形物の製造条件を容易に決定すること、造形物状態を容易に推定することが可能な付加製造用学習モデル生成装置を提供することなどを目的としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０２０−１５９４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の付加製造用学習モデル生成装置によれば、機械学習に基づく状態推定モデルにより加工条件を選択する。そのため、造形物を構成する各層の形状、造形条件に依存して造形材料の入熱量、造形箇所の蓄熱量等が変化することによって、造形材料又は造形箇所に外乱が発生する。外乱の例としては、発火、過熱による造形材料又は造形箇所の急激な気化、過熱による造形材料又は造形箇所の変形、等を挙げることができる。そして、外乱、造形箇所の温度のずれなどにより、積層造形物の造形精度の低下が発生するという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示にかかる積層造形方法は、加工対象物又は造形材料の温度を測定して温度データとして出力する温度測定工程と、基本指令及び加工条件を含む基本加工プログラムと温度データとに基づいて基本指令を補正し、材料供給指令、熱源供給部指令、駆動指令及びガス供給指令を含む補正後指令を決定する制御工程と、材料供給指令に基づいて造形物の対象面の加工位置に造形材料を供給する造形材料供給工程と、熱源供給部指令に基づいて加工位置に供給された造形材料を溶融させる熱源を加工位置に供給する熱源供給工程と、駆動指令に基づいて加工位置と造形物との相対位置を変化させる駆動工程と、ガス供給指令に基づいて加工位置に造形材料の反応を抑制するシールドガスを熱源が加工位置に当たる位置をシールドガスが取り囲むように加工位置に供給しシールドガスをガスノズルから加工位置に向けて供給するガス供給工程と、吸引口の先端がガスノズルのノズル先端に対して加工位置から見てシールドガスが噴射される方向と逆の方向に遠ざかる位置にある集塵器によって加工位置の周囲の雰囲気を吸引する吸引工程とを備える。
【０００７】
本開示にかかる積層造形装置は、加工対象物又は造形材料の温度を測定して温度データとして出力する温度測定部と、基本指令及び加工条件を含む基本加工プログラムと温度データとに基づいて基本指令を補正し、材料供給指令、熱源供給部指令、駆動指令及びガス供給指令を含む補正後指令を決定する制御部と、材料供給指令に基づいて造形物の対象面の加工位置に造形材料を供給する造形材料供給部と、熱源供給部指令に基づいて加工位置に供給された造形材料を溶融させる熱源を加工位置に供給する熱源供給部と、駆動指令に基づいて加工位置と造形物との相対位置を変化させる駆動部と、ガス供給指令に基づいて加工位置に造形材料の反応を抑制するシールドガスを熱源が加工位置に当たる位置をシールドガスが取り囲むように加工位置に供給しシールドガスをガスノズルから加工位置に向けて供給するガス供給部と、吸引口の先端がガスノズルのノズル先端に対して加工位置から見てシールドガスが噴射される方向と逆の方向に遠ざかる位置にあり加工位置の周囲の雰囲気を吸引する集塵器とを備える。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、精度の高い積層造形を実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１による積層造形システムの構成の一例を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１による加工ヘッドの周辺の構成の一例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１による回転機構の一例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１による制御部の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態１によるプログラム生成部の構成の一例を示すブロック図である。
【図６】本発明の実施の形態１による制御部の機能を処理回路と記憶装置によって実現するためのハードウェア構成の一例を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１による制御部の機能を専用の処理回路によって実現するためのハードウェア構成の一例を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態１による積層造形システムにより積層造形された造形物の一例を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態１による積層造形システムによる積層造形中の造形物の温度分布の一例を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態２による積層造形システムの構成の一例を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態２による制御部の構成の一例を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態３による積層造形が中断され積層造形の再開時に造形再開箇所を加熱した場合の加工対象物の温度分布の一例を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態３におけるベースプレート及び造形物における熱の流れを例示する図である。
【図１４】本発明の実施の形態４による積層造形システムの構成の一例を示す図である。
【図１５】本発明の実施の形態４による制御部の構成を示すブロック図である。
【図１６】本発明の実施の形態５による積層造形システムの構成の一例を示す図である。
【図１７】本発明の実施の形態５による制御部の構成を示すブロック図である。
【図１８】本発明の実施の形態５による積層造形システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は例示であり、本開示の範囲は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。
【００１１】
実施の形態１
図１は、本実施の形態による積層造形システムの構成を示す図である。図２は、本実施の形態による加工ヘッドの周辺の構成を示す図である。図１及び図２に示す３軸直行座標系の軸の方向は一致している。積層造形システム１０００は、積層造形装置１００と加工プログラム生成装置２００とを備える。積層造形装置１００は、ＤＥＤ方式の付加製造装置である。加工プログラム生成装置２００は、基本加工プログラムｂｐｒを生成する。積層造形装置１００は、熱源ｈｓによって造形材料ｐｍを加熱して溶融させ、溶融した造形材料ｐｍをベース材ｂｍなどに付加する付加加工を実行する。
【００１２】
積層造形装置１００は、積層造形装置１００を制御する制御部１、熱源ｈｓを供給する熱源供給部２、熱源供給部２から加工ヘッド６まで熱源ｈｓを導く熱源経路３、及び、シールドガスｇを供給するガス供給部４を備える。積層造形装置１００は、ガス供給部４と加工ヘッド６との間を連通しシールドガスｇが通過する配管５を備える。また、積層造形装置１００は、加工位置ｐに向けて熱源ｈｓ及び加工ガスｇを供給する加工ヘッド６を備える。
【００１３】
さらに、積層造形装置１００は、加工ヘッド６を移動させる加工ヘッド駆動部７１、加工位置ｐに向けて造形材料ｐｍを供給する造形材料供給部８、温度を測定する温度測定部９、ベース部材ｂｍが固定されるステージ１０、ステージ１０を回転させるステージ回転機構７２、及び、煙、塵等を吸い込む集塵器１２を備える。図１の造形材料ｐｍは、ワイヤ状の金属として説明する。
【００１４】
本実施の形態の図２に示す構成例では、ステージ回転機構７２の上には、ステージ１０が固定されている。ステージ１０の上には、ベース材ｂｍが固定されている。ベース材ｂｍを基材としてベース材ｂｍに対して積層造形の際にビードが付加される。ここで、熱源ｈｓが供給されることによって溶融した造形材料ｐｍが、加工対象物оｐなどに付加されて凝固した物をビードと称する。造形物ｓｃはひとつ又は複数のビードによって形成される。
【００１５】
また、ビードは、玉ビード、線ビードなどを含んでもよい。ここで、半球状の形状のビードを玉ビードと称し、棒状、すなわち線状のビードを線ビードと称する。そして、玉ビードを造形する工程を点造形と称し、線ビードを造形する工程を線造形と称する。各時点において積層造形システム１０００がビードを付加する造形物ｓｃにおける位置を加工位置ｐと称する。なお、積層造形システム１０００は、点造形のみによる積層造形を行ってもよく、線造形のみによる積層造形を行ってもよく、点造形及び線造形を併用する積層造形を行ってもよい。
【００１６】
図１、図２に例示するベース材ｂｍは板状の形状であるが、ベース材ｂｍの形状は、板状に限定されない。ベース材ｂｍに対して積層造形によって形成される造形物を造形物ｓｃと称する。そして、ベース材ｂｍと造形物ｓｃとを合わせて加工対象物оｐと称する。加工対象物оｐのビードが付加される面を対象面ｔｓと称する。積層造形装置１００は、熱源ｈｓを供給して造形材料ｐｍを溶融させる。これと並行して、駆動部７は、駆動指令ｄｃに基づいて加工位置ｐと造形物ｓｃとの間の相対位置を変化させる。駆動部７は、加工ヘッド駆動部７１及びステージ回転機構７２を備える。ステージ回転機構７２によるステージ１０の回転、加工ヘッド駆動部７１による加工ヘッド６の移動により、加工位置ｐを変化させる。これにより、ビードを対象面ｔｓに付加し、造形物ｓｃを積層造形する。
