特許 7096311 積層造形装置及び積層造形物の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-27

(45)【発行日】2022-07-05

(54)【発明の名称】積層造形装置及び積層造形物の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B22F 10/85 20210101AFI20220628BHJP

   B22F 10/28 20210101ALI20220628BHJP

   B22F 10/31 20210101ALI20220628BHJP

   B22F 10/32 20210101ALI20220628BHJP

   B22F 10/368 20210101ALI20220628BHJP

   B22F 10/38 20210101ALI20220628BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20220628BHJP

   B23K 26/16 20060101ALI20220628BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20220628BHJP

   B23K 26/34 20140101ALI20220628BHJP

   B29C 64/153 20170101ALI20220628BHJP

   B29C 64/393 20170101ALI20220628BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20220628BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20220628BHJP

   B33Y 50/02 20150101ALI20220628BHJP

【ＦＩ】

B22F10/85

B22F10/28

B22F10/31

B22F10/32

B22F10/368

B22F10/38

B23K26/00 Q

B23K26/16

B23K26/21 Z

B23K26/34

B29C64/153

B29C64/393

B33Y10/00

B33Y30/00

B33Y50/02

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2020188797

(22)【出願日】2020-11-12

(65)【公開番号】P2022077794

(43)【公開日】2022-05-24

【審査請求日】2021-03-02

(73)【特許権者】

【識別番号】000132725

【氏名又は名称】株式会社ソディック

(74)【代理人】

【識別番号】110001139

【氏名又は名称】ＳＫ弁理士法人

(74)【代理人】

【識別番号】100130328

【弁理士】

【氏名又は名称】奥野 彰彦

(74)【代理人】

【識別番号】100130672

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 寛之

(72)【発明者】

【氏名】宮下 泰行

(72)【発明者】

【氏名】岡崎 秀二

(72)【発明者】

【氏名】新家 一朗

(72)【発明者】

【氏名】川田 秀一

(72)【発明者】

【氏名】村中 勝隆

【審査官】池ノ谷 秀行

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－００６２１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０９４７２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１５９５３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０３４５１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１９３５８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１３１５００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－０２０３１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／２３９５３１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】欧州特許出願公開第０３４３４３９３（ＥＰ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０１７７１５８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０２５７７６６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／０１８９１９９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２２Ｆ ３／１０５

Ｂ２２Ｆ ３／１６

Ｂ２２Ｆ １０／００ － １２／９０

Ｂ２９Ｃ ６４／１４１ － ６４／１５３

Ｂ３３Ｙ １０／００ － ５０／０２

Ｂ２３Ｋ ２６／００ － ２６／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

チャンバと、造形テーブルと、不活性ガス供給装置と、ヒュームコレクタと、リコータヘッドと、レーザ照射装置と、データ取得部と、判定部とを備える積層造形装置であって、
前記チャンバは、造形領域を覆い、天井部にチャンバウィンドウが設けられ、且つ所定濃度の不活性ガスで充満され、
前記造形テーブルは、前記造形領域に配置されかつ上下方向に移動し、
前記リコータヘッドは、前記造形領域上に材料粉体を供給して材料層を形成し、
前記レーザ照射装置は、前記チャンバウィンドウを通して前記材料層の造形箇所にレーザ光を照射して固化層を形成し、
前記不活性ガス供給装置は、前記チャンバ内に新規の不活性ガスを供給し、
前記ヒュームコレクタは、前記固化層を形成する際に発生したヒュームと一緒に前記チャンバから排出された不活性ガスからヒュームを除去するとともにヒュームを除去したあとの不活性ガスを前記チャンバに再び戻し、
前記データ取得部は、前記レーザ光の照射状態を表す第１のデータ、不活性ガスの状態を表す第２のデータ、及び前記材料層の形成状態を表す第３のデータのうちの少なくとも１つと、前記造形箇所の状態を表す第４のデータとを各々計測により取得し、
前記判定部は、取得した第１から第３のデータのうちの少なくとも１つに基づき前記積層造形装置の運転状態の異常判定用の閾値又は許容範囲との比較を行い、運転状態の異常の有無を判定し、
前記判定部は、第４のデータに基づき前記固化層の造形状態の異常の有無を判定し、造形状態の異常があると判定した場合、取得した第１から第３のデータのうちの少なくとも１つに基づき造形状態の異常要因特定用の閾値又は許容範囲との比較を行い、前記積層造形装置の運転状態から前記固化層の造形状態の異常の要因を特定し、
造形状態の異常要因特定用の前記閾値又は前記許容範囲は、運転状態の異常判定用の前記閾値又は前記許容範囲よりも厳しい閾値又は許容範囲となるように設定される、積層造形装置。

【請求項2】

請求項１に記載の積層造形装置であって、
第１のデータは、前記チャンバウィンドウの温度、前記レーザ光のレーザパワー、前記レーザ光の走査速度、前記レーザ光のビーム径、及び前記レーザ光の照射タイミングのうちの少なくとも１つである、積層造形装置。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載の積層造形装置であって、
第２のデータは、前記チャンバ内の不活性ガス中のヒューム濃度、前記チャンバ内の不活性ガスの風速、前記チャンバ内の不活性ガス中の酸素濃度、前記チャンバから排出された不活性ガス中のヒューム濃度、及び前記ヒュームコレクタから前記チャンバに戻される不活性ガス中のヒューム濃度のうちの少なくとも１つである、積層造形装置。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の積層造形装置であって、
第３のデータは、前記材料層の表面の均一性、前記材料層の積層厚さ、及び前記リコータヘッドの動作時の負荷のうちの少なくとも１つである、積層造形装置。

【請求項5】

請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の積層造形装置であって、
第４のデータは、前記造形箇所に形成された溶融池の温度、前記レーザ光の照射時に前記造形箇所に形成された照射スポットの外観性状、前記レーザ光の照射時に発生するスパッタの外観性状の画像データ、及び前記造形箇所に形成されたキーホールの深さのうちの少なくとも１つである、積層造形装置。

【請求項6】

請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の積層造形装置であって、
前記データ取得部は、第１のデータを取得し、
前記判定部は、前記レーザ光の照射中にリアルタイムで第４のデータに基づき所定の閾値又は所定の許容範囲との比較を行って造形状態の異常の有無を判定し、造形状態の異常があると判定した場合、さらに第１のデータに基づき造形状態の異常要因特定用の前記閾値又は前記許容範囲との比較を行い、前記レーザ光の照射状態の異常の有無を判定する、積層造形装置。

【請求項7】

請求項１から請求項６のいずれか１つに記載の積層造形装置であって、
前記データ取得部は、第２のデータを取得し、
前記判定部は、前記レーザ光の照射中にリアルタイムで第４のデータに基づき所定の閾値又は所定の許容範囲との比較を行って造形状態の異常の有無を判定し、造形状態の異常があると判定した場合、さらに第２のデータに基づき造形状態の異常要因特定用の前記閾値又は前記許容範囲との比較を行い、前記不活性ガスの状態の異常の有無を判定する、積層造形装置。

【請求項8】

請求項１から請求項７のいずれか１つに記載の積層造形装置であって、
前記データ取得部は、第３のデータを取得し、
前記判定部は、前記レーザ光の照射中にリアルタイムで第４のデータに基づき所定の閾値又は所定の許容範囲との比較を行って造形状態の異常の有無を判定し、造形状態の異常があると判定した場合、さらに第３のデータに基づき造形状態の異常要因特定用の前記閾値又は前記許容範囲との比較を行い、前記材料層の形成状態の異常の有無を判定する、積層造形装置。

【請求項9】

請求項１から請求項８のいずれか１つに記載の積層造形装置であって、
前記積層造形装置は、前記判定部が特定した前記要因に基づいて、動作の停止、所定の動作、動作のやり直し、設定の補正、及び動作指令値の補正のうちの少なくとも１つを実行する、積層造形装置。

【請求項10】

請求項９に記載の積層造形装置であって、
前記動作指令値の補正は、前記第１から第３のデータのうちの少なくとも１つに基づいて前記積層造形装置の動作中にリアルタイムで実行される、積層造形装置。

【請求項11】

材料層形成工程と、固化層形成工程と、データ取得工程と、判定工程とを備える積層造形物の製造方法であって、
前記材料層形成工程では、造形領域を覆い、天井部にチャンバウィンドウが設けられ、且つ所定濃度の不活性ガスで充満されたチャンバ内において、リコータヘッドにより前記造形領域上に材料粉体を供給して材料層を形成し、
前記固化層形成工程では、前記チャンバウィンドウを通して前記材料層の造形箇所にレーザ光を照射して固化層を形成し、
前記データ取得工程では、前記レーザ光の照射状態を表す第１のデータ、前記不活性ガスの状態を表す第２のデータ、及び前記材料層の形成状態を表す第３のデータのうちの少なくとも１つと、前記造形箇所の状態を表す第４のデータとを各々計測により取得し、
前記判定工程は、運転状態判定工程と、造形状態判定工程とを備え、
前記運転状態判定工程では、取得した第１から第３のデータのうちの少なくとも１つに基づき運転状態の異常判定用の閾値又は許容範囲との比較を行い、積層造形装置の運転状態の異常の有無を判定し、
前記造形状態判定工程では、第４のデータに基づき前記固化層の造形状態の異常の有無を判定し、造形状態の異常があると判定した場合、取得した第１から第３のデータのうちの少なくとも１つに基づき造形状態の異常要因特定用の閾値又は許容範囲との比較を行い、積層造形装置の運転状態から前記固化層の造形状態の異常の要因を特定し、
造形状態の異常要因特定用の前記閾値又は前記許容範囲は、運転状態の異常判定用の前記閾値又は前記許容範囲よりも厳しい閾値又は許容範囲となるように設定される、製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、積層造形装置及び積層造形物の製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

三次元造形物の積層造形においては、種々の方式が知られている。例えば、不活性ガスが充満されたチャンバ内において、造形テーブル上の造形領域に金属の材料粉体を供給して材料層を形成し、材料層の所定位置にレーザ光を照射することで材料層を溶融又は焼結させて固化層を形成する。そして、材料層及び固化層の形成を繰り返すことによって、固化層を積層して所望の三次元造形物を製造する。

【0003】

金属の積層造形は、従来は試作品の製作が主な用途であったが、近年その適応分野が拡大しつつある。例えば、医療分野や航空分野において、部品等を積層造形により製造する機会が増加している。このような適応分野の拡大に伴い、造形物の品質保証・品質管理がさらに重要となっている。

【0004】

品質保証を目的として、積層造形後に得られる造形物の検査が行われている。例えば、積層造形物に対してＸ線によるＣＴスキャンを実施することで、造形物の機械的強度に影響を与える内部の空隙の有無を調べることができる。一方、製造段階においては、品質管理のために積層造形装置を安定的に運転する必要がある。特許文献１には、不活性ガス環境を維持しつつ、焼結不良の原因となり得るヒュームをレーザ光の照射経路から除去することが可能な積層造形装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特許第５７２１８８７号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

