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特許7462350積層造形における造形品質評価方法、積層造形システム、情報処理装置およびそのプログラム
(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】2024-03-28
(45)【発行日】2024-04-05
(54)【発明の名称】積層造形における造形品質評価方法、積層造形システム、情報処理装置およびそのプログラム
(51)【国際特許分類】
B22F 10/38 20210101AFI20240329BHJP
B22F 10/80 20210101ALI20240329BHJP
B22F 10/28 20210101ALI20240329BHJP
B33Y 50/00 20150101ALI20240329BHJP
B33Y 50/02 20150101ALI20240329BHJP
B33Y 30/00 20150101ALI20240329BHJP
B29C 64/153 20170101ALI20240329BHJP
B29C 64/386 20170101ALI20240329BHJP
B29C 64/393 20170101ALI20240329BHJP
B33Y 10/00 20150101ALI20240329BHJP
B22F 10/85 20210101ALI20240329BHJP
【ＦＩ】
B22F10/38
B22F10/80
B22F10/28
B33Y50/00
B33Y50/02
B33Y30/00
B29C64/153
B29C64/386
B29C64/393
B33Y10/00
B22F10/85
【請求項の数】
14
(21)【出願番号】P 2022524340
(86)(22)【出願日】2021-04-21
(86)【国際出願番号】 JP2021016154
(87)【国際公開番号】W WO2021235159
(87)【国際公開日】2021-11-25
【審査請求日】2022-11-16
(31)【優先権主張番号】PCT/JP2020/020406
(32)【優先日】2020-05-22
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２０２１年度 国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「積層造形部品開発の効率化のための基盤技術開発事業」
(73)【特許権者】
【識別番号】514227988
【氏名又は名称】技術研究組合次世代３Ｄ積層造形技術総合開発機構
(74)【代理人】
【識別番号】100134430
【弁理士】
【氏名又は名称】加藤 卓士
(72)【発明者】
【氏名】家田 牧子
(72)【発明者】
【氏名】加藤 千佳
(72)【発明者】
【氏名】池庄司 敏孝
(72)【発明者】
【氏名】京極 秀樹
(72)【発明者】
【氏名】竹下 孝樹
【審査官】岡田 隆介
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１７－１４９１３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１９３５８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－００３１４７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－０５５１４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１９／０３０８３９（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２２Ｆ １０／３６６
Ｂ２２Ｆ １０／３８
Ｂ２９Ｃ ６４／１５３
Ｂ２９Ｃ ６４／３９３
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
積層造形における造形品質評価方法であって、造形表面の３次元点群データを取得するデータ取得ステップと、
前記３次元点群データの自己相関関数に基づく凹凸の最小周期を示す最小自己相関長さＳａｌ(autocorrelation length)、前記３次元点群データの平均谷領域面積Ｓｄａ(mean dale area)、前記３次元点群データの平均山領域面積Ｓｈａ(mean hill area)、前記３次元点群データの平均谷領域容積Ｓｄｖ(mean dale volume)、前記３次元点群データの谷部とコア部を分離する負荷面積率Ｓｍｒ２(material ratio)、造形密度との負の相関が得られる界面の展開面積比Ｓｄｒ（development interfacial area ratio）、表面性状のアスペクト比Ｓｔｒ（texture aspect ratio）、突出谷部深さ（Ｓｖｋ（μｍ））、コア部のレベル差（Ｓｋ（μｍ））、二乗平均平方根高さ（Ｓｑ（μｍ））、二乗平均平方根勾配（Ｓｄｑ）、切断レベル差（Ｓｘｐ（μｍ））、コア部空間体積（Ｖｖｃ（ｍｍ3/ｍｍ2））、突出谷部空間体積（Ｖｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2））、実体体積（Ｖｍ（ｍｍ3/ｍｍ2））、突出山部実体体積（Ｖｍｐ（ｍｍ3/ｍｍ2））、及び空間体積（Ｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2））の少なくともいずれか１つを含む、内部欠陥と相関の高い３次元表面性状パラメータを算出するパラメータ算出ステップと、
前記３次元表面性状パラメータから造形密度を予測し、前記造形密度に基づいて造形品質を評価する評価ステップと、
を含む造形品質評価方法。
【請求項2】
前記造形密度は、前記３次元表面性状パラメータと前記造形密度とのあらかじめ記憶された相関関係に基づいて予測される請求項１に記載の造形品質評価方法。
【請求項3】
前記評価ステップにおいては、少なくとも２つの前記３次元表面性状パラメータを組み合わせて造形品質を評価する請求項１または２に記載の造形品質評価方法。
【請求項4】
前記パラメータ算出ステップにおいては、前記造形表面中の造形範囲内における前記３次元表面性状パラメータを算出する請求項１から３のいずれか１項に記載の造形品質評価方法。
【請求項5】
前記パラメータ算出ステップにおいては、前記造形範囲内にあって、前記造形表面に垂直な軸方向の値の差が第１閾値を超える範囲内における前記３次元表面性状パラメータを算出する請求項４に記載の造形品質評価方法。
【請求項6】
前記データ取得ステップにおいては、材料粉末を敷き詰めたパウダーベッド表面の３次元点群データをさらに取得し、前記パラメータ算出ステップにおいては、前記造形範囲内にあって、前記パウダーベッド表面に垂直な軸方向の値の差が第２閾値を超える範囲内における前記３次元表面性状パラメータを算出する請求項４に記載の造形品質評価方法。
【請求項7】
造形後の造形範囲の沈み込み量を算出する沈み込み量算出ステップをさらに含み、前記評価ステップでは、さらに、前記沈み込み量に基づいて、造形品質を評価する請求項１から６のいずれか１項に記載の造形品質評価方法。
【請求項8】
造形表面の３次元点群データを取得するデータ取得部と、前記３次元点群データの自己相関関数に基づく凹凸の最小周期を示す最小自己相関長さＳａｌ(autocorrelation length)、前記３次元点群データの平均谷領域面積Ｓｄａ(mean dale area)、前記３次元点群データの平均山領域面積Ｓｈａ(mean hill area)、前記３次元点群データの平均谷領域容積Ｓｄｖ(mean dale volume)、前記３次元点群データの谷部とコア部を分離する負荷面積率Ｓｍｒ２(material ratio)、造形密度との負の相関が得られる界面の展開面積比Ｓｄｒ（development interfacial area ratio）、表面性状のアスペクト比Ｓｔｒ（texture aspect ratio）、突出谷部深さ（Ｓｖｋ（μｍ））、コア部のレベル差（Ｓｋ（μｍ））、二乗平均平方根高さ（Ｓｑ（μｍ））、二乗平均平方根勾配（Ｓｄｑ）、切断レベル差（Ｓｘｐ（μｍ））、コア部空間体積（Ｖｖｃ（ｍｍ3/ｍｍ2））、突出谷部空間体積（Ｖｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2））、実体体積（Ｖｍ（ｍｍ3/ｍｍ2））、突出山部実体体積（Ｖｍｐ（ｍｍ3/ｍｍ2））、及び空間体積（Ｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2））の少なくともいずれか１つを含む、内部欠陥と相関の高い３次元表面性状パラメータを算出するパラメータ算出部と、
前記３次元表面性状パラメータから造形密度を予測し、前記造形密度に基づいて造形品質を評価する評価部と、
を備える情報処理装置。
【請求項9】
前記評価部の評価結果に応じて、レーザ出力および走査速度の少なくともいずれかに対する調整を指示するレーザ調整部をさらに備える請求項８に記載の情報処理装置。
【請求項10】
前記レーザ調整部は、１層の積層造形ごとに、前記調整を指示する請求項９に記載の情報処理装置。【請求項11】
前記評価部は、少なくとも２つの前記３次元表面性状パラメータを組み合わせて造形品質を評価する請求項８から１０のいずれか１項に記載の情報処理装置。
【請求項12】
前記パラメータ算出部は、さらに、造形可能領域全面の各点における表面の最大山高さＳｐ(Maximum peak height)および最大高さＳｚ（Maximum height）の少なくとも１つを算出し、前記最大山高さＳｐが第３閾値を超えた場合、または、前記最大高さＳｚが第４閾値を超えた場合には、造形中止を指示する造形制御指示部をさらに備える請求項８から１１のいずれか１項に記載の情報処理装置。
【請求項13】
造形表面の３次元点群データを取得するデータ取得ステップと、前記３次元点群データの自己相関関数に基づく凹凸の最小周期を示す最小自己相関長さＳａｌ(autocorrelation length)、前記３次元点群データの平均谷領域面積Ｓｄａ(mean dale area)、前記３次元点群データの平均山領域面積Ｓｈａ(mean hill area)、前記３次元点群データの平均谷領域容積Ｓｄｖ(mean dale volume)、前記３次元点群データの谷部とコア部を分離する負荷面積率Ｓｍｒ２(material ratio)、造形密度との負の相関が得られる界面の展開面積比Ｓｄｒ（development interfacial area ratio）、表面性状のアスペクト比Ｓｔｒ（texture aspect ratio）、突出谷部深さ（Ｓｖｋ（μｍ））、コア部のレベル差（Ｓｋ（μｍ））、二乗平均平方根高さ（Ｓｑ（μｍ））、二乗平均平方根勾配（Ｓｄｑ）、切断レベル差（Ｓｘｐ（μｍ））、コア部空間体積（Ｖｖｃ（ｍｍ3/ｍｍ2））、突出谷部空間体積（Ｖｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2））、実体体積（Ｖｍ（ｍｍ3/ｍｍ2））、突出山部実体体積（Ｖｍｐ（ｍｍ3/ｍｍ2））、及び空間体積（Ｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2））の少なくともいずれか１つを含む、内部欠陥と相関の高い３次元表面性状パラメータを算出するパラメータ算出ステップと、
前記３次元表面性状パラメータから造形密度を予測し、前記造形密度に基づいて造形品質を評価する評価ステップと、
をコンピュータに実行させる情報処理プログラム。
【請求項14】
材料粉末を敷き詰めてレーザの照射を繰り返して造形物を作成する積層造形装置と、前記積層造形装置における前記造形物の作成を制御する情報処理装置と、
を備え、
前記情報処理装置は、
造形表面の３次元点群データを取得するデータ取得部と、
