(57)【要約】【課題】積層用の粉末を用いたレーザ粉体肉盛り方式の積層造形技術に関して、積層造形の制御によって積層物の形状や強度等に関する精度や品質を高めることができる技術を提供する。【解決手段】積層造形装置は、積層造形の制御を行う制御部と、レーザ光を照射するレーザ光出射機構と、積層用粉末を供給する粉末供給機構と、母材と積層用粉末とを含む混合物である溶融池の面積を検出するセンサと、母材と積層用粉末とを含む混合物である積層物の比熱を検出するセンサまたは計算する比熱計算部と、を備え、制御部は比熱に応じて溶融池の面積の制御目標値を計算する溶融池制御目標値計算部と、溶融池の面積の制御目標値に近づくように、レーザ光の出力値を計算してフィードバック制御を行う出力制御部と、を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光の照射に基づいて母材に対し積層用粉末を溶融及び堆積する方式の積層造形装置であって、
積層造形の制御を行う制御部と、
前記レーザ光を照射するレーザ光出射機構と、
前記積層用粉末を供給する粉末供給機構と、
少なくとも前記母材と前記積層用粉末とを含む混合物である溶融池の面積を検出するセンサと、
少なくとも前記母材と前記積層用粉末とを含む混合物である積層物の比熱を検出するセンサ、または計算する比熱計算部と、を備え、
前記制御部は、前記比熱に応じて前記溶融池の面積の制御目標値を計算する溶融池制御目標値計算部と、
前記溶融池の面積の制御目標値に近づくように、前記レーザ光の出力値を計算してフィードバック制御を行う出力制御部と、を有する積層造形装置。
【請求項２】
前記積層用粉末は、粉末金属である、請求項１に記載の積層造形装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記溶融池の深さ、及び前記積層物の高さを検出する位置センサをさらに有する、請求項２に記載の積層造形装置。
【請求項４】
レーザ光の照射に基づいて母材に対し積層用粉末を溶融及び堆積する方式の積層造形装置を用いた積層造形方法であって、
少なくとも前記母材と前記積層用粉末とを含む混合物である溶融池の面積の検出値、及び少なくとも前記母材と前記積層用粉末とを含む混合物である積層物の比熱から前記溶融池の面積の制御目標値を計算するステップと、
前記溶融池の面積の制御目標値に近づくように、前記レーザ光の出力値を調整してフィードバック制御を行うステップと、
を有する、積層造形方法。
【請求項５】
前記積層用粉末は、粉末金属である、請求項４に記載の積層造形方法。
【請求項６】
前記積層物の比熱を、前記母材の比熱、前記粉末金属の比熱、及び前記積層物の前記母材と前記粉末金属との混合比率に基づいて算出する、請求項５に記載の積層造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層造形技術に関し、レーザ光及び積層用粉末を用いた積層造形の制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
積層造形技術の１つとして、レーザ・メタル・デポジション（Laser metal deposition：ＬＭＤと記載する場合がある）が挙げられる。ＬＭＤは、レーザ金属堆積、レーザ粉体肉盛り、等と呼ばれる場合がある。ＬＭＤ方式では、母体材料（母材と記載する場合がある）の面上を走査し、対象箇所に粉末金属材料（粉末金属と記載する場合がある）及びガス等の物質を供給しながら、レーザ光を照射する。レーザ光が照射された箇所では、母材または粉末金属が溶融して溶融池（melt pool）が形成される。その溶融池が凝固することで、積層物が形成される。このような加工を層毎に繰り返すことにより、母材面上に積層物による構造物が積層造形される。
【０００３】
なお、補足として、溶融池は、母材や粉末金属が溶融した部分の混合物を指す。溶融池の形状、溶融や凝固の度合い等の詳細は、材料物性や制御パラメータ等に応じて異なる。溶融池は、母材や粉末金属に加えて、他の物質が混合している場合もある。レーザ光の照射箇所には、粉末金属以外にも、所定のガスや他の材料が供給される場合もある。
【０００４】
ＬＭＤ方式の積層造形に関する従来技術例として、積層造形装置のハードウェア技術としては、レーザ光出射機構を備えるレーザヘッドに粉末金属供給機構が内蔵されている構成等がある。また、積層造形の制御技術としては、レーザ光出力（即ち電力）や粉末金属供給量等を一定にするように基本的な制御を行う技術がある。また、溶融池面積を一定にするようにレーザ出力を自動的に可変に制御する技術がある。
【０００５】
ＬＭＤ方式の積層造形に係わる先行技術例として、特開２０１３−１１９０９８号公報（特許文献１）が挙げられる。特許文献１には、レーザヘッドと対象物との距離に応じてレーザ出力を制御する旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−１１９０９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記ＬＭＤ方式の積層造形に関する従来技術例では、レーザ出力等を一定にする制御の場合でも、溶融池面積を一定にするようにレーザ出力を可変にする制御の場合でも、積層物の形状や強度等に関する精度や品質の点で課題がある。積層造形の加工時には、意図的な制御または意図しない制御の結果によって、溶融池の面積等に大小の違いが生じる場合がある。材料の物性や形状や量等によって、溶融池の面積、深さ、高さ、体積等が変化する。溶融池面積等の大小によっては、積層物の形状崩れ、即ち目標の形状にならないことが生じる場合がある。例えば、粉末金属供給範囲に対して溶融池面積が比較的広い場合には、積層物の高さ不足等が生じる。また、例えば、粉末金属供給範囲に対して溶融池面積が比較的狭い場合には、積層物内の空洞（void）等が生じ、内部欠陥、強度不足等につながる。このような形状崩れが生じることで、目標とする構造物の形状や強度等に関する所定の精度や品質を満たせない場合がある。
【０００８】
本発明の目的は、粉末金属等の積層用の粉末を用いたレーザ粉体肉盛り方式の積層造形技術に関して、積層造形の制御によって積層物の形状や強度等に関する精度や品質を高めることができる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のうち代表的な実施の形態は、積層造形装置等であって、以下に示す構成を有することを特徴とする。
【００１０】
