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(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】2023-09-25
(45)【発行日】2023-10-03
(54)【発明の名称】三次元積層装置及び三次元積層方法
(51)【国際特許分類】
B22F 12/20 20210101AFI20230926BHJP
B22F 10/60 20210101ALI20230926BHJP
B33Y 30/00 20150101ALI20230926BHJP
B33Y 10/00 20150101ALI20230926BHJP
B29C 64/141 20170101ALI20230926BHJP
B29C 64/209 20170101ALI20230926BHJP
B29C 64/268 20170101ALI20230926BHJP
B29C 64/393 20170101ALI20230926BHJP
B33Y 50/02 20150101ALI20230926BHJP
B23K 26/34 20140101ALI20230926BHJP
B23K 26/21 20140101ALI20230926BHJP
B23K 26/00 20140101ALI20230926BHJP
B23K 15/00 20060101ALI20230926BHJP
【ＦＩ】
B22F12/20
B22F10/60
B33Y30/00
B33Y10/00
B29C64/141
B29C64/209
B29C64/268
B29C64/393
B33Y50/02
B23K26/34
B23K26/21 Z
B23K26/00 P
B23K15/00 501D
【請求項の数】
10
(21)【出願番号】P 2019051149
(22)【出願日】2019-03-19
(65)【公開番号】P2020152946
(43)【公開日】2020-09-24
【審査請求日】2022-03-01
(73)【特許権者】
【識別番号】315017775
【氏名又は名称】ニデックマシンツール株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100141139
【弁理士】
【氏名又は名称】及川 周
(74)【代理人】
【識別番号】100188673
【弁理士】
【氏名又は名称】成田 友紀
(74)【代理人】
【識別番号】100179833
【弁理士】
【氏名又は名称】松本 将尚
(74)【代理人】
【識別番号】100189348
【弁理士】
【氏名又は名称】古都 智
(74)【代理人】
【識別番号】110002147
【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所
(74)【代理人】
【識別番号】100138689
【弁理士】
【氏名又は名称】梶原 慶
(72)【発明者】
【氏名】廣野 陽子
(72)【発明者】
【氏名】山本 雄介
【審査官】池田 安希子
(56)【参考文献】
【文献】特許第６４５２９２０（ＪＰ，Ｂ１）
【文献】特許第６１９６３９１（ＪＰ，Ｂ１）
【文献】国際公開第２００８／１４３１０６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１９／００６１０６１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１５－１９６２６４（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１９／００４７０８９（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２２Ｆ １０／００ － １２／９０
Ｂ３３Ｙ ３０／００
Ｂ３３Ｙ １０／００
Ｂ２９Ｃ ６４／１４１
Ｂ２９Ｃ ６４／２０９
Ｂ２９Ｃ ６４／２６８
Ｂ２９Ｃ ６４／３９３
Ｂ３３Ｙ ５０／０２
Ｂ２３Ｋ ２６／３４
Ｂ２３Ｋ ２６／２１
Ｂ２３Ｋ ２６／００
Ｂ２３Ｋ １５／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
粉末を噴射する粉末噴射口、及び光ビームを照射する光ビーム照射口が設けられて、溶融した前記粉末が固化した積層体を成形する積層ヘッドと、前記積層体の形状を測定する形状測定部と、
前記積層体を冷却する積層体冷却部と、
制御部と、
を有し、
前記制御部は、
前記形状測定部に前記積層体の形状を測定させる測定制御部と、
前記形状測定部が測定した前記積層体の形状に基づき、前記積層体を冷却するかを判断する冷却判断部と、
前記冷却判断部が前記積層体を冷却すると判断した場合に、前記積層ヘッドによる成形が停止された状態で前記積層体冷却部に前記積層体を冷却させる冷却制御部と、
を有する、
三次元積層装置。
【請求項2】
前記形状測定部は、前記積層体の形状として、前記積層体の高さを測定する、請求項１に記載の三次元積層装置。
【請求項3】
前記冷却判断部は、前記形状測定部が測定した前記積層体の高さと、予め設定した基準高さとの差分が、所定値以上である場合に、前記積層体を冷却すると判断する、請求項２に記載の三次元積層装置。
【請求項4】
前記測定制御部は、前記積層ヘッドによる積層数が予め定めた基準積層数に達した場合に、前記形状測定部に前記積層体の高さを測定させ、前記冷却判断部が、前記積層体を冷却するかを判断する、請求項２又は請求項３に記載の三次元積層装置。
【請求項5】
前記測定制御部は、前記形状測定部に、前記積層ヘッドが成形するビードの幅方向に沿って前記積層体の高さを測定させて、前記積層体の高さが最大となる前記ビードの幅方向における位置である最大高さ位置を検出し、
前記形状測定部に、前記最大高さ位置から前記ビードの長手方向に沿って前記積層体の高さを測定させる、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の三次元積層装置。
【請求項6】
前記冷却判断部は、前記形状測定部による、前記最大高さ位置から前記ビードの長手方向に沿った前記積層体の高さの測定結果のうちの、最大高さ、又は平均高さに基づき、前記積層体を冷却するかを判断する、請求項５に記載の三次元積層装置。
【請求項7】
前記制御部は、前記積層体の成形を制御する成形制御部をさらに有し、前記成形制御部は、前記冷却制御部が前記積層体冷却部により前記積層体を冷却している期間には、前記積層ヘッドによる成形を停止させる、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の三次元積層装置。
【請求項8】
前記積層体の温度を測定する温度測定部をさらに有し、前記冷却制御部は、前記温度測定部が測定した前記積層体の温度が、予め定めた基準温度以下となった場合に、前記積層体冷却部による前記積層体への冷却を終了する、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の三次元積層装置。
【請求項9】
前記積層体が成形される基台部に冷却水を供給する基台冷却部をさらに有し、前記積層体冷却部は、前記積層体に冷却気体を噴射するものであり、前記冷却制御部は、
前記積層ヘッドによる成形時には、前記基台冷却部に前記冷却水を供給させて、前記積層体冷却部に前記冷却気体を噴射させず、
前記冷却判断部が前記積層体を冷却すると判断した場合には、前記基台冷却部による前記冷却水の供給を続けつつ、前記積層体冷却部に前記冷却気体を噴射させる、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の三次元積層装置。
【請求項10】
粉末を噴射する粉末噴射口、及び光ビームを照射する光ビーム照射口が設けられて、溶融した前記粉末が固化した積層体を成形する積層ヘッドを有する三次元積層装置による三次元積層方法であって、前記積層体の形状を測定する形状測定ステップと、
前記形状測定ステップで測定した前記積層体の形状に基づき、前記積層体を冷却するかを判断する冷却判断ステップと、
前記冷却判断ステップで前記積層体を冷却すると判断した場合に、前記積層ヘッドによる成形が停止された状態で前記積層体を冷却する冷却ステップと、
を有する、