前記３次元点群データの自己相関関数に基づく凹凸の最小周期を示す最小自己相関長さＳａｌ(autocorrelation length)、前記３次元点群データの平均谷領域面積Ｓｄａ(mean dale area)、前記３次元点群データの平均山領域面積Ｓｈａ(mean hill area)、前記３次元点群データの平均谷領域容積Ｓｄｖ(mean dale volume)、前記３次元点群データの谷部とコア部を分離する負荷面積率Ｓｍｒ２(material ratio)、造形密度との負の相関が得られる界面の展開面積比Ｓｄｒ（development interfacial area ratio）、表面性状のアスペクト比Ｓｔｒ（texture aspect ratio）、突出谷部深さ（Ｓｖｋ（μｍ））、コア部のレベル差（Ｓｋ（μｍ））、二乗平均平方根高さ（Ｓｑ（μｍ））、二乗平均平方根勾配（Ｓｄｑ）、切断レベル差（Ｓｘｐ（μｍ））、コア部空間体積（Ｖｖｃ（ｍｍ3/ｍｍ2））、突出谷部空間体積（Ｖｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2））、実体体積（Ｖｍ（ｍｍ3/ｍｍ2））、突出山部実体体積（Ｖｍｐ（ｍｍ3/ｍｍ2））、及び空間体積（Ｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2））の少なくともいずれか１つを含む、内部欠陥と相関の高い３次元表面性状パラメータを算出するパラメータ算出部と、
前記３次元表面性状パラメータから造形密度を予測し、前記造形密度に基づいて造形品質を評価する評価部と、
前記評価部の評価結果に応じて、前記レーザ出力および走査速度の少なくともいずれかに対する調整を指示するレーザ調整部と、
を備える積層造形システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、積層造形における造形品質評価方法、積層造形システム、情報処理装置およびそのプログラムに関する。
【背景技術】
【0002】
上記技術分野において、特許文献１には、３次元積層造形装置においてカメラで造形表面を撮像して、その算術平均高さＲａを所定範囲内に調整するようにレーザビームの照射出力値を制御する技術が開示されている。また、非特許文献１には、アルミニウム合金（AlSi10Mg_200C)による積層造形における表面粗さを算術平均高さＲａにより評価する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１８－００３１４７号公報
【非特許文献】
【0004】
【文献】Mohsen Mohammadi, Hamed Asgari, "Achieving low surface rough-ness AlSi10Mg_200C parts using direct metal laser sintering", Additive Manufacturing 20(2018), 23-32
【文献】ISO 25178-2:2012, "Geometrical product specifications (GPS) - Surface texture: Areal - Part 2: Terms, definitions and surface texture parameters", 2012-04
【文献】JIS B 0681-2：2018 製品の黄か特性仕様（GPS）－表面性状：三次元－第2部：用語，定義および表面性状パラメータ
【文献】David N. Reshef et al., "Detecting Novel Associations in Large Data Sets", American Association for the Advancement of Science, 2011, 1518-1524
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上記文献に記載の技術では、２次元の算術平均高さＲａによる造形精度を評価するのみである。そして、３次元の算術平均高さＳａによっても積層造形物の品質として重要な造形密度との相関関係が十分に高いとは言えず、造形品質を効率的に高めることができなかった。
【0006】
本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成するため、本発明に係る造形品質評価方法は、
積層造形における造形品質評価方法であって、
造形表面の３次元点群データを取得するデータ取得ステップと、
前記３次元点群データの自己相関関数に基づく凹凸の最小周期を示す最小自己相関長さＳａｌ(autocorrelation length)、前記３次元点群データの平均谷領域面積Ｓｄａ(mean dale area)、前記３次元点群データの平均山領域面積Ｓｈａ(mean hill area)、前記３次元点群データの平均谷領域容積Ｓｄｖ(mean dale volume)、前記３次元点群データの谷部とコア部を分離する負荷面積率Ｓｍｒ２(material ratio)、造形密度との負の相関が得られる界面の展開面積比Ｓｄｒ（development interfacial area ratio）、表面性状のアスペクト比Ｓｔｒ（texture aspect ratio）、突出谷部深さ（Ｓｖｋ（μｍ））、コア部のレベル差（Ｓｋ（μｍ））、二乗平均平方根高さ（Ｓｑ（μｍ））、二乗平均平方根勾配（Ｓｄｑ）、切断レベル差（Ｓｘｐ（μｍ））、コア部空間体積（Ｖｖｃ（ｍｍ3/ｍｍ2））、突出谷部空間体積（Ｖｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2））、実体体積（Ｖｍ（ｍｍ3/ｍｍ2））、突出山部実体体積（Ｖｍｐ（ｍｍ3/ｍｍ2））、及び空間体積（Ｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2））の少なくともいずれか１つを含む、内部欠陥と相関の高い３次元表面性状パラメータを算出するパラメータ算出ステップと、
前記３次元表面性状パラメータから造形密度を予測し、前記造形密度に基づいて造形品質を評価する評価ステップと、
を含む。
積層造形における造形品質評価方法であって、
造形表面の３次元点群データを取得するデータ取得ステップと、
前記３次元点群データの自己相関関数に基づく凹凸の最小周期を示す最小自己相関長さＳａｌ(autocorrelation length)、前記３次元点群データの平均谷領域面積Ｓｄａ(mean dale area)、前記３次元点群データの平均山領域面積Ｓｈａ(mean hill area)、前記３次元点群データの平均谷領域容積Ｓｄｖ(mean dale volume)、前記３次元点群データの谷部とコア部を分離する負荷面積率Ｓｍｒ２(material ratio)、造形密度との負の相関が得られる界面の展開面積比Ｓｄｒ（development interfacial area ratio）、表面性状のアスペクト比Ｓｔｒ（texture aspect ratio）、突出谷部深さ（Ｓｖｋ（μｍ））、コア部のレベル差（Ｓｋ（μｍ））、二乗平均平方根高さ（Ｓｑ（μｍ））、二乗平均平方根勾配（Ｓｄｑ）、切断レベル差（Ｓｘｐ（μｍ））、コア部空間体積（Ｖｖｃ（ｍｍ3/ｍｍ2））、突出谷部空間体積（Ｖｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2））、実体体積（Ｖｍ（ｍｍ3/ｍｍ2））、突出山部実体体積（Ｖｍｐ（ｍｍ3/ｍｍ2））、及び空間体積（Ｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2））の少なくともいずれか１つを含む、内部欠陥と相関の高い３次元表面性状パラメータを算出するパラメータ算出ステップと、
前記３次元表面性状パラメータから造形密度を予測し、前記造形密度に基づいて造形品質を評価する評価ステップと、
を含む。
【0008】
上記目的を達成するため、本発明に係る情報処理装置は、
造形表面の３次元点群データを取得するデータ取得部と、
前記３次元点群データの自己相関関数に基づく凹凸の最小周期を示す最小自己相関長さＳａｌ(autocorrelation length)、前記３次元点群データの平均谷領域面積Ｓｄａ(mean dale area)、前記３次元点群データの平均山領域面積Ｓｈａ(mean hill area)、前記３次元点群データの平均谷領域容積Ｓｄｖ(mean dale volume)、前記３次元点群データの谷部とコア部を分離する負荷面積率Ｓｍｒ２(material ratio)、造形密度との負の相関が得られる界面の展開面積比Ｓｄｒ（development interfacial area ratio）、表面性状のアスペクト比Ｓｔｒ（texture aspect ratio）、突出谷部深さ（Ｓｖｋ（μｍ））、コア部のレベル差（Ｓｋ（μｍ））、二乗平均平方根高さ（Ｓｑ（μｍ））、二乗平均平方根勾配（Ｓｄｑ）、切断レベル差（Ｓｘｐ（μｍ））、コア部空間体積（Ｖｖｃ（ｍｍ3/ｍｍ2））、突出谷部空間体積（Ｖｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2））、実体体積（Ｖｍ（ｍｍ3/ｍｍ2））、突出山部実体体積（Ｖｍｐ（ｍｍ3/ｍｍ2））、及び空間体積（Ｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2））の少なくともいずれか１つを含む、内部欠陥と相関の高い３次元表面性状パラメータを算出するパラメータ算出部と、
前記３次元表面性状パラメータから造形密度を予測し、前記造形密度に基づいて造形品質を評価する評価部と、
を備える。
造形表面の３次元点群データを取得するデータ取得部と、
前記３次元点群データの自己相関関数に基づく凹凸の最小周期を示す最小自己相関長さＳａｌ(autocorrelation length)、前記３次元点群データの平均谷領域面積Ｓｄａ(mean dale area)、前記３次元点群データの平均山領域面積Ｓｈａ(mean hill area)、前記３次元点群データの平均谷領域容積Ｓｄｖ(mean dale volume)、前記３次元点群データの谷部とコア部を分離する負荷面積率Ｓｍｒ２(material ratio)、造形密度との負の相関が得られる界面の展開面積比Ｓｄｒ（development interfacial area ratio）、表面性状のアスペクト比Ｓｔｒ（texture aspect ratio）、突出谷部深さ（Ｓｖｋ（μｍ））、コア部のレベル差（Ｓｋ（μｍ））、二乗平均平方根高さ（Ｓｑ（μｍ））、二乗平均平方根勾配（Ｓｄｑ）、切断レベル差（Ｓｘｐ（μｍ））、コア部空間体積（Ｖｖｃ（ｍｍ3/ｍｍ2））、突出谷部空間体積（Ｖｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2））、実体体積（Ｖｍ（ｍｍ3/ｍｍ2））、突出山部実体体積（Ｖｍｐ（ｍｍ3/ｍｍ2））、及び空間体積（Ｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2））の少なくともいずれか１つを含む、内部欠陥と相関の高い３次元表面性状パラメータを算出するパラメータ算出部と、
前記３次元表面性状パラメータから造形密度を予測し、前記造形密度に基づいて造形品質を評価する評価部と、
を備える。
【0009】
上記目的を達成するため、本発明に係る情報処理プログラムは、
造形表面の３次元点群データを取得するデータ取得ステップと、
前記３次元点群データの自己相関関数に基づく凹凸の最小周期を示す最小自己相関長さＳａｌ(autocorrelation length)、前記３次元点群データの平均谷領域面積Ｓｄａ(mean dale area)、前記３次元点群データの平均山領域面積Ｓｈａ(mean hill area)、前記３次元点群データの平均谷領域容積Ｓｄｖ(mean dale volume)、前記３次元点群データの谷部とコア部を分離する負荷面積率Ｓｍｒ２(material ratio)、造形密度との負の相関が得られる界面の展開面積比Ｓｄｒ（development interfacial area ratio）、表面性状のアスペクト比Ｓｔｒ（texture aspect ratio）、突出谷部深さ（Ｓｖｋ（μｍ））、コア部のレベル差（Ｓｋ（μｍ））、二乗平均平方根高さ（Ｓｑ（μｍ））、二乗平均平方根勾配（Ｓｄｑ）、切断レベル差（Ｓｘｐ（μｍ））、コア部空間体積（Ｖｖｃ（ｍｍ3/ｍｍ2））、突出谷部空間体積（Ｖｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2））、実体体積（Ｖｍ（ｍｍ3/ｍｍ2））、突出山部実体体積（Ｖｍｐ（ｍｍ3/ｍｍ2））、及び空間体積（Ｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2））の少なくともいずれか１つを含む、内部欠陥と相関の高い３次元表面性状パラメータを算出するパラメータ算出ステップと、