一実施の形態の積層造形装置は、レーザ光の照射に基づいて母材に対し積層用粉末を溶融及び堆積する方式の積層造形装置であって、積層造形の制御を行う制御部と、前記レーザ光を照射するレーザ光出射機構と、前記積層用粉末を供給する粉末供給機構と、前記母材と前記積層用粉末とを含む混合物である溶融池の面積を検出するセンサと、前記母材と前記積層用粉末とを含む混合物である積層物の比熱を検出するセンサ、または計算する比熱計算部と、を備え、前記制御部は、前記比熱に応じて前記溶融池の面積の制御目標値を計算する溶融池制御目標値計算部と、前記溶融池の面積の制御目標値に近づくように、前記レーザ光の出力値を計算してフィードバック制御を行う出力制御部と、を有する積層造形装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のうち代表的な実施の形態によれば、積層造形の制御によって積層物の形状や強度等に関する精度や品質を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１の積層造形装置の構成を示す図である。
【図２】実施の形態１における、積層物の例を示す図である。
【図３】実施の形態１における、積層造形の制御を示す図である。
【図４】実施の形態１における、溶融池面積の制御目標値の計算を示す図である。
【図５】実施の形態１における、レーザ光出力の制御例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２の積層造形装置の構成を示す図である。
【図７】実施の形態２における、溶融池深さ、及び積層物高さを示す図である。
【図８】実施の形態２における、センサの詳細例を示す図である。
【図９】実施の形態２における、積層造形の制御を示す図である。
【図１０】実施の形態２における、混合比率の計算を示す図である。
【図１１】実施の形態２における、積層物比熱の計算を示す図である。
【図１２】実施の形態２における、層数に応じた混合比率及び積層物比熱を示す図である。
【図１３】比較例の積層造形装置の構成を示す図である。
【図１４】比較例における、形状崩れを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において同一部には原則として同一符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００１４】
［課題等（１）−第１制御方式］
図１３，図１４を用いながら、従来技術例の積層造形装置及び方法における制御の課題等を補足説明する。
【００１５】
図１３は、実施の形態１に対する比較例として、従来技術例のＬＭＤ方式で積層造形を行う積層造形装置のレーザヘッド付近の構成を概略的に示す。なお、説明上の方向として、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を示す。Ｘ方向、Ｙ方向は、水平面を構成する直交する２つの方向である。Ｚ方向は鉛直方向である。
【００１６】
図１３の（Ａ）では、レーザヘッド１を横（Ｙ方向）から見た状態を示し、母材３や積層物５等を斜視で示す。この積層造形装置の制御としては、レーザ光出力を一定にする基本的な制御（第１制御とする）、あるいは、溶融池面積を一定にするようにレーザ光出力を可変にする制御（第２制御とする）が行われる。
【００１７】
積層造形装置は、レーザヘッド１、駆動部９１、制御部９０等を備える。レーザヘッド１には、光ファイバ等が接続されており、実装例として、レーザ光出射機構と粉末金属供給機構とが内蔵されている。なお、粉末金属供給機構は、粉末金属以外に、所定のガスや他の物質を噴出して供給する機構でもよい。
【００１８】
制御部９０は、積層造形装置の各部を制御し、積層造形の制御処理を行う。駆動部９１は、制御部９０からの駆動制御に基づいて、レーザヘッド１を駆動する。この駆動は、レーザ光出力の駆動と、粉体金属等の物質の供給の駆動とを含む。レーザヘッド１は、制御部９０からの制御に基づいて駆動部９１によって駆動される。レーザヘッド１は、駆動に基づいて、母材３の面上の対象箇所に、レーザ光２を出射しながら、粉末金属４及びガス等の物質を噴出する。このような動作を走査と称する。矢印で示す方向Ａ１は、走査方向の例としてＸ方向の場合を示す。対象箇所の位置座標を（ｘ，ｙ，ｚ）で示す。
【００１９】
図１３の（Ｂ）では、レーザヘッド１の下面に対応するＸ−Ｙ平面を示す。下面において、中心軸には、円形で示すように、レーザ光出射機構によるレーザ光出射面領域９０１を有する。そのレーザ光出射面領域９０１の外側にある円環形の外周部には、粉末金属供給機構による粉末金属出射面領域９０２を有する。レーザ光出射面領域９０１からＺ方向下方の対象箇所に向けてレーザ光２が出射される。粉末金属出射面領域９０２からＺ方向下方の対象箇所に向けて少なくとも粉末金属の物質が噴出して供給される。
【００２０】
レーザヘッド１のＺ方向の下端は、母材３の主面３ｐから一定の距離（距離Ｚｃとする）にある。レーザヘッド１は、レーザ光出射機構によって、母材３の面上の対象箇所にレーザ光２を照射する。また、レーザヘッド１は、粉末金属供給機構によって、母材３の面上の対象箇所に対し、粉末金属４をガスと共に噴出することで供給する。制御部９０は、目標の構造物の形状、走査の位置等に応じて、レーザ光２の照射や粉末金属４の供給を制御する。即ち、制御部９０は、レーザ光２の出力のオン／オフ、電力等を制御し、粉末金属４等の物質の噴出のオン／オフ、供給量等を制御する。
【００２１】
このレーザ光２の照射の際、例えば母材３と粉末金属４との両方が溶融することによって、それらの混合物として溶融池６が形成される。なお、溶融池６は、母材３の主面３ｐに対してＺ方向で凸状となる場合も凹状となる場合もある。これらは物性や制御詳細に依存する。
【００２２】
積層造形装置は、目標の構造物に応じた制御として、走査制御を行う。即ち、積層造形装置は、レーザヘッド１を、母材３の面上で所定の方向Ａ１へ移動するように走査を行う。この走査と共に、レーザ光２の照射位置、及び粉末金属４の供給位置、溶融池６の発生位置等が、所定の方向Ａ１へ移動することになる。なお、レーザヘッド１の走査による移動軌跡等は、パス、ツールパス等と呼ばれる場合がある。
【００２３】
レーザ光２の照射によって溶融された母材３または粉末金属４またはそれらの両方の混合物による溶融池６は、レーザ光２の通過及び温度変化に応じて凝固する。これにより、レーザヘッド１及び溶融池６の移動軌跡上に、積層物５が造形される。なお、溶融池６の凝固のために、更に温度制御機構（例えば冷却機構）を用いてもよい。
【００２４】
同様に、母材３のＹ方向を含むＸ−Ｙ平面上において所定のパスや位置で走査が行われる。これにより、Ｘ−Ｙ平面での面積等を持つ積層物５が構成される。Ｚ方向における複数の層のうち、ある層（例えば第１層）の造形が終了すると、その層の上の次の層（例えば第２層）のＸ−Ｙ平面において、上記と同様に加工が行われる。これにより、その層に対応した積層物５が造形される。このような層毎の積層造形が同様に必要な回数（目標の構造物の高さ等に応じた複数）で繰り返される。なお、Ｚ方向において現在加工が行われる層を識別するための数を、層数Ｎと記載する。
【００２５】
