JP5905060B1 - 積層造形装置および積層造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】造形物の内部の異常を検出することができる積層造形装置および積層造形方法を得る。【解決手段】積層造形装置は、造形部１１０と、弾性波発生部５２と、弾性波検出部５３と、検査部５４と有する検査装置１６、を備える。造形部１１０は、材料に第一のエネルギ線を照射して材料を固化させて形成する層１０１を、順次積層し、弾性波発生部５２は、層によって構成された造形物１０１の内部を伝播する弾性波を発生させ、弾性波検出部５３は、弾性波を検出し、検査部５４は、弾性波検出部５３の検出結果に基づいて、造形物１０１を検査する積層造形物内部をチェックする方法。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、積層造形装置および積層造形方法に関する。

従来、積層造形物を造形する積層造形装置が知られている。積層造形装置は、粉末状の材料をレーザ光によって溶融させて層を形成し、当該層を積層することにより三次元形状の積層造形物を造形する。

特開２００６−２０００３０号公報 特開２０１２−１６３４０６号公報

この種の積層造形装置によって造形される造形物の内部には、造形途中に生じた気泡等の異常領域が含まれる場合がある。このような造形物の内部の異常を検出できる積層造形装置および積層造形方法が得られれば有意義である。

実施形態の積層造形装置は、造形部と、加工部と、弾性波検出部と、検査部と、を備える。前記造形部は、材料に第一のエネルギ線を照射して前記材料を固化させて形成する層を、順次積層する。前記加工部は、第二のエネルギ線の照射によって、前記層によって構成された造形物の表面を加工するとともに前記造形物の内部を伝播する弾性波を発生させる。前記弾性波検出部は、前記弾性波を検出する。前記検査部は、前記弾性波検出部の検出結果に基づいて、前記造形物を検査する。

図１は、第１の実施形態の積層造形装置の例示的な模式図である。 図２は、第１の実施形態のノズルの一部の例示的かつ模式的な断面図である。 図３は、第１の実施形態の検査装置の例示的かつ模式的な構成図である。 図４は、第１の実施形態のレーザ光の照射位置の例示的な模式図である。 図５は、第１の実施形態の積層造形物を造形する手順の例示的なフローチャートである。 図６は、第１の実施形態の積層造形物の異常検出処理の例示的な説明図である。 図７は、第１の実施形態の積層造形物の修復加工処理の例示的な説明図である。 図８は、第２の実施形態の検査装置の例示的かつ模式的な構成図である。

以下、図面を参照して、実施形態について詳細に説明する。なお、以下の複数の実施形態には、同様の構成要素が含まれている。よって、以下では、それら同様の構成要素には共通の符号が付与されるとともに、重複する説明が省略される。

（第１の実施形態）
図１に示される本実施形態の積層造形装置１は、レーザデポジション方式で積層造形物を造形する。積層造形装置１は、処理槽１１や、ステージ１２、移動装置１３、ノズル装置１４、光学装置１５、検査装置１６、制御部１７等を備えている。積層造形装置１は、ノズル装置１４によって材料１２１（造形用材料）を供給するとともに当該材料１２１にレーザ光Ｌ１を照射することにより、ステージ１２上に配置された対象物１１０に材料１２１の層１１０ｂを形成し、当該層１１０ｂを積層することにより積層造形物１００を造形する。ここで、一つ以上の層１１０ｂによって造形物１０１が構成される。造形物１０１は、積層造形物１００の造形過程の中間物や、造形が完成した積層造形物１００である。

対象物１１０は、ノズル装置１４によって材料１２１が供給される対象であって、ベース１１０ａおよび層１１０ｂを含む。複数の層１１０ｂがベース１１０ａの上面に積層される。材料１２１は、粉末状の金属材料や樹脂材料等である。あるいは、材料１２１は、粉末状ではなく、線材であってもよい。造形には、一つ以上の材料１２１が用いられうる。

処理槽１１には、主室２１と副室２２とが設けられている。副室２２は、主室２１と隣接して設けられている。主室２１と副室２２との間には扉部２３が設けられている。扉部２３が開かれた場合、主室２１と副室２２とが連通され、扉部２３が閉じられた場合、主室２１が気密状態になる。