【００１７】
熱源供給部２は、熱源供給部指令ｌｃに基づいて熱源ｈｓを供給する。図２の熱源供給口１４は、加工材料を加熱し溶融させる熱源である熱源ｈｓを、加工対象物оｐへ向けて出力する。熱源ｈｓは、造形材料ｐｍを加熱できるものであればよい。熱源ｈｓの例としては、レーザビーム、電子ビーム、アーク放電などを挙げることができる。熱源供給部２と加工ヘッド６との間は、熱源経路３によって接続されている。熱源供給部２が発生させた熱源ｈｓは、熱源経路３を介して熱源供給口１４に供給される。
【００１８】
ガス供給部４は、ガス供給指令ｇｃに基づいてシールドガスｇを加工位置ｐへ供給する。ここで、シールドガスｇは、造形材料ｐｍの反応を抑制するためのガスである。例えば、空気中に存在する酸素、窒素又は水素と造形材料ｐｍとの間の化学反応を抑制するために吹き付けるガスとしてもよい。シールドガスｇの例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴンなどの不活性ガスを挙げることができる。また、酸素との反応である燃焼を抑制するために窒素を用いてもよい。ガス供給部４と加工ヘッド６との間は、配管５によって連通している。ガス供給部４は、ガス供給指令ｇｃに基づいてガスノズル１３から、加工対象物оｐに向けてシールドガスｇを供給する。シールドガスｇを対象面ｔｓの加工位置ｐへ向けて噴出すことによって、造形物ｓｃの酸化抑制、空気中に含まれる水素、窒素等との化学反応の抑制、ビードの冷却等を行ってもよい。また、例えば、玉ビード造形の際に、冷却速度や酸化防止効果を向上するために、ノズル先端をビードに近づけてもよい。また、熱源供給口１４、ワイヤノズル８０及びガスノズル１３を、加工ヘッド６と一体に固定し、熱源供給口１４、ワイヤノズル８０及びガスノズル１３の間の位置関係を固定してもよい。このような構成により、これらの間の位置関係の変化による加工条件ｐｃの変化を抑制し安定した加工を実現してもよい。また、熱源供給口１４に配管５を連通し、熱源供給口１４から熱源ｈｓとシールドガスｇを共に出力する構成にしてもよい。このような構成とすれば、ガスノズル１３と熱源供給口１４とが一体化されるため、図１の構成に比べてガスノズル１３及び熱源供給口１４の製作費用を低減することができる。
【００１９】
造形材料供給部８は、加工位置ｐへ向けて造形材料ｐｍを供給する。図１の例では、造形材料供給部８が、造形材料ｐｍとして、ワイヤを供給する。造形材料は、ワイヤに限定されるものではない。造形材料ｐｍの形態の例としては、線状、粉末状、液体状等を挙げることができる。また、造形材料ｐｍの材質の例としては、金属、樹脂等を挙げることができる。図１の例では、スプール駆動装置８２が、制御部１の決定した材料供給指令ｍｄに基づいてワイヤスプール８１を回転させることにより、造形材料ｐｍであるワイヤがワイヤスプール８１から繰り出される。ワイヤスプール８１から繰り出された造形材料ｐｍは、ワイヤノズル８０を通過して加工位置ｐに供給される。以下の説明において、ワイヤスプール８１から照射位置へ向かう造形材料ｐｍの速度をワイヤ供給体積速度と称することがある。
【００２０】
図１の例では、加工ヘッド６の熱源供給口１４からｚ軸方向へ熱源ｈｓを供給される。
また、図１の例では、ワイヤノズル８０の出射口は、ｘｙ面内において熱源供給口１４とは離れた位置にある。そして、造形材料ｐｍがワイヤノズル８０を通過することにより、熱源ｈｓに対して非平行に造形材料ｐｍを進行させる。制御部１は、ワイヤノズル８０のワイヤの通過する穴と熱源の供給方向との間の角度を変化させることによって造形材料ｐｍの進行方向、造形材料ｐｍが付加される加工位置ｐなどを制御してもよい。
【００２１】
なお、ワイヤノズル８０を、熱源供給口１４と同軸に設置してもよい。例えば、ワイヤノズル８０、ガスノズル１３及び熱源供給口１４の外形を円錐台の側面形状とする。そして、ワイヤノズル８０を中心に配置し、その周辺に、ガスノズル１３及び熱源供給口１４を配置してもよい。また、熱源供給口１４を中心に配置し、そのまわりを取り囲むように複数のワイヤノズル８０を配置し、レーザの走査方向と造形材料ｐｍを供給する方向を一定としてもよい。また、造形材料ｐｍの放出口を複数設け、複数の異なる造形材料ｐｍを各放出口から送給してもよい。
【００２２】
なお、ノズルから造形材料ｐｍとして、加熱位置へ向けて粉末金属を噴出させてもよい。造形材料ｐｍとして粉末金属を用いる場合、シールドガスｇの負圧を使う方式、粉末金属を搬送する粉末搬送チューブから造形タイミングに加圧噴射する方式等が使用可能である。粉末金属を噴出するノズルは、噴出される粉末金属の方向及び位置が、図２に例示した加工位置ｐに供給されるワイヤ状の造形材料ｐｍと略一致するように配置してもよい。また、シールドガスｇの負圧を使う方式とは、例えば、粉末ノズルの噴射口の周りを囲むようにシールドガスの噴出口を配置する。そして、粉末ノズルの噴射口から飛び出す粉末に対して、シールドガスの噴流が略平行に粉末を取り囲むように進行する構成としてもよい。
【００２３】
図２には、ガスノズル１３及び熱源供給口１４の断面が図示されている。ガスノズル１３及び熱源供給口１４の外形は、どちらも円錐台の側面の形状である。ガスノズル１３の外形形状を第１の円錐台、熱源供給口１４の外形形状を第２の円錐台とするとき、第２の円錐台の上底及び下底の径はそれぞれ、第１の円錐台の上底及び下底の径より小さい。そして、第１の円錐台と第２の円錐台は、ひとつの回転軸に関して回転対象な形状である。このように、ガスノズル１３と熱源供給口１４とをひとつの回転軸に関して回転対象な形状としてもよい。また、熱源ｈｓとシールドガスｇとを加工位置ｐへ向けて一つの軸上に供給してもよい。また、熱源ｈｓが加工位置ｐに当たる位置をシールドガスｇが取り囲むようにシールドガスｇを噴出させてもよい。なお、加工ヘッド６の角度調整機構を設けてもよい。例えば、加工ヘッド６をｘ軸と平行な方向を回転軸として回転させるスイベルステージに固定してもよい。スイベルステージを用いた場合、加工ヘッド６が５軸駆動におけるＡ，Ｂ軸の傾斜角を調整することが可能になるため、造形物ｓｃを傾けなくてもよくなる。造形物ｓｃが大型重量物となる場合、造形物ｓｃを傾けると積層造形装置１００の慣性が増し、精度良く高速に動かすことが難しい場合がある。加工ヘッド６に回転機構を設ければ、造形物ｓｃの角度を変化させる必要がなくなり、より精度よく高速に加工を実行することができる。
【００２４】
加工ヘッド駆動部７１は、駆動指令ｄｃに基づいて加工ヘッド６を移動させる。図１の加工ヘッド駆動部７１は、互いに垂直なｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向の各方向へ加工ヘッド６を移動させる。加工ヘッド駆動部７１は、３軸の方向の並進運動を可能とする動作機構としてもよい。例えば、加工ヘッド駆動部７１は、ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の各方向へ加工ヘッド６を移動させるサーボモータを有してもよい。積層造形装置１００は、加工ヘッド駆動部７１及びステージ回転機構７２により加工位置ｐと造形物ｓｃとの相対位置を変化させることで、対象面ｔｓにおける熱源ｈｓの照射位置を変化させることができる。
【００２５】
ステージ回転機構７２は、駆動指令ｄｃに基づいてステージ１０を回転させる。図３は、本実施の形態によるステージ回転機構の一例を示す図である。ステージ１０は、ステージ回転機構７２の回転部材１６ａに取り付けられている。ステージ回転機構７２は、制御部１が決定した駆動指令ｄｃに基づいて、第１軸又は第２軸を中心として回転部材１６ａ、ステージ１０及び加工対象物оｐを回転させる。ここで、第２軸は第１軸に対して垂直である。
【００２６】
ステージ１０が回転すると、加工対象物оｐと加工ヘッドとの相対的な角度、位置等が変化する。例えば、ステージ回転機構７２は、図３のｃ軸及びａ軸を回転軸として回転する回転部材１６ａを備えてもよい。ステージ１０を回転部材１６ａに固定してもよい。さらに、ステージ回転機構７２は、駆動指令ｄｃに基づいて回転部材１６ａ及びステージ１０を回転させてもよい。
【００２７】
例えば、ステージ回転機構７２は、ｃ軸を回転軸とする回転方向ｒｃ及びａ軸を回転軸とする回転方向ｒａの２つの回転部材１６ａの回転を独立に実行できる構成としてもよい。ａ軸及びｃ軸の向きは任意にとることができる。例えば、ａ軸をｘ軸に平行とし、ｃ軸をｚ軸に平行としてもよい。また、例えば、ステージ回転機構７２は、回転方向ｒａ及び回転方向ｒｃの２つの回転を実行するサーボモータを備えてもよい。ステージ回転機構７２を用いることにより、例えば、テーパ状の形状等の複雑な形状を積層造形してもよい。
【００２８】
本実施の形態の図１、図２の例における温度測定部９は、温度測定器であり、加工位置ｐ、加工対象物оｐ、造形材料ｐｍなどの温度を測定して温度データｔｄとして出力する。
【００２９】