空隙のような積層造形物の品質の異常の多くは、造形物の製造段階、つまり、積層造形の過程において発生する造形状態の異常に端を発して生じることが知られている。従って、固化層の造形状態の異常をリアルタイムで監視し発生段階において検知することができれば、製造段階において適切な対応を行って不良品の発生を抑制することが可能となる。

【0007】

一方、造形状態の異常を検知できたとしても、異常の要因としては様々な可能性があり、その特定には相当の時間を要する。従って、造形状態の異常の監視と並行して、異常の要因となり得る積層造形装置の運転状態を監視することができれば、異常が発生した際に早期に要因を特定し、適切な対応を行うことが可能となる。例えば適切な対応は、レーザ光を透過しレーザ照射装置をヒュームから保護するチャンバウィンドウの清掃及び交換、チャンバ内のヒュームを除去するヒュームコレクタの清掃、ヒュームコレクタに有するフィルタの交換、及び装置の各種動作指令の補正等である。

【0008】

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、積層造形の過程における造形状態及び積層造形装置の運転状態を監視し、造形状態の異常の有無の判定及び異常の要因の特定を行うことができる積層造形装置及び積層造形物の製造方法を提供することを主たる目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明によれば、チャンバと、造形テーブルと、不活性ガス供給装置と、ヒュームコレクタと、リコータヘッドと、レーザ照射装置と、データ取得部と、判定部とを備える積層造形装置であって、前記チャンバは、造形領域を覆い、天井部にチャンバウィンドウが設けられ、且つ所定濃度の不活性ガスで充満され、前記造形テーブルは、前記造形領域に配置されかつ上下方向に移動し、前記リコータヘッドは、前記造形領域上に材料粉体を供給して材料層を形成し、前記レーザ照射装置は、前記チャンバウィンドウを通して前記材料層の造形箇所にレーザ光を照射して固化層を形成し、前記不活性ガス供給装置は、前記チャンバ内に新規の不活性ガスを供給し、前記ヒュームコレクタは、前記固化層を形成する際に発生したヒュームと一緒に前記チャンバから排出された不活性ガスからヒュームを除去するとともにヒュームを除去したあとの不活性ガスを前記チャンバに再び戻し、前記データ取得部は、前記レーザ光の照射状態を表す第１のデータ、不活性ガスの状態を表す第２のデータ、及び前記材料層の形成状態を表す第３のデータのうちの少なくとも１つと、前記造形箇所の状態を表す第４のデータとを各々計測により取得し、前記判定部は、第４のデータに基づき前記固化層の造形状態の異常の有無を判定し、造形状態の異常があると判定した場合、取得した第１から第３のデータのうちの少なくとも１つに基づき前記積層造形装置の運転状態から前記固化層の造形状態の異常の要因を特定する、積層造形装置が提供される。

【発明の効果】

【0010】

本発明に係る積層造形装置及び積層造形物の製造方法においては、レーザ光の照射状態を表す第１のデータ、不活性ガスの状態を表す第２のデータ、及び材料層の形成状態を表す第３のデータのうちの少なくとも１つ、及び造形箇所の状態を表す第４のデータが各々計測により取得され、第４のデータに基づき固化層の造形状態の異常の有無が判定され、造形状態の異常があると判定された場合、取得した第１から第３のデータのうちの少なくとも１つに基づき積層造形装置の運転状態から前記固化層の造形状態の異常の要因が特定される。このような構成により、積層造形の過程における造形状態の異常を発生段階において検知するとともに、当該異常の要因を早期に特定することが可能となり、造形物の製造段階における品質管理が容易となる。

【0011】

以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は互いに組み合わせ可能である。

【0012】

好ましくは、第１のデータは、前記チャンバウィンドウの温度、前記レーザ光のレーザパワー、前記レーザ光の走査速度、前記レーザ光のビーム径、及び前記レーザ光の照射タイミングのうちの少なくとも１つである。
好ましくは、第２のデータは、前記チャンバ内の不活性ガス中のヒューム濃度、前記チャンバ内の不活性ガスの風速、前記チャンバ内の不活性ガス中の酸素濃度、前記チャンバから排出された不活性ガス中のヒューム濃度、及び前記ヒュームコレクタから前記チャンバに戻される不活性ガス中のヒューム濃度のうちの少なくとも１つである。
好ましくは、第３のデータは、前記材料層の表面の均一性、前記材料層の積層厚さ、及び前記リコータヘッドの動作時の負荷のうちの少なくとも１つである。
好ましくは、第４のデータは、前記造形箇所に形成された溶融池の温度、前記レーザ光の照射時に前記造形箇所に形成された照射スポットの外観性状、前記レーザ光の照射時に発生するスパッタの外観性状の画像データ、及び前記造形箇所に形成されたキーホールの深さのうちの少なくとも１つである。
好ましくは、前記データ取得部は、第１のデータを取得し、前記判定部は、前記レーザ光の照射中にリアルタイムで第４のデータに基づき所定の閾値又は所定の許容範囲との比較を行って造形状態の異常の有無を判定し、造形状態の異常があると判定した場合、さらに第１のデータに基づき所定の閾値又は所定の許容範囲との比較を行い、前記レーザ光の照射状態の異常の有無を判定する。
好ましくは、前記データ取得部は、第２のデータを取得し、前記判定部は、前記レーザ光の照射中にリアルタイムで第４のデータに基づき所定の閾値又は所定の許容範囲との比較を行って造形状態の異常の有無を判定し、造形状態の異常があると判定した場合、さらに第２のデータに基づき所定の閾値又は所定の許容範囲との比較を行い、前記不活性ガスの状態の異常の有無を判定する。
好ましくは、前記データ取得部は、第３のデータを取得し、前記判定部は、前記レーザ光の照射中にリアルタイムで第４のデータに基づき所定の閾値又は所定の許容範囲との比較を行って造形状態の異常の有無を判定し、造形状態の異常があると判定した場合、さらに第３のデータに基づき所定の閾値又は所定の許容範囲との比較を行い、前記材料層の形成状態の異常の有無を判定する。
好ましくは、前記積層造形装置は、前記判定部が特定した前記要因に基づいて、動作の停止、所定の動作、動作のやり直し、設定の補正、及び動作指令値の補正のうちの少なくとも１つを実行する。
好ましくは、前記動作指令値の補正は、前記第１から第３のデータのうちの少なくとも１つに基づいて前記積層造形装置の動作中にリアルタイムで実行される。

【0013】

本発明の別の観点によれば、材料層形成工程と、固化層形成工程と、データ取得工程と、判定工程とを備える積層造形物の製造方法であって、前記材料層形成工程では、造形領域を覆い、天井部にチャンバウィンドウが設けられ、且つ所定濃度の不活性ガスで充満されたチャンバ内において、リコータヘッドにより前記造形領域上に材料粉体を供給して材料層を形成し、前記固化層形成工程では、前記チャンバウィンドウを通して前記材料層の造形箇所にレーザ光を照射して固化層を形成し、前記データ取得工程では、前記レーザ光の照射状態を表す第１のデータ、前記不活性ガスの状態を表す第２のデータ、及び前記材料層の形成状態を表す第３のデータのうちの少なくとも１つと、前記造形箇所の状態を表す第４のデータとを各々計測により取得し、前記判定工程では、第４のデータに基づき前記固化層の造形状態の異常の有無を判定し、造形状態の異常があると判定した場合、取得した第１から第３のデータのうちの少なくとも１つに基づき積層造形装置の運転状態から前記固化層の造形状態の異常の要因を特定する、製造方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施形態に係る積層造形装置１の概略構成図である。

【図2】本発明の実施形態に係る積層造形装置１の概略構成図である。

【図3】材料層形成装置３の斜視図である。

【図4】リコータヘッド３２の上方からの斜視図である。

【図5】リコータヘッド３２の下方からの斜視図である。

【図6】レーザ照射装置７の概略構成図である。

【図7】制御装置９の構成を示すブロック図である。

【図8】図８Ａは実施形態に係る運転状態の監視時における第１のデータの許容範囲を、図８Ｂは実施形態に係る異常要因特定時における第１のデータの許容範囲を説明するための図である。

【図9】図９Ａは実施形態に係る運転状態の監視時における第２のデータの許容範囲を、図９Ｂは実施形態に係る異常要因特定時における第２のデータの許容範囲を説明するための図である。

【図10】図１０Ａは実施形態に係る運転状態の監視時における第３のデータの許容範囲を、図１０Ｂは実施形態に係る異常要因特定時における第３のデータの許容範囲を説明するための図である。

【図11】図１１は、実施形態に係る第４のデータの許容範囲を説明するための図である。

【図12】本発明の実施形態に係る積層造形物の製造方法、及び運転状態の監視の手順を示すフロー図である。

【図13】本発明の実施形態に係る造形状態の監視、及び造形状態の異常の要因特定の手順を示すフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。また、各特徴事項について独立して発明が成立する。

【0016】

１．積層造形装置
図１及び図２は、本実施形態に係る積層造形装置１の概略構成図である。積層造形装置１は、チャンバ２、材料層形成装置３、及びレーザ照射装置７を少なくとも備える。また積層造形装置１は、後述される固化層及び積層造形物に対して必要に応じて切削加工などの機械加工を行うための機械加工装置（不図示）をチャンバ２内に備えるようにしてもよい。機械加工装置は、例えば、切削工具などの機械加工を行うための工具（不図示）を取り付けた加工ヘッド（不図示）を移動させて固化層あるいは積層造形物に対して機械加工を行う。加工ヘッドは、例えば、固化層の上面に平行なＸ軸方向に構成されていてもよい。また、さらに加工ヘッドは、例えば、Ｘ軸方向に直交しかつ固化層の上面に平行なＹ軸方向に移動するように構成されていてもよい。また、さらに加工ヘッドは、例えば、固化層の上面に垂直なＺ軸方向に移動するように構成されていてもよい。また、さらに加工ヘッドは、例えば、Ｚ軸を回転軸とするスピンドルを備えるように構成されていてもよい。機械加工を行うための工具は、スピンドルに取り付けられて回転するように構成されていてもよい。

【0017】

１．１．チャンバ
チャンバ２は、所望の積層造形物が形成される領域である造形領域Ｒを覆い、内部は不活性ガス供給装置１１から供給される所定濃度の不活性ガスで充満されている。本明細書において不活性ガスとは、材料層８や固化層と実質的に反応しないガスであり、成形材料の種類に応じて選択され、例えば、窒素ガス、アルゴンガス、又はヘリウムガスを使用可能である。金属の積層造形においては、材料粉体の変質を抑制するとともに、レーザ光Ｌを安定して照射可能とするために、造形領域Ｒの周囲の酸素濃度を可能な限り低い状態に維持する必要がある。チャンバ２内に不活性ガスを充満させることで、酸素濃度を十分に低く保つことが可能となる。なお、チャンバ２から排出された不活性ガスは、後述されるヒュームコレクタ１２へと送られヒュームが除去された後にチャンバ２へ供給され再び利用される。

