(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融した材料の固化物である単位ビードを並列させた層を積み重ねて造形物を製造する付加製造装置であって、
被加工物へ前記材料を供給する材料供給部と、
供給された前記材料を溶融させるビームを照射する照射部と、
前記材料供給部および前記照射部の制御によって前記単位ビードを形成させる制御装置と、を備え、
前記制御装置は、互いに接触して前記層を構成する単位ビード同士の形成において、形成された単位ビードを前記ビームの照射によって平坦化させ、前記平坦化させた単位ビードに接触する単位ビードを形成させることを特徴とする付加製造装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記形成された単位ビードの縁部に前記ビームを照射させることによって、前記形成された単位ビードを平坦化させることを特徴とする請求項１に記載の付加製造装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記単位ビードを形成するときにおける前記ビームよりも強度が低い前記ビームの照射によって、前記形成された単位ビードを平坦化させることを特徴とする請求項２に記載の付加製造装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記形成された単位ビードの頂部に前記ビームを照射させることによって、前記形成された単位ビードを平坦化させることを特徴とする請求項１に記載の付加製造装置。
【請求項５】
前記制御装置は、前記単位ビードを形成するときにおける前記ビームよりも強度が高い前記ビームの照射によって前記形成された単位ビードを平坦化させることを特徴とする請求項４に記載の付加製造装置。
【請求項６】
前記制御装置は、前記単位ビードを形成するときにおける前記ビームよりも径が大きい前記ビームの照射によって前記形成された単位ビードを平坦化させることを特徴とする請求項４に記載の付加製造装置。
【請求項７】
前記単位ビードは、玉状のビードであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の付加製造装置。
【請求項８】
前記制御装置は、前記単位ビードを形成するときにおける前記ビームよりも走査速度を高速にさせた前記ビームによって、前記形成された単位ビードを平坦化させることを特徴とする請求項２に記載の付加製造装置。
【請求項９】
前記制御装置は、複数の前記平坦化された単位ビードを含む前記層を形成させることを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の付加製造装置。
【請求項１０】
前記材料はワイヤであることを特徴とする請求項１から９のいずれか１つに記載の付加製造装置。
【請求項１１】
付加製造装置が、溶融した材料の固化物である単位ビードを並列させた層を積み重ねて造形物を製造する付加製造方法であって、
被加工物へ前記材料を供給する工程と、
供給された前記材料を溶融させるビームを照射する工程と、
被加工物への前記材料の供給と前記ビームの照射との制御によって前記単位ビードを形成させる工程と、を含み、
互いに接触して前記層を構成する単位ビード同士の形成において、形成された単位ビードを前記ビームの照射によって平坦化させ、前記平坦化させた単位ビードに接触する単位ビードを形成させることを特徴とする付加製造方法。
【請求項１２】
溶融した材料の固化物であって互いに接触して層を構成する単位ビード同士の形成において、形成された単位ビードをビームの照射によって平坦化させ、前記平坦化させた単位ビードに接触する単位ビードを形成し、前記層を積み重ねて造形物を製造する付加製造装置による付加製造のための加工条件の内容を学習する機械学習装置であって、
前記付加製造の際に生成された指令値と加工状態についての状態量とを含む状態情報を観測する状態観測部と、
前記平坦化させた単位ビードの形状を示す形状情報を動作結果として取得する動作結果取得部と、
前記状態情報と前記形状情報とに基づいて作成されるデータセットに従って、前記平坦化させた単位ビードを形成するための前記加工条件を学習する学習部とを備えることを特徴とする機械学習装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、３次元造形物を製造する付加製造装置、付加製造方法および機械学習装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
３次元造形物を製造する技術の１つとして、付加製造（Additive  Manufacturing：ＡＭ）の技術が知られている。付加製造の技術における複数の方式のうち、指向性エネルギ堆積（Direct  Energy  Deposition：ＤＥＤ）方式は、他の方式と比べて、造形物の製造にかかる時間が短く、かつ材料の簡単な切り換えが可能という利点がある。ＤＥＤ方式は、他の方式と比べて、被加工物であるベース材の制限が少ないという利点がある。ＤＥＤ方式の場合、材料の消費量が、造形物の製造のために使用される量に限られることによって、他の方式と比べて材料の無駄が少ない。ＤＥＤ方式の付加製造装置は、加工ヘッドの構成を適宜変更することによって、粉末とワイヤとの双方を材料として使用することができる。材料としてワイヤを使用する場合は、既製品である溶接ワイヤの流用が可能であることによって、材料の調達コストを抑えることができ、かつ材料を容易に調達することができる。【０００３】
特許文献１には、互いに接合された複数のビードからなる層を積み重ねることによって造形物を製造する方法が開示されている。特許文献１に開示される方法では、複数のビードの各々は、アークによって溶融させた溶接ワイヤを凝固させることによって形成される。また、特許文献１に開示される方法では、１つの層が形成されると、当該層の表面を溶融させてから次の層を形成することによって、互いに積み重ねられる２つの層の間に残存する空隙の抑制が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１９−６３８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に開示される従来技術によると、層の表面を溶融させても、同じ層において互いに隣り合うビードの間に空隙は残存する。このため、従来技術によると、造形物に空隙が残存することによって、造形物の強度が低下するという問題があった。【０００６】
本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、造形物の強度低下を抑制可能とする付加製造装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示にかかる付加製造装置は、溶融した材料の固化物である単位ビードを並列させた層を積み重ねて造形物を製造する。本開示にかかる付加製造装置は、被加工物へ材料を供給する材料供給部と、供給された材料を溶融させるビームを照射する照射部と、材料供給部および照射部の制御によって単位ビードを形成させる制御装置と、を備える。制御装置は、互いに接触して層を構成する単位ビード同士の形成において、形成された単位ビードをビームの照射によって平坦化させ、平坦化させた単位ビードに接触する単位ビードを形成させる。
【発明の効果】
【０００８】
本開示にかかる付加製造装置は、造形物の強度低下を抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１にかかる付加製造装置を示す図
【図２】実施の形態１にかかる付加製造装置による加工の様子を示す模式図
