(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融させた溶加材の凝固物であるビードを積み重ねることによって造形物を製造する付加製造装置であって、
被加工物へ前記溶加材を送給する送給部と、
送給された前記溶加材を溶融させるビームを出力するビーム源と、
前記溶加材のうち前記ビームの照射によって温度が前記溶加材の融点に到達した位置である先端位置を、前記被加工物へ送給される前記溶加材の送給速度と前記ビーム源によるビーム出力とに基づいて算出する位置算出部と、を備えることを特徴とする付加製造装置。
【請求項２】
前記位置算出部は、前記溶加材の物性値と、前記被加工物へ送給される前記溶加材の方向を表すパラメータと、前記送給速度と、前記ビーム出力とに基づいて前記先端位置を算出す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】
前記位置算出部は、前記送給速度の指令値と前記ビーム出力の指令値とを用いた演算によって前記先端位置を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の付加製造装置。
【請求項４】
前記位置算出部は、前記送給速度のフィードバック値と前記ビーム出力のフィードバック値とを用いた演算によって前記先端位置を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の付加製造装置。
【請求項５】
前記位置算出部は、前記溶加材のうち、前記送給部から前記被加工物へ向かう前記溶加材の進行方向における位置が互いに異なる複数の微小領域の各々における入熱量を前記送給速度と前記ビーム出力とに基づいて求め、前記入熱量に基づいて前記微小領域ごとの温度を推定することによって前記先端位置を算出することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の付加製造装置。
【請求項６】
前記被加工物へ向かう前記ビームの中心線と前記送給部から前記被加工物へ向かう前記溶加材の進行方向との交点である加工基準点の位置を、前記ビードが積層される積層方向において補正する補正部を備え、
前記補正部は、前記先端位置の算出結果に基づいて前記加工基準点の位置を補正することを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の付加製造装置。
【請求項７】
前記補正部は、前記積層方向に垂直な面内における前記加工基準点の移動方向と、前記積層方向における前記ビードの高さとに基づいて、前記加工基準点の位置を補正するための補正量を調整することを特徴とする請求項６に記載の付加製造装置。
【請求項８】
付加製造装置が、溶融させた溶加材の凝固物であるビードを積み重ねることによって造形物を製造する付加製造方法であって、
被加工物へ前記溶加材を送給する送給ステップと、
送給された前記溶加材を溶融させるビームを出力するビーム出力ステップと、
前記溶加材のうち前記ビームの照射によって温度が前記溶加材の融点に到達した位置である先端位置を、前記送給ステップにおける前記溶加材の送給速度と前記ビーム出力ステップにおけるビーム出力とに基づいて算出する位置算出ステップと、を含むことを特徴とする付加製造方法。
【請求項９】
前記位置算出ステップでは、前記送給速度および前記ビーム出力の各値と定数とを用いた演算によって前記先端位置を算出し、
前記ビームへ向けて送給された前記溶加材が溶融せずに前記ビームを通り抜ける場合における前記送給速度の最小値と前記ビーム出力との関係に基づいて前記定数を算出することを特徴とする請求項８に記載の付加製造方法。
【請求項１０】
前記被加工物へ向かう前記ビームの中心線と前記送給ステップにおいて前記被加工物へ向かう前記溶加材の進行方向との交点である加工基準点の位置を、前記ビードが積層される積層方向において補正する補正ステップを含み、
前記補正ステップでは、前記先端位置の算出結果に基づいて前記加工基準点の位置を補正することを特徴とする請求項８または９に記載の付加製造方法。
【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および付加製造方法に関する。
【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の１つである指向性エネルギー堆積（Directed  Energy  Deposition：ＤＥＤ）方式によると、付加製造装置は、ビームの照射位置である加工点へ溶加材を送給しながら加工点を移動させることによって、ビードを形成する。ビードは、溶融した溶加材が凝固することによって得られる凝固物である。付加製造装置は、ビードを順次積み重ねることによって造形物を製造する。【０００３】
ＤＥＤ方式の付加製造装置には、溶加材であるワイヤを被加工物へ送給して、ワイヤの先端部をレーザビームによって局所的に溶融させることによってビードを形成するものがある。被加工物へ送給されたワイヤをレーザビームによって溶融させる付加製造装置では、被加工物から離れた位置にてワイヤが溶融することによって、ワイヤに溶融物が留まることがある。この場合、被加工物には溶融物が付加されなくなる一方、溶融後の溶加材の塊であるドロップがワイヤに残る。かかる現象を、ドロップ現象と称する。また、被加工物へ送給されたワイヤをレーザビームによって溶融させる付加製造装置では、溶融前のワイヤが被加工物に衝突するスタブ現象が生じることもあり得る。【０００４】
付加製造装置では、加工時におけるワイヤ先端と被加工物との位置関係が適切でない場合に、ドロップ現象またはスタブ現象が生じる。付加製造装置は、ドロップ現象またはスタブ現象が生じた場合、安定した加工を継続することが困難となる。付加製造装置は、安定した加工を継続するために、加工時における被加工物とワイヤ先端との適切な位置関係を維持可能であることが求められる。付加製造装置は、被加工物とワイヤ先端との適切な位置関係を維持するためには、加工時におけるワイヤ先端の位置を推定可能であることが求められる。【０００５】
特許文献１には、被溶接物とワイヤとの間にアークを発生させるアーク溶接において、給電点であるチップと被溶接物との距離を一定に保持しながら溶接を行うために、溶接時におけるチップと被溶接物との距離を算出する方法が開示されている。特許文献１に開示されている方法では、ワイヤに流れる溶接電流を検出し、ワイヤ突き出し長と検出された溶接電流の値とに基づいてワイヤの溶融速度を求める。また、特許文献１に開示されている方法では、ワイヤの溶融速度とワイヤの送給速度とに基づいてワイヤ突き出し長の変化分を求め、ワイヤ突き出し長の変化分の算出結果を用いて、チップと被溶接物との距離を算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１５８１３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１にかかる方法は、アーク溶接を行う場合に適用される方法であって、チップと被溶接物との距離を求めるための演算には、ワイヤに流れる溶接電流の検出結果とワイヤの電気伝導率等の入力が必要となる。レーザビームによってワイヤを溶融させる付加製造装置の場合、特許文献１にかかる方法では、加工時におけるワイヤ先端の位置を求めることができない。このため、特許文献１の技術によると、被加工物へ送給された溶加材をビームの照射によって溶融させる加工において、加工時における溶加材の先端の位置を推定することができないという問題があった。【０００８】
本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、被加工物へ送給された溶加材をビームの照射によって溶融させる加工において、加工時における溶加材の先端の位置を推定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】
【０００９】
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、溶融させた溶加材の凝固物であるビードを積み重ねることによって造形物を製造する付加製造装置である。本開示にかかる付加製造装置は、被加工物へ溶加材を送給する送給部と、送給された溶加材を溶融させるビームを出力するビーム源と、溶加材のうちビームの照射によって温度が溶加材の融点に到達した位置である先端位置を、被加工物へ送給される溶加材の送給速度とビーム源によるビーム出力とに基づいて算出する位置算出部と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本開示にかかる付加製造装置は、被加工物へ送給された溶加材をビームの照射によって溶融させる加工において、加工時における溶加材の先端の位置を推定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】