【0018】

チャンバ２の天井部には、レーザ照射装置７から出力されるレーザ光Ｌが透過するチャンバウィンドウ２１が設けられる。チャンバウィンドウ２１は、レーザ光Ｌを透過可能な材料で形成され、レーザ光Ｌの種類に応じて、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、又はゲルマニウム、シリコン、ジンクセレン若しくは臭化カリウムの結晶等が材料として選択される。例えば、レーザ光Ｌがファイバレーザ又はＹＡＧレーザの場合、チャンバウィンドウ２１は石英ガラスで構成可能である。

【0019】

チャンバ２の天井部の内側には、チャンバウィンドウ２１を覆うようにヒューム拡散部１７がさらに設けられる。ヒューム拡散部１７は、円筒状の筐体１７ａと、筐体１７ａ内に配置された円筒状の拡散部材１７ｃとを備える。筐体１７ａと拡散部材１７ｃの間に不活性ガス供給空間１７ｄが設けられる。また、筐体１７ａの底面には、拡散部材１７ｃの内側に開口部１７ｂが設けられる。拡散部材１７ｃには多数の細孔１７ｅが設けられており、不活性ガス供給空間１７ｄに供給された清浄な不活性ガスが細孔１７ｅを通じて清浄室１７ｆに充満され、開口部１７ｂを通じてヒューム拡散部１７の下方に向かって噴出される。このような構成により、ヒュームのチャンバウィンドウ２１への付着を防止し、レーザ光Ｌの照射経路からヒュームを排除することができる。

【0020】

１．２．材料層形成装置
材料層形成装置３は、チャンバ２の内部に設けられる。図１から図３に示すように、材料層形成装置３は、ベース３１、及びベース３１上に配置されるリコータヘッド３２を備える。ベース３１は、積層造形物が形成される造形領域Ｒを有し、造形領域Ｒには造形テーブル５が設けられる。造形テーブル５は、造形テーブル駆動機構５１によって駆動され上下方向（図１の矢印Ｖ方向）に移動することができる。造形時には、造形テーブル５にベースプレート６が配置され、ベースプレート６の上面に材料層８が形成される。

【0021】

造形テーブル５の周りには、粉体保持壁２６が設けられる。粉体保持壁２６と造形テーブル５とによって囲まれる粉体保持空間には、未固化の材料粉体が保持される。粉体保持壁２６の下側には、粉体保持空間内の材料粉体を排出可能な粉体排出部（不図示）が設けられ、積層造形の完了後に造形テーブル５を降下させることによって、未固化の材料粉体が粉体排出部から排出される。

【0022】

図１及び図３から図５に示すように、リコータヘッド３２は、リコータヘッド駆動機構３３によって水平１軸方向（矢印Ｈ方向）に往復移動可能に構成され、材料収容部３２ａと、材料供給口３２ｂと、材料排出口３２ｃとを備える。リコータヘッド駆動機構３３は、リコータヘッド３２を移動させるモータ３３ａを備え、後述されるリコータヘッド制御部９４に制御される。

【0023】

材料供給口３２ｂは、材料収容部３２ａの上面に設けられ、材料供給ユニット（不図示）から材料収容部３２ａに供給される材料粉体の受け口となる。材料排出口３２ｃは、材料収容部３２ａの底面に設けられ、材料収容部３２ａ内の材料粉体を排出する。材料排出口３２ｃは、材料収容部３２ａの長手方向に延びるスリット形状を有する。リコータヘッド３２の両側面には、ブレード３２ｆｂ，３２ｒｂが設けられる。ブレード３２ｆｂ，３２ｒｂは、材料排出口３２ｃから排出される材料粉体を平坦化して、材料層８を形成する。

【0024】

１．３．レーザ照射装置
図１及び図２に示すように、レーザ照射装置７は、チャンバ２の上方に設けられる。レーザ照射装置７は、造形領域Ｒ上に形成される材料層８の所定箇所にレーザ光Ｌを照射して、照射位置の材料層８を溶融又は焼結させ、固化させる。図６に示すように、レーザ照射装置７は、レーザ発振器７２、及びガルバノユニット７３を備え、後述するレーザ制御部９３に制御される。

【0025】

レーザ発振器７２は、レーザ光源となるレーザ素子が取り付けられ、レーザ光Ｌを出力する。レーザ光Ｌは、材料粉体を溶融又は焼結可能であればよく、例えば、ファイバレーザ、ＣＯ_２レーザ、又はＹＡＧレーザを用いることができる。

【0026】

ガルバノユニット７３は、コリメータ７３ａ、フォーカス制御ユニット７３ｂ、及び走査装置７３ｃを備える。コリメータ７３ａは、コリメータレンズ７３ａ１を内部に備え、レーザ発振器７２から出力されたレーザ光Ｌを平行光に変換する。フォーカス制御ユニット７３ｂは、内部に可動レンズ７３ｂ１、及び集光レンズ７３ｂ２を備える。可動レンズ７３ｂ１は、レンズアクチュエータ（不図示）によりレーザ光Ｌの光軸方向に移動することで、コリメータ７３ａにより平行光に変換されたレーザ光Ｌの焦点位置を所定の焦点位置に調整する。また可動レンズ７３ｂ１は、レーザ光Ｌの焦点位置を調整することで、材料層８の表面におけるレーザ光Ｌのビーム径を所定のビーム径に調整する。可動レンズ７３ｂ１は、レンズアクチュエータ（不図示）によりレーザ光Ｌの光軸方向に移動可能であり、これによりレーザ光Ｌの焦点位置を調整することができる。集光レンズ７３ｂ２は、可動レンズ７３ｂ１を通過したレーザ光Ｌを集光する。なお、本実施形態においては、可動レンズ７３ｂ１は、レーザ発振器７２からのレーザ光Ｌの進路に沿って上流側が凹面で下流側が平面の拡散レンズであるが、レンズの種類は用途によって適宜選択可能であり、集光レンズであってもよい。

【0027】

走査装置７３ｃは、第１ガルバノミラー７３ｃ１，第２ガルバノミラー７３ｃ２、第１ガルバノミラー７３ｃ１を所望の角度に回転させる第１アクチュエータ（不図示）、及び第２ガルバノミラー７３ｃ２を所望の角度に回転させる第２アクチュエータ（不図示）を備え、フォーカス制御ユニット７３ｂを通過したレーザ光Ｌを制御可能に造形領域Ｒ内の材料層８の上面に２次元走査する。つまり、フォーカス制御ユニット７３ｂを通過したレーザ光Ｌは、材料層８の上面に照射される際に、第１ガルバノミラー７３ｃ１で第１方向に走査されるとともに第２ガルバノミラー７３ｃ２で第２方向に走査される。第１ガルバノミラー７３ｃ１及び第２ガルバノミラー７３ｃ２に反射されたレーザ光Ｌは、チャンバウィンドウ２１を透過して造形領域Ｒ内の材料層８の所定箇所に照射され、これにより、固化層が形成される。なお、例えば、第１ガルバノミラー７３ｃ１及び第２ガルバノミラー７３ｃ２は、造形領域Ｒ内の材料層８の上面が互いに直交するＸ軸とＹ軸とで構成される平面であるとき、一方がレーザ光Ｌの照射位置をＸ軸の方向に走査し、他方がレーザ光Ｌの照射位置をＹ軸の方向に走査するとよい。また、レーザ照射装置７は、上述の形態に限定されず、例えば、フォーカス制御ユニット７３ｂに変えてｆθレンズを用いる構成としてもよい。

【0028】

２．不活性ガス供給系統及びヒューム排出系統
次に、チャンバ２への不活性ガス供給系統と、チャンバ２からのヒューム排出系統について説明する。

【0029】

図１に示すように、チャンバ２への不活性ガス供給系統には、不活性ガス供給装置１１と、ヒュームコレクタ１２が接続されている。不活性ガス供給装置１１は、不活性ガスを供給する機能を有し、例えば、ガスボンベである。ヒュームコレクタ１２は、不活性ガス中のヒュームを除去する機能を有し、例えば、乾式電気集塵機、フィルタを備える濾過式集塵機を用いることができる。チャンバ２から排出された不活性ガス（ヒュームを含む不活性ガス）は、ヒュームコレクタ１２の上流に接続されたダクトボックス１３を通じてヒュームコレクタ１２に送られ、ヒュームが除去された不活性ガスがヒュームコレクタ１２の下流に接続されたダクトボックス１４を通じてチャンバ２へ送られる。このような構成により、不活性ガスの再利用が可能になっている。なお、ヒュームコレクタ１２を複数台設け、積層造形の過程において切り替え可能に構成してもよい。

【0030】

チャンバ２には、不活性ガス供給装置１１から供給される新規の不活性ガスの供給口、ヒュームコレクタ１２から供給されて再利用される不活性ガスの供給口、及びチャンバ２からヒュームコレクタ１２への不活性ガスの排出口が、それぞれ１つ以上設けられる。本実施形態において、不活性ガス供給装置１１からの不活性ガスは、ヒューム拡散部１７の上部に設けられた第１の供給口２ａ、リコータヘッド３２の一方の側面に設けられた第２の供給口３２ｆｓ、ベース３１の端面上の配管に設けられた第３の供給口２ｂを通じて供給される。ここで、当該配管は、第２の供給口３２ｆｓが設けられた側と反対側のベース３１の端面上に敷設される。そして、第２の供給口３２ｆｓ及び第３の供給口２ｂへの不活性ガスの供給は、積層造形の過程におけるリコータヘッド３２の位置に応じて、択一的に行えるように構成される。つまり、不活性ガスを、レーザ光Ｌの照射領域と第２の供給口３２ｆｓとが対向する位置にあるときは第２の供給口３２ｆｓを通じて供給し、レーザ光Ｌの照射領域と第２の供給口３２ｆｓとが対向しない位置にあるときは第３の供給口２ｂを通じて供給することができる。ヒュームコレクタ１２からの不活性ガスは、チャンバ２の側壁に設けられた第４の供給口２ｃを通じて供給される。

【0031】

このような構成とすることで、チャンバウィンドウ２１へのヒュームの付着を防止するために設けられるヒューム拡散部１７、及びレーザ光Ｌの照射領域付近には不活性ガス供給装置１１から新規の不活性ガスが供給される。一方、チャンバ２内において不活性ガスを循環供給するための第４の供給口２ｃからはヒュームコレクタ１２でヒュームが除去された不活性ガスが供給されるため、新規の不活性ガスの消費量が抑えられる利点がある。

【0032】

チャンバ２からのヒューム排出系統は、排気ファン（不図示）が設けられた第１の排出口２ｄ、及びリコータヘッド３２の第２の供給口３２ｆｓとは反対側の側面に設けられた第２の排出口３２ｒｓに接続される。チャンバ２の造形空間２ｅ内のヒュームを含む不活性ガスが第１の排出口２ｄを通じて排出されることによって、造形空間２ｅ内に第４の供給口２ｃから第１の排出口２ｄに向かう不活性ガスの流れが形成される。また、レーザ光Ｌの照射領域と第２の排出口３２ｒｓとが対向する位置にあるときに、造形領域Ｒで発生したヒュームを第２の排出口３２ｒｓを通じて吸引することができる。