主室２１には、給気口２１ａおよび排気口２１ｂが設けられている。給気装置（図示されず）の動作により、主室２１内に給気口２１ａを介して窒素やアルゴン等の不活性ガスが供給される。排気装置（図示されず）の動作により、主室２１から排気口２１ｂを介して主室２１内のガスが排出される。

また、主室２１内には、移送装置（図示されず）が設けられている。また、主室２１から副室２２にかけて、搬送装置２４が設けられている。移送装置は、主室２１で処理された積層造形物１００を、搬送装置２４に渡す。搬送装置２４は、移送装置から渡された積層造形物１００を副室２２内に搬送する。すなわち、副室２２には、主室２１で処理された積層造形物１００が収容される。積層造形物１００が副室２２に収容された後、扉部２３が閉じられ、副室２２と主室２１とが隔絶される。

主室２１内には、ステージ１２や、移動装置１３、ノズル装置１４の一部、検査装置１６等が設けられている。

ステージ１２は、対象物１１０を支持する。移動装置１３は、ステージ１２を、互いに直交する三軸方向に移動させることができる。

ノズル装置１４は、ステージ１２上に位置された対象物１１０に粉末状（あるいは線状）の材料１２１を供給する。また、ノズル装置１４のノズル３３は、ステージ１２上に位置された対象物１１０にレーザ光Ｌ１を照射する。また、ノズル３３は、材料１２１の供給と並行してレーザ光Ｌ１を照射する。ノズル装置１４は、材料１２１にレーザ光Ｌ１を照射し材料１２１を溶融させて、層１１０ｂを形成する。ノズル装置１４は、層１１０ｂの形成を繰り返すことにより、層１１０ｂを順次積層する。ノズル装置１４は、光学装置１５とともに、造形部１８を構成している。レーザ光Ｌ１は、第一のエネルギ線の一例である。なお、エネルギ線としては、材料１２１を溶融または焼結できるものであればよく、例えば、電子ビームや、マイクロ波から紫外線領域の電磁波などであってもよい。

ノズル装置１４は、供給装置３１（造形用材料供給装置）や、ノズル３３、供給管３４等を有している。材料は、供給装置３１から供給管３４を経てノズル３３へ供給される。

供給装置３１は、タンク３１ａと、供給部３１ｂと、を含む。タンク３１ａには、粉末状の材料１２１が収容される。供給部３１ｂは、タンク３１ａの材料１２１をノズル３３に所定量供給する。供給部３１ｂは、材料１２１が粉末状の場合、当該材料１２１が含まれたキャリアガス（気体）をノズル３３に供給する。キャリアガスは、例えば、窒素やアルゴン等の不活性ガスである。

ノズル３３は、筐体７１を有している。筐体７１は、上下方向に長い筒状に構成されている。図２に示すように、筐体７１の内部には、複数の通路７１ａおよび一つの通路７１ｂが設けられている。

通路７１ｂは、筐体７１の中心軸Ａｘと重なっている。すなわち、通路７１ｂは、上下方向に延びている。通路７１ｂの内部には、光学装置１５からレーザ光Ｌ１が導入される。通路７１ｂの内部には、レーザ光Ｌ１を平行光に変換する変換レンズと、平行光に変換されたレーザ光Ｌ１を集光するレンズと、を含む光学系が設けられている。レーザ光Ｌ１は、レンズによって、筐体７１の下方に集光される。レーザ光Ｌ１の集光点（収束点）は、中心軸Ａｘ上に位置する。

各通路７１ａは、供給管３４を介して供給装置３１に接続されている。材料１２１が粉末状の場合、各通路７１ａには、供給装置３１から、キャリアガスとともに材料１２１が供給される。通路７１ａの下部は、下方に向かうにつれ筐体７１の中心軸Ａｘに近づくように、中心軸Ａｘに対して傾斜している。

