(57)【要約】三次元積層造形装置は、ベースプレート上に粉末を敷設して形成されたパウダーベッドにビームを照射することで、パウダーベッドを選択的に固化する。パウダーベッドの表面又は造形面の形状又は温度がセンサによって検知され、その検出結果に基づいて、粉末の敷設の不具合、または、ビームの照射の不具合を次層の造形完了前に修正するように構成される。
2019030839.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースプレートと、
前記ベースプレート上に粉末を敷設してパウダーベッドを形成するための粉末敷設ユニットと、
前記パウダーベッドを選択的に固化するように前記パウダーベッドにビームを照射するためのビーム照射ユニットと、
前記パウダーベッド上の凹凸、前記パウダーベッドへの前記ビームの照射により形成される造形面上の凹凸又は温度、又は、前記ビームの照射中の前記パウダーベッドの温度を計測するための少なくとも一つのセンサと、
を備え、
前記少なくとも一つのセンサの検出結果に基づいて、既に実施された前記粉末敷設ユニットによる前記粉末の敷設の不具合、又は、既に実施された前記ビーム照射ユニットによる前記ビームの照射の不具合を次層の造形完了前に修正するように構成される、三次元積層造形装置。
【請求項２】
前記少なくとも一つのセンサは、前記パウダーベッド上の凹凸を検出するための第１形状測定センサを含み、
前記粉末敷設ユニットは、前記第１形状測定センサにより検出された前記凹凸の大きさが許容範囲外であるとき、前記パウダーベッドへの前記ビームの照射前に、前記パウダーベッドの前記凹凸が小さくなるよう前記粉末を再敷設するように構成される、請求項１に記載の三次元積層造形装置。
【請求項３】
前記粉末敷設ユニットによる前記粉末の再敷設後において前記第１形状測定センサにより検出された前記凹凸の大きさが前記許容範囲外であるとき、前記粉末敷設ユニットの部品交換を促す警告を発する部品交換警告部を更に備える、請求項２に記載の三次元積層造形装置。
【請求項４】
前記少なくとも一つのセンサは、前記造形面上の凹凸を検出するための第２形状測定センサを含み、
前記第２形状測定センサにより検出された凹部に対して選択的に前記粉末を供給するための粉末供給ユニットを更に備え、
前記ビーム照射ユニットは、前記粉末供給ユニットにより前記凹部に供給された前記粉末に対して前記ビームを照射するように構成される、請求項１から３のいずれか一項に記載の三次元積層造形装置。
【請求項５】
前記少なくとも一つのセンサは、前記造形面上の凹凸を検出するための第２形状測定センサを含み、
前記ビーム照射ユニットは、前記第２形状測定センサにより検出された凸部に対して前記ビームを照射するように構成される、請求項１から４のいずれか一項に記載の三次元積層造形装置。
【請求項６】
前記少なくとも一つのセンサは、前記造形面上の凹凸を検出するための第２形状測定センサを含み、
前記第２形状測定センサにより検出された凸部を除去するための凸部除去ユニットを更に備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の三次元積層造形装置。
【請求項７】
前記凸部除去ユニットは、前記凸部を除去するためのカッタ又はエアブロートーチを含む、請求項６に記載の三次元積層造形装置。
【請求項８】
少なくとも前記ビーム照射ユニットおよび前記凸部除去ユニットを制御するためのコントローラを更に備え、
前記コントローラは、
前記第２形状測定センサにより検出された前記凸部の形状に基づいて、前記凸部が前記ビームの照射時に発生したスパッタであるか否かを判断し、
前記凸部が前記スパッタである場合、該スパッタを除去するように前記凸部除去ユニットを制御し、
前記凸部がスパッタ以外である場合、前記凸部に対して前記ビームを照射するよう前記ビーム照射ユニットを制御するように構成される、請求項６又は７に記載の三次元積層造形装置。
【請求項９】
前記凸部の投影面積が３００μｍ×３００μｍ以下である場合に、前記凸部が前記スパッタであると判断する、請求項８に記載の三次元積層造形装置。
【請求項１０】
ベースプレート上に粉末を敷設して形成されるパウダーベッドにビームを照射することにより、前記パウダーベッドを選択的に固化して造形を行う三次元積層造形方法であって、
前記パウダーベッド上の凹凸、前記パウダーベッドへの前記ビームの照射により形成される造形面上の凹凸又は温度、又は、前記ビームの照射中の前記パウダーベッドの温度を計測する計測工程と、
前記計測工程における計測結果に基づいて、既に形成された前記パウダーベッドにおける前記粉末の敷設の不具合、又は、既に実施された前記ビームの照射の不具合を次層の造形完了前に修正する修正工程と、
を備える、三次元積層造形方法。
【請求項１１】
前記計測工程では、前記パウダーベッドの表面の凹凸を計測し、
前記修正工程では、前記計測工程で計測された前記凹凸の大きさが許容範囲外であるとき、前記パウダーベッドへの前記ビームの照射前に、前記パウダーベッドの前記凹凸が小さくなるよう前記粉末を再敷設する、請求項１０に記載の三次元積層造形方法。
【請求項１２】
前記計測工程では、前記造形面上の凹凸を計測し、
前記修正工程では、前記計測工程で計測された凹部に対して選択的に前記粉末を供給し、前記凹部に供給された前記粉末に対して前記ビームを照射する、請求項１０又は１１に記載の三次元積層造形方法。
【請求項１３】
前記計測工程では、前記造形面上の凹凸を計測し、
前記修正工程では、前記計測工程で計測された凸部に対して前記ビームを照射する、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の三次元積層造形方法。
【請求項１４】
前記計測工程では、前記造形面上の凹凸を計測し、
前記修正工程では、前記計測工程で計測された凸部を除去する、請求項１０から１３のいずれか一項に記載の三次元積層造形方法。
【請求項１５】
前記修正工程では、カッタ又はエアブロートーチを用いて前記凸部を除去する、請求項１４に記載の三次元積層造形方法。
【請求項１６】
前記修正工程では、前記計測工程で計測された前記凸部の形状に基づいて、前記凸部が前記ビームの照射時に発生したスパッタであるか否かを判断し、
前記凸部が前記スパッタである場合、該スパッタを除去し、
前記凸部がスパッタ以外である場合、前記凸部に対して前記ビームを照射する、請求項１４又は１５に記載の三次元積層造形方法。
【請求項１７】
層状に敷設された粉末にビームを照射して積層造形を行うことにより製造される三次元積層造形物であって、
ベースプレート上に前記粉末を敷設してパウダーベッドを形成し、
前記パウダーベッドに前記ビームを照射することにより、前記パウダーベッドを選択的に固化し、
前記パウダーベッド上の凹凸、前記パウダーベッドへの前記ビームの照射により形成される造形面上の凹凸又は温度、又は、前記ビームの照射中の前記パウダーベッドの温度を計測し、
その計測結果に基づいて、既に形成された前記パウダーベッドにおける前記粉末の敷設の不具合、又は、既に実施された前記ビームの照射の不具合を次層の造形完了前に修正することで製造される、三次元積層造形物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、敷設された粉末に光ビームや電子ビーム等のビームを照射して積層造形を行うことにより三次元形状物を製造する三次元積層造形装置、当該装置により実施される三次元積層造形方法、及び、当該三次元積層造形方法によって製造可能な三次元積層造形物に関する。
【背景技術】
【０００２】
層状に敷設された粉末に光ビームや電子ビーム等のビームを照射して積層造形を行うことにより三次元形状物を製造するための三次元積層造形技術が知られている。特許文献１には、この種の技術の一例が開示されており、粉末で形成された粉末層に光ビームを照射して焼結層を形成し、それを繰り返すことで、複数の焼結層が一体として積層されることで三次元形状物が製造されることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１９００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１のような三次元積層造形方法では、層状の焼結層を繰り返し積層することにより、大きな三次元形状物を形成するため、その完成までには、長い作業時間を要する。特に鉄、銅、アルミニウム又はチタン等の金属粉末を用いる場合、その作業時間は数十時間にも及ぶのが実情である。【０００５】
また、この種の三次元積層造形方法では、従来、造形作業が進行している最中に造形欠陥を検査する技術がないため、一連の造形作業が完了した後に不良品検査を実施することによって品質評価を行っている。そのため、造形作業後の検査で造形欠陥等の異常が発見された場合、その三次元形状物は不良品として廃棄処分せざるを得ず、それまでにかかった長い作業時間が無駄となってしまう。これは、三次元積層造形法における生産性を向上する妨げとなっている。【０００６】
本発明の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、造形作業中に発生する各種異常を早期に検知し、リアルタイムに修正作業を実施することで造形失敗を回避し、良好な生産効率を実現可能な三次元積層造形装置、当該装置により実施される三次元積層造形方法、及び、当該三次元積層造形方法によって製造可能な三次元積層造形物を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形装置は上記課題を解決するために、ベースプレートと、前記ベースプレート上に粉末を敷設してパウダーベッドを形成するための粉末敷設ユニットと、前記パウダーベッドを選択的に固化するように前記パウダーベッドにビームを照射するためのビーム照射ユニットと、前記パウダーベッド上の凹凸、前記パウダーベッドへの前記ビームの照射により形成される造形面上の凹凸又は温度、又は、前記ビームの照射中の前記パウダーベッドの温度を計測するための少なくとも一つのセンサと、を備え、前記少なくとも一つのセンサの検出結果に基づいて、既に実施された前記粉末敷設ユニットによる前記粉末の敷設の不具合、又は、既に実施された前記ビーム照射ユニットによる前記ビームの照射の不具合を次層の造形完了前に修正するように構成される。【０００８】