なお、例えば第１層の積層物５の上に第２層の積層物５を造形する際（層数Ｎ＝２の加工時）には、第１層の積層物５の部分の上面にレーザ光２が照射され、粉末金属４等が供給される。その積層物５の部分や粉末金属４が溶融することで、溶融池６が形成される。
【００２６】
上記積層造形の第１制御方式の場合で、レーザ光出力を一定にした場合でも、走査中にレーザ光２を対象箇所へ照射中に、母材３等の物質の温度変化によって、溶融池６の面積等が変化し得る。溶融池面積の変化によって、造形される積層物５の形状の変化が発生する。これにより、積層物５の形状崩れ、即ち目標の構造物の形状に対する違いが発生する場合がある。前述のように、例えば溶融池面積の大小に応じて、積層物５の高さ不足や、内部空洞による強度不足等が発生する場合がある。
【００２７】
［課題等（２）−第２制御方式］
積層造形の第２制御方式の場合には以下のとおりである。第２制御方式を適用する比較例の積層造形装置は、層毎の造形時に、センサ等を用いて、現在の溶融池面積の値を検出または計算する。積層造形装置は、その溶融池面積を一定にするように、溶融池面積の制御目標値を決定する。積層造形装置は、その溶融池面積の制御目標値に合わせて、レーザ光出力（即ち電力）を可変に制御するフィードバック制御を行う。即ち、積層造形装置は、溶融池面積の実際値が、制御目標値に近付くように、以降の加工時のレーザ光出力値を変更する。
【００２８】
例えば、積層造形装置は、ある層（例えば第１層）の造形の時点で、溶融池面積の実際値（第１値）が、制御目標値よりも大きかった場合、次の造形の時点のレーザ光出力値を減少する。また、積層造形装置は、ある層の造形の時点で、溶融池面積の実際値が、制御目標値よりも小さかった場合、次の造形の時点のレーザ光出力値を増加する。
【００２９】
しかしながら、上記第２制御方式を用いて、意図的に溶融池面積を一定にするようにレーザ光出力を制御した場合でも、積層物の形状崩れが発生する場合がある。例えば、溶融池６の混合物の成分（母材３、粉末金属４等）の詳細は、層数Ｎや位置座標（ｘ，ｙ，ｚ）に応じて異なる。そのため、溶融池６の凝固によって形成される積層物５の部分では、内部の状態や外形の状態が異なり得る。
【００３０】
積層物５の部分では、例えば母材３の成分に対して供給された粉末金属４の成分の混合によって、比熱が変化する。層数Ｎや位置座標毎に、温度や、材料の混合比率が異なり、それに応じて比熱が異なる。比熱が異なることで、積層物５の形状崩れが生じる場合がある。
【００３１】
［課題等（３）−形状崩れ］
図１４は、比較例における積層造形の加工時の溶融池面積等の違いに応じた積層物の形状等の違い、及び形状崩れの例について模式的に示す。図１４では、Ｘ−Ｚ平面で、母材３及び溶融池６の部分を示す。まず、図１４の（Ａ）及び（Ｂ）は、第１条件として、好適な制御及び造形の場合を示す。（Ａ）は、母材３の面上、Ｘ方向において、所定の粉末金属供給範囲Ｗ１１で粉末金属４を供給しながらレーザ光を照射して、溶融池６が形成されている様子を示す。なお、図１４では、比較のため、各条件で粉末金属供給範囲Ｗ１１，Ｗ１２，Ｗ１３を同じにした場合を示している。Ｘ−Ｙ平面での溶融池６の面積をＳ１１等で示す。面積Ｓ１１は好適な場合である。（Ｂ）は、（Ａ）の制御及び加工の結果における、レーザヘッド１の通過後、凝固後の積層物５の形状を示す。積層物５のＺ方向の高さをＨ１１等で示す。この結果では、積層物５は、母材３の面（主面３ｐを基準とする）上における高さＨ１１を有する。高さＨ１１は、積層物５の形状が好適、即ち目標値に近い状態である。
【００３２】
図１４の（Ｃ）及び（Ｄ）は、第２条件として、溶融池面積が（Ａ）の場合に比べて大きい場合を示す。（Ｃ）は、所定の粉末金属供給範囲Ｗ１２に対して、溶融池面積Ｓ１２を有する。Ｓ１２＞Ｓ１１である。こうなる要因としては、例えば粉末金属４等の溶融の温度に対し、レーザ光出力が大きすぎた場合や、後述の層毎の組成が異なる場合等、各種の要因が挙げられる。（Ｄ）は、（Ｃ）の結果として、積層物５は、母材３の面上における高さＨ１２を有する。この状態では、積層物５の形状崩れとして高さ不足が発生している。高さＨ１２は、（Ｂ）の高さＨ１１に対して不足している。
【００３３】
図１４の（Ｅ）及び（Ｆ）は、第３条件として、溶融池面積が（Ａ）の場合に比べて小さい場合を示す。（Ｅ）は、所定の粉末金属供給範囲Ｗ１３に対して、溶融池面積Ｓ１３を有する。Ｓ１３＜Ｓ１１である。こうなる要因としては、例えば粉末金属４等の溶融の温度に対し、レーザ光出力が小さすぎた場合や、後述の層毎の組成が異なる場合等、各種の要因が挙げられる。（Ｆ）は、（Ｅ）の結果として、積層物５は、母材３の面上における高さＨ１３を有する。この状態では、積層物５の形状崩れとして、内部に空洞が発生している。なお、積層物５の外形表面に窪みやひび等が発生する場合もある。高さＨ１３は、（Ｂ）の目標の高さＨ１１に対して過剰である。また、高さＨ１３が高さＨ１１と同程度になる場合もあるが、積層物５の内部には空洞が発生している。そのため、この積層物５の部分では、目標値に対して強度が不足しており、つぶれ等の原因となり得る。
【００３４】
また、第２制御方式の場合では、溶融池面積を一定値（例えば制御目標値として面積Ｓ１１）に近付けるようにレーザ光出力を可変制御する。その場合でも、レーザ光が照射される対象箇所では、溶融池６や積層物５の構成要素となる各種の物質の物性や組成（混合比率等）が異なることで、温度等の状態が異なる場合がある。その結果、上記のように形状崩れ等が発生する場合がある。
【００３５】
本発明者等の検討として、溶融池面積を大小に変えた各種の設定及び制御で積層造形する実験を行った。その実験の結果、積層物の形状の精度や品質に違いが現れた。例えば、ある溶融池面積（第１値）にするように造形した場合に、積層物の形状崩れとして、図１４の（Ｄ）のように、高さ不足が発生した。別のある溶融池面積（第２値）にするように造形した場合に、図１４の（Ｆ）のように、積層物内に空洞が発生した。溶融池面積の値に応じて、積層物の形状崩れが発生する位置、種類、度合い等が異なった。この結果から、適切に溶融池面積を制御して造形すれば、積層物の形状の精度や品質を高めることができる、とわかった。
【００３６】
（実施の形態１）
図１〜図５を用いて、本発明の実施の形態１の積層造形装置及び方法について説明する。実施の形態１の積層造形装置は、ＬＭＤ方式の積層造形を行う装置である。実施の形態１の積層造形方法は、ＬＭＤ方式の積層造形の制御方法であり、実施の形態１の積層造形装置において実行されるステップを有する方法である。
【００３７】
［概要］