【図３】実施の形態１にかかる付加製造装置が有する制御装置のハードウェア構成例を示すブロック図
【図４】実施の形態１にかかる付加製造装置の動作手順を示すフローチャート
【図５】実施の形態１にかかる付加製造装置による堆積物の形成について説明するための図
【図６】実施の形態１にかかる付加製造装置によって形成される単位ビードを示す模式図
【図７】実施の形態１の比較例について説明するための図
【図８】実施の形態２にかかる付加製造装置の動作手順を示すフローチャート
【図９】実施の形態２にかかる付加製造装置による堆積物の形成について説明するための図
【図１０】実施の形態３にかかる付加製造装置の動作手順を示すフローチャート
【図１１】実施の形態３にかかる付加製造装置による堆積物の形成について説明するための図
【図１２】実施の形態３にかかる付加製造装置による玉ビードの形成方法を説明するフローチャート
【図１３】実施の形態３にかかる付加製造装置による玉ビードの形成について説明するための図
【図１４】実施の形態３にかかる付加製造装置によって形成される玉ビードの平面模式図
【図１５】実施の形態４にかかる付加製造システムの構成を示す図
【図１６】実施の形態４にかかる機械学習装置の動作手順を示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、実施の形態にかかる付加製造装置、付加製造方法および機械学習装置を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる付加製造装置を示す図である。図２は、実施の形態１にかかる付加製造装置による加工の様子を示す模式図である。付加製造装置１００は、溶融させた材料を被加工物へ付加することによって造形物を製造する工作機械である。実施の形態１において、ビームはレーザビーム２４であって、材料は金属のワイヤ５である。ワイヤ５は、金属以外であっても良い。付加製造装置１００にて使用される材料は、ワイヤ５に限られず、金属または樹脂の粉末であっても良い。
【００１２】
付加製造装置１００は、溶融した材料の固化物である単位ビードを並列させた層を積み重ねることによって堆積物１８を形成していき、造形物を製造する。造形物とは、加工プログラムにしたがった材料の付加を終えた堆積物１８を指す。付加製造装置１００は、ベース材１７に堆積物１８を形成する。ベース材１７は、ステージ１５に置かれる。図１に示すベース材１７は板材である。ベース材１７は、板材以外であっても良い。以下の説明において、被加工物とは、溶融させた材料が付加される物体であって、ベース材１７または堆積物１８を指すものとする。
【００１３】
付加製造装置１００は、被加工物に対して移動する加工ヘッド１０を備える。加工ヘッド１０は、ビームノズル１１とワイヤノズル１２とガスノズル１３とを有する。ビームノズル１１は、被加工物へ向けてレーザビーム２４を出射する。レーザビーム２４は、ワイヤ５を溶融させる熱源である。ワイヤノズル１２は、被加工物におけるレーザビーム２４の照射位置へ向けてワイヤ５を進行させる。ガスノズル１３は、被加工物へ向けてシールドガスである不活性ガス２５を噴射する。付加製造装置１００は、ガスの噴射によって、堆積物１８の酸化を抑制するとともに、被加工物に形成された層を冷却する。ビームノズル１１とワイヤノズル１２とガスノズル１３とは、加工ヘッド１０に固定されることにより、互いの位置関係が一意に定められている。すなわち、ビームノズル１１とガスノズル１３とワイヤノズル１２との相対位置は、固定されている。
【００１４】
ビーム源であるレーザ発振器２は、レーザビーム２４を発振する。レーザ発振器２からのレーザビーム２４は、光伝送路であるファイバーケーブル３を通って加工ヘッド１０へ伝搬する。レーザ発振器２とファイバーケーブル３と加工ヘッド１０とにより、ワイヤ５を溶融させるレーザビーム２４を被加工物へ照射する照射部が構成される。
【００１５】
ビームノズル１１から被加工物へ照射されるレーザビーム２４と、ワイヤ５の中心軸ＣＷとは、非同軸とされてもよく、同軸とされてもよい。ドーナツ状に成形されたドーナツビームをレーザビーム２４に使用することにより、または複数本に分岐されたレーザビームをレーザビーム２４に使用することにより、ビームノズル１１から被加工物へ照射されるレーザビーム２４と、ワイヤ５の中心軸ＣＷとを同軸上に配置することが可能である。なお、実施の形態１では、ビームノズル１１から被加工物へ照射されるレーザビーム２４と、ワイヤ５の中心軸ＣＷとが非同軸である場合について説明する。
【００１６】
ガス供給装置７は、配管８を通じてガスノズル１３へ不活性ガス２５を供給する。ガス供給装置７と配管８とガスノズル１３とにより、加工領域２６へ不活性ガス２５を噴出するガス供給部が構成される。
【００１７】
ワイヤ５が巻き付けられているワイヤスプール６は、材料の供給源である。サーボモータである回転モータ４の駆動に伴ってワイヤスプール６が回転することによって、ワイヤ５はワイヤスプール６から繰り出される。ワイヤスプール６から繰り出されたワイヤ５は、ワイヤノズル１２を通されて、レーザビーム２４の照射位置へ供給される。また、ワイヤ５をワイヤスプール６から繰り出す場合とは逆方向に回転モータ４を回転させることにより、レーザビーム２４の照射位置へ供給されたワイヤ５をレーザビーム２４の照射位置から引き抜くことができる。この場合、ワイヤスプール６から繰り出されているワイヤ５におけるワイヤスプール６側の一部がワイヤスプール６に巻き取られる。回転モータ４とワイヤスプール６とワイヤノズル１２とにより、被加工物へ材料を供給する材料供給部１９が構成される。
【００１８】
なお、ワイヤノズル１２には、ワイヤスプール６からワイヤ５を引き出すための動作機構が設けられても良い。付加製造装置１００は、回転モータ４とワイヤノズル１２の動作機構との少なくとも一方が設けられることによって、レーザビーム２４の照射位置へワイヤ５を供給可能とする。図１では、ワイヤノズル１２の動作機構の図示を省略している。
【００１９】
ヘッド駆動装置１４は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の各方向へ加工ヘッド１０を移動させる。Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに垂直な３軸である。Ｘ軸およびＹ軸は、水平方向に平行な軸である。Ｚ軸方向は、鉛直方向である。ヘッド駆動装置１４は、Ｘ軸方向への加工ヘッド１０の移動のための動作機構を構成するサーボモータと、Ｙ軸方向の加工ヘッド１０の移動のための動作機構を構成するサーボモータと、Ｚ軸方向への加工ヘッド１０の移動のための動作機構を構成するサーボモータとを有する。ヘッド駆動装置１４は、３軸のそれぞれの方向の並進運動を可能とする動作機構である。図１では、各サーボモータの図示を省略している。付加製造装置１００は、ヘッド駆動装置１４により加工ヘッド１０を移動させることで、被加工物におけるレーザビーム２４の照射位置を移動させることができる。付加製造装置１００は、ステージ１５を移動させることによって、被加工物におけるレーザビーム２４の照射位置を移動させても良い。
【００２０】
図１に示す加工ヘッド１０では、ビームノズル１１からＺ軸方向へレーザビーム２４を進行させる。ワイヤノズル１２は、ＸＹ面内においてビームノズル１１とは離れた位置に設けられており、Ｚ軸に対して斜めの方向へワイヤ５を進行させる。なお、ワイヤノズル１２は、加工ヘッド１０においてＺ軸方向へ向けて固定されることによって、Ｚ軸に対して平行な方向へワイヤ５を進行させても良い。ワイヤノズル１２は、ワイヤ５が所望の位置に供給されるようにワイヤ５の進行を制限する。
【００２１】