上記（１）の構成によれば、ｉ）パウダーベッド上の凹凸、ｉｉ）パウダーベッドへのビームの照射により形成される造形面上の凹凸又は温度、又は、ｉｉｉ）ビームの照射中のパウダーベッドの温度が、センサを用いた測定によって監視される。その結果、センサによって異常又はその兆候となる測定結果が得られた場合、既に実施された粉末敷設ユニットによる粉末の敷設の不具合、又は、既に実施されたビーム照射ユニットによるビームの照射の不具合を次層の造形完了前に修正する。これにより、造形作業中に発生する各種異常を早期に検知し、リアルタイムに修正作業を実施することで造形失敗を回避できる。【０００９】
（２）幾つかの実施形態では上記（１）の構成において、前記少なくとも一つのセンサは、前記パウダーベッド上の凹凸を検出するための第１形状測定センサを含み、前記粉末敷設ユニットは、前記第１形状測定センサにより検出された前記凹凸の大きさが許容範囲外であるとき、前記パウダーベッドへの前記ビームの照射前に、前記パウダーベッドの前記凹凸が小さくなるよう前記粉末を再敷設するように構成される。【００１０】
上記（２）の構成によれば、第１形状測定センサによって、異常又はその兆候となるパウダーベッド上の凹凸が監視される。そして、第１形状測定センサによって許容範囲外の大きさを有する凹凸が検出された場合、パウダーベッドへのビームの照射前に、凹凸が小さくなるよう粉末を再敷設する。これにより、造形作業が進むに従って凹凸が致命的な異常となることを早い段階で防止できる。【００１１】
（３）幾つかの実施形態では上記（２）の構成において、前記粉末敷設ユニットによる前記粉末の再敷設後において前記第１形状測定センサにより検出された前記凹凸の大きさが前記許容範囲外であるとき、前記粉末敷設ユニットの部品交換を促す警告を発する部品交換警告部を更に備える。【００１２】
上記（３）の構成によれば、粉末の再敷設によってもパウダーベッド上の凹凸が改善しない場合、粉末敷設ユニットの機械的な不具合の可能性が考えられるため、部品交換を促す警告が行われる。これにより、制御上で解消不能な不具合を抱えたまま造形作業に無駄に時間を費やす事態を回避することができる。【００１３】
（４）幾つかの実施形態では上記（１）から（３）のいずれか一構成において、前記少なくとも一つのセンサは、前記造形面上の凹凸を検出するための第２形状測定センサを含み、前記第２形状測定センサにより検出された凹部に対して選択的に前記粉末を供給するための粉末供給ユニットを更に備え、前記ビーム照射ユニットは、前記粉末供給ユニットにより前記凹部に供給された前記粉末に対して前記ビームを照射するように構成される。【００１４】
上記（４）の構成によれば、第２形状測定センサによって、異常又はその兆候を示す造形面上の凹凸が監視される。その結果、造形面に凹部が検出された場合、凹部に対して粉末供給ユニットによって選択的（局所的）に粉末を供給することによって凹部を埋め、当該供給された粉末に対してビームを照射して固化する。このように造形作業中にリアルタイムで凹部を解消することで、造形作業が進むに従って凹部が致命的な異常になることを早い段階で防止できる。【００１５】
（５）幾つかの実施形態では上記（１）から（４）のいずれか一構成において、前記少なくとも一つのセンサは、前記造形面上の凹凸を検出するための第２形状測定センサを含み、前記ビーム照射ユニットは、前記第２形状測定センサにより検出された凸部に対して前記ビームを照射するように構成される。【００１６】
上記（５）の構成によれば、第２形状測定センサによって、異常又はその兆候を示す造形面上の凹凸が監視される。その結果、造形面上に凸部が検出された場合、凸部に対してビームを照射して溶融することで凸部を消滅させる。このように造形作業中にリアルタイムで凸部を解消することで、造形作業が進むに従って凸部が致命的な異常になることを早い段階で防止できる。【００１７】
（６）幾つかの実施形態では上記（１）から（５）のいずれか一構成において、前記少なくとも一つのセンサは、前記造形面上の凹凸を検出するための第２形状測定センサを含み、前記第２形状測定センサにより検出された凸部を除去するための凸部除去ユニットを更に備える。【００１８】
上記（６）の構成によれば、第２形状測定センサによって、異常又はその兆候を示す造形面上の凹凸が監視される。その結果、造形面上に凸部が検出された場合、凸部は凸部除去ユニットによって機械的に除去される。このように凸部を機械的に除去することで、凸部を溶融によって除去する場合のように凸部が三次元形状物の本体に溶け込むことにより、凸部の構成成分が本体の品質に悪影響を及ぼすことを回避できる。【００１９】
（７）幾つかの実施形態では上記（６）の構成において、前記凸部除去ユニットは、前記凸部を除去するためのカッタ又はエアブロートーチを含む。【００２０】
上記（７）の構成によれば、造形面上の凸部の機械的除去は、カッタ又はエアブロートーチによって行われてもよい。【００２１】
（８）幾つかの実施形態では上記（６）又は（７）の構成において、少なくとも前記ビーム照射ユニット及び前記凸部除去ユニットを制御するためのコントローラを更に備え、前記コントローラは、前記第２形状測定センサにより検出された前記凸部の形状に基づいて、前記凸部が前記ビームの照射時に発生したスパッタであるか否かを判断し、前記凸部が前記スパッタである場合、該スパッタを除去するように前記凸部除去ユニットを制御し、前記凸部がスパッタ以外である場合、前記凸部に対して前記ビームを照射するよう前記ビーム照射ユニットを制御するように構成される。【００２２】
上記（８）の構成によれば、造形面上の凸部がスパッタであるか否かが判断され、その判断結果に基づいて、２つの除去手法が使い分けられる。スパッタは粉末がビームによって溶融された際に酸化物を比較的高い割合で含んで形成される。そのため、凸部がスパッタであると判断された場合、凸部除去ユニットによって機械的に除去することで、凸部が三次元形状物の本体に溶け込むことを回避しつつ確実に分離できる。一方、凸部がスパッタ以外である場合には、このような懸念がないため、凸部に対してビームを照射することで迅速に凸部を除去できる。【００２３】
（９）幾つかの実施形態では上記（８）の構成において、前記凸部の投影面積が３００μｍ×３００μｍ以下である場合に、前記凸部が前記スパッタであると判断する。【００２４】
上記（９）の構成によれば、凸部の投影面積が典型的なスパッタの粒径に対応する３００μｍ×３００μｍ以下である場合に、造形面上の凸部がスパッタであると判断する。スパッタの発生形態は様々であるが、例えば、パウダーベッドにビームが照射されて形成される溶融池から飛散して凝固する発生形態のスパッタの場合、想定されるスパッタ粒径は比較的大きく、１５０μｍ〜３００μｍ程度である。そのため、凸部の投影面積が当該範囲であるか否かによって、凸部がこの種のスパッタであることを判断することができる。【００２５】
（１０）本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形方法は上記課題を解決するために、ベースプレート上に粉末を敷設して形成されるパウダーベッドにビームを照射することにより、前記パウダーベッドを選択的に固化して造形を行う三次元積層造形方法であって、前記パウダーベッド上の凹凸、前記パウダーベッドへの前記ビームの照射により形成される造形面上の凹凸又は温度、又は、前記ビームの照射中の前記パウダーベッドの温度を計測する計測工程と、前記計測工程における計測結果に基づいて、既に形成された前記パウダーベッドにおける前記粉末の敷設の不具合、又は、既に実施された前記ビームの照射の不具合を次層の造形完了前に修正する修正工程と、を備える。【００２６】
上記（１０）の方法は、上記（１）の三次元積層造形装置によって好適に実施可能である。【００２７】
（１１）幾つかの実施形態では上記（１０）の方法において、前記計測工程では、前記パウダーベッド上の凹凸を計測し、前記修正工程では、前記計測工程で計測された前記凹凸の大きさが許容範囲外であるとき、前記パウダーベッドへの前記ビームの照射前に、前記パウダーベッドの前記凹凸が小さくなるよう前記粉末を再敷設する。【００２８】
上記（１１）の方法は、上記（２）の三次元積層造形装置によって好適に実施可能である。【００２９】
（１２）幾つかの実施形態では上記（１０）又は（１１）の方法において、前記計測工程では、前記造形面上の凹凸を計測し、前記修正工程では、前記計測工程で計測された凹部に対して選択的に前記粉末を供給し、前記凹部に供給された前記粉末に対して前記ビームを照射する。【００３０】
上記（１２）の方法は、上記（４）の三次元積層造形装置によって好適に実施可能である。【００３１】
（１３）幾つかの実施形態では上記（１０）から（１２）のいずれか一方法において、前記計測工程では、前記造形面上の凹凸を計測し、前記修正工程では、前記計測工程で計測された凸部に対して前記ビームを照射する。【００３２】
上記（１３）の方法は、上記（５）の三次元積層造形装置によって好適に実施可能である。【００３３】
（１４）幾つかの実施形態では上記（１０）から（１３）のいずれか一方法において、前記計測工程では、前記造形面上の凹凸を計測し、前記修正工程では、前記計測工程で計測された凸部を除去する。【００３４】
上記（１４）の方法は、上記（６）の三次元積層造形装置によって好適に実施可能である。【００３５】
（１５）幾つかの実施形態では上記（１４）の方法において、前記修正工程では、カッタ又はエアブロートーチを用いて前記凸部を除去する。【００３６】
上記（１５）の方法は、上記（７）の三次元積層造形装置によって好適に実施可能である。【００３７】
（１６）幾つかの実施形態では上記（１４）又は（１５）の方法において、前記修正工程では、前記計測工程で計測された前記凸部の形状に基づいて、前記凸部が前記ビームの照射時に発生したスパッタであるか否かを判断し、前記凸部が前記スパッタである場合、該スパッタを除去し、前記凸部がスパッタ以外である場合、前記凸部に対して前記ビームを照射する。【００３８】
上記（１６）の方法は、上記（８）の三次元積層造形装置によって好適に実施可能である。【００３９】
（１７）本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形物は上記課題を解決するために、層状に敷設された粉末にビームを照射して積層造形を行うことにより製造される三次元積層造形物であって、ベースプレート上に前記粉末を敷設してパウダーベッドを形成し、前記パウダーベッドに前記ビームを照射することにより、前記パウダーベッドを選択的に固化し、前記パウダーベッド上の凹凸、前記パウダーベッドへの前記ビームの照射により形成される造形面上の凹凸又は温度、又は、前記ビームの照射中の前記パウダーベッドの温度を計測し、その計測結果に基づいて、既に形成された前記パウダーベッドにおける前記粉末の敷設の不具合、又は、既に実施された前記ビームの照射の不具合を次層の造形完了前に修正することで製造される。【００４０】