【００１１】
【図１】実施の形態１にかかる付加製造装置の構成を示す図
【図２】実施の形態１にかかる付加製造装置を制御する数値制御装置の機能構成を示す図
【図３】実施の形態１にかかる付加製造装置によって造形物が形成される様子について説明するための図
【図４】実施の形態１にかかる付加製造装置によって溶加材であるワイヤの先端位置を推定する方法について説明するための図
【図５】実施の形態１にかかる付加製造装置による加工の状況とワイヤの先端位置との関係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加工基準点を補正する方法について説明するための図
【図７】実施の形態１にかかる付加製造装置による造形物の製造における動作手順を示すフローチャート
【図８】実施の形態２にかかる付加製造装置における送給速度の境界値とレーザ出力との関係を求めるための予備実験について説明するための図
【図９】実施の形態２にかかる付加製造装置において得られた、送給速度の境界値とレーザ出力との関係の例を示す図
【図１０】実施の形態３にかかる付加製造装置を制御する数値制御装置の機能構成を示す図
【図１１】実施の形態４にかかる付加製造装置においてプロセスパラメータを変更する例について説明するための図
【図１２】実施の形態４にかかる付加製造装置における先端位置の算出方法について説明するための図
【図１３】実施の形態４にかかる付加製造装置による、過渡応答に対する調整を含めた先端位置の推定について説明するための第１の図
【図１４】実施の形態４にかかる付加製造装置による、過渡応答に対する調整を含めた先端位置の推定について説明するための第２の図
【図１５】実施の形態５にかかる付加製造装置における、Ｚ軸方向における加工基準点の位置の補正と、加工基準点の移動方向とについて説明するための図
【図１６】実施の形態５にかかる付加製造装置における加工基準点の移動方向を表す角度の定義について説明するための図
【図１７】実施の形態５にかかる付加製造装置による、加工基準点の位置を補正するための補正量の調整について説明するための図
【図１８】実施の形態５にかかる付加製造装置によってビードの高さを推定する方法について説明するための図
【図１９】実施の形態１から５にかかる付加製造装置が有する数値制御装置のハードウェア構成例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、実施の形態にかかる付加製造装置および付加製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
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１００の構成を示す図である。付加製造装置１００は、溶融させた溶加材を被加工物へ付加することによって３次元造形物を製造する工作機械である。付加製造装置１００は、ビームの照射によって溶加材を溶融する。実施の形態１において、ビームはレーザビーム４であって、溶加材は金属のワイヤ５である。
【００１４】
付加製造装置１００は、被加工物へ送給されたワイヤ５の先端部をレーザビーム４によって局所的に溶融させ、ワイヤ５の溶融物を被加工物に接触させることによってビード８を形成する。ビード８は、ビームの照射によって溶融させた溶加材の凝固物である。付加製造装置１００は、基材１０の上においてビード８を積み重ねることによって造形物を製造する。図１に示す基材１０は、板材である。基材１０は板材以外の物であっても良い。被加工物は、溶融させた溶加材が付加される物体であって、基材１０または基材１０上のビード８である。溶融ビード９は、ビード８のうち溶融している部分である。
【００１５】
Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに垂直な３軸である。Ｘ軸とＹ軸とは、水平方向の軸である。Ｚ軸は、鉛直方向の軸である。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の各々において、矢印で示す向きをプラス向き、矢印とは逆の向きをマイナス向きと称することがある。Ｚ軸方向は、ビード８が積み重ねられる方向である積層方向である。
【００１６】
ビーム源であるレーザ発振器１は、レーザビーム４を出力する。レーザ発振器１により出力されたレーザビーム４は、光伝送路であるファイバーケーブル２を通って加工ヘッド３へ伝搬する。レーザ出力制御器１４は、レーザ発振器１を制御することによって、レーザ発振器１のビーム出力を調整する。以下の説明では、ビーム出力を、レーザ出力とも称する。
【００１７】
加工ヘッド３は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の各方向へ移動する。加工ヘッド３は、被加工物へ向けてレーザビーム４を出射する。加工ヘッド３の内部には、レーザビーム４を平行化させるコリメート光学系と、レーザビーム４を集束させる集光レンズとが設けられている。コリメート光学系および集光レンズの図示は省略する。被加工物へ照射するレーザビーム４の中心線の方向は、Ｚ軸方向である。
【００１８】
加工ヘッド３には、被加工物へ向けてシールドガスを噴射するガスノズルが設けられている。シールドガスとしては、不活性ガスであるアルゴンガスが使用される。付加製造装置１００は、シールドガスの噴射によって、ビード８の酸化を抑制するとともに、形成されたビード８を冷却する。シールドガスは、シールドガスの供給源であるガスボンベから供給される。ガス流量調整器１５は、シールドガスの流量を調整する。ガスノズルおよびガスボンベの図示は省略する。
【００１９】
付加製造装置１００には、ワイヤ５の供給源であるワイヤスプール６が取り付けられる。ワイヤ５は、ワイヤスプール６に巻き付けられている。送給部７は、加工ヘッド３に固定されている。送給部７は、被加工物へ溶加材を送給する。送給部７は、ワイヤスプール６から被加工物へ向けてワイヤ５を送り出す。また、送給部７は、送り出されたワイヤ５をワイヤスプール６のほうへ引き戻す。ワイヤ５が送給される方向は、加工ヘッド３からレーザビーム４が出射される方向に対して斜めの方向である。
【００２０】
基材１０は、ロータリーステージ１１に固定される。ロータリーステージ１１は、Ｚ軸周りに回転する。ロータリーステージ１２は、Ｙ軸周りにおける回転によって、ロータリーステージ１１の傾きを変化させる。付加製造装置１００は、ロータリーステージ１１，１２の動作によって、基材１０の姿勢を変化させる。付加製造装置１００は、基材１０の姿勢を変化させるとともに加工ヘッド３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４の照射位置を移動させる。
【００２１】
駆動制御器１６は、加工ヘッド３を駆動するヘッド駆動部１７と、送給部７を駆動するワイヤ送給駆動部１８と、ロータリーステージ１１，１２を駆動するステージ駆動部１９とを有する。
【００２２】
付加製造装置１００は、付加製造装置１００を制御する数値制御（Numerical  Control：ＮＣ）装置１３を有する。ＮＣ装置１３は、加工プログラムに従って付加製造装置１００の全体を制御する。ＮＣ装置１３は、レーザ出力制御器１４へレーザ出力指令を出力することによって、レーザ発振器１を制御する。ＮＣ装置１３は、ヘッド駆動部１７へ軸指令を出力することによって、加工ヘッド３を制御する。ＮＣ装置１３は、ワイヤ送給駆動部１８へ送給指令を送ることによって、送給部７を制御する。ＮＣ装置１３は、ステージ駆動部１９へ回転指令を出力することによって、ロータリーステージ１１，１２を制御する。ＮＣ装置１３は、ガス流量調整器１５へガス供給指令を出力することによって、シールドガスの流量を制御する。
【００２３】
図２は、実施の形態１にかかる付加製造装置１００を制御する数値制御装置の機能構成を示す図である。ＮＣ装置１３には、ＮＣプログラムである加工プログラム２０が入力される。加工プログラム２０は、コンピュータ支援製造（Computer  Aided  Manufacturing：ＣＡＭ）装置によって作成される。
【００２４】
ＮＣ装置１３は、加工プログラム２０を解析するプログラム解析部２１と、加工条件を設定する加工条件設定部２３と、軸指令を生成する軸指令生成部２４と、レーザ出力指令を生成するビーム指令生成部２５と、送給指令を生成する送給指令生成部２６とを有する。