前述のように、比較例の積層造形装置では、加工時に、積層物５の形状崩れ等が発生し得る。そのため、実施の形態１の積層造形装置及び方法では、以下に説明するように、積層物５の形状崩れ等を防止または抑制するための工夫を有する。その工夫として、実施の形態１の積層造形装置及び方法では、特有の積層造形の制御を行う。実施の形態１の積層造形装置では、積層造形の制御として、第１制御方式または第２制御方式を基本としつつ、特有の制御を加える。実施の形態の積層造形装置及び方法では、適切に溶融池面積を制御する方式を用いる。
【００３８】
実施の形態１の積層造形装置では、積層造形時に、加工の進行状況に応じて、リアルタイムで、対象箇所の溶融池の面積を測定するセンサと、積層物部分の比熱を検出するセンサとを有している。
【００３９】
実施の形態１の積層造形装置は、その比熱の値に応じて、好適な溶融池面積の制御目標値を決定する。即ち、実施の形態１の方式では、溶融池面積について好適に制御するための制御目標値そのものを、層数Ｎの積層物部分の比熱を反映した値として決定する。そして、実施の形態１の積層造形装置は、その溶融池面積制御目標値に応じて、レーザ光出力を可変するように、フィードバック制御を行う。このフィードバック制御は、実際値である検出値が制御目標値に近付くように補正する制御である。これにより、本方式では、積層物５の形状崩れ（前述の高さ不足や空洞発生等）を防止または抑制する。
【００４０】
［積層造形装置］
図１は、実施の形態１の積層造形装置及び方法を含む構成を示す。図１では、加工対象物である母材３等を含めて示している。実施の形態１の積層造形装置は、レーザヘッド１、光ファイバ部１Ｃ、制御部１０、記憶部２０、駆動部３０、入出力設定部４０等を備え、それらの要素が相互に接続されている。
【００４１】
制御部１０は、積層造形装置の全体及び各部を制御し、積層造形の制御を実行する。制御部１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有する。制御部１０は、計算部１１を含む。計算部１１は、制御のための値を計算する。駆動部３０は、制御部１０からの制御に基づいて、レーザヘッド１等を駆動する。駆動部３０は、光ファイバ部１Ｃ及びレーザヘッド１のレーザ光出射部１Ａや粉末金属供給部１Ｂ等と接続されている。光ファイバ部１Ｃには、レーザヘッド１が接続されている。尚、レーザ光出射部はレーザ光出射機構の一実施形態であり、粉末金属供給部は粉末供給機構の一実施形態である。
【００４２】
光ファイバ部１Ｃ及びレーザヘッド１には、レーザ光出射部１Ａ及び粉末金属供給部１Ｂが内蔵されている。レーザヘッド１の中心軸にはレーザ光出射部１Ａが実装されており、その外側の円環部には、粉末金属供給部１Ｂが実装されている。レーザ光出射部１Ａは、光ファイバ部１Ｃからのレーザ光２を、Ｚ方向の下方の対象箇所へ向けて出射する。粉末金属供給部１Ｂは、ノズル等を含み、Ｚ方向の下方の対象箇所へ向けて、粉末金属４及びガス等を噴出する。積層造形装置は、レーザ光出射部１Ａを含むレーザ光出射機構と、粉末金属供給部１Ｂを含む粉末金属供給機構とを備える。粉末金属供給機構は、粉末金属４以外にも所定のガスや他の物質を供給可能な機構である。
【００４３】
実施の形態１での積層造形装置は、図１に示すようなレーザヘッド１等の構成に限らず、別の構成にも適用可能である。例えば、レーザヘッド１の中心軸に粉末金属供給部が内蔵され、外周部にレーザ光出射部が内蔵されていてもよい。また、レーザヘッド１と、粉末金属供給部を含むヘッドまたはノズル等とが、別体で分離され、並列配置されている構成でもよい。
【００４４】
また、光ファイバ部１Ｃ及びレーザヘッド１の側面付近には、光センサ７及び比熱測定センサ８が設けられている。これらのセンサの実装や方式については特に限定しない。
【００４５】
光センサ７は、溶融池の面積を検出するセンサ（溶融池面積測定部）である。光センサ７は、積層造形中、Ｚ方向の下方の対象箇所における溶融池面積（後述の検出値Ｓ２）等を検出する。光センサ７の検出値は、検出信号として、制御部１０の計算部１１へ送られる。
【００４６】
光センサ７は、任意の方式で溶融池面積を検出する。光センサ７は、例えばサーモグラフィ方式で、対象箇所を含む母材３面の所定範囲内の温度分布を計測する機能を有する。その温度分布では、溶融池６の部分では相対的に温度が高く、溶融池６の外側の部分では相対的に温度が低くなっている。そのため、その温度分布から、例えば温度閾値との比較等によって、溶融池６の領域を特定し、溶融池面積を計算できる。
【００４７】
比熱測定センサ８は、積層造形中、Ｚ方向の下方の対象箇所における形成された積層物５の部分の比熱（後述の積層物比熱Ｃｍ）を測定する。比熱測定センサ８での比熱の測定値は、検出信号として、制御部１０の計算部１１へ送られる。比熱測定センサ８は、任意の方式で比熱を測定する。例えば、比熱測定センサ８は、積層物に、赤外線センサを用いてセンサと反対側からレーザーパルス光を照射するレーザーフラッシュ法等により比熱を測定できるが、その他の方法で比熱を計算してもよい。
【００４８】
記憶部２０には、制御用のプログラム２１や設定情報２２、構造物データ２３、比熱情報２４等が格納されている。制御部１０は、プログラム２１に従った処理を実行することで、積層造形の制御を実現する。設定情報２２は、プログラム２１に伴う設定情報であり、積層造形の制御に用いる各種の設定情報（事前入力設定値を含む）を含む。構造物データ２３は、目標の構造物のデータであり、例えば３次元ＣＡＤで作成されたデータである。比熱情報２４は、後述の比熱の測定に用いるための公知情報であり、材料物質毎の比熱等の情報である。なお、比熱情報２４は、予めＤＢとして整備されているものを用いてもよい。また、積層造形装置が外部のＤＢの比熱等を含む各種の情報を参照して制御に用いる形態としてもよい。
【００４９】
入出力設定部４０は、積層造形装置の外部装置に対する入出力インタフェースや、ユーザに対するユーザインタフェースを有する。入出力設定部４０は、例えば、操作パネルや表示装置、通信インタフェース装置等を備える。入出力設定部４０は、ＰＣ等で構成してもよい。入出力設定部４０は、ユーザの操作入力を受け付けて、操作入力に基づいて、設定情報２２等を設定可能である。
【００５０】
目標の積層造形物を作成するための構造物データ２３は、３次元ＣＡＤシステムを用いて作製することができる。構造物データ２３は、構造物の３次元形状を表すデータである。入出力設定部４０は、構造物データ２３を入力し、記憶部２０に格納する。制御部１０は、構造物データ２３から、層数Ｎ等のパラメータの情報を抽出する。あるいは、ユーザが入出力設定部４０を通じて層数Ｎ等のパラメータの情報を設定してもよい。
【００５１】
レーザヘッド１は、制御に基づいて、母材３の主面３ｐ上で、走査に応じた方向Ａ１へ移動しながら、主面３ｐの対象箇所へレーザ光２を照射し、粉末金属４及びガス等を供給する。レーザ光２が照射される箇所に、粉末金属４等が供給される。レーザ光２によって母材３の表面や粉末金属４等が溶融することで、溶融池６が形成される。走査に伴い、対象箇所（レーザ光２の照射位置及び粉末金属４の供給位置）が移動する。溶融池６は、レーザ光２の照射位置が通り過ぎることで、温度変化によって凝固し、積層物５として形成される。即ち、走査の移動軌跡上に積層物５が形成される。