積層造形装置１００は、加工位置ｐから発生した粉塵を、加工位置ｐの周辺の雰囲気を吸入することにより集塵する集塵器１２を備える。これにより、積層造形中に加工位置ｐの周囲に存在する飛散物、煙等を除去又は低減することができる。この際、飛散物、発煙物等をシールドガスｇとともに吸引してもよい。吸引した飛散物、煙及びシールドガスｇは、回収箱に回収箱してもよい。造形材料ｐｍなどが酸化性の高い物質又は反応性の高い物質である場合、不活性ガスの充填された回収箱を用いて発火、爆発等を防止してもよい。なお、加工位置ｐから発生した粉塵を、加工位置ｐの周辺の雰囲気を吸入することにより集塵する吸引工程を省いた積層造形方法を実行することもできる。そして、集塵器１２を省いた積層造形装置１００を構成することもできる。しかしながら、発火、爆発等を抑制するために、本開示の積層造形方法は、吸引工程を備えることが望ましい。そして、積層造形装置１００は、集塵器１２を備えることが望ましい。
【００３０】
制御部１は、基本加工プログラムｂｐｒ及び温度データｔｄに基づいて、熱源供給部指令ｌｃ、材料供給指令ｍｄ、ガス供給指令ｇｃ、駆動指令ｄｃを補正後指令ｃｃｖとして決定する。図４は、本実施の形態による制御部の構成の一例を示す図である。制御部１は、制御器５２、差分器５３及び出力部５４を備える。制御部１は、基本加工プログラムｂｐｒを加工プログラム生成装置２００から取得する。ここで、基本加工プログラムｂｐｒは、積層造形を実行するための基本指令ｂｃｖ、積層造形を実行するための加工条件ｐｃを含む。また、基本指令ｂｃｖとは、制御部１による補正を実行する前の指令であり、補正前の熱源供給部指令、補正前の材料供給指令、補正前のガス供給指令、補正前の駆動指令である。
【００３１】
駆動指令ｄｃは、加工経路を指定する。加工経路は、加工対象物оｐと加工ヘッド６との間の相対位置を変化させる移動経路である。なお、加工経路を、立体の造形物ｓｃを造形する経路としてもよい。また、加工経路を熱源ｈｓの照射位置の移動する経路としてもよい。制御部１を、例えば、数値制御装置としてもよい。加工条件ｐｃとは、積層造形装置１００が実行する加工における条件、パラメータである。
【００３２】
本実施の形態における加工条件ｐｃの例としては、加工位置ｐの温度の設定目標値、加工位置ｐに供給される造形材料ｐｍの温度の設定目標値、ｔｓの温度の設定目標値、造形材料ｐｍの単位時間あたりの供給量の設定目標値等を挙げることができる。加工条件ｐｃは、積層造形の状況、造形物ｓｃにおける加工位置ｐに応じて異なる値を設定してもよい。
【００３３】
制御部１は、温度データｔｄを温度測定部９から取得する。差分器５３は、加工条件ｐｃと温度データｔｄとの間の差分ｄを算出する。制御器５２は、算出された差分ｄに基づいて補正後加工プログラムｐｐｒを決定する。補正後加工プログラムｐｐｒは、基本加工プログラムｂｐｒと同様の構造を有したプログラムであり、加工条件ｐｃ及び各部への補正後指令ｃｃｖを含む。出力部５４は、補正後加工プログラムｐｐｒに基づいて補正後指令ｃｃｖを決定する。補正後指令ｃｃｖは、制御部１による補正後の指令であり、熱源供給部指令ｌｃ、材料供給指令ｍｄ、ガス供給指令ｇｃ、駆動指令ｄｃを含む。
【００３４】
図４における制御部１の動作を例示する。差分器５３は、差分ｄとして、温度データｔｄに含まれる加工位置ｐの温度と造形材料ｐｍの融点、沸点等から定まる温度目標値との差を差分ｄとして算出する。算出された差分ｄに基づいて制御器５２は、補正後加工プログラムｐｐｒを決定する。出力部５４は、熱源供給部指令ｌｃを出力する。これにより、積層造形と並行して、加工位置ｐの温度モニター値に応じて加工位置ｐの温度が制御することができる。これにより、加工位置ｐ、造形材料ｐｍ、加工対象物оｐなどの温度を加工条件ｐｃに含まれる温度設定の目標値に近い値に保つことができる。
【００３５】
例えば、造形材料ｐｍの温度を、造形材料ｐｍの融点と発火温度との間の温度に保持してもよい。これにより、発火を回避又は発火の発生回数を低減しつつ、積層造形を実行することができるため、積層造形の精度を向上することができる。また、造形材料ｐｍに液滴化が発生しない程度の粘度となる温度に造形材料ｐｍの温度を保持してもよい。ここで、溶融した造形材料ｐｍの粘度が低下して滴状になることによって加工精度が低下する状態を液滴化と称している。これにより、液滴化を抑制しつつ、積層造形を実行することができるため、積層造形の精度を向上することができる。また、発火、液滴化等による積層造形装置１００の停止の発生回数を低減できるため、積層造形の速度、効率を向上することができる。
【００３６】
ここで、造形材料ｐｍ、加工位置ｐ、対象面ｔｓの温度を制御する動作例としては、制御部１が、熱源供給部指令ｌｃを決定して熱源ｈｓの供給量を制御する場合がある。また、制御部１が、ガス供給指令ｇｃを決定してシールドガスｇの量を制御する場合がある。加熱、冷却の手法は、熱源ｈｓの量、シールドガスｇの流量に限定されるものではない。例えば、ワイヤノズル８０の角度を変更して造形材料ｐｍへの単位量あたりの入熱量を調整してもよい。また、加工経路を変更による造形順序の変更、集塵器１２の吸引空気量の変更等によって入熱量、排熱量を調整してもよい。制御部１は上記に例示したパラメータを組み合わせて、造形物ｓｃ、造形材料ｐｍなどの温度を制御してもよい。
【００３７】
加工位置ｐの温度を下げたい場合、シールドガスｇの流量を増やす、熱源ｈｓの供給量を減らす、造形材料ｐｍの供給量を増やす、加工位置ｐの移動の速度を下げる、のうちの少なくともいずれかひとつを実行してもよい。また、加工位置ｐの温度を上げたい場合には、次の動作のいずれか一つを実行してもよい。すなわち、シールドガスｇの流量を減らす、熱源ｈｓの供給量を増やす、造形材料ｐｍの供給量を減らす、加工位置ｐの移動の速度を上げる、のうちの少なくともいずれかひとつを実行してもよい。また、温度データｔｄに基づいて発火を観測した場合、上記の温度を下げる動作を実行して発火を抑制してもよい。
【００３８】
上記に説明した制御部１による、温度データｔｄに基づく積層造形装置１００の各部の制御を、集塵器１２による煙、飛散物、塵の吸引と組み合わせて実行することもできる。集塵器１２の動作によって発火、液滴化、爆発等の発生が抑制されるため、制御部１による加工状態の制御は、より精度が向上する。例えば、加工位置ｐの温度の精度を向上することができる。また、積層造形物を構成する各ビードの目標形状からのずれを低減することができる。さらに、温度測定部９は、温度データｔｄの計測に際して、ノイズとして影響を与える発火、液滴化、爆発等の発生が抑制されることによって、より正確な温度データｔｄを出力することができる。これにより、制御部１による、温度データｔｄに基づく積層造形装置１００の各部の制御の精度が向上し、より高精度に積層造形を実行できる。
【００３９】
図５は、本実施の形態による加工プログラム生成装置２００の構成の一例を示すブロック図である。加工プログラム生成装置２００を、積層造形装置１００を制御するための基本加工プログラムｂｐｒを生成するＣＡＭ（Computer  Aided  Manufacturing）装置としてもよい。加工プログラム生成装置２００は、加工プログラム生成装置２００の外部からデータを取得するデータ入力部２０１、データを記憶するデータ記憶部２０２、加工経路を生成する加工経路生成部２０３、基本加工プログラムｂｐｒを生成する加工プログラム生成部２０４を備える。図５に示す構成では、データの授受の経路が一方向に示されているが、加工プログラム生成装置２００の各構成要素が、相互にデータを送受信することが可能な構成としてもよい。
【００４０】
データ入力部２０１は、加工プログラム生成装置２００の外部から加工プログラム生成装置２００に入力されるＣＡＤ（Computer-Aided  Design）データ３００及び積層条件データ４００を取得する。データ記憶部２０２は、データ入力部２０１からＣＡＤデータ３００及び積層条件データ４００を取得し記憶する。ＣＡＤデータ３００は、積層造形装置１００によって付加製造される造形物ｓｃの仕上がり形状を示す造形形状データとしてもよい。ＣＡＤデータ３００のみとしてもよい。造形形状データは、例えば、造形物ｓｃの仕上がり形状の輪郭を数値であらわすデータとしてもよい。
【００４１】
なお、造形形状データはここに例示したデータの形式に限定されるものではない。ＣＡＤデータ３００は、加工プログラム生成装置２００がＣＡＤデータ３００に基づいて基本加工プログラムｂｐｒを生成することができるデータであればよい。また、データ入力部２０１は、ＣＡＤデータ３００に加えて積層条件データ４００を取得しデータ記憶部２０２に出力してもよい。積層条件データ４００は、ビードについての情報としてもよい。ビードについての情報の例としては、形成されるビードが玉ビードであるか、線ビードであるかを示す情報、ビードのサイズ、形状、仕様などに関する情報を挙げることができる。基本加工プログラムｂｐｒの生成に用いられる線ビードの形状を示す情報を線ビード形成情報と称する。基本加工プログラムｂｐｒの生成に用いられる玉ビードの形状を示す情報を玉ビード形成情報と称する。例えば、線ビードの幅の目標値、線ビードの高さの目標値等を線ビード形成情報として、積層条件データ４００に加えてもよい。また、例えば、玉ビードの径の目標値、玉ビードの高さの目標値等を積層条件データ４００に加えてもよい。
【００４２】
データ記憶部２０２は、データ入力部２０１から送信されたＣＡＤデータ３００及び積層条件データ４００を記憶する。加工経路生成部２０３は、データ入力部２０１からＣＡＤデータ３００及び積層条件データ４００を受信する。そして、加工経路生成部２０３は、ＣＡＤデータ３００及び積層条件データ４００に基づいて加工経路を生成する。加工経路生成部２０３は、ＣＡＤデータ３００及び積層条件データ４００を解析し、解析した結果に基づいて加工経路を生成してもよい。