【００２５】
プログラム解析部２１は、加工プログラム２０の記述に基づいて、加工ヘッド３を移動させる移動経路を解析する。プログラム解析部２１は、移動経路の解析結果を軸指令生成部２４へ出力する。また、プログラム解析部２１は、加工条件を設定するための情報を加工プログラム２０から取得する。プログラム解析部２１は、加工条件を設定するための情報を加工条件設定部２３へ出力する。
【００２６】
ＮＣ装置１３は、各種加工条件のデータが格納されている加工条件テーブル２２を有する。加工条件設定部２３は、加工条件を設定するための情報に従って加工条件のデータを加工条件テーブル２２から読み出すことによって、加工条件を設定する。なお、ＮＣ装置１３は、加工条件テーブル２２にあらかじめ格納されている各種加工条件のデータの中から、指定された加工条件のデータを得る以外に、加工条件のデータが記述されている加工プログラム２０から、加工条件のデータを得ることとしても良い。
【００２７】
軸指令生成部２４は、移動経路の解析結果を基に、移動経路上の単位時間ごとの補間点群である軸指令を生成する。以下の説明では、補間点を、指令点とも称する。ビーム指令生成部２５は、加工条件設定部２３によって設定された加工条件を基に、レーザ出力指令を生成する。送給指令生成部２６は、加工条件設定部２３によって設定された加工条件を基に、送給指令を生成する。
【００２８】
ＮＣ装置１３は、ビード８の形状精度を向上させるための調整を行うビード形状コントローラ２７と、フィードフォワードコントローラ３０と、加算器２８とを有する。付加製造装置１００には、カメラ、温度計および形状測定器などといった各種センサが設けられている。各種センサの図示は省略する。ビード形状コントローラ２７には、各種センサによる検出結果が入力される。ビード形状コントローラ２７は、各種センサによる検出結果に基づいて、送給速度の指令値およびレーザ出力の指令値といった、プロセスパラメータを調整する。
【００２９】
付加製造装置１００は、ビード形状コントローラ２７によるプロセスパラメータの調整によって、形成されるビード８の高さおよび幅を調整する。ビード８の高さとは、積層方向におけるビード８の高さである。ビード８の幅とは、加工ヘッド３を移動させる方向と積層方向とに垂直な方向におけるビード８の幅である。加工ヘッド３を移動させる方向がＸ軸方向である場合、Ｙ軸方向におけるビード８の幅が調整される。
【００３０】
カメラは、可視光カメラ、赤外カメラ、高速度計測カメラ等である。カメラは、被加工物の形状、被加工物の溶融状態、溶融池の形状、温度などを測定する。付加製造装置１００は、カメラが設けられることによって、被加工物の形状、被加工物の溶融状態、ワイヤ５の溶融状態、加工時に発生するヒュームまたはスパッタ、ワイヤ５の位置、被加工物の温度、ワイヤ５の温度、溶融池の温度などを観察することができる。温度計は、被加工物から放射される光を検出する。温度計は、放射温度計またはサーモカメラといった、非接触タイプの温度計である。形状測定器は、造形物の形状を測定する測定器であって、レーザ変位計、光干渉断層撮影を行う光干渉断層計（Optical  Coherence  Tomography：ＯＣＴ）等である。形状測定器は、Ｚ軸方向における造形物の高さ、Ｘ軸方向における造形物の長さ、または、Ｙ軸方向における造形物の幅を測定する。なお、各種センサには、分光器、音響測定器などが含まれても良い。
【００３１】
ビード形状コントローラ２７は、調整後のレーザ出力指令を、レーザ出力制御器１４とフィードフォワードコントローラ３０とへ出力する。ビード形状コントローラ２７は、調整後の送給指令を、ワイヤ送給駆動部１８とフィードフォワードコントローラ３０とへ出力する。
【００３２】
フィードフォワードコントローラ３０は、ワイヤ５の先端位置を算出する位置算出部３１と、加工ヘッド３の位置を補正するための補正量を算出する補正量算出部３２とを有する。位置算出部３１は、ワイヤ５の送給速度とレーザ発振器１によるレーザ出力とに基づいて、ワイヤ５の先端位置を算出する。実施の形態１では、位置算出部３１は、ビード形状コントローラ２７における調整後のレーザ出力指令と、ビード形状コントローラ２７における調整後の送給指令とに基づいて、ワイヤ５の先端位置を算出する。位置算出部３１は、先端位置の算出結果を補正量算出部３２へ出力する。
【００３３】
補正量算出部３２には、被加工物の上面から指令点までの変位量の測定値が入力される。変位量は、レーザ変位計といったセンサによって測定される。補正量算出部３２は、先端位置の算出結果と変位量とに基づいて、積層方向における補正量を算出する。補正量算出部３２は、補正量の算出結果を加算器２８へ出力する。加算器２８は、軸指令生成部２４によって生成された軸指令に補正量を加算する。補正量算出部３２と加算器２８とは、積層方向における加工基準点の位置を先端位置の算出結果に基づいて補正する補正部として機能する。加工基準点については後述する。加算器２８は、加算結果、すなわち補正後の軸指令をヘッド駆動部１７へ出力する。
【００３４】
なお、ＮＣ装置１３の上記各構成要素は、任意の単位で機能的にまたは物理的に分散されても良い。例えば、ビード形状コントローラ２７は、ＮＣ装置１３に接続された装置である外部装置に設けられたものであっても良い。
【００３５】
図３は、実施の形態１にかかる付加製造装置１００によって造形物が形成される様子について説明するための図である。図３には、基材１０上にビード８が形成される様子を模式的に示している。
【００３６】
「θ」は、送給部７から被加工物へ向かうワイヤ５の進行方向と、レーザビーム４の中心線Ｎに対して垂直な軸であるＸ軸とがなす角度である。「θ」は、被加工物へ送給される溶加材の方向を表すパラメータであって、付加製造装置１００の構造に関する機械パラメータの１つである。「Ｒ」は、中心線Ｎに垂直な面におけるレーザビーム４のスポットの直径である。ワイヤ５の先端位置５ａは、ワイヤ５のうちレーザビーム４の照射によって温度がワイヤ５の融点に到達した位置とする。
【００３７】
被加工物へ向かうレーザビーム４の中心線Ｎと、送給部７から被加工物へ向かうワイヤ５の進行方向との交点を、加工ヘッド３の基準点とする。以下の説明では、加工ヘッド３の基準点を、加工基準点ＲＰと称する。付加製造装置１００は、加工プログラム２０に基づいた指令点の位置３５に加工基準点ＲＰが一致するように、加工ヘッド３を駆動する。基材１０の上面のうち、ワイヤ５の溶融物が載せられる領域には、溶融池３６が形成される。溶融ビード９は、溶融池３６の上に形成される。
【００３８】
次に、付加製造装置１００によるワイヤ５の先端位置５ａの推定について説明する。図４は、実施の形態１にかかる付加製造装置１００によって溶加材であるワイヤ５の先端位置５ａを推定する方法について説明するための図である。
【００３９】
付加製造装置１００がドロップ現象またはスタブ現象を生じさせずに安定した加工を継続するためには、被加工物と先端位置５ａとの適切な位置関係を維持することが求められる。付加製造装置１００は、先端位置５ａを推定し、推定結果を基に加工基準点ＲＰの位置を補正することによって、被加工物と先端位置５ａとの適切な位置関係の維持を図り得る。付加製造装置１００は、位置算出部３１において先端位置５ａを算出することによって、先端位置５ａを推定する。
【００４０】
「Ｌ」は、加工開始時にワイヤ５がレーザビーム４へ突入したときの位置と、ワイヤ５がレーザビーム４へ突入してから温度が融点に到達した先端位置５ａとの距離である。「Ｌ」は、Ｚ軸方向における距離である。図４には、送給速度またはレーザ出力を互いに異ならせた２つのケースにおける距離「Ｌ」を示している。図４における（ｂ）のケースでは、図４における（ａ）のケースと比べて、送給速度が遅いか、レーザ出力が高い。図４における（ｂ）のケースにおける距離「Ｌ」は、図４における（ａ）のケースにおける距離「Ｌ」よりも短い。位置算出部３１は、先端位置５ａとプロセスパラメータとの関係を基に、プロセスパラメータから先端位置５ａを算出する。なお、先端位置５ａを算出するとは、距離「Ｌ」を算出することを指すものとする。
【００４１】
ここで、ワイヤ５へ投入される熱のうちレーザビーム４による吸収熱以外の熱は、当該吸収熱に比べて十分に小さいものと仮定する。すなわち、被加工物からワイヤ５への熱伝導は無視することとし、レーザビーム４内におけるワイヤ５の温度がレーザビーム４の照射のみによって決まるものとする。
【００４２】
