(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工位置へ供給された加工材料へ加工光を照射することによって前記加工材料を溶融させ、溶融した前記加工材料の固化物であるビードを加工対象物に積み重ねることによって造形物を形成する積層造形装置であって、
前記加工光が透過する対物レンズを有し、前記加工位置へ前記加工光を照射する加工光学系と、
形成された前記造形物の寸法を計測するための照明光を供給する計測用照明部と、
前記造形物で反射した前記照明光である反射光を検出する受光素子と、
前記受光素子へ前記反射光を集光する受光光学系と、
前記加工対象物に対して前記加工位置を移動させる方向である第１の方向と前記ビードが積み重ねられる方向である第２の方向とに垂直な第３の方向における前記造形物の幅を、前記受光素子における前記反射光の検出結果を用いた演算によって算出する演算部と、
前記造形物の幅の算出結果に基づいて、前記ビードを形成するための加工条件を制御する制御部と、を備え、
前記演算部は、前記反射光の検出結果に基づいて前記造形物の断面高さ分布を算出し、前記断面高さ分布を基に前記造形物の幅を算出することを特徴とする積層造形装置。
【請求項２】
前記演算部は、前記断面高さ分布を基に前記造形物の端部の位置を算出することにより前記造形物の幅を算出することを特徴とする請求項１に記載の積層造形装置。
【請求項３】
前記演算部は、複数の前記ビードが互いに隣接して形成される場合に、前記ビードのうち前記第３の方向における一方の端部の位置と、複数の前記ビードの加工中心間の距離とに基づいて、前記造形物の幅を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の積層造形装置。
【請求項４】
前記照明光は、直線状に照射されるラインビームであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の積層造形装置。
【請求項５】
前記計測用照明部の位置が、前記ラインビームの長手方向が加工経路に対して垂直となるように移動可能であることを特徴とする請求項４に記載の積層造形装置。
【請求項６】
前記ラインビームの光軸は前記受光光学系の光軸に対して傾けられており、
前記ラインビームは、前記受光光学系の光軸を中心、かつ前記加工材料が供給される方向に対向する方向を基準とする少なくとも±９０度の角度範囲において途切れず照射されることを特徴とする請求項４に記載の積層造形装置。
【請求項７】
前記照明光は、円状に照射されるラインビームであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の積層造形装置。
【請求項８】
前記計測用照明部は、前記加工対象物上または形成された前記造形物上の計測位置に向けて前記照明光を照射し、
前記計測位置は、溶融した前記加工材料が凝固している位置であって、前記加工位置の移動に伴って移動することを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の積層造形装置。
【請求項９】
前記計測位置は、前記加工位置を基準として、前記加工位置が前記加工対象物上を移動していく方向と同一方向にある位置であることを特徴とする請求項８に記載の積層造形装置。
【請求項１０】
前記演算部は、複数の前記加工位置の各々における前記造形物の幅を計測し、
前記制御部は、前記造形物の幅の計測結果に基づいて複数の前記加工位置の各々における前記加工条件を制御することを特徴とする請求項１から９のいずれか１つに記載の積層造形装置。
【請求項１１】
前記演算部は、前記ビードのうち前記第３の方向における一方の端部の位置と前記造形物の高さの計測結果とに基づいて前記ビードの形状を推定することによって前記造形物の幅を計測することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１つに記載の積層造形装置。
【請求項１２】
前記制御部は、形成される前記造形物の幅を、設計された形状の幅を示す目標値に近づけるように、前記加工条件を制御することを特徴とする請求項１から１１のいずれか１つに記載の積層造形装置。
【請求項１３】
前記制御部は、形成される前記造形物の幅を設計された形状の幅を示す目標値に近づけ、かつ形成される前記造形物の高さを設計された形状の高さを示す目標値に近づけるように、前記加工条件を制御することを特徴とする請求項１から１２のいずれか１つに記載の積層造形装置。
【請求項１４】
前記演算部は、前記造形物の層ごとに計測されたビード幅およびビード高さのデータを保存し、保存されたデータを用いて前記造形物の３次元形状を復元することを特徴とする請求項１から１３のいずれか１つに記載の積層造形装置。
【請求項１５】
前記制御部は、計測された前記造形物の幅があらかじめ設定された目標値よりも大きい場合に前記加工光の出力を減少させ、かつ、計測された前記造形物の幅があらかじめ設定された目標値よりも小さい場合に前記加工光の出力を増加させることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１つに記載の積層造形装置。
【請求項１６】
前記制御部は、計測された前記造形物の幅があらかじめ設定された目標値よりも大きい場合に前記加工位置を移動させる速度を増加させ、かつ、計測された前記造形物の幅があらかじめ設定された目標値よりも小さい場合に前記加工位置を移動させる速度を減少させることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１つに記載の積層造形装置。
【請求項１７】
前記制御部は、計測された前記造形物の幅があらかじめ設定された目標値よりも大きい場合に前記加工材料の供給速度を減少させ、かつ、計測された前記造形物の幅があらかじめ設定された目標値よりも小さい場合に前記加工材料の供給速度を増加させることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１つに記載の積層造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、加工対象物に加工材料を付加することによって造形物を形成する積層造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
３Ｄ（Dimension）プリンタのように、加工材料を付加して３次元の造形物を形成する付加製造（ＡＭ：Additive  Manufacturing）と呼ばれる技術を用いた積層造形装置が知られている。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（ＤＥＤ：Direct  Energy  Deposition）方式によると、積層造形装置は、加工材料であるワイヤまたは粉末を加工位置へ供給するとともにレーザビーム等によって加工材料を溶融させ、加工対象物にビードを積み重ねることによって造形物を形成する。ビードは、溶融させた加工材料の固化物である。【０００３】
積層造形装置は、あらかじめ定められた経路において連続して加工材料を付加することによって造形物を形成するが、形成された形状が、設計された所望の形状とは異なる形状になる場合がある。１つの例としては、造形を開始してから一定時間が経過したときに形成された部分の幅が、造形を開始したときに形成された部分の幅とは異なることによって、造形物の形状が変わってくる場合がある。造形が開始されたときには、加工対象物、および加工対象物上の造形物の温度は低いが、造形が続けられるに従い、造形物の蓄熱が増加することによって造形物の温度が上昇する。造形物の温度が上昇するに従って、形成されるビードの高さは低くなり、かつビード幅が大きくなる。蓄熱によるビード幅の変化は、加工条件、加工材料、加工形状などによって異なることから、ビード幅の変化をあらかじめ予測して加工プログラムを最適化することは困難であった。【０００４】
特許文献１には、アーク溶接を行う溶接装置に関し、溶接トーチから一定距離だけ前方に光学式センサを設置して、形成されたビードの断面形状を撮像することによってビード幅を計測することが開示されている。特許文献１にかかる溶接装置は、光学式センサによる計測値に基づいてトーチ位置の修正量を算出し、トーチ位置のずれを相殺するように溶接トーチの位置を修正する。特許文献１の技術によると、計測時における加工位置よりも前方の位置において、計測時に加工を行っている層の１つ下の層におけるビード幅を計測することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１４４０３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されている従来技術によると、光学式センサは、溶接トーチとは別体であって、溶接トーチから一定距離だけ離れた位置に設置される。このため、加工位置から離れた位置においてビード幅が計測される。計測位置が加工位置から遠い位置であるほど、形状精度が高い造形物を得るための制御が困難となる。また、計測位置が加工位置から遠い位置であることで、造形物の形状によっては、ビード幅を計測できないことがあり得る。このため、従来技術によると、加工位置からできるだけ近い位置においてビード幅を計測することができないために、形状精度が高い造形物を形成することが困難であるという問題があった。【０００７】
本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、形状精度が高い造形物を形成可能とする積層造形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】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示にかかる積層造形装置は、加工位置へ供給された加工材料へ加工光を照射することによって加工材料を溶融させ、溶融した加工材料の固化物であるビードを加工対象物に積み重ねることによって造形物を形成する。本開示にかかる積層造形装置は、加工光が透過する対物レンズを有し、加工位置へ加工光を照射する加工光学系と、形成された造形物の寸法を計測するための照明光を供給する計測用照明部と、造形物で反射した照明光である反射光を検出する受光素子と、受光素子へ反射光を集光する受光光学系と、加工対象物に対して加工位置を移動させる方向である第１の方向とビードが積み重ねられる方向である第２の方向とに垂直な第３の方向における造形物の幅を、受光素子における反射光の検出結果を用いた演算によって算出する演算部と、造形物の幅の算出結果に基づいて、ビードを形成するための加工条件を制御する制御部とを備える。演算部は、反射光の検出結果に基づいて造形物の断面高さ分布を算出し、断面高さ分布を基に造形物の幅を算出する。
【発明の効果】
【０００９】
本開示にかかる積層造形装置は、形状精度が高い造形物を形成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】
【００１０】
【図１】実施の形態１にかかる積層造形装置の構成を示す斜視図
【図２】実施の形態１にかかる積層造形装置が有する演算部および制御部の機能を実現するための制御回路の例を示す図
【図３】実施の形態１にかかる積層造形装置が有する加工光学系および受光光学系を示す図
【図４】実施の形態１にかかる積層造形装置による造形物を形成するための動作の手順を示すフローチャート
【図５】実施の形態１にかかる積層造形装置による加工時の様子を示す第１の図
【図６】実施の形態１にかかる積層造形装置による加工時の様子を示す第２の図
【図７】実施の形態１において受光素子に結像されるラインビームの像の例を示す図
【図８】実施の形態１における造形物の断面高さ分布の計測結果から造形物の幅を算出する第１の例について説明するための図
【図９】実施の形態１における造形物の断面高さ分布の計測結果から造形物の幅を算出する第２の例について説明するための図
【図１０】実施の形態１における加工条件の制御によってビード幅を制御する手順を示すフローチャート
【図１１】実施の形態１における造形物の幅の計測結果に基づく加工制御について説明するための図
【図１２】実施の形態１においてビード幅およびビード高さの計測結果に基づいて３次元形状を復元するための手順を示すフローチャート
【図１３】実施の形態１の変形例にかかる積層造形装置の構成を示す斜視図
【図１４】実施の形態１の変形例における造形物の幅の計測に使用されるラインビームを示す図
【図１５】実施の形態１におけるラインビームの変形例を示す図
【図１６】実施の形態１にかかる積層造形装置が有する光学系の第１変形例を示す図
【図１７】実施の形態１にかかる積層造形装置が有する光学系の第２変形例を示す図
【図１８】実施の形態２にかかる積層造形装置による玉ビードを形成するための動作の手順を示すフローチャート
【図１９】実施の形態２にかかる積層造形装置の加工領域を示す模式的な断面図
【図２０】実施の形態２にかかる積層造形装置の加工領域へ送り出されたワイヤが加工対象面に接触した状態を示す模式的な断面図
【図２１】実施の形態２にかかる積層造形装置の加工領域へビームが照射された状態を示す模式的な断面図
【図２２】実施の形態２にかかる積層造形装置の加工領域へのワイヤの供給が開始された状態を示す模式的な断面図
【図２３】実施の形態２にかかる積層造形装置の加工領域からワイヤが引き抜かれる状態を示す模式的な断面図
【図２４】実施の形態２にかかる積層造形装置の加工領域へのビームの照射が停止された状態を示す模式的な断面図
【図２５】実施の形態２にかかる積層造形装置の加工ヘッドが次の加工点に移動する状態を示す模式的な断面図
【図２６】実施の形態２にかかる積層造形装置によって造形物を造形する方法について説明するための模式的な断面図
【図２７】実施の形態２にかかる積層造形装置が、既に形成された造形物の幅の計測結果を用いて玉ビードの付加加工を行う手順を説明するためのフローチャート
【図２８】実施の形態３にかかる積層造形装置により形成される造形物の例を示す第１の図
【図２９】実施の形態３にかかる積層造形装置により形成される造形物の例を示す第２の図
【図３０】実施の形態３にかかる積層造形装置により造形物の幅を算出する手順を示すフローチャート
【図３１】実施の形態３にかかる積層造形装置により造形物の幅を算出する手順を示すフローチャート