ノズル３３は、材料１２１が粉末状の場合、通路７１ａの下端部（開口部）から材料１２１を筐体７１（通路７１ａ）の下方に向けて噴射（射出）する。あるいは、ノズル３３は、材料１２１が線状の場合、通路７１ａの下端部（開口部）から材料１２１を筐体７１（通路７１ａ）の下方に向けて押し出す（射出する）。噴射あるいは押し出された材料１２１は、レーザ光Ｌ１の収束点に至る。ノズル３３によって供給された材料１２１は、レーザ光Ｌ１によって溶融され、溶融した材料１２１の集合が形成される。なお、材料１２１をレーザ光Ｌ１によって焼結させてもよい。

図１に示されるように、光学装置１５は、レーザ出射部４１と、ケーブル２１０とを備えている。レーザ出射部４１は、発振素子（図示されず）を有し、発振素子の発振によりレーザ光Ｌ１を出射する。レーザ出射部４１は、出射するレーザ光Ｌ１のパワー密度を変更することができる。レーザ出射部４１は、ケーブル２１０を介してノズル３３に接続されている。レーザ出射部４１から出射されたレーザ光Ｌ１は、ノズル３３に導かれる。

図３に示されるように、検査装置１６（装置）は、計測部５１と、加工部５２と、レーザ干渉計５３と、検査部５４（異常検出部）と、を有している。計測部５１は、造形物１０１の形状を計測する。加工部５２は、造形物１０１にレーザ光Ｌ２を照射することで造形物１０１の表面１０１ａの一部を除去するとともに、レーザ光Ｌ２の照射による衝撃によって造形物１０１の内部を伝播する弾性波を発生させる。また、加工部５２は、計測部５１の計測結果に基づいて造形物１０１の表面１０１ａを加工することにより、造形物１０１の表面１０１ａの凹凸を減らす、すなわち平坦化することができる。レーザ干渉計５３は、弾性波を検出する。検査部５４は、弾性波の検出結果に基づいて造形物１０１を検査する。

計測部５１は、照明装置５５（照明装置）と、カメラ５６（撮像部）と、画像処理装置（図示されず）と、を有している。計測部５１は、例えば、光切断法で計測対象（層１１０ｂや造形物１０１）の表面の形状を計測する。この場合、照明装置５５は、計測対象（層１１０ｂや造形物１０１）の表面に線状の光を照射する。カメラ５６は、線状の光を含む画像を撮像する。画像処理装置は、線状の光の位置（基準線とのずれ）に応じて表面の形状の凹凸を測定する。計測部５１は、計測した形状（計測結果）を制御部１７（図１参照）に送信する。なお、計測部５１は、光切断法以外の方式（例えば干渉法等）によって、計測対象の形状を計測してもよい。

加工部５２は、レーザ出射部６０（光源）と、ビームスプリッタ６１と、レンズ６２（集光レンズ）と、を有している。

レーザ出射部６０は、発振素子（図示されず）を有し、発振素子の発振によりレーザ光Ｌ２を出射する。レーザ光Ｌ２は、例えばパルスレーザ光である。レーザ出射部６０は、造形物１０１の固化した材料１２１を蒸発させることが可能な強度のレーザ光Ｌ２を出射する。レーザ出射部６０から出射されたレーザ光Ｌ２は、ビームスプリッタ６１に入射する。

ビームスプリッタ６１は、レーザ出射部６０のレーザ光Ｌ２の出射側に位置されている。ビームスプリッタ６１は、入射したレーザ光Ｌ２の一部を反射する。なお、図３等では、レーザ出射部６０から出射されビームスプリッタ６１を透過したレーザ光Ｌ２の図示は、省略されている。ビームスプリッタ６１で反射されたレーザ光Ｌ２は、レンズ６２に入射する。

ビームスプリッタ６１からのレーザ光Ｌ２は、レンズ６２で集光され、造形物１０１（層１１０ｂ）の表面１０１ａに照射される。具体的には、レーザ光Ｌ２は、例えば複数の層１１０ｂの積層方向での造形物１０１の端面１０１ｂに照射される。このとき、レーザ光Ｌ２は、造形物１０１の端面１０１ｂ（表面１０１ａ）の法線方向（層１１０ｂの積層方向）に略沿って、当該端面１０１ｂ（表面１０１ａ）に照射される。