図１に示す加工ヘッド１０において、ガスノズル１３は、ＸＹ面内においてビームノズル１１の外周側にビームノズル１１と同軸に設けられており、ビームノズル１１から出射されるレーザビーム２４の中心軸に沿うようにガスを噴出する。すなわち、ビームノズル１１とガスノズル１３とは、互いに同軸上に配置されている。なお、ガスノズル１３は、Ｚ軸に対して斜めの方向へガスを噴出してもよい。すなわち、ガスノズル１３は、ビームノズル１１から出射されるレーザビーム２４の中心軸に対して斜めの方向へガスを噴出してもよい。
【００２２】
回転機構１６は、第１軸を中心とするステージ１５の回転と、第１軸に垂直な第２軸を中心とするステージ１５の回転とを可能とする動作機構である。図１に示す回転機構１６において、第１軸はＸ軸に平行な軸であって、第２軸はＹ軸に平行な軸である。回転機構１６は、第１軸を中心にステージ１５を回転させるための動作機構を構成するサーボモータと、第２軸を中心にステージ１５を回転させるための動作機構を構成するサーボモータとを有する。回転機構１６は、２軸のそれぞれを中心とする回転運動を可能とする動作機構である。図１では、各サーボモータの図示を省略している。
【００２３】
付加製造装置１００は、回転機構１６によりステージ１５を回転させることで、被加工物の姿勢または位置を変更することができる。すなわち、付加製造装置１００は、ステージ１５を回転させることで、被加工物におけるレーザビーム２４の照射位置を移動させることができる。回転機構１６を用いることで、テーパ形状を有する複雑な形状も造形することができる。
【００２４】
制御装置１は、加工プログラムに従って付加製造装置１００を制御する。制御装置１は、例えば数値制御装置である。制御装置１は、ヘッド駆動装置１４へ位置指令を出力することによって、ヘッド駆動装置１４の位置を制御する。制御装置１は、ビーム強度の条件に応じた指令である出力指令をレーザ発振器２へ出力することによって、レーザ発振器２によるレーザ発振を制御する。
【００２５】
制御装置１は、材料の供給量の条件に応じた指令である供給指令を回転モータ４へ出力することによって、回転モータ４を制御する。供給指令は、ワイヤ５の供給速度の条件に応じた指令であっても良い。供給速度は、ワイヤスプール６から照射位置へ向かうワイヤ５の速度である。供給速度は、時間当たりの材料の供給量を表す。
【００２６】
制御装置１は、ガスの供給量の条件に応じた指令をガス供給装置７へ出力することによって、ガス供給装置７からガスノズル１３へ供給される不活性ガス２５の量を制御する。制御装置１は、回転機構１６へ回転指令を出力することによって、回転機構１６の駆動を制御する。すなわち、制御装置１は、各種指令を出力することによって、付加製造装置１００の全体を制御する。制御装置１は、材料供給部１９、照射部、ガス供給部、ヘッド駆動装置１４および回転機構１６の制御によって、付加製造装置１００に単位ビードを形成させる。
【００２７】
付加製造装置１００は、図２に示すように加工領域２６へ供給されるワイヤ５へのレーザビーム２４の照射によって、加工領域２６において溶融状態の材料２１を堆積させる。加工領域２６では、被加工物の表面２２における被加工物の溶融によって溶融池２３が形成される。加工領域２６では、ワイヤ５の溶融によって生成される溶融状態の材料２１が、溶融池２３に溶着される。加工領域２６は、表面２２のうち付加加工が行われている領域である。
【００２８】
付加製造装置１００は、ヘッド駆動装置１４と回転機構１６とを連動させて加工ヘッド１０とステージ１５とを動かすことによって、表面２２における加工領域２６の位置を変化させる。これにより、付加製造装置１００は、所望の形状の造形物を得ることができる。
【００２９】
次に、制御装置１が有するハードウェア構成について説明する。制御装置１の機能は、付加製造装置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がハードウェアを用いて実行されることによって実現される。
【００３０】
図３は、実施の形態１にかかる付加製造装置が有する制御装置のハードウェア構成例を示すブロック図である。制御装置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、記憶装置４４と、制御装置１への情報の入力および制御装置１からの情報の出力のための入出力インタフェース４５とを有する。図３に示す各部は、バス４６を介して相互に接続されている。
【００３１】
ＣＰＵ４１は、ＲＯＭ４３または記憶装置４４に記憶されているプログラムを実行する。制御装置１による、付加製造装置１００の全体の制御は、ＣＰＵ４１を使用して実現される。
【００３２】
記憶装置４４は、ＨＤＤ（Hard  Disk  Drive）またはＳＳＤ（Solid  State  Drive）である。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、制御装置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。
【００３３】
ＲＯＭ４３および記憶装置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、制御装置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、加工プログラムが入力される。また、入出力インタフェース４５は、各種指令を出力する。制御装置１は、キーボードおよびポインティングデバイスといった入力デバイス、およびディスプレイといった出力デバイスを有しても良い。
【００３４】
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。制御装置１は、記憶媒体に記憶された制御プログラムを記憶装置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、制御装置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。
【００３５】
制御装置１の機能は、付加製造装置１００の制御のための専用のハードウェアである処理回路によって実現されても良い。処理回路は、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。制御装置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。
【００３６】
次に、図４と図５を参照して、実施の形態１にかかる付加製造装置１００の動作について説明する。図４は、実施の形態１にかかる付加製造装置の動作手順を示すフローチャートである。図５は、実施の形態１にかかる付加製造装置による堆積物の形成について説明するための図である。
【００３７】
付加製造装置１００は、複数の単位ビードを並列させた層を積み重ねて造形物を製造する。単位ビードは、１回の加工動作によって形成される固化物とする。加工動作とは、溶融状態の材料２１の付加を開始して、溶融状態の材料２１の溶融池２３への溶着を継続させた後に溶融状態の材料２１の付加を停止するまでの動作とする。付加製造装置１００は、加工動作を終えるごとに、次の加工動作を開始する位置へ加工ヘッド１０を移動させる。実施の形態１において、付加製造装置１００は、加工ヘッド１０を直線方向へ移動させながら溶融状態の材料２１を付加することによって、線状の単位ビードを形成する。
【００３８】