【図３２】実施の形態３における造形物の幅の計測について説明するための第１の図
【図３３】実施の形態３における造形物の幅の計測について説明するための第２の図
【図３４】実施の形態３における造形物の断面高さ分布の計測結果から造形物の幅を算出する例について説明するための図
【図３５】実施の形態３において１つの層における最後の列を造形する際における造形物の幅の計測について説明するための第１の図
【図３６】実施の形態３において１つの層における最後の列を造形する際における造形物の幅の計測について説明するための第２の図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、実施の形態にかかる積層造形装置を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる積層造形装置１００の構成を示す斜視図である。積層造形装置１００は、加工位置へ供給された加工材料へ加工光を照射することによって加工材料を溶融させ、溶融した加工材料の固化物であるビードを加工対象物に積み重ねることによって造形物を形成する。
【００１３】
実施の形態１および実施の形態２以降において、積層造形装置１００は、金属を加工材料として使用する金属積層装置とする。積層造形装置１００は、樹脂などの金属以外の加工材料を使用するものであっても良い。以下の説明において、積層造形装置１００によって形成される造形物は、積層物と呼ばれることもある。積層造形装置１００は、加工用レーザを用いて加工材料を溶融し、加工対象物の対象面に加工材料を付加する付加加工を行う。積層造形装置１００は、アーク放電など、他の加工方法を使用するものであっても良い。
【００１４】
積層造形装置１００は、加工材料７を溶融させて加工対象物３の上に付加する付加加工を繰り返して、造形物４を形成する。積層造形装置１００は、造形物４の形成と同時に、形成された造形物４の断面高さ分布を計測して、その計測結果に基づいてビード幅を算出する。積層造形装置１００は、ビード幅の算出結果に基づいて、次に行う付加加工の加工条件を制御する機能を有する。積層造形装置１００は、造形物４の形成を開始してから最初の付加加工では、溶融させた加工材料７を加工対象物３の上に載せていき、加工対象物３の上にビードの層を形成する。積層造形装置１００は、形成されたビードの層に新たなビードの層を積み重ねていくことによって、造形物４を形成する。
【００１５】
積層造形装置１００は、加工用レーザ１と、加工ヘッド２と、加工対象物３を固定するための固定具５と、駆動ステージ６と、計測用照明部８と、ガスノズル９と、加工材料供給部１０と、演算部５０と、制御部５１とを有する。
【００１６】
加工用レーザ１は、加工光であるレーザビームを出射する光源である。以下、加工用レーザ１が出射するレーザビームを、ビーム３０とする。加工用レーザ１は、半導体レーザを用いたファイバレーザ装置、ＣＯ２レーザ装置などである。ビーム３０の波長は、例えば、１０７０ｎｍである。
【００１７】
加工ヘッド２は、加工光学系と受光光学系とを備える。加工光学系は、加工位置へビーム３０を照射する。加工光学系は、加工用レーザ１から出射するビーム３０を集光して加工対象物３上の加工位置に結像させる。一般的に、ビーム３０は、加工位置に点状に集光される。加工用レーザ１および加工光学系が、加工部を構成する。実施の形態１では、受光光学系は、加工ヘッド２内に配置されており、加工光学系と一体化されている。
【００１８】
加工対象物３は、駆動ステージ６の上に載せられて、固定具５によって駆動ステージ６の上に固定される。加工対象物３は、造形物４が形成される際の土台である。ここでは、加工対象物３は、ベースプレートとするが、３次元形状の物体であっても良い。加工対象物３のうちビードが形成される表面、または、既に形成された造形物４の部分のうちビードが形成される表面を、加工対象面と呼ぶ。
【００１９】
駆動ステージ６が移動することによって、加工ヘッド２に対する加工対象物３の位置が変化し、加工対象物３上を加工位置が移動する。加工位置は、加工対象物３上において、定められた経路に沿って、すなわち定められた軌跡を描くように移動する。なお、加工位置の移動は、造形物４の高さ方向に対して直交する方向への移動を伴う。すなわち、移動前の加工位置と、移動後の加工位置とでは、高さ方向に対して直交する平面に投影された位置が異なる。積層造形装置１００は、加工位置に集光されるビーム３０によって加工対象物３を走査しながら加工位置へ加工材料７を供給する。
【００２０】
駆動ステージ６は、ＸＹＺの３軸の各方向への移動が可能である。Ｚ方向は、ビードの層が積み重ねられる方向であって、造形物４の高さ方向である。Ｘ方向はＺ方向に垂直な方向である。加工材料７を供給する加工材料供給部１０は、加工ヘッド２から見てＸ方向の位置に設置されている。Ｙ方向は、Ｘ方向とＺ方向との各々に垂直な方向である。駆動ステージ６は、ＸＹＺの３軸のうちいずれか１つの方向に平行移動することが可能である。なお、Ｘ方向のうち図中矢印で示す方向を＋Ｘ方向、＋Ｘ方向とは逆の方向を−Ｘ方向とする。Ｙ方向のうち図中矢印で示す方向を＋Ｙ方向、＋Ｙ方向とは逆の方向を−Ｙ方向とする。Ｚ方向のうち図中矢印で示す方向を＋Ｚ方向、＋Ｚ方向とは逆の方向を−Ｚ方向とする。
【００２１】
駆動ステージ６は、ＸＹ面内における回転とＹＺ面内における回転とが可能な５軸ステージであっても良い。積層造形装置１００は、駆動ステージ６が回転可能であることで、加工対象物３の姿勢または位置を変更することができる。積層造形装置１００は、駆動ステージ６を回転させることで、加工対象物３に対するビーム３０の照射位置を移動させることができる。積層造形装置１００は、照射位置を移動させることで、テーパ形状などを含む複雑な形状を形成することができる。ここでは、積層造形装置１００は、５軸で駆動可能な駆動ステージ６によって加工位置を移動させるものとするが、加工ヘッド２の駆動により加工位置を移動させても良い。
【００２２】
積層造形装置１００は、駆動ステージ６を駆動することによって加工対象物３を走査しながら、加工位置へ加工材料７を供給する。積層造形装置１００は、加工対象物３上にて移動する加工位置において、溶融した加工材料７を積み重ねることによって付加加工を行う。より具体的には、積層造形装置１００は、駆動ステージ６を駆動することによって加工対象物３上で加工位置の候補点を移動させる。移動経路上における候補点のうちの少なくとも１つが、加工位置となる。加工位置へ加工材料７を供給し、かつ加工材料７を溶融させながら加工位置を移動させることで、ビードが形成される。
【００２３】
このようにして加工位置が移動するごとに新たなビードが積層されることによって、新たに造形物４の一部が形成される。ビードの積層が繰り返されることによって、最終生成物である所望の形状の造形物４が形成される。なお、実施の形態１では、溶融した加工材料７が凝固することによって形成される物体であって凝固して間もないものをビード、ビードが凝固して形成されたものを造形物４と区別している。
【００２４】
加工材料７は、例えば、金属ワイヤまたは金属粉末である。以下、加工材料７は金属ワイヤであることとして、説明する。加工材料７は、加工材料供給部１０から加工位置へ供給される。加工材料供給部１０は、例えば、金属ワイヤが巻きつけられているワイヤスプールを回転モータの駆動に伴って回転させ、金属ワイヤを加工位置へ送り出す。また、加工材料供給部１０は、金属ワイヤを送り出すときとは逆方向に回転モータを駆動することで、送り出された金属ワイヤをワイヤスプールのほうへ引き戻す。加工材料供給部１０は、加工ヘッド２と一体に設置されている。駆動ステージ６が移動することによって、加工ヘッド２と加工材料供給部１０とに対する加工対象物３の位置が変化する。なお、金属ワイヤを供給する方法は、上記の例に限定されない。
【００２５】
計測用照明部８は、実施の形態１において、加工ヘッド２の側面に取り付けられている。計測用照明部８は、加工対象物３上に形成された造形物４の寸法を計測するための照明光を造形物４へ照射する。計測用照明部８は、既に形成された造形物４の断面高さ分布を計測するために、加工対象物３上、または形成された造形物４上の計測位置に向けて、照明光を照射する。計測位置は、加工位置の移動に伴って移動する。計測位置が造形物４上の位置である場合、計測位置は、溶融した加工材料７が既に凝固した位置である。実施の形態１において、照明光は、直線状に照射されるラインビーム４０である。計測位置は、照明光が反射する位置である。計測位置は、加工位置にできるだけ近い位置が望ましい。
【００２６】
受光光学系は、造形物４で反射した照明光である反射光を受光素子へ集光する。受光光学系は、計測位置からの反射光を受光できるように、加工ヘッド２の中に配置される。受光光学系は、ラインビーム４０の光軸に対して傾けられた光軸を持つように配置される。加工時に発生する熱輻射光のピーク波長が赤外であるため、計測用照明部８の光源には、熱輻射光のピーク波長から離れた、波長５５０ｎｍ付近の緑色レーザ、または波長４２０ｎｍ付近の青色レーザを用いることが望ましい。
【００２７】
ガスノズル９は、造形物４の酸化抑制およびビードの冷却のためのシールドガスを加工対象物３に向けて噴出する。実施の形態１において、シールドガスは、不活性ガスである。ガスノズル９は、加工ヘッド２の下部に取り付けられ、加工位置の上部に設置されている。実施の形態１では、ガスノズル９はビーム３０と同軸に設置されているが、Ｚ軸に対して斜めの方向から加工位置に向けてガスを噴出しても良い。
【００２８】
演算部５０は、加工位置における造形物４の断面高さ分布を演算し、断面高さ分布を用いて造形物４の幅を算出する。演算部５０は、ラインビーム４０の反射光の受光位置に基づき、三角測量の原理を用いて、加工位置における造形物４の断面高さ分布を演算するが、詳しくは後述する。ここで受光位置とは、受光素子におけるラインビーム４０の位置である。
【００２９】
制御部５１は、造形物４の幅の算出結果に基づいて、ビードを形成するための加工条件を制御する。制御部５１は、演算部５０により算出された造形物４の幅を用いて、例えば、加工用レーザ１の駆動条件、加工材料７を供給する加工材料供給部１０の駆動条件、および駆動ステージ６の駆動条件といった加工条件を制御する。加工材料供給部１０の駆動条件には、加工材料７を供給する高さに関する条件が含まれる。計測用照明部８、受光光学系および演算部５０をまとめて、高さ計測部とする。
【００３０】
次に、演算部５０および制御部５１のハードウェア構成について説明する。演算部５０および制御部５１の機能は、各処理を行う電子回路である処理回路によって実現される。処理回路は、専用のハードウェアであっても良く、プログラムを実行するＣＰＵ（Central  Processing  Unit）を用いた制御回路であっても良い。
【００３１】
図２は、実施の形態１にかかる積層造形装置１００が有する演算部５０および制御部５１の機能を実現するための制御回路２００の例を示す図である。制御回路２００は、プロセッサ２００ａと、メモリ２００ｂとを備える。プロセッサ２００ａは、ＣＰＵであり、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ（Digital  Signal  Processor）などとも呼ばれる。
【００３２】
プロセッサ２００ａが実行するプログラムは、メモリ２００ｂに格納される。メモリ２００ｂは、例えば、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable  Programmable  ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically  ＥＰＲＯＭ）などの不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Digital  Versatile  Disk）などである。
【００３３】
プロセッサ２００ａは、各処理に対応するプログラムをメモリ２００ｂから読み出して、読み出されたプログラムを実行する。演算部５０および制御部５１の機能は、プロセッサ２００ａによりプログラムを実行することによって実現される。メモリ２００ｂは、プロセッサ２００ａが実施する各処理における一時メモリとしても使用される。
【００３４】
図３は、実施の形態１にかかる積層造形装置１００が有する加工光学系および受光光学系を示す図である。加工ヘッド２は、投光レンズ１１と、ビームスプリッタ１２と、対物レンズ１３と、バンドパスフィルタ１４と、集光レンズ１５と、受光部１６とを備える。
【００３５】
加工用レーザ１から出射したビーム３０は、投光レンズ１１を透過して、ビームスプリッタ１２へ入射する。ビーム３０は、ビームスプリッタ１２において加工対象物３の方向へ反射する。ビームスプリッタ１２にて反射したビーム３０は、対物レンズ１３によって、加工対象物３上の加工位置に集光される。投光レンズ１１、ビームスプリッタ１２および対物レンズ１３は、加工ヘッド２に備えられる加工光学系を構成する。例えば、投光レンズ１１の焦点距離は２００ｍｍ、対物レンズ１３の焦点距離は４６０ｍｍである。ビームスプリッタ１２の表面には、加工用レーザ１から入射するビーム３０の波長の反射率を高くし、かつビーム３０の波長よりも短い波長の光を透過するようなコーティングが施されている。
【００３６】
図３には、駆動ステージ６の駆動によって加工対象物３を＋Ｘ方向に移動させながら、加工位置へ加工材料７を供給している様子を示している。図３において、加工材料７は、＋Ｘ方向から−Ｘ方向へ向かって供給されている。加工位置は、加工対象物３に対して−Ｘ方向に移動する。加工位置では、ビーム３０によって加工材料７が溶融して、溶融した加工材料７が既に形成された造形物４に付加される。溶融した加工材料７が付加された位置から加工位置が移動していくとともに、造形物４に付加された加工材料７が凝固することによって、ビードは、−Ｘ方向へ延びていくように形成される。実施の形態１において、積層造形装置１００は、線形のビードである線ビードを形成する。ビード幅とは、加工位置が移動する方向に垂直、かつ加工対象面に平行な方向におけるビードの幅である。ビードの高さとは、造形物４の高さ方向におけるビードの高さである。
【００３７】