【0033】

３．制御装置
次に、積層造形装置１を制御するための制御装置９について説明する。図７は、制御装置９の構成を示すブロック図である。

【0034】

図７に示すように、制御装置９は、数値制御部９１、表示部９２、積層造形装置１を構成する各装置の制御部９３，９４，９５，９６、及びデータ取得部９７を備える。制御装置９は、積層造形装置１の動作を制御するとともに、積層造形装置１の運転状態、及び固化層の造形状態を監視する役割を果たす。

【0035】

制御装置９の外部には、ＣＡＤ装置４１及びＣＡＭ装置４２が設置される。ＣＡＤ装置４１は、造形対象の積層造形物の形状及び寸法を示す三次元形状データ（ＣＡＤデータ）を作成するためのものである。作成されたＣＡＤデータは、ＣＡＭ装置４２に出力される。

【0036】

ＣＡＭ装置４２は、ＣＡＤ装置４１により作成されたＣＡＤデータに基づき、積層造形物を造形する際の積層造形装置１を構成する各装置の動作手順データ（ＣＡＭデータ）を作成するためのものである。ＣＡＭデータには、例えば、各材料層におけるレーザ光Ｌの照射位置のデータ及びレーザ光Ｌのレーザ照射条件のデータなどが含まれる。作成されたＣＡＭデータは、数値制御部９１に出力される。

【0037】

数値制御部９１は、ＣＡＭ装置４２により作成されたＣＡＭデータに対して数値制御プログラムによる演算を行い、積層造形装置１に対する動作指令を行うためのものである。数値制御部９１は、記憶部９１ａ、演算部９１ｂ、及び判定部９１ｃを備える。演算部９１ｂは、記憶部９１ａに記憶されている数値制御プログラムを用いてＣＡＭデータに対して演算を行い、積層造形装置１を構成する各装置の制御部９３，９４，９５，９６に対して動作指令を信号又は動作指令値のデータの形式で出力する。

【0038】

レーザ制御部９３は、動作指令に基づいてレーザ照射装置７の動作を制御する。具体的には、レーザ制御部９３は、レーザ発振器７２を制御し、所定のレーザパワー及び照射タイミングでレーザ光Ｌを出力させる。また、レーザ制御部９３は、レンズアクチュエータを制御し、可動レンズ７３ｂ１を移動させ、これによりレーザ光Ｌが所定のビーム径に調整される。また、レーザ制御部９３は、第１アクチュエータ及び第２アクチュエータを制御し、第１ガルバノミラー７３ｃ１及び第２ガルバノミラー７３ｃ２をそれぞれ所望の角度に回転させる。さらに、レーザ制御部９３は、レーザ照射装置７の実際の動作情報を数値制御部９１へとフィードバックする。

【0039】

リコータヘッド制御部９４は、動作指令に基づいてリコータヘッド駆動機構３３を制御し、当該制御の下でリコータヘッド駆動機構３３がモータ３３ａを回転させてリコータヘッド３２を水平１軸方向に往復移動させる。また、リコータヘッド３２の実際の動作情報を数値制御部９１へとフィードバックする。

【0040】

造形テーブル制御部９５は、動作指令に基づいて造形テーブル駆動機構５１を制御し、当該制御の下で造形テーブル駆動機構５１がモータ（不図示）を回転させて造形テーブル５を上下方向に移動させる。また、造形テーブル５の実際の動作情報を数値制御部９１へとフィードバックする。

【0041】

不活性ガス系統制御部９６は、動作指令に基づいて不活性ガス供給装置１１及びヒュームコレクタ１２の運転を制御する。また、不活性ガス供給・排出系統の実際の運転情報を数値制御部９１へとフィードバックする。

【0042】

データ取得部９７は、積層造形装置１の運転状態を表すデータ、及び材料層８上においてレーザ光Ｌが照射され固化層が形成される造形箇所の状態を表すデータを各計測装置から取得し、判定部９１ｃに出力する。運転状態を表すデータとして、レーザ光Ｌの照射状態を表す第１のデータ、不活性ガスの状態を表す第２のデータ、及び材料層８の形成状態を表す第３のデータのうちの少なくとも１つが、第１から第３の計測装置１０，２０，３０により各々計測され、データ取得部９７に出力される。また、造形箇所の状態を表す第４のデータが、第４の計測装置４０により計測され、データ取得部９７に出力される。なお、データ取得部９７が取得する第１から第４のデータの詳細については、後述する。

【0043】

判定部９１ｃは、データ取得部９７から送られた第１から第３のデータのうちの少なくとも１つに基づき積層造形装置１の運転状態を監視するとともに、第４のデータに基づき固化層の造形状態を監視する。さらに、造形状態の異常があると判定した場合に第１から第３のデータのうちの少なくとも１つに基づき運転状態から当該異常の要因を特定する。判定部９１ｃの詳細については、後述する。

【0044】

記憶部９１ａは、ＣＡＭデータ、数値制御プログラム、データ取得部９７から判定部９１ｃに入力されたデータ、及び判定部９１ｃが異常の判定及び要因の特定の際に利用する閾値又は許容範囲を記憶する。

【0045】

表示部９２は、数値制御部９１の演算部９１ｂが出力する動作指令、及び判定部９１ｃによる異常の判定及び要因の特定の結果等を表示する。

【0046】

４．監視データ
次に、積層造形装置１の運転状態、及び固化層の造形状態の監視に用いられる第１から第４のデータ、及びその計測方法について説明する。

【0047】

４．１．第１のデータ
レーザ光Ｌの照射状態を表す第１のデータについて、造形状態に特に大きな影響を与え得るものとして、レーザ光Ｌが透過するチャンバウィンドウ２１の温度、レーザ光Ｌのレーザパワー、レーザ光Ｌの走査速度、レーザ光Ｌのビーム径、及びレーザ光Ｌの照射タイミングが例示される。レーザ光Ｌの照射が好ましい状態を外れると、材料粉体の溶融又は焼結の不良による造形状態の異常が起こりやすくなる。なお、例示されるこれらのデータは、単一で第１のデータとして用いられてもよいし、複数を第１のデータとして用いてもよい。本実施形態においては、第１のデータとしてチャンバウィンドウ２１の温度Ｔ１を用いる。

【0048】

レーザ照射装置７から照射されたレーザ光Ｌは、チャンバウィンドウ２１を通して材料層８に照射される。このとき、チャンバウィンドウ２１へのヒュームの付着、チャンバウィンドウ２１の劣化（例えば、コーティングの剥離）、清掃不良による白濁等の原因により、チャンバウィンドウ２１においてレーザ光Ｌのエネルギーの一部が吸収されて局所的な昇温が起こることがある。昇温に伴い屈折率等が変化する熱レンズ効果が発生すると、レーザ光Ｌの焦点が当初の位置よりも上方に移動する、所謂フォーカスシフトが起こる。その結果、材料層８の表面におけるレーザ光Ｌのビーム径が大きくなり、エネルギー密度が低下することで、造形状態の異常が発生する可能性がある。

【0049】

図２に示すように、本実施形態に係る積層造形装置１は、チャンバウィンドウ２１の温度Ｔ１を計測するための第１の計測装置１０を備える。第１の計測装置１０は、例えば、赤外線サーモグラフィである。第１の計測装置１０は、積層造形の過程において必要に応じて固化層の切削加工などの機械加工を行う機械加工装置（不図示）の加工ヘッドやレーザ照射装置７から照射されるレーザ光Ｌ等に干渉しない、任意の位置に設けられる。第１の計測装置１０は、所定の位置に固定されてもよいし、駆動装置（不図示）で移動可能に設けられてもよい。本実施形態においては、チャンバ２の内側に収納ボックス（不図示）が配置され、収納ボックス内に第１の計測装置１０と、第１の計測装置１０をチャンバ２内で移動させるための駆動装置（不図示）が収納されている。チャンバウィンドウ２１の温度Ｔ１を計測する際には、収納ボックスが開放され、第１の計測装置１０が駆動装置によりチャンバ２内の所定位置に配置される。

【0050】

第１の計測装置１０を用いて、チャンバウィンドウ２１の造形空間２ｅ側の表面の温度を計測し、当該表面のうちレーザ光Ｌが通過する領域における最高温度を第１のデータとして取得する。なお、温度Ｔ１の計測は、積層造形中常時行われてもよいし、材料層８に対してレーザ光Ｌの照射が行われている間のみ行われてもよい。

【0051】

なお、第１の計測装置１０は、上述の構成に限定されるものではなく、第１のデータの種類に応じた計測方法に適合するように構成されるものである。また、第１のデータとして複数のデータを用いる場合、それに応じた数の計測装置が配置される。第１のデータとしてレーザ光Ｌのレーザパワーを用いる場合、例えば、レーザ発振器７２の出力モニタ端子から出力される信号を取得してレーザパワーを特定する、又はビームスプリッタを利用してレーザ光Ｌの一部を受光してレーザパワーを検出するといった方法を用いることができる。第１のデータとしてレーザ光Ｌの走査速度を用いる場合、例えば、第１アクチュエータ及び第２アクチュエータに取り付けられたエンコーダからの信号を取得して実際の走査速度を算出することができる。第１のデータとしてレーザ光Ｌのビーム径を用いる場合、例えば、第１アクチュエータ及び第２アクチュエータに取り付けられたエンコーダからの信号を取得してレーザ光Ｌの光路長を算出し、さらにレンズアクチュエータに取り付けられたエンコーダからの信号を取得してレーザ光Ｌの焦点距離を算出し、光路長及び焦点距離から実際に造形を行っているときのビーム径を算出することができる。さらに、実際に造形を行っているときのビーム径は、前述のビーム径の算出方法にフォーカスシフトの情報を加えて算出するようにしてもよい。また、第１のデータとしてレーザ光Ｌの照射タイミングを用いる場合、レーザ制御部９３からレーザ発振器７２の制御入力端子に送られるレーザ光Ｌを照射するか（ＯＮ）否か（ＯＦＦ）を示す信号、及びレーザ発振器７２の出力モニタ端子から出力されるレーザ光Ｌを照射したか（ＯＮ）否か（ＯＦＦ）を示す信号に基づき、レーザ光Ｌが所定の照射タイミングで照射されているか（ＯＮ）否か（ＯＦＦ）のデータを取得することができる。

【0052】

４．２．第２のデータ
不活性ガスの状態を表す第２のデータについて、造形状態に特に大きな影響を与え得るものとして、チャンバ２内の不活性ガス中のヒューム濃度、チャンバ２内の不活性ガスの風速、チャンバ２内の不活性ガス中の酸素濃度、チャンバ２から排出された不活性ガス中のヒューム濃度、及びヒュームコレクタ１２からチャンバ２に戻される不活性ガス中のヒューム濃度が例示される。不活性ガスが好ましい状態を外れると、材料粉体の変質や、レーザ光Ｌの照射時の材料粉体の溶融又は焼結の不良による造形状態の異常が起こりやすくなる。なお、例示されるこれらのデータは、単一で第２のデータとして用いられてもよく、複数を第２のデータとして用いてもよい。本実施形態においては、第２のデータとしてチャンバ２内の不活性ガス中のヒューム濃度Ｃを用いる。