前記３次元表面性状パラメータから造形密度を予測し、前記造形密度に基づいて造形品質を評価する評価ステップと、
をコンピュータに実行させる。
造形表面の３次元点群データを取得するデータ取得ステップと、
前記３次元点群データの自己相関関数に基づく凹凸の最小周期を示す最小自己相関長さＳａｌ(autocorrelation length)、前記３次元点群データの平均谷領域面積Ｓｄａ(mean dale area)、前記３次元点群データの平均山領域面積Ｓｈａ(mean hill area)、前記３次元点群データの平均谷領域容積Ｓｄｖ(mean dale volume)、前記３次元点群データの谷部とコア部を分離する負荷面積率Ｓｍｒ２(material ratio)、造形密度との負の相関が得られる界面の展開面積比Ｓｄｒ（development interfacial area ratio）、表面性状のアスペクト比Ｓｔｒ（texture aspect ratio）、突出谷部深さ（Ｓｖｋ（μｍ））、コア部のレベル差（Ｓｋ（μｍ））、二乗平均平方根高さ（Ｓｑ（μｍ））、二乗平均平方根勾配（Ｓｄｑ）、切断レベル差（Ｓｘｐ（μｍ））、コア部空間体積（Ｖｖｃ（ｍｍ3/ｍｍ2））、突出谷部空間体積（Ｖｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2））、実体体積（Ｖｍ（ｍｍ3/ｍｍ2））、突出山部実体体積（Ｖｍｐ（ｍｍ3/ｍｍ2））、及び空間体積（Ｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2））の少なくともいずれか１つを含む、内部欠陥と相関の高い３次元表面性状パラメータを算出するパラメータ算出ステップと、
前記３次元表面性状パラメータから造形密度を予測し、前記造形密度に基づいて造形品質を評価する評価ステップと、
をコンピュータに実行させる。
【0010】
上記目的を達成するため、本発明に係る積層造形システムは、
材料粉末を敷き詰めてレーザの照射を繰り返して造形物を作成する積層造形装置と、
前記積層造形装置における前記造形物の作成を制御する情報処理装置と、
を備え、
前記情報処理装置は、
造形表面の３次元点群データを取得するデータ取得部と、
前記３次元点群データの自己相関関数に基づく凹凸の最小周期を示す最小自己相関長さＳａｌ(autocorrelation length)、前記３次元点群データの平均谷領域面積Ｓｄａ(mean dale area)、前記３次元点群データの平均山領域面積Ｓｈａ(mean hill area)、前記３次元点群データの平均谷領域容積Ｓｄｖ(mean dale volume)、前記３次元点群データの谷部とコア部を分離する負荷面積率Ｓｍｒ２(material ratio)、造形密度との負の相関が得られる界面の展開面積比Ｓｄｒ（development interfacial area ratio）、表面性状のアスペクト比Ｓｔｒ（texture aspect ratio）、突出谷部深さ（Ｓｖｋ（μｍ））、コア部のレベル差（Ｓｋ（μｍ））、二乗平均平方根高さ（Ｓｑ（μｍ））、二乗平均平方根勾配（Ｓｄｑ）、切断レベル差（Ｓｘｐ（μｍ））、コア部空間体積（Ｖｖｃ（ｍｍ3/ｍｍ2））、突出谷部空間体積（Ｖｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2））、実体体積（Ｖｍ（ｍｍ3/ｍｍ2））、突出山部実体体積（Ｖｍｐ（ｍｍ3/ｍｍ2））、及び空間体積（Ｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2））の少なくともいずれか１つを含む、内部欠陥と相関の高い３次元表面性状パラメータを算出するパラメータ算出部と、
前記３次元表面性状パラメータから造形密度を予測し、前記造形密度に基づいて造形品質を評価する評価部と、
前記評価部の評価結果に応じて、前記レーザ出力および走査速度の少なくともいずれかに対する調整を指示するレーザ調整部と、
を備える。
材料粉末を敷き詰めてレーザの照射を繰り返して造形物を作成する積層造形装置と、
前記積層造形装置における前記造形物の作成を制御する情報処理装置と、
を備え、
前記情報処理装置は、
造形表面の３次元点群データを取得するデータ取得部と、
前記３次元点群データの自己相関関数に基づく凹凸の最小周期を示す最小自己相関長さＳａｌ(autocorrelation length)、前記３次元点群データの平均谷領域面積Ｓｄａ(mean dale area)、前記３次元点群データの平均山領域面積Ｓｈａ(mean hill area)、前記３次元点群データの平均谷領域容積Ｓｄｖ(mean dale volume)、前記３次元点群データの谷部とコア部を分離する負荷面積率Ｓｍｒ２(material ratio)、造形密度との負の相関が得られる界面の展開面積比Ｓｄｒ（development interfacial area ratio）、表面性状のアスペクト比Ｓｔｒ（texture aspect ratio）、突出谷部深さ（Ｓｖｋ（μｍ））、コア部のレベル差（Ｓｋ（μｍ））、二乗平均平方根高さ（Ｓｑ（μｍ））、二乗平均平方根勾配（Ｓｄｑ）、切断レベル差（Ｓｘｐ（μｍ））、コア部空間体積（Ｖｖｃ（ｍｍ3/ｍｍ2））、突出谷部空間体積（Ｖｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2））、実体体積（Ｖｍ（ｍｍ3/ｍｍ2））、突出山部実体体積（Ｖｍｐ（ｍｍ3/ｍｍ2））、及び空間体積（Ｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2））の少なくともいずれか１つを含む、内部欠陥と相関の高い３次元表面性状パラメータを算出するパラメータ算出部と、
前記３次元表面性状パラメータから造形密度を予測し、前記造形密度に基づいて造形品質を評価する評価部と、
前記評価部の評価結果に応じて、前記レーザ出力および走査速度の少なくともいずれかに対する調整を指示するレーザ調整部と、
を備える。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、造形密度との相関関係がより高い評価基準を用いるので、造形品質を効率的に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】前提技術に係る表面性状パラメータＲａおよびＲｚを説明する図である。
【図2】第１実施形態に係る造形物の相対密度の予測に使用可能な３次元表面性状パラメータを説明する図である。
【図3A】第１実施形態に係る積層造形物の品質評価方法の手順を示すフローチャートである。
【図3B】第１実施形態に係る積層造形物の品質評価方法の他の手順を示すフローチャートである。
【図4A】第２実施形態に係る積層造形技術について説明する図である。
【図4B】第２実施形態に係る積層造形システムの構成を示すブロック図である。
【図4C】第２実施形態に係る積層造形システムの動作手順を示すフローチャートである。
【図5】第２実施形態に係る情報処理装置の構成を示すブロック図である。
【図6A】第２実施形態に係る造形品質評価テーブルの構成を示す図である。
【図6B】第２実施形態に係るプロセスマップの構成を示す図である。
【図6C】第２実施形態に係る造形中止条件テーブルの構成を示す図である。
【図7A】第２実施形態に係る情報処理装置の処理手順を示すフローチャートである。
【図7B】第２実施形態に係る情報処理装置の処理手順を示すフローチャートである。
【図8】第１実施例に係る造形表面のエネルギー密度と相対密度との関連を示すグラフである。
【図9】第１実施例に係る３次元光学プロファイラによる表面性状の画像を示す図である。
【図10A】第１実施例に係る相対密度とＳａｌとの関連を示すグラフである。
【図10B】第１実施例に係る相対密度とＳｄａとの関連を示すグラフである。
【図10C】第１実施例に係る相対密度とＳｈａとの関連を示すグラフである。
【図10D】第１実施例に係る相対密度とＳｄｖとの関連を示すグラフである。
【図10E】第１実施例に係る相対密度とＳｍｒ２との関連を示すグラフである。
【図10F】第１実施例に係る相対密度とＳｄｒとの関連を示すグラフである。
【図10G】第１実施例に係る相対密度とＳｔｒとの関連を示すグラフである。
【図11A】第２実施例に係るレイヤモニタリングによる表面性状の画像例を示す図である。
【図11B】第２実施例に係るレイヤモニタリングによる表面性状の画像を示す図である。
【図12A】第２実施例に係る相対密度とＳａｌとの関連を示すグラフである。
【図12B】第２実施例に係る相対密度とＳｄａとの関連を示すグラフである。
【図12C】第２実施例に係る相対密度とＳｈａとの関連を示すグラフである。
【図12D】第２実施例に係る相対密度とＳｄｖとの関連を示すグラフである。
【図12E】第２実施例に係る相対密度とＳｍｒ２との関連を示すグラフである。
【図13A】第３実施例に係るプロセスマップの構成を示す図である。
【図13B】第３実施例に係るエネルギー密度と相対密度との関連を示すグラフである。
【図13C】第３実施例に係る他のプロセスマップの構成を示す図である。
【図14】第４実施例に係る沈み込み量の測定を説明する図である。
【図15】第４実施例に係る沈み込み量の測定結果を示す図である。
【図16】第４実施例に係る相対密度とＳｚとの相関結果を示すグラフである。
【図17】第４実施例に係る沈み込み量の算出方法を説明する図である。
【図18】第４実施例に係る相対密度と沈み込み量との相関結果を示すグラフである。
【図19】第５実施例に係る造形物の相対密度の予測に使用可能な３次元表面性状パラメータを説明する図である。
【図20A】第５実施例に係る相対密度とＳｖｋとの関連を示すグラフである。
【図20B】第５実施例に係る相対密度とＳｋとの関連を示すグラフである。
【図20C】第５実施例に係る相対密度とＳｑとの関連を示すグラフである。
【図20D】第５実施例に係る相対密度とＳｄｑとの関連を示すグラフである。
【図20E】第５実施例に係る相対密度とＳｘｐとの関連を示すグラフである。
【図20F】第５実施例に係る相対密度とＶｖｃとの関連を示すグラフである。
【図20G】第５実施例に係る相対密度とＶｖｖとの関連を示すグラフである。
【図20H】第５実施例に係る相対密度とＶｍとの関連を示すグラフである。
【図20I】第５実施例に係る相対密度とＶｍｐとの関連を示すグラフである。
【図20J】第５実施例に係る相対密度とＶｖとの関連を示すグラフである。
【図20K】第５実施例に係る相対密度とＳｐとの関連を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態について例示的に詳しく説明する。ただし、以下の実施の形態に記載されている構成要素は単なる例示であり、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。なお、本明細書においては、面粗さを表す３次元表面性状パラメータの表記をＩＳＯ２５１７８－２：２０１２の表記に統一する。
【0014】
［第１実施形態］
３次元造形物の造形方法の１つとして、材料粉末の薄層を敷設し、材料粉末の薄層の所定箇所にレーザを照射し、材料粉末を溶融または焼結させて固化層を形成することを繰り返して造形物を造形する粉末積層造形法が知られている。この粉末積層造形法では、材料粉末への入熱量により粉末の固化状態（溶融、焼結、拡散接合状態）が変化し、薄層の粉末量に誤差が出ると造形物の特性が変化したり形状精度が低下したりする可能性がある。この問題を解決するために、例えば、特許文献１および２においては、２次元表面性状パラメータの１つである算術平均粗さＲａを算出することによって、形状精度の向上を図っている。
３次元造形物の造形方法の１つとして、材料粉末の薄層を敷設し、材料粉末の薄層の所定箇所にレーザを照射し、材料粉末を溶融または焼結させて固化層を形成することを繰り返して造形物を造形する粉末積層造形法が知られている。この粉末積層造形法では、材料粉末への入熱量により粉末の固化状態（溶融、焼結、拡散接合状態）が変化し、薄層の粉末量に誤差が出ると造形物の特性が変化したり形状精度が低下したりする可能性がある。この問題を解決するために、例えば、特許文献１および２においては、２次元表面性状パラメータの１つである算術平均粗さＲａを算出することによって、形状精度の向上を図っている。