【００４３】
ここで、加工経路は、線ビード又は玉ビードの付加加工が行われる経路であり、例えば、加工ヘッド６のツールパスとしてもよい。加工プログラム生成部２０４は、加工経路を取得する。加工プログラム生成部２０４は、取得した加工経路から基本加工プログラムｂｐｒを生成する。基本加工プログラムｂｐｒは、線ビード又は玉ビードを形成するための加工ヘッド６の軌跡を指示することにより加工経路を指定してもよい。加工プログラム生成部２０４は、積層条件データに含まれるビード情報に基づいて加工経路を玉ビードによる付加加工が行われる部分と線ビードによる付加加工が行われる部分とに振り分けてもよい。また、加工プログラム生成部２０４は、内部に保有する線ビードと玉ビードとの使い分けについての判定基準を用いて加工経路を振り分けてもよい。制御部１は、図４に示すように、加工プログラム生成部２０４から基本加工プログラムｂｐｒを取得する。以上が、加工プログラム生成装置２００の構成の一例である。
【００４４】
図６は、本実施の形態による制御部１の機能を処理回路と記憶装置によって実現するためのハードウェア構成の一例を示す図である。制御部１は、例えば、積層造形装置１００の制御を実行するためのプログラムである制御プログラムを用いて実現される。制御部１は、各種処理を実行するＣＰＵ（Central  Processing  Unit）４１と、データ格納領域を含むＲＡＭ（Random  Access  Memory）４２と、不揮発性メモリであるＲＯＭ（Read  Only  Memory）４３と、外部記憶装置４４と、制御部１への情報の入力及び制御部１からの情報の出力のための入出力インタフェース４５とを備える。図４に示す各部は、バス４６を介して相互に接続されている。
【００４５】
ＣＰＵ４１は、ＲＯＭ４３及び外部記憶装置４４に記憶されているプログラムを実行する。制御部１による積層造形装置１００の制御は、ＣＰＵ４１を使用して実現される。外部記憶装置４４は、ＨＤＤ（Hard  Disk  Drive）あるいはＳＳＤ（Solid  State  Drive）である。外部記憶装置４４は、制御プログラムと各種データとを記憶する。ＲＯＭ４３には、制御部１であるコンピュータまたはコントローラの基本となる制御のためのプログラムであるＢＩＯＳ（Basic  Input/Output  System）あるいはＵＥＦＩ（Unified  Extensible  Firmware  Interface）といったブートローダであって、ハードウェアを制御するソフトウェアまたはプログラムが記憶されている。なお、制御プログラムは、ＲＯＭ４３に記憶されても良い。
【００４６】
ＲＯＭ４３及び外部記憶装置４４に記憶されているプログラムは、ＲＡＭ４２にロードされる。ＣＰＵ４１は、ＲＡＭ４２に制御プログラムを展開して各種処理を実行する。入出力インタフェース４５は、制御部１の外部の装置との接続インタフェースである。入出力インタフェース４５には、補正後加工プログラムｂｐｒが入力される。また、入出力インタフェース４５は、各種指令を出力する。制御部１は、キーボード及びポインティングデバイスといった入力デバイス、及びディスプレイといった出力デバイスを有しても良い。制御プログラムは、コンピュータ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。制御部１は、記憶媒体に記憶された制御プログラムを外部記憶装置４４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。制御プログラムは、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、制御部１となるコンピュータあるいはコントローラへインストールされても良い。
【００４７】
図７は、本実施の形態による制御部１の機能を専用の処理回路によって実現するためのハードウェア構成の一例を示す図である。制御部１の機能は、図５に示す専用のハードウェアである処理回路４７により実現することもできる。処理回路４７は、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、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）、又はこれらの組み合わせである。制御部１の機能は、一部を専用のハードウェアで実現し、他の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良い。
【００４８】
なお、加工プログラム生成装置２００の機能は、加工プログラム生成装置２００の制御を実行するためのプログラムである制御プログラムが、図６に示す構成を有するハードウェアで実行されることによって実現することができる。また、加工プログラム生成装置２００の機能は、制御プログラムが、図７に示す専用のハードウェアである処理回路４７を用いて実現することもできる。
【００４９】
次に、積層造形の際の造形精度について述べる。図８は、本実施の形態の積層造形システムにより積層造形された造形物の一例を示す図である。図９は、本実施の形態の積層造形システムによる積層造形中の造形物の温度分布の一例を示す図である。図９の造形物ｓｃ１は、図８に示す造形物ｓｃ１と同一であるとする。造形物ｓｃ１は、円筒状の形状であり、図示される３軸直行座標系のｚ軸の正の方向に向かって積層されるとする。以下の説明では、ｚ軸の正の向きを下から上へ向かう方向と称する場合もある。造形物ｓｃ１は、ｚ軸に垂直な複数の層を有しており、層の間には実線が描かれている。
【００５０】
図９の上面は黒く塗りつぶされており、上面に熱源ｈｓが供給され上面が加熱されることを示している。図９にハッチング等で温度分布が示されている。この温度分布が示すように、造形物ｓｃ１の温度は加工位置ｐである造形箇所と加工位置ｐの高さである造形高さとの両方に依存して異なっている。図９の例では、造形高さが高くなるにつれてベース材ｂｍへの排熱が小さくなり、造形物ｓｃ１の蓄熱量が増える。その結果、熱源ｈｓによる入熱及びシールドガスｇによる排熱を同じに維持して連続積層した場合、造形物ｓｃ１の上層部では下層部に比べて高温になることが多い。このような場合、下層の状況に合わせて補正後指令ｃｃｖを決定した場合、上層部では適正温度より温度が高くなる状態、すなわち過熱気味となる。
【００５１】
造形物ｓｃ１が過熱状態となったことにより、造形材料ｐｍの粘性の低下による液滴化、造形材料ｐｍのダレなどが発生し、造形物ｓｃ１の形状に、目標とする造形形状からのずれが発生する場合があった。例えば、基本加工プログラムｂｐｒに含まれる基本指令ｂｃｖを補正せずにそのまま補正後指令ｃｃｖとして用いた場合、上記のようなずれが発生する場合があった。この積層造形の一層あたりの高さのずれが数μｍから数十μｍと微小なものである場合であっても、数百層積層する積層造形の場合には、最終的な積層された形状と目標形状との差異が大きくなる場合がある。
【００５２】
以上説明したように、本実施の形態の積層造形方法は、加工対象物оｐ又は造形材料ｐｍの温度を測定して温度データｔｄとして出力する温度測定工程と、基本指令ｂｃｖ及び加工条件ｐｃを含む基本加工プログラムｂｐｒと温度データｔｄとに基づいて基本指令ｂｃｖを補正し、材料供給指令ｍｄ、熱源供給部指令ｌｃ、駆動指令ｄｃ及びガス供給指令ｇｃを含む補正後指令を決定する制御工程と、材料供給指令ｍｄに基づいて造形物の対象面の加工位置に造形材料を供給する造形材料供給工程と、熱源供給部指令ｌｃに基づいて加工位置に供給された造形材料を溶融させる熱源を加工位置に供給する熱源供給工程と、駆動指令ｄｃに基づいて加工位置と造形物との相対位置を変化させる駆動工程と、ガス供給指令ｇｃに基づいて加工位置に造形材料の反応を抑制するシールドガスを加工位置に供給するガス供給工程とを備える。
【００５３】
また、本実施の形態の積層造形方法は、加工位置の周囲の雰囲気を吸引する吸引工程を備える。
【００５４】
また、本実施の形態の積層造形装置１００は、加工対象物оｐ又は造形材料ｐｍの温度を測定して温度データｔｄとして出力する温度測定部９と、基本指令ｂｃｖ及び加工条件ｐｃを含む基本加工プログラムｂｐｒと温度データｔｄとに基づいて基本指令ｂｃｖを補正し、材料供給指令ｍｄ、熱源供給部指令ｌｃ、駆動指令ｄｃ及びガス供給指令ｇｃを含む補正後指令を決定する制御部１と、材料供給指令ｍｄに基づいて造形物の対象面の加工位置に造形材料を供給する造形材料供給部８と、熱源供給部指令ｌｃに基づいて加工位置に供給された造形材料を溶融させる熱源を加工位置に供給する熱源供給部と、駆動指令ｄｃに基づいて加工位置と造形物との相対位置を変化させる駆動部７と、ガス供給指令ｇｃに基づいて加工位置に造形材料の反応を抑制するガスであるシールドガスを加工位置に供給するガス供給部４とを備える。
【００５５】
また、本実施の形態の積層造形システム１０００は、積層造形装置１００と、基本加工プログラムｂｐｒを生成する加工プログラム生成装置２００とを備える。
【００５６】
そして、制御部１が、基本加工プログラムｂｐｒ及び温度データｔｄに基づいて、補正後指令ｃｃｖを決定することにより、加工位置ｐの温度を目標値に近づけることができる。また、発火、液滴化、爆発等の発生を抑制することができる。これにより、積層造形の精度を向上することができる。また、加工プログラム生成装置２００を備えることにより、仕上がり形状を示す造形形状データに応じた基本加工プログラムｂｐｒを生成することができることにより、積層造形の精度を向上することができる。