計測用照明部８は、計測位置に向けてラインビーム４０を照射する。計測位置は、加工材料７が供給される方向などを考慮して決定される。例えば、計測位置は、加工位置を基準として、加工材料７の供給元である加工材料供給部１０が配置されている方とは逆の方に設定される。これにより、加工材料７によってラインビーム４０が遮られることが無いため、計測位置へのラインビーム４０の照射が容易となる。
【００３８】
ラインビーム４０は、ビードが形成される方向に垂直なライン状のビームである。図３に示す例では、ラインビーム４０は、ビードが形成されるＸ方向に垂直、かつ駆動ステージ６の上面に平行な方向であるＹ方向に延びるライン状のビームである。かかるラインビーム４０は、シリンドリカルレンズなどの光学素子を用いて形成される。ＭＥＭＳ（Micro  Electro  Mechanical  Systems）ミラーなどの駆動装置を使用することによるレーザスポットの高速な走査によって、ラインビーム４０は形成されても良い。造形物４には、造形物４を横切るようなライン状のラインビーム４０が照射される。計測位置で反射したラインビーム４０である反射光は、対物レンズ１３へ入射する。対物レンズ１３を透過した反射光は、ビームスプリッタ１２とバンドパスフィルタ１４とを透過して、集光レンズ１５へ入射する。反射光は、集光レンズ１５によって受光部１６に集光される。受光部１６は、受光素子を有する。受光素子には、計測位置におけるラインビーム４０の像が結像される。
【００３９】
対物レンズ１３と集光レンズ１５とを合わせて受光光学系と呼ぶ。受光光学系は、例えば、対物レンズ１３および集光レンズ１５である２枚のレンズにより構成される。凸レンズと凹レンズとの２枚により集光レンズ１５を構成するなどにより、受光光学系は、３枚以上のレンズを用いた構成としても良い。受光光学系は、受光部１６に結像できる機能を有していれば良い。受光部１６には、ＣＭＯＳ（Complementary  Metal  Oxide  Semiconductor）イメージセンサなどの受光素子を搭載したエリアカメラなどが用いられるが、２次元に画素が配列された受光素子を備える構成であれば良い。なお、ビームスプリッタ１２から受光部１６までの光学系内に、ラインビーム４０の照射波長のみを透過するバンドパスフィルタ１４を入れておくことが望ましい。バンドパスフィルタ１４を備えることで、加工光、熱輻射光、外乱光などのうち、不必要な波長の光を除去することができる。受光光学系および受光素子を合わせて受光ユニット１７と呼ぶ。実施の形態１では、加工光学系を構成する対物レンズ１３が、受光光学系を構成する対物レンズ１３を兼ねている。すなわち、積層造形装置１００は、受光光学系と加工光学系とで対物レンズ１３を共用している。
【００４０】
図４は、実施の形態１にかかる積層造形装置１００による造形物４を形成するための動作の手順を示すフローチャートである。ここでは、積層造形装置１００は、各々がビードにより構成されるｎ個の層を積み重ねることによって、造形物４を形成するものとする。ｎは、２以上の整数である。
【００４１】
ステップＳ１０において、積層造形装置１００は、加工位置への加工材料７の供給と加工位置へのビーム３０の照射とによりビードの形成を開始する。ステップＳ１１において、積層造形装置１００は、ＸＹ方向における駆動ステージ６の移動を開始する。ステップＳ１０におけるビードの形成と、ステップＳ１１における駆動ステージ６の移動とは、同時に開始される。ビードの形成開始と駆動ステージ６の移動開始とは、順序が前後しても良い。これにより、溶融させた加工材料７が凝固することによって、加工位置の軌跡に沿って延びていくようにビードが形成される。図３に示すように＋Ｘ方向へ駆動ステージ６が移動する場合、ビードは、−Ｘ方向へ延びていくように形成される。形成されたビードは、造形物４の一部となる。
【００４２】
設定された経路における加工位置の移動が終了すると、積層造形装置１００は、ステップＳ１２において、駆動ステージ６の移動とビードの形成とを停止する。積層造形装置１００は、ビーム３０の照射と加工材料７の供給とを停止することによって、ビードの形成を停止する。
【００４３】
ステップＳ１３において、積層造形装置１００は、ｎ個の層の造形が終了したか否かを判定する。ｎ個の層の造形が終了していない場合（ステップＳ１３，Ｎｏ）、積層造形装置１００は、ステップＳ１４において、駆動ステージ６をＺ方向に上昇させる。その後、積層造形装置１００は、手順をステップＳ１０に戻して、次の層の造形を開始する。積層造形装置１００は、ｎ個の層の造形が終了するまで、ステップＳ１０からステップＳ１４の手順を繰り返す。
【００４４】
一方、ｎ個の層の造形が終了した場合（ステップＳ１３，Ｙｅｓ）、積層造形装置１００は、図４に示す手順による造形物４の形成を終了する。このように、積層造形装置１００は、加工対象物３または形成された造形物４の上に新たなビードを積み重ねることによって、造形物４の新たな一部を形成する。積層造形装置１００は、ｎ個の層をすべて造形することで、任意の形状の最終生成物である造形物４を形成する。
【００４５】
なお、図３では、駆動ステージ６を移動させる方向を＋Ｘ方向とし、ビードが形成される方向である加工方向を−Ｘ方向としている。これに限られず、駆動ステージ６を移動させる方向を−Ｘ方向とし、ビードが形成される方向を＋Ｘ方向としても良い。駆動ステージ６を移動させる方向とビードが形成される方向とは、Ｙ方向であっても良い。また、駆動ステージ６はＸ方向とＹ方向とへ同時に移動させても良く、ビードが形成される方向をＸ方向とＹ方向との間の斜め方向としても良い。いずれの場合も、形成されるビードをラインビーム４０が横切るように計測用照明部８が設置される。
【００４６】
造形物４は、設計どおりの幅で形成されることが望ましいが、付加加工時の条件または造形が連続して進められることによって、形成される造形物４の幅が、設計どおりの幅とは異なってくる場合がある。付加加工時の条件とは、加工材料７、加工対象面の形状、積層造形の軌跡、加工用レーザ１の出力、加工材料７の供給速度、駆動ステージ６の移動速度などである。以下の説明では、駆動ステージ６の移動速度を、加工位置の走査速度と呼ぶ場合がある。高出力の加工用レーザ１によって、加工位置は、金属材料が溶融する程度まで高温になる。このため、最初に形成される第１層と、駆動ステージ６を複数回上昇させた後に形成される層とでは、加工対象面の温度が異なる。
【００４７】
一般に、積層造形が進むに従い、造形物４の蓄熱が増加することによって、加工対象面が高温になる。加工対象面が高温になるに従い、形成されるビードの高さは低くなり、かつビード幅が大きくなる。そのため、造形が＋Ｚ方向へ進むに従い、形成される造形物４の幅は大きくなる。蓄熱によるビード幅の変化は、加工条件、加工材料７、加工形状などによって異なることから、ビード幅が均一になるような加工条件をあらかじめ設定することは困難である。
【００４８】
実施の形態１において、積層造形装置１００は、既に形成された造形物４の幅を計測し、幅の目標値と計測結果との差分に応じて加工条件を最適に制御する。積層造形装置１００は、形成される造形物４の幅が目標値に近くなるように加工条件を制御することによって、形状精度が高い造形物４を形成する。ここで、幅の目標値とは、最終生成物である造形物４の幅方向における寸法を満たすために、事前に計画された加工位置の経路における造形物４の幅の設計値とする。幅の目標値は、かかる設計値に限定されるものではなく、高精度な積層造形を行うために設定された値であれば良い。
【００４９】
次に、造形物４の幅を計測する方法について説明する。造形物４の幅の計測は、造形物４の加工が終了してから、加工とは別に、計測のために加工時と同じ経路を走査することによっても行い得る。ただし、この場合、各層について加工経路を２度走査する必要があることから、時間がかかる。実施の形態１にかかる積層造形装置１００は、造形物４の加工中に、当該造形物４のうち既に形成された部分の幅を計測する。すなわち、積層造形装置１００は、造形物４の加工と並行して、形成された造形物４の幅を計測する。積層造形装置１００は、各層における加工経路の走査を１度とすることができ、かつ、付加加工と計測との双方を行うことができる。
【００５０】
図５は、実施の形態１にかかる積層造形装置１００による加工時の様子を示す第１の図である。図６は、実施の形態１にかかる積層造形装置１００による加工時の様子を示す第２の図である。図５には、加工中における造形物４を、造形物４よりも−Ｙ方向の位置から平面視した状態を示している。図６には、加工中における造形物４を、造形物４よりも＋Ｚ方向の位置から平面視した状態を示している。図５および図６には、ビード３５が−Ｘ方向へ延びるようにビード３５が形成されている様子を示している。加工材料７は、＋Ｘ方向から−Ｘ方向へ向かって供給されている。加工位置は、加工対象物３に対して−Ｘ方向に移動する。図５において、造形物４の幅の計測位置４３は、加工位置から−Ｘ方向へ移動した位置である。Ｌは、加工位置から計測位置４３までの距離である。
【００５１】
ビーム３０の照射により、加工対象物３上において加工材料７が溶融した状態となっている領域を、メルトプール３１と呼ぶ。メルトプール３１は、加工位置に形成される。図５に示すように、加工対象物３が載せられた駆動ステージ６が＋Ｘ方向へ移動することによって、加工位置は、加工対象物３上において−Ｘ方向へ移動する。これにより、−Ｘ方向へ延びるようにビード３５が形成される。
【００５２】
加工位置において、メルトプール３１とその周囲は高温になっている。駆動ステージ６を＋Ｘ方向へ移動させていくと、メルトプール３１が冷却されて、高温部３２が形成される。高温部３２は、現在加工が行われているメルトプール３１に隣接する高温の領域であって、凝固が不十分な領域である。高温部３２は、現在加工が行われているメルトプール３１よりも後方、すなわちメルトプール３１よりも＋Ｘ方向の位置に形成される。時間の経過によって高温部３２が冷却されることにより、一定の形状に凝固した金属のビード３５が形成される。ここで、Ｘ方向におけるメルトプール３１の端は、加工位置の中心３３すなわちビーム３０の光軸ＣＬから距離Ｗの位置とする。さらに、高温部３２は、メルトプール３１のうち＋Ｘ方向の端と、当該端から＋Ｘ方向へ距離Ｕの位置までの領域とする。
【００５３】
加工位置が加工対象物３上を−Ｘ方向へ移動することで、高温部３２は、加工位置よりも＋Ｘ方向の位置に形成される。これに対し、造形物４の幅は、加工位置よりも−Ｘ方向の位置にて計測される。すなわち、計測位置４３は、加工位置を基準として、加工位置が加工対象物３上を移動していく方向と同一方向にある位置である。加工位置よりも−Ｘ方向には高温部３２は形成されないことから、計測位置４３は、メルトプール３１のみを避けるように設定されれば良い。計測位置４３は、メルトプール３１のうち−Ｘ方向の端よりも−Ｘ方向の位置に設定される。すなわち、加工位置の中心３３と計測位置４３との距離Ｌは、距離Ｗよりも長い。計測用照明部８は、かかる計測位置４３へラインビーム４０を照射する。
【００５４】
このように、加工位置を基準として、加工位置が加工対象物３上を移動していく方向、すなわち加工経路における進行方向と同一方向に計測位置４３が設定される。これにより、積層造形装置１００は、加工位置の近くにて造形物４の幅を計測することができる。計測位置４３は、加工経路上の位置であって、現在の加工位置よりも後に加工が施される加工位置といえる。計測位置４３が加工位置でもあることにより、加工位置により近い位置で幅を計測することができる。したがって、現在の加工位置から見て、加工位置が加工対象物３上を移動していく方向に、計測位置４３が設定されることが望ましい。計測位置４３は、加工位置を基準として、高温部３２が発生する方向とは逆の方向に設定されることから、凝固が不十分な高温部３２が幅の計測に影響を及ぼすことはなく、計測位置４３を加工位置に近い位置とすることができる。
【００５５】
実施の形態１にかかる積層造形装置１００は、図５に示すように、加工位置から見て加工経路の進行方向と同一方向の位置にラインビーム４０を照射する。図５とは異なり、−Ｘ方向へ駆動ステージ６を移動させ、かつ＋Ｘ方向から−Ｘ方向へ加工材料７が供給される場合は、加工位置から見て加工経路の進行方向と同一方向の位置を計測位置４３とすると、加工材料供給部１０または加工材料７がラインビーム４０の妨げとなることがあり得る。この場合、加工材料供給部１０または加工材料７がラインビーム４０の妨げとならない構成とすれば良い。よって、−Ｘ方向へ駆動ステージ６を移動させ、かつ＋Ｘ方向から−Ｘ方向へ加工材料７が供給される場合も、加工位置から見て加工経路の進行方向と同一方向の位置を計測位置４３としても良い。
【００５６】
また、実施の形態１では、加工位置から見て高温部３２が発生する方向と同一方向の位置に計測位置４３が設定されても良い。例えば、−Ｘ方向へ駆動ステージ６を移動させ、かつ＋Ｘ方向から−Ｘ方向へ加工材料７が供給される場合、高温部３２は、加工位置から見て−Ｘ方向において発生する。この場合において、計測位置４３は、加工位置から見て−Ｘ方向の位置に設定されても良い。加工位置から、高温部３２よりも−Ｘ方向へ離れたビード３５上の位置に計測位置４３が設定されることにより、積層造形装置１００は、造形物４の幅を計測することができる。
【００５７】
仮に、計測位置４３がメルトプール３１上または高温部３２上の位置であるとすると、メルトプール３１または高温部３２である溶融部分は形状が不安定であることから、造形物４の幅の計測精度が低下する。また、メルトプール３１は金属が溶融する程度まで高温であることから、計測の妨げとなるような高輝度な熱輻射光がメルトプール３１からは発生する。計測位置４３は、メルトプール３１上の位置ではないこと、すなわち、加工位置の中心３３から距離Ｗ以上離れた位置であることが望ましい。また、溶融部分における液状の金属ではラインビーム４０の反射が不十分となることによって、受光部１６におけるラインビーム４０の検出が困難となる可能性がある。溶融部分における位置ごとに溶融の状態に違いが生じることによって、計測位置４３における溶融の状態に起因して計測誤差が生じることがある。さらに、溶融部分の幅と凝固後のビード３５の幅とには、金属の熱収縮による誤差が生じる。
【００５８】
したがって、計測位置４３は、メルトプール３１または高温部３２である溶融部分以外の部分であることが望ましい。計測位置４３を溶融部分から離すことによって、計測位置４３からの反射光を熱輻射光とは分離させることができる。なお、造形物４に必要な造形精度に対して十分な計測精度が得られる場合には、計測位置４３は、メルトプール３１上の位置または高温部３２上の位置など、加工位置の中心３３から近い位置であっても良い。