加工部５２は、上述した光学系（第１の光学系）を通じて造形物１０１に照射したレーザ光Ｌ２によって、造形物１０１の一部の材料を蒸発させることにより、造形物１０１の一部を除去する。この際、加工部５２は、計測部５１の計測結果に応じて除去量を変化させることで、表面１０１ａ（端面１０１ｂ）の凹凸を減らす、すなわち端面１０１ｂ（表面１０１ａ）を平坦化することができる。加工部５２は、例えば、レーザ光Ｌ２の強度を変化させることで、端面１０１ｂ（表面１０１ａ）の除去量を変化させることができる。この場合、表面１０１ａが高いほどレーザ光Ｌ２の強度が大きく設定される。加工部５２は、端面１０１ｂがステージの移動方向（積層方向との直交方向）と平行な平面となるように加工する。

また、加工部５２は、端面１０１ｂ（表面１０１ａ）へのレーザ光Ｌ２の照射の衝撃によって、造形物１０１の内部に弾性波（密度波）を発生させる。弾性波は、造形物１０１の内部で、端面１０１ｂ（表面１０１ａ）でのレーザ光Ｌ２による加工位置から放射状に伝播する。加工部５２は、弾性波発生部および除去部の一例であり、レーザ光Ｌ２は、第二のエネルギ線および第一のレーザ光の一例である。

また、ビームスプリッタ６１とレンズ６２との間には、光学フィルタ６３が設けられている。光学フィルタ６３は、ビームスプリッタ６１で反射されてレンズ６２に向かうレーザ光Ｌ２は透過させ、レンズ６２から造形物１０１に照射されて造形物１０１で反射したレーザ光Ｌ２の反射光は透過させないよう、構成されている。また、ビームスプリッタ６１のレーザ出射部６０とは反対側に、レーザ出射部６０から出射されビームスプリッタ６１を透過したレーザ光Ｌ２を透過させない光学フィルタ（図示されず）を設けることができる。

レーザ干渉計５３は、レーザ出射部６５と、ビームスプリッタ６６と、ビームスプリッタ６１と、レンズ６２と、ミラー６７と、検出器６４と、を有している。レーザ干渉計５３は、造形物１０１の内部を伝播する弾性波を検出する。レーザ干渉計５３は、弾性波検出部の一例である。

レーザ出射部６５は、発振素子（図示されず）を有し、発振素子の発振によりレーザ光Ｌ３を出射する。レーザ光Ｌ３は、例えば連続レーザ光（ＣＷレーザ光）またはパルスレーザ光である。レーザ出射部６５から出射されたレーザ光Ｌ３は、ビームスプリッタ６６に入射する。

ビームスプリッタ６６は、レーザ出射部６５のレーザ光Ｌ３の出射側に位置されている。ビームスプリッタ６６は、入射したレーザ光Ｌ３の一部を反射する。ビームスプリッタ６１で反射されたレーザ光Ｌ３は、レンズ６２に入射する。なお、図３等では、レーザ出射部６５から出射されビームスプリッタ６６を透過したレーザ光Ｌ３は、図示されていない。

ビームスプリッタ６６からのレーザ光Ｌ３は、レンズ６２で集光され、造形物１０１（層１１０ｂ）の端面１０１ｂ（表面１０１ａ）に照射される。このとき、レーザ光Ｌ３は、造形物１０１の端面１０１ｂ（表面１０１ａ）の法線方向に略沿って、当該端面１０１ｂ（表面１０１ａ）に照射される。端面１０１ｂに照射されたレーザ光Ｌ３は、端面１０１ｂで反射され、レンズ６２、ビームスプリッタ６１、およびビームスプリッタ６６を経て、検出光として検出器６４に入射する。造形物１０１の端面１０１ｂは、弾性波の造形物１０１の内部での反射波（弾性波）によって振動する。レーザ干渉計５３は、端面１０１ｂでの反射光に基づいて、端面１０１ｂの変位を検出する。なお、レーザ出射部６５は、端面１０１ｂで材料１２１が溶融しない強度のレーザ光Ｌ３を出射する。