加工開始にてワイヤ５がレーザビーム４へ突入したときから期間「ｔ」が経過した後におけるワイヤ５の温度「Ｔ」は、次の式（１）により表される。
Ｔ−Ｔ０＝（１／ＣＰ）・Ａ・ＰＣ・ｔ    ・・・（１）
【００４３】
「Ｔ０」はワイヤ５の初期温度である。初期温度は、レーザビーム４が照射される前におけるワイヤ５の温度である。初期温度≒室温である。「Ｔ０」の単位は［Ｋ］である。「ＣＰ」はワイヤ５の熱容量である。「ＣＰ」の単位は［Ｊ／Ｋ］である。「Ａ」はワイヤ５の吸収率である。「ＰＣ」はレーザ出力の指令値である。「ＰＣ」の単位は［Ｗ］である。
【００４４】
ワイヤ５がレーザビーム４へ突入したときから、ワイヤ５の先端部がワイヤ５の融点「Ｔｍｅｌｔ」に達するまでの期間「ｔｍｅｌｔ」は、次の式（２）により表される。式（２）は、式（１）を変形し、「Ｔｍｅｌｔ」および「ｔｍｅｌｔ」を代入したものである。なお、「Ｔｍｅｌｔ」に対して「Ｔ０」は十分に低いことから、式（２）では「Ｔ０」を無視している。
ｔｍｅｌｔ＝（１／Ａ・ＰＣ）・ＣＰ・Ｔｍｅｌｔ    ・・・（２）
【００４５】
ワイヤ５の進行方向とＸ軸とがなす角度が「θ」であることから、距離「Ｌ」は、「Ｋ」を定数として、次の式（３）および式（４）により表される。
Ｌ＝ｔｍｅｌｔ・ＦＷＣ・ｓｉｎθ    ・・・（３）
Ｌ＝Ｋ・（ＦＷＣ／ＰＣ）    ・・・（４）
【００４６】
「ＦＷＣ」は、ワイヤ５の送給速度の指令値である。「Ｋ」は、熱容量「ＣＰ」、吸収率「Ａ」および融点「Ｔｍｅｌｔ」といったワイヤ５の物性値と、付加製造装置１００の機械パラメータである「ｓｉｎθ」とをまとめた定数である。「ＦＷＣ」および「ＰＣ」は、付加製造装置１００のプロセスパラメータである。
【００４７】
以上の説明によると、ワイヤ５の先端位置５ａは、加工プログラム２０に基づいた指令点の位置３５のみならず、プロセスパラメータによっても変化することがわかる。なお、実施の形態１では、定数「Ｋ」は任意の方法によって決定することができる。定数「Ｋ」を決定するための物性値には、文献等に掲載されている数値を使用することができる。定数「Ｋ」は、予備実験によって決定しても良い。予備実験による定数「Ｋ」の決定については、実施の形態２において説明する。
【００４８】
実施の形態１において、付加製造装置１００は、ワイヤ５がレーザビーム４へ突入したときからのプロセスパラメータの変更が無い場合、すなわち定常状態における期間「ｔｍｅｌｔ」に基づいて、先端位置５ａを推定している。プロセスパラメータの時間変化による過渡応答に対する調整を含めた先端位置５ａの推定については、実施の形態４において説明する。
【００４９】
次に、付加製造装置１００による加工の状況とワイヤ５の先端位置５ａとの関係について説明する。図５は、実施の形態１にかかる付加製造装置１００による加工の状況とワイヤ５の先端位置５ａとの関係について説明するための図である。図５では、送給速度またはレーザ出力が互いに異なる４つのケースにおける加工の状況を模式的に示している。４つのケースでは、Ｚ軸方向において先端位置５ａが互いに異なる。図５における（ａ）のケースは、４つのケースの中で、先端位置５ａが最も鉛直上方にあるケースである。図５では（ａ），（ｂ），（ｃ）および（ｄ）の順に、先端位置５ａが鉛直下方へ下がっている。
【００５０】
図５における（ａ）のケースでは、先端位置５ａは、溶融ビード９から鉛直上方に離れている。かかるケースの場合、溶融ビード９から離れた位置にてワイヤ５が溶融することによって、ワイヤ５の先端部にドロップ３７が形成される。すなわち、ドロップ現象が生じる。
【００５１】
図５における（ｂ）のケースでは、先端位置５ａは、溶融ビード９の上面よりも鉛直上方にある。また、先端位置５ａと溶融ビード９との間には、溶融物の表面張力によるリンク３８が形成されている。かかるケースの場合、先端位置５ａがリンク３８を介して溶融ビード９とつながっているため、加工を継続することは可能である。ただし、リンク３８は外乱等によって容易に切断されるため、（ｂ）のケースにおける状況は、（ａ）のケースへ移行し易い状況であって、ドロップ現象を生じ易い状況といえる。
【００５２】
図５における（ｃ）のケースでは、先端位置５ａは、溶融ビード９の上面よりも鉛直下方、かつ溶融池３６の底面よりも鉛直上方にある。かかるケースの場合、ワイヤ５の溶融物と溶融ビード９との接触が維持されることによって、ドロップ現象は生じない。また、溶融池３６の底面と先端位置５ａとの間隔が維持されることによって、スタブ現象は生じない。付加製造装置１００は、（ｃ）のケースでは、ドロップ現象およびスタブ現象のどちらも生じず、安定した加工を継続することができる。
【００５３】
図５における（ｄ）のケースでは、先端位置５ａは、溶融池３６の底面よりも鉛直下方にある。または、溶融池３６の底面にワイヤ５が到達した状態から、さらに鉛直下方へ先端位置５ａが進行するようにワイヤ５が送給されることによって、ワイヤ５の先端が溶融池３６の底面に押し付けられる。（ｄ）のケースでは、スタブ現象が生じる。
【００５４】
このように、付加製造装置１００は、溶融ビード９の上面と溶融池３６の底面との間に先端位置５ａがある状態において、安定した加工を継続することができる。付加製造装置１００は、先端位置５ａが溶融ビード９から鉛直上方に離れている状態、または、先端位置５ａが溶融池３６の底面よりも鉛直下方の位置となるようにワイヤ５が送給される状態において、安定した加工を継続することが困難になる。
【００５５】
次に、付加製造装置１００による加工基準点ＲＰの位置の補正について説明する。図６は、実施の形態１にかかる付加製造装置１００によって加工基準点ＲＰを補正する方法について説明するための図である。図６の（ａ）には、加工基準点ＲＰの位置を補正する前における先端位置５ａおよび被加工物の状態を模式的に示している。図６の（ｂ）には、加工基準点ＲＰの位置を補正した後における先端位置５ａおよび被加工物の状態を模式的に示している。加工基準点ＲＰの位置が補正されることによって、先端位置５ａおよび被加工物の状態は、図６の（ａ）に示す状態から図６の（ｂ）に示す状態へ遷移する。
【００５６】
図６の（ａ）に示す状態において、先端位置５ａは、溶融ビード９から鉛直上方に離れている。位置算出部３１には、ビード形状コントローラ２７による調整後のレーザ出力指令値と、ビード形状コントローラ２７による調整後の送給速度指令値とが入力される。位置算出部３１は、上述の式（４）に基づいて距離「Ｌ」を算出する。位置算出部３１は、距離「Ｌ」の算出結果を補正量算出部３２へ出力する。
【００５７】
被加工物である基材１０の上面から加工基準点ＲＰまでの変位量「ｈ」は、レーザ変位計といったセンサによって測定される。補正量算出部３２には、変位量「ｈ」の測定値が入力される。
【００５８】
補正量算出部３２は、Ｚ軸方向における基材１０の上面と先端位置５ａとの間隔を、補正量として算出する。補正量である「ΔＺ」は、次の式（５）により表される。
ΔＺ＝−ｈ−（Ｒ／２）ｔａｎθ＋Ｌ    ・・・（５）
【００５９】
補正量算出部３２は、式（５）に基づいて「ΔＺ」を算出する。補正量算出部３２は、「ΔＺ」の算出結果を加算器２８へ出力する。加算器２８は、軸指令生成部２４によって生成された軸指令に「ΔＺ」を加算する。補正後の軸指令に従って加工ヘッド３が制御されることによって、加工基準点ＲＰの位置は、図６の（ａ）に示す状態における位置から「ΔＺ」だけ下降する。加工基準点ＲＰの位置が下降することによって、図６の（ｂ）に示すように、先端位置５ａは、溶融ビード９に接触する。
【００６０】
このように、付加製造装置１００は、先端位置５ａの算出結果に基づいて、積層方向における加工基準点ＲＰの位置を補正する。付加製造装置１００は、加工中にプロセスパラメータが変化した場合であっても、加工基準点ＲＰの位置を補正することによって先端位置５ａを溶融ビード９に接触させることができる。付加製造装置１００は、先端位置５ａを溶融ビード９に常時接触させることで、安定した加工が可能な状態を維持することができる。
【００６１】
次に、実施の形態１にかかる付加製造装置１００が造形物を製造する付加製造方法の手順について説明する。図７は、実施の形態１にかかる付加製造装置１００による造形物の製造における動作手順を示すフローチャートである。
【００６２】
送給ステップであるステップＳ１において、付加製造装置１００は、溶加材であるワイヤ５を被加工物へ送給する。ビーム出力ステップであるステップＳ２において、付加製造装置１００は、レーザ発振器１からレーザビーム４を出力することにより、被加工物へレーザビーム４を照射する。付加製造装置１００は、送給されたワイヤ５をレーザビーム４により溶融させてビード８を形成する。