【００５９】
次に、光切断方式を用いて計測した断面高さ分布から造形物４の幅を計測する動作について説明する。演算部５０は、加工位置における造形物４の断面高さ分布を演算する。断面高さ分布とは、造形物４のうち第１の方向に垂直な断面における造形物４の高さの分布である。第１の方向は、加工対象物３に対して加工位置を移動させる方向である。図５および図６に示す例では、当該断面は、第１の方向であるＸ方向に垂直なＹＺ断面である。断面高さ分布は、造形物４のうち加工位置を通るＹＺ断面における造形物４の高さ分布である。造形物４の高さは、ビード３５が積み重ねられる第２の方向であるＺ方向の高さである。
【００６０】
演算部５０は、断面高さ分布の計測結果から、造形物４の幅を算出する。図５および図６に示す例では、造形物４の幅は、第１の方向であるＸ方向と第２の方向であるＺ方向とに垂直な第３の方向であるＹ方向における幅である。演算部５０は、受光素子における反射光の検出結果に基づいて断面高さ分布を算出し、断面高さ分布に基づいて造形物４の幅を算出する。すなわち、演算部５０は、受光素子における反射光の検出結果を用いた演算によって、造形物４の幅を算出する。
【００６１】
図５に示すように、加工対象物３の上面からの造形物４の高さを△Ｚ、加工対象物３の上面とラインビーム４０との間の角度をθとする。加工対象物３の上面におけるラインビーム４０の照射位置と、造形物４上におけるラインビーム４０の照射位置との間隔である△Ｘは、△Ｘ＝△Ｚ／ｔａｎθと表される。図６に示すＸＹ面内では、造形物４上と加工対象物３の上面とにおいて、ラインビーム４０の照射位置は△Ｘだけずれる。
【００６２】
図７は、実施の形態１において受光素子に結像されるラインビーム４０の像の例を示す図である。造形物４の高さと加工対象物３の高さとの違いによって、ラインビーム４０の照射位置は、造形物４と加工対象物３とにおいて△Ｘ’だけずれて結像される。受光光学系の倍率をＭとすると、△Ｘ’は、△Ｘ’＝Ｍ×△Ｘと表される。受光素子であるイメージセンサにおける画素１つの寸法をＰとすると、画素１つ当たりの高さ変位量△Ｚ’は、△Ｚ’＝Ｐ×ｔａｎθ／Ｍと表される。例えば、Ｐ＝５．５μｍ、Ｍ＝１／２、θ＝７２ｄｅｇとすると、△Ｚ’＝３３．８μｍとなる。このように、演算部５０は、イメージセンサによって撮影された画像におけるラインビーム４０の位置から、三角測量の原理に基づいて、造形物４の断面高さ分布を算出することができる。Ｌ’は、加工対象物３の像における、加工位置から計測位置４３までの距離である。
【００６３】
ここで、加工用レーザ１、計測用照明部８、および受光光学系の焦点位置となる高さに相当するイメージセンサ上のＸ方向位置を、基準画素位置４４とする。基準画素位置４４からの差異を計算すると、本来造形予定である高さからの差異を計算することができる。また、加工対象物３の上面が計測できる場合には、加工対象物３の上面と造形物４の上面とにおけるラインビーム４０の照射位置の差異から造形物４の高さを算出することもできる。加工対象物３の上面からの造形物４の高さが高くなることによって、加工対象物３の上面からのラインビーム４０の反射光が受光できなくなったとしても、駆動ステージ６の上昇量と、受光素子上の視野における、造形物４の上面からの反射光の位置とを用いて、造形物４の高さを算出することができる。
【００６４】
ここで、受光光学系の焦点高さを基準として計測高さの範囲をＨとする。高さ範囲Ｈに対するラインビーム４０の移動量Ｓは、Ｓ＝Ｈ×Ｍ／ｔａｎθで表される。画像中心からメルトプール３１端までの距離Ｗ’と移動量Ｓとの和であるＷ’＋Ｓの範囲における視野を受光光学系が最低限確保できるように、受光素子のＸ方向における画素数であるＮを設計することが望ましい。
【００６５】
演算部５０は、このように計測された造形物４の断面高さ分布から造形物４の幅を算出する。図６に示すようにビード幅をＤとすると、図７に示すように、受光素子上でのビード幅Ｄ’は、Ｄ’＝Ｍ×Ｄとなる。
【００６６】
図８は、実施の形態１における造形物４の断面高さ分布の計測結果から造形物４の幅を算出する第１の例について説明するための図である。図８には、造形された層の数が少なく加工対象物３の上面を計測可能な場合における受光素子上の断面高さ分布の例を示す。図８において、横軸は物体側におけるＹ方向の位置、縦軸はＺ方向の高さとする。
【００６７】
第１の例において、ビード幅Ｄは、ビードと加工対象物３上の平坦部との境界点Ｐ１，Ｐ２間の距離として算出することができる。例えば、境界点Ｐ１，Ｐ２は、Ｙ方向において互いに隣接する計測点同士における高さの差が、最初にある閾値以下となる点として算出することができる。すなわち、Ｙ方向におけるビードの中心から−Ｙ方向へ計測点を移動させながら互いに隣接する計測点同士における高さの差を求めていき、当該差が閾値以下となった最初の点が、境界点Ｐ１である。また、Ｙ方向におけるビードの中心から＋Ｙ方向へ計測点を移動させながら互いに隣接する計測点同士における高さの差を求めていき、当該差が閾値以下となった最初の点が、境界点Ｐ２である。この他、境界点Ｐ１，Ｐ２の算出方法としては、加工対象物３上の平坦部からのビード頂点の高さで表される振幅が閾値以下となるときのＹ方向位置を算出する方法が考えられる。
【００６８】
図９は、実施の形態１における造形物４の断面高さ分布の計測結果から造形物４の幅を算出する第２の例について説明するための図である。図９には、積層造形が続けられて造形物４の高さが高くなることによって加工対象物３の上面を計測できない場合における受光素子上の断面高さ分布の例を示す。図９において、横軸は物体側におけるＹ方向の位置、縦軸はＺ方向の高さとする。
【００６９】
第２の例では、加工対象物３上の平坦部からの反射光が得られないため、計測される断面高さ分布は、反射光が得られるビード上部の高さ分布のみである。ビード幅Ｄは、反射光が得られ始める計測点である境界点Ｐ１，Ｐ２間の距離として算出することができる。境界点Ｐ１，Ｐ２の算出方法としては、ビード頂点または画像端のＹ方向位置から高さが計測された点を探索する方法、ビード頂点の高さに対して高さがある閾値以下となるＹ方向位置を求める方法などが考えられる。このように、演算部５０は、高さ計測部によって計測された断面高さ分布から造形物４の幅を計測することができる。なお、造形物４の幅の算出方法は上記の方法に限定されず、ビード上の一部の計測点からの反射光が受光素子において検出できない場合なども考慮して最適な算出方法が選定されれば良い。
【００７０】
次に、造形物４の幅の計測結果に基づいて加工条件を制御する手順について説明する。図１０は、実施の形態１における加工条件の制御によってビード幅を制御する手順を示すフローチャートである。
【００７１】
まず、ステップＳ２０において、積層造形装置１００は、第１層の付加加工を開始する。第１層は、加工対象物３上に最初に造形される層である。第１層の付加加工時には計測位置４３にビードが無いため、積層造形装置１００は、幅の計測を行わない。すなわち、第１層の付加加工時において、積層造形装置１００は、造形物４の幅を計測するステップを省略する。ただし、加工対象面が加工対象物３の平坦面ではなく、既に造形された造形物４の表面である場合、積層造形装置１００は、当該造形物４の幅を計測しても良い。
【００７２】
第１層の造形を終えると、ステップＳ２１において、積層造形装置１００は、駆動ステージ６をＺ方向に上昇させる。ステップＳ２２において、積層造形装置１００は、次の層である第２層の付加加工を開始する。積層造形装置１００は、付加加工とともに、ステップＳ２３において、ラインビーム４０の照射により造形物４の高さ分布を計測し、造形物４の幅を算出する。積層造形装置１００は、第２層の付加加工時において、第１層のビード幅を算出する。ステップＳ２４において、積層造形装置１００は、造形物４の幅の計測結果を保存する。
【００７３】
ステップＳ２５において、積層造形装置１００は、保存された幅の計測結果に基づいて加工条件を調整する。積層造形装置１００は、加工条件を調整することにより加工条件を制御しながら付加加工を行う。これにより、積層造形装置１００は、計測結果が得られた各計測位置４３における次の付加加工の際に、保存された計測結果を用いて加工制御を行う。
【００７４】
ステップＳ２３における算出によって造形物４の幅が計測される各計測位置４３の間隔は、受光素子であるイメージセンサのフレームレートと、加工位置の走査速度とに基づいて決定される。例えば、フレームレートをＦ［ｆｐｓ］、駆動ステージ６の移動速度をｖ［ｍｍ／ｓ］とすると、加工対象物３に対し加工位置が移動する方向における各計測位置４３の間隔Λ［ｍｍ］は、Λ＝ｖ／Ｆと表される。加工位置から計測位置４３までの距離をＬとすると、Ｌ／Λ回前の計測周期における計測結果が、今回の加工位置に対応する計測結果となる。実際には、加工位置ごとの駆動ステージ６の位置と計測位置４３とが紐づけられているため、積層造形装置１００は、駆動ステージ６の位置を基に、現在の加工位置に対応する計測結果を参照することができる。つまり、積層造形装置１００は、第ｉ層を加工する際に、第（ｉ−１）層までの造形物４の幅を計測位置４３にて計測し、かかる計測時点からＬ／Λ回後の計測周期において、当該計測位置４３における計測結果を用いて加工制御を行う。このように、制御部５１は、計測位置４３に新たに造形される層の加工条件を、計測結果に応じて制御する。ｉは、２≦ｉ≦ｎを満足する整数とする。
【００７５】
ステップＳ２６において、積層造形装置１００は、ｎ個の層の造形が終了したか否かを判定する。ｎ個の層の造形が終了していない場合（ステップＳ２６，Ｎｏ）、積層造形装置１００は、手順をステップＳ２１へ戻して駆動ステージ６をＺ方向に上昇させ、次の層の造形を開始する。積層造形装置１００は、ｎ個の層の造形が終了するまで、ステップＳ２１からステップＳ２６の手順を繰り返す。
【００７６】
一方、ｎ個の層の造形が終了した場合（ステップＳ２６，Ｙｅｓ）、積層造形装置１００は、図１０に示す手順による造形物４の形成を終了する。積層造形装置１００は、ｎ個の層をすべて造形することで、任意の形状の最終生成物である造形物４を形成する。
【００７７】
図１１は、実施の形態１における造形物４の幅の計測結果に基づく加工制御について説明するための図である。図１１には、第１層である造形物４が加工対象物３に造形された後の様子を示している。領域I，II，IIIの各々は、第１層のＸＹ面内における領域を表す。Ｄ１は、領域Iにおけるビード幅を表す。Ｄ２は、領域IIにおけるビード幅を表す。Ｄ３は、領域IIIにおけるビード幅を表す。Ｄ０は、目標であるビード幅、すなわち設計値を表す。Ｄ０，Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３は、Ｄ０＝Ｄ１，Ｄ２＞Ｄ０，Ｄ３＜Ｄ０を満足するものとする。
【００７８】
制御部５１は、第１層の計測結果に基づいて、第２層の積層量を変更するための加工条件を制御する。制御部５１は、例えば、加工用レーザ１のレーザ出力、駆動ステージ６の移動速度である走査速度、および、加工材料７の供給速度であるワイヤ送り速度といったパラメータを変更することにより、加工条件を制御する。実施の形態１では、レーザ出力を変更する場合について説明する。ビード幅を目標であるＤ０にするためのレーザ出力をＰ１、駆動ステージ６の移動速度をＲ１、加工材料７の供給速度をＶ１とする。第２層のうち領域Iを加工する際、第１層の計測結果であるＤ１がＤ０と同じであるため、制御部５１は、加工条件を変更しない。すなわち、制御部５１は、レーザ出力をＰ１から変更しない。
【００７９】
制御部５１は、計測された造形物４の幅があらかじめ設定された目標値よりも大きい場合にビーム３０の出力を減少させ、かつ、計測された造形物４の幅があらかじめ設定された目標値よりも小さい場合にビーム３０の出力を増加させる。例えば、第２層のうち領域IIを加工する際、第１層の計測結果であるＤ２がＤ０よりも大きいため、制御部５１は、ビード幅が小さくなるように、レーザ出力をＰ１よりも小さいＰ２へ変更する。レーザ出力が小さくなることによって、ビードが溶けにくくなり、ビード幅が小さくなる。第２層のうち領域IIIを加工する際、第１層の計測結果であるＤ３がＤ０よりも小さいため、制御部５１は、ビード幅が大きくなるように、レーザ出力をＰ１よりも大きいＰ３へ変更する。レーザ出力が大きくなることによって、ビードが溶け易くなり、ビード幅が大きくなる。
【００８０】
このように、制御部５１は、造形物４に新たに積層されるビードのあらかじめ設定された幅と計測結果との差に応じて、加工条件を制御する。レーザ出力と積層されるビードの幅との関係はあらかじめ算出されて、積層造形装置１００に保持される。制御部５１は、かかる関係を基に、ビードの幅に対応するレーザ出力の制御値を求める。また、複数の層を造形する場合に、制御部５１は、現在付加加工が行われている層の１つ前の層についての計測結果に基づいて積層されたビード幅の計測結果を用いて、付加加工中に動的に制御値を変更しても良い。このように、１つの加工軌跡の中でビード幅が部分的に設計値からずれて造形されることも考えられる。積層造形装置１００は、既に造形されたビード幅を補正することはできないが、ビード幅が狭かった場合には、次に形成されるビードが太くなるような条件で造形を行えば、一つ下の層の周囲にも溶けたビードが回り込みビード幅を太くすることができる。
【００８１】
制御部５１は、レーザ出力以外のパラメータである、駆動ステージ６の移動速度または加工材料７の供給速度を変更することによって、加工制御を行っても良い。制御部５１は、計測された造形物４の幅があらかじめ設定された目標値よりも大きい場合に加工位置を移動させる速度を増加させ、かつ、計測された造形物４の幅があらかじめ設定された目標値よりも小さい場合に加工位置を移動させる速度を減少させても良い。制御部５１は、計測された造形物４の幅があらかじめ設定された目標値よりも大きい場合に加工材料７の供給速度を減少させ、かつ、計測された造形物４の幅があらかじめ設定された目標値よりも小さい場合に加工材料７の供給速度を増加させても良い。
【００８２】