三次元積層方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、三次元積層装置及び三次元積層方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、金属粉末などの粉末を原料として積層体を成形する積層体成形方法が実用化されている。例えば特許文献１には、積層ヘッドから光ビームを照射しつつ粉末を噴射することで積層体を製造する、デポジション方式の三次元積層装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１５－１９６２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
三次元積層装置は、粉末を溶融して積層を行うため、積層体の温度が高くなることにより、いわゆる熱ダレを生じて、積層体の高さが想定より低くなるおそれがある。従って、熱ダレを抑制するために、積層工程中に積層体を冷却する場合がある。しかし、積層体を冷却するタイミングが不適切である場合、積層体を適切に成形できなくなるおそれがある。例えば冷却するタイミングが遅いと、熱ダレの影響が大きくなり、積層体の寸法精度が低下してしまい、冷却するタイミングが早すぎると、積層体の製造時間が長くなってしまう。従って、積層体を冷却するタイミングを適切に設定して、積層体を適切に成形することが求められている。
【0005】
本発明は、上述した課題を解決するものであり、積層体を適切に成形できる三次元積層装置及び三次元積層方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る三次元積層装置は、粉末を噴射する粉末噴射口、及び光ビームを照射する光ビーム照射口が設けられて、溶融した前記粉末が固化した積層体を成形する積層ヘッドと、前記積層体の形状を測定する形状測定部と、前記積層体を冷却する積層体冷却部と、制御部と、を有し、前記制御部は、前記形状測定部に前記積層体の形状を測定させる測定制御部と、前記形状測定部が測定した前記積層体の形状に基づき、前記積層体を冷却するかを判断する冷却判断部と、前記冷却判断部が前記積層体を冷却すると判断した場合に、前記積層ヘッドによる成形が停止された状態で前記積層体冷却部に前記積層体を冷却させる冷却制御部と、を有する。
【0007】
この三次元積層装置は、積層体の形状に基づき積層体を冷却するかを判断するため、積層体を冷却するタイミングを適切に設定して、積層体を適切に成形することができる。
【0008】
前記形状測定部は、前記積層体の形状として、前記積層体の高さを測定することが好ましい。この三次元積層装置は、積層体の高さに基づき積層体を冷却するかを判断するため、積層体を冷却するタイミングを適切に設定して、積層体を適切に成形することができる。
【0009】
前記冷却判断部は、前記形状測定部が測定した前記積層体の高さと、予め設定した基準高さとの差分が、所定値以上である場合に、前記積層体を冷却すると判断することが好ましい。この三次元積層装置は、積層体の高さと基準高さとの差分が所定値以上である場合に、積層体を冷却すると判断するため、熱ダレの影響を勘案して、積層体を冷却するタイミングを適切に決定することができる。
【0010】
前記測定制御部は、前記積層ヘッドによる積層数が予め定めた基準積層数に達した場合に、前記形状測定部に前記積層体の高さを測定させ、前記冷却判断部が、前記積層体を冷却するかを判断することが好ましい。この三次元積層装置によると、積層体を冷却するタイミングを適切に決定することができる。
【0011】
前記測定制御部は、前記形状測定部に、前記積層ヘッドが成形するビードの幅方向に沿って前記積層体の高さを測定させて、前記積層体の高さが最大となる前記ビードの幅方向における位置である最大高さ位置を検出し、前記形状測定部に、前記最大高さ位置から前記ビードの長手方向に沿って前記積層体の高さを測定させることが好ましい。この三次元積層装置によると、積層体を冷却するタイミングを適切に決定することができる。
【0012】
前記冷却判断部は、前記形状測定部による、前記最大高さ位置から前記ビードの長手方向に沿った前記積層体の高さの測定結果のうちの、最大高さ、又は平均高さに基づき、前記積層体を冷却するかを判断することが好ましい。この三次元積層装置によると、積層体を冷却するタイミングを適切に決定することができる。
【0013】
前記制御部は、前記積層体の成形を制御する成形制御部をさらに有し、前記成形制御部は、前記冷却制御部が前記積層体冷却部により前記積層体を冷却している期間には、前記積層ヘッドによる成形を停止させることが好ましい。この三次元積層装置によると、積層体の成形を停止して冷却を行うため、積層体を適切に冷却できる。
【0014】
前記積層体の温度を測定する温度測定部をさらに有し、前記冷却制御部は、前記温度測定部が測定した前記積層体の温度が、予め定めた基準温度以下となった場合に、前記積層体冷却部による前記積層体への冷却を終了することが好ましい。この三次元積層装置によると、積層体の温度に応じて冷却を停止させるため、積層体の成形を適切なタイミングで再開して、積層体を適切に成形することができる。
【0015】
前記積層体が成形される基台部に冷却水を供給する基台冷却部をさらに有し、前記積層体冷却部は、前記積層体に冷却気体を噴射するものであり、前記冷却制御部は、前記積層ヘッドによる成形時には、前記基台冷却部に前記冷却水を供給させて、前記積層体冷却部に前記冷却気体を噴射させず、前記冷却判断部が前記積層体を冷却すると判断した場合には、前記基台冷却部による前記冷却水の供給を続けつつ、前記積層体冷却部に前記冷却気体を噴射させることが好ましい。この三次元積層装置１によると、積層体Ａを適切に冷却して、積層体Ａを適切に成形することができる。
【0016】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る三次元積層方法は、粉末を噴射する粉末噴射口、及び光ビームを照射する光ビーム照射口が設けられて、溶融した前記粉末が固化した積層体を成形する積層ヘッドを有する三次元積層装置による三次元積層方法であって、前記積層体の形状を測定する形状測定ステップと、前記形状測定ステップで測定した前記積層体の形状に基づき、前記積層体を冷却するかを判断する冷却判断ステップと、前記冷却判断ステップで前記積層体を冷却すると判断した場合に、前記積層ヘッドによる成形が停止された状態で前記積層体を冷却する冷却ステップと、を有する。三次元積層方法によると、積層体の形状に基づき積層体を冷却するかを判断するため、積層体を冷却するタイミングを適切に設定して、積層体を適切に成形することができる。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、積層体を適切に成形することができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。
【0020】
図１は、本実施形態の三次元積層装置の模式図である。ここで、本実施形態では、水平面内の一方向を方向Ｘ、水平面内において方向Ｘと直交する方向を方向Ｙ、方向Ｘ及び方向Ｙのそれぞれと直交する方向、すなわち鉛直方向を、方向Ｚとする。また、方向Ｙに沿う方向のうち一方の方向を、方向Ｙ１とし、方向Ｙに沿う方向のうち他方の方向、すなわち方向Ｙ１の反対方向を、方向Ｙ２とする。本実施形態においては、三次元積層装置１の方向Ｙ２側が、三次元積層装置１の正面側であり、三次元積層装置１の方向Ｙ１側が、三次元積層装置１の背面側である。三次元積層装置１の正面側とは、例えば、作業者が積層体を成形するために三次元積層装置１を操作する側である。また、方向Ｚに沿う方向のうち一方の方向を、方向Ｚ１とし、方向Ｚに沿う方向のうち他方の方向、すなわち方向Ｚ１の反対方向を、方向Ｚ２とする。本実施形態では、方向Ｚ１が鉛直方向上方に向かう方向であり、方向Ｚ２が鉛直方向下方に向かう方向である。図１は、本実施形態に係る三次元積層装置１を方向Ｙから見た模式図である。
【0021】
図１に示すように、三次元積層装置１は、三次元積層室Ｒ内に、台部１０と、基台移動部１２と、基台部１４と、台部１６と、積層ヘッド１８と、回転機構２０と、ヘッド移動部２２と、管２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃと、基台冷却部２４Ｄと、形状測定部２６と、温度測定部２８と、積層体冷却部３０と、を備える。また、三次元積層装置１は、光源部３２と、粉末供給部３４と、冷却水供給部３６と、冷却気体供給部３７と、制御装置３８とを備える。本実施形態では、光源部３２と、粉末供給部３４と、冷却水供給部３６と、冷却気体供給部３７と、制御装置３８とは、三次元積層室Ｒの外部に設けられる。
【0022】