上記（１７）の三次元積層造形物は、粉末の敷設の不具合、又は、ビームの照射の不具合を次層の造形完了前に修正することで、高品質である。
【発明の効果】
【００４１】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、造形作業中に発生する各種異常を早期に検知し、リアルタイムに修正作業を実施することで造形失敗を回避し、良好な生産効率を実現可能な三次元積層造形装置、及び、当該装置により実施される三次元積層造形方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】図１のビーム照射ユニットの内部構成を示す模式図である。
【図３】図１の形状測定センサの具体的構成例を示す模式図である。
【図４】第１実施形態に係る制御装置の内部構成を機能的に示すブロック図である。
【図５】図４の制御装置で実施される三次元積層造形方法を工程毎に示すフローチャートである。
【図６】第２実施形態に係る制御装置の内部構成を機能的に示すブロック図である。
【図７】図６の制御装置で実施される三次元積層造形方法を工程毎に示すフローチャートである。
【図８】図７のステップＳ２０４のサブルーチンを示すフローチャートである。
【図９】第３実施形態に係る制御装置の内部構成を機能的に示すブロック図である。
【図１０】図９の制御装置で実施される三次元積層造形方法を工程毎に示すフローチャートである。
【図１１】第４実施形態に係る制御装置の内部構成を機能的に示すブロック図である。
【図１２】図１１の制御装置で実施される三次元積層造形方法を工程毎に示すフローチャートである。
【図１３】第５実施形態に係る制御装置の内部構成を機能的に示すブロック図である。
【図１４】図１３の制御装置で実施される三次元積層造形方法を工程毎に示すフローチャートである。
【図１５】第６実施形態に係る制御装置の内部構成を機能的に示すブロック図である。
【図１６】図１５の制御装置で実施される三次元積層造形方法を工程毎に示すフローチャートである。
【図１７】第７実施形態に係る制御装置の内部構成を機能的に示すブロック図である。
【図１８】図１７の制御装置で実施される三次元積層造形方法を工程毎に示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
また例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【００４４】
図１は、本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形装置１の全体構成を示す模式図である。
三次元積層造形装置１は、層状に敷設された粉末にビームを照射して積層造形を行うことにより三次元形状物を製造するための装置である。三次元積層造形装置１は、三次元形状物が造形される土台となるベースプレート２を備える。ベースプレート２は、鉛直方向に沿った中心軸を有する略円筒形状のシリンダ４の内側に昇降可能に配置されている。ベースプレート２上には、後述するように粉末が敷設されることによりパウダーベッド８が形成される。パウダーベッド８は、造形作業の間、各サイクルにてベースプレート２が下降する毎に、上層側に粉末が敷設されることにより新たに形成される。
尚、本実施形態の三次元積層造形装置１ではビームとして光ビームを照射する場合を示すが、電子ビーム等の他の形態のビームを使用する場合にも、本発明の思想は同様に適用可能である。
【００４５】
三次元積層造形装置１は、ベースプレート２上に粉末を敷設してパウダーベッド８を形成するための粉末敷設ユニット１０を備える。粉末敷設ユニット１０は、ベースプレート２の上面側に粉末を供給し、その表面を平坦化することによって、ベースプレート２の上面全体に亘って略均一な厚さを有する層状のパウダーベッド８を形成する。各サイクルで形成されたパウダーベッド８には、後述するビーム照射ユニット１４からビームが照射されることによって選択的に固化され、次サイクルにて、粉末敷設ユニット１０によって再び上層側に粉末が敷設されることで、新たなパウダーベッドが形成されることによって、層状に積み重ねられていく。
【００４６】
また三次元積層造形装置１は、ベースプレート２上の一部領域に対して局所的に粉末を供給するための粉末供給ユニット１２を備える。粉末供給ユニット１２は、粉末を吐出するための吐出ノズル１２ａを有する。吐出ノズル１２ａはベースプレート２に向けて設置されており、不図示の駆動機構によって水平方向（ベースプレート２の表面）に沿って移動することで、ベースプレート２上のパウダーベッド８の特定位置に対して、局所的に粉末を供給可能に構成されている。
【００４７】
尚、粉末敷設ユニット１０及び粉末供給ユニット１２から供給される粉末は、三次元形状物の原料となる粉末状物質であり、例えば鉄、銅、アルミニウム又はチタン等の金属材料や、セラミック等の非金属材料を広く採用可能である。また粉末敷設ユニット１０及び粉末供給ユニット１２で取り扱われる粉末は、それぞれ同じ材料であってもよいし、用途に応じて互いに異なる材料であってもよい。
【００４８】
三次元積層造形装置１は、パウダーベッド８を選択的に固化するようにパウダーベッド８にビームを照射するためのビーム照射ユニット１４を備える。ここで図２は図１のビーム照射ユニット１４の内部構成を示す模式図である。ビーム照射ユニット１４は、ビームとしてレーザ光を出力する光源１８と、光源１８からのビームを集光部２５に案内するための光ファイバ２２と、複数の光学部材からなる集光部２５と、を備える。
【００４９】
集光部２５では、光ファイバ２２によって案内されたビームが、コリメータ２４に入射する。コリメータ２４はビームを平行光に集束する。コリメータ２４からの出射光は、アイソレータ２６及びピンホール２８を介して、ビームエキスパンダ３０に入射する。ビームはビームエキスパンダ３０で拡径された後、任意方向に揺動可能なガルバノミラー３２によって偏向され、ｆθレンズ３３を介してパウダーベッド８に照射される。
【００５０】
ビーム照射ユニット１４から照射されるビームは、パウダーベッド８上にて、その表面に沿って二次元的に走査される。このようなビームの二次元走査は、造形目的となる三次元形状物に応じたパターンで実施され、例えばビーム照射ユニット１４が不図示の駆動機構によってベースプレート２の表面に沿って移動することによって行われてもよいし、ガルバノミラー３２の角度が駆動制御されることによって行われてもよいし、或いは、これらの組み合わせによって行われてもよい。
【００５１】
このような構成を有する三次元積層造形装置１では、各サイクルにおいて、粉末敷設ユニット１０によってベースプレート２上に粉末を敷設することでパウダーベッド８が形成され、当該パウダーベッド８に対してビーム照射ユニット１４からビームを照射しながら二次元走査することで、パウダーベッド８に含まれる粉末が選択的に固化される。造形作業では、このようなサイクルが繰り返し実施されることで、固化された成形層が積層され、目的となる三次元形状物が製造される。
【００５２】
再び図１に戻って、三次元積層造形装置１には、造形作業中におけるパウダーベッド８又は造形面（ビームが照射される面）における形状を監視するための形状測定センサ３４が備えられている。本実施形態では、形状測定センサ３４の一例としてフリンジプロジェクション法をベースにした光学式スキャナが用いられている。ここで図３は、図１の形状測定センサ３４の具体的構成例を示す模式図である。形状測定センサ３４は、様々なフリンジパターン（縞模様）を対象物（パウダーベッド８又は造形面）上に投影するプロジェクタ３４ａと、対象物上に投影されたパターン画像を取得するための少なくとも１つの撮像装置（本実施形態では、一例として２台の撮像装置３４ｂ１及び３４ｂ２）と、これら撮像装置３４ｂ１及び３４ｂ２で取得された画像を解析することにより、パウダーベッド８又は造形面における形状を分析する分析部３４ｃと、を備えて構成される。分析部３４ｃでは、撮像装置３４ｂ１及び３４ｂ２で取得された二次元画像が、光学的返還式に基づいて独立した三次元座標系にピクセル毎に変換されることによって、パウダーベッド８又は造形面における形状が演算される。
尚、形状測定センサ３４で実施されるフリンジプロジェクション法については公知の例に倣うこととし、ここでは詳述を割愛する。また分析部３４ｃは、例えばコンピュータ等の電子演算装置から構成されるが、後述する制御装置１００に含まれてもよい。
【００５３】
尚、本実施形態では、パウダーベッド８及び造形面の双方を共通の形状測定センサ３４によって監視可能に構成した場合を例示したが、パウダーベッド８及び造形面をそれぞれ別構成の形状測定センサ（すなわち、第１形状測定センサ及び第２形状測定センサ）によって監視可能に構成してもよい。
【００５４】
また三次元積層造形装置１は、パウダーベッド８及び造形面の温度を監視するための温度測定センサ３８を備える。本実施形態では、温度測定センサ３８として、パウダーベッド８及び造形面のうちビームの被照射部３９における局所温度を測定するための第１温度測定センサ３８ａと、パウダーベッド８及び造形面の被照射部３９を含む二次元領域（少なくとも被照射部より広い領域）における温度分布を測定するための第２温度測定センサ３８ｂと、が設けられている。
【００５５】
第１温度測定センサ３８ａは、ビーム照射ユニット１４と一体的に構成されている。具体的には図３に示されるように、ビームの光軸を通して被照射部３９から導かれる電磁波（パウダーベッド８に照射されるビームの反射光）の強度に基づいて、ビームの被照射部３９の局所温度を計測するように構成された放射温度計であり、パイロメータ４０を含んで構成されている。パイロメータ４０は、集光部２５のうちビームエキスパンダ３０とガルバノミラー３２との間に配置されたダイクロックミラー４３によって抽出された反射光の一部について熱放射を感知し、シュテファン＝ボルツマンの法則に基づいて局所温度を計測する。第１温度測定センサ３８ａの計測結果は、電気的信号として後述する制御装置１００に送られ、各種処理に用いられる。
【００５６】
このように第１温度測定センサ３８ａは、ビームがピンポイントに照射される被照射部３９から導かれるビームの反射光に基づいて局所温度を計測するため、局所的な温度を精度よく測定できる。また第１温度測定センサ３８ａはビーム照射ユニット１４と一体的に構成されており、パウダーベッド８に照射されるビームと同じ経路を伝播する反射波に基づいて温度計測を行うため、高速走査されるビームに対して良好な追従性が得られる。
【００５７】