例えば、第２層のうち領域IIを加工する際、制御部５１は、ビード幅が小さくなるように、移動速度をＲ１よりも速いＲ２へ変更する。または、制御部５１は、ビード幅が小さくなるように、供給速度をＶ１よりも低いＶ２へ変更する。第２層のうち領域IIIを加工する際、制御部５１は、ビード幅が大きくなるように、移動速度をＲ１よりも低いＲ３へ変更する。または、制御部５１は、ビード幅が大きくなるように、供給速度をＶ１よりも速いＶ３へ変更する。
【００８３】
制御部５１は、１つのパラメータを変更するだけでなく複数のパラメータを変更することによって加工制御を行っても良い。また、制御部５１は、ある計測周期にて造形物４の幅を一時的に計測することができなかった場合、計測できなかった計測周期の１つ前の計測周期の計測結果を保持しておき、保持された計測結果を基に加工条件を制御しても良い。制御部５１は、造形物４の幅を一時的に計測することができなかった場合、計測できなかった層の１つ前の層の計測結果に基づいて加工条件を制御しても良い。制御部５１は、造形物４の幅を一時的に計測することができなかった場合、加工条件を、Ｄ０のビード幅のビードを造形するための加工条件にしても良い。
【００８４】
また、加工位置に対して高温部３２が発生する方向と同一方向に計測位置４３を設けた場合、つまり、付加加工の進行方向に対して後方に計測位置４３を設けた場合、第ｉ層を積層している際には、第ｉ層の積層後の高さが計測される。したがって、制御部５１は、計測した加工材料供給部１０の高さを用いて加工条件を制御する場合には、第ｉ層の計測位置４３についての計測結果を第ｉ層の全体について保存しておき、第（ｉ＋１）層を積層する際に使用すれば良い。
【００８５】
このように、制御部５１は、形成される造形物４の幅を、設計された形状の幅を示す目標値に近づけるように、加工条件を制御する。実施の形態１にかかる積層造形装置１００は、加工中に付加加工の進行方向におけるビード幅を計測し、次回加工時にビード幅が目標値に近づくよう加工条件を最適に制御することで、造形物４の幅を目標の幅に近づけることができる。積層造形装置１００は、既に造形されたビードの幅を修正することはできないが、形成済みの造形物４の幅を計測し、次回加工時に加工条件を制御すれば、蓄熱などによってビード幅が徐々に設計値からずれていく際において造形されるビード幅を修正することができる。
【００８６】
例えば、連続造形時には蓄熱の影響により連続積層時間が長くなり、積層数が多くなってくると徐々にビード幅が太くなる。しかし、実施の形態１にかかる積層造形装置１００は、造形が進むにつれてビード幅が太くなることを計測できるため、加工条件を最適に制御することで、ビード幅を目標の幅に近づけることができる。積層造形装置１００は、積層数に対するビード幅の変化と蓄熱(造形物温度)、加工条件などから次回に積層する際のビード幅を予測し、そのビード幅が目標値に近づくよう加工条件を制御する方法により、さらに造形精度を向上させることとしても良い。
【００８７】
また、実施の形態１にかかる積層造形装置１００は、ビード幅だけでなく、Ｚ方向におけるビードの高さであるビード高さも計測する。積層造形装置１００は、ビード幅とビード高さの両方が設計値に近づくよう加工条件を最適に制御することとしても良い。この場合、制御部５１は、形成される造形物４の幅を設計された形状の幅を示す目標値に近づけ、かつ形成される造形物４の高さを設計された形状の高さを示す目標値に近づけるように、加工条件を制御する。これにより、積層造形装置１００は、より高精度な造形を行うことができる。
【００８８】
積層造形装置１００は、加工条件の制御において、１つのパラメータを変更することによってビード幅とビード高さの両方を制御しても良いが、複数の制御パラメータを変更することによってビード幅とビード高さの両方を制御しても良い。例えば、ビード幅はレーザ出力の変更によって制御されることが望ましく、ビード高さは加工材料７の供給速度の変更によって制御されることが望ましい。
【００８９】
積層造形装置１００は、駆動ステージ６の上昇量を変更することによって、造形物４の高さを制御しても良い。この場合、制御部５１は、計測された造形物４の高さがあらかじめ設定された目標値よりも高い場合に加工対象物３を＋Ｚ方向へ上昇させる量を増加させ、かつ、計測された造形物４の高さがあらかじめ設定された目標値よりも低い場合に加工対象物３を＋Ｚ方向へ上昇させる量を減少させる。積層造形装置１００は、各層の造形後における駆動ステージ６の上昇量を、ビード高さの計測結果に応じて最適に変更することで、造形中に上昇量を動的に変更することができる。
【００９０】
演算部５０は、造形物４の層ごとに計測されたビード幅およびビード高さのデータを保存し、全ての層の造形が終了した後に、保存されたデータを用いて造形物４の３次元形状を復元しても良い。図１２は、実施の形態１においてビード幅およびビード高さの計測結果に基づいて３次元形状を復元するための手順を示すフローチャートである。
【００９１】
まず、ステップＳ３０において、積層造形装置１００は、第１層の付加加工を開始する。第１層の造形を終えると、ステップＳ３１において、積層造形装置１００は、駆動ステージ６をＺ方向に上昇させる。ステップＳ３２において、積層造形装置１００は、次の層である第２層の付加加工を開始する。ステップＳ３３において、積層造形装置１００は、ラインビーム４０の照射により、造形物４の高さと造形物４の幅とを計測する。ステップＳ３４において、積層造形装置１００は、造形物４の高さおよび幅の計測結果を保存する。
【００９２】
ステップＳ３５において、積層造形装置１００は、保存された高さおよび幅の計測結果に基づいて加工条件を調整する。積層造形装置１００は、高さの計測結果と幅の計測結果との双方に基づいて加工条件を調整することにより、加工条件を制御しながら付加加工を行う。積層造形装置１００は、高さの計測結果と幅の計測結果とのうちの一方のみに基づいて加工条件を制御しても良い。
【００９３】
ステップＳ３６において、積層造形装置１００は、ｎ個の層の造形が終了したか否かを判定する。ｎ個の層の造形が終了していない場合（ステップＳ３６，Ｎｏ）、積層造形装置１００は、手順をステップＳ３１へ戻して駆動ステージ６をＺ方向に上昇させ、次の層の造形を開始する。積層造形装置１００は、ｎ個の層の造形が終了するまで、ステップＳ３１からステップＳ３６の手順を繰り返す。
【００９４】
一方、ｎ個の層の造形が終了した場合（ステップＳ３６，Ｙｅｓ）、ステップＳ３７において、積層造形装置１００は、保存された高さおよび幅の計測結果に基づいて造形物４の３次元データを復元する。積層造形装置１００は、図１２に示す手順による動作を終了する。３次元データは、最終生成物である造形物４の形状と、設計された形状とのずれを評価するために使用される。かかる評価結果に基づいて、造形物４のうち材料が不足している部分には追加の造形を行うことができ、造形物４のうち材料が過剰である部分は切削加工などによって除去することができる。
【００９５】
また、同一経路において短時間に連続して造形が行われた場合には造形物４に蓄熱が発生する。そのため、造形中に計測した造形物４の幅または高さが、造形終了後に冷却された造形物４の幅または高さとは異なることも考えられる。この場合は、造形終了後の熱ひずみを考慮して造形物４の過不足分を算出し、追加工を行うことができる。また、造形中における計測結果に基づいて得られた３次元形状を、造形終了後に計測された３次元形状と比較することで、造形物４の造形終了後の熱ひずみ量を算出することもできる。
【００９６】
実施の形態１にかかる積層造形装置１００は、造形物４のうち既に造形された部分の幅を計測することによって、造形物４の幅を正確に計測することができる。また、積層造形装置１００は、計測結果が、加工材料７および加工条件などの影響を受けにくくすることができる。
【００９７】
積層造形装置１００は、受光光学系と加工光学系とで対物レンズ１３を共用としたことにより、受光光学系を加工ヘッド２と一体化させ、装置構成の小型化が可能となる。また、積層造形装置１００は、加工位置からできるだけ近い位置におけるラインビーム４０の像を受光素子が取得することができるため、加工位置からできるだけ近くにおいて造形物４の幅を計測することができる。積層造形装置１００は、加工位置から近くにおいて造形物４の幅を計測できることによって、加工経路が複雑である場合でも、造形物４の幅または高さを計測することができない範囲を極力少なくすることができる。
【００９８】
例えば、加工位置が移動する方向が急激に変化した場合、計測位置４３が加工位置よりも前方に配置されており加工位置から計測位置４３が離れているほど、加工位置が移動する方向が変化した後に造形物４の幅または高さを計測することができない範囲が大きくなる。一方、実施の形態１のように、受光光学系と加工光学系とで対物レンズ１３を共用として、受光光学系を加工ヘッド２と一体化させた装置構成では、加工位置が移動する方向が随時変更されるような複雑な造形物４を造形する際において幅を計測できない範囲が少なくなり、造形精度を向上することができる。このように、実施の形態１によると、積層造形装置１００は、加工材料７または造形物４の形状によらず、加工位置にできるだけ近い位置において造形物４の幅を高精度に計測することができる。積層造形装置１００は、かかる計測結果を用いて加工条件を制御することで、連続造形中に設計通りのビード幅で造形物４を形成できる。以上により、積層造形装置１００は、形状精度が高い造形物４を形成することができ、複雑形状の造形精度を向上できる、といった従来にない顕著な効果が得られる。
【００９９】
次に、実施の形態１の変形例について説明する。図１３は、実施の形態１の変形例にかかる積層造形装置１０１の構成を示す斜視図である。積層造形装置１０１は、照明光である２つのラインビーム４１，４２を計測用照明部８から照射することによって、造形物４の幅を計測する。
【０１００】
図１４は、実施の形態１の変形例における造形物４の幅の計測に使用されるラインビーム４１，４２を示す図である。図１４には、受光素子の視野４５におけるラインビーム４１，４２と造形物４とを示している。計測用照明部８は、例えば、加工ヘッド２に対して−Ｘ方向の位置に配置される。計測用照明部８は、加工位置から見て加工材料供給部１０が配置されている方である＋Ｘ方向とは逆の方において、−Ｘ方向を中心に±９０度の範囲において途切れず延ばされたラインビーム４１，４２を照射する。図１４に示す距離Ｌ１は、加工位置から計測位置４３までの距離である。
【０１０１】
このように、ビーム３０の光軸ＣＬに対して傾いた方向にラインビーム４１，４２を照射することによって、積層造形装置１０１は、加工材料７を供給する方向に対向する方向の±９０度の角度範囲において加工方向が変化しても、造形物４の断面高さ分布を計測することができ、造形物４の幅を算出することができる。
【０１０２】
ラインビーム４１，４２は、−Ｘ方向を中心に９０度以上の範囲において延ばされていれば良いものとする。実施の形態１の変形例において、計測用照明部８は、加工位置から見て加工材料７の供給元である加工材料供給部１０の方とは逆の方において９０度以上の範囲において延ばされた照明光を供給する。すなわち、ラインビーム４１，４２は、受光光学系の光軸を中心、かつ加工材料７が供給される方向に対向する方向を基準とする少なくとも±９０度の角度範囲において途切れず照射される。これにより、積層造形装置１０１は、加工材料７を供給する方向に対向する方向の９０度以上の角度範囲において加工方向が変化しても、造形物４の断面高さ分布を計測することができ、造形物４の幅を算出することができる。
【０１０３】
ただし、ビードが形成される方向である加工方向がラインビーム４１，４２の長手方向に直交しない場合には、造形物４の幅を正確に計測することができない。そこで、実施の形態１の変形例において、演算部５０は、ＸＹ面内におけるＸ方向またはＹ方向に対するラインビーム４１，４２の長手方向の傾きと加工方向の情報とを用いて、加工方向に垂直な方向における造形物４の幅を推定する。かかる推定によって、積層造形装置１０１は、造形物４の幅を高精度に計測することが可能となる。また、演算部５０は、断面高さ分布の計測結果に基づいて求めた造形物４端部の位置である境界点Ｐ１，Ｐ２のＸＹ面内における位置を保存しておき、造形物４に垂直な断面に含まれる境界点Ｐ１，Ｐ２を用いて造形物４の幅を算出しても良い。この場合も、積層造形装置１０１は、造形物４の幅を高精度に計測することが可能となる。
【０１０４】
このように、積層造形装置１０１は、加工方向が変化する複雑な３次元形状を造形する場合においても、造形物４の幅を計測できることによって、高精度な造形が可能となる。加工材料７を供給する＋Ｘ方向と対向する方向から、当該方向の±９０度の角度範囲にラインビーム４１，４２を照射することから、演算部５０は、加工材料７を供給する方向に向かって重心位置の計算を行うだけで良い。このため、演算部５０による高さ演算処理を簡潔にすることができる。積層造形装置１０１は、１つの計測用照明部８からラインビーム４１，４２を照射できるため、複数の計測用照明部８によって加工方向ごとの複数のラインビームを照射する場合と比べて、装置構成を小型化できる。
【０１０５】
実施の形態１では、加工ヘッド２のうち−Ｘ方向側の面に計測用照明部８を固定しているが、計測用照明部８は、当該位置以外の位置に設置されても良い。また、加工ヘッド２の周りを回転できるような駆動機構を設け、常にラインビームの長手方向が造形物４を横切るように、加工方向に合わせて計測用照明部８を回転させても良い。これにより、積層造形装置１００，１０１は、加工方向が変化しても常にラインビームの長手方向が造形物４を横切るようにラインビームの長手方向を変化させることができるため、造形物４の断面高さ分布を計測し、造形物４の幅を算出することができる。
【０１０６】
実施の形態１において、計測用照明部８から照射するラインビームは直線状に限られない。ラインビームは直線状以外であっても良い。図１５は、実施の形態１におけるラインビームの変形例を示す図である。変形例にかかるラインビーム４６は、光軸ＣＬを中心とする円状に照射されるラインビームである。
【０１０７】
ラインビーム４６は、ＸＹ面内における全ての方向から照射角度θで造形物４に照射される。この場合、積層造形装置１００，１０１は、上記駆動機構が設けられなくても、加工方向がＸＹ面内におけるいずれの方向であっても、ラインビーム４６をビードに垂直に横切らせることができるため、造形物４の断面高さ分布を計測し、造形物４の幅を算出することができる。ラインビーム４６は、厳密な円形であるものに限られず、円弧状または楕円状であっても良い。このように、円状のラインビーム４６には、円の一部である円弧状のラインビーム、あるいは円を変形させた楕円状のラインビームが含まれるものとする。