三次元積層装置１は、基台部１４に、三次元形状物である積層体Ａを成形する装置である。基台部１４は、積層体Ａが成形される土台となる部材である。本実施形態の基台部１４は、板状の部材である。なお、基台部１４は、これに限定されない。基台部１４は、積層体Ａとは別体として積層体Ａの土台となる部材であるが、積層体Ａと結合されて積層体Ａの一部となる部材であってもよい。
【0023】
台部１０は、基台移動部１２や基台部１４などを支持する台である。基台移動部１２は、台部１０上に設けられ、基台部１４を支持する。基台移動部１２は、制御装置３８の制御により、基台部１４を移動させる機構である。基台移動部１２は、第１移動部１２Ａと、第２移動部１２Ｂと、回転部１２Ｃとを有する。第１移動部１２Ａは、水平方向に沿った（鉛直方向に直交する）第１方向に基台部１４を移動させる機構である。本実施形態では、第１移動部１２Ａは、基台部１４を方向Ｙに沿って移動させる。さらに言えば、本実施形態においては、第１移動部１２Ａ上に、第２移動部１２Ｂ、回転部１２Ｃ、及び基台部１４が配置され、第１移動部１２Ａは、第２移動部１２Ｂ、回転部１２Ｃ、及び基台部１４を、方向Ｙに沿って移動させる。
【0024】
第２移動部１２Ｂは、水平方向に沿った（鉛直方向に直交する）第２方向に基台部１４を移動させる機構であり、第２方向は、第１方向に直交する方向である。本実施形態では、第２移動部１２Ｂは、基台部１４を方向Ｘに沿って移動させる。さらに言えば、本実施形態においては、第２移動部１２Ｂ上に、回転部１２Ｃ及び基台部１４が配置され、第２移動部１２Ｂは、回転部１２Ｃ及び基台部１４を方向Ｘに沿って移動させる。なお、本実施形態では、第１移動部１２Ａと第２移動部１２Ｂは、上部に載せた基台部１４を移動させるスライダであるが、スライダ以外の機構であってもよい。
【0025】
回転部１２Ｃは、基台部１４が配置される回転テーブルである。回転部１２Ｃは、少なくとも１つの回転軸を中心として回転することで、上部に配置されている基台部１４を回転させる。本実施形態では、回転部１２Ｃは、互いに直交する３つの回転軸を回転中心として基台部１４を回転させる。
【0026】
このように、基台移動部１２は、第１移動部１２Ａと第２移動部１２Ｂとにより、基台部１４を方向Ｘ及び方向Ｙに沿って移動させる。さらに、基台移動部１２は、回転部１２Ｃにより、基台部１４を３つの回転軸を回転中心として回転させる。すなわち、基台移動部１２は、基台部１４を、２つの軸に沿って移動させ３つの回転軸を中心に回転させる、５軸の移動機構である。ただし、基台移動部１２は、５軸の移動機構に限られず、例えば、基台部１４を方向Ｘ及び方向Ｙに沿って移動させる２軸の移動機構であってもよい。
【0027】
台部１６は、三次元積層室Ｒ内に設けられる台座であり、本実施形態ではヘッド移動部２２が設けられている。
【0028】
積層ヘッド１８は、基台部１４の方向Ｚ１側、すなわち基台部１４の鉛直方向上方側に設けられる。積層ヘッド１８は、光ビーム照射口４２Ｂから、基台部１４に向けて光ビームＬを照射し、粉末噴射口４４Ｂから、基台部１４に向けて粉末Ｐを噴射することで、基台部１４上で積層体を形成する。すなわち、本実施形態に係る三次元積層装置１は、積層ヘッド１８を備えるデポジション方式の三次元積層装置である。
【0029】
図２は、本実施形態に係る積層ヘッドの模式図である。図２に示すように、積層ヘッド１８は、内管４２と外管４４とを有する。外管４４は、管状の部材であり、先端、すなわち方向Ｚ２に向かって径が小さくなっている。内管４２も、管状の部材であり、先端、すなわち方向Ｚ２に向かって径が小さくなっている。内管４２は、外管４４の内部に挿入されているため、内管４２と外管４４とで、二重管を構成している。積層ヘッド１８は、内管４２の内周面側の空間が、光ビームＬが通過するビーム経路４２Ａとなる。また、積層ヘッド１８は、内管４２の外周面と外管４４の内周面との間の空間が、粉末Ｐが通過する粉末流路４４Ａとなる。すなわち、粉末流路４４Ａは、ビーム経路４２Ａの周囲を囲う形状の流路となる。本実施形態では、粉末流路４４Ａは、ビーム経路４２Ａの外周に同心円状に配置される。
【0030】
積層ヘッド１８は、方向Ｚ２側の端部４０Ａに、光ビーム照射口４２Ｂが開口している。また、積層ヘッド１８は、方向Ｚ１側の端部４０Ｂ、すなわち端部４０Ａとは反対側の端部に、ファイバー接続口４８が設けられる。ファイバー接続口４８は、端部４０Ｂに設けられた開口である。光ビーム照射口４２Ｂとファイバー接続口４８とは、ビーム経路４２Ａを介して連通している。すなわち、光ビーム照射口４２Ｂは、ビーム経路４２Ａの方向Ｚ２側の開口であり、ファイバー接続口４８は、ビーム経路４２Ａの方向Ｚ１側の開口である。また、積層ヘッド１８は、ビーム経路４２Ａの光ビーム照射口４２Ｂとファイバー接続口４８との間の位置に、光学素子４６が設けられる。光学素子４６は、例えば、光ビームＬをコリメートするコリメートレンズと、コリメートした光ビームＬを集光する集光レンズと、を備える。ただし、光学素子４６の構成はこれに限られず任意である。
【0031】
ファイバー接続口４８には、ファイバーである管２４Ａが接続される。管２４Ａは、光ビームＬの光源となる光源部３２に接続されるファイバーであり、端部がファイバー接続口４８に接続される。管２４Ａは、光源部３２からの光ビームＬが入射され、入射した光ビームＬをファイバー接続口４８に接続される端部まで導き、端部から積層ヘッド１８のビーム経路４２Ａ内に光ビームＬを出射する。ビーム経路４２Ａ内に出射された光ビームＬは、ビーム経路４２Ａ内を方向Ｚ２に向けて進行し、光学素子４６を通って、光ビーム照射口４２Ｂから積層ヘッド１８の外部に出射される。光ビーム照射口４２Ｂから出射された光ビームＬは、方向Ｚ２に向けて進み、基台部１４に向けて照射される。
【0032】
また、積層ヘッド１８は、方向Ｚ２側の端部４０Ａに、粉末噴射口４４Ｂが開口している。粉末噴射口４４Ｂは、光ビーム照射口４２Ｂを囲うように開口する。また、積層ヘッド１８は、方向Ｚ１側の端部４０Ｂに、管接続口４９が設けられる。管接続口４９は、端部４０Ｂに設けられた開口である。粉末噴射口４４Ｂと管接続口４９とは、粉末流路４４Ａを介して連通している。すなわち、粉末噴射口４４Ｂは、粉末流路４４Ａの方向Ｚ２側の開口であり、管接続口４９は、粉末流路４４Ａの方向Ｚ１側の開口である。
【0033】
管接続口４９には、管２４Ｂが接続される。管２４Ｂは、粉末Ｐが貯留されるタンクである粉末供給部３４に接続される管であり、端部が管接続口４９に接続される。管２４Ｂは、粉末供給部３４からの粉末Ｐを管接続口４９に接続される端部まで導き、端部から積層ヘッド１８の粉末流路４４Ａ内に粉末Ｐを供給する。粉末流路４４Ａ内に供給された粉末Ｐは、粉末流路４４Ａ内を方向Ｚ２に向けて流れ、粉末噴射口４４Ｂから積層ヘッド１８の外部に噴射される。粉末噴射口４４Ｂから噴射された粉末Ｐは、方向Ｚ２に向けて進み、基台部１４に向けて噴射される。
【0034】
ここで、光ビームＬは、所定のスポット径をもって基台部１４に向かって照射される。図２の例では、光ビームＬは、基台部１４上の基材Ｍに、スポット径、すなわち光ビームの収束位置が重なるように、照射される。基材Ｍは、積層体の母材となる部材であるが、三次元積層装置１によって成形されている最中の積層体であってもよい。基材Ｍは、光ビームＬによって溶融され、基材Ｍが溶融した溶融プールを形成する。また、粉末Ｐは、所定の収束径をもって、基台部１４に向かって噴射される。粉末Ｐは、溶融プールに向けて、すなわち収束位置が溶融プールと重なるように噴射される。従って、粉末噴射口４４Ｂから噴射された粉末Ｐは、溶融プール内で溶融される。そして、基台部１４は、積層ヘッド１８に対して移動するため、光ビームＬが照射される位置が変化する。従って、光ビームＬが照射されて溶融プールを形成していた箇所は、光ビームＬが照射されなくなることで冷却されて固化して、ビードＢを形成する。このビードＢを三次元状に積層することで、積層体Ａが成形される。
【0035】
なお、本実施形態における光ビームＬは、レーザ光であるが、レーザ光に限られず、例えば電子ビームなどであってもよい。また、本実施形態における粉末Ｐは、金属粉末であるが、粉末であれば、金属粉末に限られない。
【0036】