【００６３】
位置算出ステップであるステップＳ３において、付加製造装置１００は、ステップＳ１におけるワイヤ５の送給速度とステップＳ２におけるレーザ出力とに基づいてワイヤ５の先端位置５ａを算出する。付加製造装置１００は、ステップＳ３により、加工時における先端位置５ａを推定する。補正ステップであるステップＳ４において、付加製造装置１００は、ステップＳ３における先端位置５ａの算出結果に基づいて加工基準点ＲＰの位置を補正する。付加製造装置１００は、加工基準点ＲＰの位置を補正しながらビード８を形成する動作を繰り返す。付加製造装置１００は、基材１０上においてビード８を積み重ねることによって造形物を製造する。
【００６４】
実施の形態１によると、付加製造装置１００は、被加工物へ送給される溶加材であるワイヤ５の送給速度とビーム源によるビーム出力とに基づいて、ワイヤ５の先端位置５ａを算出する。これにより、付加製造装置１００は、被加工物へ送給された溶加材をビームの照射によって溶融させる加工において、加工時における溶加材の先端の位置を推定することができるという効果を奏する。また、付加製造装置１００は、先端位置５ａの算出結果に基づいて、積層方向において加工基準点ＲＰの位置を補正することによって、安定した加工が可能な状態を維持することができる。
【００６５】
実施の形態２．
実施の形態１では、定数「Ｋ」は任意の方法によって決定可能とした。実施の形態２では、予備実験によって定数「Ｋ」を決定する方法について説明する。加工において実際に使用される溶加材および付加製造装置１００を用いた予備実験の結果に基づいて定数「Ｋ」を決定することによって、付加製造装置１００は、先端位置５ａの高精度な推定が可能となる。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。
【００６６】
実施の形態２では、付加製造装置１００は、予備実験によって、送給速度の境界値とレーザ発振器１によるレーザ出力との関係を求める。送給速度の境界値は、レーザビーム４へ向けて送給されたワイヤ５が溶融せずにレーザビーム４を通り抜ける場合における送給速度の最小値である。位置算出部３１は、送給速度の境界値とレーザ出力との関係に基づいて、定数「Ｋ」を算出する。
【００６７】
ここで、予備実験について説明する。図８は、実施の形態２にかかる付加製造装置１００における送給速度の境界値とレーザ出力との関係を求めるための予備実験について説明するための図である。
【００６８】
予備実験において、加工ヘッド３は、加工時における位置よりも鉛直上方の位置にて静止させる。付加製造装置１００は、加工ヘッド３を静止させたまま任意のレーザ出力でレーザビーム４を照射して、レーザビーム４の方へワイヤ５を送給する。図８には、レーザ出力の指令値をある値として、送給速度を互いに異ならせた２つのケースの場合においてワイヤ５を送給した状態を示している。図８における（ｂ）のケースでは、図８における（ａ）のケースと比べて、送給速度が速い。
【００６９】
図８における（ａ）のケースでは、ワイヤ５がレーザビーム４へ突入したときから、ワイヤ５がレーザビーム４を通り抜けるよりも前に、ワイヤ５の先端部が溶融する。ワイヤ５の先端部には、ドロップ３７が形成される。付加製造装置１００は、図８における（ａ）のケースから送給速度を順次上げてワイヤ５を送給することを繰り返す。ワイヤ５の送給速度がある値よりも高くなると、ワイヤ５は、レーザビーム４を通り抜けるようになる。レーザビーム４を通り抜け始めたときの送給速度が、境界値である。このようにして、付加製造装置１００は、レーザ出力の指令値に対応する境界値を求める。ワイヤ５がレーザビーム４を通り抜けたか否かの判定には、各種センサによる検出結果を使用することができる。
【００７０】
付加製造装置１００は、境界値を取得するための上記動作を、レーザ出力の指令値を変化させながら複数回繰り返す。これにより、付加製造装置１００は、レーザ出力の指令値ＰＣｎと境界値ＦＷＣｎとの組である（ＰＣｎ，ＦＷＣｎ）を複数求める。「ｎ」は、境界値を取得するための上記動作であるサンプリングの回数を表し、２以上の任意の整数である。付加製造装置１００は、複数の（ＰＣｎ，ＦＷＣｎ）を保持する。
【００７１】
図９は、実施の形態２にかかる付加製造装置１００において得られた、送給速度の境界値とレーザ出力との関係の例を示す図である。図９に示すグラフの縦軸はワイヤ５の送給速度、横軸はレーザ出力を表す。図９に示す各点は、複数の（ＰＣｎ，ＦＷＣｎ）の各々をプロットしたものである。図９に示す破線の直線は、複数の（ＰＣｎ，ＦＷＣｎ）の近似式を表す。図９には、６回のサンプリングによる結果を表す６つの点と、当該結果から得られた近似式とを示している。
【００７２】
複数の（ＰＣｎ，ＦＷＣｎ）の各々は、次の式（６）および式（７）を満足する。付加製造装置１００は、複数の（ＰＣｎ，ＦＷＣｎ）と式（７）の関係とを基に、最小二乗法により定数「Ｋ」を算出する。
Ｒｔａｎθ＝Ｋ・ＦＷＣｎ／ＰＣｎ    ・・・（６）
Ｋ＝Ｒｔａｎθ・ＰＣｎ／ＦＷＣｎ    ・・・（７）
【００７３】
付加製造装置１００は、算出された定数「Ｋ」を用いた演算によって、ワイヤ５の先端位置５ａを算出する。定数「Ｋ」の算出は、付加製造装置１００において過去に使用していたワイヤ５とは異なる材料のワイヤ５を使用する加工が行われる前に実施される。定数「Ｋ」の算出は、付加製造装置１００の製造時に実施されても良い。
【００７４】
実施の形態２の方法によると、実際に使用されるワイヤ５と付加製造装置１００について、ワイヤ５の物性値と機械パラメータとがまとめられた定数「Ｋ」を算出することができる。付加製造装置１００は、実際に使用されるワイヤ５の物性値、および実際に使用される付加製造装置１００の機械パラメータに対して、定数「Ｋ」の誤差を少なくすることができる。これにより、付加製造装置１００は、先端位置５ａの高精度な推定が可能となる。
【００７５】
実施の形態３．
実施の形態１および２では、先端位置５ａは、送給速度の指令値とレーザ出力の指令値とを用いた演算によって算出されるものとした。実施の形態３では、付加製造装置１００は、送給速度のフィードバック値とレーザ出力のフィードバック値とを用いた演算によって先端位置５ａを算出する。これにより、付加製造装置１００は、先端位置５ａの算出結果について、指令に対するハードウェアの応答遅れに起因する誤差を低減できる。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。
【００７６】
図１０は、実施の形態３にかかる付加製造装置１００を制御する数値制御装置の機能構成を示す図である。ＮＣ装置１３Ａでは、ビード形状コントローラ２７から位置算出部３１への送給速度の指令値の入力に代えて、送給部７から位置算出部３１へ送給速度のフィードバック値「ＦＷｆｂ」が入力される。ＮＣ装置１３Ａでは、ビード形状コントローラ２７から位置算出部３１へのレーザ出力の指令値の入力に代えて、レーザ発振器１から位置算出部３１へレーザ出力のフィードバック値「Ｐｆｂ」が入力される。
【００７７】
位置算出部３１は、上述の式（４）へ、送給速度のフィードバック値「ＦＷｆｂ」とレーザ出力のフィードバック値「Ｐｆｂ」とを代入することによって、距離「Ｌ」を算出する。すなわち、位置算出部３１は、送給速度のフィードバック値「ＦＷｆｂ」とレーザ出力のフィードバック値「Ｐｆｂ」とを用いた演算によって先端位置５ａを算出する。
【００７８】
実施の形態３によると、付加製造装置１００は、位置算出部３１における演算に、送給速度のフィードバック値とレーザ出力のフィードバック値とを用いることによって、先端位置５ａの算出結果について、応答遅れに起因する誤差を低減できる。
【００７９】
実施の形態４．
実施の形態１から３では、ワイヤ５がレーザビーム４へ突入したときからのプロセスパラメータの変更が無い場合、すなわち定常状態における期間「ｔｍｅｌｔ」に基づいて、先端位置５ａを推定した。ワイヤ５がレーザビーム４へ突入したときからプロセスパラメータが変更された場合、ワイヤ５の溶融状態は、プロセスパラメータが変更されたタイミングから遅れて、変更後のプロセスパラメータに対応する定常状態となる。過渡応答とは、プロセスパラメータが変更されたタイミングから定常状態となるまでの状態を指す。先端位置５ａは、プロセスパラメータが変更されたタイミングからの過渡応答によって、徐々に変化する。プロセスパラメータの変化量が大きくなるほど、先端位置５ａの推定結果に対する過渡応答の影響が大きくなる。
【００８０】