第２温度測定センサ３８ｂは、図２に示されるように、上述の第１温度測定センサ３８ａの計測領域である被照射部３９に比べて広い検出対象エリア４１における温度分布を検出するセンサである。ここで検出対象エリア４１は、少なくともビームが照射される被照射部３９より広い面積を有するエリアであり、第２温度測定センサ３８ｂは、当該エリアにおける二次元的な温度分布を検出可能に構成されている。
【００５８】
このような第２温度測定センサ３８ｂは、例えば、検出対象エリア４１を計測範囲とする二色温度計（パイロカメラ）や赤外線カメラから構成され、例えば造形エリアの天井や壁面にパウダーベッド８上の検出対象エリア４１に向かうように設置される。また第２温度測定センサ３８ｂは、二次元走査されるビームに追従するように検出対象エリア４１が移動するように駆動されてもよい。例えば、第２温度測定センサ３８ｂは、検出対象エリア４１の中心に被照射部３９が常に位置するように追従制御されてもよい。そして、第２温度測定センサ３８ｂの計測結果は、上述の第１温度測定センサ３８ａと同様に、電気的信号として後述する制御装置１００に送られ、各種処理に用いられる。
【００５９】
再び図１に戻って、三次元積層造形装置１は、パウダーベッド８にビームが照射されて形成された造形面上に存在する凸部を機械的に除去するための凸部除去ユニット４２を備える。本実施形態では、凸部除去ユニット４２として、凸部を除去するためのカッタ除去部４２ａと、エアブロー除去部４２ｂとを備える。カッタ除去部４２ａは造形面に対して刃面を平行にスライドさせることで、造形面の表面に存在する凸部を機械的に切除可能に構成されている。また、エアブロー除去部４２ｂは、炭素棒等からなるエアブロートーチによって凸部に通電させてアークを発生させながら高圧酸素を吹き付けることで溶融金属を吹き飛ばすことによって、凸部を機械的に除去可能に構成されている。
【００６０】
また三次元積層造形装置１は、オペレータや外部機器に対して異常発生を認識させるための警告部４４を備える。認識対象がオペレータ等の人間である場合には、視覚や聴覚などの五感によって認識可能な態様で、例えば、異常発生を報知するためのブザーやインジケータによって構成される。また認識対象が外部機器である場合には、外部機器によって認識可能な電気的信号が送信されるように構成されており、外部機器はこの電気的信号を受信することで、所定の対応動作が自動的に実施されるように構成されてもよい。
【００６１】
制御装置１００は、三次元積層造形装置１のコントロールユニットであり、例えばコンピュータのような電子演算装置によって構成される。典型的には、各種情報を入力可能な入力デバイス、各種情報を記憶可能な記憶デバイス、各種情報を演算可能な演算デバイス、各種情報を出力可能な出力デバイスを含んで構成されるが、これら電子演算装置の一般的構成については公知の例に倣うこととし、ここでは詳しい説明は省略する。このような制御装置１００は、予め記憶デバイスに記憶されたプログラムに従って動作することにより、本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形方法を実施するように構成されている。以下の説明では、制御装置１００の内部構成を各実施形態に対応する機能ブロックとして示すとともに、各構成によって実現される三次元積層造形方法の具体的内容について述べていく。
【００６２】
＜第１実施形態＞
第１実施形態に係る三次元積層造形装置１について、図４及び図５を参照して説明する。図４は第１実施形態に係る制御装置１００の内部構成を機能的に示すブロック図であり、図５は図４の制御装置１００で実施される三次元積層造形方法を工程毎に示すフローチャートである。
尚、図４では、制御装置１００の機能的構成のうち、後述する制御内容に関する構成のみを代表的に示しており、必要に応じて他の構成を備えてもよい。
【００６３】
制御装置１００は、図４に示されるように、粉末敷設ユニット１０を制御するための粉末敷設ユニット制御部１０２と、ビーム照射ユニット１４を制御するためのビーム照射ユニット制御部１０４と、形状測定センサ３４の測定結果に基づいてパウダーベッド８の形状測定を行う形状モニタリング部１０６と、形状モニタリング部１０６のモニタリング結果に基づいてパウダーベッド８における凹凸の有無を判断する凹凸判断部１０８と、凹凸判断部１０８の判断結果に基づいて修正制御を実施する修正制御部１１０と、警告部４４を制御する警告通知部１１２と、を備える。
【００６４】
このような制御装置１００では、これらの構成要素が以下のように機能することで、第１実施形態に係る三次元積層造形方法が実施される。三次元積層造形方法では、造形目的となる三次元形状物を構成するために造形サイクルが繰り返されるが、以下の説明では、ｎ（任意の自然数）回目の造形サイクルを中心に例示的に説明することとする。
【００６５】
まず粉末敷設ユニット制御部１０２は、ベースプレート２又はベースプレート上に既に敷設された（ｎー１）層目のパウダーベッド８上に粉末を敷設するように粉末敷設ユニット１０を制御し、ｎ層目のパウダーベッド８を形成する（ステップＳ１０１）。ここで新たに形成されるパウダーベッド８の層厚ｔｎは、例えば数１０μｍである。
【００６６】
続いて形状モニタリング部１０６は、形状測定センサ３４から測定結果を取得することにより、パウダーベッド８の表面形状を測定する（ステップＳ１０２）。このとき形状測定センサ３４では、図３を参照して上述したようにフリンジプロジェクション法をベースとした計測によって、パウダーベッド８の表面形状が三次元構造として計測される。形状測定センサ３４で取得された測定データは、形状モニタリング部１０６に電気的信号として送られる。
【００６７】
続いて凹凸判断部１０８は、ステップＳ１０２の測定結果に基づいて、パウダーベッド８上に凹凸があるか否かを判断する（ステップＳ１０３）。このような凹凸の有無に関する判断は、形状モニタリング部１０６で取得したパウダーベッド８の表面構造を解析することによって行われる。本実施形態では、検出された凹凸が許容範囲外である場合、凹凸があると判断される。この許容範囲は、造形サイクルが進行した際に、パウダーベッド８上の凹凸が製品品質にとって許容できない程度の欠陥であるか否かに基づいて設定される。例えば、本実施形態では凹凸の大きさ（すなわち、凹部の底点と凸部の頂点との高低差）が、ステップＳ１０１にて粉末敷設ユニット１０が形成すべきパウダーベッド８の厚さｔｎ以下である範囲が許容範囲として設定される。
【００６８】
パウダーベッド８上に凹凸があると判断された場合（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、修正制御部１１０は、パウダーベッド８にビームを照射する前に、パウダーベッド８の凹凸が小さくなるように粉末を再敷設する（ステップＳ１０４）。つまり、粉末敷設ユニット１０によって、ｎ層目のパウダーベッド８の敷設作業のやり直し（リコータ）が行われる。このようなリコータ作業は、ステップＳ１０１でパウダーベッド８を敷設する粉末敷設ユニット１０によって実施されるが、別のユニットを用意してもよい。またリコータ作業は、例えば、凹凸が存在するパウダーベッド８を一旦除去した後に、ｎ層目のパウダーベッド８を再度形成してもよいし、凹凸が存在するパウダーベッド８を残したまま、上層側から追加の粉末を供給することでｎ層目のパウダーベッド８の補修が行われてもよい。
【００６９】
粉末の再敷設が完了すると、形状モニタリング部１０６は、ステップＳ１０２と同様に、パウダーベッド８の表面形状を再度測定する（ステップＳ１０５）。そして凹凸判断部１０８は、ステップＳ１０３と同様に、ステップＳ１０５の測定結果に基づいて、パウダーベッド８上に凹凸があるか否かを再び判断する（ステップＳ１０６）。その結果、凹凸が依然として残っている場合（ステップＳ１０６：ＹＥＳ）、警告通知部１１２は、警告部４４に対して粉末敷設ユニット１０の部品（例えばリコータ用ブレード）の交換作業を促すための警告を発するよう指令する（ステップＳ１０７）。つまり、粉末の再敷設によっても凹凸が解消しない場合、粉末敷設ユニット１０に機械的な不具合が存在する可能性がある。このような場合、再敷設作業を繰り返したとしても改善する見込みが少ないため、部品交換を促すよう警告が行われる。これにより、自動的な制御では凹凸の解消が難しい状況をオペレータ等に知らせることで、無駄な作業時間が増えることを回避できる。
尚、本実施形態では粉末の再敷設によって凹凸が解消しない場合に、すぐに警告を行う場合を例示したが、警告を行う前に、リコータ作業を所定回数繰り返してもよい。
【００７０】
そして再敷設によって凹凸が解消した場合（ステップＳ１０６：ＮＯ）、ビーム照射ユニット制御部１０４は、ビーム照射ユニット１４を制御することにより、ｎ層目のパウダーベッド８に対して、造形目的となる三次元造形物に対応した走査パターンでビームを照射して造形を行う（ステップＳ１０８）。そして、制御装置１００は造形サイクルが十分繰り返されることで、一連の造形作業が処理が完了したか否かを判定する（ステップＳ１０９）。造形処理が完了していない場合（ステップＳ１０９：ＮＯ）、制御装置１００は処理をステップＳ１０１に戻して（ｎ＋１）層目の造形処理に移行する（ステップＳ１１０）。
【００７１】
その後、造形サイクルが十分繰り返されて造形作業が完了すると（ステップＳ１０９：ＹＥＳ）、完成した三次元造形物に対して必要に応じて非破壊検査を実施し、一連の造形作業が終了する（終了）。
【００７２】
以上説明したように第１実施形態によれば、形状測定センサ３４によって、異常又はその兆候となるパウダーベッド８上の凹凸が監視される。そして、形状測定センサ３４によって許容範囲外の大きさを有する凹凸が検出された場合、パウダーベッド８へのビームの照射前に、凹凸が小さくなるよう粉末を再敷設する。これにより、粉末の敷設不具合によって生じた凹凸が造形作業が進むに従って致命的な異常となることを早い段階で防止できる。
また粉末の再敷設によってもパウダーベッド上の凹凸が改善しない場合、粉末敷設ユニットの機械的な不具合が存在する可能性があるため、部品交換を促す警告が行われる。これにより、制御上で解消不能な不具合を抱えたまま造形作業が進むことで、造形失敗に至ることを回避できる。
【００７３】
＜第２実施形態＞
第２実施形態に係る三次元積層造形装置１について、図６乃至図８を参照して説明する。図６は第２実施形態に係る制御装置１００の内部構成を機能的に示すブロック図であり、図７は図６の制御装置１００で実施される三次元積層造形方法を工程毎に示すフローチャートであり、図８は図７のステップＳ２０４のサブルーチンを示すフローチャートである。
尚、以下の説明では、上述の実施形態に対応する構成には共通の符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略することとする。