【０１０８】
図１６は、実施の形態１にかかる積層造形装置１００が有する光学系の第１変形例を示す図である。第１変形例では、対物レンズ１３の中心軸が、集光レンズ１５の中心軸からずれている。対物レンズ１３の中心軸は、例えば図１６に示すように、集光レンズ１５の中心軸から−Ｘ方向へずれている。対物レンズ１３は、加工位置にビーム３０を集光するレンズである。第１変形例では、対物レンズ１３を透過した反射光を受光部１６に結像する光学系の中心軸の位置は、加工位置にビーム３０を集光する対物レンズ１３の中心軸の位置とは異なる。
【０１０９】
かかる構成により、ラインビーム４０の反射光が、できるだけレンズの収差の影響を受けずに受光素子に結像可能となるため、積層造形装置１００は、高さ計測精度を向上できる。上記のように中心軸の位置をずらした構成の代わりに、対物レンズ１３を透過した反射光を受光部１６に結像する受光光学系の中心軸を、対物レンズ１３の中心軸に対して傾けた構成としても、同様の効果が得られる。また、集光レンズ１５のレンズ面の形状を変更しても良い。また、受光部１６の視野は、高さ計測範囲内でラインビーム４０が移動する範囲より広ければ良い。この場合、ラインビーム４０の移動範囲だけを拡大するような受光光学系を用いることでラインビーム４０の解像度を上げることができるため、積層造形装置１００は、高さ計測精度を向上することができる。
【０１１０】
実施の形態１の構成では、図５に示すラインビーム４０をθだけ傾けて照射し、受光光学系の光軸が鉛直方向であるＺ方向に平行であることから、計測位置４３の高さが変化すると水平方向であるＸＹ方向に計測位置４３がシフトする。計測位置４３がシフトする方向は受光素子上のラインビーム４０の位置から算出できるため、補正が可能であるが計算が複雑になる。次に説明する第２変形例では、かかる計測位置ずれを生じさせない構成について説明する。
【０１１１】
図１７は、実施の形態１にかかる積層造形装置１００が有する光学系の第２変形例を示す図である。第２変形例において、加工ヘッド２は、投光レンズ１１と、ビームスプリッタ１２と、対物レンズ１３と、計測用照明部８とを備える。計測用照明部８は、加工ヘッド２の上部に配置されている。バンドパスフィルタ１４と、集光レンズ１５と、受光部１６とを備える受光ユニット１７は、加工ヘッド２の外に配置されている。第２変形例では、加工光学系を構成する対物レンズ１３が、計測用照明部８からの照明光を造形物４へ照射する対物レンズを兼ねている。積層造形装置１００は、加工光学系と、照明光を造形物４へ照射させる照明光学系とで対物レンズ１３を共用としている。これにより、積層造形装置１００は、照明光学系を加工ヘッド２と一体化させて、装置構成の小型化が可能となる。対物レンズ１３は、照明光学系を構成する。
【０１１２】
計測用照明部８から出射したラインビーム４０は、ビームスプリッタ１２を透過し、対物レンズ１３を透過して、造形物４上の計測位置４３に照射する。加工用の対物レンズ１３をラインビーム４０が透過するため、計測用照明部８は、対物レンズ１３により造形物４上に集光されるような特性をもったラインビーム４０を出射する。ここでは省略しているが、レンズなどの光学部品を使用することにより、対物レンズ１３に入射するラインビーム４０の光軸を最適に設計する必要がある。
【０１１３】
実施の形態１にて説明するように、受光ユニット１７は、ラインビーム４０の照射波長を選択的に透過させるバンドパスフィルタ１４を有する。計測用照明部８がラインビーム４０をビーム３０の光軸と平行に投影し、受光ユニット１７が、斜め方向に反射した反射光を受光することで、積層造形装置１００は、造形物４の高さによる計測位置ずれの影響を受けずに造形物４の断面高さ分布を計測できる。ラインビーム４０の光軸に対して受光ユニット１７の光軸が傾けられていることによって、受光素子上に投影されるラインビーム４０の位置は造形物４の高さによってずれる。したがって、演算部５０は、この位置ずれから断面高さ分布を算出し、ビード幅を計算することができる。これにより、積層造形装置１００は、複雑な３次元形状を計測する場合にもビード幅の計測位置ずれが無く、加工位置に対して常に一定距離において造形物４の高さを計測することができるため、加工条件の制御を高精度に行うことができ、造形精度を向上することができる。
【０１１４】
実施の形態２．
実施の形態２では、造形物４を形成する際における動作が、実施の形態１とは異なる。実施の形態２において、ビードは、線状ではなく玉状に形成される。実施の形態２では、形成されるビードを、玉ビードと呼ぶ。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。
【０１１５】
図１８は、実施の形態２にかかる積層造形装置１００による玉ビードを形成するための動作の手順を示すフローチャートである。まず、ステップＳ４０において、積層造形装置１００は、駆動ステージ６を駆動することによって、加工ヘッド２の位置を、第１の加工位置である加工点に合わせる。加工対象面は、加工対象物３のうち玉ビードが形成される面であって、加工対象物３の上面である。既に造形された造形物４の上に玉ビードが形成される場合、加工対象面は、造形物４の表面である。
【０１１６】
図１９は、実施の形態２にかかる積層造形装置１００の加工領域ＡＲを示す模式的な断面図である。加工点は、図１９に示すように、ビーム３０の光軸ＣＬが対象面６１と交差する点である。対象面６１は、加工対象面である。実施の形態２において、加工点は、対象面６１における加工領域ＡＲの中央位置とする。
【０１１７】
図１８の説明に戻る。ステップＳ４１において、積層造形装置１００は、加工材料７であるワイヤの先端が対象面６１に接触するように、ワイヤを送り出す。図２０は、実施の形態２にかかる積層造形装置１００の加工領域ＡＲへ送り出されたワイヤが加工対象面に接触した状態を示す模式的な断面図である。
【０１１８】
図２０に示すように、積層造形装置１００は、ワイヤである加工材料７を、加工領域ＡＲの上方から斜めに送り出して、加工材料７の先端を対象面６１に接触させる。ワイヤを送り出すとは、積層造形装置１００が、加工材料供給部１０を制御して、加工材料供給部１０のワイヤノズルからワイヤを吐出させて加工点に供給することである。ビーム３０を照射する前に、加工材料７は対象面６１に接触した状態となる。このため、対象面６１への、溶融したワイヤの溶着が安定して行われることによって、溶融したワイヤが対象面６１に溶着しないこと、および、溶融したワイヤが溶着する位置が所望の位置からずれることを防ぐことが可能になる。
【０１１９】
ワイヤノズルから送り出されて対象面６１に接触したワイヤの中心軸ＣＷと、加工領域ＡＲに照射されるビーム３０の光軸ＣＬとは、対象面６１の表面で交わることが好ましい。あるいは、ワイヤの中心軸ＣＷは、光軸ＣＬからワイヤノズル側におけるビーム３０の半径内において、対象面６１の表面で交わっていることが好ましい。ワイヤがこのように配置されることで、積層造形装置１００は、対象面６１において、ワイヤの中心軸ＣＷと光軸ＣＬとの交点を中心として玉ビードを形成することができる。
【０１２０】
図１８の説明に戻る。積層造形装置１００は、加工材料７の準備を終えると、ステップＳ４２において、ビーム３０の照射を開始し、不活性ガスをガスノズル９から噴出させる。図２１は、実施の形態２にかかる積層造形装置１００の加工領域ＡＲへビーム３０が照射された状態を示す模式的な断面図である。
【０１２１】
図２１に示すように、積層造形装置１００は、対象面６１の加工領域ＡＲへ向けてビーム３０を照射する。このとき、ビーム３０は、加工領域ＡＲに配置された加工材料７であるワイヤに照射する。また、ビーム３０の照射に合わせて、ガスノズル９から加工領域ＡＲへの不活性ガスの噴出が開始される。不活性ガスの噴出は、ビーム３０を対象面６１に照射する前に開始されることが好ましい。また不活性ガスは、あらかじめ定められた一定時間にわたって噴出されることが好ましい。積層造形装置１００は、不活性ガスをビーム３０の照射よりも前の一定期間に渡って噴出することで、ガスノズル９内に残存している酸素などの活性ガスをガスノズル９内から除去することができる。
【０１２２】
図１８の説明に戻る。ステップＳ４３において、積層造形装置１００は、加工材料７であるワイヤの供給を開始する。図２２は、実施の形態２にかかる積層造形装置１００の加工領域ＡＲへのワイヤの供給が開始された状態を示す模式的な断面図である。
【０１２３】
積層造形装置１００は、加工材料供給部１０のワイヤノズルを制御して、ワイヤノズルから図２２に示す矢印の方向へワイヤを吐出させることによって、対象面６１の加工領域ＡＲへ向けてワイヤを送り出す。これにより、あらかじめ加工領域ＡＲに配置されていたワイヤと、ビーム３０の照射開始後に加工領域ＡＲへ供給されたワイヤとが溶融し、溶融した材料が対象面６１に溶着する。加工領域ＡＲでは、ビーム３０が照射されると、加工対象物３の表面または造形物４の表面からなる対象面６１が溶融してメルトプール６２が形成される。そして、加工領域ＡＲでは、溶融した材料が、メルトプール６２に溶着される。これにより、加工領域ＡＲに溶融ビード６３が形成される。溶融ビード６３は、凝固していない状態のビードである。ワイヤの供給が開始されてから、あらかじめ定められた供給時間において、加工領域ＡＲへワイヤの供給が継続される。
【０１２４】
ワイヤの供給速度は、加工材料供給部１０の回転モータの回転を制御することによって調整することができる。ワイヤの供給速度は、ビーム３０の出力によって制限がある。すなわち、加工領域ＡＲへの溶融した材料の適正な溶着を実現するためのワイヤの供給速度とビーム３０の出力とには相関がある。積層造形装置１００は、ビーム３０の出力を上昇させることにより、玉ビードの造形速度を高めることができる。
【０１２５】
ビーム３０の出力に対してワイヤの供給速度が速すぎる場合、ワイヤが溶けずに残ってしまう。一方、ビーム３０の出力に対してワイヤの供給速度が遅すぎる場合、ワイヤが過剰に加熱されることにより、溶融した材料が液滴となってワイヤから落下し、溶融した材料は所望の形状に溶着されない。
【０１２６】
また、玉ビードの大きさは、ワイヤの供給時間およびビーム３０の照射時間を変更することで調整することができる。ワイヤの供給時間およびビーム３０の照射時間を長くするほど、直径が大きい玉ビードを形成することが可能である。一方、ワイヤの供給時間およびビーム３０の照射時間を短くするほど、直径が小さい玉ビードを形成することが可能である。
【０１２７】
図１８の説明に戻る。第１の加工位置における付加加工が終わると、積層造形装置１００は、ステップＳ４４において、加工材料７であるワイヤを加工領域ＡＲから加工材料供給部１０のほうへ引き戻す。図２３は、実施の形態２にかかる積層造形装置１００の加工領域ＡＲからワイヤが引き抜かれる状態を示す模式的な断面図である。
【０１２８】
積層造形装置１００は、第１の加工位置における付加加工が終わると、図２３に示す矢印の方向へワイヤを引き戻すことによって、加工領域ＡＲからワイヤを引き抜く。このとき、加工対象物３に形成されたメルトプール６２と、溶融ビード６３とは一体化している。メルトプール６２は、加工対象物３が溶融した状態となっている領域である。ワイヤが引き抜かれることによって、溶融ビード６３からワイヤが分離される。
【０１２９】
図１８の説明に戻る。ワイヤが引き戻された後、積層造形装置１００は、ステップＳ４５においてビーム３０の照射を停止する。また、積層造形装置１００は、ビーム３０の照射を停止した後も、ガスノズル９からの不活性ガスの噴出を継続する。そして、継続時間が経過した後、積層造形装置１００は、ガスノズル９からの不活性ガスの噴出を停止させる。
【０１３０】
図２４は、実施の形態２にかかる積層造形装置１００の加工領域ＡＲへのビーム３０の照射が停止された状態を示す模式的な断面図である。積層造形装置１００は、ビーム３０の照射を停止した後、継続時間にて不活性ガスの噴出を継続する。継続時間の経過により不活性ガスの噴出が停止されると、溶融ビード６３が凝固することによって対象面６１上に玉ビード６４が形成される。
【０１３１】
継続時間は、ビーム３０を停止してから、加工領域ＡＲに溶着された溶融ビード６３の温度があらかじめ定められた温度に低下するまでの時間に基づいて定められる。溶融ビード６３の温度があらかじめ定められた温度に低下するまでの時間は、ワイヤの材質、玉ビード６４の大きさなどの諸条件に依存する。これらの諸条件に基づく継続時間の情報が制御部５１にあらかじめ記憶されている。継続時間が経過して、溶融ビード６３があらかじめ定められた温度に低下すると、玉ビード６４の形成が完了する。
【０１３２】
図１８の説明に戻る。第１の加工位置における付加加工が終わり、第１の加工位置に玉ビード６４が形成されると、積層造形装置１００は、ステップＳ４６において、加工ヘッド２の位置を次の加工点である第２の加工位置に合わせる。具体的には、積層造形装置１００は、駆動ステージ６を制御して加工対象物３と加工ヘッド２との相対位置を変化させることで、加工ヘッド２の位置を次の加工点である第２の加工位置の上に合わせる。
【０１３３】
図２５は、実施の形態２にかかる積層造形装置１００の加工ヘッド２が次の加工点に移動する状態を示す模式的な断面図である。なお、図１９から図２５では、対象面６１における加工領域ＡＲの周辺の状態を示している。図２１から図２４では、不活性ガスの図示を省略している。
【０１３４】
図２５に示す矢印は、加工対象物３に対する加工ヘッド２の移動方向を示している。加工対象物３に対する加工ヘッド２の位置の移動に伴って、ビーム３０の光軸ＣＬが加工対象物３に対して矢印の方向に移動する。積層造形装置１００は、次の加工点である第２の加工位置へ光軸ＣＬを移動させる。
【０１３５】
図２６は、実施の形態２にかかる積層造形装置１００によって造形物４を造形する方法について説明するための模式的な断面図である。図１８に示す各工程を繰り返すことによって、積層造形装置１００は、対象面６１上に、造形物４を構成する玉ビード６４の層を形成する。ここでは、加工対象物３の表面に直接形成された玉ビード６４の層を第１層６５Ａとする。また、第１層６５Ａの上に形成された玉ビード６４の層を第２層６５Ｂとする。第２層６５Ｂの上に形成された玉ビード６４の層を第３層６５Ｃとする。