【0015】
《使用する表面性状パラメータの課題》
しかしながら、粉末にレーザを照射して溶融し凝固する際に発生するスパッタが造形表面に付着したり、ボーリング現象やハンピング現象等により造形面の凹凸起伏が増大したりした場合、造形品質が低下する。さらに凹凸起伏が増大した場合、リコータブレードが造形面に接触して造形が途中で停止するだけでなく、装置部品を破損させることがある。このような凹凸の評価は、造形終了後の造形品に対して実施されることがほとんどであり、また、算術平均粗さ(例えば、Ｒａ)で評価されることが多いため、スパッタ付着等による不規則かつ粗大な凹凸を定量化できていない。そのため、算術平均粗さＲａの値を同じにしても、例えば造形密度といった造形品質が必ずしもよい結果とはならない。
しかしながら、粉末にレーザを照射して溶融し凝固する際に発生するスパッタが造形表面に付着したり、ボーリング現象やハンピング現象等により造形面の凹凸起伏が増大したりした場合、造形品質が低下する。さらに凹凸起伏が増大した場合、リコータブレードが造形面に接触して造形が途中で停止するだけでなく、装置部品を破損させることがある。このような凹凸の評価は、造形終了後の造形品に対して実施されることがほとんどであり、また、算術平均粗さ(例えば、Ｒａ)で評価されることが多いため、スパッタ付着等による不規則かつ粗大な凹凸を定量化できていない。そのため、算術平均粗さＲａの値を同じにしても、例えば造形密度といった造形品質が必ずしもよい結果とはならない。
【0016】
また、３次元造形物の造形品質においても重要である造形密度については、造形物を作製した後にテストして、欠陥品を排除するしかなかった。あるいは、材料粉末への入熱量を変化させてテストした後、適切な入熱量を選択して造形することも考えられる。しかしながら、造形中にリアルタイムに造形物の造形密度を予測して、造形パラメータを制御することはできなかった。
【0017】
図１は、造形密度との相関が比較的低い、算術平均粗さ(例えば、Ｒａ)の算出１０１や最大高さ（例えば、Ｒｚ）の算出１０２を説明する図である。ここで、Ｚｐは基準長さにおける輪郭曲線の山高さの最大値、Ｚｖは谷深さの最大値である。
【0018】
《本実施形態で用いる３次元表面性状パラメータ》
本発明者は、３次元表面性状パラメータを用いることで、造形密度との正の相関が得られ、造形品質の評価に使用できることを見付けた。算出する３次元表面性状パラメータは、例えば、自己相関関数に基づく凹凸の最小周期を示す最小自己相関長さＳａｌ(autocorrelation length)や、平均谷領域面積Ｓｄａ(mean dale area)や平均山領域面積Ｓｈａ(mean hill area)、あるいは、平均谷領域容積Ｓｄｖ(mean dale volume)、谷部とコア部を分離する負荷面積率Ｓｍｒ２(material ratio)等である。そして、算出した３次元表面性状パラメータの値から造形品質が低下する可能性があると判定された場合は、レーザ照射条件を適宜選択し変更することで造形を継続することができる。また、造形中に取得する各レイヤーの３次元点群データから算出した３次元表面性状パラメータを用いることでリアルタイムに造形品質を判定しながら、造形継続や造形停止を選択できる。算出した３次元表面性状パラメータの値からリコータブレードなどの装置部品が造形面に接触し破損する可能性があると判定した場合は、造形を停止するよう制御する。すなわち、本実施形態においては、造形表面の３次元点群データを低次元化し、面領域に拡張した３次元表面性状パラメータを算出して、３次元表面性状パラメータを用いて、造形品質を評価する。なお、３次元表面性状パラメータとは、例えば、造形表面に垂直な軸方向の値に基づいて算出される。
本発明者は、３次元表面性状パラメータを用いることで、造形密度との正の相関が得られ、造形品質の評価に使用できることを見付けた。算出する３次元表面性状パラメータは、例えば、自己相関関数に基づく凹凸の最小周期を示す最小自己相関長さＳａｌ(autocorrelation length)や、平均谷領域面積Ｓｄａ(mean dale area)や平均山領域面積Ｓｈａ(mean hill area)、あるいは、平均谷領域容積Ｓｄｖ(mean dale volume)、谷部とコア部を分離する負荷面積率Ｓｍｒ２(material ratio)等である。そして、算出した３次元表面性状パラメータの値から造形品質が低下する可能性があると判定された場合は、レーザ照射条件を適宜選択し変更することで造形を継続することができる。また、造形中に取得する各レイヤーの３次元点群データから算出した３次元表面性状パラメータを用いることでリアルタイムに造形品質を判定しながら、造形継続や造形停止を選択できる。算出した３次元表面性状パラメータの値からリコータブレードなどの装置部品が造形面に接触し破損する可能性があると判定した場合は、造形を停止するよう制御する。すなわち、本実施形態においては、造形表面の３次元点群データを低次元化し、面領域に拡張した３次元表面性状パラメータを算出して、３次元表面性状パラメータを用いて、造形品質を評価する。なお、３次元表面性状パラメータとは、例えば、造形表面に垂直な軸方向の値に基づいて算出される。
【0019】
また、造形密度との負の相関が得られる界面の展開面積比Ｓｄｒ（development interfacial area ratio）や表面性状のアスペクト比Ｓｔｒ（texture aspect ratio）なども使用可能である。
【0020】
上記、本実施形態において使用される３次元表面性状パラメータを、図２に示す。図２の表記は、非特許文献２のISO25178-2に準拠するものである。なお、本実施形態では、それぞれの３次元表面性状パラメータと、積層造形物の相対密度との相関関係を示したが、複数の３次元表面性状パラメータを組み合わせることでさらに造形密度との相関を高めることができる。例えば、造形密度との正の相関と負の相関とを組み合わせてもよい。
【0021】
＜３次元表面性状パラメータによる造形密度評価＞
図３Ａは、本実施形態に係る積層造形物の品質評価方法の手順を示すフローチャートである。
図３Ａは、本実施形態に係る積層造形物の品質評価方法の手順を示すフローチャートである。
【0022】
積層造形物の品質評価においては、まず、ステップＳ３０１において、３次元点群データを取得する。本実施形態の３次元点群データは、積層造形物を造形する場合の、造形物の表面、各層の造形表面、あるいは、各層のパウダーベッドの表面をカメラで撮像して、表面上の各点を、(x,y)座標と高さ方向のz座標として表したものである。
【0023】
次に、ステップＳ３０３において、取得した３次元点群データから３次元表面性状パラメータを算出する。ここで３次元表面性状パラメータは、国際規格（ISO25178）で定義された表面粗さを表現するためのパラメータである（非特許文献２参照）。本実施形態においては、積層造形の表面性状から造形物の相対密度を予測する好適な３次元表面性状パラメータとして、表面の最小自己相関長さＳａｌ、Ｓｄａ、Ｓｈａ、Ｓｄｖ、Ｓｍｒ２を選定した。
【0024】
ステップＳ３０５においては、算出された３次元表面性状パラメータに基づいて、造形物の相対密度を予測する。なお、算出された３次元表面性状パラメータの値と造形された造形物の相対密度との相対関係は、積層造形した造形物から測定した相対密度と、その造形中あるいは造形後の３次元表面性状パラメータの値とから記憶しておく。
【0025】
ステップＳ３０７においては、３次元表面性状パラメータに基づいて予測された造形密度により造形品質を評価する。かかる造形密度の予測値は、造形後の造形物の造形密度が所望の密度で成形されているか否かの評価となる。また、造形密度の予測値が、造形物が必要とする相対密度を下回ると予測された場合には、造形条件、特にレーザ強度や走査速度によるエネルギー密度の調整を行うために使用されてよい。その場合には、あらかじめレーザ強度と走査速度との組み合わせによる相対密度のプロセスマップを準備して、調整方法を選択するのが望ましい。
【0026】
本実施形態によれば、造形密度との相関関係がより高い評価基準を用いるので、造形品質を効率的に高めることができる。すなわち、造形物の表面性状パラメータのうち、内部欠陥と相関の高い表面性状パラメータを見出し、これらの相関の高いパラメータを評価指標として、造形途中に取得する造形面の点郡データから、造形途中の段階で密度を推定し、造形物の欠陥を予測する。
【0027】
＜沈み込み量による造形密度評価＞
図３Ｂは、本実施形態に係る積層造形物の品質評価方法の他の手順を示すフローチャートである。図３Ｂは、沈み込み量による造形密度評価の手順を示す。造形密度は、レーザで溶融凝固した造形部分が溶融凝固しない部分からの沈み込み量が多いほど空隙が少ないので高いと予測することができる。なお、図３Ｂにおいて、図３Ａと同様のステップには同じステップ番号を付して、重複する説明を省略する。
図３Ｂは、本実施形態に係る積層造形物の品質評価方法の他の手順を示すフローチャートである。図３Ｂは、沈み込み量による造形密度評価の手順を示す。造形密度は、レーザで溶融凝固した造形部分が溶融凝固しない部分からの沈み込み量が多いほど空隙が少ないので高いと予測することができる。なお、図３Ｂにおいて、図３Ａと同様のステップには同じステップ番号を付して、重複する説明を省略する。
【0028】
ステップＳ３１３において、取得した３次元点群データから造形部分の沈み込み量を算出する。沈み込み量は、例えば、パウダー散布表面の平均高さから下方の谷部分の最大深さとして求めることができる。あるいは、極端な谷を削除した平均深さとして求めることもできる。また、計算量を削減するために、一方向の一断面から算出した谷面積や平均深さでもよい。
【0029】
ステップＳ３１５においては、算出された沈み込み量に基づいて、造形物の相対密度を予測する。なお、算出された沈み込み量と造形された造形物の相対密度との相対関係は、造形材料の種類や造形条件などのパラメータを考慮しながら、積層造形した造形物から測定した相対密度と、その造形中あるいは造形後の沈み込み量とから記憶しておく。
【0030】
なお、上記実施形態では、表面性状パラメータによる造形密度の予測と、沈み込み量による造形密度の予測とを独立して説明した。しかしながら、両方の予測を組み合わせても、一方の予測を他方の予測で補ってもよく、造形密度の予測の信頼性を高めることができる。
【0031】
［第２実施形態］
次に、第１実施形態の３次元表面性状パラメータを用いた、第２実施形態に係る積層造形装置について説明する。
次に、第１実施形態の３次元表面性状パラメータを用いた、第２実施形態に係る積層造形装置について説明する。
【0032】
＜積層造形技術の展望＞
図４Ａは、本実施形態に係る積層造形技術４００について説明する図である。
図４Ａは、本実施形態に係る積層造形技術４００について説明する図である。
【0033】
積層造形技術４００としては、高精度で高品質の造形物を積層造形するために、設計データや造形条件データの生成技術４０１と、高度モニタリング・フィードバック制御技術４０２とが研究開発されている。
【0034】
これら技術を向上させるため、積層造形時および造形後の表面観察４０３と、積層造形物の表面欠陥観察および内部欠陥観察４０４と、溶解凝固現象の解明４０５と、が行われる。表面観察４０３には、パウダーベッド表面の性状観察と造形表面の性状観察とが含まれる。また、溶解凝固現象の解明４０５には、メルトプール温度や形態の観察とスパッタリング観察が含まれる。そして、高度モニタリング・フィードバック制御技術４０２では、例えば、観察結果あるいは解明結果の機械学習に基づいて、欠陥予測を伴う処理４２１と実際の欠陥検出を伴う処理４２２とを含む。
【0035】
本実施形態に係る３次元表面性状パラメータの算出は、積層造形時および造形後の表面観察４０３に関連する技術である。そして、積層造形時および造形後の表面観察４０３は、静的には設計データや造形条件データの生成技術４０１へのフィードバックを行いその向上にも貢献する。さらに、本実施形態においては、積層造形時および造形後の表面観察４０３による欠陥予測を、積層造形時におけるリアルタイムの最適条件自動変換に結び付けることができた。特に、欠陥予測として、積層造形物の品質として重要である造形密度を予測して、造形物の相対密度が所定範囲内（一般的には99.0％以上、造形物の種類によってはそれ以上）に入るように最適条件の自動変換を行う。