【００５７】
また、本実施の形態によれば、粉塵、煙等を含む雰囲気を吸引する集塵器１２を備えることにより、発火、爆発等を抑制することができる。これにより、さらに、加工精度を向上することができる。また、加工位置ｐに向けてシールドガスｇを供給するガス供給部４を備える。これにより、シールドガスｇの雰囲気下で積層造形を行うため、造形中の酸化、発火、爆発等を抑制することができる。そして、造形中の酸化、発火、爆発等に伴う造形不良の発生を抑制することによって積層造形の精度を向上することができる。また、シールドガスｇの供給により、発火、爆発等が抑制されることにより、温度測定部９は、温度データｔｄをより高精度に取得できる。
【００５８】
また、振動の発生、温度の急激な変動、雰囲気等の急激な変化等を抑制できるため、制御部１が行う温度データｔｄに基づく補正後指令ｃｃｖの決定を、より高精度に実施することができる。また、本実施の形態によれば、シールドガスｇ、温度制御等を実行するため、粉塵爆発を起こす可能性があることにより造形材料ｐｍとして使用することが難しい素材も、造形材料ｐｍとして使用することができる場合がある。以上説明したように、本実施の形態によれば、積層造形の精度を向上することができる。
【００５９】
実施の形態２．
図１０は、本実施の形態による積層造形システムの構成の一例を示す図である。本実施の形態の説明において、実施の形態１の構成要素、信号等と同じ又は対応する構成要素、信号等については、同一の符号を付す。積層造形装置１００ａは、積層造形装置１００の構成に加えて、光検出部１７を備える。また、積層造形装置１００ａは、実施の形態１の制御部１に代えて制御部１ａを備える。
【００６０】
光検出部１７は、加工位置ｐから発生する光、外部から供給された光が散乱された散乱光又は透過光等を検出し、光検出結果ｌｒとして出力する。光検出結果ｌｒは、光の強度を定量的に示す数値でもよく、ある閾値以上の強度の光が発生したときに光検出があることを示す信号を出力し、閾値以下の強度の場合に光の検出がないことを示す信号を出力するとしてもよい。また、光強度の閾値を段階的に複数設け、複数の閾値を上回るか否かに依存して段階的に異なる信号を出力し、制御部１ａは、出力された信号に応じて動作を行ってもよい。なお、散乱光の例としては、造形材料ｐｍ、飛散物、煙等による散乱光を挙げることができる。透過光の例としては、煙、シールドガス、雰囲気等の透過光を挙げることができる。
【００６１】
なお、レーザビーム以外の熱源ｈｓを用いる場合、積層造形装置１００ａに観測用光源を追加し、観測用光源からの光を光検出部１７が検出してもよい。制御部１ａは、観測用光源を用いた場合には、煙の発生などを散乱光の減少、変動等により検知してもよい。また、加工位置ｐの近傍に外部光源から光を照射して積層材料ｐｍ又はビードによる散乱光を検出し、散乱光の変化によって液滴化の有無を検出してもよい。また、図１０には、光検出部１７が無線通信によって光検出結果ｌｒを制御部１ａに送信する場合を図示したが、光検出部１７は、有線通信によって光検出結果ｌｒを制御部１ａに送信してもよい。
【００６２】
図１１は、本実施の形態による制御部の構成の一例を示すブロック図である。図１１に示す制御部１ａは、制御部１の制御器５２に代えて制御器５２ａを備える点が制御部１と異なる。また、図１の制御部１は、温度データｔｄのみを取得していたのに対し、図１１の制御部１ａは、差分ｄに加えて光検出結果ｌｒを取得する。制御部１ａは、光検出結果ｌｒに基づいて発火、液滴化、爆発、発煙等の発生の有無、又は、発火、液滴化、爆発、発煙等の状態を検知する。以下では、制御部１ａが発火、液滴化、爆発、発煙等の発生を検知しない状態を定常状態と称する。また、制御部１ａが発火、液滴化、爆発、発煙等の発生を検出した場合を異常状態と称する。
【００６３】
図１１に示すように、制御部１ａは、定常状態と判断した場合、制御部１と同様に動作する。すなわち、制御器５２ａは、制御器５２と同様に温度データｔｄに基づいて補正後加工プログラムｐｐｒを出力し、出力部５４は、補正後加工プログラムｐｐｒに基づいて指令を出力する。すなわち、出力部５４は、補正後加工プログラムｐｐｒに基づいて補正後指令ｃｃｖを決定する。
【００６４】
一方、制御器５２ａが、光検出信号ｌｒに基づいて異常状態と判断した場合にも、補正後加工プログラムｐｐｒを決定するが、異常状態の補正後指令ｃｃｖは、正常状態の補正後指令ｃｃｖとは異なる。例えば、発火が発生した場合、加工を停止させてもよい。また、異常状態の補正後指令ｃｃｖは、実施の形態１に説明した加工位置ｐの温度を下げ発火を抑制させる指令としてもよい。また、異常状態を反映した補正後指令ｃｃｖとしてもよい。例えば、煙、発火等が存在しない正常状態における補正後指令ｃｃｖに加えて、煙、発火等が存在する異常状態における補正後指令ｃｃｖを、基本加工プログラムｂｐｒに予め記憶させる。さらに、基本加工プログラムｂｐｒに条件分岐を設定して、正常状態の補正後指令ｃｃｖと異常状態の補正後指令ｃｃｖとのいずれかを選択して実行させる構成としてもよい。
【００６５】
制御器５２ａは、熱源供給部指令ｌｃ、材料供給指令ｍｄ、ガス供給指令ｇｃ、駆動指令ｄｃのうちから、正常状態の補正後指令ｃｃｖと異常状態の補正後指令ｃｃｖとの間で変化させる指令を選択してもよい。そして、選択する際に、温度データｔｄ、光検出結果ｌｒに応じて、上記の指令のうちからひとつ又は複数選択してもよい。また、基本指令ｂｃｖと補正後指令ｃｃｖとの間で変化させる指令を、温度データｔｄ、光検出結果ｌｒに応じて、ひとつ又は複数選択してもよい。また、制御器５２ａは、加工経路の上の加工位置ｐの状況に応じて、正常状態の補正後指令ｃｃｖと異常状態の補正後指令ｃｃｖとの間で変化させる指令をひとつ又は複数選択してもよい。また、基本指令ｂｃｖと補正後指令ｃｃｖとの間で変化させる指令を加工経路の上の加工位置ｐの状況に応じて、ひとつ又は複数選択してもよい。
【００６６】
上記の加工経路の上の加工位置ｐの状況の例としては、例えば、加工位置ｐが、線ビードの端点にある場合、線ビードの交点にある場合、線ビードの屈曲点にある場合等を挙げることができる。なお、変化させる指令を基本加工プログラムｂｐｒに付加することによって、基本加工プログラムｂｐｒの示す加工位置ｐの状況に応じて自動的に制御部１が変化させる指令を選択する構成としてもよい。また、制御部１ａに、外部から変化させる指令を入力する入力部を設け、外部からの入力に応じて、変化させる指令を選択してもよい。
【００６７】
以上説明したように、本実施の形態の積層造形方法は、加工位置ｐからの光を検出して光検出結果ｌｒとして出力する光検出工程を備え、制御工程は、基本加工プログラムｂｐｒ、温度データｔｄ及び光検出結果ｌｒに基づいて補正後指令ｃｃｖを決定する。また、この制御工程では、光検出結果ｌｒに基づいて異常を検知し、異常を検知した場合に、シールドガスｇの供給量を増やす、熱源ｈｓの供給量を減らす、造形材料ｐｍの供給量を増やす、相対位置の変化の速度を下げる、のうちの少なくともいずれかひとつを実行する。これにより、発火等の異常状態の発生を抑制してもよい。
【００６８】
これにより、制御部１ａは、光検出結果ｌｒに応じて熱源供給部指令ｌｃ、材料供給指令ｍｄ、ガス供給指令ｇｃ、駆動指令ｄｃなどを制御することができる。そして、加工位置ｐの過熱による発火、液滴化、爆発、発煙等の異常状態を検知し、熱源ｈの供給量、造形材料ｐｍの供給速度、シールドガスｇの流量、加工ヘッド６の移動、ステージ１０の回転等を制御することができる。以上説明したように、本実施の形態によれば積層造形の精度を向上することができる。
【００６９】
実施の形態３．
本実施の形態の積層造形システムの構成は、実施の形態１に説明した積層造形システム１０００と同じであるため、実施の形態１に説明した構成要素、信号等に付した符号を用いて説明を行う。本実施の形態の制御部１は、積層造形が中断された場合に、温度データｔｄに基づいて、積層造形の中断前に形成された加工対象物оｐの再加熱を行う。そして、再加熱後に、積層造形を再開する。
【００７０】
なお、以下には、基本加工プログラムｂｐｒに、再加熱の際の補正後指令ｃｃｖの選択肢と選択肢を選択するための条件分岐が付加され、制御部１は、基本加工プログラムｂｐｒによって再加熱を指示された場合に、補正後指令ｃｃｖを決定するとして説明する。一方、本実施の形態はこのような動作に限定されるものではない。例えば、再加熱の際の補正後指令ｃｃｖは、予め、制御部１が記憶していてもよい。また、再加熱の際の補正後指令ｃｃｖが、再加熱の際の補正後加工プログラムｐｐｒに従って発出されるタイミングは、基本加工プログラムｂｐｒに付加されていてもよく、制御部１が温度データｔｄなどに応じて再加熱を実行すると判断したタイミングとしてもよい。また、基本加工プログラムｂｐｒに、温度データｔｄに応じて行動を変える条件分岐が付加されることにより、制御部１が、温度データｔｄに応じて、異なる補正後加工プログラムｐｐｒを実行させる構成としてもよい。
【００７１】
また、積層造形の再開とは、造形材料ｐｍの加工位置ｐへの供給を再開し、熱源ｈｓの加工点ｐへの供給を実行する動作である。また、造形材料ｐｍ及び熱源ｈｓの加工点ｐへの供給の再開に加えて、加工位置ｐと造形物ｓｃとの間の相対位置の変化を再開してもよい。また、積層造形の中断時に、加工ヘッド６と積層造形の中断前に形成された加工対象物оｐとの衝突を避けるためなどの目的で加工ヘッド６を加工対象物оｐの付近から移動して退避させる場合がある。このような場合、積層造形中断中の加熱の開始時又は積層造形の開始時に、加工ヘッド６を加工対象物оｐの付近へと戻し、又は、加工ヘッド６と造形物ｓｃとの相対位置を中断時の状態に戻してもよい。そして、加熱、又は、積層造形の再開を開始してもよい。