【００５２】
実施の形態１では、概念として、溶融池６は母材３と粉末金属４との混合物であると考え、その混合物における母材混合比率εを考える。母材３と粉末金属４との混合比率は、様々であり、母材３が１００％の場合も粉末金属４が１００％の場合も含むとする。母材混合比率εを、母材３の質量（Ｍｂ）に対する粉末金属４の質量（Ｍｐ）の比率（ε＝Ｍｂ／（Ｍｐ＋Ｍｂ））とする。母材混合比率εは、０から１までの範囲内の値とする（０≦ε≦１）。
【００５３】
実施の形態１の積層造形装置は、比較例と同様に、レーザヘッド１にレーザ光出射機構の一部及び粉末金属供給機構の一部が内蔵されている場合を示すが、これに限らず適用可能である。レーザ光出射機構と粉末金属供給機構とが別の装置として分かれていてもよい。また、例えば、レーザヘッドの中心軸に粉末金属供給部が設けられ、外周部にレーザ光出射部が設けられていてもよい。また、１つのヘッドにおいて、２つ以上のレーザ光出射部や、２つ以上の粉末金属供給部が設けられていてもよい。
【００５４】
実施の形態１の積層造形装置は、レーザヘッド１に、光センサ７及び比熱測定センサ８が設けられている。これらのセンサの実装の詳細については限定しない。レーザヘッド１に各種のセンサが内蔵されていてもよいし、レーザヘッド１外にセンサが取り付けられていてもよい。レーザヘッド１と共にセンサが移動してもよいし、センサが移動せずに固定されていてもよい。
【００５５】
［積層物例］
図２は、積層物５や層数Ｎの例を示す。なお、Ｘ−Ｚ断面を示すが、断面ハッチング等を省略する。母材３の主面３ｐ上に、積層物５として、３層による構造物が形成されている例を示す。この積層物５は、母材３の主面３ｐから上層へ順に、第１層（Ｎ＝１）の積層物５１、第２層（Ｎ＝２）の積層物５２、第３層（Ｎ＝３）の積層物５３を有する。母材３のＸ−Ｙ平面では、構造物の形状に応じたパスを有する。このパスは、レーザヘッド１の走査の軌跡と対応する。本例では、現在積層造形中の層が第３層（Ｎ＝３）であり、その積層物５３における対象箇所（一点鎖線で示すレーザヘッド１の中心軸の下方の位置）に、溶融池６が形成されている様子を示す。
【００５６】
［制御パラメータ］
実施の形態１で制御部１０が扱うパラメータ（一定値の場合を含む）として以下を有する。制御部１０は、このようなパラメータ値をメモリ（ＲＡＭ等）または記憶部２０に記憶する。
【００５７】
Ｎ：層数
Ｖ：粉末金属供給量
Ｃｍ：積層物比熱
Ｓ１：溶融池面積の制御目標値
Ｓ２：溶融池面積の検出値
Ｐ：レーザ光出力（電力）。
【００５８】
層数Ｎは、積層物５における現在積層造形されている対象の層を表す。母材３面上に積層造形される最初の層を第１層（Ｎ＝１）とし、下層から上層へ順にＮ値が増加するものとする。
【００５９】
粉末金属供給量Ｖは、レーザヘッド１の粉末金属供給部１Ｂから対象箇所へ噴出して供給される粉末金属４の供給量を示す。
【００６０】
層数Ｎや粉末金属供給量Ｖは、基本的な制御パラメータであり、構造物データ２３またはそれに対応する設定情報２２のうちの１つの情報として得られる。その他、基本的な制御パラメータまたは設定情報としては、使用する材料物質、目標の構造物の寸法、等が挙げられる。
【００６１】
積層物比熱Ｃｍは、積層物５の部分（層数Ｎや位置座標に応じた部分）毎の比熱である。積層物比熱Ｃｍは、比熱測定センサ８による測定値として得られる。
【００６２】
溶融池面積の制御目標値Ｓ１は、積層物比熱Ｃｍに応じて可変制御されるパラメータ値である。
【００６３】
溶融池面積の検出値Ｓ２は、光センサ７による検出値として得られる、対象箇所（層数Ｎや位置座標に応じた部分）の溶融池６の面積の実際値である。
【００６４】
レーザ光出力Ｐは、レーザ光２の電力であり、溶融池面積の制御目標値Ｓ１に応じて可変制御されるパラメータ値である。
【００６５】
なお、制御の際には、例えば溶融池面積に関する閾値Ｓｔ等も用いる。閾値Ｓｔ等の閾値は、予め固定の一定値として設定されている形態でもよいし、入出力設定部４０を通じてユーザが可変に設定できる形態でもよい。
【００６６】
［積層造形の制御（積層造形方法）］
図３は、実施の形態１での制御部１０による積層造形のフィードバック制御の概要を示す。制御部１０は、基本制御パラメータとして、層数Ｎや粉末金属供給量Ｖ等を用いる。制御部１０は、目標の構造物を積層造形するための高さ方向（Ｚ方向）の複数の層における現在造形中の層を表す数（層数Ｎ）を把握する。制御部１０は、層数Ｎに応じて、制御目標値を異ならせる。
【００６７】
制御部１０は、積層プログラムの層数Ｎをカウントしており、層数が増加時点の制御として、計算部１１を用いて、溶融池面積の制御目標値Ｓ１の計算１０１や、レーザ光出力Ｐの計算１０２を行う。なお、初回の時点の制御では、所定の初期設定値が適用される。制御部１０は、計算して決定したレーザ光出力Ｐに基づいてレーザヘッド１を駆動させて、各回の時点の積層造形を実行させる。その各回の時点の積層造形の状態及び結果として、各センサによる検出値が得られる。即ち、光センサ７による検出値として、対象箇所の溶融池６の面積の検出値Ｓ２が得られる。また、比熱測定センサ８による測定値として、対象箇所の積層物５の積層物比熱Ｃｍが得られる。
【００６８】
制御部１０は、得られた溶融池面積の検出値Ｓ２と積層物比熱Ｃｍとを用いて、次回の時点の制御を行う。制御部１０は、まず、計算１０１として積層物比熱Ｃｍを用いて、所定の関係式等に基づいて、溶融池面積の制御目標値Ｓ１を計算部１１（特に溶融池制御目標値計算部）で計算して決定する。制御目標値Ｓ１は、積層物比熱Ｃｍに比例する値として決定される。
【００６９】
次に、制御部１０は、その溶融池面積の制御目標値Ｓ１を用いて、所定の関係式等に基づいて、レーザ光出力Ｐを計算部１１（特に出力制御部）で計算して決定する。このように、各回の制御がフィードバック制御のループとして繰り返される。
【００７０】
［溶融池面積制御目標値の計算］
計算部１１は、計算１０１として、積層物比熱Ｃｍの検出信号に基づいて、溶融池面積の制御目標値Ｓ１を計算する。この際、溶融池面積の制御目標値Ｓ１は、下記の式１に基づいて計算される。
【００７１】
Ｓ１＝Ａ×Ｃｍ      ・・・式１
前出の通り、制御目標値Ｓ１が積層物比熱Ｃｍに比例するということを式で示すと式１の通りである。式１は、溶融池面積の制御目標値Ｓ１が積層物比熱Ｃｍと所定の係数Ａとの乗算による一次関数で決定されることを示す。式１を変形すると、Ｓ１／Ｃｍ＝Ａである。係数Ａは一定値である。
【００７２】