【0036】
なお、造形物の相対密度に大きな影響を与えるパラメータとしては溶融表面のエネルギー密度があり、レーザ出力と走査速度とハッチディスタンス、積層ピッチに関連するパラメータである。本実施形態では、積層造形中のパウダーベッド表面や造形表面の性状観察に基づき、造形物の造形密度を予測し、レーザ出力や走査速度の最適制御を行うことにより造形品質を高めることができる。
【0037】
【0038】
（構成）
図４Ｂは、本実施形態に係る積層造形システム４１０の構成を示すブロック図である。
図４Ｂは、本実施形態に係る積層造形システム４１０の構成を示すブロック図である。
【0039】
積層造形システム４１０は、情報処理装置４２０と積層造形装置４３０とを備える。なお、情報処理装置４２０は積層造形装置４３０内に搭載されて、１つの装置として実現されてもよい。あるいは、情報処理装置４２０を複数の処理機能に分けて複数の装置として実現してもよい。
【0040】
積層造形装置４３０は、造形表面に敷き詰めた材料粉末を溶融して造形物を凝固させるレーザを走査しながら発振するレーザ照射ユニット４１１と、パウダーベッド表面や造形表面を撮像するカメラ４１２と、を備える。また、積層造形装置４３０は、造形物が積層造形される造形台４１３と、材料粉末を造形面上に敷き詰める粉末積層機構４１４および４１５と、を備える。なお、図４Ｂの積層造形装置４３０には、本実施形態における情報処理装置４２０による制御に関連する部分を説明し、他の説明を省略する。
【0041】
情報処理装置４２０は、積層造形装置４３０における積層造形物の造形を制御する。本実施形態において、情報処理装置４２０は、積層造形中にカメラ４１２により撮像されたパウダーベッド表面や造形表面の画像データを取得して、３次元点群データを生成する。次に、情報処理装置４２０は、造形範囲内の３次元点群データに基づいて、造形密度を予測可能な少なくとも１つの３次元表面性状パラメータを算出する。次に、情報処理装置４２０は、算出された３次元表面性状パラメータを用いて、あらかじめ学習した３次元表面性状パラメータと造形密度との相関関係から、造形密度を予測する。そして、情報処理装置４２０は、造形密度が造形物の品質基準を満たすか否かを判断して、造形物の品質基準を満たしそうにない、あるいは、このままでは満たさない可能性が高い場合、造形密度を高くするように溶融表面のエネルギー密度をレーザ調整部により調整する。エネルギー密度の調整は、レーザ出力と走査速度との組合せで行う。
【0042】
なお、３次元点群データは、オプショナルとして点群データ算出装置４４０で算出して、情報処理装置４２０が取得する構成であってもよい。さらに、算出時間を短縮するために、３次元表面性状パラメータの算出を情報処理装置４２０の外部で高速に行う構成にしてもよい。
【0043】
また、造形物が積層造形される造形台４１３と、材料粉末を造形面上に敷き詰める粉末積層機構４１４および４１５との制御も、造形密度に影響するが、基本的には設計データや造形条件データとしてあらかじめ設定されることが多いので、その制御については省略する。例えば、１層の厚さや、敷き詰めた材料粉末の密度を制御してもよい。
【0044】
（動作手順）
図４Ｃは、本実施形態に係る積層造形システム４１０の動作手順を示すフローチャートである。
図４Ｃは、本実施形態に係る積層造形システム４１０の動作手順を示すフローチャートである。
【0045】
積層造形システム４１０は、ステップＳ４０１において、造形表面に敷き詰められた材料粉末にレーザ照射ユニット４１１からレーザを照射して、１層の造形面を形成する。積層造形システム４１０は、ステップＳ４０３において、造形面の３次元点群データを取得（生成）する。積層造形システム４１０は、ステップＳ４０５において、次の層のデータがあるか否かを判定する。次の層のデータが無ければ、積層造形システム４１０は処理を終了する。
【0046】
次の層のデータが有れば、積層造形システム４１０は、ステップＳ４０７において、３次元点群データに基づいて、造形密度を評価可能な３次元表面性状パラメータを算出する。積層造形システム４１０は、ステップＳ４０９において、算出した３次元表面性状パラメータから評価した造形密度が閾値ａ以上であるか否かを判定する。造形密度が閾値ａ未満であれば、積層造形システム４１０は、ステップＳ４１１において、造形密度を高くするための、造形条件（本実施形態では、レーザ強度と走査速度との組合せによる溶融表面のエネルギー密度）の修正を、あらかじめ準備されたプロセスマップを参照して選択する。
【0047】
造形密度が閾値ａ以上であれば、積層造形システム４１０は、ステップＳ４１３において、造形台（ベースプレート）４１３を１層厚みに対応する所定距離だけ降下する。そして、積層造形システム４１０は、ステップＳ４１５において、スキージングして材料粉末を造形面上に敷き詰める。
【0048】
【0049】
（構成）
図５は、本実施形態に係る情報処理装置４２０の構成を示すブロック図である。
図５は、本実施形態に係る情報処理装置４２０の構成を示すブロック図である。
【0050】
情報処理装置４２０は、通信制御部５０１と、撮像制御部５０２と、３次元点群データ取得部５０３と、データベースと、３次元表面性状パラメータ算出部５０５と、造形品質評価部５０６と、積層造形制御指示部５０７と、積層造形継続・中止指示部５０８と、を備える。なお、図５の情報処理装置４２０には、本実施形態に関連する機能構成を示し、他の積層造形に係る制御機能や汎用のコンピュータが実現する他の機能については省略している。例えば、設計データや造形条件データの送信や積層造形の状態の受信、あるいは、積層造形の状態を通知する表示部や、オペレータが入力指示する指示部なども備えられている。
【0051】
通信制御部５０１は、有線あるいは無線で積層造形装置４３０との通信を制御する。撮像制御部５０２は、カメラ４１２による造形表面やパウダーベッド表面の撮像を制御する。３次元点群データ取得部５０３は、カメラ４１２が撮像した造形表面やパウダーベッド表面の画像から抽出した３次元点群データを取得する。なお、３次元点群データは外部の装置から取得してもよいし、３次元点群データ取得部５０３が生成してもよい。３次元点群データは、データベース５０４に格納される。
【0052】
データベース５０４は、３次元点群データ格納部５４１と、３次元表面性状パラメータ算出式格納部５４２と、造形品質評価テーブル５４３と、を有する。３次元点群データ格納部５４１は、３次元点群データ取得部５０３からの３次元点群データを格納する。３次元点群データの履歴を使用するなら、タイムスタンプを伴って格納する。３次元表面性状パラメータ算出式格納部５４２は、３次元表面性状パラメータの算出アルゴリズムを、各３次元表面性状パラメータを識別子として格納する。造形品質評価テーブル５４３は、３次元表面性状パラメータの算出値から造形密度を予測するための、あらかじめ準備されたテーブルを格納する。さらに、予測された造形密度から造形品質を評価するテーブルを格納する。
【0053】
３次元表面性状パラメータ算出部５０５は、３次元点群データ格納部５４１に格納された３次元点群データを用いて、３次元表面性状パラメータ算出式格納部５４２に格納された算出式で３次元表面性状パラメータを算出する。造形品質評価部５０６は、造形品質評価テーブル５４３を参照して、３次元表面性状パラメータ算出部５０５により算出された造形表面やパウダーベッド表面の３次元表面性状パラメータから造形物の造形密度を予測して、その造形密度により造形物の造形品質を評価する。
【0054】
積層造形制御指示部５０７は、プロセスマップ５７１を有し、このプロセスマップ５７１を用いて造形品質評価部５０６による造形品質の評価結果に基づいて、積層造形装置４３０に対して造形制御の指示をする。すなわち、造形品質が要求品質より低い、あるいは、劣化しそうだと判断すると、造形品質を向上させる制御を指示する。本実施形態の場合は、造形密度を向上させるために、走査速度やレーザ強度を調整して溶融表面のエネルギー密度を調整する。
【0055】
積層造形継続・中止指示部５０８は、造形中止条件テーブル５８１を有し、この造形中止条件テーブル５８１の造形中止条件を満たす造形品質の評価があると、積層造形の中止を指示する。造形中止条件を満たさなければ、積層造形を継続させる。
【0056】
（造形密度評価テーブル）
図６Ａは、本実施形態に係る造形品質評価テーブル５４３の構成を示す図である。造形品質評価テーブル５４３は、造形品質評価部５０６が３次元表面性状パラメータから造形密度を予測し、予測した造形密度により造形品質を評価するために用いる。
図６Ａは、本実施形態に係る造形品質評価テーブル５４３の構成を示す図である。造形品質評価テーブル５４３は、造形品質評価部５０６が３次元表面性状パラメータから造形密度を予測し、予測した造形密度により造形品質を評価するために用いる。
【0057】
造形品質評価テーブル５４３は、３次元表面性状パラメータから造形密度を予測するための造形密度予測テーブル６１０と、予測された造形密度により造形品質を判定する造形品質判定テーブル６２０と、を有する。造形密度予測テーブル６１０は、算出した３次元表面性状パラメータ６１１に対応して、３次元表面性状パラメータと相対密度との相関を保持する相関テーブル６１２と、相関テーブル６１２を用いて予測された相対密度６１３と、を記憶する。また、造形品質判定テーブル６２０は、予測された相対密度により造形品質を判定する条件範囲６２１と、各条件範囲６２１に対応する判定結果の造形品質６２２と、を記憶する。
【0058】
ここで、造形品質６２２において、“●”は相対密度が99.7％以上の高品質を表し、“○”は相対密度が99.7％未満99.4％以上の上品質を表し、“△”は相対密度が99.4％未満99.0％以上の良品質を表している。そして、“×”は相対密度が99.0％未満の低品質を表している。しかしながら、積層造形物の用途などによって、相対密度による造形品質の判定基準は変化するので、上記条件に限定されるわけではない。
【0059】
（プロセスマップ）
図６Ｂは、本実施形態に係るプロセスマップ５７１の構成を示す図である。プロセスマップ５７１は、積層造形制御指示部５０７が予測した造形密度により判定した造形品質を高くする、あるいは、劣化しないように制御するために用いられる。
図６Ｂは、本実施形態に係るプロセスマップ５７１の構成を示す図である。プロセスマップ５７１は、積層造形制御指示部５０７が予測した造形密度により判定した造形品質を高くする、あるいは、劣化しないように制御するために用いられる。
【0060】
プロセスマップ５７１は、造形品質評価部５０６であらかじめ既知のレーザ強度(Laser Power)と走査速度(Scan Speed)との組み合わせにより積層造形した時の、３次元表面性状パラメータによる造形品質の判定結果（図６Ａの造形品質６２２に対応）をマップ化したものである。図６Ｂでは、横軸が走査速度、縦軸がレーザ強度である。
【0061】
このようなプロセスマップ５７１をあらかじめ準備して記憶しておき、実際の積層造形時に３次元表面性状パラメータによる造形品質の判定結果に基づいて、造形密度を高めるべく、あるいは、劣化を防ぐべく、走査速度やレーザ強度の制御を指示する。
【0062】
例えば、造形品質の判定結果が“△”６３１である場合、その周囲で距離の短い“●”に向けた走査速度とレーザ強度との制御が行われるのが望ましい。走査速度およびレーザ強度を共に調整するのは複雑であるため、破線矢印方向の走査速度の低下（“●”６３２）と、一点鎖線矢印方向のレーザ強度の上昇（“●”６３３）とが候補となる。また、造形品質の判定結果が“△”６３４である場合、走査速度の調整のみでは“●”には成らない可能性が高いので、レーザ強度の上昇で対応する。この場合に、例えば、“●”６３３に上昇させるよりも、さらに“●”６３５までレーザ強度を上昇した方が、造形密度が安定すると推察される。
【0063】
このようにプロセスマップ５７１を用いると、レーザ強度の値や走査速度の値などから算出された溶融表面のエネルギー密度の値により制御するよりも、装置環境や装置の周囲環境、材料粉末の状態などが影響する実際の積層造形環境において造形密度を高め、造形品質を効率的に高めることができる。
【0064】
（造形中止条件テーブル）
図６Ｃは、本実施形態に係る造形中止条件テーブル５８１の構成を示す図である。造形中止条件テーブル５８１は、積層造形継続・中止指示部５０８が積層造形装置４３０の積層造形を継続するか中止するかを判定するために使用する。