一方、レーザ出射部６５から出射されてビームスプリッタ６６を経てビームスプリッタ６１に入射したレーザ光Ｌ３の一部は、ビームスプリッタ６１で反射されてミラー６７に入射する。

ミラー６７は、入射したレーザ光Ｌ３を反射する。ミラー６７で反射されたレーザ光Ｌ３の一部は、ビームスプリッタ６１およびビームスプリッタ６６を経て、参照光として検出器６４に入射する。

検出器６４は、ビームスプリッタ６６のビームスプリッタ６１とは反対側に位置されている。検出器６４は、造形物１０１の端面１０１ｂで反射したレーザ光Ｌ３の反射光（検出光）およびミラー６７で反射したレーザ光Ｌ３の反射光（参照光）を受光する。検出器６４は、検出光と参照光との干渉に基づいて端面１０１ｂの変位（端面１０１ｂの高さの経時変化）を検出することができる。すなわち、検出器６４は、造形物１０１の端面１０１ｂでの弾性波（反射波）を検出している。

検査部５４は、検出器６４の検出結果に基づいて、造形物１０１の内部の異常１０１ｃを検出（判定）する。ここで、造形物１０１の内部に異常１０１ｃが無い部分を検査した場合、端面１０１ｂで発生した弾性波は、造形物１０１の底面に到達して底面で反射し、端面１０１ｂに戻ってくる。一方、造形物１０１の内部に異常１０１ｃが有る部分を検査した場合、端面１０１ｂで発生した弾性波は、異常１０１ｃで反射して、端面１０１ｂに戻ってくる。すなわち、異常１０１ｃが深い位置にあるほど経過時間が長く、異常１０１ｃが浅い位置にあるほど経過時間が短い。よって、検査部５４は、出射した時点から端面１０１ｂの変位が検出された時点までの経過時間または当該経過時間に応じて変化するパラメータに基づいて、異常１０１ｃの深さ（位置）を検出することができる。

また、異常１０１ｃが空洞（ボイド）である場合、当該異常１０１ｃが小さく検査した部分の密度が高いほど反射波の強度が小さく、異常１０１ｃが大きく検査した部分の密度が低いほど反射波の強度が大きい。よって、検査部５４は、反射波の強度（振幅）または当該強度に応じて変化するパラメータに基づいて、異常１０１ｃの大きさまたは検査部分の密度を検出することができる。

このように、検査部５４は、検出器６４の検出結果（弾性波、弾性波信号）に基づいて、造形物１０１の内部の異常１０１ｃの有無、深さ（位置）、密度等を検出することができる。なお、検査部５４は、制御部１７から得られるレーザ出射部６５のレーザ光Ｌ３の照射位置を示す情報に基づいて、異常１０１ｃの積層方向と直交する平面上での位置を検出することができる。また、検査部５４は、例えば、制御部と記憶部とを有する。制御部は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やコントローラ等を有する。記憶部は、ＲＯＭ（Read only memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）等を有する。制御部は、ロードされたプログラム（例えば、ＯＳ（Operating System）や、アプリケーション、ウエブアプリケーション等）にしたがって、異常検出に関わる種々の演算処理を実行することができる。

ここで、本実施形態では、図３に示されるように、一つのレンズ６２が、レーザ光Ｌ２を集光するとともにレーザ光Ｌ３を集光している。ただし、図４に示されるように、レンズ６２によるレーザ光Ｌ２の集光位置（集束位置）と、レンズ６２によるレーザ光Ｌ３の集光位置（集束位置）とは、互いに異なっている。具体的には、造形物１０１を基準とするレーザ光Ｌ２，Ｌ３、すなわち検査装置１６の相対的な移動方向（図３中の矢印Ａ方向）において、レーザ光Ｌ３の照射位置Ｐ３は、レーザ光Ｌ２の照射位置Ｐ２よりも後方（上流側）に位置している。これにより、端面１０１ｂの、レーザ光Ｌ２によって凹凸が減らされたすなわち平坦化された位置にレーザ光Ｌ３が照射され、当該位置での反射波（弾性波）による変位が検出される。よって、本実施形態によれば、例えば、レーザ光Ｌ２によって凹凸が減らされていない位置にレーザ光Ｌ３が照射され、当該位置での反射波（弾性波）による変位が検出される場合に比べて、変位がより精度よく検出されうる。なお、図３中の矢印Ｂは、移動装置１３の駆動によって移動するステージ１２（造形物１０１）の移動方向を示している。