ステップＳ１において、付加製造装置１００は、被加工物であるベース材１７に単位ビード５１ａを形成する。ステップＳ２において、付加製造装置１００は、形成された単位ビード５１ａの縁部５２にレーザビーム２４を照射する。縁部５２は、単位ビード５１ａにおいて単位ビード５１ａの長手方向に沿った２つの縁のうち、次に単位ビードが形成される側の縁である。付加製造装置１００は、縁部５２をレーザビーム２４により走査することによって、縁部５２の全体にレーザビーム２４を照射する。付加製造装置１００は、縁部５２へのレーザビーム２４の照射によって単位ビード５１ａを平坦化させる。以下の説明では、形成された単位ビードを平坦化させるための処理を、平坦化処理と称することがある。実施の形態１では、平坦化処理により、単位ビード５１ａのうち縁部５２側に平坦部分５３が形成される。
【００３９】
図６は、実施の形態１にかかる付加製造装置によって形成される単位ビードを示す模式図である。図６には、単位ビード５１ａのうち長手方向における一方の端面を示している。単位ビード５１ａは、Ｘ軸方向における幅がＷｘ、Ｚ軸方向における高さがＨの立体物である。高さＨは、被加工物の表面２２と頂部５５との間の高さである。以下の説明において、Ｘ軸方向における幅Ｗｘと高さＨとの比であるＷｘ／Ｈを、平坦度と称することがある。頂部５５は、単位ビード５１ａのうち表面２２からの鉛直方向の高さが最も高い位置である。
【００４０】
縁部５２は、単位ビード５１ａと、被加工物の表面２２と、単位ビード５１ａの周囲の気体との３つの接点である。接触角θａは、表面２２と単位ビード５１ａの表面とがなす角のうち、単位ビード５１ａを含む角である。接触角θａは、平坦化処理前と比べて平坦化処理後に小さくなる。付加製造装置１００は、単位ビード５１ａを形成したときにおけるレーザビーム２４の照射位置から照射位置をＸ軸方向へ移動させることによってレーザビーム２４の中心軸を縁部５２に一致させて、レーザビーム２４を照射する。
【００４１】
平坦化処理において、レーザビーム２４の中心軸は、縁部５２からずれていても良い。縁部５２とレーザビーム２４の中心軸とのずれは、例えば、一般的にＤ４σと称される定義によるビーム径の±３０％以内である。
【００４２】
ステップＳ３において、付加製造装置１００は、平坦化された単位ビード５１ａに接する単位ビード５１ｂを形成し、ビード層を形成する。単位ビード５１ｂは、単位ビード５１ａの平坦部分５３に接する位置に形成される。
【００４３】
ステップＳ４において、付加製造装置１００は、ビード層の形成が完了したか否かを判断する。造形物は、複数のビード層からなる積層体である。ビード層の形成が完了していない場合（ステップＳ４，Ｎｏ）、付加製造装置１００は、手順をステップＳ５へ進める。ビード層の形成が完了した場合（ステップＳ４，Ｙｅｓ）、付加製造装置１００は、ステップＳ６へ手順を進める。
【００４４】
付加製造装置１００は、ステップＳ３において単位ビード５１ｂを形成してから、単位ビード５１ａ，５１ｂを含むビード層の形成が完了したか否かを判断する。単位ビード５１ｂを形成した時点ではビード層の形成が完了していない場合、付加製造装置１００は、ステップＳ５において、形成された単位ビード５１ｂの縁部５２にレーザビーム２４を照射する。付加製造装置１００は、単位ビード５１ｂへの平坦化処理によって、単位ビード５１ｂの縁部５２に平坦部分５３を形成する。
【００４５】
単位ビード５１ｂの平坦化処理の後、付加製造装置１００は、手順をステップＳ３に戻す。付加製造装置１００は、ステップＳ３において、平坦化された単位ビード５１ｂに接する単位ビード５１ｃを形成する。付加製造装置１００は、１つのビード層の形成が完了するまで、ステップＳ３からステップＳ５の手順を繰り返す。
【００４６】
単位ビード５１ｃの形成によってビード層５４の形成が完了したとすると、付加製造装置１００は、手順をステップＳ６に進める。ステップＳ６において、付加製造装置１００は、形成されたビード層５４の上にビード層を形成する。付加製造装置１００は、ステップＳ１からステップＳ５と同様の手順によって、ビード層５４の上のビード層を形成する。
【００４７】
ビード層の形成が完了すると、付加製造装置１００は、ステップＳ７において、造形物の形成が完了したか否かを判断する。造形物の形成が完了していない場合（ステップＳ７，Ｎｏ）、付加製造装置１００は、手順をステップＳ６に戻し、さらにビード層を形成する。付加製造装置１００は、ステップＳ６およびステップＳ７の手順を繰り返すことによって、造形物の各ビード層を形成する。造形物の形成が完了した場合（ステップＳ７，Ｙｅｓ）、付加製造装置１００は、図４に示す手順による動作を終了する。
【００４８】
図７は、実施の形態１の比較例について説明するための図である。比較例では、平坦化処理を行わずに単位ビード５１ａ，５１ｂ，５１ｃを形成した場合における単位ビード５１ａ，５１ｂ，５１ｃを示している。単位ビード５１ａの接触角θａが大きい状態のまま単位ビード５１ｂが形成されることによって、互いに隣り合う単位ビード５１ａおよび単位ビード５１ｂとベース材１７との間に空隙５７が残存する。互いに隣り合う単位ビード５１ｂおよび単位ビード５１ｃとベース材１７との間にも、空隙５７が残存する。
【００４９】
実施の形態１では、制御装置１は、互いに接触してビード層を構成する単位ビード同士の形成において、形成された単位ビードをレーザビーム２４の照射によって平坦化させ、平坦化させた単位ビードに接触する単位ビードを形成させる。制御装置１は、形成された単位ビードの縁部５２にレーザビーム２４を照射させることによって、当該単位ビードを平坦化させる。
【００５０】
付加製造装置１００は、形成された単位ビードの接触角θａを平坦化処理によって小さくさせてから、当該単位ビードに接触する単位ビードを形成する。付加製造装置１００は、互いに隣り合う単位ビードと被加工物との間へ溶融状態の材料２１が流れ込み易くさせることができ、空隙の残存を抑制することができる。これにより、付加製造装置１００は、同じビード層において互いに隣り合う単位ビードの間における空隙を抑制することができる。
【００５１】
なお、造形物の中には、平坦化処理が施されていない単位ビードと、当該単位ビードに接触する単位ビードとが含まれていても良い。付加製造装置１００は、造形物のうち強度を向上させたい部分については単位ビードに平坦化処理を施し、その他の部分については平坦化処理を省略することとしても良い。
【００５２】
付加製造装置１００は、接触角θａが閾値以上である場合、あるいは単位ビードの平坦度が閾値未満である場合に、平坦化処理を施すこととしても良い。加工ヘッド１０の上方には、接触角θａまたは平坦度を観察するためのカメラが取り付けられても良い。付加製造装置１００は、例えば、接触角θａが４５度を超える場合、または平坦度が５未満である場合に、平坦化処理を施しても良い。これにより、付加製造装置１００は、全ての単位ビードに平坦化処理を施す場合に対して加工時間を短縮可能とし、かつ造形物に残存する空隙を抑制することができる。
【００５３】
なお、実施の形態１による平坦化処理に代えて、溶融状態の材料２１の溶着によって平坦な単位ビードの形成を図るとした場合、レーザビーム２４の高出力化、または走査速度の高速化などが効果的と考えられる。平坦な単位ビードを形成するためには、溶融状態の材料２１の表面２２に対する溶着性を向上させる必要がある。ただし、溶融状態の材料２１と表面２２との溶着性を向上可能な条件は限られている。すなわち、平坦な単位ビードを得るためにレーザビーム２４の出力を増加させると、ワイヤ５が過剰に溶融されることによって表面２２への溶着不良が発生し、平坦な単位ビードを得ることができない。また、走査速度に関しても過剰に増加させると溶着不良が発生し、平坦な単位ビードを得ることができなくなる。
【００５４】