なお、図２の例では、光ビームＬを伝送する管２４Ａと、粉末Ｐを供給する管２４Ｂとが、積層ヘッド１８に接続されているが、図１に示すように、管２４Ｃも、積層ヘッド１８に接続されている。管２４Ｃは、冷却水Ｗを循環するチラーである冷却水供給部３６に接続される管であり、端部が積層ヘッド１８に接続される。管２４Ｃは、冷却水供給部３６からの冷却水Ｗを端部まで導き、端部から積層ヘッド１８内に冷却水Ｗを供給する。積層ヘッド１８内に供給された冷却水Ｗは、積層ヘッド１８内の冷却水Ｗ用に設けられた流路を流れて、積層ヘッド１８を冷却する。冷却水Ｗ用に設けられた流路には、基台冷却部２４Ｄが接続される。基台冷却部２４Ｄは、一方の端部が積層ヘッド１８の冷却水Ｗ用に設けられた流路に接続される管であり、一方の端部から、積層ヘッド１８内の流路を流れた冷却水Ｗが供給される。また、基台冷却部２４Ｄは、他方の端部が基台部１４に接続される。基台冷却部２４Ｄの他方の端部は、基台部１４内の、冷却水Ｗ用に設けられた流路に接続される。積層ヘッド１８から基台冷却部２４Ｄに供給された冷却水Ｗは、基台冷却部２４Ｄの他方の端部から基台部１４内の流路に流入し、基台部１４を冷却する。基台部１４内に供給された冷却水Ｗは、図示しない配管を通って、冷却水供給部３６に戻り、循環して、再度、積層ヘッド１８及び基台部１４を冷却する。
【0037】
なお、基台部１４には、積層体Ａが積層されるため、積層体Ａは、基台冷却部２４Ｄから基台部１４内に供給された冷却水Ｗにより、基台部１４を介して間接的に冷却される。なお、基台冷却部２４Ｄから基台部１４に供給される冷却水Ｗは、積層ヘッド１８を通った後の冷却水であるが、基台冷却部２４Ｄは、積層ヘッド１８を通らない冷却水Ｗを基台部１４に供給してもよい。また、冷却水Ｗは、本実施形態では水であるが、基台部１４などを冷却可能な冷媒であれば、水に限られない。
【0038】
また、積層ヘッド１８には、積層ヘッド１８に気体を供給する管が接続されていてもよい。積層ヘッド１８に接続される管により供給される気体としては、粉末流路４４Ａに供給されて粉末Ｐを流すためのキャリアガスや、粉末Ｐ及び光ビームＬが供給される箇所の外周を覆うように供給される不活性ガスなどが挙げられる。
【0039】
図１に戻り、回転機構２０は、積層ヘッド１８に接続され、方向Ｚに交差する回転軸を中心として積層ヘッド１８を回転させる機構である。回転機構２０は、第１板部２０Ａと、第２板部２０Ｂと、接続部２０Ｃとを有する。第１板部２０Ａは、ヘッド移動部２２を介して台部１６に取付けられている。第２板部２０Ｂは、表面が第１板部２０Ａの表面に回転可能に取り付けられている。接続部２０Ｃは、第２板部２０Ｂと積層ヘッド１８とを接続する部材である。接続部２０Ｃは、例えば、第２板部２０Ｂの背面と、積層ヘッド１８の側面（ここでは方向Ｘ側の面）とを接続する。接続部２０Ｃは、第２板部２０Ｂと積層ヘッド１８とを、互いの相対位置が固定されるように接続する。すなわち、積層ヘッド１８は、第２板部２０Ｂに対して位置が固定されている。従って、積層ヘッド１８は、第２板部２０Ｂと共に、第１板部２０Ａ、すなわち台部１６に対して、方向Ｚに交差する回転軸、ここでは方向Ｘに沿った軸を回転軸として、回転する。ただし、回転機構２０は、必須の構成でなく、積層ヘッド１８は、回転しなくてもよい。
【0040】
ヘッド移動部２２は、積層ヘッド１８を方向Ｚに沿って移動させる。本実施形態では、ヘッド移動部２２は、台部１６に取付けられている。ヘッド移動部２２は、回転機構２０と、回転機構２０に接続される積層ヘッド１８とを、方向Ｚに沿って移動させる。本実施形態では、ヘッド移動部２２は、回転機構２０と積層ヘッド１８とを移動させるスライダであるが、スライダ以外の機構であってもよい。また、ヘッド移動部２２は、台部１６に取付けられることに限られず、取付け位置は任意である。また、例えば回転機構２０が設けられない場合、ヘッド移動部２２は、積層ヘッド１８に直接接続されていてもよい。
【0041】
形状測定部２６は、積層体Ａの形状を測定するセンサである。図１に示すように、形状測定部２６は、基台部１４よりも方向Ｚ１側に設けられている。更に言えば、形状測定部２６は、積層ヘッド１８に取付けられており、ここでは積層ヘッド１８の側面（ここでは方向Ｘ側の面）に取付けられている。ただし、形状測定部２６は、積層ヘッド１８に取付けられていることに限られず、設けられる位置は任意である。
【0042】
図３は、本実施形態に係る形状測定部による形状測定を説明する模式図である。本実施形態では、形状測定部２６は、積層体Ａの高さを測定する。積層体Ａの高さとは、積層体Ａの方向Ｚに沿った長さ（厚み）を指す。さらに言えば、図３に示すように、積層体Ａの高さＤは、積層体Ａの方向Ｚ１側の表面Ａ１と、積層体Ａの方向Ｚ２側の表面Ａ２との間の、方向Ｚにおける長さである。形状測定部２６は、積層体Ａに対して照射した光の反射光を受光することで、積層体Ａの高さＤを測定する。図３に示すように、形状測定部２６は、出射部２６Ａから、積層体Ａの表面Ａ１に向けて測定光Ｅ１を照射する。測定光Ｅ１は、例えばレーザ光である。測定光Ｅ１は、積層体Ａの表面Ａ１で反射され、反射光Ｅ２として、形状測定部２６の受光部２６Ｂに受光される。受光部２６Ｂから積層体Ａまでの距離が変化すると、反射光Ｅ２の像の受光部２６Ｂ上での結像位置が変化するため、この位置の変化量を、積層体Ａの表面Ａ１までの距離に換算することができる。例えば積層体Ａの成形前に、基材Ｍの表面Ｍ１（又は基台部１４の表面）までの距離を予め測定しておき、積層体Ａの表面Ａ１までの距離と、基材Ｍの表面Ｍ１（又は基台部１４の表面）までの距離との差分を算出することで、積層体Ａの高さＤを測定することができる。ただし、積層体Ａの高さＤの測定方法は、このように測定光Ｅ１の反射光Ｅ２を受光する方式に限られず、任意である。例えば、形状測定部２６は、積層体Ａの表面Ａ１を撮像して（すなわち可視光の反射光を受光して）、その撮像した画像に基づき、積層体Ａの高さＤを測定してもよい。
【0043】
図１に戻り、温度測定部２８は、積層体Ａの温度を測定するセンサである。温度測定部２８は、三次元積層室Ｒの方向Ｙ２（正面側）のカバーに設けられており、さらに言えばそのカバーの方向Ｙ１側の面、すなわち三次元積層室Ｒ内側の面に設けられている。ただし、温度測定部２８が設けられる位置は任意である。温度測定部２８は、非接触式の温度センサであり、検出素子が基台部１４上の積層体Ａに向くように設けられる。温度測定部２８は、例えば積層体Ａからの赤外線量を検出し、赤外線量を温度に換算することで温度測定を行う。例えば、温度測定部２８は、積層体Ａの位置毎の温度分布を示す画像を取得するサーモグラフィであってよい。ただし、積層体Ａの温度測定方法は、このような赤外線量の検出に限られず、任意の方法であってよい。
【0044】
積層体冷却部３０は、積層体Ａを冷却する機構である。積層体冷却部３０は、冷却気体Ｇを供給するポンプなどである冷却気体供給部３７に接続される管である。積層体冷却部３０は、冷却気体供給部３７から供給された冷却気体Ｇを、端部の開口３０Ａから噴射する。積層体冷却部３０の開口３０Ａは、積層体Ａに対向するように設けられるため、開口３０Ａから噴射された冷却気体Ｇは、積層体Ａに吹き当てられる。積層体Ａは、この冷却気体Ｇによって冷却される。積層体冷却部３０は、このように、積層体Ａに冷却気体Ｇを噴射することで、積層体Ａを直接冷却する。本実施形態では、積層体冷却部３０は、複数（ここでは３つ）設けられているが、設けられる数は任意である。また、積層体冷却部３０は、折り曲げなど変形可能な部材で形成されているため、変形されることで、積層体Ａに対する開口３０Ａの位置を変化させることができる。ただし、積層体冷却部３０は、積層体Ａを冷却する機構であれば、以上説明した構成に限られない。また、冷却気体Ｇは、本実施形態では空気であるが、気体の種類はそれに限られず任意であり、例えば、窒素やアルゴンなどの不活性ガスであってもよい。
【0045】