【0053】

材料層８へのレーザ光Ｌの照射時に発生するヒュームが光路上に多く存在すると、レーザ光Ｌが遮蔽され、造形箇所に到達するエネルギーが低下し、これにより造形状態の異常が発生する可能性がある。

【0054】

図２に示すように、本実施形態に係る積層造形装置１は、チャンバ２内の不活性ガス中のヒューム濃度Ｃを計測するための第２の計測装置２０を備える。第２の計測装置２０はチャンバ２内の造形物の上方に設けられた吸気口２０ａ及びチャンバ２外部に配置された粉塵計２０ｂを備える。吸気口２０ａから採取された不活性ガスは、チューブを通して粉塵計２０ｂへと送られ、ヒューム濃度Ｃの計測が行われる。ここで、不活性ガスの採取を行うための吸気口２０ａの位置は、レーザ光Ｌの光路付近のヒューム濃度Ｃを計測するために、光路になるべく近く、且つ光路と干渉しない位置に設けることが好ましい。なお、不活性ガスを採取するための吸気口は１箇所でもよいし、チャンバ２内の複数箇所に吸気口を設け、それに応じた数の粉塵計を導入して計測を行ってもよい。また、ヒューム濃度Ｃの計測は、積層造形中常時行われてもよいし、積層造形が開始される前の準備段階から行われてもよいし、材料層８に対してレーザ光Ｌの照射が行われている間のみ行われてもよい。

【0055】

なお、第２の計測装置２０は、上述の構成に限定されるものではなく、第２のデータの種類に応じた計測方法に適合するように構成されるものである。また、第２のデータとして複数のデータを用いる場合、それに応じた数の計測装置が配置される。第２のデータとしてチャンバ２内の不活性ガスの風速を用いる場合、チャンバ２及び不活性ガス供給系統における１つ又は複数の箇所（例えば、第４の供給口２ｃの付近）に風速計を配置し、チャンバ２に供給される不活性ガスの風速を計測することができる。第２のデータとしてチャンバ２内の不活性ガス中の酸素濃度を用いる場合、例えば、チャンバ２内の１つ又は複数の箇所において、酸素濃度計を配置して計測を行う、又は不活性ガスの濃度計を配置して計測結果から相対的に酸素濃度を算出することができる。第２のデータとしてチャンバ２から排出された不活性ガス中のヒューム濃度を用いる場合、例えば、第１の排出口２ｄ付近に不活性ガスの吸気口を設けて不活性ガスを採取し、粉塵計によりヒューム濃度を計測することができる。また、第２のデータとして、ヒュームコレクタ１２から前記チャンバ２に戻される不活性ガス中のヒューム濃度を用いる場合、例えば、ダクトボックス１４から第４の供給口２ｃへと送られる不活性ガスを採取してヒューム濃度を計測することができる。

【0056】

４．３．第３のデータ
材料層８の形成状態を表す第３のデータについて、造形状態に特に大きな影響を与え得るものとして、材料層８の表面の均一性、材料層８の積層厚さ、及びリコータヘッド３２の動作時の負荷が例示される。

【0057】

材料層８の形成が好ましい状態を外れると、空隙等の造形状態の異常が起こりやすくなる。なお、例示されるこれらのデータは、単一で第３のデータとして用いられてもよく、複数を第３のデータとして用いてもよい。本実施形態においては、第３のデータとして材料層８の表面の均一性を用いる。

【0058】

図２に示すように、本実施形態に係る積層造形装置１は、材料層８の表面の均一性を計測するための第３の計測装置３０を備える。第３の計測装置３０は、例えば、カメラである。本実施形態では、チャンバ２の天井部にＣＣＤカメラ３０ａ及びＬＥＤライト（不図示）を配置し、材料層８にＬＥＤライトを用いて照明を当てた状態で、ＣＣＤカメラ３０ａにより材料層８の表面を撮像して画像データを得る。画像データは、適宜補正を行った後に、材料層８の表面において材料粉体が存在する箇所と材料粉体が不足し材料層直下の固化層の金属面が露呈している箇所とを識別するための２値化処理を行う。２値化処理により材料粉体が存在する箇所を黒色、金属面が露呈している箇所を白色でラベリングし、白色にラベリングされた金属面の露呈箇所の数Ｎを材料層８の表面の均一性を表す第３のデータとして用いる。具体的には、２値化処理は、例えば、画像データのピクセル単位または画像データを格子状に分割したセル単位で行われるとよい。セルは、複数のピクセルの集合である。金属面の露呈箇所の数Ｎは、白色にラベリングされたピクセルまたはセルをカウントして得られる。また、金属面の露呈箇所の数Ｎに１つのピクセルの面積または１つセルの面積を乗じて、白色にラベリングされた金属面の露呈箇所の総面積を表面の均一性を表す第３のデータとして用いるようにしてもよい。

【0059】

金属面の露呈箇所の数Ｎは、材料層８が１層形成される毎に画像データを取得して計測することが好ましい。画像データは、材料層８の表面全体に対して取得されてもよいし、当該表面のうち特定の領域を対象として取得されてもよい。また、積層造形の過程において撮像領域を適宜変更してもよい。

【0060】

なお、第３の計測装置３０は、上述の構成に限定されるものではなく、第３のデータの種類に応じた計測方法に適合するように構成されるものである。また、第３の計測装置３０は、例えば、材料層８の上面に平行なＸ軸方向に移動するように構成されていてもよい。また、さらに第３の計測装置３０は、例えば、Ｘ軸方向に直交しかつ材料層８の上面に平行なＹ軸方向に移動するように構成されていてもよい。また、さらに第３の計測装置３０は、例えば、材料層８の上面に垂直なＺ軸方向に移動するように構成されていてもよい。第３の計測装置３０は、積層造形装置１が機械加工装置を備えている場合には機械加工装置の加工ヘッドに取り付けられていてもよい。

【0061】

また、第３のデータとして複数のデータを用いる場合、それに応じた数の計測装置が配置される。第３のデータとして材料層の積層厚さを用いる場合、例えば、２次元レーザ変位計を用いて、材料層の形成前後における表面の位置を各々検出し、差分を取ることにより厚みを算出可能である。また、第３のデータとして、リコータヘッド３２の動作時の負荷を用いる場合、例えば、リコータヘッド駆動機構３３のモータ３３ａを流れる電流値、又はリコータヘッド３２とリコータヘッド駆動機構３３との間に発生する圧力値を計測することができる。

【0062】

材料層８にレーザ光Ｌを照射して固化層を形成する際に、レーザ光Ｌのフォーカスシフトの影響、チャンバ内におけるレーザ光Ｌの光路上を漂うヒュームの影響などが原因で固化層の表面に突起部が形成される場合がある。リコータヘッド３２が固化層の上方を移動しながら固化層上に材料粉体を供給するとともにリコータヘッド３２のブレード３２ｆｂ，３２ｒｂにより材料粉体を平坦化することで固化層上に所定の厚みの材料層８を形成する際に、固化層の表面に形成された大きな突起部と当該ブレード３２ｆｂ，３２ｒｂが接触すると材料層８の表面の均一性が低下する場合がある。固化層の表面に形成された大きな突起部とリコータヘッド３２のブレード３２ｆｂ，３２ｒｂが接触するとリコータヘッド３２の動作時の負荷が接触しないときに比べて大きくなるため、このように計測された電流値又は圧力値を材料層８の形成状態を表す第３のデータとして用いることができる。

【0063】

４．４．第４のデータ
造形箇所の状態を表す第４のデータについて、造形箇所に形成された溶融池の温度、レーザ光Ｌの照射時に造形箇所に形成された照射スポットの外観性状、レーザ光Ｌの照射時に発生するスパッタの外観性状の画像データ、及び造形箇所に形成されたキーホールの深さが例示される。造形箇所の状態が好ましい状態を外れると、固化層の形成不良が起こりやすくなる。従って、第４のデータを監視することで、造形状態の異常に端を発する不良を抑制することが可能となる。なお、例示されるこれらのデータは、単一で第４のデータとして用いられてもよく、複数を第４のデータとして用いてもよい。本実施形態においては、第４のデータとして造形箇所に形成された溶融池の温度Ｔ４を用いる。

【0064】

材料層８にレーザ光Ｌが照射されると、照射された箇所の材料粉体が溶融して溶融池が形成される。溶融池の温度Ｔ４は、材料粉体等の条件に応じた適正な範囲が存在し、当該範囲を上回る（溶融過多）、又は下回る（溶融不足）と固化層の形成不良が起こりやすくなる。

【0065】

図２に示すように、本実施形態に係る積層造形装置１は、溶融池の温度Ｔ４を計測するための第４の計測装置４０を備える。第４の計測装置４０として、例えば、２色法に基づく温度計測装置を用いることができる。本実施形態では、２色法温度計測装置を第４の計測装置４０として導入し、材料層８にレーザ光Ｌを照射して材料粉体が溶融して溶融池が形成される際に発生する光がガルバノユニット７３を経由してフォトダイオードまたはフォトディテクタと言ったフォトセンサ（不図示）に入力することで溶融池の温度Ｔ４を検出する。このとき、ガルバノユニット７３には、コリメータ７３ａとフォーカス制御ユニット７３ｂの間にレーザ光Ｌを透過しかつ溶融池から発生した光をガルバノユニット７３の外部に向けて反射するビームスプリッタ（不図示）などの第４の計測装置の一部を構成する光学素子が設けられている。第４の計測装置４０は、ガルバノユニット７３の中のビームスプリッタで反射させた溶融池の光を別のビームスプリッタ（不図示）で２つに分岐する。２つに分岐した溶融池の光は、一方が第１バンドパスフィルタを経由して第１フォトセンサに入力し、他方が第２バンドパスフィルタを経由して第２フォトセンサに入力する。第１バンドパスフィルタと第２バンドパスフィルタは、それぞれ所定の波長の光のみを透過する。また別の実施形態（不図示）では、測定対象の溶融池に上方から所定の波長の温度計測用レーザ光（不図示）を照射した際の異なる２波長における放射を検出し、その強度に基づき溶融池の温度Ｔ４を算出する。なお、温度Ｔ４の計測は、レーザ光Ｌの照射が行われ溶融池が形成されている間リアルタイムで行われることが好ましい。

【0066】

なお、第４の計測装置４０は、上述の構成に限定されるものではなく、第４のデータの種類に応じた計測方法に適合するように構成されるものである。また、第４のデータとして複数のデータを用いる場合、それに応じた数の計測装置が配置される。第４のデータとして、レーザ光Ｌの照射時に発生するスパッタの外観性状の画像データを用いる場合、例えば、チャンバ２の天井部にカメラを配置して照射時に溶融池の周辺に発生するスパッタを撮像することができる。