図６Ｃは、本実施形態に係る造形中止条件テーブル５８１の構成を示す図である。造形中止条件テーブル５８１は、積層造形継続・中止指示部５０８が積層造形装置４３０の積層造形を継続するか中止するかを判定するために使用する。
【0065】
造形中止条件テーブル５８１は、３次元表面性状パラメータである表面の最大山高さＳｐ(Maximum peak height：造形可能領域全面の各点における表面の最大ピーク高さ)による造形中止条件６４１と、最大高さＳｚ（Maximum height）による造形中止条件６４２と、を記憶する。そして、造形中止条件テーブル５８１は、相対密度の造形中止条件６４３と、それらの造形中止条件のいずれかを満たす場合に造形中止（×）とする判定結果６４４とを記憶する。ここで、Ｓｐが閾値α以上の場合、リコータブレードが造形面に接触する可能性があるため停止する、あるいは、部品が破壊する可能性がある。また、Ｓｚが閾値β以上の場合、リコータブレードが造形面に接触する可能性があるため停止する、あるいは、部品が破壊する可能性がある。なお、相対密度の造形中止条件６４３は、●、○および△は造形継続、×は造形中止としたが、造形物に求める品質レベルにより変化する。
【0066】
例えば、Ｓｐが394.4μm、Ｓｚが502.1μmのときに、リコータブレードが造形面に接触した例があり、Ｓｐの閾値αを350μm、Ｓｚの閾値βを500μmとすることが考えられる。
【0067】
（処理手順）
図７Ａおよび図７Ｂは、本実施形態に係る情報処理装置４２０の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、情報処理装置４２０のＣＰＵ(Central processing Unit)がＲＡＭ(Random Access Memory)を使用して実行し、図５の構成要素を実現する。
図７Ａおよび図７Ｂは、本実施形態に係る情報処理装置４２０の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、情報処理装置４２０のＣＰＵ(Central processing Unit)がＲＡＭ(Random Access Memory)を使用して実行し、図５の構成要素を実現する。
【0068】
情報処理装置４２０は、ステップＳ７０１において、設定されたエネルギー密度（レーザ強度と走査速度）で、少なくとも一層の造形を積層造形装置４３０に指示する。なお、最初の一層については、積層造形対象により初期設定される。情報処理装置４２０は、ステップＳ７０３において、造形後の造形表面の画像をカメラ４１２から取得する。情報処理装置４２０は、ステップＳ７０５において、造形表面の画像の中から造形範囲内の画像を選択する。情報処理装置４２０は造形データから造形範囲を既知である。情報処理装置４２０は、ステップＳ７０７において、造形範囲内の画像から３次元点群データを生成する。なお、外部装置で３次元点群データの生成を行う場合は、外部装置から取得する。
【0069】
情報処理装置４２０は、ステップＳ７０９において、造形範囲内の３次元点群データを全て用いて３次元表面性状パラメータを算出するか否かを判定する。造形範囲内の３次元点群データを全て用いる場合、情報処理装置４２０は、ステップＳ７１９に進む。
【0070】
造形範囲内の３次元点群データを全て用いない場合、情報処理装置４２０は、ステップＳ７１１において、造形範囲内であって特異造形範囲内の３次元点群データを用いるか否かを判定する。ここで、特異造形範囲とは、造形範囲内で他の範囲と異なる特徴を有する範囲、あるいは、造形履歴から前の積層で異常が見られた範囲などである。特異造形範囲内の３次元点群データを用いる場合、情報処理装置４２０は、ステップＳ７１３において、特異造形範囲内の３次元点群データを選別する。特異造形範囲内の３次元点群データを用いない場合、情報処理装置４２０は、ステップＳ７１５において、３次元表面性状パラメータの算出に用いる３次元点群データの選別に、今回の造形前のパウダーベッド表面の画像を参照するか否かを判定する。パウダーベッド表面の画像を参照する場合、情報処理装置４２０は、ステップＳ７１７において、パウダーベッド表面の画像における特異パウダー範囲内の３次元点群データを選別する。ここで、特異パウダー範囲とは、パウダーベッド表面が僅かに陥没していたり盛り上がっていたりした範囲である。パウダーベッド表面も異常が造形後にも影響すると思われる。なお、かかるステップＳ７１１～Ｓ７１７の処理は、３次元点群データから３次元表面性状パラメータを算出する時間の短縮を意図する処理であり、３次元表面性状パラメータの算出を外部装置で高速に実現できる場合や、３次元表面性状パラメータの算出を高速に実現できる性能を有する場合は、省略してもよい。
【0071】
情報処理装置４２０は、ステップＳ７１９において、それぞれ選別された範囲の３次元点群データから３次元表面性状パラメータを算出する。そして、情報処理装置４２０は、ステップＳ７２１において、算出した３次元表面性状パラメータを保持する。情報処理装置４２０は、ステップＳ７２３において、他に算出する３次元表面性状パラメータが有るか否かを判定する。他に算出する３次元表面性状パラメータが有る場合、情報処理装置４２０は、ステップＳ７１９に戻って、３次元表面性状パラメータの算出を繰り返す。なお、３次元表面性状パラメータによって、用いる３次元点群データが異なる場合は、ステップＳ７０９に戻ってもよい。
【0072】
情報処理装置４２０は、ステップＳ７２５において、算出された少なくとも１つの３次元表面性状パラメータを参照して、造形密度を予測する。そして、情報処理装置４２０は、ステップＳ７２７において、予測した造形密度により造形品質を評価する。情報処理装置４２０は、ステップＳ７２９において、造形中止条件テーブル５８１を参照して、造形を中止するか否かを判定する。造形中止条件を満たす場合、情報処理装置４２０は、ステップＳ７３７において、造形中止を積層造形装置４３０に指示して処理を終了する。一方、造形中止条件を満たさない場合、情報処理装置４２０は、ステップＳ７３１において、造形条件、特にエネルギー密度の調整が必要か否かを判定する。造形条件の調整が必要な場合、情報処理装置４２０は、ステップＳ７３３において、プロセスマップ５７１を参照して目標とする造形品質を得られるように、エネルギー密度（レーザ出力、走査速度）の調整を積層造形装置４３０に指示する。情報処理装置４２０は、ステップＳ７３５において、造形完了か否かを判定する。造形完了でなければ、情報処理装置４２０は、ステップＳ７０１に戻って、次の層以降の造形を繰り返す。造形完了であれば、情報処理装置４２０は処理を終了する。
【0073】
本実施形態によれば、造形物の表面性状パラメータのうち、内部欠陥と相関の高い表面性状パラメータを見出し、これらの相関の高いパラメータを評価指標として（あるいはパラメータによる凹凸を表す方法の定義として）、造形途中に取得する造形面の点郡データ（凹凸情報）から、造形途中の段階で密度を推定し、欠陥を予測する。そして、推定した密度から、リアルタイムに造形条件を変更しながら造形することで、高密度かつ欠陥の少ない造形物を作製することができる。
【0074】
また、粗大な凸形状が造形表面に生成されてもリコータブレードが接触して破損することを回避できる。粗大な凸形状が造形表面に生成され造形品質を低下させる可能性があると判定した場合でもレーザ照射条件を修正しながら造形を継続することができる。レーザ照射条件が確定していない部品形状であっても造形することができる。
【0075】
なお、本実施形態においては、造形部分の沈み込み量により造形品質（造形密度）を予測したが、パウダーベッド表面に垂直な軸方向の値に基づいて造形品質（造形密度）を予測することもできる。また、第２実施形態の積層造形装置では、３次元表面性状パラメータを用いる例を示したが、造形部分の沈み込み量、あるいは、３次元表面性状パラメータと沈み込み量とを組み合わせた積層造形装置も可能であり、より精度のよい品質管理が可能となる。
【実施例】
【0076】
＜第１実施例＞
３次元光学プロファイラによる表面性状の画像から、造形表面のエネルギー密度を変えた場合の、それぞれの造形試験品の相対密度と、本実施形態に係る３次元表面性状パラメータを算出した。
３次元光学プロファイラによる表面性状の画像から、造形表面のエネルギー密度を変えた場合の、それぞれの造形試験品の相対密度と、本実施形態に係る３次元表面性状パラメータを算出した。
【0077】
（造形試験品）
本実施例で試験のために造形した試験片は、立方体（１０mm×１０mm×１０mm）であり、積層ピッチは０．０５mmとした。また、ハッチディスタンス（ハッチピッチ）は、０．１０mmとした。
本実施例で試験のために造形した試験片は、立方体（１０mm×１０mm×１０mm）であり、積層ピッチは０．０５mmとした。また、ハッチディスタンス（ハッチピッチ）は、０．１０mmとした。
【0078】
（表面性状の測定方法）
積層造形後の試験片の最表面（上面）を光学式非接触により三次元表面性状を点群データとして計測し、計測した三次元表面データを用いて、ISO25178-2に規定されている三次元表面性状パラメータを算出した。測定装置として、３次元光学プロファイラ NewView9000（Zygo製）を用いた。表面画像の分解能は、ｘ，ｙ＝０．９５μm、ｚ＝０．０１nmである。
積層造形後の試験片の最表面（上面）を光学式非接触により三次元表面性状を点群データとして計測し、計測した三次元表面データを用いて、ISO25178-2に規定されている三次元表面性状パラメータを算出した。測定装置として、３次元光学プロファイラ NewView9000（Zygo製）を用いた。表面画像の分解能は、ｘ，ｙ＝０．９５μm、ｚ＝０．０１nmである。
【0079】
（相対密度の測定方法：アルキメデス法）
積層造形後の試験片をベースプレートから取り外し、サポートを除去した後、アルキメデス法により密度を測定した。測定した密度に対し、真密度を8.15g/cm3として相対密度を算出した。比重測定装置には、分析天秤AP224X、比重測定キットSMK-601（島津製作所製）を用いた。
積層造形後の試験片をベースプレートから取り外し、サポートを除去した後、アルキメデス法により密度を測定した。測定した密度に対し、真密度を8.15g/cm3として相対密度を算出した。比重測定装置には、分析天秤AP224X、比重測定キットSMK-601（島津製作所製）を用いた。
【0080】
その結果の造形表面のエネルギー密度と相対密度とその評価結果を、表１に示す。
【表1】
【0081】
図８は、第１実施例に係る造形表面のエネルギー密度と相対密度との関連を示すグラフ８００である。図８は、表１に基づいて生成した。図８からは、相対密度の高い品質を得るためには、適切なエネルギー密度（例えば、３４．０～、好ましくは４１．０～５７．０J/mm3の範囲、より好ましくは、４３．０～５３．０J/mm3の範囲が必要であることが分かる。
【0082】
【0083】
【0084】
図１０Ａは、第１実施例に係る相対密度とＳａｌとの関連を示すグラフ１０１０である。図１０Ａから、相対密度とＳａｌとは正の相関関係にあることが分かる。また、図１０Ａから、Ｓａｌの値がある値（例えば、0.15mm）より小さくなると相対密度は低くなる傾向にあることが分かる。したがって、造形物表面のＳａｌの値から造形物の相対密度を予測することができる。
【0085】
図１０Ｂは、第１実施例に係る相対密度とＳｄａとの関連を示すグラフ１０２０である。図１０Ｂから、相対密度とＳｄａとは正の相関関係にあることが分かる。また、図１０Ｂから、Ｓｄａの値がある値（例えば、0.025mm2）より小さくなると相対密度は低くなる傾向にあることが分かる。したがって、造形物表面のＳｄａの値から造形物の相対密度を予測することができる。
【0086】
図１０Ｃは、第１実施例に係る相対密度とＳｈａとの関連を示すグラフ１０３０である。図１０Ｃから、相対密度とＳｄａとは正の相関関係にあることが分かる。また、図１０Ｃから、Ｓｈａの値がある値（例えば、0.030mm2）より小さくなると相対密度は低くなる傾向にあることが分かる。したがって、造形物表面のＳｈａの値から造形物の相対密度を予測することができる。
【0087】
図１０Ｄは、第１実施例に係る相対密度とＳｄｖとの関連を示すグラフ１０４０である。図１０Ｄから、相対密度とＳｄｖとは正の相関関係にあることが分かる。また、図１０Ｄから、Ｓｄｖの値がある値（例えば、0.000039mm3）より小さくなると相対密度は低くなる傾向にあることが分かる。したがって、造形物表面のＳｄｖの値から造形物の相対密度を予測することができる。