実施の形態１では、単位ビードの形成と平坦化処理を分けて処理できるため、レーザビーム２４の出力、走査速度、ビーム径などのパラメータとして、平坦化処理に最適な値を選択することができる。実施の形態１においては、単位ビードのうち縁部５２に限定して平坦化処理を行うことから、制御装置１は、単位ビードを形成するときにおけるレーザビーム２４よりも強度が低いレーザビーム２４の照射によって、形成された単位ビードを平坦化させることができる。または、制御装置１は、単位ビードを形成するときにおけるレーザビーム２４よりも走査速度を高速にさせたレーザビーム２４によって、形成された単位ビードを平坦化させても良い。これにより、付加製造装置１００は、被加工物および単位ビードへの入熱が過剰になることを抑制可能とすることで、被加工物および単位ビードに与える熱影響を最小限にすることができる。これにより、付加製造装置１００は、高品質な造形が可能となる。
【００５５】
ここで、良好な平坦化処理とは、平坦化処理後における接触角θａが４５度以下、または平坦度が５以上である状態のことを指す。発明者らの実験によると、理想の平坦度は７である。付加製造装置１００は、平坦化処理を施さなくても平坦度が５以上の単位ビードを形成可能である場合、平坦化処理を省略しても良い。
【００５６】
長時間の造形の継続によって堆積物１８の温度が上昇した場合、単位ビードは堆積物１８の熱によって平坦化する場合がある。このため、堆積物１８の温度上昇が少ないビード層、例えばベース材１７に積み重ねられる３つのビード層については平坦化処理を行い、かかる３つのビード層の上に形成される各ビード層については平坦化処理を省略しても良い。または、かかる３つのビード層の上に形成される各ビード層については、平坦化処理におけるレーザビーム２４の強度を低下させても良い。これにより、付加製造装置１００は、堆積物１８への入熱が過剰になることを抑制できる。また、付加製造装置１００は、平坦化処理の省略によって、加工時間を短縮させることができる。これらは、以降の実施の形態２、実施の形態３においても同様である。
【００５７】
実施の形態１によると、付加製造装置１００は、互いに接触してビード層を構成する単位ビード同士の形成において、形成された単位ビードをレーザビーム２４の照射によって平坦化させ、平坦化させた単位ビードに接触する単位ビードを形成する。付加製造装置１００は、同じ層において互いに隣り合うビードの間に残存する空隙を抑制することができる。以上により、付加製造装置１００は、造形物の強度低下を抑制することができるという効果を奏する。
【００５８】
実施の形態２．
実施の形態２では、図１に示した付加製造装置１００による他の付加加工の形態について説明する。以下、図８と図９を参照して、実施の形態２にかかる付加製造装置１００の動作について説明する。
【００５９】
図８は、実施の形態２にかかる付加製造装置の動作手順を示すフローチャートである。図９は、実施の形態２にかかる付加製造装置による堆積物の形成について説明するための図である。実施の形態２では、付加製造装置１００は、単位ビードの頂部へのレーザビーム２４の照射によって平坦化処理を行う。実施の形態２では、上記の実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１とは異なる構成について主に説明する。
【００６０】
ステップＳ１において、付加製造装置１００は、被加工物であるベース材１７に単位ビード５１ａを形成する。ステップＳ１１において、付加製造装置１００は、形成された単位ビード５１ａの頂部５５にレーザビーム２４を照射する。付加製造装置１００は、頂部５５をレーザビーム２４により走査することによって、頂部５５の全体にレーザビーム２４を照射する。実施の形態２では、平坦化処理により、単位ビード５１ａの全体を平坦にする。付加製造装置１００は、単位ビード５１ａの全体を平坦化させることによって、単位ビード５１ａの接触角θａを小さくさせる。付加製造装置１００は、単位ビード５１ａを形成したときにおけるレーザビーム２４の照射位置に再度レーザビーム２４を照射することによって平坦化処理を行う。
【００６１】
ステップＳ３およびステップＳ４は、図４に示す実施の形態１の場合と同様である。付加製造装置１００は、ステップＳ１２において、形成された単位ビード５１ｂの頂部５５にレーザビーム２４を照射する。付加製造装置１００は、単位ビード５１ｂへの平坦化処理によって、単位ビード５１ｂの全体を平坦化させる。付加製造装置１００は、１つのビード層の形成が完了するまで、ステップＳ３，Ｓ４およびＳ１２の手順を繰り返す。ビード層の形成が完了してから、付加製造装置１００は、手順をステップＳ６に進める。
【００６２】
ビード層の形成が完了すると、付加製造装置１００は、図４に示す実施の形態１の場合と同様にステップＳ６およびステップＳ７によって、造形物の各ビード層を形成する。造形物の形成が完了した場合（ステップＳ７，Ｙｅｓ）、付加製造装置１００は、図８に示す手順による動作を終了する。
【００６３】
実施の形態２では、制御装置１は、互いに接触してビード層を構成する単位ビード同士の形成において、形成された単位ビードをレーザビーム２４の照射によって平坦化させ、平坦化させた単位ビードに接触する単位ビードを形成させる。制御装置１は、形成された単位ビードの頂部５５にレーザビーム２４を照射させることによって、当該単位ビードを平坦化させる。
【００６４】
実施の形態２においても、付加製造装置１００は、実施の形態１と同様に、形成された単位ビードの接触角θａを平坦化処理によって小さくさせてから、当該単位ビードに接触する単位ビードを形成することができる。実施の形態２の場合、付加製造装置１００は、単位ビードの全体を平坦化させることによって、凹凸が少なく滑らかな表面を有する単位ビードを得ることができる。付加製造装置１００は、単位ビードの表面における凹凸に起因する空隙を抑制することができる。これにより、付加製造装置１００は、造形物に残存する空隙を抑制することができる。
【００６５】
実施の形態２では、付加製造装置１００は、平坦化処理の際に、溶融状態の材料２１を溶着させるときよりも高い強度のレーザビーム２４を照射しても良い。この場合、制御装置１は、単位ビードを形成するときにおけるレーザビーム２４よりも強度が高いレーザビーム２４の照射によって、形成された単位ビードを平坦化させる。付加製造装置１００は、溶融状態の材料２１を溶着させるときよりも高い強度のレーザビーム２４を照射することによって、平坦度の高い単位ビードを得ることができる。付加製造装置１００は、平坦度の高い単位ビードを得ることによって、さらに空隙の抑制が可能となる。
【００６６】
実施の形態２では、付加製造装置１００は、溶融状態の材料２１を溶着させるときよりも径が大きいレーザビーム２４を照射しても良い。この場合、制御装置１は、単位ビードを形成するときにおけるレーザビーム２４よりも径が大きいレーザビーム２４の照射によって、形成された単位ビードを平坦化させる。付加製造装置１００は、広範囲におけるレーザビーム２４の照射によって、平坦度の高い単位ビードを得ることができる。付加製造装置１００は、平坦度の高い単位ビードを得ることによって、さらに空隙の抑制が可能となる。付加製造装置１００は、加工ヘッド１０の内部に設けられた複数のレンズの駆動によるズーム機能によって、レーザビーム２４の径を変化させることができる。
【００６７】
実施の形態３．
実施の形態３では、図１に示した付加製造装置１００による他の付加加工の形態について説明する。以下、図１０から図１４を参照して、実施の形態３にかかる付加製造装置１００の動作について説明する。
【００６８】
実施の形態３において、付加製造装置１００は、加工ヘッド１０を停止させた状態で溶融状態の材料２１を付加することによって、単位ビードである玉状のビードを形成する。以下の説明において、玉状のビードを玉ビードと称することがある。
【００６９】