実施の形態４では、先端位置５ａの推定結果に対する過渡応答の影響を低減可能とする、先端位置５ａの算出方法について説明する。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。
【００８１】
図１１は、実施の形態４にかかる付加製造装置１００においてプロセスパラメータを変更する例について説明するための図である。図１１には、基材４１にビード８の層４２を積み重ねる様子を示している。被加工物である基材４１の上面には、Ｚ軸方向における高さが変化している段差部４３が含まれている。図１１に示す例では、付加製造装置１００は、基材４１に層４２を積み重ねることによって平坦な造形物４０を形成するために、Ｚ軸方向における層４２の高さを変化させる。なお、付加製造装置１００は、Ｘ軸方向のプラス向きへ加工基準点ＲＰを移動させることにより層４２を形成するものとする。
【００８２】
付加製造装置１００は、加工基準点ＲＰが段差部４３に到達したときにワイヤ５の送給速度を瞬時に低下させる。ワイヤ５の送給速度が低下することによって、段差部４３からＸ軸方向マイナス側の領域よりも、段差部４３からＸ軸方向プラス側の領域において、形成される層４２の高さが低くなる。このようにして、付加製造装置１００は、平坦な造形物４０を形成する。
【００８３】
付加製造装置１００は、ワイヤ５の送給速度の指令値を小さくする調整をビード形状コントローラ２７において行うことによって、ワイヤ５の送給速度を低下させる。加工時において、ビード形状コントローラ２７は、被加工物の形状の測定結果に基づいて、プロセスパラメータを動的に調整する。
【００８４】
図１２は、実施の形態４にかかる付加製造装置１００における先端位置５ａの算出方法について説明するための図である。図１２には、層４２の形成時におけるＸ軸方向の位置とワイヤ５の送給速度との関係と、Ｘ軸方向の位置ごとにおけるワイヤ５の状態とを模式的に示している。図１２では層４２の図示は省略する。図１２における（ａ）は、Ｘ軸方向の位置とワイヤ５の送給速度との関係を表すグラフである。図１２における（ｂ）は、過渡応答に対する調整が行われない場合における先端位置５ａの推定結果を示している。図１２における（ｃ）は、過渡応答に対する調整が行われない場合における推定結果を基に加工基準点ＲＰの位置を補正した場合におけるワイヤ５の状態を示している。図１２における（ｄ）は、過渡応答に対する調整が行われた場合における先端位置５ａの推定結果とワイヤ５の状態とを示している。
【００８５】
過渡応答に対する調整が行われない場合には、先端位置５ａの推定結果は、プロセスパラメータのみに依存して変化する。このため、送給速度が瞬時に低下した場合に、送給速度の変化と同様に先端位置５ａはステップ状に変化するものと推定される。すなわち、図１２の（ｂ）に示すように、先端位置５ａの移動経路４４は、段差部４３への加工基準点ＲＰの到達と同時に瞬時に上昇するものと推定される。
【００８６】
ただし、実際の溶融状態において、先端位置５ａは、プロセスパラメータが変更されたタイミングからの過渡応答によって、徐々に変化する。図１２の（ｂ）に示す推定結果を基に加工基準点ＲＰの位置が補正された場合、図１２の（ｃ）に示す補正後の移動経路４４は、段差部４３に加工基準点ＲＰが到達したときから徐々に上昇することになる。このため、ワイヤ５の先端部が基材４１に衝突する。すなわち、スタブ現象が生じる。このように、段差部４３のうち低い方から高い方へ加工基準点ＲＰが向かう加工において、過渡応答に対する調整が行われない場合に、スタブ現象が生じる場合がある。なお、段差部４３のうち高い方から低い方へ加工基準点ＲＰが向かう加工では、過渡応答に対する調整が行われない場合に、ドロップ現象が生じる場合がある。
【００８７】
そこで、実施の形態４では、付加製造装置１００は、過渡応答に対する調整を含めた先端位置５ａの推定を行う。付加製造装置１００は、過渡応答に対する調整によって、図１２の（ｄ）に示すように段差部４３への加工基準点ＲＰの到達と同時に先端位置５ａを瞬時に上昇させるように、先端位置５ａを補正することができる。これにより、付加製造装置１００は、加工中にプロセスパラメータが変更された場合でも、定常状態の場合と同様に安定した加工を継続することができる。
【００８８】
次に、過渡応答に対する調整を含めた先端位置５ａの推定について説明する。過渡応答に対する調整を含めて先端位置５ａを推定するためには、ワイヤ５における熱分布を正確に求めることが必要となる。実施の形態４では、付加製造装置１００は、ワイヤ５を複数の微小領域に分けて、レーザビーム４内を移動しているときの入熱量を微小領域ごとに積算するシミュレーションを行う。付加製造装置１００は、入熱量に基づいて微小領域ごとの温度を推定して、先端位置５ａを算出する。付加製造装置１００は、ワイヤ５の微小領域ごとの温度を推定することによって、過渡応答に対する調整を含めた先端位置５ａの推定が可能となる。
【００８９】
図１３は、実施の形態４にかかる付加製造装置１００による、過渡応答に対する調整を含めた先端位置５ａの推定について説明するための第１の図である。位置算出部３１によるシミュレーションにおいて、ワイヤ５は、送給部７から被加工物へ向かうワイヤ５の進行方向における位置が互いに異なる複数の微小領域に分けられる。図１３に示す６個の領域４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆの各々は、微小領域である。ワイヤ５の進行方向における各領域４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆの幅である「ｄｗ」は、いずれも同じである。
【００９０】
位置算出部３１は、サンプリングタイムである「Δｔ」ごとに、レーザビーム４の照射による温度の上昇幅と、ワイヤ５の送給に伴う移動量とを、各微小領域について求める。これにより、位置算出部３１は、各微小領域の温度と各微小領域の位置とを把握することができる。位置算出部３１は、各微小領域の温度と各微小領域の位置とを把握することによって、過渡応答時におけるワイヤ５の溶融状態を加味して先端位置５ａを推定することができる。
【００９１】
シミュレーションでは、サンプリングタイムを「Δｔ」とすること、および、ワイヤ５の進行方向における幅が「ｄｗ」である複数の微小領域にワイヤ５を分けることを条件とする。また、シミュレーションでは、ワイヤ５における熱伝導の影響は無視することとし、ワイヤ５のうちレーザビーム４の外にある部分の温度は一定であるものとする。
【００９２】
次に、シミュレーションの手順について説明する。図１３には、時刻「ｔ」におけるワイヤ５の状態を示している。領域４５ａは、ワイヤ５のうち被加工物側の先端に位置している。ワイヤ５において、被加工物側の先端から送給部７の方へ向かって、領域４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆの順に、微小領域が並んでいる。位置算出部３１は、各微小領域の温度の値を保持する。
【００９３】
図１３において、３つの領域４５ａ，４５ｂ，４５ｃはレーザビーム４内にある。３つの領域４５ｄ，４５ｅ，４５ｆは、レーザビーム４の外にある。各領域４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆの温度「Ｔｋ（ｔ）」、「Ｔｋ＋１（ｔ）」、「Ｔｋ＋２（ｔ）」、「Ｔｋ＋３（ｔ）」、「Ｔｋ＋４（ｔ）」、「Ｔｋ＋５（ｔ）」は、Ｔｋ（ｔ）＞Ｔｋ＋１（ｔ）＞Ｔｋ＋２（ｔ）＞Ｔｋ＋３（ｔ）＝Ｔｋ＋４（ｔ）＝Ｔｋ＋５（ｔ）を満足する。「Ｌ（ｔ）」は、ワイヤ５がレーザビーム４へ突入したときの位置と時刻「ｔ」におけるワイヤ５の先端との、Ｚ軸方向における距離である。
【００９４】
図１４は、実施の形態４にかかる付加製造装置１００による、過渡応答に対する調整を含めた先端位置５ａの推定について説明するための第２の図である。図１４には、時刻「ｔ＋Δｔ」におけるワイヤ５の状態を示している。
【００９５】
時刻「ｔ」における送給速度を「ＦＷ（ｔ）」とすると、サンプリングタイム「Δｔ」において、ワイヤ５全体が被加工物の方へ「ＦＷ（ｔ）・Δｔ」だけ移動する。ここでは、時刻「ｔ」における送給速度のフィードバック値を「ＦＷｆｂ（ｔ）」として、ワイヤ５の移動距離が「ＦＷｆｂ（ｔ）・Δｔ」であるものとする。位置算出部３１は、「ＦＷｆｂ（ｔ）・Δｔ」に基づいて、レーザビーム４内にある微小領域を特定する。図１４において、５つの領域４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅがレーザビーム４内にある。４つの領域４５ｆ，４５ｇ，４５ｈ，４５ｉは、レーザビーム４の外にある。位置算出部３１は、５つの領域４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅを、レーザビーム４内にある微小領域であるものと判定する。