【００７４】
制御装置１００は、図６に示されるように、粉末敷設ユニット１０を制御するための粉末敷設ユニット制御部１０２と、ビーム照射ユニット１４を制御するためのビーム照射ユニット制御部１０４と、温度測定センサ（第１温度測定センサ３８ａ及び第２温度測定センサ３８ｂ）の測定結果に基づいて造形面の温度測定を行う温度モニタリング部１１４と、温度モニタリング部１１４のモニタリング結果に基づいて内部欠陥の有無を判断する内部欠陥判断部１１６と、内部欠陥判断部１１６の判断結果に基づいて修正制御を実施する修正制御部１１０と、を備える。
【００７５】
このような制御装置１００では、これらの構成要素が以下のように機能することで、第２実施形態に係る三次元積層造形方法が実施される。三次元積層造形方法では、造形目的となる三次元形状物を構成するために造形サイクルが繰り返されるが、以下の説明では、ｎ（任意の自然数）回目の造形サイクルを中心に例示的に説明することとする。
【００７６】
まず粉末敷設ユニット制御部１０２は、ベースプレート２又はベースプレート上に既に敷設された（ｎー１）層目のパウダーベッド８上に粉末を敷設するように粉末敷設ユニット１０を制御し、ｎ層目のパウダーベッド８を形成する（ステップＳ２０１）。ここで新たに形成されるパウダーベッド８の層厚ｔｎは、例えば数１０μｍである。
【００７７】
続いてビーム照射ユニット制御部１０４は、ビーム照射ユニット１４を制御することにより、ステップＳ２０１で形成したｎ層目のパウダーベッド８に対して、造形目的となる三次元形状物に対応した走査パターンでビームを照射して造形を行う（ステップＳ２０２）。
【００７８】
ここで、ステップＳ２０２でビームを走査・照射している間、温度モニタリング部１１４は、温度測定センサ３８から測定結果を取得することにより、パウダーベッド８上の造形面の温度測定を行う（ステップＳ２０３）。ここで三次元積層造形装置１は、上述したように、温度測定センサとして第１温度測定センサ３８ａと第２温度測定センサ３８ｂとを有している。第１温度測定センサ３８ａでは、ビームが照射する被照射部３９における局所温度が測定され、第２温度測定センサ３８ｂでは、被照射部３９を含む検出対象エリア４１における温度分布が測定される。第１温度測定センサ３８ａと第２温度測定センサ３８ｂの計測結果は、パウダーベッド８上をビームが走査される間、複数回にわたって取得され、制御装置１００が有するメモリ等の記憶手段（不図示）に蓄積される。
【００７９】
続いて内部欠陥判断部１１６は、ステップＳ２０３の測定結果に基づいて、造形面に内部欠陥があるか否かを判断する（ステップＳ２０４）。内部欠陥が存在する位置では、周囲に比べて断熱効果が大きくなるため、内部欠陥判断部１１６は第１温度測定センサ３８ａ及び第２温度測定センサ３８ｂの測定結果に基づいて内部欠陥の有無を判断することができる。ここでステップＳ２０４における内部欠陥の判定手法の一例を、図８を参照して、具体的に説明する。
【００８０】
まず内部欠陥判断部１１６は、パウダーベッド８上をビームが走査される際、第１温度測定センサ３８ａ及び第２温度測定センサ３８ｂの計測値を蓄積する（ステップＳ２０４ａ）。ここで第１温度測定センサ３８ａでは、ビームの走査経路に沿ってビームが照射されている位置（被照射部）における局所温度が検知される。内部欠陥判断部１１６は、このような局所温度の面内位置における変化量を算出し（ステップＳ２０４ｂ）、その変化量が所定閾値以上の位置を内部欠陥が存在する候補位置として特定する（ステップＳ２０４ｃ）。局所温度の変化量が大きい位置に、断熱効果に影響を及ぼす内部欠陥が存在する可能性が高いと判断する。つまり、造形面上を走査しながらビーム照射による溶融池における局所温度を連続的に測定すると、その下部に欠陥があれば断熱性の違いから欠陥が存在しない隣位置との温度差が大きくなる。このように局所温度の変化量が周囲に比べて大きい位置に内部欠陥が存在する可能性が高いため、内部欠陥の候補位置として特定される。
【００８１】
続いて内部欠陥判断部１１６は、第２温度測定センサ３８ｂの測定結果に基づいて、ステップＳ２０４ｃで特定された候補位置における冷却速度を算出し（ステップＳ２０４ｄ）、冷却速度が所定閾値より小さい位置に内部欠陥が存在すると判定する（ステップＳ２０４ｅ）。内部欠陥が存在する位置では、その周囲に比べて断熱効果が大きくなるため、冷却速度が小さくなるからである。上述のように、内部欠陥がある位置ではビーム照射位置の下部に存在する空洞の影響によって断熱性が増加することから、冷却速度もまた変化する。そのため、内部欠陥が存在する位置では、その隣位置との間で冷却速度を比較すると、内部欠陥が存在しない位置に比べて冷却速度の変化が周囲に比べて大きくなる。
【００８２】
このように内部欠陥判断部１１６は、第１温度測定センサ３８ａで測定される局所温度と、第２温度測定センサ３８ｂで計測される冷却速度という２つの観点に基づいて、内部欠陥の有無を精度よく判定される。
尚、本実施形態では、このように２つの観点に基づいた判定を行う場合について例示したが、いずれか一方のみに基づく判定がなされてもよい。
【００８３】
再び図７に戻って、このような判定スローによって造形面に内部欠陥があると判断された場合（ステップＳ２０４：ＹＥＳ）、ビーム照射ユニット制御部１０４は、ビーム照射ユニット１４に対して、内部欠陥があると判断された位置に対して、ビームを再照射する（ステップＳ２０５）。これにより、内部欠陥がある位置の造形面が再溶融し、内部欠陥が消滅する。
【００８４】
尚、ステップＳ２０５におけるビームの再照射条件（出力、走査速度、ハッチ感覚、フォーカス、軌跡等）は、例えばステップＳ２０４で判断された内部欠陥の状態（大きさ、形状、位置等）に基づいて設定されるとよい。例えば、内部欠陥が三次元造形物の輪郭部近傍で検出された場合、その位置を高出力・低速度のビームで再照射すると、三次元造形物の表面粗度を悪化させてしまうおそれがあるため、ビームによって供給される単位時間あたりのエネルギ密度が低くなるように、照射条件が設定されるとよい（例えばビームの出力を下げたり、ビームの走査速度を速くしたりするとよい）。
【００８５】
そして、制御装置１００は造形サイクルが十分繰り返されることで、一連の造形作業が処理が完了したか否かを判定する（ステップＳ２０６）。造形処理が完了していない場合（ステップＳ２０６：ＮＯ）、制御装置１００は処理をステップＳ２０１に戻して（ｎ＋１）層目の造形処理に移行する（ステップＳ２０７）。
【００８６】
その後、造形サイクルが十分繰り返されて造形作業が完了すると（ステップＳ２０６：ＹＥＳ）、完成した三次元形状物に対して必要に応じて非破壊検査を実施し、一連の造形作業が終了する（終了）。
【００８７】
以上説明したように第２実施形態によれば、ビームが照射される造形面の温度をモニタリングすることで、異常又はその兆候となる内部欠陥が検出された場合に、ビームの再照射によって早期に修復作業が実施される。これにより、造形作業中にリアルタイムで修復作業が行うことができ、造形物の品質向上及び生産効率の改善が達成される。
【００８８】
＜第３実施形態＞
第３実施形態に係る三次元積層造形装置１について、図９及び図１０を参照して説明する。図９は第３実施形態に係る制御装置１００の内部構成を機能的に示すブロック図であり、図１０は図９の制御装置１００で実施される三次元積層造形方法を工程毎に示すフローチャートである。
尚、以下の説明では、上述の実施形態に対応する構成には共通の符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略することとする。
【００８９】
制御装置１００は、図９に示されるように、粉末敷設ユニット１０を制御するための粉末敷設ユニット制御部１０２と、ビーム照射ユニット１４を制御するためのビーム照射ユニット制御部１０４と、温度測定センサ（第１温度測定センサ３８ａ及び第２温度測定センサ３８ｂ）の測定結果に基づいて造形面の温度測定を行う温度モニタリング部１１４と、温度モニタリング部１１４のモニタリング結果に基づいてパウダーベッド８の平均温度を算出する平均温度算出部１１８と、平均温度算出部１１８の算出結果に基づいて修正制御を実施する修正制御部１１０と、を備える。
【００９０】
このような制御装置１００では、これらの構成要素が以下のように機能することで、第３実施形態に係る三次元積層造形方法が実施される。三次元積層造形方法では、造形目的となる三次元形状物を構成するために造形サイクルが繰り返されるが、以下の説明では、ｎ（任意の自然数）回目の造形サイクルを中心に例示的に説明することとする。
【００９１】
まず粉末敷設ユニット制御部１０２は、ベースプレート２又はベースプレート上に既に敷設された（ｎー１）層目のパウダーベッド８上に粉末を敷設するように粉末敷設ユニット１０を制御し、ｎ層目のパウダーベッド８を形成する（ステップＳ３０１）。ここで新たに形成されるパウダーベッド８の層厚ｔｎは、例えば数１０μｍである。
【００９２】
続いてビーム照射ユニット制御部１０４は、ビーム照射ユニット１４を制御することにより、ステップＳ３０１で形成したｎ層目のパウダーベッド８に対して、造形目的となる三次元形状物に対応した走査パターンでビームを照射して造形を行う（ステップＳ３０２）。
【００９３】
ここで、ステップＳ３０２でビームを走査・照射している間、温度モニタリング部１１４は、上述のステップＳ２０３と同様に、第１温度測定センサ３８ａ及び第２温度測定センサ３８ｂの少なくとも一方から測定結果を取得することにより、パウダーベッド８の温度測定を行う（ステップＳ３０３）。そして平均温度算出部１１８は、ステップＳ３０３の測定結果に基づいて、ビームが照射された後のパウダーベッド８上における平均温度Ｔ１を算出する（ステップＳ３０４）。
【００９４】
続いて粉末敷設ユニット制御部１０２は、ステップＳ３０１と同様の手順に従って、上層側に（ｎ＋１）層目のパウダーベッド８を敷設する（ステップＳ３０５）。そして（ｎ＋１）層目のパウダーベッド８に対して、ステップＳ３０２と同様にビームを照射する（ステップＳ３０６）。そしてステップＳ３０３と同様に、パウダーベッド８の温度測定を行い（ステップＳ３０７）、ビームが照射された後のパウダーベッド８上における平均温度Ｔ２を再び算出する（ステップＳ３０８）。
【００９５】