【０１３６】
玉ビード６４により構成される複数の層を造形することで、積層造形装置１００は、加工対象物３の上に所望の形状の造形物４を形成することができる。積層造形装置１００は、各層の付加加工を終える度に、駆動ステージ６のＺ方向の位置を一定量変化させる。Ｚ方向の変化量は、形成される玉ビード６４の高さと等しいことが好ましい。
【０１３７】
図１８に示す各工程は、上記の順序で実行されなくても良い。例えば、上記によると、加工位置を移動して玉ビード６４を造形する際に、加工点の上に加工ヘッド２を位置合わせするステップと、ワイヤを吐出するステップとを分けて説明したが、実施の形態２はかかる例に限定されない。積層造形装置１００は、加工時間を短縮するために、ワイヤを吐出しながら次の加工点への移動を行っても良い。これにより、積層造形装置１００は、加工ヘッド２が次の加工点に到達した際に、ワイヤが既に対象面６１に接触した状態とすることができ、加工時間を短縮することができる。
【０１３８】
実施の形態２における造形物４の幅の計測の原理は、実施の形態１の場合と同様である。積層造形装置１００は、受光素子上におけるラインビーム４０の位置ずれから三角測量の原理により、玉ビード６４の断面高さ分布を計測し、玉ビード６４の幅を算出する。そこで、玉ビード６４の幅を計測し、ビード幅の計測結果を用いて玉ビード６４の付加加工制御を行う手順について説明する。
【０１３９】
図２７は、実施の形態２にかかる積層造形装置１００が、既に形成された造形物４の幅の計測結果を用いて玉ビード６４の付加加工を行う手順を説明するためのフローチャートである。ここでは、１つの層がｍ個の玉ビード６４から構成され、ｎ個の層を積層することによって造形物４を形成する場合について説明する。ｍは任意の整数である。
【０１４０】
まず、ステップＳ５０において、積層造形装置１００は、第１層６５Ａの付加加工を開始する。加工対象物３が、平坦な上面を有するベースプレートである場合、第１層６５Ａの付加加工時には計測位置にビードはないため、積層造形装置１００は、幅の計測を行わない。すなわち、第１層６５Ａの付加加工時において、積層造形装置１００は、造形物４の幅を計測するステップを省略する。ただし、対象面６１が加工対象物３の平坦面ではなく、既に造形された造形物４の表面である場合、積層造形装置１００は、当該造形物４の幅を計測しても良い。なお、ステップＳ５０では、具体的には、図１８に示す処理が行われる。
【０１４１】
第１層６５Ａの造形を終えると、ステップＳ５１において、積層造形装置１００は、次の層である第２層６５Ｂの付加加工を行うために、駆動ステージ６をＺ方向に上昇させる。ステップＳ５２において、積層造形装置１００は、駆動ステージ６を移動させることによって、加工ヘッド２の位置を、１つ目の玉ビード６４が形成される加工位置である加工点に合わせる。ステップＳ５３において、積層造形装置１００は、当該加工位置において、第１層６５Ａである造形物４の幅を計測する。ステップＳ５４において、積層造形装置１００は、造形物４の幅の計測結果を保存する。計測位置は、次に形成される玉ビード６４の加工位置である。
【０１４２】
ステップＳ５５において、積層造形装置１００は、保存された幅の計測結果に基づいて加工条件を調整する。積層造形装置１００は、加工条件を調整することにより加工条件を制御しながら付加加工を行う。ステップＳ５６において、積層造形装置１００は、現在付加加工を行っている層において、ｍ個の玉ビード６４の造形が終了したか否かを判定する。ｍ個の玉ビード６４の造形が終了していない場合（ステップＳ５６，Ｎｏ）、積層造形装置１００は、手順をステップＳ５２へ戻し、現在付加加工を行っている層における玉ビード６４の造形を続ける。積層造形装置１００は、現在付加加工を行っている層における玉ビード６４の造形が終了するまで、ステップＳ５２からステップＳ５６の手順を繰り返す。
【０１４３】
一方、ｍ個の玉ビード６４の造形が終了した場合（ステップＳ５６，Ｙｅｓ）、積層造形装置１００は、ステップＳ５７において、ｎ個の層の造形が終了したか否かを判定する。ｎ個の層の造形が終了していない場合（ステップＳ５７，Ｎｏ）、積層造形装置１００は、手順をステップＳ５１へ戻して駆動ステージ６をＺ方向に上昇させ、次の層の造形を開始する。積層造形装置１００は、ｎ個の層の造形が終了するまで、ステップＳ５１からステップＳ５７の手順を繰り返す。
【０１４４】
一方、ｎ個の層の造形が終了した場合（ステップＳ５７，Ｙｅｓ）、積層造形装置１００は、図２７に示す手順による造形物４の形成を終了する。積層造形装置１００は、ｎ個の層をすべて造形することで、任意の形状の最終生成物である造形物４を形成する。
【０１４５】
このように、玉ビード６４の幅を計測し、加工条件を制御する工程では、積層造形装置１００は、まず、加工位置の移動、すなわち加工対象物３に対し水平方向へ加工ヘッド２を移動させ、加工位置である計測位置のビード幅を加工前に計測する。積層造形装置１００は、ビード幅の計測結果を用いて、当該加工位置に玉ビード６４を造形するための加工条件を制御する。積層造形装置１００は、当該加工位置における玉ビード６４の造形が終了すると、駆動ステージ６の水平移動によって、次の加工位置へ加工ヘッド２を合わせる。積層造形装置１００は、このような工程を繰り返す。そして、１つの層の造形が終了すると、駆動ステージ６をＺ方向に上昇させて、再度、玉ビード６４を造形するための工程を繰り返す。
【０１４６】
実施の形態２において造形物４の幅の測定結果を用いて加工条件を制御する方法は、実施の形態１の場合と同様である。制御部５１は、例えば、加工用レーザ１のレーザ出力、駆動ステージ６の移動速度である走査速度、および、加工材料７の供給速度であるワイヤ送り速度といったパラメータを変更することにより、加工条件を制御する。積層造形装置１００は、実施の形態１の場合と同様に、造形物４の幅と造形物４の高さとを計測して、造形物４の幅と造形物４の高さとの計測結果に基づいて加工条件を制御しても良い。積層造形装置１００は、実施の形態１の場合と同様に、造形物４の層ごとに計測されたビード幅およびビード高さのデータを保存し、全ての層の造形が終了した後に、保存されたデータを用いて３次元形状を復元しても良い。
【０１４７】
実施の形態２において、玉ビード６４は半球形状としたが、玉ビード６４は半球以外の形状であっても良い。玉ビード６４は、駆動ステージ６を停止中に形成されたひとかたまりの加工材料７からなるビードを複数並べることによって造形物４を形成することができる形状であれば良い。例えば、上から見て円形のビード形状の一部が欠けた形状の玉ビード６４が形成される場合であっても、積層造形装置１００は、実施の形態２における幅計測と加工条件の制御とを用いることで、高精度な積層造形が可能である。その他、玉ビード６４は、円形ではなく四角形状などであっても良く、玉状に形成されたビードであれば問題はない。
【０１４８】
また、実施の形態２では、加工位置は玉ビード６４の中心であるものとしたが、積層造形装置１００は、加工位置が玉ビード６４の中心からずれていても同様の効果を得ることができる。積層造形装置１００は、造形したい形状によって、玉ビード６４の中心以外に加工位置を適宜設定して、玉ビード６４を造形しても良い。例えば、加工位置は、隣接する玉ビード６４とのつなぎ目であっても良い。このような場合、ビード幅は、玉ビード６４の中心の幅よりも小さくなる。しかしながら、実施の形態２で説明したように、積層造形装置１００は、加工位置に既に形成された造形物４の幅を、照明光であるラインビーム４０を用いて計測し、加工条件を制御することによって、高精度な加工が可能になる。
【０１４９】
さらに、実施の形態２では、１つの玉ビード６４を形成する前に、既に形成された造形物４の幅を計測し、計測後に付加加工を行い、次の加工点へ移動することとしたが、実施の形態２はかかる例に限定されない。積層造形装置１００は、例えば、第（ｉ−１）層の付加加工が全て終了した後に、第（ｉ−１）層を構成する全てのビードのビード幅をまとめて計測し、計測結果に基づいて、第ｉ層の付加加工における加工条件を制御しても良い。
【０１５０】
また、実施の形態２では、積層造形装置１００は、加工位置をＸ方向またはＹ方向へ移動させて積層を行うことで、溶融した加工材料７が完全に凝固するまでの時間を待つ必要が無く、第（ｉ−１）層について完全に凝固した状態のビードの高さを計測することができる。このため、積層造形装置１００は、計測精度の向上と加工時間の短縮とを両立することができる。積層造形装置１００は、Ｚ方向において連続して積層を行う場合、第（ｉ−１）層のビードが完全に凝固するまでの時間が経過した後に、造形物４の幅の計測と、第ｉ層の付加加工とを行えば良い。
【０１５１】
以上説明したように、実施の形態２によると、積層造形装置１００は、加工位置を移動させて駆動ステージ６を停止し、加工をしていない状態で加工位置におけるビード幅を計測することができるため、ビード幅を高精度に計測することができる。積層造形装置１００は、かかる計測結果を用いて、ビード幅が目標値に近づくように加工条件を最適に制御することで、造形物４の形状精度を向上させることが可能になる。
【０１５２】
実施の形態３．
実施の形態３では、造形物４において計測された断面高さ分布からビード幅を算出する方法が、実施の形態１または２とは異なる。実施の形態３では、特に、各ビードが互いに隣接して造形される場合において、ビード幅の計測を高精度に行うことができる。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。
【０１５３】
図２８は、実施の形態３にかかる積層造形装置１００により形成される造形物４の例を示す第１の図である。図２９は、実施の形態３にかかる積層造形装置１００により形成される造形物４の例を示す第２の図である。図２８には、造形物４よりも＋Ｚ方向の位置から造形物４を平面視した状態を示している。図２９には、図２８に示す造形物４を、造形物４よりも＋Ｘ方向の位置から平面視した状態を示している。
【０１５４】
実施の形態１に示した線ビード、または実施の形態２に示した玉ビードである複数のビードを互いに隣接させることで、図２８および図２９に示すように一定面積の形状、例えば、四角柱が造形される場合がある。ここで、造形される形状が、６個の列のビードにより構成されるものとする。６個の列は、Ｙ方向において互いに隣接している。各層において、ビードは、第１列７１Ａ、第２列７１Ｂ、第３列７１Ｃ、第４列７１Ｄ、第５列７１Ｅおよび第６列７１Ｆの順に形成される。図２８および図２９には、各列において第ｉ層までの造形が行われた様子を示している。
【０１５５】
例えば、第３列７１Ｃのビードを形成する際に、実施の形態１または２と同様に、ラインビーム４０の照射によって計測された断面高さ分布を用いて第ｉ層のビード幅の算出を試みたとする。図２８および図２９に示されるように各列のビードが隣接して形成される場合、ビードの頂点高さは、ビードが他のビードとは隣接せず単独で形成される場合と同じとする。これに対し、各列のビードが隣接して形成される場合、Ｙ方向におけるビード端部の高さは、ビードが単独で形成される場合よりも高くなる。例えば、第３列７１Ｃのビードを造形後に第４列７１Ｄのビードが造形されると、第４列７１Ｄに造形されたビードの一部が第３列７１Ｃに流れ込むことによって、第３列７１Ｃのビード端部の高さは、ビードが単独で形成される場合よりも高くなる。ビード端部の高さが高くなることによって、各列のビードが隣接して形成される場合における断面高さ分布は、ビードが単独で形成される場合よりも平坦なものとなる。このため、各列のビードが隣接して形成される場合、図８および図９に示す境界点Ｐ１，Ｐ２が計測できないことが考えられる。そこで、実施の形態３にかかる積層造形装置１００は、次に説明する方法によって造形物４の幅を計測する。
【０１５６】
図３０および図３１は、実施の形態３にかかる積層造形装置１００により造形物４の幅を算出する手順を示すフローチャートである。ここでは、互いに隣接するｋ個の列の各々に線ビードを形成することによって各層を造形し、かつｎ個の層を積み重ねるものとする。ｋは任意の整数である。
【０１５７】
まず、ステップＳ６０において、積層造形装置１００は、第１層における第１列の付加加工を開始する。第１層における第１列を造形する際には、それより前に形成された造形物４が無いため、積層造形装置１００は、幅の計測を行わない。すなわち、積層造形装置１００は、第１層の第１列を造形する際には、造形物４の幅を計測するステップを省略する。
【０１５８】
第１列の造形が終了すると、積層造形装置１００は、ステップＳ６１において、次の列である第ｊ列の加工位置に加工ヘッド２の位置を合わせる。ｊは、２≦ｊ≦ｋを満足する整数とする。ステップＳ６２において、積層造形装置１００は、第ｊ列の付加加工を開始する。積層造形装置１００は、付加加工とともに、ステップＳ６３において、第ｊ列に隣接する第（ｊ−１）列の造形物４の幅を計測する。ステップＳ６４において、積層造形装置１００は、第（ｊ−１）列についての幅の計測結果を保存する。
【０１５９】
ここで、具体例を挙げて、造形物４の幅の計測について説明する。図３２は、実施の形態３における造形物４の幅の計測について説明するための第１の図である。図３３は、実施の形態３における造形物４の幅の計測について説明するための第２の図である。図３２および図３３には、図２８および図２９に示す第３列７１Ｃのビードを形成している様子を示している。実施の形態３において、演算部５０は、複数のビードが互いに隣接して形成される場合に、ビードのうち第３の方向であるＹ方向における一方の端部の位置と、複数のビードの加工中心間の距離とに基づいて、造形物４の幅を算出する。
【０１６０】
各列の加工中心間の距離をｄとする。ステップＳ６１において、駆動ステージ６は、＋Ｙ方向へ距離ｄだけ移動する。ステップＳ６２にて第３列７１Ｃのビードを形成している際に、演算部５０は、第（ｊ−１）列、すなわち第２列７１Ｂにおけるビード幅を計測する。ここで、第２列７１Ｂに照射されるラインビーム４０は、第２列７１Ｂのビードの断面高さ分布を計測可能に、Ｙ方向において広げられているものとする。すなわち、第２列７１Ｂに照射されるラインビーム４０は、少なくとも、第２列７１Ｂに隣接する第１列７１Ａを横切る。
【０１６１】