図４は、式１に対応するパラメータの関係を表すグラフを示す。このグラフは、式１の一次関数に対応し、線形の直線で表される。横軸が積層物比熱Ｃｍ［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］、縦軸が溶融池面積の制御目標値Ｓ１［ｍｍ２］である。計算部１１は、このような関係式に基づいて、制御目標値Ｓ１を決定する。
【００７３】
実施の形態１の方式において、層数Ｎ及び位置座標に応じた積層物５の部分毎に、積層物比熱Ｃｍが異なる場合がある。その積層物比熱Ｃｍに応じて異なる値として、溶融池面積の制御目標値Ｓ１が設定される。
【００７４】
［レーザ光出力の計算］
図５は、制御部１０におけるレーザ光出力Ｐの制御、及び計算１０２について示す。実施の形態１の方式では、溶融池面積の制御目標値Ｓ１と検出値Ｓ２との差分をみて、次回の時点のレーザ光出力Ｐを決定する。制御部１０は、溶融池面積の制御目標値Ｓ１に対し、検出値Ｓ２が、一定値以上に大きい場合、次回の時点のレーザ光出力Ｐを減少させる。同様に、制御部１０は、制御目標値Ｓ１に対し、検出値Ｓ２が一定値以上に小さい場合、次回の時点のレーザ光出力Ｐを増加させる。
【００７５】
実施の形態１の方式では、溶融池面積の制御目標値Ｓ１、検出値Ｓ２、及び閾値Ｓｔを用いて、レーザ光出力Ｐの可変値が計算される。本制御例では、レーザ光出力Ｐの基準値Ｐ０に対し、各回の制御で値を増減して可変制御値を決定する。正の閾値Ｓｔ１、負の閾値Ｓｔ２、とする。
【００７６】
詳しくは以下である。計算部１１は、ある時点での溶融池面積の制御目標値Ｓ１に対する検出値Ｓ２の差分値Ｓｄ＝（Ｓ２−Ｓ１）をみる。計算部１１は、差分値Ｓｄが、所定の正の閾値Ｓｔ１以上である場合（Ｓｄ≧Ｓｔ１）、次の時点のレーザ光出力Ｐを、前の時点のレーザ光出力Ｐに対し、所定の単位量または所定の率で減少させる。同様に、制御部１０は、差分値Ｓｄが、所定の負の閾値Ｓｔ２以下である場合（Ｓｄ≦Ｓｔ２）、次の時点のレーザ光出力Ｐを、前の時点のレーザ光出力Ｐに対し、所定の単位量または所定の率で増加させる。本例では、単位量Ｐｕを用いる。
【００７７】
図５では、制御例を示す。横軸が時間、縦軸がレーザ光出力Ｐを示す。下側には閾値判定について示す。最初、レーザ光出力Ｐが初期値として基準値Ｐ０である。時点ｔ１では、Ｓｄ＝（Ｓ２−Ｓ１）≧Ｓｔ１となった。そのため、制御部１０は、レーザ光出力Ｐを、基準値Ｐ０から所定の単位量Ｐｕで減少させた値Ｐ１（＝Ｐ０−Ｐｕ）に変更している。また、時点ｔ２では、Ｓｄ＜Ｓｔ１となった。そのため、制御部１０は、レーザ光出力Ｐを、値Ｐ１から所定の単位量Ｐｕで増加させた値に変更し、即ち基準値Ｐ０に戻っている。また、時点ｔ３では、Ｓｄ≦Ｓｔ２となった。そのため、制御部１０は、レーザ光出力Ｐを、基準値Ｐ０から所定の単位量Ｐｕで増加させた値Ｐ２（＝Ｐ０＋Ｐｕ）に変更している。また、時点ｔ４では、Ｓｄ＞Ｓｔ２となった。そのため、制御部１０は、レーザ光出力Ｐを、値Ｐ２から単位量Ｐｕで減少させた値に変更し、即ち基準値Ｐ０に戻っている。
【００７８】
上記レーザ光出力Ｐの可変制御によって、溶融池面積の検出値Ｓ２が制御目標値Ｓ１に近付く。これにより、積層物５の形状崩れが防止または抑制される。上記制御例に限らず可能である。例えば、差分値Ｓｄ＝（Ｓ２−Ｓ１）の大きさに応じた率で増減量を決定してもよい。
【００７９】
［効果等］
上記のように、実施の形態１によれば、ＬＭＤ方式の積層造形の制御によって、積層物５の形状崩れが防止または抑制されるので、構造物の形状や強度等に関する精度や品質を高めることができる。
【００８０】
（実施の形態２）
図６〜図１２を用いて、本発明の実施の形態２の積層造形装置及び方法について説明する。実施の形態２の基本的な構成は実施の形態１と同様であり、以下、実施の形態２における実施の形態１とは異なる構成部分について説明する。実施の形態２では、センサの構成や、計算部１１の計算処理内容が異なる。実施の形態２では、より詳しい計算を行う。実施の形態２では、積層物比熱Ｃｍを、比熱測定センサ８で直接測定するのではなく、詳細な計算によって得る。
【００８１】
［積層造形装置］
図６は、実施の形態２の積層造形装置等の構成を示す。実施の形態２の積層造形装置では、レーザヘッド１において、光センサ７と、位置センサ９とを備え、前述の比熱測定センサ８については備えない。
【００８２】
位置センサ９は、任意の方式で、対象箇所における溶融池６の深さや積層物５の高さを検出する。位置センサ９の検出値は、検出信号として、計算部１１へ送られる。
【００８３】
制御部１０は、プログラム２１及び事前入力設定値（設定情報２２）に基づいて、層数Ｎ、粉末金属供給量Ｖ、母材比熱Ｃｂ、粉末金属比熱Ｃｐ等を参照して用いる（図９）。
【００８４】
計算部１１は、位置センサ９の検出値（溶融池深さＤ、積層物高さＨ）、母材比熱Ｃｂ、粉末金属比熱Ｃｐを用いて、積層物比熱Ｃｍを計算する（図９）。
【００８５】
［制御パラメータ］
実施の形態２で制御部１０が扱う制御パラメータ（一定値の場合を含む）として以下を有する。制御部１０は、このようなパラメータ値をメモリまたは記憶部２０に記憶する。なお、実施の形態１と共通のパラメータとして、Ｎ，Ｖ，Ｃｍ，Ｓ１，Ｓ２，Ｐである。
【００８６】
Ｎ：層数
Ｖ：粉末金属供給量
Ｃｂ：母材比熱
Ｃｐ：粉末金属比熱
Ｃｍ：積層物比熱
ε：混合比率（母材混合比率）
Ｓ１：溶融池面積の制御目標値
Ｓ２：溶融池面積の検出値
Ｄ：溶融池深さ
Ｈ：積層物高さ
Ｐ：レーザ光出力（電力）。
【００８７】
実施の形態２では、母材比熱Ｃｂ、粉末金属比熱Ｃｐ、混合比率ε、溶融池深さＤ、積層物高さＨを用いる。母材比熱Ｃｂは、母材３の比熱である。粉末金属比熱Ｃｐは、粉末金属４の比熱である。母材比熱Ｃｂや粉末金属比熱Ｃｐは、材料物質に応じた値であり、構造物データ２３や比熱情報２４の一部として得られる。積層物比熱Ｃｍは、それらの比熱を用いて計算される。混合比率εは、対象箇所の積層物５の全体量に対して母材３の成分が混合している比率を示す。この比率は、概略的に、［母材量］／［全体量］＝［母材量］／（［粉末金属量］＋［母材量］）で表される。溶融池深さＤは、溶融池６の深さ（Ｚ方向の長さ）である。積層物高さＨは、積層物５の高さ（Ｚ方向の長さ）である。なお、本実施形態における全体量、母材量、及び粉末金属量の「量」は典型的には質量である。
【００８８】
［溶融池深さ、積層物高さ］
図７は、溶融池深さＤ、積層物高さＨの概念について示す。層数Ｎ＝１の場合で示す。図７の（Ａ）は、母材３の主面３ｐ上に第１層（Ｎ＝１）の積層物５を造形する際の、対象箇所の溶融池６と、その溶融池面積の制御目標値Ｓ１（または検出値Ｓ２）、溶融池深さＤを示す。図７の（Ｂ）は、（Ａ）の加工結果として、即ち溶融池６の凝固によって造形された、第１層の積層物５の部分における、積層物高さＨを示す。
【００８９】