続いて修正制御部１１０は、ステップＳ３０４で算出された平均温度Ｔ１と、ステップＳ３０８で算出された平均温度Ｔ２との差分ΔＴを算出し（ステップＳ３０９）、当該差分ΔＴが基準値ΔＴｒｅｆより大きいか否かを判定する（ステップＳ３１０）。差分ΔTが基準値ΔＴｒｅｆより大きい場合（ステップＳ３１０：ＹＥＳ）、修正制御部１１０はビーム照射ユニット制御部１０４に対して、ビーム照射ユニット１４から照射されるビームの照射密度を低下するように修正指示を行う（ステップＳ３１１）。造形サイクルに従ってビームの照射を繰り返すと、造形中の三次元形状物に次第に熱量が蓄積し、造形面の平均温度が上昇することによって積層高さ方向における品質ばらつきが大きくなるおそれがある。これに対して、差分ΔＴが基準値ΔＴｒｅｆより大きくなることによって造形面における熱量の蓄積が多くなったと判断された場合には、このようにビームの照射密度が低下するように制御することで、積層高さ方向における品質ばらつきを抑えることができる。
【００９６】
尚、ステップＳ３１１におけるビームの照射密度の低下は、空間的な低下であってもよいし、時間的な低下であってもよい。例えば、ビーム照射ユニット１４によるビームの出力レベルを標準時より低下させたり、ビームが照射される時間間隔を増加させることで、造形面の平均温度の上昇を抑制するとよい。このような修正制御部１１０における修正制御は、温度モニタリング部の計測結果に基づいて平均温度が十分に低下した場合には、自動的に解除して通常制御に戻るようにしてもよい。
【００９７】
そして、制御装置１００は造形サイクルが十分繰り返されることで、一連の造形作業が処理が完了したか否かを判定する（ステップＳ３１２）。造形処理が完了していない場合（ステップＳ３１２：ＮＯ）、制御装置１００は処理をステップＳ３０１に戻し、次の造形処理に移行する（ステップＳ３１３）。
【００９８】
その後、造形サイクルが十分繰り返されて造形作業が完了すると（ステップＳ３１２：ＹＥＳ）、完成した三次元形状物に対して必要に応じて非破壊検査を実施し、一連の造形作業が終了する（終了）。
【００９９】
以上説明したように第３実施形態によれば、ビームが照射された造形面の平均温度をモニタリングすることで、造形面における熱量の蓄積が増加した場合には、ビームの照射密度を調整する。これにより、熱量の蓄積による積層方向におけるばらつきを抑制し、安定した品質で三次元積層造形を行うことができる。その結果、造形作業が進行した際に造形欠陥が生じるリスクを効果的に削減できる。
【０１００】
＜第４実施形態＞
第４実施形態に係る三次元積層造形装置１について、図１１及び図１２を参照して説明する。図１１は第４実施形態に係る制御装置１００の内部構成を機能的に示すブロック図であり、図１２は図１１の制御装置１００で実施される三次元積層造形方法を工程毎に示すフローチャートである。
尚、以下の説明では、上述の実施形態に対応する構成には共通の符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略することとする。
【０１０１】
制御装置１００は、図１１に示されるように、粉末敷設ユニット１０を制御するための粉末敷設ユニット制御部１０２と、ビーム照射ユニット１４を制御するためのビーム照射ユニット制御部１０４と、形状測定センサ３４の測定結果に基づいて造形面の形状測定を行う形状モニタリング部１０６と、形状モニタリング部１０６のモニタリング結果に基づいて造形面における凹部の有無を判断する凹部判断部１２０と、凹部判断部１２０の判断結果に基づいて修正制御を実施する修正制御部１１０と、を備える。
【０１０２】
このような制御装置１００では、これらの構成要素が以下のように機能することで、第４実施形態に係る三次元積層造形方法が実施される。三次元積層造形方法では、造形目的となる三次元形状物を構成するために造形サイクルが繰り返されるが、以下の説明では、ｎ（任意の自然数）回目の造形サイクルを中心に例示的に説明することとする。
【０１０３】
まず粉末敷設ユニット制御部１０２は、ベースプレート２又はベースプレート上に既に敷設された（ｎー１）層目のパウダーベッド８上に粉末を敷設するように粉末敷設ユニット１０を制御し、ｎ層目のパウダーベッド８を形成する（ステップＳ４０１）。ここで新たに形成されるパウダーベッド８の層厚ｔｎは、例えば数１０μｍである。
【０１０４】
続いてビーム照射ユニット制御部１０４は、ビーム照射ユニット１４を制御することにより、ステップＳ４０１で形成したｎ層目のパウダーベッド８に対して、造形目的となる三次元形状物に対応した走査パターンでビームを照射して造形を行う（ステップＳ４０２）。
【０１０５】
続いて形状モニタリング部１０６は、上述のステップＳ１０２と同様に、形状測定センサ３４から測定結果を取得することにより、造形面の形状を測定する（ステップＳ４０３）。このとき形状測定センサ３４では、図３を参照して上述したようにフリンジプロジェクション法をベースとした計測によって、造形面の表面形状が三次元構造として計測される。形状測定センサ３４で取得された測定データは、形状モニタリング部１０６に電気的信号として送られる。
【０１０６】
続いて凹部判断部１２０は、ステップＳ４０３の測定結果に基づいて、造形面上に凹部があるか否かを判断する（ステップＳ４０４）。このような判断は、形状モニタリング部１０６で取得した造形面の三次元構造を解析して、凹部を抽出することで行われる。本実施形態では、抽出された凹部の大きさ（つまり、凹部の深さや幅等）が許容範囲外である場合、凹部があると判断される。
【０１０７】
ここでステップＳ４０４で判断基準となる許容範囲は、造形サイクルが進行した際に、造形面上に存在する凹部が、製品品質に対して致命的な造形欠陥になりうるか否かに基づいて設定される。本実施形態では、その一例として、許容範囲はステップＳ４０１にて粉末敷設ユニット１０が形成する１層あたりのパウダーベッド８の厚さｔｎ以下である範囲として規定される。
【０１０８】
造形面上に凹部があると判断された場合（ステップＳ４０４：ＹＥＳ）、修正制御部１１０は、粉末供給ユニット１２を制御することにより、形状測定センサ３４により検出された凹部に対して選択的（局所的）に粉末を供給する（ステップＳ４０５）。これにより、造形面に存在する凹部は、粉末供給ユニット１２から選択的に供給される粉末によって埋められる。
尚、本実施形態では粉末供給ユニット１２によって凹部が存在する位置に対して局所的に粉末を供給しているが、粉末敷設ユニット１０によって凹部が存在する位置を含む広い範囲に対して粉末を供給するようにしてもよい。
【０１０９】
続いて修正制御部１１０は、ビーム照射ユニット制御部１０４に対して、ステップＳ４０５で供給された粉末に対してビームを照射するように指示を行う（ステップＳ４０６）。これにより、凹部を埋める粉末が固化され、凹部は消滅する。このように造形作業の途中で、造形面で発見された凹部の修復作業を自動的に行うことで、造形作業が進むに従って凹部が品質上問題となるような異常となることを早い段階で防止できる。
【０１１０】
その後、形状モニタリング部１０６は、ステップＳ４０３と同様に、造形面の形状を再度測定する（ステップＳ４０７）。そして凹部判断部１２０は、ステップＳ４０４と同様に、ステップＳ４０７の測定結果に基づいて、造形面上に凹部があるか否かを再び判断する（ステップＳ４０８）。その結果、凹部が依然として存在している場合（ステップＳ４０８：ＹＥＳ）、処理がステップＳ４０５に戻され、上記工程が再度実施されることで修復が行われる。
【０１１１】
そして凹部が解消した場合（ステップＳ４０８：ＮＯ）、制御装置１００は造形サイクルが十分繰り返されることで、一連の造形作業が処理が完了したか否かを判定する（ステップＳ４０９）。造形処理が完了していない場合（ステップＳ４０９：ＮＯ）、制御装置１００は処理をステップＳ４０１に戻して（ｎ＋１）層目の造形処理に移行する（ステップＳ４１０）。
【０１１２】
その後、造形サイクルが十分繰り返されて造形作業が完了すると（ステップＳ４０９：ＹＥＳ）、完成した三次元形状物に対して必要に応じて非破壊検査を実施し、一連の造形作業が終了する（終了）。
【０１１３】
以上説明したように第４実施形態によれば、形状測定センサ３４によって、造形失敗の兆候を示す一要素となる造形面の凹凸が監視される。その結果、造形面に凹部が検出された場合、凹部に対して粉末供給ユニット１２によって選択的に粉末が供給され、当該供給された粉末に対してビームが照射されることで、凹部の修復が行われる。このように造形作業の途中で、造形面に存在する凹部を自動的に修復することで、造形作業が進むに従って凹部が品質上問題となるような異常となることを早い段階で防止できる。
【０１１４】
＜第５実施形態＞
第５実施形態に係る三次元積層造形装置１について、図１３及び図１４を参照して説明する。図１３は第５実施形態に係る制御装置１００の内部構成を機能的に示すブロック図であり、図１４は図１３の制御装置１００で実施される三次元積層造形方法を工程毎に示すフローチャートである。
尚、以下の説明では、上述の実施形態に対応する構成には共通の符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略することとする。
【０１１５】
制御装置１００は、図１３に示されるように、粉末敷設ユニット１０を制御するための粉末敷設ユニット制御部１０２と、ビーム照射ユニット１４を制御するためのビーム照射ユニット制御部１０４と、形状測定センサ３４の測定結果に基づいて造形面の形状測定を行う形状モニタリング部１０６と、形状モニタリング部１０６のモニタリング結果に基づいて造形面における凸部の有無を判断する凸部判断部１２２と、凸部判断部１２２の判断結果に基づいて修正制御を実施する修正制御部１１０と、を備える。
【０１１６】
このような制御装置１００では、これらの構成要素が以下のように機能することで、第５実施形態に係る三次元積層造形方法が実施される。三次元積層造形方法では、造形目的となる三次元形状物を構成するために造形サイクルが繰り返されるが、以下の説明では、ｎ（任意の自然数）回目の造形サイクルを中心に例示的に説明することとする。
【０１１７】
まず粉末敷設ユニット制御部１０２は、ベースプレート２又はベースプレート上に既に敷設された（ｎー１）層目のパウダーベッド８上に粉末を敷設するように粉末敷設ユニット１０を制御し、ｎ層目のパウダーベッド８を形成する（ステップＳ５０１）。ここで新たに形成されるパウダーベッド８の層厚ｔｎは、例えば数１０μｍである。
【０１１８】
続いてビーム照射ユニット制御部１０４は、ビーム照射ユニット１４を制御することにより、ステップＳ５０１で形成したｎ層目のパウダーベッド８に対して、造形目的となる三次元形状物に対応した走査パターンでビームを照射して造形を行う（ステップＳ５０２）。
【０１１９】