【００９６】
時刻「ｔ」におけるレーザ出力のフィードバック値を「Ｐｆｂ（ｔ）」とすると、サンプリングタイム「Δｔ」において、レーザビーム４内にある各領域４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅは、「Ｐｆｂ（ｔ）・Δｔ」の熱を受ける。各領域４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅの温度は、サンプリングタイム「Δｔ」おける入熱量に応じて上昇する。
【００９７】
時刻「ｔ＋Δｔ」においてレーザビーム４内にある各微小領域では、時刻「ｔ」における熱量に、「Ｐｆｂ（ｔ）・Δｔ」の入熱量が積算される。位置算出部３１は、時刻「ｔ＋Δｔ」においてレーザビーム４内にある各微小領域の温度「Ｔｎ（ｔ＋Δｔ）」を、次の式（８）によって求めることができる。
Ｔｎ（ｔ＋Δｔ）＝Ｔｎ（ｔ）＋Ａ・Ｃｐ・Ｐｆｂ（ｔ）・Δｔ    ・・・（８）
【００９８】
式（８）では、Ｔｎ（ｔ＋Δｔ）は、時刻「ｔ＋Δｔ」における各領域４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅの温度「Ｔｋ（ｔ＋Δｔ）」、「Ｔｋ＋１（ｔ＋Δｔ）」、「Ｔｋ＋２（ｔ＋Δｔ）」、「Ｔｋ＋３（ｔ＋Δｔ）」、「Ｔｋ＋４（ｔ＋Δｔ）」を表す。Ｔｎ（ｔ）は、「Ｔｋ（ｔ）」、「Ｔｋ＋１（ｔ）」、「Ｔｋ＋２（ｔ）」、「Ｔｋ＋３（ｔ）」、「Ｔｋ＋４（ｔ）」を表す。位置算出部３１は、各微小領域の温度「Ｔｎ（ｔ＋Δｔ）」を求めることによって、各領域４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅについて保持している温度の値を更新する。
【００９９】
位置算出部３１は、更新後の温度「Ｔｎ（ｔ＋Δｔ）」とワイヤ５の融点とを比較し、温度「Ｔｎ（ｔ＋Δｔ）」が融点を超えている微小領域をシミュレーションにおいて除去する。領域４５ａの温度である「Ｔｋ（ｔ＋Δｔ）」が、融点よりも高い場合、領域４５ａは時刻「ｔ」から時刻「ｔ＋Δｔ」までの間に溶融したものとみなすことができる。この場合、位置算出部３１は、シミュレーションにおいて領域４５ａを除去する。
【０１００】
位置算出部３１は、レーザビーム４内にある微小領域の中から、「Ｔｎ（ｔ＋Δｔ）」が融点以下である微小領域を特定する。さらに、位置算出部３１は、特定された微小領域の中から、ワイヤ５の進行方向における最も被加工物側にある１つの微小領域を、先端位置５ａと判定する。領域４５ｂの温度である「Ｔｋ＋１（ｔ＋Δｔ）」が融点以下である場合、領域４５ａが除去されたことによって、領域４５ｂは、「Ｔｎ（ｔ＋Δｔ）」が融点以下であって、かつワイヤ５の進行方向における最も被加工物側にある１つの微小領域に該当する。この場合、位置算出部３１は、領域４５ｂを、先端位置５ａと判定する。このように、位置算出部３１は、溶加材のうち複数の微小領域の各々における入熱量を送給速度とビーム出力とに基づいて求め、入熱量に基づいて微小領域ごとの温度を推定することによって先端位置５ａを算出する。
【０１０１】
実施の形態４によると、付加製造装置１００は、過渡応答に対する調整を含めた先端位置５ａの推定を行う。付加製造装置１００は、先端位置５ａの推定結果に対する過渡応答の影響を低減できる。これにより、付加製造装置１００は、安定した加工を継続することができる。
【０１０２】
実施の形態５．
実施の形態１から４のように加工基準点ＲＰの位置を補正した場合に、加工基準点ＲＰの移動方向によっては、溶融前のワイヤ５がビード８に当たる場合がある。実施の形態５では、溶融前のワイヤ５をビード８から離すための補正量「ΔＺ」の調整について説明する。付加製造装置１００は、補正量「ΔＺ」の調整によって、溶融前のワイヤ５がビード８に当たることによる造形物の品質低下を防ぐことができる。実施の形態５では、上記の実施の形態１から４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４とは異なる構成について主に説明する。
【０１０３】
図１５は、実施の形態５にかかる付加製造装置１００における、Ｚ軸方向における加工基準点ＲＰの位置の補正と、加工基準点ＲＰの移動方向とについて説明するための図である。送給部７から被加工物へ送給されるワイヤ５は、Ｚ軸に対してＸ軸方向マイナス向きに傾けられている。図１５における（ａ）のケースでは、加工基準点ＲＰの移動方向がＸ軸方向プラス向きである。図１５における（ｂ）のケースでは、加工基準点ＲＰの移動方向がＸ軸方向マイナス向きである。
【０１０４】
図１６は、実施の形態５にかかる付加製造装置１００における加工基準点ＲＰの移動方向を表す角度の定義について説明するための図である。図１６に示す「０°（３６０°）」、「９０°」、「１８０°」および「２７０°」の各角度は、Ｘ軸方向とＹ軸方向との２次元方向における方向を表す。実施の形態５では、積層方向に垂直な面内における加工基準点ＲＰの移動方向は、０°から３６０°までの角度によって定義される。加工基準点ＲＰの移動方向が、図１６に示す白抜き矢印の方向である場合、当該移動方向は、４５°である。図１５の（ａ）における加工基準点ＲＰの移動方向は、０°である。図１５の（ｂ）における加工基準点ＲＰの移動方向は、１８０°である。
【０１０５】
図１５における（ａ）のケースでは、溶融ビード９に先端位置５ａが接触するように加工ヘッド３を下降させた場合に、溶融前のワイヤ５がビード８に当たる場合がある。加工ヘッド３を下降させた場合において、レーザビーム４のうちＸ軸方向マイナス側の端とワイヤ５との交点５１が、ワイヤ５のうち最初にビード８に接触する。溶融前のワイヤ５がビード８に当たる現象は、Ｚ軸方向におけるビード８の高さによって、生じたり生じなかったりする。
【０１０６】
溶融前のワイヤ５がビード８に当たったまま加工ヘッド３が移動すると、筋状の痕跡がビード８に残ることによって、造形物の品質が低下する場合がある。一方、図１５における（ｂ）のケースでは、溶融ビード９に先端位置５ａが接触するように加工ヘッド３を下降させた場合に、溶融前のワイヤ５がビード８に当たることはない。
【０１０７】
加工基準点ＲＰの移動方向が０°から９０°または２７０°から３６０°の範囲に含まれる場合には、溶融ビード９に先端位置５ａが接触するように加工ヘッド３を下降させた際に、溶融前のワイヤ５がビード８に接触する可能性がある。このため、加工基準点ＲＰの移動方向が０°から９０°または２７０°から３６０°の範囲に含まれる場合に、溶融前のワイヤ５がビード８に当たる現象は生じ得る。
【０１０８】
一方、加工基準点ＲＰの移動方向が９０°から２７０°の範囲に含まれる場合には、溶融ビード９に先端位置５ａが接触するように加工ヘッド３を下降させた際に、溶融前のワイヤ５がビード８に接触することはない。このため、加工基準点ＲＰの移動方向が９０°から２７０°の範囲に含まれる場合には、溶融前のワイヤ５がビード８に当たる現象は生じない。
【０１０９】
次に、加工基準点ＲＰの位置を補正するための補正量である「ΔＺ」の調整について説明する。図１７は、実施の形態５にかかる付加製造装置１００による、加工基準点ＲＰの位置を補正するための補正量の調整について説明するための図である。図１７の（ａ）には、加工基準点ＲＰの位置を補正する前における先端位置５ａおよび被加工物の状態を模式的に示している。図１７の（ｂ）には、加工基準点ＲＰの位置を補正した後における先端位置５ａおよび被加工物の状態を模式的に示している。
【０１１０】
補正量算出部３２は、加工基準点ＲＰの移動方向が０°から９０°または２７０°から３６０°の範囲に含まれ、かつ、Ｌ＜ｈｂが成り立つ場合に、「ΔＺ」を調整する。「ｈｂ」は、被加工物に形成されたビード８の、Ｚ軸方向における高さである。「ｈｂ」を推定する方法については後述する。
【０１１１】
溶融前のワイヤ５をビード８から離すための調整後の補正量「ΔＺ」は、次の式（９）により表される。
ΔＺ＝−ｈ−（Ｒ／２）ｔａｎθ＋ｈｂ＋Ｂ    ・・・（９）
【０１１２】
「Ｂ」は、加工ヘッド３を下降させた際におけるビード８と交点５１との距離である。「Ｂ」には、１００μｍから２００μｍ程度が設定される。なお、「Ｂ」をゼロとした場合、ワイヤ５がビード８に当たることとなる。補正量算出部３２は、式（９）により、調整後の「ΔＺ」を算出する。補正量算出部３２は、調整後の補正量である「ΔＺ」を加算器２８へ出力する。