【0088】
図１０Ｅは、第１実施例に係る相対密度とＳｍｒ２との関連を示すグラフ１０５０である。図１０Ｅから、相対密度とＳｍｒ２とは正の相関関係にあることが分かる。また、図１０Ｄから、Ｓｍｒ２の値がある値（例えば、88.0％）より小さくなると相対密度は低くなる傾向にあることが分かる。したがって、造形物表面のＳｍｒ２の値から造形物の相対密度を予測することができる。
【0089】
図１０Ｆは、第１実施例に係る相対密度とＳｄｒとの関連を示すグラフ１０６０である。図１０Ｆから、相対密度とＳｄｒとは負の相関関係にあることが分かる。また、図１０Ｆから、Ｓｄｒの値がある値（例えば、55.0％）より大きくなると相対密度は低くなる傾向にあることが分かる。したがって、造形物表面のＳｄｒの値から造形物の相対密度を予測することができる。
【0090】
図１０Ｇは、第１実施例に係る相対密度とＳｔｒとの関連を示すグラフ１０７０である。図１０Ｇから、相対密度とＳｔｒとは負の相関関係にあることが分かる。また、図１０Ｇから、Ｓｔｒの値がある値（例えば、0.59）より大きくなると相対密度は低くなる傾向にあることが分かる。したがって、造形物表面のＳｔｒの値から造形物の相対密度を予測することができる。
【0091】
＜第２実施例＞
レイヤモニタリングによる表面性状の画像から、造形表面のエネルギー密度を変えた場合の、それぞれの造形試験品の相対密度と、本実施形態に係る３次元表面性状パラメータを算出した。なお、レイヤモニタリング時の表面画像の分解能は、ｘ、ｙ＝８０μm、ｚ＝１０または３０μmである。なお、造形表面のエネルギー密度と相対密度との関係は、第１実施例と同様である。
レイヤモニタリングによる表面性状の画像から、造形表面のエネルギー密度を変えた場合の、それぞれの造形試験品の相対密度と、本実施形態に係る３次元表面性状パラメータを算出した。なお、レイヤモニタリング時の表面画像の分解能は、ｘ、ｙ＝８０μm、ｚ＝１０または３０μmである。なお、造形表面のエネルギー密度と相対密度との関係は、第１実施例と同様である。
【0092】
図１１Ａは、第２実施例に係るレイヤモニタリングによる造形領域の表面性状の画像例１１０１、１１０２を示す図である。
【0093】
図１１Ｂは、第２実施例に係るレイヤモニタリングによる表面性状の画像１１０３を示す図である。図１１Ｂに示すように、Cube試験片の周囲には走査速度が低下してエネルギー密度が高くなるため、凸部分が発生する。そのため、（１０mm×１０mm）のCube試験片の表面画像の内、中心部の（６mm×６mm）の画像を切り出して、その点群データに基づいて３次元表面性状パラメータを算出した。
【0094】
かかる表面性状から算出された本実施例に係る３次元表面性状パラメータを、表３に示す。
【表3】
【0095】
【0096】
図１２Ａは、第２実施例に係る相対密度とＳａｌとの関連を示すグラフ１２１０である。図１２Ａから、相対密度とＳａｌとは略正の相関関係にあることが分かる。また、図１２Ａから、Ｓａｌの値がある値（例えば、0.30mm）より小さくなると相対密度が低くなる場合があることが分かる。したがって、レイヤー表面のＳａｌの値から造形物の相対密度の低下を予測することができる。
【0097】
図１２Ｂは、第２実施例に係る相対密度とＳｄａとの関連を示すグラフ１２２０である。図１２Ｂから、相対密度とＳｄａとは略正の相関関係にあることが分かる。また、図１２Ｂから、Ｓｄａの値がある値（例えば、0.580mm2）より小さくなると相対密度が低くなる場合があることが分かる。したがって、レイヤー表面のＳｄａの値から造形物の相対密度の低下を予測することができる。
【0098】
図１２Ｃは、第２実施例に係る相対密度とＳｈａとの関連を示すグラフ１２３０である。図１２Ｃから、相対密度とＳｈａとは略正の相関関係にあることが分かる。また、図１２Ｃから、Ｓｈａの値がある値（例えば、0.520mm2）より小さくなると相対密度が低くなる場合があることが分かる。したがって、レイヤー表面のＳｈａの値から造形物の相対密度の低下を予測することができる。
【0099】
図１２Ｄは、第２実施例に係る相対密度とＳｄｖとの関連を示すグラフ１２４０である。図１２Ｄから、相対密度とＳｄｖとは略正の相関関係にあることが分かる。また、図１２Ｄから、Ｓｄｖの値がある値（例えば、0.001mm3）より小さくなると相対密度が低くなる場合があることが分かる。したがって、レイヤー表面のＳｄｖの値から造形物の相対密度の低下を予測することができる。
【0100】
図１２Ｅは、第２実施例に係る相対密度とＳｍｒ２との関連を示すグラフ１２５０である。図１２Ｅから、相対密度とＳｍｒ２とは略正の相関関係にあることが分かる。また、図１２Ｅから、Ｓｍｒ２の値がある値（例えば、90.1％）より小さくなると相対密度が低くなる場合があることが分かる。したがって、レイヤー表面のＳｍｒ２の値から造形物の相対密度の低下を予測することができる。
【0101】
このように、Ｓａｌ、Ｓｄａ、Ｓｈａ、ＳｄｖおよびＳｍｒ２を、造形物の相対密度の低下を評価する指標として使用できることが分かる。
【0102】
【0103】
このように、第２実施例の結果に基づいて生成されたプロセスマップ１３１０を、積層造形装置の情報処理装置内に準備することによって，少なくとも１層を造形した後に撮像した表面画像から点群データを生成する。そして、生成された点群データから適切な３次元表面性状パラメータを算出する。この３次元表面性状パラメータにもとづいて、造形密度を予測して造形密度を造形物に必要とされる造形密度となるように制御することができる。例えば、必要とされる造形密度以上に安定していればそのまま造形を続け、造形密度の低下が予測されれば、同条件で再溶融させる、あるいはレーザ出力や走査速度を、造形密度を上げるように調整する。必要とされる造形密度以上であっても、造形密度が不安定と予測されれば、造形密度が安定するレベルに遷移させる。
【0104】
（詳細なエネルギー密度と造形物の相対密度との測定例）
さらに詳細なエネルギー密度と造形物の相対密度とその評価結果を、表４に示す。
さらに詳細なエネルギー密度と造形物の相対密度とその評価結果を、表４に示す。
【表4】
【0105】
【0106】
プロセスマップ１３３０には、プロセスマップ１３１０が含まれている。例えば、プロセスマップ１３３０においては、プロセスマップ１３１０の範囲内に有る場合は、上記図１３Ａで説明したような、レーザ出力と走査速度との制御が行われる。しかしながら、例えば、プロセスマップ１３３０の部分マップ１３３１に入ると、その範囲内の●で安定するようにレーザ出力と走査速度との制御が行われる。また、造形速度が要求される場合には、プロセスマップ１３１０の範囲内で制御し、品質安定が要求される場合には、●の範囲が広い部分マップ１３３１の範囲内で制御してもよい。
【0107】
図１３Ａから図１３Ｃに示したプロセスマップの例は、これらに限定されず、実施例１および実施例２のような積層造形試験を繰り返して、データ収集することで、より好適な相対密度の推定と、相対密度の推定に基づくエネルギー密度の制御が可能になる。
【0108】
＜第４実施例＞
以下、第４実施例により、沈み込み量と造形密度とに相関関係があって、沈み込み量から造形密度が予測できることを説明する。
以下、第４実施例により、沈み込み量と造形密度とに相関関係があって、沈み込み量から造形密度が予測できることを説明する。
【0109】
（沈み込み量の測定）
図１４は、第４実施例に係る沈み込み量の測定を説明する図である。図１４に示す１層の造形において、２０個の造形試験片中、試験片１４０１は沈み込み量が少なく、試験片１４０２は沈み込み量が多い。なお、造形試験片の造形条件は、第１および第２実施例と同様に、レ―ザ出力と走査速度を変化させてエネルギー密度を変化させたのみである。
図１４は、第４実施例に係る沈み込み量の測定を説明する図である。図１４に示す１層の造形において、２０個の造形試験片中、試験片１４０１は沈み込み量が少なく、試験片１４０２は沈み込み量が多い。なお、造形試験片の造形条件は、第１および第２実施例と同様に、レ―ザ出力と走査速度を変化させてエネルギー密度を変化させたのみである。
【0110】
（沈み込み量と造形密度との相関）
図１５は、第４実施例に係る沈み込み量の測定結果を示す図である。
図１５は、第４実施例に係る沈み込み量の測定結果を示す図である。
【0111】
図１５の各Cube試験片表面において、右側のグラフは、Cube試験片表面の一断面の輪郭曲線を示しており，パウダーベッド表面からCube試験片を横断した一断面である。Cube試験片Ｂ１（１５０１）からCube試験片Ｂ５（１５０５）へ行くに従い、造形密度が高くなり、その場合のパウダーベッド表面と比べ沈み込み量も大きくなっている。なお、このように沈み込み量と造形密度とが相関を有する理由は，造形密度が高く成形されると内部に空隙が残らない分沈み込むと推測される。
【0112】
本実施例のエネルギー密度と造形物の相対密度とその評価結果を、表５に示す。
【表5】
【0113】
表５の条件における、沈み込み量に関連する積層表面の３次元点群データに基づく３次元表面性状パラメータの値を、表６に示す。
【表6】
【0114】
図１６は、実施例に係る相対密度とＳｚとの相関結果を示すグラフである。図１６において、Ｓｚが大きくなるにつれて造形物の相対密度が高くなる傾向が分かる。例えば、相対密度が99.5%未満における沈み込み量は，相対密度が99.5%以上となる沈み込み量と比べて小さい。したがって、Ｓｚに対応する沈み込み量が大きくなるにつれて造形物の相対密度が高くなることが示される。
【0115】
図１７は、本実施例に係る沈み込み量の算出方法を説明する図である。（１） 試験片B1～B5のY方向の全プロファイル１７１０を抜き出す。（２） 全プロファイルに基づいて、平均プロファイル１７２０を作成する。（３） 平均プロファイル１７２０から、パウダーベッド表面の高さと、造形面の高さとの差を、沈み込み量として算出する。
【0116】
【0117】
図１８は、表７に基づく、本実施例に係る相対密度と沈み込み量との相関結果を示すグラフである。図１８において、算出された沈み込み量が大きくなるにつれて造形物の相対密度が高くなることが示される。したがって、沈み込み量を観察することによって造形物の相対密度を予測し、レーザ出力や走査速度を制御してエネルギー密度を変化させることにより、造形品質を効率的に高めることができる。
【0118】
＜第５実施例＞
図１９は、第５実施例として、新たに見つかった造形物の相対密度の予測に使用可能な３次元表面性状パラメータを示す図である。なお、図１９の表記は、非特許文献２のISO25178-2および非特許文献３のJIS B 0681-2に準拠するものである。また、本実施例においては、３次元表面性状パラメータと相対密度との相関関係を評価する相関係数として、非線形な関係にある２変数間の相関についてＭＩＣ（Maximal Information Coefficient）を用いて検定した（非特許文献４参照）。そして、ＭＩＣの値が相対的に高い、例えばＭＩＣが0.65以上の３次元表面性状パラメータを、図１９に示した造形物の相対密度の予測に使用可能な３次元表面性状パラメータとして抽出した。
図１９は、第５実施例として、新たに見つかった造形物の相対密度の予測に使用可能な３次元表面性状パラメータを示す図である。なお、図１９の表記は、非特許文献２のISO25178-2および非特許文献３のJIS B 0681-2に準拠するものである。また、本実施例においては、３次元表面性状パラメータと相対密度との相関関係を評価する相関係数として、非線形な関係にある２変数間の相関についてＭＩＣ（Maximal Information Coefficient）を用いて検定した（非特許文献４参照）。そして、ＭＩＣの値が相対的に高い、例えばＭＩＣが0.65以上の３次元表面性状パラメータを、図１９に示した造形物の相対密度の予測に使用可能な３次元表面性状パラメータとして抽出した。
【0119】
抽出された造形物の相対密度の予測に使用可能な３次元表面性状パラメータは、突出谷部深さ（Ｓｖｋ（μｍ））、コア部のレベル差（Ｓｋ（μｍ））、二乗平均平方根高さ（Ｓｑ（μｍ））、二乗平均平方根勾配（Ｓｄｑ）、切断レベル差（Ｓｘｐ（μｍ））、コア部空間体積（Ｖｖｃ（ｍｍ3/ｍｍ2））、突出谷部空間体積（Ｖｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2））、実体体積（Ｖｍ（ｍｍ3/ｍｍ2））、突出山部実体体積（Ｖｍｐ（ｍｍ3/ｍｍ2））、空間体積（Ｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2））、である。