図４は、積層体の熱ダレを説明する模式図である。三次元積層装置１は、粉末Ｐを溶融させた後固化させることで、ビードＢを形成し、ビードＢを積層することで、積層体Ａを形成する。すなわち、ビードＢは、溶融された粉末Ｐが固化して生成されるため、十分に冷却されるまでの間、高温となる。従って、ビードＢは、いわゆる熱ダレが起こり、高さが想定より低くなるおそれがある。図４の例では、熱ダレを考慮しない場合のビードの形状をビードＢ０として破線で示しており、熱ダレが生じた場合のビードの形状をビードＢとして実線で示している。ビードＢ０は、例えば設計上で想定していたビードＢの形状を指す。図４の例においては、基台部１４を方向Ｙに沿って移動させつつビードＢを形成した例を示している。すなわち、図４の例では、積層ヘッド１８の方向Ｙが走査方向であり、ビードＢの長手方向であるといえる。また、方向Ｙに交差する方向Ｘが、ビードＢの幅方向であるといえる。図４に示すように、ビードＢは、熱ダレにより、ビードＢ０に比べ、高さ、すなわち方向Ｚに沿った長さが短くなっており、幅、すなわち方向Ｘに沿った長さが長くなっている。このように、ビードＢの形状が、想定していたビードＢ０の形状と異なることにより、ビードＢで形成される積層体Ａの形状が想定と異なるものとなり、積層体Ａの寸法精度が低下するおそれがある。すなわち、三次元積層装置１においては、光ビームＬの焦点位置や粉末Ｐの収束位置などの条件を加味して、積層ヘッド１８と積層体Ａとの位置関係を設定しており、具体的には、１層積層した後、積層ヘッド１８をＺ方向に一定量移動させている。従って、ビードＢの形状が想定と異なると、次の層の積層時に、積層ヘッド１８と積層体Ａとの位置関係が不適切となり、積層を適切に実施できなくなる可能性が生じる。その結果として、積層体Ａの寸法精度が低下したり、積層体の品質が悪化したりするおそれが生じる。それに対し、本実施形態に係る三次元積層装置１は、制御装置３８の制御により、熱ダレによって寸法精度が低下するおそれがある状態を検出して、その場合に積層体Ａの冷却を行わせることで、寸法精度の低下を抑制する。
【0046】
制御装置３８は、三次元積層装置１を制御する装置、ここではコンピュータである。図５は、本実施形態に係る制御装置のブロック図である。図５に示すように、制御装置３８は、入力部５０と、出力部５２と、記憶部５４と、制御部５６とを有する。入力部５０は、ユーザの操作を受け付ける入力装置である。出力部５２は、制御部５６の制御内容などを表示する表示装置である。記憶部５４は、制御部５６の演算内容やプログラムの情報などを記憶するメモリであり、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）などの外部記憶装置とのうち、少なくとも１つ含む。制御部５６は、演算装置、すなわちＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）である。
【0047】
記憶部５４は、積層体Ａの成形条件を記憶する。成形条件とは、積層体Ａを成形するための三次元積層装置１の動作条件、すなわちレシピである。成形条件は、どのような積層体Ａを製造するかの情報に基づき設定される。成形条件としては、例えば、積層パス、レーザ出力、送り速度、焦点位置、ビーム径、粉末Ｐの供給速度、粉末Ｐのキャリアガスの流量、粉末Ｐの材質、インナーガスの流量、アウターガスの流量、ビード間のオーバーラップ量などが挙げられる。例えば、積層パスとは、ビードＢをどのような方向に沿って形成し、ビードＢをどのように積層するかなどの、ビードＢの経路を指す。また、例えば、レーザ出力とは、光ビームＬの出力であり、送り速度とは、積層中の走査速度を指し、言い換えれば、積層ヘッド１８に対する基台部１４の移動速度である。また例えば、焦点位置とは、光ビームＬ及び粉末Ｐが収束する位置であり、粉末Ｐの供給速度とは、積層ヘッド１８から噴射される粉末Ｐの噴射速度であり、粉末Ｐのキャリアガスの流量とは、粉末Ｐを流すためのキャリアガスの流量であり、インナーガス及びアウターガスの流量とは、粉末Ｐ及び光ビームＬが供給される箇所の外周を覆うように供給される不活性ガスの流量であり、ビード間のオーバーラップ量とは、ビードＢとそのビードＢに隣り合うビードが重なる長さである。ただし、成形条件は、これらに限られない。
【0048】
制御部５６は、成形制御部６０と、測定制御部６２と、冷却判断部６４と、温度測定制御部６６と、冷却制御部６８とを有する。成形制御部６０と、測定制御部６２と、冷却判断部６４と、温度測定制御部６６と、冷却制御部６８とは、制御部５６が記憶部５４に記憶されたソフトウェア（プログラム）を読み出すことで実現されて、後述する処理を実行する。
【0049】
成形制御部６０は、積層体Ａの成形を制御する。成形制御部６０は、成形条件設定部７０と、成形実行部７２とを有する。成形条件設定部７０は、これから成形する積層体Ａの成形条件を設定する。成形条件は、例えば、積層体Ａの設計情報に基づき設定される。積層体Ａの設計情報とは、ＣＡＤモデルなどの製造しようとする積層体Ａの形状情報や、積層体Ａの材料の情報などである。成形条件設定部７０は、積層体Ａの設計情報に基づき成形条件を設定してもよいし、記憶部５４に記憶された設定済みの成形条件を読み出し、読み出した成形条件を、積層体Ａの成形条件として設定してもよい。
【0050】
成形実行部７２は、成形条件設定部７０が設定した成形条件で三次元積層装置１を制御することで、積層体Ａの成形を実行する。成形実行部７２は、基台移動部１２を制御して基台部１４を移動させ、積層ヘッド１８などを制御して積層ヘッド１８から光ビームＬを照射させつつ粉末Ｐを噴射させて、積層体Ａを成形する。本実施形態の例では、成形実行部７２は、積層パスに基づき、基台部１４を移動させながら、積層ヘッド１８から光ビームＬを照射させて粉末Ｐを噴射させることにより、ビードＢを成形する。成形実行部７２は、１つのビードＢの成形が終わったら、次のビードＢを成形することを続ける。例えば、成形実行部７２は、同一面上に、１つ又は複数のビードＢを成形することで、成形体を成形する。そして、成形実行部７２は、成形体の上に、すなわち成形体の方向Ｚ１側の表面上に、さらに成形体を成形することで、成形体同士を積層して、積層体Ａを成形する。すなわち、積層体Ａは、成形体を積層したものであるといえる。そして、本実施形態では、成形体が積層される方向、すなわち積層方向は、方向Ｚである。従って、本実施形態において、積層体Ａの高さＤは、積層体Ａの積層方向における長さであるということもできる。
【0051】
また、成形実行部７２は、ヘッド移動部２２を制御して積層ヘッド１８を方向Ｚに移動させたり、光源部３２を制御して光ビームＬの出力を制御したり、粉末供給部３４を制御して粉末Ｐの種類や流量などを制御したり、キャリアガスや冷却水供給部３６を制御したり、インナーガス及びアウターガスの流量を制御したりするなど、積層体Ａの成形のための各種制御を実行する。
【0052】
測定制御部６２は、形状測定部２６を制御して、形状測定部２６に、積層体Ａの形状、ここでは高さＤを測定させる。なお、形状測定部２６は、ユーザが入力部５０を操作することによっても制御可能である。すなわち、ユーザがマニュアルで形状測定部２６の測定位置などを制御して、形状測定部２６に積層体Ａの高さＤを測定させてもよい。
【0053】
測定制御部６２は、測定判断部８０と、測定実行部８２とを有する。測定判断部８０は、積層ヘッド１８による成形体の積層数に基づき、積層体Ａの形状測定を行うかを判断する。図６は、積層数について説明する模式図である。上述のように、積層体Ａは、１つ又は複数のビードＢで成形された成形体が、方向Ｚに沿って積層されたものである。積層数とは、積層方向（ここでは方向Ｚ）に沿って重なる成形体の数、すなわち成形体の積層数である。図６の例では、成形体Ｃ１の方向Ｚ１側に成形体Ｃ２が積層され、成形体Ｃ２の方向Ｚ１側に成形体Ｃ３が積層されているため、この場合の積層数は、３となる。以下、成形体同士を区別しない場合は、成形体Ｃと記載する。
【0054】
測定判断部８０は、成形実行部７２から、積層数を取得する。すなわち、成形実行部７２は、積層ヘッド１８に積層体Ａの成形を実行させつつ、成形体Ｃの積層数をカウントする。測定判断部８０は、成形実行部７２がカウントした積層数の情報を取得する。測定判断部８０は、取得した積層数が、予め定めた基準積層数に達したかを判断する。基準積層数は、例えば粉末Ｐの材質や光ビームＬの出力などの、積層条件に基づき、測定判断部８０が設定してよい。また、測定判断部８０は、予め設定されて記憶部５４に記憶されていた基準積層数の情報を取得してもよい。測定判断部８０は、積層数が、基準積層数に達している場合、すなわち現在の積層数が基準積層数以上となっている場合、積層体Ａの形状測定を実行すると判断する。
【0055】
測定実行部８２は、測定判断部８０が積層体Ａの形状測定を実行すると判断した場合に、形状測定部２６に、積層体Ａの形状、ここでは積層体Ａの高さＤを測定させる。すなわち、測定実行部８２は、形状測定部２６に、積層数が基準積層数に達した時点における、積層体Ａの高さＤを測定させる。例えば基準積層数が３である場合、測定実行部８２は、積層数が３となった時点における積層体Ａの高さＤを測定させる。なお、本実施形態においては、測定制御部６２が、形状測定部２６の測定データ（例えば反射光Ｅ２の結像位置のデータ）に基づき高さＤを算出するが、形状測定部２６が、測定データ（例えば反射光Ｅ２の結像位置のデータ）に基づき高さＤを算出して、測定制御部６２が、形状測定部２６が算出した高さＤの情報を取得してもよい。