【０１１３】
調整後の「ΔＺ」が加算された軸指令に基づいて加工ヘッド３が制御されることによって、溶融ビード９に先端位置５ａが接触するように加工ヘッド３を下降させた状態にて、ビード８と溶融前のワイヤ５との間に、距離「Ｂ」の間隙が確保される。これにより、付加製造装置１００は、溶融前のワイヤ５がビード８に当たる現象を防ぐことができる。
【０１１４】
一方、加工基準点ＲＰの移動方向が９０°から２７０°の範囲に含まれる場合、または、Ｌ≧ｈｂが成り立つ場合、溶融前のワイヤ５がビード８に接触することはない。この場合、補正量算出部３２は、上述のような調整を行わず、実施の形態１から４の場合と同様に「ΔＺ」を算出する。
【０１１５】
このように、補正量算出部３２は、加工基準点ＲＰの位置を補正するための補正量「ΔＺ」を、積層方向に垂直な面内における加工基準点ＲＰの移動方向と、積層方向におけるビード８の高さとに基づいて調整する。これにより、付加製造装置１００は、溶融前のワイヤ５がビード８に当たる現象を防ぐことにより、造形物の品質低下を防ぐことができる。
【０１１６】
次に、ビード８の高さである「ｈｂ」を推定する方法について説明する。図１８は、実施の形態５にかかる付加製造装置１００によってビード８の高さを推定する方法について説明するための図である。ここでは、ビード８の高さを推定する方法として考えられる複数の方法のうちの１つについて説明する。付加製造装置１００は、以下に説明する方法以外の方法によってビード８の高さを推定しても良い。
【０１１７】
補正量算出部３２は、ビード８の断面積と、ビード８の断面形状と、ビード８の幅とに基づいて、ビード８の高さを推定する。断面積は、ビード８のＹＺ断面の面積である。補正量算出部３２は、移動経路４４の方向における単位長さ当たりのビード８の体積を基に推定する。補正量算出部３２は、ワイヤ５の送給速度と、加工ヘッド３の軸速度とに基づいて推定しても良い。断面積は、送給速度を軸速度で割った結果としても良い。断面形状は、ビード８のＹＺ断面の形状である。断面形状は、円のうち円弧を含む部分と仮定する。ビード８の幅は、積層方向と移動経路４４の方向とに垂直な方向における幅である。ビード８の幅は、レーザビーム４の径である「Ｒ」と等しいと仮定する。補正量算出部３２は、円が持つ幾何学的な関係を用いることによって、「ｈｂ」を算出することができる。
【０１１８】
実施の形態５によると、付加製造装置１００は、加工基準点ＲＰの位置を補正するための補正量を、加工基準点ＲＰの移動方向と、積層方向におけるビード８の高さとに基づいて調整することによって、溶融前のワイヤ５がビード８に当たる現象を防ぐことができる。これにより、付加製造装置１００は、造形物の品質低下を防ぎ、高品質な造形物を製造することができる。
【０１１９】
次に、実施の形態１から５にかかる付加製造装置１００が有するＮＣ装置１３，１３Ａのハードウェア構成について説明する。図１９は、実施の形態１から５にかかる付加製造装置１００が有する数値制御装置のハードウェア構成例を示す図である。図１９には、プログラムを実行するハードウェアを用いることによってＮＣ装置１３，１３Ａの機能が実現される場合におけるハードウェア構成を示している。
【０１２０】
ＮＣ装置１３，１３Ａは、各種処理を実行するプロセッサ６１と、内蔵メモリであるメモリ６２と、ＮＣ装置１３，１３Ａへの情報の入力とＮＣ装置１３，１３Ａからの情報の出力のための回路である入出力インタフェース６３と、情報を記憶する記憶装置６４と、を有する。
【０１２１】
プロセッサ６１は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）である。プロセッサ６１は、処理装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、又はＤＳＰ（Digital  Signal  Processor）であっても良い。メモリ６２は、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable  Programmable  Read  Only  Memory）またはＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically  Erasable  Programmable  Read  Only  Memory）である。
【０１２２】
記憶装置６４は、ＨＤＤ（Hard  Disk  Drive）またはＳＳＤ（Solid  State  Drive）である。コンピュータをＮＣ装置１３，１３Ａとして機能させるプログラムは、記憶装置６４に格納される。プロセッサ６１は、記憶装置６４に格納されているプログラムをメモリ６２に読み出して実行する。
【０１２３】
プログラムは、コンピュータシステム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。ＮＣ装置１３，１３Ａは、記憶媒体に記録されたプログラムをメモリ６２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。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コンピュータシステムへインストールされても良い。
【０１２４】
プログラム解析部２１、加工条件設定部２３、軸指令生成部２４、ビーム指令生成部２５、送給指令生成部２６、ビード形状コントローラ２７、加算器２８およびフィードフォワードコントローラ３０の各機能は、プロセッサ６１とソフトウェアの組み合わせによって実現される。当該各機能は、プロセッサ６１およびファームウェアの組み合わせによって実現されても良く、プロセッサ６１、ソフトウェアおよびファームウェアの組み合わせによって実現されても良い。ソフトウェアまたはファームウェアは、プログラムとして記述され、記憶装置６４に格納される。ＮＣ装置１３，１３Ａにおいて、加工プログラム２０と、加工条件テーブル２２と、上述する演算において使用される各種データとは、記憶装置６４に格納される。
【０１２５】
入出力インタフェース６３は、ハードウェアに接続される各種センサからの信号を受信する。また、入出力インタフェース６３は、レーザ出力制御器１４、ガス流量調整器１５および駆動制御器１６の各々へ、指令を送信する。
【０１２６】
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】
【０１２７】
１  レーザ発振器、２  ファイバーケーブル、３  加工ヘッド、４  レーザビーム、５  ワイヤ、５ａ  先端位置、６  ワイヤスプール、７  送給部、８  ビード、９  溶融ビード、１０，４１  基材、１１，１２  ロータリーステージ、１３，１３Ａ  ＮＣ装置、１４  レーザ出力制御器、１５  ガス流量調整器、１６  駆動制御器、１７  ヘッド駆動部、１８  ワイヤ送給駆動部、１９  ステージ駆動部、２０  加工プログラム、２１  プログラム解析部、２２  加工条件テーブル、２３  加工条件設定部、２４  軸指令生成部、２５  ビーム指令生成部、２６  送給指令生成部、２７  ビード形状コントローラ、２８  加算器、３０  フィードフォワードコントローラ、３１  位置算出部、３２  補正量算出部、３５  位置、３６  溶融池、３７  ドロップ、３８  リンク、４０  造形物、４２  層、４３  段差部、４４  移動経路、４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆ，４５ｇ，４５ｈ，４５ｉ  領域、５１  交点、６１  プロセッサ、６２  メモリ、６３  入出力インタフェース、６４  記憶装置、１００  付加製造装置、Ｎ  中心線、ＲＰ  加工基準点。
【要約】
付加製造装置は、溶融させた溶加材の凝固物であるビードを積み重ねることによって造形物を製造する。付加製造装置は、被加工物へ溶加材を送給する送給部（７）と、送給された溶加材を溶融させるビームを出力するビーム源と、溶加材のうちビームの照射によって温度が溶加材の融点に到達した位置である先端位置を、被加工物へ送給される溶加材の送給速度とビーム源によるビーム出力とに基づいて算出する位置算出部（３１）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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【図１９】
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