図１０は、実施の形態３にかかる付加製造装置の動作手順を示すフローチャートである。図１１は、実施の形態３にかかる付加製造装置による堆積物の形成について説明するための図である。図１２は、実施の形態３にかかる付加製造装置による玉ビードの形成方法を説明するフローチャートである。図１３は、実施の形態３にかかる付加製造装置による玉ビードの形成について説明するための図である。図１４は、実施の形態３にかかる付加製造装置によって形成される玉ビードの平面模式図である。実施の形態３では、付加製造装置１００は、玉ビードの平坦化処理を行う。実施の形態３では、上記の実施の形態１または２と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１または２とは異なる構成について主に説明する。
【００７０】
ここで、図１２および図１３を参照して、玉ビードの形成について説明する。付加製造装置１００は、ステップＳ３１において、加工ヘッド１０を移動させることによって、レーザビーム２４の中心軸ＣＬと加工領域２６の中心とを一致させる。ステップＳ３２において、付加製造装置１００は、加工領域２６へ向けて斜めにワイヤ５を吐出して、ワイヤ５の先端を表面２２に接触させる。ワイヤ５を吐出するとは、表面２２におけるレーザビーム２４の照射位置へ向けてワイヤノズル１２からワイヤ５を進行させることを指す。
【００７１】
ワイヤノズル１２から吐出されて表面２２に接触したときのワイヤ５の中心軸ＣＷと、レーザビーム２４の中心軸ＣＬとが、表面２２で交わる。または、ワイヤ５の中心軸ＣＷは、レーザビーム２４の径の範囲内で、表面２２に交わる。これにより、付加製造装置１００は、表面２２において、ワイヤ５の中心軸ＣＷとレーザビーム２４の中心軸ＣＬとの交点を中心とする玉ビード６１ａを形成することができる。
【００７２】
ステップＳ３３において、付加製造装置１００は、加工領域２６へ向けてレーザビーム２４を照射する。レーザビーム２４は、加工領域２６に配置されたワイヤ５に照射される。また、レーザビーム２４の照射に合わせて、ガスノズル１３から加工領域２６への不活性ガス２５の噴出が開始される。加工領域２６へレーザビーム２４を照射する前に、予め定められた一定時間にわたってガスノズル１３から不活性ガス２５を噴出させることが好ましい。これにより、付加製造装置１００は、ガスノズル１３内に残存していた酸素などの活性ガスをガスノズル１３内から除去することができる。
【００７３】
ステップＳ３４において、付加製造装置１００は、ワイヤノズル１２から表面２２へ向けてワイヤ５を吐出することによって、加工領域２６へのワイヤ５の供給を開始する。ワイヤ５へのレーザビーム２４の照射によって生じた溶融状態の材料２１が表面２２に溶着する。これにより、加工領域２６に玉ビード６１ａが形成される。付加製造装置１００は、加工領域２６へのワイヤ５の供給を開始してから、予め決められた供給時間の間、ワイヤ５の供給を継続する。
【００７４】
付加製造装置１００は、回転モータ４の回転速度を調整することによって、ワイヤ５の供給速度を調整する。ワイヤ５の供給速度は、レーザビーム２４の出力によって制限がある。すなわち、加工領域２６への溶融状態の材料２１の適正な溶着を実現するためのワイヤ５の供給速度とレーザビーム２４の出力とには相関がある。レーザビーム２４の出力を上昇させることにより、玉ビード６１ａの形成に要する時間を短くすることができる。なお、レーザビーム２４の出力に対してワイヤ５の供給速度が速すぎる場合は、ワイヤ５が溶けずに残る。レーザビーム２４の出力に対してワイヤ５の供給速度が遅い場合には、ワイヤ５が過剰に加熱されることにより、溶融状態の材料２１が液滴となってワイヤ５から落下する。この場合、溶融状態の材料２１は、所望の形状とは異なる形状となって溶着される場合がある。
【００７５】
玉ビード６１ａの大きさは、ワイヤ５の供給時間およびレーザビーム２４の照射時間を変更することによって調整可能である。ワイヤ５の供給時間およびレーザビーム２４の照射時間を長くすることにより、形成される玉ビード６１ａの径を大きくすることができる。一方、ワイヤ５の供給時間およびレーザビーム２４の照射時間を短くすることにより、形成される玉ビード６１ａの径を小さくすることができる。
【００７６】
玉ビード６１ａの形成後、ステップＳ３５において、付加製造装置１００は、加工領域２６からワイヤ５を引き抜く。ステップＳ３６において、付加製造装置１００は、加工領域２６へのレーザビーム２４の照射を停止する。ここで、ガスノズル１３は、被加工物へ向けての不活性ガス２５の噴出を止めずに継続する。すなわち、レーザ発振器２の停止後、ガスノズル１３は、予め定められた継続時間にわたって加工領域２６への向けての不活性ガス２５の噴出を継続する。
【００７７】
不活性ガス２５を噴出させる継続時間は、レーザビーム２４の照射を停止してから、形成された玉ビード６１ａの温度が不活性ガス２５によって予め定められた温度まで低下させるのに必要な時間である。継続時間は、ワイヤ５の材質および玉ビード６１ａの大きさ等の諸条件に基づいて決定される。継続時間の情報は、予め制御装置１に記憶されている。付加製造装置１００は、レーザビーム２４の停止後、予め定められた継続時間が経過してから、不活性ガス２５の噴出を停止する。これにより、１つの玉ビード６１ａの形成が完了する。
【００７８】
図１０に示すステップＳ２１において、付加製造装置１００は、上記のようにして、被加工物であるベース材１７に玉ビード６１ａを形成する。図１４に示す玉ビード６１ａでは、Ｘ軸方向における幅ＷｘとＹ軸方向における幅Ｗｙとが同じである。幅Ｗｘと幅Ｗｙとは互いに異なっていても良い。幅Ｗｘと幅Ｗｙとの比であるＷｘ／Ｗｙが、０．５から２．０の範囲内であれば良い。
【００７９】
ステップＳ２２において、付加製造装置１００は、形成された玉ビード６１ａにレーザビーム２４を照射する。実施の形態３では、平坦化処理により、玉ビード６１ａの全体を平坦にする。付加製造装置１００は、玉ビード６１ａの全体を平坦化させることによって、玉ビード６１ａの接触角θａを小さくさせる。付加製造装置１００は、玉ビード６１ａを形成したときにおけるレーザビーム２４の照射位置に再度レーザビーム２４を照射することによって平坦化処理を行う。
【００８０】
ステップＳ２３において、付加製造装置１００は、平坦化された玉ビード６１ａに接する玉ビード６１ｂを形成する。ステップＳ２４において、付加製造装置１００は、ビード層の形成が完了したか否かを判断する。ビード層の形成が完了していない場合（ステップＳ２４，Ｎｏ）、付加製造装置１００は、手順をステップＳ２５へ進める。ビード層の形成が完了した場合（ステップＳ２４，Ｙｅｓ）、付加製造装置１００は、ステップＳ２６へ手順を進める。
【００８１】
付加製造装置１００は、ステップＳ２３において玉ビード６１ｂを形成してから、玉ビード６１ａ，６１ｂを含むビード層の形成が完了したか否かを判断する。玉ビード６１ｂを形成した時点ではビード層の形成が完了していない場合、付加製造装置１００は、ステップＳ２５において、形成された玉ビード６１ｂにレーザビーム２４を照射する。付加製造装置１００は、１つのビード層の形成が完了するまで、ステップＳ２３からステップＳ２５の手順を繰り返す。
【００８２】
ビード層の形成が完了すると、ステップＳ２６において、付加製造装置１００は、形成されたビード層の上にビード層を形成する。ビード層の形成が完了すると、付加製造装置１００は、ステップＳ２７において、造形物の形成が完了したか否かを判断する。造形物の形成が完了していない場合（ステップＳ２７，Ｎｏ）、付加製造装置１００は、手順をステップＳ２６に戻し、さらにビード層を形成する。付加製造装置１００は、ステップＳ２６およびステップＳ２７の手順を繰り返すことによって、造形物の各ビード層を形成する。造形物の形成が完了した場合（ステップＳ２７，Ｙｅｓ）、付加製造装置１００は、図１０に示す手順による動作を終了する。
【００８３】