【0056】
図７及び図８は、積層体の高さ測定の方法の例を示す図である。本実施形態においては、測定実行部８２は、形状測定部２６に、積層体の高さＤを以下のように測定させる。すなわち、測定実行部８２は、測定判断部８０が積層体Ａの形状測定を実行すると判断した場合、形状測定部２６に、ビードＢの幅方向に沿って積層体Ａの高さＤを測定させる。ビードＢの幅方向とは、ビードＢの長手方向に交差する方向であり、さらに言えば、ビードＢの長手方向と積層方向とに直交する方向である。また、ビードＢの長手方向は、ビードＢの成形時に、基台部１４が積層ヘッド１８に対して相対移動する方向であるともいえる。測定実行部８２は、基台移動部１２により、ビードＢの幅方向に沿って基台部１４を移動させつつ、形状測定部２６により、積層体Ａの表面Ａ１に測定光Ｅ１を照射させて反射光Ｅ２を受光する。これにより、形状測定部２６は、ビードＢの幅方向に沿った各位置における積層体Ａの高さＤを測定する。測定実行部８２は、積層体ＡのビードＢの幅方向での一方の端部から他方の端部までわたって、積層体Ａの高さＤを測定させる。図７は、ビードＢの長手方向が方向Ｙに沿い、ビードＢの幅方向が方向Ｘに沿う場合の例を示している。図７の例では、測定実行部８２は、積層体Ａが積層された基台部１４を、方向Ｘに沿って移動させつつ、形状測定部２６により、積層体Ａの表面Ａ１に測定光Ｅ１を照射させて反射光Ｅ２を受光させる。従って、図７の例では、形状測定部２６は、方向Ｘに沿った各位置における積層体Ａの高さＤを測定する。
【0057】
測定実行部８２は、ビードＢの幅方向に沿って積層体Ａの高さＤを測定する際には、ビードＢの幅方向における形状測定部２６と積層体Ａとの相対位置を移動させるが、ビードＢの長手方向における形状測定部２６と積層体Ａとの相対位置は、固定させてよい。言い換えれば、測定実行部８２は、積層体Ａの表面Ａ１上の測定光Ｅ１の照射位置は、ビードＢの幅方向において移動するが、ビードＢの長手方向においては固定されてよい。ビードＢの長手方向における、積層体Ａの表面Ａ１上の測定光Ｅ１の照射位置は、任意であるが、例えばビードＢの始点位置であってよい。ビードＢは、始点位置から、ビードＢの長手方向に沿って、ビードＢの終点位置まで形成されるため、ビードＢの始点位置とは、ビードＢの長手方向においてビードＢの成形が開始された位置であるともいえる。ビードＢは、始点位置での高さが高くなる傾向がある。従って、ビードＢの長手方向におけるビードＢの始点位置に測定光Ｅ１を照射させつつ、ビードＢの幅方向に沿って測定光Ｅ１の照射位置を移動させることで、積層体Ａの高さＤを適切に測定できる。なお、測定光Ｅ１の照射位置は、形状測定部２６によって高さＤが測定される積層体Ａの表面Ａ１上の位置であると言い換えてもよい。
【0058】
測定実行部８２は、ビードＢの幅方向に沿った積層体Ａの高さＤの測定結果、すなわちビードＢの幅方向に沿った各位置における積層体Ａの高さＤの測定結果を、取得する。そして、測定実行部８２は、ビードＢの幅方向に沿った各位置における積層体Ａの高さＤを比較して、最大高さ位置を検出する。最大高さ位置とは、ビードＢの幅方向に沿った各位置のうち、積層体Ａの高さＤが最大となる位置を指す。図７の例では、ビードＢの幅方向（ここでは方向Ｘ）における各位置の高さＤのうち、位置ＡＰでの高さＤが最大となるため、最大高さ位置は、位置ＡＰとなる。
【0059】
最大高さ位置を検出したら、測定実行部８２は、最大高さ位置から、ビードＢの長手方向に沿って、積層体Ａの高さＤを測定させる。測定実行部８２は、ビードＢの幅方向における測定光Ｅ１の照射位置（高さＤの測定位置）を、最大高さ位置に固定させたまま、基台移動部１２により、ビードＢの長手方向に沿って基台部１４を移動させつつ、形状測定部２６により、積層体Ａの表面Ａ１に測定光Ｅ１を照射させて反射光Ｅ２を受光する。これにより、形状測定部２６は、最大高さ位置からビードＢの長手方向に沿った各位置における積層体Ａの高さＤを測定する。測定実行部８２は、ビードＢの幅方向における最大高さ位置において、積層体ＡのビードＢの長手方向での一方の端部から他方の端部までわたって、積層体Ａの高さＤを測定させる。図８は、図７のＡ－Ａ断面、すなわち方向Ｘ（ビードＢの幅方向）での最大高さ位置における積層体Ａの断面を示している。図８の例では、測定実行部８２は、方向Ｘ（ビードＢの幅方向）における最大高さ位置において、積層体Ａが積層された基台部１４を、方向Ｙに沿って移動させつつ、形状測定部２６により、積層体Ａの表面Ａ１に測定光Ｅ１を照射させて反射光Ｅ２を受光させる。従って、図７の例では、形状測定部２６は、方向Ｘ（ビードＢの幅方向）における最大高さ位置において、方向Ｙに沿った各位置における積層体Ａの高さＤを測定する。
【0060】
測定実行部８２は、ビードＢの幅方向における最大高さ位置においての、ビードＢの長手方向に沿った積層体Ａの高さＤの測定結果、すなわちビードＢの長手方向に沿った各位置における積層体Ａの高さＤの測定結果を、取得する。測定実行部８２は、ビードＢの長手方向に沿った各位置における積層体Ａの高さＤの測定結果に基づき、冷却要否の判断に用いるための積層体Ａの高さＤ０を算出する。測定実行部８２は、ビードＢの長手方向に沿った各位置における積層体Ａの高さＤのうちの最大値を、高さＤ０としてもよいし、ビードＢの長手方向に沿った各位置における積層体Ａの高さＤの平均値を、高さＤ０としてもよい。
【0061】
測定実行部８２は、以上のようにして、形状測定部２６に積層体Ａの高さＤを測定させ、高さＤに基づき、冷却要否の判断に用いるための積層体Ａの高さＤ０を算出する。ただし、形状測定部２６による積層体Ａの高さＤの測定方法は、以上のような方法に限られず任意である。例えば、測定実行部８２は、形状測定部２６に、積層体Ａの所定の１つの位置における積層体Ａの高さＤを測定させて、その１つの位置における積層体Ａの高さＤを、冷却要否の判断に用いるための積層体Ａの高さＤ０としてもよい。
【0062】
図５に戻り、冷却判断部６４は、測定実行部８２の制御により形状測定部２６が測定した積層体Ａの形状、ここでは積層体Ａの高さＤ０に基づき、積層体Ａを冷却するかを判断する。本実施形態においては、冷却判断部６４は、高さＤ０と、予め設定した基準高さとの差分が、所定値以上である場合に、積層体Ａを冷却すると判断する。一方、冷却判断部６４は、高さＤ０と、予め設定した基準高さとの差分が、所定値より小さい場合には、積層体Ａを冷却しないと判断する。基準高さは、形状測定部２６が高さ測定を行った時点まで成形が進んだ際の、積層体Ａの想定される高さである。例えば成形体Ｃが３層積層された時点で高さ測定が行われた場合、基準高さは、成形体Ｃが３層積層された場合の積層体Ａの想定高さである。冷却判断部６４は、例えば、積層体Ａの設計情報（例えば積層体ＡのＣＡＤモデル等の形状情報）に基づき、基準高さを設定する。また、冷却判断部６４は、例えば積層パスや粉末Ｐの材質や光ビームＬの出力などの、積層条件に基づき、基準高さを設定してもよい。また、冷却判断部６４は、予め設定されて記憶部５４に記憶されていた基準高さの情報を取得してもよい。
【0063】
冷却判断部６４は、積層体Ａの高さと基準高さとの差分が所定値以上である場合は、熱ダレが生じて積層体Ａの寸法精度が低下するおそれがあるとして、積層体Ａの成形を停止して積層体Ａを冷却すると判断する。一方、冷却判断部６４は、積層体Ａの高さと基準高さとの差分が所定値より低い場合は、熱ダレの影響が少なく、現時点では積層体Ａの寸法精度が低下するおそれが少ないとして、積層体Ａの成形を続けさせる。
【0064】
温度測定制御部６６は、温度測定部２８を制御して、温度測定部２８に積層体Ａの温度を測定させる。温度測定制御部６６は、冷却判断部６４が積層体Ａを冷却すると判断したことをトリガとして、温度測定部２８に積層体Ａの温度を測定させる。温度測定制御部６６は、温度測定部２８による積層体Ａの温度の測定結果を取得して、後述の冷却制御部６８に出力する。温度測定制御部６６は、冷却制御部６８が積層体冷却部３０により積層体Ａを冷却させている期間中、温度測定部２８に積層体Ａの温度を測定させ続ける。なお、温度測定制御部６６は、冷却判断部６４が積層体Ａを冷却すると判断していない場合にも、温度測定部２８に積層体Ａの温度を測定させてもよく、積層体冷却部３０により積層体Ａを冷却していない期間にも、温度測定部２８に積層体Ａの温度を測定させてよい。例えば、温度測定制御部６６は、積層ヘッド１８によって積層体Ａを成形している期間にも、温度測定部２８に積層体Ａの温度を測定させていてもよい。