なお、溶融池６の形状の概念としては、図７の（Ｃ）や（Ｄ）のような溶融池６の形状になる場合も含む。図７の（Ｃ）では、Ｚ方向で主面３ｐ以上に溶融池６が凸状部分として形成されている。母材３は殆ど溶融していない。この場合、溶融池深さＤは、溶融池高さの概念を含む。図７の（Ｄ）では、Ｚ方向で主面３ｐ以下に溶融池６が下に凸状部分として形成されている。
【００９０】
［光センサ、位置センサ］
図８は、光センサ７、及び位置センサ９の詳細例を示す。光センサ７は、例えばサーモグラフィ方式で温度分布状態を検出できるセンサである。光センサ７は、レーザヘッド１の中心軸の下方の対象箇所を含む所定の範囲８０１の温度分布状態を検出する。光センサ７（または計算部１１）は、その温度分布状態から、溶融池６の領域を特定し、溶融池面積（検出値Ｓ２）を検出する。
【００９１】
位置センサ９は、対象物（溶融池６や積層物５）の位置及び形状を検出する。位置センサ９は、例えば光学的な距離センサを用いる。位置センサ９は、対象箇所（レーザ光２の照射位置や、その後ろの所定の位置）へ向けて測定用の光を照射し、その反射光を検出する。位置センサ９は、その光が対象物に当たって戻ってくるまでの往復時間を測定し、その時間に基づいて、対象物との距離を測定する。位置センサ９（または計算部１１）は、その距離と、基準となる距離Ｚｃ（主面３ｐとレーザヘッド１との距離）とから、溶融池深さＤや積層物高さＨを測定する。溶融池深さＤの測定方法として、例えば光学センサでレーザ照射部付近の温度分布を測定して算出する等の方法があるが、測定方法はそれに限定しない。
【００９２】
なお、光センサ７で溶融池深さＤを検出してもよい。また、溶融池深さＤを検出するセンサと、積層物高さＨを検出するセンサとを分けて設けてもよい。
【００９３】
［積層造形の制御］
図９は、実施の形態２での制御部１０による積層造形のフィードバック制御の概要を示す。制御部１０は、基本制御パラメータとして、層数Ｎ、粉末金属供給量Ｖ、母材比熱Ｃｂ、粉末金属比熱Ｃｐ等を用いる。制御部１０は、各回の時点の制御として、混合比率εの計算２０１、積層物比熱Ｃｍの計算２０２、溶融池面積の制御目標値Ｓ１の計算２０３、及びレーザ光出力Ｐの計算２０４を行う。なお、初回の時点の制御では、所定の初期設定値が適用される。制御部１０は、計算して決定したレーザ光出力Ｐに基づいてレーザヘッド１を駆動させて、各回の時点の積層造形を実行させる。
【００９４】
各回の時点の積層造形の状態及び結果として、各センサによる検出値が得られる。即ち、光センサ７による検出値として、対象箇所の溶融池面積の検出値Ｓ２が得られる。位置センサ９による測定値として、対象箇所の溶融池深さＤ、及び積層物高さＨが得られる。
【００９５】
制御部１０は、得られた溶融池面積の検出値Ｓ２、溶融池深さＤ、及び積層物高さＨ等を用いて、次回の時点の制御を行う。計算部１１は、まず、計算２０１として、層数Ｎや、それらの検出値（Ｓ２，Ｄ，Ｈ）を用いて、所定の関係式等に基づいて、混合比率εを計算する。
【００９６】
次に、計算部１１の比熱計算部により、計算２０２として、その混合比率εと、母材比熱Ｃｂ、及び粉末金属比熱Ｃｐを用いて、所定の関係式等に基づいて、積層物比熱Ｃｍを計算する。
【００９７】
次に、計算部１１の溶融池制御目標値計算部により、計算２０３として、実施の形態１と同様に、その積層物比熱Ｃｍを用いて、所定の関係式で、溶融池面積の制御目標値Ｓ１を計算する。
【００９８】
次に、計算部１１は、計算２０４として、実施の形態１と同様に、その溶融池面積の制御目標値Ｓ１を用いて、所定の方式で、レーザ光出力Ｐを決定する。このように、各回の制御がフィードバック制御のループとして繰り返される。
【００９９】
実施の形態２の積層造形装置は、上記のように、ある時点の層数Ｎの積層造形の際に、実際に形成された積層物５の部分における混合比率ε及び積層物比熱Ｃｍを計算し、メモリに記憶する。積層造形装置は、混合比率ε及び積層物比熱Ｃｍを、事前入力設定値（層数Ｎや粉末金属供給量Ｖ等）と、位置センサ９の検出値とを用いて計算する。
【０１００】
混合比率は、例えば母材混合比率であり、着目する積層物部分の全体に対して母材が混合している比率を表す。
【０１０１】
実施の形態２の積層造形装置は、ある時点の層数Ｎの積層物５の部分の混合比率ε及び積層物比熱Ｃｍに基づいて、次の時点の制御のための溶融池面積の制御目標値Ｓ１を決定する。言い換えると、積層造形装置は、層数Ｎの積層物５の部分毎の混合比率ε及び積層物比熱Ｃｍの変化に応じて、溶融池面積の制御目標値Ｓ１を変化させるように設定する。
【０１０２】
積層造形装置は、溶融池面積の制御目標値Ｓ１に応じて、レーザ光出力Ｐの可変値を決定して、フィードバック制御を行う。このようなフィードバック制御の繰り返しによって、積層物５の形状崩れが防止または抑制される。その結果、構造物の形状や強度等に関する精度や品質を高めることができる。
【０１０３】
［混合比率の計算］
図１０は、実施の形態２における混合比率εの計算２０２について示す。図１０のグラフは、混合比率εと層数Ｎとの関係を示す。下側には、混合比率εを計算するための式３も示している。
【０１０４】
計算部１１は、光センサ７及び位置センサ９の検出信号に基づいて、溶融池６の面積の検出値Ｓ２、溶融池深さＤ、積層物高さＨを把握する。計算部１１は、それらの値に基づいて、下記の式３によって、層数Ｎの溶融池６や積層物５の部分における、母材３と粉末金属４との混合比率εを計算する。
【０１０５】
εＮ＝εＮ−１（１−Ｖ／（Ｓ２×（Ｄ＋Ｈ）））      ・・・式３
図１０のグラフの折線は、式３に基づいた関係として、層数Ｎに応じた混合比率ε［％］を示す。式３で、混合比率εは、漸化式で表される。混合比率εは、層数Ｎ、溶融池面積の検出値Ｓ２、溶融池深さＤ、積層物高さＨ、粉末金属供給量Ｖを用いて計算される。式３では、ある層（層数Ｎ）のある位置（ｘ，ｙ）の積層物５の部分の混合比率εＮは、その１つ下の層（Ｎ−１）の同じ位置（ｘ，ｙ）の積層物５（または母材３）の部分の混合比率εＮ−１との関係で計算できることを表している。（Ｓ２×（Ｄ＋Ｈ））は、概略的に、溶融池６または積層物５の部分の体積を示している。
【０１０６】
混合比率ε（母材混合比率）は、概略的に、［母材量］／［全体量］＝［母材量］／（［粉末金属量］＋［母材量］）で表される。
【０１０７】
図１０のグラフの折線では、混合比率εは、層数Ｎが大きくなるほど、０に近付いた値になっている。上層の構造物５の部分になるほど、混合物の成分として、粉末金属４の量に対し母材３の量が少なくなる。そのため、このような関係になる。このように、層数Ｎに応じて混合比率εが異なることから、層数Ｎの積層物５の部分毎に積層物比熱Ｃｍも異なる。
【０１０８】
計算部１１は、計算した混合比率ε等の値を、メモリまたは記憶部２０に記憶する。計算部１１は、例えば、層数Ｎが増加する毎に、式３を用いて、混合比率εの値を更新する。
【０１０９】