実施の形態３では、制御装置１は、互いに接触してビード層を構成する玉ビード同士の形成において、形成された玉ビードをレーザビーム２４の照射によって平坦化させ、平坦化させた玉ビードに接触する玉ビードを形成させる。これにより、付加製造装置１００は、形成された玉ビードの接触角θａを平坦化処理によって小さくさせてから、当該玉ビードに接触する玉ビードを形成することができる。
【００８４】
実施の形態３では、付加製造装置１００は、平坦化処理の際に、溶融状態の材料２１を溶着させるときよりも高い強度のレーザビーム２４を照射しても良い。この場合、制御装置１は、玉ビードを形成するときにおけるレーザビーム２４よりも強度が高いレーザビーム２４の照射によって、形成された玉ビードを平坦化させる。付加製造装置１００は、溶融状態の材料２１を溶着させるときよりも高い強度のレーザビーム２４を照射することによって、平坦度の高い単位ビードを得ることができる。付加製造装置１００は、平坦度の高い単位ビードを得ることによって、さらに空隙の抑制が可能となる。
【００８５】
実施の形態３では、付加製造装置１００は、溶融状態の材料２１を溶着させるときよりも径が大きいレーザビーム２４を照射しても良い。この場合、制御装置１は、玉ビードを形成するときにおけるレーザビーム２４よりも径が大きいレーザビーム２４の照射によって、形成された玉ビードを平坦化させる。付加製造装置１００は、広範囲におけるレーザビーム２４の照射によって、平坦度の高い単位ビードを得ることができる。付加製造装置１００は、平坦度の高い単位ビードを得ることによって、さらに空隙の抑制が可能となる。
【００８６】
実施の形態３において、付加製造装置１００は、玉ビードの縁部にレーザビーム２４を照射することによって、玉ビードを平坦化させても良い。また、付加製造装置１００は、玉ビードを形成するときにおけるレーザビーム２４よりも強度が低いレーザビーム２４の照射によって、玉ビードを平坦化させても良い。さらに、付加製造装置１００は、玉ビードの頂部にレーザビーム２４を照射することによって、玉ビードを平坦化させても良い。いずれの場合も、付加製造装置１００は、形成された玉ビードの接触角θａを平坦化処理によって小さくさせてから、当該玉ビードに接触する玉ビードを形成することができる。
【００８７】
実施の形態３では、付加製造装置１００は、玉ビードを並列させたビード層を積み重ねて造形物を製造する。付加製造装置１００は、単位ビードが線状ビードである場合と比べて、造形の分解能が高くなることによって造形精度の向上が可能となる。造形の分解能が高くなることによって、単位ビードと単位ビードとが接触する界面の数が増加する。界面が増加する分、空隙が生じ得る位置の数が多くなることになる。実施の形態３によると、付加製造装置１００は、高精度な造形を可能としながら、造形物に残存する空隙を抑制することができる。
【００８８】
実施の形態４．
実施の形態４では、平坦化処理のための加工条件の内容を学習する機械学習装置について説明する。図１５は、実施の形態４にかかる付加製造システムの構成を示す図である。実施の形態４にかかる付加製造システム２００は、付加製造装置１００と、ＣＡＭ（Computer  Aided  Manufacturing）装置１１０と、機械学習装置１２０とを含む。機械学習装置１２０は、理想とする平坦度の単位ビードを平坦化処理によって形成するための加工条件の内容を学習する。実施の形態４では、上記の実施の形態１から３と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１から３とは異なる構成について主に説明する。
【００８９】
ＣＡＭ装置１１０には、ＣＡＤ（Computer-Aided  Design）データが入力される。ＣＡＭ装置１１０は、ＣＡＤデータを基に、付加製造の対象形状を指定する設計データであるＣＡＤモデルを生成する。ＣＡＭ装置１１０は、ＣＡＤモデルを基に、対象形状を加工するための加工経路を生成し、加工経路のデータから加工プログラムを作成する。制御装置１は、ＣＡＭ装置１１０によって作成された加工プログラムに従って付加製造装置１００を制御する。
【００９０】
機械学習装置１２０は、状態観測部７１と学習部７２と動作結果取得部７５とを有する。状態観測部７１は、付加製造の際に生成された指令値と加工状態についての状態量とを含む状態情報を観測する。状態観測部７１は、制御装置１にて生成された各種指令値と、加工状態についての状態量とを状態変数として観測する。各種指令値は、ヘッド駆動装置１４へ出力される位置指令である指令値と、レーザ発振器２へ出力される出力指令である指令値と、回転モータ４へ出力される供給指令である指令値とを含む。状態量には、堆積物１８の温度が含まれる。
【００９１】
動作結果取得部７５は、単位ビードの形状を示す形状情報を動作結果として取得する。形状情報は、単位ビードの幅Ｗｘ，Ｗｙおよび高さＨの各データを含む。形状情報は、加工ヘッド１０の上方に取り付けられたカメラ、高さセンサ５０といった測定手段によって取得される。
【００９２】
学習部７２は、状態観測部７１から入力される状態情報と動作結果取得部７５から入力される形状情報とをまとめ合わせたデータセットを作成する。学習部７２は、状態情報と形状情報とに基づいて作成されるデータセットに従って、加工条件と平坦度との関係を学習する。加工条件には、造形に使用される材料、ベース材１７の材料、レーザ出力、照射時間、冷却時間、加工経路などについての条件が含まれる。
【００９３】
学習部７２が用い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エージェントである行動主体が、現在の状態を観測し、取るべき行動を決定する、というものである。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）およびＴＤ学習（TD−Learning）などが知られている。例えば、Ｑ学習の場合、行動価値関数Ｑ（ｓ，ａ）の一般的な更新式である行動価値テーブルは、次の式（１）で表される。行動価値関数Ｑ（ｓ，ａ）は、環境「ｓ」のもとで行動「ａ」を選択する行動の価値である行動価値Ｑを表す。
【００９４】
【数１】
0006824487.tif 000002
【００９５】
上記の式（１）により表される更新式は、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Ｑよりも大きければ、行動価値Ｑを大きくし、逆の場合は、行動価値Ｑ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Ｑ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、あ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する。
【００９６】
学習部７２は、報酬計算部７３と関数更新部７４とを有する。報酬計算部７３は、状態情報および形状情報に基づいて報酬を計算する。関数更新部７４は、報酬計算部７３によって計算される報酬に従って、加工条件である各条件の関係を決定するための関数を更新する。
【００９７】
報酬計算部７３は、単位ビードの平坦度と、理想とする平坦度を表す理想値との差分に基づいて、報酬「ｒ」を計算する。例えば、加工条件のうちのある条件を変更した結果、単位ビードの平坦度と理想値との差分が閾値以下となった場合において、報酬計算部７３は報酬「ｒ」を増大させる。報酬計算部７３は、報酬の値である「１」を与えることによって報酬「ｒ」を増大させる。なお、報酬の値は「１」に限られない。また、加工条件のうちのある条件を変更した結果、単位ビードの平坦度と理想値との差分が閾値よりも大きくなった場合において、報酬計算部７３は、報酬「ｒ」を低減させる。報酬計算部７３は、報酬の値である「−１」を与えることによって報酬「ｒ」を低減させる。なお、報酬の値は「−１」に限られない。