【００７２】
造形再開時の加工位置ｐを、造形再開箇所ｒｐと称する。図１２は、本実施の形態による積層造形の中断後の再開時に造形再開箇所ｒｐを加熱した場合の加工対象物の温度分布の一例を示す図である。図１２には、熱源供給口１４及び熱源ｈｓの供給方向を示す矢印が図示されている。また、基本加工プログラムｂｐｒに含まれる加工位置ｐの動く軌跡を指示する軌跡指令ｔｃが図示されている。図１２に示す軌跡指令ｔｃは、途切れがなく、後戻りもない一筆書きの軌跡、言い換えれば、１ストロークの軌跡となっている。軌跡指令ｔｃは、図１２の形態に限定されるものではなく、一筆書きの軌跡に限定されるものではない。また、図１２には、ハッチングで温度分布が図示されている。造形物ｓｃの中で、造形再開箇所ｒｐ付近は温度が高く、遠ざかるほど温度が低くなっている。また、造形物ｓｃは、複数の層を有しており、ｚ軸に垂直な実線によって複数の層の境界が図示されている。そして、造形物ｓｃは、下から上へと各層ごとに積層造形される。
【００７３】
本実施の形態の加工プログラム生成装置２００は、造形再開箇所ｒｐの加工対象物оｐの中の位置、造形再開時の加工対象物оｐの断面形状に基づいて、加工プログラムｂｐｒの中の熱源供給部指令ｌｃを決定する。言い換えれば、加工プログラム生成装置２００は、熱源ｈｓの供給の仕様を、造形を中断したときの加工対象物оｐの断面形状に基づいて調整する。これにより、造形を中断したときの加工対象物оｐの断面形状に基づいて入熱量を制御し、積層造形の再開までにかかる時間を減らすことができる。また、点造形時に短時間の熱源の供給により入熱量を微調整し、さらに積層造形の精度を向上することもできる。
【００７４】
例えば、熱源ｈｓがレーザビームである場合の熱源供給部指令ｌｃ、言い換えれば、熱源ｈｓの仕様の例としては、レーザビームの移動速度、レーザビームの径などを挙げることができる。加工再開時に、造形再開箇所ｒｐの造形の精度を落とさないためには、造形再開箇所ｒｐの加熱温度を造形箇所の熱飽和温度まで加熱することが望ましい。ここで、積層の対象となる層である次層の加工条件ｐｃでの熱源による入熱と造形領域全体での放熱とのバランスが一定状態となり、積層造形に適した温度のことを熱飽和温度と称している。
【００７５】
この熱飽和温度は、造形再開時の加工対象物оｐの形状、断面形状、加工条件ｐｃなどに依存して変化する。そのため、加工開始より前に決定することは困難な場合があった。一方、本実施の形態によれば、温度測定部９が造形再開箇所ｒｐの温度データｔｄを出力することによって、制御部１は、加工位置ｐの温度が熱飽和温度を超えるか、又は、超えないかを判断することができる。そして、制御部１は、例えば、判断の結果に応じて、基本加工プログラムｂｐｒに含まれる条件分岐を利用して、熱飽和温度を超えるか、又は、超えないかに依存した熱源供給部指令ｌｃを決定することができる。また、制御部１は、駆動指令ｄｃを、熱飽和温度に到達するまで、加工位置ｐを移動させないように決定することが望ましい。また、制御部１は、積層造形の中断時の加工位置ｐの温度を記憶し、造形再開箇所ｒｐの温度を積層造形の中断時に近づけてから、積層造形を再開してもよい。積層造形を再開する動作を例示する。例えば、補正後加工プログラムｂｐｒの駆動指令ｄｃを、造形再開箇所ｒｐの温度と積層造形の中断時の加工位置ｐの温度との差が一定の値以下となった場合に、加工位置ｐが移動を開始するように決定してもよい。このように、加工位置ｐ、造形対象物оｐ又は造形材料ｐｍの温度が予め定めた温度まで加熱された後に加工位置ｐと造形物ｓｃとの間の相対位置を変化させることによって積層造形を再開することが望ましい。なお、複数の層を含む造形物を層ごとに造形経路に沿って積層造形が実行される場合を考える。このような場合に積層造形が中断された場合に、積層造形の中断前に形成された加工対象оｐのうちの積層造形を再開させる層の造形経路である再開造形経路を加熱し、再開造形経路の温度が予め定めた温度まで加熱された後に積層造形を再開してもよい。この場合、再開造形経路の全体が予め定めた温度以上となるよう加熱することが望ましい。また、加熱の際には、加工ヘッド６と造形物ｓｃとの相対位置を変化させつつ熱源ｈｓを積層造形の中断前に形成された加工対象оｐにおける再開造形経路に供給してもよい。
【００７６】
図１３は、本実施の形態におけるベースプレート及び造形物における熱の流れを例示する図である。図１３の造形物ｓｃの上面は黒く塗りつぶされ、熱源ｈｓが供給されることにより加熱される面であることを示している。また、図１３（ａ）の造形物ｓｃは、ひとつの層を有しており、図１３（ｂ）の造形物ｓｃは、６つの層を有している。すなわち、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）の状態から５層の積層造形が実行された状態を示している。図１３のｚ軸に垂直な実線は、層の間の境界を表している。である。図１３中には、ベースプレートｂｐと造形物ｓｃとにおける熱の流れが矢印で示されている。図１３（ａ）、図１３（ｂ）では、ｚ軸の向きと逆方向に、すなわち、ｚ軸の値が大きい位置から小さい位置へ向けて造形物ｓｃに対して熱源ｈｓが供給されるとする。図１３（ａ）に比較して、図１３（ｂ）では、造形再開箇所ｒｐがベースプレートｂｐからの距離が遠い。そのため、造形再開箇所ｒｐからベースプレートｂｐまでの排熱性能は、図１３（ａ）の構成の方が図１３（ｂ）の構成より優れている。その結果、造形再開箇所ｒｐの温度が熱飽和温度に到達するまでの時間は、図１３（ａ）の構成の方が図１３（ｂ）の構成より長くなる。このように、造形再開箇所ｒｐの温度が熱飽和温度に到達するまでの時間は、造形再開箇所ｒｐとベースプレートｂｐとの距離、造形物ｓｃの熱容量等に依存して変化する。
【００７７】
温度測定部９は、造形再開箇所ｒｐ、又は、造形物ｓｃの温度を測定し、温度データｔｄとして出力する。制御部１は、温度データｔｄに基づいて熱源供給部指令ｌｃを決定して熱源供給部２を制御し、造形再開箇所ｒｐの温度を熱飽和温度に近づくように制御する。このとき、発火、液滴化を防止しながら造形再開箇所ｒｐが熱飽和温度になるまで熱源の出力制御を行うことが望ましい。制御部１は、熱源供給部指令ｌｃに加えて、ガス供給指令ｇｃを温度データｔｄに基づいて決定し、加工位置ｐの温度を熱飽和温度に近づけるように制御してもよい。また、制御部１は、駆動指令ｄｃを、加工位置ｐの温度と熱飽和温度との差が一定の範囲に入っていない場合は、加工位置ｐを移動させないように決定してもよい。また、造形再開する層の経路全体で熱飽和温度との差が一定の範囲に入るまで、熱源供給部指令ｌｃを逐次変化させて熱源ｈｓを加工経路に供給しつつ、造形を再開する層の経路全体を繰り返しなぞって加熱してもよい。熱飽和温度を、造形材料ｐｍの融点より低い温度に設定してもよい。また、加工条件ｐｃに応じて、ユーザが、制御部１又は加工プログラム生成装置２００に対して、熱飽和温度を入力できる構成としてもよい。
【００７８】
付加製造では、付加加工を行った後に、研削、研磨等の仕上げ加工を行うことが多く、目標形状と得られた形状との誤差が大きい場合、後工程の負担が増すため、誤差は小さい方が望ましい。また、積層造形時は、積層造形の開始から完了まで中断なく造形することが望ましいが、積層造形する量、造形材料ｐｍ、加工経路等によっては、長時間の入熱、長時間の造形作業が困難で積層造形の開始から完了までの間に中断が発生する場合がある。このような場合、積層造形の再開時には、中断前に比べて、表面が冷却され、表面の酸化が進んでいる。また中断前に対して、入熱と放熱のバランスが変化しており、加工の安定化に時間がかかる。以上のような理由により、積層造形の中断した箇所の造形精度が悪化する場合がある。
【００７９】
以上説明したように、本実施の形態の積層造形方法は、積層造形が中断された場合に、造形材料加熱工程によって造形材料ｐｍを予め定めた温度まで加熱した後に積層造形を再開する。また、本実施の形態の積層造形方法は、積層造形が中断された場合に、積層造形の中断の前に形成された加工対象оｐを予め定めた温度まで加熱した後に積層造形の再開を実行する。また、本実施の形態の積層造形方法は、造形物ｓｃが複数の層で構成され積層造形が層ごとに造形経路ｔｃに沿って実行される場合に、積層造形の再開の後最初に積層造形が実行される造形経路ｔｃを、予め定めた温度まで加熱した後に再開を実行する。また、本実施の形態の積層造形方法は、積層造形が中断された際に熱源ｈｓを加工位置ｐに供給する射出口となる熱源供給口１４を含む加工ヘッド６を加工対象物оｐから退避させる退避工程と、再開を実行する前に、退避させた前記加工ヘッド６を加工対象物оｐへと戻す復帰工程とを備える。
【００８０】
本実施の形態によれば、積層造形の中断が発生し、さらに、積層造形を再開させる際に、積層造形に先立って造形物ｓｃの加熱を実行する。そのため、造形再開箇所ｒｐ、又は、再開層での造形経路ｔｃの温度を積層造形の中断時に近づけ、精度の高い積層造形を実行することができる。また、上記の加熱の際に、温度データｔｄに基づいて温度を制御する。そのため、熱飽和温度に加工位置ｐの温度を近づけるよう制御をすることができる。また、発煙、発火、液滴化等を抑制することができる。これにより、積層造形に中断が発生した場合に、精度の高い積層造形を実行することができる。以上説明したように、本実施の形態によれば積層造形の精度を向上することができる。また、退避工程により、加工ヘッド６と加工対象物оｐとの衝突を避けることができる。