【0067】

５．判定部
次に、本実施形態に係る判定部９１ｃによる積層造形装置１の運転状態の監視、固化層の造形状態の監視、及び造形状態の異常の要因の特定について説明する。

【0068】

５．１．運転状態の監視
第１から第４の計測装置１０，２０，３０，４０を用いた計測により得られた第１から第４のデータは、データ取得部９７により取得されて判定部９１ｃへと送られる。判定部９１ｃは、第１から第３のデータに基づき積層造形装置１の運転状態の監視を行う。この際、記憶部９１ａに記憶されている第１から第３のデータに係る所定の閾値又は所定の許容範囲が利用される。当該閾値又は許容範囲は、材料粉体の種類、レーザ照射条件等の積層造形に必要な各種条件に応じて、例えば、積層造形の事前調査として行われる試験造形により決定することができる。

【0069】

図８Ａ及び図８Ｂは、本実施形態に係る第１のデータの許容範囲を説明するための図である。チャンバウィンドウ２１の温度Ｔ１は、低いほどフォーカスシフトが起こりにくく、レーザ光Ｌの照射状態として好ましい。従って、記憶部９１ａには、温度Ｔ１の許容範囲に対応する少なくとも上限値が閾値として記憶されるとよい。ここで、当該上限値は２段階で設定されている。具体的には、第１の上限値Ｔ１，ｍａｘ１及び第２の上限値Ｔ１，ｍａｘ２がＴ１，ｍａｘ１＜Ｔ１，ｍａｘ２となるようにそれぞれが所定の値に設定され、記憶されている。判定部９１ｃが上限値と温度Ｔ１を比較する際、第１の上限値Ｔ１，ｍａｘ１は、第２の上限値Ｔ１，ｍａｘ２よりも厳しい上限値となる。第２の上限値Ｔ１，ｍａｘ２は、例えば、運転状態の監視において、通常用いられる上限値である。ここで、図８Ａ及び図８Ｂと図１１は、図８Ａ及び図８Ｂに示すチャンバウィンドウ２１の温度Ｔ１と後述の図１１で示す溶融池の温度Ｔ４が同じタイミングで取得されるので、同じ時間軸で示されている。

【0070】

データ取得部９７から第１のデータとしてチャンバウィンドウ２１の温度Ｔ１が判定部９１ｃへと送られると、運転状態の監視を目的として、判定部９１ｃは温度Ｔ１と記憶部９１ａに記憶されている上限値との比較を行う。ここで用いられる上限値は、図８Ａに示すように、２段階のうちの第２の上限値Ｔ１，ｍａｘ２である。第２の上限値Ｔ１，ｍａｘ２は、例えば、運転状態の監視で通常用いられている上限値である。温度Ｔ１がＴ１≦Ｔ１，ｍａｘ２（正常値）である場合、判定部９１ｃはレーザ光Ｌの照射状態の異常はないと判定する。一方、温度Ｔ１がＴ１，ｍａｘ２＜Ｔ１（異常値）である場合、判定部９１ｃは、後述される造形状態の監視とは関係なく、レーザ光Ｌの照射状態の異常があると判定する。

【0071】

図９Ａ及び図９Ｂは、本実施形態に係る第２のデータの許容範囲を説明するための図である。チャンバ２内の不活性ガス中のヒューム濃度Ｃは、低いほどレーザ光Ｌの遮蔽が起こりにくく、不活性ガスの状態として好ましい。従って、記憶部９１ａには、ヒューム濃度Ｃの許容範囲に対応する少なくとも上限値が閾値として記憶されるとよい。ここで、当該上限値は２段階で設定されている。具体的には、第１の上限値Ｃｍａｘ１及び第２の上限値Ｃｍａｘ２がＣｍａｘ１＜Ｃｍａｘ２となるようにそれぞれが所定の値に設定され、記憶されている。判定部９１ｃが上限値とヒューム濃度Ｃを比較する際に、第１の上限値Ｃｍａｘ１は、第２の上限値Ｃｍａｘ２よりも厳しい上限値となる。第２の上限値Ｃｍａｘ２は、例えば、運転状態の監視において、通常用いられる上限値である。ここで、図９Ａ及び図９Ｂと図１１は、図９Ａ及び図９Ｂに示す不活性ガス中のヒューム濃度Ｃと後述の図１１で示す溶融池の温度Ｔ４が同じタイミングで取得されるので、同じ時間軸で示されている。

【0072】

データ取得部９７から第２のデータとしてチャンバ２内の不活性ガス中のヒューム濃度Ｃが判定部９１ｃへと送られると、運転状態の監視を目的として、判定部９１ｃはヒューム濃度Ｃと記憶部９１ａに記憶されている上限値との比較を行う。ここで用いられる上限値は、図９Ａに示すように、２段階のうちの第２の上限値Ｃｍａｘ２である。第２の上限値Ｃｍａｘ２は、例えば、運転状態の監視で通常用いられている上限値である。ヒューム濃度ＣがＣ≦Ｃｍａｘ２（正常値）である場合、判定部９１ｃは不活性ガスの状態の異常はないと判定する。一方、ヒューム濃度ＣがＣｍａｘ２＜Ｃ（異常値）である場合、判定部９１ｃは、後述される造形状態の監視とは関係なく、不活性ガスの状態の異常があると判定する。

【0073】

図１０Ａ及び図１０Ｂは、本実施形態に係る第３のデータの許容範囲を説明するための図である。材料層８の表面の均一性については、金属面の露呈箇所の数Ｎが少ないほど、材料層８の形成状態として好ましい。従って、記憶部９１ａには、金属面の露呈箇所の数Ｎの許容範囲に対応する少なくとも上限値が閾値として記憶されるとよい。ここで、当該上限値は２段階で設定されている。具体的には、第１の上限値Ｎｍａｘ１及び第２の上限値Ｎｍａｘ２がＮｍａｘ１＜Ｎｍａｘ２となるようにそれぞれ所定の値に設定され、記憶されている。判定部９１ｃが上限値と金属面の露呈箇所の数Ｎを比較する際に、第１の上限値Ｎｍａｘ１は、第２の上限値Ｎｍａｘ２よりも厳しい上限値となる。第２の上限値Ｎｍａｘ２は、例えば、運転状態の監視において、通常用いられる上限値である。ここで、図１０Ａ及び図１０Ｂは、金属面の露呈箇所の数Ｎが固化層の形成を開始するまでに取得されるので、後述の図１１で示す溶融池の温度Ｔ４と異なる時間軸で示されている。

【0074】

データ取得部９７から第３のデータとして金属面の露呈箇所の数Ｎが判定部９１ｃへと送られると、運転状態の監視を目的として、判定部９１ｃは金属面の露呈箇所の数Ｎと記憶部９１ａに記憶されている上限値との比較を行う。ここで用いられる上限値は、図１０Ａに示すように、２段階のうち第２の上限値Ｎｍａｘ２である。第２の上限値Ｎｍａｘ２は、例えば、運転状態の監視で通常用いられている上限値である。金属面の露呈箇所の数ＮがＮ≦Ｎｍａｘ２（正常値）である場合、判定部９１ｃは材料層８の形成状態の異常はないと判定する。一方、金属面の露呈箇所の数ＮがＮｍａｘ２＜Ｎ（異常値）である場合、判定部９１ｃは、後述される造形状態の監視とは関係なく、材料層８の形成状態の異常があると判定する。

【0075】

上述の積層造形装置１の各運転状態の異常の判定結果は、表示部９２において表示されるとともに、数値制御部９１の演算部９１ｂへと送られる。

【0076】

５．２．造形状態の監視
判定部９１ｃは、上述の運転状態の監視と並行して、第４のデータに基づき固化層の造形状態を監視する。この際、記憶部９１ａに記憶されている第４のデータに係る所定の閾値又は許容範囲が利用される。当該閾値又は許容範囲は、材料粉体の種類、レーザ照射条件等の積層造形に必要な各種条件に応じて、例えば、積層造形の事前調査として行われる試験造形により決定することができる。

【0077】

図１１は、実施形態に係る第４のデータの許容範囲を説明するための図である。溶融池の温度Ｔ４は、高すぎても低すぎても固化層の形成不良が起こりやすくなる。従って、記憶部９１ａには、温度Ｔ４の許容範囲に対応する上限値及び下限値が記憶される。ここで、当該上限値及び下限値は、各々１つ設定されてもよいし、各々２段階で設定されてもよい。本実施形態においては、上限値として第１の上限値Ｔ４，ｍａｘ１及び第２の上限値Ｔ４，ｍａｘ２がＴ４，ｍａｘ１＜Ｔ４，ｍａｘ２となるように設定され、下限値として第１の下限値Ｔ４，ｍｉｎ１及び第２の下限値Ｔ４，ｍｉｎ２がＴ４，ｍｉｎ１＞Ｔ４，ｍｉｎ２となるように設定され、記憶されている。このような２段階のうちの第１の上限値Ｔ４，ｍａｘ１及び第１の下限値Ｔ４，ｍｉｎ１としては、例えば、Ｔ４，ｍｉｎ１≦Ｔ４≦Ｔ４，ｍａｘ１である場合、溶融池の温度Ｔ４が適正であり、このまま造形を継続しても固化層の形成不良が起こる可能性が十分に低いとみなせる上限値及び下限値を設定し得る。第２の上限値Ｔ４，ｍａｘ２及び第２の下限値Ｔ４，ｍｉｎ２としては、例えば、Ｔ４＜Ｔ４，ｍｉｎ２、又はＴ４，ｍａｘ２＜Ｔ４である場合、溶融池の温度Ｔ４が適正ではなく、固化層の形成不良が起こる可能性が高いとみなせる上限値及び下限値を設定し得る。

【0078】

温度Ｔ４がＴ４，ｍｉｎ１≦Ｔ４≦Ｔ４，ｍａｘ１（正常値）である場合、判定部９１ｃは、造形状態の異常は無いと判定する。また、温度Ｔ４が、Ｔ４＜Ｔ４，ｍｉｎ２、又はＴ４，ｍａｘ２＜Ｔ４（異常値）である場合、判定部９１ｃは、造形状態の異常があると判定する。