【0120】
（第５実施例の実験条件）
第５実施例で積層造形に使用した材料粉末は、第１実施例～第４実施例と同様である。また、第５実施例における積層造形装置や積層造形条件は、第１実施例～第４実施例と同様であるため、重複する記載は避ける。
第５実施例で積層造形に使用した材料粉末は、第１実施例～第４実施例と同様である。また、第５実施例における積層造形装置や積層造形条件は、第１実施例～第４実施例と同様であるため、重複する記載は避ける。
【0121】
（第５実施例の実験結果値）
以下、表８～表１３に、実施例５０１から実施例５８８の実験結果の数値を示す。表８、表１０および表１２は、積層造形条件を変えた場合の相対密度と、判定結果とを示す。表９、表１１および表１３は、同じ実施例における使用可能な３次元表面性状パラメータの値を示す。
以下、表８～表１３に、実施例５０１から実施例５８８の実験結果の数値を示す。表８、表１０および表１２は、積層造形条件を変えた場合の相対密度と、判定結果とを示す。表９、表１１および表１３は、同じ実施例における使用可能な３次元表面性状パラメータの値を示す。
【0122】
表８、表１０および表１２には、各実施例における、レーザ出力、レーザの走査速度、ハッチ距離、積層厚さ、エネルギー密度、の積層造形条件パラメータが記載されている。そして、それらの積層造形条件パラメータにおける積層造形物の相対密度と、品質の判定結果が記載されている。なお、品質の判定結果を表す記号は、第１実施例～第４実施例と同様である。
【0123】
表９、表１１および表１３には、表８、表１０および表１２のそれぞれの実施例における３次元表面性状パラメータの値が記載されている。本実施例で算出された３次元表面性状パラメータは、図１９に示した１０種類である。
【0124】
【表8】
【0125】
【表9】
【0126】
【表10】
【0127】
【表11】
【0128】
【表12】
【0129】
【表13】
【0130】
（抽出された３次元表面性状パラメータと相対密度との相関関係）
次に表８～表１３に示した実験結果から相対密度（％）と各３次元表面性状パラメータとの相関を示すグラフと、ＭＩＣによる相関係数の値を示す。
次に表８～表１３に示した実験結果から相対密度（％）と各３次元表面性状パラメータとの相関を示すグラフと、ＭＩＣによる相関係数の値を示す。
【0131】
図２０Ａは、積層造形物の相対密度（％）と３次元表面性状パラメータＳｖｋ（μｍ）との関連を示すグラフ２０１０である。相対密度（％）とＳｖｋ（μｍ）とのＭＩＣは、０．８０６である。相対密度とＳｖｋとは略負の相関関係にあることが分かる。また、図２０Ａから、Ｓｖｋの値がある値（例えば、１３．７μｍ）より大きくなると相対的に密度が低くなる場合があることが分かる。したがって、レイヤー表面のＳｖｋの値から造形物の相対密度の低下を予測することができる。
【0132】
図２０Ｂは、積層造形物の相対密度（％）と３次元表面性状パラメータＳｋ（μｍ）との関連を示すグラフ２０２０である。相対密度（％）とＳｋ（μｍ）とのＭＩＣは、０．７８３である。相対密度とＳｋとは略負の相関関係にあることが分かる。また、図２０Ｂから、Ｓｋの値がある値（例えば、２６．５μｍ）より大きくなると相対的に密度が低くなる場合があることが分かる。したがって、レイヤー表面のＳｋの値から造形物の相対密度の低下を予測することができる。
【0133】
図２０Ｃは、積層造形物の相対密度（％）と３次元表面性状パラメータＳｑ（μｍ）との関連を示すグラフ２０３０である。相対密度（％）とＳｑ（μｍ）とのＭＩＣは、０．７６４である。相対密度とＳｑとは略負の相関関係にあることが分かる。また、図２０Ｃから、Ｓｑの値がある値（例えば、１７．３μｍ）より大きくなると相対的に密度が低くなる場合があることが分かる。したがって、レイヤー表面のＳｑの値から造形物の相対密度の低下を予測することができる。
【0134】
図２０Ｄは、積層造形物の相対密度（％）と３次元表面性状パラメータＳｄｑとの関連を示すグラフ２０４０である。相対密度（％）とＳｄｑとのＭＩＣは、０．７６１である。相対密度とＳｄｑとは略負の相関関係にあることが分かる。また、図２０Ｄから、Ｓｄｑの値がある値（例えば、１．１７）より大きくなると相対的に密度が低くなる場合があることが分かる。したがって、レイヤー表面のＳｄｑの値から造形物の相対密度の低下を予測することができる。
【0135】
図２０Ｅは、積層造形物の相対密度（％）と３次元表面性状パラメータＳｘｐ（μｍ）との関連を示すグラフ２０５０である。相対密度（％）とＳｘｐ（μｍ）とのＭＩＣは、０．７０８である。相対密度とＳｘｐとは略負の相関関係にあることが分かる。また、図２０Ｅから、Ｓｘｐの値がある値（例えば、３１．７μｍ）より大きくなると相対的に密度が低くなる場合があることが分かる。したがって、レイヤー表面のＳｘｐの値から造形物の相対密度の低下を予測することができる。
【0136】
図２０Ｆは、積層造形物の相対密度（％）と３次元表面性状パラメータＶｖｃ（ｍｍ3/ｍｍ2）との関連を示すグラフ２０７０である。相対密度（％）とＶｖｃ（ｍｍ3/ｍｍ2）とのＭＩＣは、０．６９２である。相対密度とＶｖｃとは略負の相関関係にあることが分かる。また、図２０Ｇから、Ｖｖｃの値がある値（例えば、０．０１９９ｍｍ3/ｍｍ2）より大きくなると相対的に密度が低くなる場合があることが分かる。したがって、レイヤー表面のＶｖｃの値から造形物の相対密度の低下を予測することができる。
【0137】
図２０Ｇは、積層造形物の相対密度（％）と３次元表面性状パラメータＶｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2）との関連を示すグラフ２０８０である。相対密度（％）とＶｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2）とのＭＩＣは、０．６８７である。相対密度とＶｖｖとは略負の相関関係にあることが分かる。また、図２０Ｈから、Ｖｖｖの値がある値（例えば、０．００１７９ｍｍ3/ｍｍ2）より大きくなると相対的に密度が低くなる場合があることが分かる。したがって、レイヤー表面のＶｖｖの値から造形物の相対密度の低下を予測することができる。
【0138】
図２０Ｈは、積層造形物の相対密度（％）と３次元表面性状パラメータＶｍ（ｍｍ3/ｍｍ2）との関連を示すグラフ２０９０である。相対密度（％）とＶｍ（ｍｍ3/ｍｍ2）とのＭＩＣは、０．６８５である。相対密度とＶｍとは略負の相関関係にあることが分かる。また、図２０Ｉから、Ｖｍの値がある値（例えば、０．０００７９９ｍｍ3/ｍｍ2）より大きくなると相対的に密度が低くなる場合があることが分かる。したがって、レイヤー表面のＶｍの値から造形物の相対密度の低下を予測することができる。
【0139】
図２０Ｉは、積層造形物の相対密度（％）と３次元表面性状パラメータＶｍｐ（ｍｍ3/ｍｍ2）との関連を示すグラフ２１００である。相対密度（％）とＶｍｐ（ｍｍ3/ｍｍ2）とのＭＩＣは、０．６８５である。相対密度とＶｍｐとは略負の相関関係にあることが分かる。また、図２０Ｊから、Ｖｍｐの値がある値（例えば、０．０００７９９ｍｍ3/ｍｍ2）より大きくなると相対的に密度が低くなる場合があることが分かる。したがって、レイヤー表面のＶｍｐの値から造形物の相対密度の低下を予測することができる。
【0140】
図２０Ｊは、積層造形物の相対密度（％）と３次元表面性状パラメータＶｖ（ｍｍ3/ｍｍ2）との関連を示すグラフ２１１０である。相対密度（％）とＶｖ（ｍｍ3/ｍｍ2）とのＭＩＣは、０．６８４である。相対密度とＶｖとは略負の相関関係にあることが分かる。また、図２０Ｋから、Ｖｖの値がある値（例えば、０．０２２１ｍｍ3/ｍｍ2）より大きくなると相対的に密度が低くなる場合があることが分かる。したがって、レイヤー表面のＳｖｋの値から造形物の相対密度の低下を予測することができる。
【0141】
本実施例によれば、突出谷部深さ（Ｓｖｋ（μｍ））、コア部のレベル差（Ｓｋ（μｍ））、二乗平均平方根高さ（Ｓｑ（μｍ））、二乗平均平方根勾配（Ｓｄｑ）、切断レベル差（Ｓｘｐ（μｍ））、コア部空間体積（Ｖｖｃ（ｍｍ3/ｍｍ2））、突出谷部空間体積（Ｖｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2））、実体体積（Ｖｍ（ｍｍ3/ｍｍ2））、突出山部実体体積（Ｖｍｐ（ｍｍ3/ｍｍ2））、空間体積（Ｖｖ（ｍｍ3/ｍｍ2））も、造形物の相対密度の予測に使用可能な３次元表面性状パラメータであることが分かった。
【0142】
なお、本実施例により選別された３次元表面性状パラメータは、図３Ａに図示の積層造形物の品質評価方法の手順に適用できる。本実施例により選別された３次元表面性状パラメータは、また、図４Ｂに図示の積層造形システムにおいて積層造形物の造形に使用可能である。
【0143】
（Ｓｐの値）
以下、表１４に、実施例５０１から実施例５８８の実験結果に基づいて算出した、３次元表面性状パラメータＳｐ（μｍ）の値を示す。
以下、表１４に、実施例５０１から実施例５８８の実験結果に基づいて算出した、３次元表面性状パラメータＳｐ（μｍ）の値を示す。
【0144】
【表14】
【0145】
（抽出された３次元表面性状パラメータＳｐと相対密度との相関関係）
次に、表１４から相対密度（％）と各３次元表面性状パラメータＳｐとの相関を示すグラフと、ＭＩＣによる相関係数の値を示す。
次に、表１４から相対密度（％）と各３次元表面性状パラメータＳｐとの相関を示すグラフと、ＭＩＣによる相関係数の値を示す。
【0146】
図２０Ｋは、積層造形物の相対密度（％）と３次元表面性状パラメータＳｐ（μｍ）との関連を示すグラフ２１２０である。相対密度（％）とＳｐ（μｍ）とのＭＩＣは、０．５８７である。したがって、造形品質（造形強度）を評価する３次元表面性状パラメータとしては使用しなかった。
【0147】
［他の実施形態］
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明の技術的範囲で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の技術的範囲に含まれる。
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明の技術的範囲で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の技術的範囲に含まれる。
【0148】
また、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用されてもよいし、単体の装置に適用されてもよい。さらに、本発明は、実施形態の機能を実現する情報処理プログラムが、システムあるいは装置に供給され、内蔵されたプロセッサによって実行される場合にも適用可能である。本発明の機能をコンピュータで実現するために、コンピュータにインストールされるプログラム、あるいはそのプログラムを格納した媒体、そのプログラムをダウンロードさせるサーバも、プログラムを実行するプロセッサも本発明の技術的範囲に含まれる。特に、少なくとも、上述した実施形態に含まれる処理ステップをコンピュータに実行させるプログラムを格納した非一時的コンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）は本発明の技術的範囲に含まれる。
【0149】
この出願は、２０２０年５月２２日に出願された国際特許出願ＰＣＴ／ＪＰ２０２０／０２０４０６号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図10D】
【図10E】
【図10F】
【図10G】
【図11A】
【図11B】
【図12A】
【図12B】
【図12C】
【図12D】
【図12E】
【図13A】
【図13B】
【図13C】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20A】
【図20B】
【図20C】
【図20D】
【図20E】
【図20F】
【図20G】
【図20H】
【図20I】
【図20J】
【図20K】