【0065】
冷却制御部６８は、冷却判断部６４による積層体Ａの冷却要否の判断結果を取得する。冷却制御部６８は、冷却判断部６４が積層体Ａを冷却すると判断した場合に、積層体冷却部３０に、積層体Ａを冷却させる。一方、冷却制御部６８は、冷却判断部６４が積層体Ａを冷却しないと判断した場合には、積層体冷却部３０に、積層体Ａを冷却させない。また、冷却制御部６８は、冷却判断部６４による積層体Ａの冷却要否の判断結果に関わらず、基台冷却部２４Ｄに冷却水Ｗを供給させて基台部１４を冷却させ続けてもよい。すなわち、本実施形態においては、冷却制御部６８は、積層ヘッド１８による積層体Ａの成形時には、基台冷却部２４Ｄに冷却水Ｗを供給させて基台部１４を冷却するが、積層体冷却部３０に冷却気体Ｇを噴射させずに、積層体冷却部３０によって積層体Ａを冷却させない。一方、冷却制御部６８は、冷却判断部６４が積層体Ａを冷却すると判断した場合には、基台冷却部２４Ｄによる冷却水Ｗの供給を続けて基台部１４を冷却させつつ、積層体冷却部３０に冷却気体Ｇを噴射させて、積層体冷却部３０によって積層体Ａを冷却させる。
【0066】
上述のように、温度測定制御部６６は、積層体冷却部３０が積層体Ａを冷却している期間中、温度測定部２８に積層体Ａの温度を測定させている。冷却制御部６８は、温度測定部２８による積層体Ａの温度測定の結果を取得して、積層体Ａの温度が基準温度以下であるかを判断する。冷却制御部６８は、積層体Ａの温度が基準温度より高い場合、積層体冷却部３０に積層体Ａの冷却を続けさせる。冷却制御部６８は、積層体Ａの温度が基準温度以下である場合、積層体冷却部３０に積層体Ａの冷却を停止させる。基準温度は、例えば粉末Ｐの材質や光ビームＬの出力などの、積層条件に基づき、冷却制御部６８が設定してよい。また、冷却制御部６８は、予め設定されて記憶部５４に記憶されていた基準温度の情報を取得してもよい。
【0067】
制御装置３８は、以上のような構成となっている。次に、制御装置３８による積層体Ａの成形工程をフローチャートで説明する。図９は、本実施形態に係る積層体の積層工程を説明するフローチャートである。図９に示すように、制御装置３８は、成形制御部６０により、成形条件に基づき、積層ヘッド１８などを制御して積層体Ａを成形する（ステップＳ１０）。制御装置３８は、測定判断部８０により、成形体Ｃの積層数を取得し（ステップＳ１２）、成形体Ｃの積層数が基準積層数に達したかを判断する（ステップＳ１４）。例えば、測定判断部８０は、成形制御部６０により成形体Ｃが１層成形される毎に、積層数を取得する。積層数が基準積層数に達していない場合（ステップＳ１４；Ｎｏ）、すなわち積層数が基準積層数より小さい場合、測定判断部８０は、積層体Ａの高さＤの測定が不要であるとしてステップＳ１０に戻り、積層数が基準積層数に達するまで、積層体Ａの成形を続ける。
【0068】
積層数が基準積層数に達した場合（ステップＳ１４；Ｙｅｓ）、測定判断部８０は、成形制御部６０による積層体Ａの成形を停止させ（ステップＳ１６）、測定実行部８２は、形状測定部２６に積層体Ａの高さ測定を実行させる（ステップＳ１８）。ここでは、形状測定部２６は、完成する前の、すなわち成形途中の積層体Ａの高さＤを測定する。本実施形態では、測定実行部８２は、ビードＢの幅方向に沿って積層体Ａの高さＤを測定させて最大高さ位置を検出する。そして、測定実行部８２は、最大高さ位置からビードＢの長手方向に沿って積層体Ａの高さＤを測定させることで、冷却要否の判断に用いる積層体Ａの高さＤ０を算出する。
【0069】
そして、冷却判断部６４は、積層体Ａの高さと基準高さとを比較して、積層体Ａの高さと基準高さとの差分値が所定値以上であるかを判断する（ステップＳ２０）。本実施形態では、冷却判断部６４は、積層体Ａの高さＤ０と基準高さとの差分値が所定値以上であるかを判断する。冷却判断部６４は、形状測定部２６が積層体Ａの高さＤを測定する毎に、言い換えれば、積層数が基準積層数に達する毎に、積層体Ａを冷却するかを判断する。
【0070】
差分が所定値以上である場合（ステップＳ２０；Ｙｅｓ）、冷却制御部６８は、積層体冷却部３０に、積層体Ａを冷却させる（ステップＳ２２）。そして、温度測定制御部６６は、冷却判断部６４が積層体Ａを冷却すると判断した場合に、温度測定部２８に積層体Ａの温度を測定させ、冷却制御部６８は、積層体Ａの温度測定結果を取得する（ステップＳ２４）。積層体Ａの温度が基準温度以下でない場合（ステップＳ２６；Ｎｏ）、すなわち積層体Ａの温度が基準温度より高い場合、ステップＳ２２に戻り、積層体Ａの温度が基準温度以下となるまで、積層体冷却部３０による積層体Ａの冷却を続ける。一方、積層体Ａの温度が基準温度以下となった場合（ステップＳ２６；Ｙｅｓ）、積層体冷却部３０による積層体Ａの冷却を終了し、積層体Ａの成形を終了する場合（ステップＳ２８；Ｙｅｓ）、本処理を終了し、積層体Ａの成形を終了しない場合（ステップＳ２８；Ｎｏ）、ステップＳ１０に戻り、成形制御部６０による積層体Ａの成形を再開させる。すなわち、成形制御部６０は、積層数が基準積層数に達して冷却判断部６４が積層体Ａを冷却すると判断してから、積層体Ａの冷却が終了するまでの期間、積層体Ａの成形を停止する。なお、ステップＳ１０を実行中に、積層体Ａが完成するなどして、積層体Ａの成形を終了する場合にも、本処理を終了する。
【0071】
一方、ステップＳ２０において差分が所定値より小さい場合（ステップＳ２０；Ｎｏ）、制御装置３８は、基準積層数及び成形条件を設定して（ステップＳ３０）、ステップＳ１０に戻り、積層体Ａの成形を続ける。すなわち、制御装置３８は、積層数が基準積層数に達してから、冷却判断部６４が積層体Ａを冷却しないと判断するまでの期間、積層体Ａの成形を停止する。ステップＳ３０において、測定判断部８０は、これまで積層体Ａの高さ測定の要否に用いていた基準積層数に対し、基準積層数を設定し直す。測定判断部８０は、設定し直す基準積層数を、これまでの基準積層数よりも小さい値としてよい。すなわち、積層体Ａの高さと基準高さとの差分が所定値以内に収まって、現時点では冷却が不要である場合においても、測定判断部８０は、すでに一度は基準積層数まで積層を行っており高温になっていると判断して、基準積層数を低く設定し直して、冷却要否の判定の頻度を多くする。なお、ステップＳ１０に戻って積層体Ａの成形を再開する場合は、積層数のカウントは、最初からやり直してよい。すなわち、例えば５層積層して基準積層数に達した後に、ステップＳ１０に戻って積層体Ａの成形を再開した場合、次に１層積層された際の積層数は、６でなく１としてよい。
【0072】
また、測定判断部８０は、形状測定部２６による積層体Ａの高さＤの測定結果に基づき、基準積層数を設定し直してよい。例えば、測定判断部８０は、積層体Ａの高さと基準高さとの差分値に基づき基準積層数を設定し、さらに言えば、この差分値が大きいほど、設定し直す基準積層数を少なくしてよい。すなわち、現時点では冷却が不要である場合においても、積層体Ａの高さと基準高さとの差分がある程度ある場合には、熱ダレの傾向が見られるとして、基準積層数を低く設定し直して、冷却要否の判定の頻度を多くする。ただし、測定判断部８０は、基準積層数を再設定せず、これまで積層体Ａの高さ測定の要否に用いていた基準積層数を、そのまま次の高さ測定の要否に用いる基準積層数としてもよい。また、測定判断部８０は、ステップＳ３０を経て基準積層数を設定し直した後に、ステップＳ１４で積層数が設定し直した基準積層数に達した場合、積層体Ａの高さＤを測定せず、ステップＳ２２に進み、積層体Ａを冷却してもよい。すなわち、この場合は、基準積層数に達するまでの積層工程が複数回（ここでは２回）繰り返されており、積層体Ａが高温になっていることが予測されるため、高さＤに関わらず、ステップＳ２２に進み、積層体Ａを冷却してもよい。
【0073】
また、ステップＳ３０において、成形制御部６０の成形条件設定部７０は、これまでの積層体Ａの成形に用いていた成形条件に対し、成形条件を設定し直す。成形条件設定部７０は、形状測定部２６による積層体Ａの高さＤの測定結果や、温度測定部２８による積層体Ａの温度の測定結果に基づき、成形条件を設定し直す。例えば、成形条件設定部７０は、高さＤが低い位置においては、その位置より高さＤが高い位置よりも、粉末Ｐの供給速度を高くしたり、送り速度を遅くしたりする。また例えば、成形条件設定部７０は、積層体の位置毎の温度分布と、積層体の品質との相関を示すテーブルを取得する。そして、成形条件設定部７０は、温度測定部２８が測定した積層体Ａの位置毎の温度分布における積層体の品質が、そのテーブルにおいて基準値以下となるおそれがある場合は、積層体の品質を改善させるように（例えば積層体Ａの温度が低下するように）、成形条件を再設定する。例えば、成形条件設定部７０は、レーザ出力などを低下させて、積層体Ａの温度が高くなり過ぎないようにする。ただし、成形条件設定部７０は、成形条件を再設定せず、これまでの積層体Ａの成形に用いていた成形条件を、そのまま用いてもよい。