【0079】

上述のように上限値及び下限値を設定した場合、Ｔ４，ｍｉｎ２≦Ｔ４＜Ｔ４，ｍｉｎ１（警告範囲）、又はＴ４，ｍａｘ１＜Ｔ４≦Ｔ４，ｍａｘ２（警告範囲）である状態は、溶融池の温度Ｔ４を取得した時点での当該溶融池の温度Ｔ４は適正であり、当該取得した時点で固化層の形成不良が起きていないものの、このまま造形を継続すると固化層の形成不良が起こる可能性がある状態といえる。このような場合における造形状態の異常の有無の判定については、品質管理の方針に応じて様々な態様が考えられ、それに応じて判定部９１ｃを適宜構成することができる。例えば、積層造形物に対してより信頼性の高い品質管理を行うために、温度Ｔ４が警告範囲にある場合も造形状態の異常があると判定するように判定部９１ｃを構成してもよい。或いは、時系列に取得した温度Ｔ４が警告範囲にある状態が複数回連続した場合または所定時間連続した場合に造形状態の異常があると判定するように判定部９１ｃを構成してもよい。或いは、警告範囲においては造形状態の異常は無いと判定し、表示部９２に判定結果とともに警告を表示させるように判定部９１ｃを構成してもよい。或いは、第４のデータとして先に例示したデータのうち２つ以上を用いる場合、第４のデータのうち１つのみが警告範囲にありそれ以外が正常範囲にある場合には造形状態の異常は無いと判定し、第４のデータのうち複数が警告範囲にありそれ以外が正常範囲にある場合には造形状態の異常があると判定するように判定部９１ｃを構成してもよい。

【0080】

後述される造形状態の異常の要因を特定して得られた結果に基づき、例えば、１つの固化層の形成が完了したあと、動作をして保護ガラスの交換作業などを行う場合がある。温度Ｔ４が警告範囲にある場合も造形状態の異常があると判定するように判定部９１ｃを構成すれば、固化層を形成している途中に温度Ｔ４が警告範囲にあったとしても、温度Ｔ４が異常範囲になる前に固化層の形成を完了することもできる。なお後述される造形状態の異常の要因を特定して得られた結果に基づき、例えば、動作指令値などのように固化層の形成途中でも補正が可能なものであれば、警告範囲を省略することも可能である。

【0081】

上述の固化層の造形状態の異常の判定結果は、表示部９２において表示されるとともに、数値制御部９１の演算部９１ｂへと送られる。

【0082】

５．３．造形状態の異常の要因の特定
判定部９１ｃは、造形状態の異常があると判定した場合、第１から第３のデータのうちの少なくとも１つに基づき、積層造形装置１の運転状態から当該異常の要因を特定する。本実施形態においては、第１から第３のデータ全てに基づき、要因の特定を行う。

【0083】

判定部９１ｃは、第１のデータに基づき、レーザ光Ｌの照射状態が造形状態の異常の要因となり得るかどうかの判定を行う。この際、チャンバウィンドウ２１の温度Ｔ１と記憶部９１ａに記憶されている上限値との比較が行われ、図８Ｂに示すように、２段階のうちのより厳しい上限値である第１の上限値Ｔ１，ｍａｘ１が用いられる。温度Ｔ１がＴ１≦Ｔ１，ｍａｘ１（正常値）である場合、チャンバウィンドウ２１の温度Ｔ１が造形状態の異常の要因である可能性は低く、判定部９１ｃは、レーザ光Ｌの照射状態の異常は無いと判定する。一方、温度Ｔ１がＴ１，ｍａｘ１＜Ｔ１（異常値）である場合、チャンバウィンドウ２１の温度Ｔ１が造形状態の異常に寄与している可能性が高く、判定部９１ｃは、レーザ光Ｌの照射状態の異常があると判定する。

【0084】

さらに、判定部９１ｃは、第２のデータに基づき、不活性ガスの状態が造形状態の異常の要因となり得るかどうかの判定を行う。この際、不活性ガス中のヒューム濃度Ｃと記憶部９１ａに記憶されている上限値との比較が行われ、図９Ｂに示すように、２段階のうちのより厳しい上限値である第１の上限値Ｃｍａｘ１が用いられる。ヒューム濃度ＣがＣ≦Ｃｍａｘ１（正常値）である場合、不活性ガス中のヒューム濃度Ｃが造形状態の異常の要因である可能性は低く、判定部９１ｃは、不活性ガスの状態の異常は無いと判定する。一方、ヒューム濃度ＣがＣｍａｘ１＜Ｃ（異常値）である場合、不活性ガス中のヒューム濃度Ｃが造形状態の異常に寄与している可能性が高く、判定部９１ｃは、不活性ガスの状態の異常があると判定する。

【0085】

さらに、判定部９１ｃは、第３のデータに基づき、材料層８の形成状態が造形状態の異常の要因となり得るかどうかの判定を行う。この際、金属面の露呈箇所の数Ｎと記憶部９１ａに記憶されている上限値との比較が行われ、図１０Ｂに示すように、２段階のうちのより厳しい上限値である第１の上限値Ｎｍａｘ１が用いられる。金属面の露呈箇所の数ＮがＮ≦Ｎｍａｘ１（正常値）である場合、表面の均一性が造形状態の異常の要因である可能性は低く、判定部９１ｃは、材料層８の形成状態の異常は無いと判定する。一方、金属面の露呈箇所の数ＮがＮｍａｘ１＜Ｎ（異常値）である場合、表面の均一性が造形状態の異常に寄与している可能性が高く、判定部９１ｃは、材料層８の形成状態の異常があると判定する。

【0086】

異常があると判定された運転状態は、造形状態の異常の要因である可能性が高いものとして表示部９２に表示されるとともに、判定結果が数値制御部９１の演算部９１ｂへと送られる。

【0087】

上述のように、本実施形態に係る判定部９１ｃは、運転状態の監視においては、２段階で設定された閾値又は許容範囲のうちの通常用いられる閾値又は許容範囲を用いて第１から第３のデータとの比較を行い運転状態の異常の有無を判定する。また、このような運転状態の監視と並行して、第４のデータに基づき造形状態の監視が行われる。造形状態の異常があると判定された場合、２段階で設定された閾値又は許容範囲のうちのより厳しいものを用いて第１から第３のデータとの比較を行い、造形状態の異常の要因としての観点から運転状態の異常の有無を判定し、要因である可能性が高い運転状態を特定する。

【0088】

積層造形の過程においては、各運転状態における変化が組み合わさることで造形状態の異常が発生する、又は異常の程度が増大する場合がある。例えば、チャンバウィンドウ２１の昇温に伴ってレーザ光Ｌのビーム径が大きくなることでフォーカスシフトが起こり、さらに、チャンバ２内の不活性ガス中のヒュームの一部によりレーザ光Ｌが遮蔽されてレーザパワーが減衰することで、材料層８の表面に照射されるレーザ光Ｌのエネルギー密度が低下して当該エネルギー密度が不十分となり溶融又は焼結の不良が発生する可能性がある。つまり、各運転状態（上述の例においては、チャンバウィンドウ２１の温度Ｔ１及び不活性ガス中のヒューム濃度Ｃ）に着目すると変化が小さく正常とみなせても、当該変化が組み合わさり結果として造形状態の異常が発生する可能性がある。

【0089】

運転状態の監視のみに基づく制御においては、各運転状態の異常の判定に用いる閾値又は許容範囲をより厳しくすることで、上述のような事態を回避することが可能である。一方、閾値又は許容範囲を厳しくし過ぎると、造形状態の異常が実際には発生していないのに運転状態が異常と判定される事象が頻発し、異常対応のための積層造形の中断等により生産効率が低下するおそれがある。

【0090】

本実施形態に係る積層造形装置１においては、運転状態の監視と並行して造形状態の監視を行う。これにより、各運転状態の変化が唯一の要因として発生する造形状態の異常に加え、当該変化が組み合わさることで発生する造形状態の異常を検知することができる。このように、造形状態において実際に発生した異常が検知可能となることで、より確実に不良品の発生を抑制可能となるとともに、運転状態の監視において異常の判定に用いる閾値又は許容範囲を必要以上に厳しく設定する必要がないため、生産効率の低下を回避することができる。

【0091】

また、本実施形態に係る積層造形装置１においては、造形状態の異常があると判定された場合に、運転状態に係るデータに基づき当該異常の要因を特定する。これにより、要因特定における試行錯誤が軽減され、早期に適切な対応を行うことが可能となる。この際、運転状態の監視のために用いる閾値又は許容範囲よりも厳しい閾値又は許容範囲を用いて比較を行うことで、造形状態の異常の要因について、運転状態における変化が組み合わさることで異常が発生している場合も考慮に入れた検討が可能となる。

【0092】

なお、判定部９１ｃによる積層造形装置１の運転状態の監視、固化層の造形状態の監視、及び造形状態の異常の要因の特定の態様は上述の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が想定される。上述の実施形態では、判定部９１ｃにおいて、各計測装置から取得した第１から第４のデータをそのまま用いて閾値又は許容範囲との比較を行った。判定部９１ｃの構成はこれに限定されるものではなく、例えば、判定部９１ｃにおいて必要に応じて所定の数式を用いてデータから他のデータを算出するなどのデータの処理を行ってから、算出したデータを閾値又は許容範囲と比較するように構成してもよい。例えば、第１のデータとしてレーザ光Ｌのレーザパワー、レーザ光Ｌの走査速度、及びレーザ光Ｌのビーム径を取得する場合、これらのデータから材料層８の表面におけるレーザ光Ｌのエネルギー密度を算出し、算出したエネルギー密度を記憶部９１ａに記憶される閾値又は許容範囲と比較し、レーザ光Ｌの照射状態の異常の有無を判定してもよい。

【0093】

６．積層造形物の製造方法
次に、本実施形態に係る積層造形装置１を用いた積層造形物の造形方法について説明する。

【0094】

図１２に示すように、積層造形物の製造と並行して、第１から第３のデータに基づく運転状態の監視が行われる。積層造形装置１が積層造形を開始すると、ベースプレート６が載置された造形テーブル５が下降して適切な位置に調整される（ステップＳ１－１）。この状態で、図１のように造形領域Ｒの右側で待機しているリコータヘッド３２を矢印Ｈ方向に造形領域Ｒの右側から左側に移動させたあと、図２に示すように再び造形領域Ｒの左側で待機させるようにすることにより、材料層８が形成される（ステップＳ１－２）。さらに、材料層８の所定の箇所にレーザ光Ｌを照射することによって材料層８を固化させる（ステップＳ１－３）。

【0095】

このような積層造形物の製造と並行して、積層造形装置１運転状態の監視が行われる。第１の計測装置１０は、積層造形物を製造している間、第１のデータに係るチャンバウィンドウ２１の温度Ｔ１の計測を行う。或いはステップＳ１－３と並行して、第１の計測装置１０は、第１のデータに係るチャンバウィンドウ２１の温度Ｔ１の計測を行うようにしてもよい（不図示）。データ取得部９７は、第１のデータをリアルタイムで取得する（ステップＳ２－１）。第１のデータは判定部９１ｃへと送られ、判定部９１ｃは、温度Ｔ１を第２の上限値Ｔ１，ｍａｘ２と比較し、レーザ光Ｌの照射状態の異常の有無を判定する（ステップＳ２－２）。