続いて形状モニタリング部１０６は、上述のステップＳ１０２と同様に、形状測定センサ３４から測定結果を取得することにより、造形面の形状を測定する（ステップＳ５０３）。このとき形状測定センサ３４では、図３を参照して上述したようにフリンジプロジェクション法をベースとした計測によって、造形面の表面形状が三次元構造として計測される。形状測定センサ３４で取得された測定データは、形状モニタリング部１０６に電気的信号として送られる。
【０１２０】
続いて凸部判断部１２２は、ステップＳ５０３の測定結果に基づいて、造形面上に凸部があるか否かを判断する（ステップＳ５０４）。このような判断は、形状モニタリング部１０６で取得した三次元構造を解析して、凸部を抽出することで行われる。本実施形態では、抽出された凸部の大きさ（つまり、凸部の高さや幅等）が許容範囲外である場合、凸部があると判断される。
【０１２１】
ここでステップＳ５０４で判断基準となる許容範囲は、造形サイクルが進行した際に、造形面上に存在する凸部が、製品品質に対して致命的な造形欠陥になりうるか否かに基づいて設定される。本実施形態では、その一例として、許容範囲はステップＳ５０１にて粉末敷設ユニット１０が形成する１層あたりのパウダーベッド８の厚さｔｎ以下である範囲として規定される。
【０１２２】
造形面上に凸部があると判断された場合（ステップＳ５０４：ＹＥＳ）、修正制御部１１０は、ビーム照射ユニット制御部１０４に対して、ビーム照射ユニット１４によって、形状測定センサ３４により検出された凸部に対してビームが選択的（局所的）に再照射されるように指示する（ステップＳ５０５）。これにより、ビームが照射された箇所は溶融し、凸部は解消するため、造形作業が進むに従って凸部が造形欠陥に成長することを早い段階で防止でき、造形失敗のリスクを効果的に削減できる。
【０１２３】
尚、ステップＳ５０５におけるビームの再照射は、ビームの出力によっては一度の照射では凸部の解消が難しい場合には、複数回にわたってビームの再照射が行われてもよい。またステップＳ５０５を実施した後に、凸部が解消したか否かを確認するプロセスが実施されてもよい。この場合、凸部が解消していない場合には、ステップＳ５０５を再度実施したり、或いは、ビーム照射ユニット１４の部品交換を促す警告を発してもよい。
【０１２４】
また凸部が三次元形状物の輪郭部（縁部）が浮き上がるように形成されている場合には、ステップＳ５０５でビームを再照射する際に、通常のビームの照射では表面形状が崩れてしまうおそれがあるため、ビームのフォーカス、出力、走査速度、ハッチ間隔等の調整を行うようにしてもよい。
【０１２５】
続いて制御装置１００は造形サイクルが十分繰り返されることで、一連の造形作業が処理が完了したか否かを判定する（ステップＳ５０６）。造形処理が完了していない場合（ステップＳ５０６：ＮＯ）、制御装置１００は処理をステップＳ５０１に戻して（ｎ＋１）層目の造形処理に移行する（ステップＳ５０７）。
【０１２６】
その後、造形サイクルが十分繰り返されて造形作業が完了すると（ステップＳ５０６：ＹＥＳ）、完成した三次元形状物に対して必要に応じて非破壊検査を実施し、一連の造形作業が終了する（終了）。
【０１２７】
以上説明したように第５実施形態によれば、形状測定センサ３４によって造形面に凸部が検出された場合、凸部に対してビームを照射して溶融させることで自動的に修復作業が行われる。このように造形作業の途中で、造形面に存在する凸部を修復することで、造形作業が進むに従って凸部が品質上問題となるような異常となることを早い段階で防止できる。特にこの種の三次元積層造形装置１では、造形作業中に造形面の一部が浮き上がるように凸部が形成されることがあり、粉末敷設ユニット１０や粉末供給ユニット１２の損傷原因となるが、このような不具合を防止するために効果的である。
【０１２８】
＜第６実施形態＞
第６実施形態に係る三次元積層造形装置１について、図１５及び図１６を参照して説明する。図１５は第６実施形態に係る制御装置１００の内部構成を機能的に示すブロック図であり、図１６は図１５の制御装置１００で実施される三次元積層造形方法を工程毎に示すフローチャートである。
尚、以下の説明では、上述の実施形態に対応する構成には共通の符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略することとする。
【０１２９】
制御装置１００は、図１５に示されるように、粉末敷設ユニット１０を制御するための粉末敷設ユニット制御部１０２と、ビーム照射ユニット１４を制御するためのビーム照射ユニット制御部１０４と、形状測定センサ３４の測定結果に基づいて造形面の形状測定を行う形状モニタリング部１０６と、形状モニタリング部１０６のモニタリング結果に基づいて造形面における凸部の有無を判断する凸部判断部１２２と、凸部判断部１２２で検出された凸部がスパッタであるか否かを判断するスパッタ判断部１２４と、凸部判断部１２２及びスパッタ判断部１２４の判断結果に基づいて修正制御を実施する修正制御部１１０と、を備える。
【０１３０】
このような制御装置１００では、これらの構成要素が以下のように機能することで、第６実施形態に係る三次元積層造形方法が実施される。三次元積層造形方法では、造形目的となる三次元形状物を構成するために造形サイクルが繰り返されるが、以下の説明では、ｎ（任意の自然数）回目の造形サイクルを中心に例示的に説明することとする。
【０１３１】
まず粉末敷設ユニット制御部１０２は、ベースプレート２又はベースプレート上に既に敷設された（ｎー１）層目のパウダーベッド８上に粉末を敷設するように粉末敷設ユニット１０を制御し、ｎ層目のパウダーベッド８を形成する（ステップＳ６０１）。ここで新たに形成されるパウダーベッド８の層厚ｔｎは、例えば数１０μｍである。
【０１３２】
続いてビーム照射ユニット制御部１０４は、ビーム照射ユニット１４を制御することにより、ステップＳ６０１で形成したｎ層目のパウダーベッド８に対して、造形目的となる三次元形状物に対応した走査パターンでビームを照射して造形を行う（ステップＳ６０２）。
【０１３３】
続いて形状モニタリング部１０６は、上述のステップＳ１０２と同様に、形状測定センサ３４から測定結果を取得することにより、造形面の形状を測定する（ステップＳ６０３）。このとき形状測定センサ３４では、図３を参照して上述したようにフリンジプロジェクション法をベースとした計測によって、造形面の表面形状が三次元構造として計測される。形状測定センサ３４で取得された測定データは、形状モニタリング部１０６に電気的信号として送られる。
【０１３４】
続いて凸部判断部１２２は、ステップＳ６０３の測定結果に基づいて、造形面上に凸部があるか否かを判断する（ステップＳ６０４）。このような判断は、形状モニタリング部１０６で取得した三次元構造を解析して、凸部を抽出することで行われる。本実施形態では、抽出された凸部の大きさ（つまり、凸部の高さや幅等）が許容範囲外である場合、凸部があると判断される。
【０１３５】
ここでステップＳ６０４で判断基準となる許容範囲は、造形サイクルが進行した際に、造形面上に存在する凸部が、製品品質に対して致命的な造形欠陥になりうるか否かに基づいて設定される。本実施形態では、その一例として、許容範囲はステップＳ６０１にて粉末敷設ユニット１０が形成する１層あたりのパウダーベッド８の厚さｔｎ以下である範囲として規定される。
【０１３６】
造形面上に凸部があると判断された場合（ステップＳ６０４：ＹＥＳ）、スパッタ判断部１２４は、当該凸部がスパッタであるか否かを判断する（ステップＳ６０５）。この判断では、例えば、ビーム照射後のパウダーベッドの表面に生じる凸状変形量の投影面積（凸部投影面積）が、想定されるスパッタ粒径以下であるか否かを基準に判定されてもよい。ここで、基準となるスパッタ粒径は、スパッタの発生形態に対応して設定可能であるが、例えば、パウダーベッドにビームが照射されて形成される溶融池から飛散して凝固する発生形態のスパッタの場合、想定されるスパッタ粒径は比較的大きく、１５０μｍ〜３００μｍ程度であることから、３００μｍ×３００μｍ以下の凸部投影面積が得られた場合にスパッタが局所的に存在すると判定することができる。
【０１３７】
凸部がスパッタである場合（ステップＳ６０５：ＹＥＳ）、修正制御部１１０は、凸部除去ユニット４２（カッタ除去部４２ａ及びエアブロー除去部４２ｂの少なくとも一方）を用いて、凸部を機械的に除去する（ステップＳ６０６）。凸部がスパッタである場合、スパッタには粉末が溶融する際に生じた酸化物が比較的高い割合で含まれるため、その酸化物が造形物に溶け込まないように機械的に除去することで、良好な造形品質が実現できる。
【０１３８】
尚、カッタ除去部４２ａは、カッタ除去後の造形面の平坦度精度が良好であるため、次層の層厚ばらつきも低減され、造形品質向上につながる一方で、造形品の浮上り部にぶつかることでカッタの刃が損傷した場合には、交換作業が必要となったり、カッタの破損部が造形品に混じって異物（コンタミ）となる可能性がある点に留意するとよい。
エアブロー除去部４２ｂは、カッタ除去部４２ａのように造形品の浮上り部があったとしても、スパッタのみを狙って除去することが可能であるが、造形品の周りにあるスパッタ以外の粉末まで吹き飛ばしてしまう可能性があるため、精度のよい位置決めが必要となる点に留意するとよい。
【０１３９】
一方、凸部がスパッタ以外である場合（ステップＳ６０５：ＮＯ）、修正制御部１１０は、修正制御部１１０は上述のステップＳ５０５と同様に、ビーム照射ユニット制御部１０４に対して、ビーム照射ユニット１４によって、形状測定センサ３４により検出された凸部に対してビームが選択的（局所的）に再照射されるように指示する（ステップＳ６０７）。これにより、ビームが照射された箇所は溶融し、凸部は解消する。
【０１４０】
続いて制御装置１００は造形サイクルが十分繰り返されることで、一連の造形作業が処理が完了したか否かを判定する（ステップＳ６０８）。造形処理が完了していない場合（ステップＳ６０８：ＮＯ）、制御装置１００は処理をステップＳ６０１に戻して（ｎ＋１）層目の造形処理に移行する（ステップＳ６０９）。
【０１４１】
その後、造形サイクルが十分繰り返されて造形作業が完了すると（ステップＳ６０８：ＹＥＳ）、完成した三次元形状物に対して必要に応じて非破壊検査を実施し、一連の造形作業が終了する（終了）。
【０１４２】
以上説明したように第６実施形態によれば、造形面に生じる凸部がスパッタであるか否かが判断され、その判断結果に基づいて、２つの凸部の除去手法が使い分けられる。凸部がスパッタである場合、スパッタには粉末が溶融する際に生じた酸化物が比較的高い割合で含まれるため、その酸化物が造形物に溶け込まないように凸部除去ユニットによって機械的に除去される。一方、凸部がスパッタ以外である場合には、このような懸念がないため、凸部に対してビームを照射することで凸部の除去が行われる。このようにして造形品質を確保しながら、造形不良を効果的に防止できる。