なお、変形例の積層造形装置としては、式３を単純化して、εＮ＝εＮ−１×Ｂのような式を設定して適用してもよい。係数Ｂは、物性や詳細制御に応じた設定値である。この式は、ある層数Ｎの混合比率εを計算する際に、その１つ下の層の混合比率εが係数Ｂの乗算で反映されることを表す。例えば、第１層では母材３の成分が５０％、第２層では２５％、第３層では１２．５％、といったように、（１／２）＾Ｎの関係で、母材混合比率が小さくなる。
【０１１０】
［積層物比熱の計算］
図１１は、実施の形態２における積層物比熱Ｃｍの計算２０２について示す。計算部１１は、事前入力設定値である母材比熱Ｃｂ及び粉末金属比熱Ｃｐの値と、上記計算２０１で得られた混合比率εの値とに基づいて、対象箇所の積層物５の部分の積層物比熱Ｃｍを、下記の式４を用いて計算する。
【０１１１】
Ｃｍ＝ε×Ｃｂ＋（１−ε）×Ｃｐ      ・・・式４
図１１のグラフの直線は、式４に基づいた関係として、混合比率ε［％］に応じた積層物比熱Ｃｍ［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］を示す。式４のように、積層物比熱Ｃｍは、混合比率εに応じた母材比熱Ｃｂ及び粉末金属比熱Ｃｐの組み合わせの計算で得られる。図１１では、積層物比熱Ｃｍは、混合比率εを変数とした線形の直線で表される。なお、母材３の層を考えた場合、その層では、混合比率ε＝１００％＝１．０であり、式４ではＣｍ＝Ｃｂとなり、例えばＮｉ基合金（７１８合金）を母材に選択した場合、Ｃｍは４５０程度となる。また、母材３の成分が殆ど無い上層を考えた場合、その部分では、混合比率ε＝０％＝０であり、式４ではＣｍ＝Ｃｐとなり、例えば超硬合金を粉末金属に選択した場合、Ｃｍは２５０程度である。
【０１１２】
［層数、混合比率、積層物比熱］
図１２は、実施の形態２の補足として、積層物５の層数Ｎに応じて異なる混合比率εや積層物比熱Ｃｍについて示す。図１２の（Ａ）は、母材３の主面３ｐ上の第１層（Ｎ＝１）の積層物５１における対象箇所の溶融池６等を示す。本例では、溶融池面積の検出値Ｓ２として面積Ｓ０である。この溶融池６の部分では、混合物として、母材３と粉末金属４との両方が影響している。詳細は材質や制御パラメータにも依存する。
【０１１３】
図１２の（Ｂ）は、（Ａ）に対応した加工結果としての積層物５１の部分５０１を示す。この部分５０１では、第１層（Ｎ＝１）であるため、母材３の成分が多く、混合比率ε（母材混合比率）は、相対的に大きい値になっている。例えば、この部分５０１における母材３の量と粉末金属４の量との比を、［母材量］：［粉末金属量］＝２：１と仮定して設定する。その場合、この時点の混合比率ε＝ε１は、［母材量］／［全体量］から、約２／３＝６６％である。この混合比率ε１を用いて、この積層物５１の部分５０１における積層物比熱Ｃｍ１が計算される。
【０１１４】
図１２の（Ｃ）は、第２層（Ｎ＝２）の積層物５２における溶融池６を示す。この溶融池６は、第１層の面積Ｓ０の積層物５１の部分５０１の上に形成される部分である。この溶融池６の部分では、第１層の積層物５１の部分５０１（それを構成する粉末金属４及び母材３）と、供給された粉末金属４との両方が影響している。
【０１１５】
図１２の（Ｄ）は、（Ｃ）に対応した加工結果としての積層物５２の部分５０２を示す。この部分５０２は、１つ下の層の積層物５１の部分５０１の上に形成されている。この部分５０２は、１つ下の層の部分５０１よりも上層にあるため、母材３の成分が相対的に少なくなっている。そのため、混合比率ε（母材混合比率）は、部分５０１に比べて相対的に小さい値になっている。例えば、この第２層の積層物５２の部分５０２の混合比率ε＝ε２（εＮ）は、部分５０１の混合比率ε１（εＮ−１）を用いて、前述の式で計算できる。この混合比率ε２を用いて、この部分５０２における積層物比熱Ｃｍ２が計算できる。
【０１１６】
同様であるが、層数Ｎの各層における溶融池６及び積層物５の部分では、その１つ下の層の部分の特性が大きく影響しているので、その影響を考慮して、所定の関係式で、混合比率εや積層物比熱Ｃｍが計算できる。これにより、層数Ｎに応じて異なる積層物比熱Ｃｍを反映した溶融池面積の制御目標値Ｓ１を用いた制御が実現できる。
【０１１７】
［効果等］
上記のように、実施の形態２によれば、ＬＭＤ方式の積層造形の制御によって、積層物５の形状崩れが防止または抑制されるので、構造物の形状や強度等に関する精度や品質を高めることができる。
【０１１８】
（変形例）
実施の形態１や実施の形態２の変形例の積層造形装置及び方法として、更に以下のような制御を行ってもよい。本発明者等による実験や検討によれば、層数Ｎの溶融池及び積層物の部分に応じて、混合比率や比熱が異なると共に、発生する形状崩れの度合いや種類や詳細も異なる。層数Ｎの溶融池及び積層物の部分に応じて、溶融池面積及びレーザ光出力を好適に制御することで、加工結果の積層物５の形状や強度等において、より好適な結果が得られる。例えば、構造物の複数の層を、概略的に下層、中層、上層のように複数に区分し、各層区分で制御パラメータ値を異なる値に設定してもよい。また、実施の形態１及び２では、制御部１０による制御目標値Ｓ１に近づくようなレーザ光出力Ｐの計算処理を開示した。しかし、制御目標値Ｓ１に近づくようなレーザ光出力Ｐの計算として他の計算を採用してもよい。
【０１１９】
他の変形例として、レーザ光出力の可変制御だけでなく、他のパラメータ（例えば粉末金属供給量）の可変制御を追加してもよい。
【０１２０】
以上、本発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、粉末金属は、合金（例えば超硬合金）の粉末でもよい。また、積層用粉末として、これまで粉末金属４を用いる場合について説明してきたが、積層用粉末は、（１）母材と異なる比熱を持つ、（２）レーザ光で溶融でき、積層用粉末の溶融物が母材の溶融物と混合できる、という特性を有する物質であればよく、本発明は粉末金属以外の積層用粉末の場合にも適用できる。そのような積層用粉末の一例としては、前述の粉末金属以外に、セラミックス粉末、サーメット粉末が挙げられる。そして、母材についても、レーザ光で溶融する特性を持つ物質であればよく、金属（合金を含む）以外に、セラミックス、サーメットであってもよい。
【符号の説明】
【０１２１】
１…レーザヘッド、１Ａ…レーザ光出射部、１Ｂ…粉末金属供給部、１Ｃ…光ファイバ部、２…レーザ光、３…母材、４…粉末金属、５…積層物、６…溶融池、７…光センサ、８…比熱測定センサ、９…位置センサ、１０…制御部、１１…計算部、２０…記憶部、２１…プログラム、２２…設定情報、２３…構造物データ、２４…比熱情報、３０…駆動部、４０…入出力設定部。
【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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