【0074】
以上説明したように、本実施形態に係る三次元積層装置１は、積層ヘッド１８と、形状測定部２６と、積層体冷却部３０と、制御部５６とを有する。積層ヘッド１８は、粉末Ｐを噴射する粉末噴射口４４Ｂ、及び光ビームＬを照射する光ビーム照射口４２Ｂが設けられて、溶融した粉末Ｐが固化した積層体Ａを成形する。形状測定部２６は、積層体Ａの形状を測定する。積層体冷却部３０は、積層体Ａを冷却する。制御部５６は、測定制御部６２と、冷却判断部６４と、冷却制御部６８とを有する。測定制御部６２は、形状測定部２６に積層体Ａの形状を測定させる。冷却判断部６４は、形状測定部２６が測定した積層体Ａの形状に基づき、積層体Ａを冷却するかを判断する。冷却制御部６８は、冷却判断部６４が積層体Ａを冷却すると判断した場合に、積層体冷却部３０に積層体Ａを冷却させる。
【0075】
積層体Ａは、溶融された粉末Ｐが固化したビードＢで形成されるため、高温となっていわゆる熱ダレが起こり、高さが想定より低くなるなど、寸法精度が低下するおそれがある。従って、熱ダレによる寸法精度の低下を抑制するため、積層体Ａの成形中に、積層体Ａを冷却することがある。しかし、積層体を冷却するタイミングが不適切である場合、積層体を適切に成形できなくなるおそれがある。それに対し、本実施形態に係る三次元積層装置１は、積層体Ａの形状を測定して、測定した積層体Ａの形状に基づき、冷却するかを判断する。例えば、積層体Ａを冷却するタイミングに温度測定結果を用いることも考えられるが、積層体Ａに冷却が必要な温度、すなわち熱ダレの影響が大きくなっている温度を設定することは難しく、積層体Ａを冷却するタイミングを適切に設定できないおそれがある。それに対し、本実施形態に係る三次元積層装置１は、積層体Ａの形状に基づき積層体Ａを冷却するかを判断するため、積層体Ａを冷却するタイミングを適切に設定して、積層体Ａを適切に成形することができる。
【0076】
形状測定部２６は、積層体Ａの形状として、積層体Ａの高さＤを測定する。本実施形態に係る三次元積層装置１は、積層体Ａの高さＤに基づき積層体Ａを冷却するかを判断するため、積層体Ａを冷却するタイミングを適切に設定して、積層体Ａを適切に成形することができる。熱ダレが起きる場合は、積層体Ａの高さが想定より低くなるため、高さＤを測定することで、熱ダレの影響を勘案して冷却するタイミングを適切に設定できる。
【0077】
なお、形状測定部２６は、積層体Ａの形状として積層体Ａの高さＤを測定することに限られない。例えば、形状測定部２６は、積層体Ａの高さＤの代わりに、ビードＢの幅方向における積層体Ａの長さを測定してもよい。図２に示すように、熱ダレが起こった場合、ビードＢの幅方向における長さ（図２では方向Ｘに沿った長さ）が長くなる。従って、高さＤの代わりにビードＢの幅方向における積層体Ａの長さを測定することによっても、熱ダレの影響を勘案して、積層体Ａを冷却するかを決定することができる。
【0078】
冷却判断部６４は、形状測定部２６が測定した積層体Ａの高さと、予め設定した基準高さとの差分が、所定値以上である場合に、積層体Ａを冷却すると判断する。この三次元積層装置１は、積層体Ａの高さと基準高さとの差分が所定値以上である場合に、積層体Ａを冷却すると判断するため、熱ダレの影響を勘案して、積層体Ａを冷却するタイミングを適切に決定することができる。
【0079】
測定制御部６２は、積層ヘッド１８による積層数が予め定めた基準積層数に達した場合に、形状測定部２６に積層体Ａの高さＤを測定させ、冷却判断部６４が、積層体Ａを冷却するかを判断する。この三次元積層装置１は、積層数が基準積層数に達したことをトリガとして、積層体Ａの高さ測定と、積層体Ａの冷却要否の判断を行う。従って、この三次元積層装置１によると、積層体Ａを冷却するタイミングを適切に決定することができる。
【0080】
測定制御部６２は、形状測定部２６に、積層ヘッド１８が成形するビードＢの幅方向に沿って積層体Ａの高さＤを測定させて、最大高さ位置を検出する。最大高さ位置は、積層体Ａの高さＤが最大となるビードＢの幅方向における位置である。そして、測定制御部６２は、形状測定部２６に、最大高さ位置からビードＢの長手方向に沿って積層体Ａの高さを測定させる。この三次元積層装置１によると、積層体Ａの高さＤをこのように測定するため、測定した高さＤに基づき、冷却するタイミングを適切に決定することができる。
【0081】
冷却判断部６４は、形状測定部２６による、最大高さ位置からビードＢの長手方向に沿った積層体Ａの高さＤの測定結果のうちの、最大高さ（最大値）、又は平均高さ（平均値）に基づき、すなわち算出された積層体Ａの高さＤ０に基づき、積層体Ａを冷却するかを判断する。この三次元積層装置１によると、このように測定された積層体Ａの高さに基づき冷却するかを判定するため、冷却するタイミングを適切に決定することができる。
【0082】
制御部５６は、積層体Ａの成形を制御する成形制御部６０をさらに有する。成形制御部６０は、積層体冷却部３０により積層体Ａを冷却している期間には、積層ヘッド１８による積層体Ａの成形を停止させる。積層ヘッド１８によって積層体Ａの成形をしながら、例えば冷却気体Ｇにより積層体Ａを冷却した場合、噴射した粉末Ｐの流れ方向が変わってしまったり、溶融プールの形状が乱れたりするなど、成形に影響を及ぼすおそれがある。それに対し、この三次元積層装置１によると、積層体Ａの成形を停止して冷却を行うため、積層体Ａの成形への影響を抑えつつ、積層体Ａを適切に冷却できる。
【0083】
三次元積層装置１は、積層体Ａの温度を測定する温度測定部２８をさらに有する。冷却制御部６８は、温度測定部２８が測定した積層体Ａの温度が、予め定めた基準温度以下となった場合に、積層体冷却部３０による積層体Ａへの冷却を終了する。この三次元積層装置１によると、積層体Ａの温度に応じて冷却を停止させるため、積層体Ａの成形を適切なタイミングで再開して、積層体Ａを適切に成形することができる。
【0084】
三次元積層装置１は、積層体Ａが成形される基台部１４に冷却水Ｗを供給する基台冷却部２４Ｄをさらに有し、積層体冷却部３０は、積層体Ａに冷却気体Ｇを噴射するものである。冷却制御部６８は、積層ヘッド１８による成形時には、基台冷却部２４Ｄに冷却水Ｗを供給させて、積層体冷却部３０に冷却気体Ｇを噴射させない。一方、冷却制御部６８は、冷却判断部６４が積層体Ａを冷却すると判断した場合には、基台冷却部２４Ｄによる冷却水Ｗの供給を続けつつ、積層体冷却部３０に冷却気体Ｇを噴射させる。この三次元積層装置１によると、積層体Ａの成形時には、基台冷却部２４Ｄによる間接冷却で積層体Ａを冷却しつつ、冷却判断部６４が積層体Ａを冷却すると判断した場合には、積層体冷却部３０による直接冷却を加えて、積層体Ａを冷却させる。従って、この三次元積層装置１によると、積層体Ａを適切に冷却して、積層体Ａを適切に成形することができる。
【0085】
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態の内容により実施形態が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、前述した実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。
【符号の説明】
【0086】
１ 三次元積層装置
１４ 基台部
１８ 積層ヘッド
２４Ｄ 基台冷却部
２６ 形状測定部
２８ 温度測定部
３０ 積層体冷却部
４０ 制御装置
４２Ｂ 光ビーム照射口
４４Ｂ 粉末噴射口
５６ 制御部
６０ 成形制御部
６２ 測定制御部
６４ 冷却判断部
６６ 温度測定制御部
６８ 冷却制御部
Ａ 積層体
Ｂ ビード
Ｃ 成形体
Ｌ 光ビーム
Ｐ 粉末
１４ 基台部
１８ 積層ヘッド
２４Ｄ 基台冷却部
２６ 形状測定部
２８ 温度測定部
３０ 積層体冷却部
４０ 制御装置
４２Ｂ 光ビーム照射口
４４Ｂ 粉末噴射口
５６ 制御部
６０ 成形制御部
６２ 測定制御部
６４ 冷却判断部
６６ 温度測定制御部
６８ 冷却制御部
Ａ 積層体
Ｂ ビード
Ｃ 成形体
Ｌ 光ビーム
Ｐ 粉末
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】