【０１４３】
＜第７実施形態＞
第７実施形態に係る三次元積層造形装置１について、図１７及び図１８を参照して説明する。図１７は第７実施形態に係る制御装置１００の内部構成を機能的に示すブロック図であり、図１８は図１７の制御装置１００で実施される三次元積層造形方法を工程毎に示すフローチャートである。
尚、以下の説明では、上述の実施形態に対応する構成には共通の符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略することとする。
【０１４４】
制御装置１００は、図１７に示されるように、粉末敷設ユニット１０を制御するための粉末敷設ユニット制御部１０２と、ビーム照射ユニット１４を制御するためのビーム照射ユニット制御部１０４と、形状測定センサ３４の測定結果に基づいてパウダーベッド８の表面又は造形面の形状測定を行う形状モニタリング部１０６と、温度測定センサ（第１温度測定センサ３８ａ及び第２温度測定センサ３８ｂ）の測定結果に基づいて造形面の温度測定を行う温度モニタリング部１１４と、温度モニタリング部１１４のモニタリング結果に基づいて内部欠陥の有無を判断する内部欠陥判断部１１６と、形状モニタリング部１０６のモニタリング結果に基づいてパウダーベッド８の表面又は造形面における凹凸の有無を判断する凹凸判断部１０８と、温度モニタリング部１１４のモニタリング結果に基づいてパウダーベッド８の平均温度を算出する平均温度算出部１１８と、凹凸判断部１０８で検出された凸部がスパッタであるか否かを判断するスパッタ判断部１２４と、前述の各部位の判断結果に基づいて修正制御を実施する修正制御部１１０と、警告部４４を制御する警告通知部１１２と、を備える。
【０１４５】
このような制御装置１００では、これらの構成要素が以下のように機能することで、第７実施形態に係る三次元積層造形方法が実施される。三次元積層造形方法では、造形目的となる三次元形状物を構成するために造形サイクルが繰り返されるが、以下の説明では、ｎ（任意の自然数）回目の造形サイクルを中心に例示的に説明することとする。
【０１４６】
まず粉末敷設ユニット制御部１０２は、ベースプレート２又はベースプレート上に既に敷設された（ｎー１）層目のパウダーベッド８上に粉末を敷設するように粉末敷設ユニット１０を制御し、ｎ層目のパウダーベッド８を形成する（ステップＳ７０１）。ここで新たに形成されるパウダーベッド８の層厚ｔｎは、例えば数１０μｍである。
【０１４７】
続いて形状モニタリング部１０６は、形状測定センサ３４から測定結果を取得することにより、パウダーベッド８の表面形状を測定し、凹凸判断部は当該測定結果に基づいてパウダーベッド８に凹凸がないか判断する（ステップＳ７０２）。パウダーベッド８の凹凸がある場合（ステップＳ７０２：ＮＯ）、修正制御部１１０は、パウダーベッド８にビームを照射する前に、パウダーベッド８の凹凸が小さくなるように粉末を再敷設する（ステップＳ７０３）。これにより、パウダーベッド８上の凹凸が解消され、造形作業が進行した際に凹凸によって生じる異常発生を効果的に削減できる。また再敷設作業によっても凹凸が解消しない場合には、修正制御部１１０は警告通知部１１２に対して、警告部４４から警告を発するように指令を行ってもよい。
尚、ステップＳ７０２乃至Ｓ７０４における各工程の詳細は、上述の第１実施形態で述べた通りであるため、ここでは詳述を省略することとする。
【０１４８】
続いてビーム照射ユニット制御部１０４は、ビーム照射ユニット１４を制御することにより、形成されたｎ層目のパウダーベッド８に対して、造形目的となる三次元形状物に対応した照射条件を設定し（ステップＳ７０４）、当該設定された照射条件に基づいてビームを照射して造形を行う（ステップＳ７０５）。
【０１４９】
ここでステップＳ７０５でビームを走査・照射している間、温度モニタリング部１１４は、第１温度測定センサ３８ａ及び第２温度測定センサ３８ｂから測定結果を取得し、内部欠陥判断部１１６は当該測定結果に基づいて内部欠陥の有無を判断する（ステップＳ７０６）。内部欠陥がある場合（ステップＳ７０６：ＮＯ）、修正制御部１１０は、ビーム照射ユニット制御部１０４に対して、当該内部欠陥があると判断された位置に対してビームを再照射するようにビーム照射ユニット１４を制御する（ステップＳ７０７）。これにより、内部欠陥がある位置が再溶融し、内部欠陥を消滅できる。
尚、ステップＳ７０６及びＳ７０７における各工程の詳細は、上述の第２実施形態で述べた通りであるため、ここでは詳述を省略することとする。
【０１５０】
続いて平均温度算出部１１８は、第１温度測定センサ３８ａ及び第２温度測定センサ３８ｂの測定結果に基づいて平均温度を算出し、当該平均温度に異常がないか判断する（ステップＳ７０８）。この判断では、具体的には、上記第３実施形態で説明したように、前造形サイクルの平均温度との差ΔＴが基準値Ｔｒｅｆ以上である場合に、異常があると判断される。平均温度に異常がある場合（ステップＳ７０８：ＮＯ）、修正制御部１１０はビーム照射ユニット制御部１０４に対して、ビーム照射ユニット１４から照射されるビームのエネルギ密度を低下するように修正制御を行う（ステップＳ７０９）。これによって、ステップＳ７０４で設定された照射条件は照射密度が低下するように変化される。このように、差分ΔＴが基準値ΔＴｒｅｆより大きくなることによって造形面における熱量の蓄積が多くなったと判断された場合には、ビームの照射密度が低下するように制御することで、積層高さ方向における品質ばらつきを抑えることができる。
尚、ステップＳ７０８及びＳ７０９における各工程の詳細は、上述の第３実施形態で述べた通りであるため、ここでは詳述を省略することとする。
【０１５１】
続いて形状モニタリング部１０６は、形状測定センサ３４から測定結果を取得するとともに、凹凸判断部１０８は形状モニタリング部１０６の取得結果に基づいて、造形面に凹凸がないか判断する（ステップＳ７１０、Ｓ７１２）。造形面に凹部がある場合（ステップＳ７１０：ＮＯ）、修正制御部１１０は、粉末供給ユニット１２を制御することにより、形状測定センサ３４により検出された凹部に対して選択的（局所的）に粉末を供給するとともに、ビーム照射ユニット制御部１０４に対して、当該供給された粉末に対してビームを照射するように制御する（ステップＳ７１１）。これにより、造形面に存在する凹部は粉末により埋められ、ビームの照射によって固化される。このように造形作業の途中で、造形面に存在する凹部を解消することで、造形作業が進むに従って凹部が異常となることを早い段階で防止できる。
尚、ステップＳ７１０及びＳ７１１における各工程の詳細は、上述の第４実施形態で述べた通りであるため、ここでは詳述を省略することとする。
【０１５２】
一方、造形面に凸部がある場合（ステップＳ７１２：ＮＯ）、修正制御部１１０は、ｉ）凸部へのビームの再照射、ｉｉ）カッタ除去部及びエアブロー除去部の少なくとも一方を用いた凸部の機械的除去、ｉｉｉ）ビーム照射ユニット制御部１０４に対して、ビーム照射ユニット１４による凸部へのビームの選択的（局所的）な再照射の少なくとも一つが実施される（ステップＳ７１３）。このように造形作業の途中で、造形面に存在する凸部を解消することで、造形作業が進むに従って凸部が異常となることを早い段階で防止できる。
尚、ｉ）は上述の第５実施形態で述べた通りであり、ｉｉ）及びｉｉｉ）は上述の第６実施形態で述べた通りであるため、ここでは詳述を省略することとする。
【０１５３】
続いて制御装置１００は造形サイクルが十分繰り返されることで、一連の造形作業が処理が完了したか否かを判定する（ステップＳ７１４）。造形処理が完了していない場合（ステップＳ７１４：ＮＯ）、制御装置１００は処理をステップＳ７０１に戻して（ｎ＋１）層目の造形処理に移行する（ステップＳ７１５）。
【０１５４】
その後、造形サイクルが十分繰り返されて造形作業が完了すると（ステップＳ７１４：ＹＥＳ）、完成した三次元形状物に対して必要に応じて非破壊検査を実施し、一連の造形作業が終了する（終了）。
【０１５５】
以上説明したように第７実施形態によれば、上述の第１乃至第６実施形態で説明した各方法を組み合わせることによって、造形作業中に、各工程において異なる観点から造形異常の発生をリアルタイムで防止できる。その結果、従来に比べて良好な品質確保と生産効率が達成できる。
【産業上の利用可能性】
【０１５６】
本発明の少なくとも一実施形態は、敷設された粉末にビームを照射して積層造形を行うことにより三次元形状物を製造する三次元積層造形装置、及び、当該装置により実施される三次元積層造形方法に利用可能である。
【符号の説明】
【０１５７】
１  三次元積層造形装置
１０  粉末敷設ユニット
１２  粉末供給ユニット
１４  ビーム照射ユニット
３４  形状測定センサ
３８ａ  第１温度測定センサ
３８ｂ  第２温度測定センサ
４２  凸部除去ユニット
４２ａ  カッタ除去部
４２ｂ  エアブロー除去部
４４  警告部
１００  制御装置
１０２  粉末敷設ユニット制御部
１０４  ビーム照射ユニット制御部
１０６  形状モニタリング部
１０８  凹凸判断部
１１０  修正制御部
１１２  警告通知部
１１４  温度モニタリング部
１１６  内部欠陥判断部
１１８  平均温度算出部
１２０  凹部判断部
１２２  凸部判断部
１２４  スパッタ判断部
【図１】
2019030839.tif 000003
【図２】
2019030839.tif 000004
【図３】
2019030839.tif 000005
【図４】
2019030839.tif 000006
【図５】
2019030839.tif 000007
【図６】
2019030839.tif 000008
【図７】
2019030839.tif 000009
【図８】
2019030839.tif 000010
【図９】
2019030839.tif 000011
【図１０】
2019030839.tif 000012
【図１１】
2019030839.tif 000013
【図１２】
2019030839.tif 000014
【図１３】
2019030839.tif 000015
【図１４】
2019030839.tif 000016
【図１５】
2019030839.tif 000017
【図１６】
2019030839.tif 000018
【図１７】
2019030839.tif 000019
【図１８】
2019030839.tif 000020
【国際調査報告】
2019030839.tif 000021
2019030839.tif 000022
2019030839.tif 000023
2019030839.tif 000024