【００９８】
図１６は、実施の形態４にかかる機械学習装置の動作手順を示すフローチャートである。図１６のフローチャートを参照して、行動価値関数Ｑ（ｓ，ａ）を更新する強化学習方法について説明する。
【００９９】
ステップＳ４１において、機械学習装置１２０は、平坦化された単位ビードの高さおよび幅のデータを取得する。ステップＳ４２において、機械学習装置１２０は、単位ビードの高さおよび幅のデータを基に、単位ビードの平坦度を算出する。ステップＳ４３において、機械学習装置１２０は、算出された平坦度と理想値との差分を算出する。理想値は、例えば７とする。
【０１００】
ステップＳ４４において、機械学習装置１２０は、差分に基づいて報酬を算出する。ステップＳ４５において、機械学習装置１２０は、報酬に基づいて行動価値関数Ｑ（ｓ，ａ）を更新する。ステップＳ４６において、機械学習装置１２０は、行動価値関数Ｑ（ｓ，ａ）が収束したか否かを判断する。機械学習装置１２０は、ステップＳ４５における行動価値関数Ｑ（ｓ，ａ）の更新が行われなくなることによって行動価値関数Ｑ（ｓ，ａ）が収束したと判定する。
【０１０１】
行動価値関数Ｑ（ｓ，ａ）が収束していないと判定された場合（ステップＳ４６，Ｎｏ）、機械学習装置１２０は、動作手順をステップＳ４１へ戻す。行動価値関数Ｑ（ｓ，ａ）が収束したと判定された場合（ステップＳ４６，Ｙｅｓ）、機械学習装置１２０は、学習部７２による学習を終了する。これにより、機械学習装置１２０は、図１６に示す手順による動作を終了する。なお、機械学習装置１２０は、ステップＳ４６による判定を行わず、ステップＳ４５からステップＳ４１へ動作手順を戻すことによって学習を継続させることとしても良い。
【０１０２】
機械学習装置１２０は、生成された行動価値関数Ｑ（ｓ，ａ）を学習済モデルとして記憶する。制御装置１は、学習済モデルに基づいて、理想とする平坦度の単位ビードを形成するための加工条件を推論し、推論結果に基づいて加工条件を調整する。
【０１０３】
実施の形態４では、学習部７２が用いる学習アルゴリズムに強化学習を適用する場合について説明したが、学習アルゴリズムには、強化学習以外の学習が適用されても良い。学習部７２は、強化学習以外の公知の学習アルゴリズム、例えば、深層学習（Deep  Learning）、ニューラルネットワーク、遺伝的プログラミング、機能論理プログラミングあるいはサポートベクターマシンといった学習アルゴリズムを用いて機械学習を実行しても良い。
【０１０４】
機械学習装置１２０は、付加製造システム２００に含まれる装置に限られず、付加製造システム２００の外部の装置であっても良い。機械学習装置１２０は、ネットワークを介して付加製造システム２００に接続可能な装置であっても良い。機械学習装置１２０は、クラウドサーバ上に存在する装置であっても良い。機械学習装置１２０は、制御装置１に内蔵されても良い。
【０１０５】
学習部７２は、複数の付加製造装置１００に対して作成されたデータセットに従って、加工条件の関係を学習しても良い。学習部７２は、同一の現場で使用される複数の付加製造装置１００からデータセットを取得しても良く、あるいは、互いに異なる現場で使用される複数の付加製造装置１００からデータセットを取得しても良い。データセットは、複数の現場において互いに独立して稼働する複数の付加製造装置１００から収集されたものであっても良い。複数の付加製造装置１００からのデータセットの収集を開始した後に、データセットが収集される対象に新たな付加製造装置１００が追加されても良い。また、複数の付加製造装置１００からのデータセットの収集を開始した後に、データセットが収集される対象から、複数の付加製造装置１００のうちの一部が除外されても良い。
【０１０６】
ある１つの付加製造装置１００について学習を行った学習部７２は、当該付加製造装置１００以外の他の付加製造装置１００についての学習を行っても良い。当該他の付加製造装置１００についての学習を行う学習部７２は、当該他の付加製造装置１００における再学習によって、出力の予測モデルを更新することができる。実施の形態４における機械学習の機能、または学習結果である学習済モデルは、付加製造用のＣＡＭソフトウェアに組み込まれて使用されても良い。
【０１０７】
実施の形態４によると、機械学習装置１２０は、理想とする平坦度の単位ビードを形成するための学習済モデルを制御装置１へ出力する。付加製造装置１００は、学習済モデル基づいて加工条件を調整することによって、理想とする平坦度の単位ビードを形成することができる。これにより、付加製造装置１００は、造形物に残存する空隙を抑制することができる。
【０１０８】
以上の各実施の形態に示した構成は、本開示の内容の一例を示すものである。各実施の形態の構成は、別の公知の技術と組み合わせることが可能である。各実施の形態の構成同士が適宜組み合わせられても良い。本開示の要旨を逸脱しない範囲で、各実施の形態の構成の一部を省略または変更することが可能である。
【符号の説明】
【０１０９】
１  制御装置、２  レーザ発振器、３  ファイバーケーブル、４  回転モータ、５  ワイヤ、６  ワイヤスプール、７  ガス供給装置、８  配管、１０  加工ヘッド、１１  ビームノズル、１２  ワイヤノズル、１３  ガスノズル、１４  ヘッド駆動装置、１５  ステージ、１６  回転機構、１７  ベース材、１８  堆積物、１９  材料供給部、２１  溶融状態の材料、２２  表面、２３  溶融池、２４  レーザビーム、２５  不活性ガス、２６  加工領域、４１  ＣＰＵ、４２  ＲＡＭ、４３  ＲＯＭ、４４  記憶装置、４５  入出力インタフェース、４６  バス、５０  高さセンサ、５１ａ，５１ｂ，５１ｃ  単位ビード、５２  縁部、５３  平坦部分、５４  ビード層、５５  頂部、５７  空隙、６１ａ，６１ｂ  玉ビード、７１  状態観測部、７２  学習部、７３  報酬計算部、７４  関数更新部、７５  動作結果取得部、１００  付加製造装置、１１０  ＣＡＭ装置、１２０  機械学習装置、２００  付加製造システム。
【要約】
付加製造装置（１００）は、溶融した材料の固化物である単位ビードを並列させた層を積み重ねて造形物を製造する。付加製造装置（１００）は、被加工物へ材料であるワイヤ（５）を供給する材料供給部（１９）と、供給された材料を溶融させるレーザビーム（２４）を照射する照射部と、材料供給部（１９）および照射部の制御によって単位ビードを形成させる制御装置（１）と、を備える。制御装置（１）は、互いに接触して層を構成する単位ビード同士の形成において、形成された単位ビードをビームの照射によって平坦化させ、平坦化させた単位ビードに接触する単位ビードを形成させる。【図１】
0006824487.tif 000003
【図２】
0006824487.tif 000004
【図３】
0006824487.tif 000005
【図４】
0006824487.tif 000006
【図５】
0006824487.tif 000007
【図６】
0006824487.tif 000008
【図７】
0006824487.tif 000009
【図８】
0006824487.tif 000010
【図９】
0006824487.tif 000011
【図１０】
0006824487.tif 000012
【図１１】
0006824487.tif 000013
【図１２】
0006824487.tif 000014
【図１３】
0006824487.tif 000015
【図１４】
0006824487.tif 000016
【図１５】
0006824487.tif 000017
【図１６】
0006824487.tif 000018