【００８１】
実施の形態４．
本実施の形態では、ジュール発熱を利用して造形材料ｐｍを加熱する。図１４は、本実施の形態による積層造形システムの構成の一例を示す図である。本実施の形態の説明において、実施の形態１の構成要素、信号等と同じ又は対応する構成要素、信号等については、同一の符号を付す。
【００８２】
本実施の形態の積層造形装置１００ｂは、実施の形態１の積層造形装置１００の構成要素に加え、電源５５及びコンタクトチップ５６を備える。また、実施の形態１の制御部１に代えて制御部１ｂを備える。電源５５は、コンタクトチップ５６及びベース材ｂｍに配線によって電気的に接続されている。また、電源５５は、コンタクトチップ５６及びベース材ｂｍに電圧を印加し、コンタクトチップ５６から造形材料ｐｍへ、造形材料ｐｍから造形物ｓｃへ、造形物ｓｃからベース材ｂｍへと順次電気的に接続されている。上記の経路を流れる電流により、ジュール発熱によって造形材料ｐｍの温度が上がる。この現象を造形材料ｐｍの加熱に用いる。
【００８３】
また、電源５５は、制御部１ｂと通信することが可能である。図１５は、本実施の形態の制御部の構成の一例を示すブロック図である。例えば、電源５５と制御部１ｂとの間を信号線で接続してもよい。制御部１ｂは、温度データｔｄに基づいて補正後加工プログラムｐｐｒを決定する。本実施の形態の基本加工プログラムｂｐｒ及び補正後加工プログラムｐｐｒには、電源５５が発生する電流についての指令である電流指令ｃｃが含まれている。制御部１ｂの制御部１との違いは、電流指令ｃｃを決定する点である。また、制御器５２ｂと制御器５２との違いは、制御器５２ｂが差分ｄに基づいて電流指令ｃｃを決定する点である。電流指令ｃｃの決定方法は、他の指令と同様としてもよい。電源５５は、電流指令ｃｃに基づいて造形材料ｐｍに電流を流す。
【００８４】
例えば、制御部１ｂは、基本加工プログラムｂｐｒの加工条件ｐｃに含まれる造形材料ｐｍの融点、沸点等と温度データｔｄとの差分ｄから、電源５５の電流の大きさ、電流の波形などを指示する電流指令ｃｃを算出し、電流指令ｃｃを電源５５に送ってもよい。これにより、積層造形の際に、造形物ｓｃへの熱影響を抑えることができる。また、熱源ｈｓの出力による造形物ｓｃの加熱と独立に、造形材料ｐｍを加熱し、温度制御することが可能となる。これにより、造形の精度を向上させることができる。
【００８５】
造形材料ｐｍは、電流を流すことが可能で、ジュール発熱を制御できる形状、材料を有することが望ましい。例えば、形状については、粉末状の材料よりはワイヤ状が望ましい。そして、ワイヤ状の造形材料ｐｍを用いた場合、造形材料ｐｍは、細線であるため、造形物ｓｃ、ベース材ｂｍなどに比べて抵抗値が大きい。そのため、電源５５の通電による造形物ｓｃ、ベース材ｂｍ上でのジュール熱による発熱は、造形材料ｐｍの発熱に比べて小さなものとなる。これにより、加工位置ｐに供給する前に造形材料ｐｍの加工位置ｐに近い先端部分のみを目標とする温度まで加熱することができる。そして、積層造形時の熱源ｈｓによる加熱を、より小さいものとすることができる。
【００８６】
そして、造形材料ｐｍの温度を制御することによって加工位置ｐの温度を所定の温度範囲に保ち、加工位置ｐ以外の部分の温度変化を抑えつつ積層造形を行うことが可能となる。そして、造形物ｓｃ、ベース材ｂｍなどへ中での熱影響が及ぶ範囲を小さくすることができる。これにより、造形物ｓｃ、ベース材ｂｍ等の熱膨張、収縮等による造形物ｓｃ、ベース材ｂｍなどの反り、曲がり等を抑制できる。そして、造形物ｓｃ、ベース材ｂｍなどの温度の上下による疲労の発生、熱変形等を抑制して、造形物ｓｃを製造することができる。
【００８７】
なお、本実施の形態の構成に、実施の形態２に説明した図１０の光検出部１７を設け、実施の形態２と同様に、発火、爆発、発煙等の発生に応じて、補正後加工プログラムｐｐｒを変化させてもよい。また、本実施の形態と組み合わせて、実施の形態３に説明した加工中断時の制御部１の処理を追加で行ってもよい。例えば、積層造形の開始から終了までの間に積層造形が中断された場合に、加工位置ｐに造形材料ｐｍを供給しない状態で造形材料ｐｍを実施の形態３に説明したようにジュール発熱によって加熱する。そして、造形材料ｐｍを予め定めた温度まで加熱した後に造形材料ｐｍを加工位置ｐに供給する。そして、熱源ｈｓを加工位置ｐに供給して積層造形を再開してもよい。このように、加工中断時に、ジュール発熱による造形材料ｐｍの加熱を行ってもよい。
【００８８】
以上説明したように、本実施の形態の積層造形方法は、ワイヤ状の造形材料ｐｍを使用し、造形材料ｐｍをジュール発熱により加熱する造形材料加熱工程を備える。また、本実施の形態の積層造形方法は、積層造形が中断された場合に、造形材料加熱工程によって造形材料ｐｍを予め定めた温度まで加熱した後に積層造形を再開する。
【００８９】
以上説明したように、本実施の形態によれば積層造形の精度を向上することができる。
【００９０】
実施の形態５．
図１６は、本実施の形態の積層造形システムの構成の一例を示す図である。本実施の形態の説明において、実施の形態１の構成要素、信号等と同じ又は対応する構成要素、信号等については、同一の符号を付す。積層造形システム１０００ｃは、実施の形態１の積層造形システム１０００の制御部１に代えて制御部１ｃを備える。図１７は、制御部１ｃの構成の一例を示すブロック図である。
【００９１】
制御部１ｃは、機械学習装置５００及び意思決定部５３０を備える。機械学習装置５００は、状態量観測部５１０及び学習部５２０を備える。状態量観測部５１０は、少なくとも基本加工プログラムｂｐｒ及び温度データｔｄを含む量であって積層造形の状態に関する量である状態量ｓｔを取得する。
【００９２】
状態量ｓｔの例としては、基本指令ｂｃｖ、補正後指令ｃｃｖ、温度データｔｄ、実施の形態２に説明した光検出結果ｌｒ、実施の形態３に説明した積層造形の中断後の再開時の造形再開箇所ｒｐ、実施の形態４に説明した電流指令ｃｃ、積層造形の中断後の再開時の造形物ｓｃの形状、加工経路、断面形状、加工中の検出結果等を挙げることができる。加工中の検出結果の例としては、温度データｔｄ、光検出結果ｌｒ、加工位置ｐの高さを測定する高さセンサの検出結果等を挙げることができる。また、造形材料ｐｍの材質、ベース材ｂｍの材質、造形形状、レーザ出力、照射時間、冷却時間、加工経路、集塵力、加熱時間等を、加工条件ｐｃに含まれる状態量の例として挙げることができる。
【００９３】
学習部５２０は、状態量観測部５１０が取得した状態量ｓｔに基づいて作成される訓練データセットに従って、積層造形の造形物を形成する補正後指令ｃｃｖを学習する。ここで、学習部５２０は、訓練データセットに従って、基本加工プログラムｂｐｒ及び温度データｔｄから積層造形の造形物を形成する補正後指令ｃｃｖを決定するための学習を実行する構成としてもよい。なお、学習部５２０は、補正後加工プログラムｐｐｒを決定するための学習を実行してもよい。このような場合、補正後指令ｃｃｖは補正後加工プログラムｐｐｒに含まれるため、補正後指令ｃｃｖを決定するための学習を実行していることになる。
【００９４】
学習部５２０が使用する学習アルゴリズムは、どのようなものを用いてもよい。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行動主体であるエージェントが、現在の状態を観測し、取るべき行動を決定する、という手法である。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）やＴＤ学習（TD-Learning）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（行動価値テーブル）は以下の数式（１）で表される。
【００９５】
【数１】
0006989059.tif 000002
【００９６】
数式（１）において、tは時刻ｔにおける環境を表し、ａtは時刻ｔにおける行動を表す。行動ａtにより、環境はｓt+1に変化する。ｒt+1はその環境の変化によってもらえる報酬を表し、γは割引率を表し、αは学習係数を表す。Ｑ学習を適用した場合、加工条件ｐｃと加工経路が行動ａtとなる。なお、γは０＜γ≦１の範囲の値をとり、αは０＜α≦１の範囲の値をとるとしてもよい。
【００９７】
数式（１）で表される更新式は、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の行動価値関数Ｑの値よりも大きければ、行動価値関数Ｑの値を大きくし、逆の場合は、行動価値関数Ｑの値を小さくする。換言すれば、時刻ｔにおける行動ａの行動価値関数Ｑの値を、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、或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していくようになる。
【００９８】
報酬計算部５２１は、状態量ｓｔに基づいて報酬ｒを計算する。例えば、報酬計算部５２１は、各層での、目標の造形形状と実際の造形形状との高さの差である誤差が小さい場合には報酬ｒを増大させ、誤差が大きい場合は報酬ｒを減らしてもよい。報酬計算部５２１は、例えば、大きい報酬を与える場合、１の報酬を与え、小さい報酬を与える場合、−１の報酬を与えるとしてもよい。関数更新部５２２は、報酬計算部５２１によって計算される報酬ｒに従って、行動価値関数Ｑを更新する。意思決定部５３０は、行動価値関数Ｑを用いて補正後指令ｃｃｖを決定する。例えばＱ学習の場合、数式（１）で表される行動価値関数Ｑ（ｓt，ａt）を、加工経路を決定するための関数として用いてもよい。