【0096】

レーザ光Ｌの照射状態の異常があると判定された場合、異常を解消するための対応を行う（ステップＳ２－３，Ｓ２－４）。当該対応は、例えば、レーザ光Ｌの照射中に行う対応（ステップＳ２－３）と、１層分の固化層の造形が完了したあとに行う対応（Ｓ２－４）がある。当該対応として、例えば、レーザ光Ｌの照射中に熱レンズ効果によるフォーカスシフトの程度に応じてレーザ照射装置７の可動レンズ７３ｂ１を移動させ、焦点位置を補正することも可能である（ステップＳ２－３）。また例えば、１層分の固化層の造形が完了した時点で造形を一時停止し、ヒュームの付着等により熱レンズ効果が発生しているチャンバウィンドウ２１を交換することが可能である（ステップＳ２－４）。

【0097】

積層造形の開始と同時に、第２の計測装置２０は、第２のデータに係るチャンバ２内の不活性ガス中のヒューム濃度Ｃの計測を開始する。データ取得部９７は、第２のデータをリアルタイムで取得する（ステップＳ３－１）。第２のデータは判定部９１ｃへと送られ、判定部９１ｃは、ヒューム濃度Ｃを第２の上限値Ｃｍａｘ２と比較し、不活性ガスの状態の異常の有無を判定する（ステップＳ３－２）。

【0098】

不活性ガスの状態の異常があると判定された場合、異常を解消するための対応を行う（ステップＳ３－３，Ｓ３－４）。当該対応は、例えば、レーザ光Ｌの照射中に行う対応（ステップＳ３－３）と、１層分の固化層の造形が完了したあとに行う対応（Ｓ３－４）がある。当該対応として、チャンバ２内の不活性ガス中のヒューム濃度Ｃを低減するために、以下のことを行う。例えば、材料層８にレーザ光Ｌを照射して１つの固化層を形成する領域を複数の領域に分割し、当該分割した領域に順番にレーザ光Ｌを照射する中で、１つの分割した領域にレーザ光Ｌを照射したあとからつぎの分割した領域にレーザ光Ｌを照射するまでの間に所定の時間だけレーザ光Ｌの照射を一時休止させる（ステップＳ３－３）。また例えば、ヒュームコレクタ１２として用いられる集塵機のフィルタが複数台設けられている場合には、レーザ光Ｌの照射中に自動でフィルタの切り替えを行う（ステップＳ３－３）。また例えば、ヒューム濃度Ｃの上昇により材料層８の表面に到達するレーザ光Ｌのエネルギーが低下するため、それを補うためにレーザ光Ｌの出力設定をレーザ光Ｌの照射中に調整することも可能である（ステップＳ３－３）。また例えば、１層分の固化層の造形が完了した時点で、ヒュームコレクタ１２として用いられる集塵機のフィルタを交換する（ステップＳ３－４）。また例えば、ヒュームコレクタ１２が複数台設けられている場合には、１層分の固化層の造形が完了した時点で切り替えを行うことも可能である（ステップＳ３－４）。

【0099】

ステップＳ１－２によって材料層８の形成が完了したあと、第３の計測装置３０は、第３のデータに係る材料層８の表面における金属面の露呈箇所の数Ｎの計測を行う。データ取得部９７は、第３のデータを取得する（ステップＳ４－１）。第３のデータは判定部９１ｃへと送られ、判定部９１ｃは、金属面の露呈箇所の数Ｎを第２の上限値Ｎｍａｘ２と比較し、材料層８の形成状態の異常の有無を判定する（ステップＳ４－２）。

【0100】

材料層８の形成状態の異常があると判定された場合、異常を解消するための対応を行う（ステップＳ４－３）。当該対応は、例えば、材料層８の形成が完了したあとに行われる（Ｓ４－３）。当該対応として、材料層８の形成状態の不良の再発を抑制するために所定の動作を行った後に、再度リコータヘッド３２を移動させて材料層８を形成し直すことが可能である（ステップＳ４－３）。当該所定の動作として、例えば、材料粉体が湿気の吸収等により流動性が低下し材料排出口３２ｃからの供給が滞っている場合には、リコータヘッド３２を矢印Ｈ方向の前後に素早く移動させることで振動させ、これにより材料収容部３２ａ内の材料粉体の凝集又は詰まりを解消して排出を促進させることが可能である。また、当該所定の動作として、例えば、２層目以降の材料層の形成時において、材料層直下の固化層の表面に突起等が存在することで材料層が不均一となっている場合には、固化層の切削加工などの機械加工を行う機械加工装置により突起等を削ることが可能である。

【0101】

図１３に示すように、積層造形物の製造と並行して、固化層の造形状態の監視、及び造形状態の異常の要因の特定が行われる。ステップＳ１－３と並行して、第４の計測装置４０は、第４のデータに係る溶融池の温度Ｔ４の計測を行う。データ取得部９７は、第４のデータをリアルタイムで取得する（ステップＳ５－１）。第４のデータは判定部９１ｃへと送られ、判定部９１ｃは、溶融池の温度Ｔ４を上限値及び下限値で規定される許容範囲と比較し、リアルタイムで造形状態の異常の有無を判定する（ステップＳ５－２）。

【0102】

造形状態の異常があると判定された場合、判定部９１ｃは、データ取得部９７がステップＳ２－１，３－１，４－１で取得した第１から第３のデータに基づき、当該異常の要因の特定を行う。具体的には、チャンバウィンドウ２１の温度Ｔ１を第１の上限値Ｔ１，ｍａｘ１と比較してレーザ光Ｌの照射状態の異常の有無を判定する（ステップＳ５－３）。レーザ光Ｌの照射状態の異常があると判定された場合、異常を解消するための対応を行う（ステップＳ５－４，Ｓ５－５）。当該対応としては、ステップＳ２－３，Ｓ２－４と同様のものが想定される。

【0103】

さらに、チャンバ２内のヒューム濃度Ｃを第１の上限値Ｃｍａｘ１と比較し、不活性ガスの状態の異常の有無を判定する（ステップＳ５－６）。不活性ガスの状態の異常があると判定された場合、異常を解消するための対応を行う（ステップＳ５－７，Ｓ５－８）。当該対応としては、ステップＳ３－３，Ｓ３－４と同様のものが想定される。

【0104】

さらに、金属面の露呈箇所の数Ｎを第１の上限値Ｎｍａｘ１と比較し、材料層８の形成状態の異常の有無を判定する（ステップＳ５－９）。材料層８の形成状態の異常があると判定された場合、異常を解消するための対応を行う（ステップＳ５－１０）。当該対応としては、例えば、つぎの材料層８を形成するときから対応することになるが、積層造形装置１の運転状態の監視のうちの材料層８の形成状態の監視で通常用いられている上限値を厳しい値に補正して、材料層８の均一性を向上させることなどが想定される。例えば、第２の上限値Ｎｍａｘ２の値を低くするように補正するとよい。

【0105】

運転状態及び造形状態が正常である場合、又は上述のような対応を行って異常を解消した後に１層目の固化層の造形が完了した場合、造形テーブル５を材料層の１層分下降させる（ステップＳ１－１）。続いて、上述と同様の方法を繰り返して２層目以降の造形が行われる。なお、ステップＳ１－２における本実施形態のリコータヘッド３２は、材料層８の形成を開始する際に造形領域Ｒの右側で待機している場合には造形領域Ｒの右側から左側に移動して材料層８を形成したあと造形領域Ｒの左側で再び待機し、材料層８の形成を開始する際に造形領域Ｒの左側で待機している場合には造形領域Ｒの左側から右側に移動して材料層８を形成したあと造形領域Ｒの右側で再び待機する。積層造形の完了後は、未固化の材料粉体及び切削屑を排出することによって、積層造形物を得ることができる。

【0106】

なお、図１３においては説明の便宜上ステップＳ５－３，Ｓ５－６，Ｓ５－９をこの順で直列的に示したが、造形状態の異常の要因の特定の手順はこれに限定されるものではない。図１３と異なる順序でこれらのステップを実行してもよいし、並列的に実行してもよい。

【0107】

また、異常があると判定された場合の対応として行われる、積層造形装置１を構成する各装置の動作の停止、所定の動作、動作のやり直し、設定の補正、及び動作指令値の補正は、レーザ光Ｌの照射による固化層の造形中に行っても、ある固化層の造形が完了したあと次の層の造形が開始するまでの間に行われてもよい。また、上述のような対応は、手動又は自動で行う場合の双方が想定される。手動の場合、表示部９２に表示される運転状態の異常の判定結果、造形状態の異常の判定結果、及び造形状態の異常の要因の特定結果に基づき、積層造形装置１のオペレータが適宜対応を行う。自動の場合、判定部９１ｃから送られる判定結果等、及びデータ取得部９７から送られる第１から第３のデータのうちの少なくとも１つに基づき、数値制御部９１の演算部９１ｂが動作指令に係る補正値を算出するように構成してもよい。また、当該補正値の算出を積層造形装置１の動作中にリアルタイムで行い、積層造形装置１を構成する各装置の制御部に補正された動作指令を出力してもよい。また自動の場合、判定部９１ｃから送られる判定結果に基づき、積層造形装置１を構成する各装置の動作の停止、所定の動作、動作のやり直しが行われてもよい。

【0108】

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。

【符号の説明】

【0109】

１：積層造形装置、２：チャンバ、２ａ：第１の供給口、２ｂ：第３の供給口、２ｃ：第４の供給口、２ｄ：第１の排出口、２ｅ：造形空間、３：材料層形成装置、５：造形テーブル、６：ベースプレート、７：レーザ照射装置、８：材料層、９：制御装置、１０：第１の計測装置、１１：不活性ガス供給装置、１２：ヒュームコレクタ、１３：ダクトボックス、１４：ダクトボックス、１７：ヒューム拡散部、１７ａ：筐体、１７ｂ：開口部、１７ｃ：拡散部材、１７ｄ：不活性ガス供給空間、１７ｅ：細孔、１７ｆ：清浄室、２０：第２の計測装置、２０ａ：吸気口、２０ｂ：粉塵計、２１：チャンバウィンドウ、２６：粉体保持壁、３０：第３の計測装置、３０ａ：ＣＣＤカメラ、３１：ベース、３２：リコータヘッド、３２ａ：材料収容部、３２ｂ：材料供給口、３２ｃ：材料排出口、３２ｆｂ：ブレード、３２ｆｓ：第２の供給口、３２ｒｂ：ブレード、３２ｒｓ：第２の排出口、３３：リコータヘッド駆動機構、３３ａ：モータ、４０：第４の計測装置、４１：ＣＡＤ装置、４２：ＣＡＭ装置、５１：造形テーブル駆動機構、７２：レーザ発振器、７３：ガルバノユニット、７３ａ：コリメータ、７３ａ１：コリメータレンズ、７３ｂ：フォーカス制御ユニット、７３ｂ１：可動レンズ、７３ｂ２：集光レンズ、７３ｃ：走査装置、７３ｃ１：第１ガルバノミラー、７３ｃ２：第２ガルバノミラー、９１：数値制御部、９１ａ：記憶部、９１ｂ：演算部、９１ｃ：判定部、９２：表示部、９３：レーザ制御部、９４：リコータヘッド制御部、９５：造形テーブル制御部、９６：不活性ガス系統制御部、９７：データ取得部、Ｌ：レーザ光、Ｒ：造形領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】