図３２および図３３に示すように、−Ｙ方向へ向かって各列のビードが順番に形成される場合には、ラインビーム４０は、第２列７１Ｂと＋Ｙ方向において隣接する第１列７１Ａを横切る。第２列７１Ｂのうち＋Ｙ方向の端部は第１列７１Ａの端部と重なり合っているため、第２列７１Ｂのうち＋Ｙ方向の端部の位置は正しく計測できない。
【０１６２】
図３４は、実施の形態３における造形物４の断面高さ分布の計測結果から造形物４の幅を算出する例について説明するための図である。図３４には、受光素子上におけるラインビーム４０の位置から算出された断面高さ分布の例を示している。Ｙ方向における現在の加工中心の位置をＹ０とする。Ｙ方向におけるＹ０＋ｄの位置は、現在加工が行われている第３列７１Ｃと＋Ｙ方向において隣接する第２列７１Ｂのビード中心である。
【０１６３】
当該ビード中心から見て第３列７１Ｃ側、すなわち第２列７１Ｂのビードのうち−Ｙ方向の端部である境界点Ｐ１は計測が可能である。一方、当該ビード中心から見て第１列７１Ａ側、すなわち第２列７１Ｂのビードのうち＋Ｙ方向の端部である境界点Ｐ２は、第２列７１Ｂのビードに隣接する第１列７１Ａのビードの影響により、正しく計測することができない。図３４に示す例では、第２列７１Ｂのビードのうち＋Ｙ方向の端部の高さは、ビードの頂点の高さに近く、第２列７１Ｂのビード中心から＋Ｙ方向において断面高さ分布が平坦になっている。このため、境界点Ｐ２の判別は困難である。また、互いに隣接するビード間における溶融した材料の流れ方の影響によって、境界点Ｐ２がＹ方向においてずれることも考えられる。
【０１６４】
そこで、実施の形態３では、ビード中心Ｙ０＋ｄに対し境界点Ｐ１と対称な位置Ｐ１’を、ビードの本来の端部の位置とみなす。演算部５０は、Ｄ＝Ｐ１’−Ｐ１＝２（Ｙ０＋ｄ−Ｐ１）の関係に基づいて、ビード幅Ｄを算出する。演算部５０は、ｋ個の列のうち第１列以外の各々について、かかる方法によってビード幅Ｄを算出する。第１列については、演算部５０は、位置Ｐ１’を端部とみなさなくても、断面高さ分布から境界点Ｐ１，Ｐ２を算出することができる。このため、演算部５０は、第１列についてはより高精度にビード幅を計測することができる。
【０１６５】
ステップＳ６５において、積層造形装置１００は、現在付加加工を行っている第１層について、ｋ個の列の造形が終了したか否かを判定する。第１層におけるｋ個の列の造形が終了していない場合（ステップＳ６５，Ｎｏ）、積層造形装置１００は、手順をステップＳ６１へ戻し、第１層における各列のビードの形成を続ける。積層造形装置１００は、各列のビードの形成が終了するまで、ステップＳ６１からステップＳ６５の手順を繰り返す。
【０１６６】
一方、第１層におけるｋ個の列の造形が終了した場合（ステップＳ６５，Ｙｅｓ）、積層造形装置１００は、ステップＳ６６へ手順を進める。ステップＳ６６において、積層造形装置１００は、駆動ステージ６をＺ方向に上昇させ、次の層である第ｉ層における第１列の加工位置に加工ヘッド２の位置を合わせる。ここでは、積層造形装置１００は、第１層の次の第２層における第１列の加工位置に加工ヘッド２の位置を合わせる。
【０１６７】
ステップＳ６７において、積層造形装置１００は、保存された幅の計測結果に基づいて加工条件を制御し、第ｉ層における第１列の付加加工を開始する。積層造形装置１００は、第ｉ層における第１列の付加加工における加工条件を、第（ｉ−１）層の第２列についての計測結果に基づいて制御する。ここでは、積層造形装置１００は、第１層の第２列についての計測結果に基づいて、第２層の第１列の付加加工における加工条件を制御する。
【０１６８】
第１列の造形が終了すると、積層造形装置１００は、ステップＳ６８において、次の列である第ｊ列の加工位置に加工ヘッド２の位置を合わせる。ステップＳ６９において、積層造形装置１００は、保存された幅の計測結果に基づいて加工条件を制御し、第ｊ列の付加加工を開始する。ステップＳ６９において、積層造形装置１００は、ステップＳ６７の場合と同様に、第（ｉ−１）層についての計測結果を用いて加工条件を制御する。
【０１６９】
ステップＳ７０において、積層造形装置１００は、ステップＳ６３と同様に、第ｊ列に隣接する第（ｊ−１）列の造形物４の幅を計測する。ステップＳ７１において、積層造形装置１００は、ステップＳ６４と同様に、第（ｊ−１）列についての幅の計測結果を保存する。
【０１７０】
ステップＳ７２において、積層造形装置１００は、第ｉ層における（ｋ−１）個の列の造形が終了したか否かを判定する。第ｉ層における（ｋ−１）個の列の造形が終了していない場合（ステップＳ７２，Ｎｏ）、積層造形装置１００は、手順をステップＳ６８へ戻し、第ｉ層における（ｋ−１）個の列の造形を続ける。
【０１７１】
一方、第ｉ層における（ｋ−１）個の列の造形が終了した場合（ステップＳ７２，Ｙｅｓ）、積層造形装置１００は、手順をステップＳ７３へ進める。ステップＳ７３において、積層造形装置１００は、第ｉ層における最後の列である第ｋ列の加工位置に加工ヘッド２の位置を合わせる。ここで、ステップＳ７３までの手順において、第（ｉ−１）層における第ｋ列の造形物４の幅は、計測されていない。このため、ステップＳ７４において、積層造形装置１００は、第（ｉ−１）層における第ｋ列の造形物４の幅を計測する。
【０１７２】
ここで、具体例を挙げて、１つの層における最後の列を造形する際における造形物４の幅の計測について説明する。図３５は、実施の形態３において１つの層における最後の列を造形する際における造形物４の幅の計測について説明するための第１の図である。図３６は、実施の形態３において１つの層における最後の列を造形する際における造形物４の幅の計測について説明するための第２の図である。図３５および図３６には、図２８および図２９に示す第６列７１Ｆのビードを形成している様子を示している。
【０１７３】
第ｉ層の第６列７１Ｆを造形する際には、第６列７１Ｆに隣接する第５列７１Ｅは既に造形されている。このため、第（ｉ−１）層の第６列７１Ｆのうち＋Ｙ方向のビード端部の位置を正確に計測することができない。ただし、第（ｉ−１）層の第６列７１Ｆの−Ｙ方向には隣接するビードが存在しないため、演算部５０は、図３４と同じ要領によって第（ｉ−１）層の第６列７１Ｆにおけるビード幅を算出することができる。このように、積層造形装置１００は、ステップＳ７４では、現在造形している層の１つ下の層における、現在の加工位置よりも前方の列におけるビード幅を計測する。ステップＳ７５において、積層造形装置１００は、第（ｉ−１）層の第ｋ列についての幅の計測結果を保存する。
【０１７４】
ステップＳ７６において、積層造形装置１００は、保存された幅の計測結果に基づいて加工条件を制御し、第ｋ列の付加加工を開始する。ステップＳ７７において、積層造形装置１００は、ステップＳ７０と同様に、第ｋ列に隣接する第（ｋ−１）列の造形物４の幅を計測する。ステップＳ７８において、積層造形装置１００は、ステップＳ７１と同様に、第（ｋ−１）列についての幅の計測結果を保存する。
【０１７５】
第ｋ列の造形が終了すると、積層造形装置１００は、ステップＳ７９において、ｎ個の層の造形が終了したか否かを判定する。ｎ個の層の造形が終了していない場合（ステップＳ７９，Ｎｏ）、積層造形装置１００は、手順をステップＳ６６へ戻して駆動ステージ６をＺ方向に上昇させ、次の層の造形を開始する。積層造形装置１００は、ｎ個の層の造形が終了するまで、ステップＳ６６からステップＳ７９の手順を繰り返す。
【０１７６】
一方、ｎ個の層の造形が終了した場合（ステップＳ７９，Ｙｅｓ）、積層造形装置１００は、図３０および図３１に示す手順による造形物４の形成を終了する。積層造形装置１００は、ｎ個の層をすべて造形することで、任意の形状の最終生成物である造形物４を形成する。
【０１７７】
このように、積層造形装置１００は、各ビードが互いに隣接して形成される場合において、ビード幅を正確に計測することができる。積層造形装置１００は、幅の計測結果を用いてビード幅が目標値に近づくように加工条件を制御することで、造形精度を向上させることができる。特に、複数のビードを互いに隣接させることによって大面積の造形を行う場合は、ビード幅方向の造形精度が非常に重要となる。実施の形態３では、Ｘ方向に延びる線ビードをＹ方向に隣接させる場合について説明したが、造形物４を形成する態様は適宜変更しても良い。例えば、積層造形装置１００は、回転ステージを用いてＸ方向に延びる線ビードとＹ方向に延びる線ビードとを層ごとに交互に造形する場合に、Ｘ方向に延びる線ビードの幅とＹ方向に延びる線ビードの幅との双方を計測し、加工条件を制御することによって造形物４を形成しても良い。また、積層造形装置１００は、線ビードではなく玉ビードを形成することによって、造形物４を形成しても良い。
【０１７８】
実施の形態３では、ビードのうち当該ビードと隣接するビードがある方の端部の位置を、ビード中心に対し境界点Ｐ１と対称な位置Ｐ１’としたが、演算部５０は、それ以外の方法によってビード端部の位置を算出しても良い。例えば、断面高さ分布からビード高さを算出することが可能であるため、演算部５０は、ビード高さと境界点Ｐ１の情報とに基づいてビード形状をフィッティングすることにより、境界点Ｐ１とは逆側のビード端部の位置を算出しても良い。
【０１７９】
例えば、図３２および図３３に示すように、Ｘ方向において第２列７１Ｂのビードが第３列７１Ｃのビードよりも長い場合、第２列７１Ｂのビードの一部については、第３列７１Ｃの造形中において、第３列７１Ｃ側の端部の位置を算出できない。ただし、第２列７１Ｂのビードが、第１列７１Ａのビードおよび第３列７１Ｃのビードの双方よりも長い場合は、第２列７１Ｂのビードを単独で形成されるビードとみなせる。この場合、積層造形装置１００は、第３列７１Ｃの造形中において、加工位置よりも前方における第２列７１Ｂのビード幅を計測することができる。また、演算部５０は、第１列７１Ａのビードが第３列７１Ｃのビードよりも長い場合は、次に第２列７１Ｂを造形する際に、ステップＳ７４およびステップＳ７５の手順により第２列７１Ｂのビード断面のうち第３列７１Ｃ側の端部の位置を算出できる。このため、積層造形装置１００は、第２列７１Ｂのビード幅を計測することができる。
【０１８０】
実施の形態３では、四角柱を造形する場合について説明したが、積層造形装置１００は、互いに隣接する複数のビードを含む任意の形状を造形する場合において造形物４の幅を計測し、加工条件を最適に制御することで高精度な造形が可能となる。また、ここではＸＹＺの３軸を用いる場合について説明したが、５軸を用いて加工する場合にも同様の効果が得られる。
【０１８１】
実施の形態３では、ビードが他のビードと隣接する場合におけるビードの頂点高さは、ビードが他のビードとは隣接せず単独で形成される場合におけるビードの頂点高さと同じであるものと説明した。ビードが他のビードと隣接する場合におけるビードの頂点高さは、ビードが単独で形成される場合とは異なっても問題はない。実施の形態３では、演算部５０は、図３４に示すように、２つの境界点Ｐ１，Ｐ２のうち隣接するビードが形成されていないほうの境界点Ｐ１を計測することによってビード幅を算出する。このため、ビードの頂点高さが、ビードが単独で形成される場合とは異なる場合であっても、演算部５０は、ビード幅を算出することができる。
【０１８２】
実施の形態１から３では、ラインビーム４０を用いて、ラインビーム４０の位置を受光素子で計測することによって造形物４の断面高さ分布を計測する方法について説明したが、この方法に限定されない。積層造形装置１００は、計測用照明部８と受光光学系とを備え、造形物４の断面高さ分布を計測できる構成であれば、同様の効果が得られる。実施の形態１から３では、加工光学系の対物レンズ１３を受光光学系または照明光学系が共用する構成について示したが、共有とはそれぞれの光学系内を通る光線が１つのレンズ内を通過していれば良いものとする。実施の形態１から３では、断面高さ分布から造形物４の幅を算出する方法について説明したが、この方法に限定される訳ではなく、積層造形装置１００は、造形物４の高さを計測し、高さの情報を基に造形物４の幅を計測していれば良い。
【０１８３】
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】
【０１８４】
１  加工用レーザ、２  加工ヘッド、３  加工対象物、４  造形物、５  固定具、６  駆動ステージ、７  加工材料、８  計測用照明部、９  ガスノズル、１０  加工材料供給部、１１  投光レンズ、１２  ビームスプリッタ、１３  対物レンズ、１４  バンドパスフィルタ、１５  集光レンズ、１６  受光部、１７  受光ユニット、３０  ビーム、３１，６２  メルトプール、３２  高温部、３３  中心、３５  ビード、４０，４１，４２，４６  ラインビーム、４３  計測位置、４４  基準画素位置、４５  視野、５０  演算部、５１  制御部、６１  対象面、６３  溶融ビード、６４  玉ビード、６５Ａ  第１層、６５Ｂ  第２層、６５Ｃ  第３層、７１Ａ  第１列、７１Ｂ  第２列、７１Ｃ  第３列、７１Ｄ  第４列、７１Ｅ  第５列、７１Ｆ  第６列、１００，１０１  積層造形装置、２００  制御回路、２００ａ  プロセッサ、２００ｂ  メモリ、ＡＲ  加工領域、ＣＬ  光軸、ＣＷ  中心軸。
【要約】
積層造形装置（１００）は、加工光が透過する対物レンズを有し、加工位置へ加工光を照射する加工光学系と、形成された造形物（４）の寸法を計測するための照明光を供給する計測用照明部（８）と、造形物（４）で反射した照明光である反射光を検出する受光素子と、受光素子へ反射光を集光する受光光学系と、加工対象物（３）に対して加工位置を移動させる方向である第１の方向とビードが積み重ねられる方向である第２の方向とに垂直な第３の方向における造形物（４）の幅を、受光素子における反射光の検出結果を用いた演算によって算出する演算部（５０）と、造形物（４）の幅の算出結果に基づいて、ビードを形成するための加工条件を制御する制御部（５１）とを備える。加工光学系を構成する対物レンズが、受光光学系を構成する対物レンズ、または計測用照明部（８）からの照明光を造形物（４）へ照射する対物レンズを兼ねる。【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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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