【００９９】
図１８は、本実施の形態の積層造形システムの動作の一例を示すフローチャートである。図１８に示す動作は、積層造形装置１００ｂが加工対象物оｐに対する積層造形処理を行う際に、所定の制御周期毎に実行されるとしてもよい。意思決定部５３０は、機械学習装置５００が決定した行動価値関数Qを用いて積層造形装置１００ｃの補正後指令ｃｃｖを決定する。
【０１００】
積層造形装置１００ｃは、決定された補正後指令ｃｃｖに従い、積層造形処理を行う。そして、ステップｓ１０１において、状態量観測部５１０は、状態量ｓｔを取得する。状態量ｓｔは、一例として、高さセンサによる、各層での造形箇所のビード高さの測定値であってもよい。ステップｓ１０２において、報酬計算部５２１は、状態量ｓｔに基づいて報酬ｒを算出する。
【０１０１】
例えば、報酬計算部５２１は、各層で検出した造形物ｓｃの高さと目標形状の高さとの誤差を算出し、誤差が閾値以下か閾値を超えるかを判断し、誤差が閾値以下である場合、報酬計算部５２１は大きい報酬を与える。一方、誤差が閾値を超える場合、報酬計算部５２１は小さい報酬を与える。このように報酬を算出することにより、積層造形を実行するための学習が実行され、積層造形の精度を向上することができる。
【０１０２】
ステップｓ１０３において、関数更新部５２２は、報酬ｒに基づいて、行動価値関数の更新を行う。ステップｓ１０４において、意思決定部５３０は、更新された行動価値関数に基づいて補正後指令ｃｃｖを決定する。ここで、意思決定部５３０は、補正後加工プログラムｐｐｒを決定してもよい。
【０１０３】
なお、状態量観測部５１０は、状態量ｓｔとして実施の形態２に説明した光検出結果ｌｒを取得する。そして、液滴化、発火、発煙等の発生数が多い場合に、報酬計算部５２１が与える報酬ｒを減少させ、液滴化、発火、発煙等の発生数が少ない場合に、報酬計算部５２１は、与える報酬ｒを増加させてもよい。これにより、液滴化、発火、発煙等の発生数が少ない補正後指令ｃｃｖを決定するための学習を実行できる。そして、造形精度の高い積層造形を実行できる。また、実施の形態３に説明した積層造形が中断される場合に、積層造形の再開時の精度が高い場合に大きな報酬を与え、積層造形の再開時の精度が低い場合に小さい報酬を与えてもよい。学習部５２０は、積層造形の再開時に精度の高い積層造形を実行するための補正後指令ｃｃｖを決定するための学習を実行してもよい。また、実施の形態４に説明した電流指令ｃｃを状態量に含めるとともに、電流指令ｃｃを含む補正後指令ｃｃｖを決定するための学習を実行してもよい。
【０１０４】
なお、上記では、強化学習を用いた例について説明したが、機械学習装置５００は、他の公知の方法、例えば、ニューラルネットワーク、遺伝的プログラミング、機能理論プログラミング、サポートベクターマシンなどに従って機械学習を実行してもよい。
【０１０５】
また、制御部１ｃのうちの一部又は全部は、積層造形装置１００ｃのうちの制御部１ｃ以外の部分と、例えば、ネットワークを介して接続されていてもよい。さらに、制御部１ｃのうちの一部又は全部は、クラウドサーバ上に存在していてもよい。
【０１０６】
また、機械学習装置５００による学習を実行済みの学習済み学習機を、学習を実行した積層造形装置とは別の積層造形装置に適用してもよい。例えば、積層造形装置１００ｃとは異なる積層造形装置に、少なくとも基本加工プログラムｂｐｒ及び温度データｔｄを含み積層造形の状態に関する量である状態量ｓｔを観測する状態量取得部３１０を、上記の別の積層造形装置は備えてもよい。そして、状態量ｓｔに基づいて基本加工プログラムｂｐｒ及び温度データｔｄから、積層造形の造形物を形成するための補正後指令ｃｃｖを決定するための学習を実行した学習済み学習機を、上記の別の積層造形装置は備えてもよい。
【０１０７】
学習済み学習機は、例えば、更新を実行した更新済みの行動価値関数Ｑを有する意思決定部５３０としてもよい。学習済み学習機を用いることにより、学習済み学習機が搭載された積層造形装置において新たな学習を行うことなく、積層造形の造形物を形成するための補正後指令ｃｃｖを決定し、精度の高い積層造形加工を実行することができる。また、図１７の制御部１ｃから、意思決定部５３０を省いた機械学習装置を構成してもよい。このような機械学習装置によって、外部から状態量ｓｔを繰り返し取得して学習を繰り返し実行し、学習した結果を搭載した学習済み学習機を構成してもよい。
【０１０８】
また、図１６では、制御部１ｃは、１台の積層造形装置を構成しているが、機械学習装置５００が、複数の積層造形装置の機械装置部分に接続されていてもよい。ここで、機械学習装置を除いた部分、例えば、積層造形装置１００ｃから機械学習装置５００を除いた部分等を、機械装置部分と称している。そして、機械学習装置５００に接続される複数の積層造形装置の機械装置部分から状態量ｓｔを取得してもよい。上記の機械装置部分は、同一の現場で使用される複数の装置であってもよいし、異なる現場で独立して稼働する装置であってもよい。
【０１０９】
さらに、機械学習装置５００がデータセットを収集する機械装置部分は、データセットを収集する途中で対象に追加してもよく、途中で対象から除去してもよい。さらに、ある機械装置部分に関して学習を実行した機械学習装置を、異なる機械装置部分に取り付けて、再学習して学習結果を更新してもよい。
【０１１０】
以上説明したように、本実施の形態の積層造形装置１００ｃは、少なくとも基本指令ｂｃｖ、加工条件ｐｃ及び温度データｔｄを含む積層造形に関する量を状態量ｓｔとして観測する状態量観測部５１０と、状態量ｓｔに基づいて、基本指令ｂｃｖ、加工条件ｐｃ及び温度データｔｄから積層造形を実行する補正後指令ｃｃｖを学習する学習部５２０とを備える。また、本実施の形態の積層造形装置は、少なくとも基本指令ｂｃｖ、加工条件ｐｃ及び温度データｔｄを含む積層造形に関する量を状態量ｓｔとして観測する状態量観測部５１０と、状態量ｓｔに基づいて、基本指令ｂｃｖ、加工条件ｐｃ及び温度データｔｄから積層造形を実行する補正後指令ｃｃｖを学習した学習済学習器を備える。
【０１１１】
本実施の形態によれば、学習を実行した結果を利用して補正後指令ｃｃｖを決定することができる。本実施の形態によれば積層造形の精度を向上することができる。
以上説明したように、本実施の形態によれば積層造形の精度を向上することができる。
【符号の説明】
【０１１２】
１  制御部、２  熱源供給部、３  熱源経路、４  ガス供給部、５  配管、６  加工ヘッド、７  駆動部、８  造形材料供給部、９  温度測定部、１０  ステージ、１２  集塵器、１３  ガスノズル、１４  熱源供給口、１６ａ  回転部材、１７  光検出部、４１  ＣＰＵ、４２  ＲＡＭ、４３  ＲＯＭ、４４  外部記憶装置、４５  入出力インタフェース、４６  バス、４７  処理回路、５２、５２ａ  制御器、５３  差分器、５４  出力部、５５  電源、５６  コンタクトチップ、７１  加工ヘッド駆動部、７２  ステージ回転機構、８０  ワイヤノズル、の８１  ワイヤスプール、８２  スプール駆動装置、１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ  積層造形装置、２００  加工プログラム生成装置、２０１  データ入力部、２０２  データ記憶部、２０３  加工経路生成部、２０４  加工プログラム生成部、３００  ＣＡＤデータ、４００  積層条件データ、５００  機械学習装置、５１０  状態量観測部、５２０  学習部、５２１  報酬計算部、５２２  関数更新部、５３０  意思決定部、１０００、１０００ａ、１０００ｂ、１０００ｃ  積層造形システム、ｂｍ  ベース材、ｂｃｖ  基本指令、ｂｐｒ  基本加工プログラム、ｃｃｖ  補正後指令、ｐｐｒ  補正後加工プログラム、ｄｃ  駆動指令、ｇ  シールドガス、ｇｃ  ガス供給指令、ｈｓ  熱源、ｌｒ  光検出結果、ｍｄ  材料供給指令、ｌｃ  熱源供給部指令、оｐ  加工対象物、ｐ  加工位置、ｐｃ  加工条件、ｐｍ  造形材料、ｓｃ  造形物、ｓｔ  状態量、ｔｄ  温度データ、ｔｓ  対象面。
【要約】
本発明の積層造形方法は、精度の高い積層造形を実行するために、加工対象物（ｓｃ）又は造形材料（ｐｍ）の温度を測定して温度データ（ｔｄ）として出力する温度測定工程と、基本指令（ｂｃｖ）及び加工条件（ｐｃ）を含む基本加工プログラム（ｂｐｒ）と温度データとに基づいて基本指令を補正し、材料供給指令（ｍｄ）、熱源供給部指令（ｈｃ）、駆動指令（ｄｃ）及びガス供給指令（ｇｃ）を含む補正後指令（ｃｃｖ）を決定する制御工程と、材料供給指令に基づいて造形物の対象面の加工位置に造形材料を供給する造形材料供給工程と、熱源供給部指令に基づいて加工位置に供給された造形材料を溶融させる熱源（ｈｓ）を加工位置に供給する熱源供給工程と、駆動指令に基づいて加工位置と造形物との相対位置を変化させる駆動工程と、ガス供給指令に基づいて加工位置に造形材料の反応を抑制するシールドガス（ｇ）を加工位置に供給するガス供給工程とを備える。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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