また、本実施形態では、レーザ光Ｌ２（第一のレーザ光）とレーザ光Ｌ３（第二のレーザ光）とが互いに干渉しないように、それらの波長が互いに異なってもよい。具体的には、例えば、レーザ光Ｌ２の波長が、レーザ光Ｌ３の波長より短くてもよい。また、レーザ光Ｌ２とレーザ光Ｌ３とが互いに干渉しないように、それらの偏光方向（偏光面）が互いに異なってもよい。具体的には、例えば、レーザ光Ｌ２およびレーザ光Ｌ３のうち一方がＰ偏光で、他方がＳ偏光であってもよい。

また、レーザ光Ｌ２のパルス幅が小さいほど、弾性波が高周波になり分解能が上がるため、より小さい異常１０１ｃを検出しやすくなるが、レーザ光Ｌ２のパルス幅が小さいほど、すなわち弾性波の周波数が高いほど、弾性波が造形物１０１に吸収され弾性波の検出が困難になりやすい。したがって、レーザ光Ｌ２のパルス幅は、検出する異常１０１ｃの大きさに応じて設定される。例えば、大きさが数μｍ以上の異常１０１ｃに対して、レーザ光Ｌ２のパルス幅が１ｆｓ以上１ｎｓ以下に設定されうる。

制御部１７は、一例として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と記憶部とを有する。記憶部は、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）等を有する。制御部１７は、移動装置１３、光学装置１５、搬送装置２４、供給装置３１、および検査装置１６に、信号線２２０を介して電気的に接続されている。制御部１７（ＣＰＵ）は、ロードされたプログラム（例えば、ＯＳ（Operating System）や、アプリケーション、ウエブアプリケーション等）にしたがって、移動装置１３、光学装置１５、搬送装置２４、供給装置３１、および検査装置１６を制御する。積層造形装置１は、制御部１７の制御（プログラム）に基づき、積層造形物１００を造形する。

制御部１７は、移動装置１３を制御することで、ステージ１２を三軸方向に移動させる。制御部１７は、搬送装置２４を制御することで、造形した積層造形物１００を副室２２に搬送する。制御部１７は、供給装置３１を制御することで、材料１２１の供給の有無ならびに供給量を調整する。制御部１７は、レーザ出射部４１を制御することで、レーザ出射部４１，６０，６５から出射されるレーザ光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の強度（パワー密度）を調整する。また、制御部１７は、移動装置（図示されず）を制御することで、ノズル３３の移動を制御する。また、制御部１７は、移動装置（図示されず）を制御することで、検査装置１６の移動を制御する。

制御部１７の記憶部は、造形する積層造形物１００の形状（参照形状）を示すデータ等を記憶している。この形状データは、各層１１０ｂの形状（参照形状）のデータを含む。

制御部１７は、層１１０ｂまたは積層造形物１００の形状を判断する機能を備えている。制御部１７は、計測部５１が計測した層１１０ｂまたは積層造形物１００の形状と、記憶部に記憶された参照形状と比較することで、所定の形状でない部位が形成されているか否かを判断する。

また、制御部１７は、層１１０ｂまたは積層造形物１００の形状を所定の形状にトリミングする機能を備えている。制御部１７は、層１１０ｂまたは積層造形物１００における所定の形状でない部位（除去する部位）を蒸発させることが可能なレーザ光Ｌ２の強度となるように、加工部５２のレーザ出射部６０を制御する。次いで、制御部１７は、レーザ光Ｌ２が当該部位に照射されるように、加工部５２および移動装置１３を制御する。これにより、当該部位が蒸発する。

次に、積層造形装置１が積層造形物１００を造形する手順（積層造形物１００の製造方法）の一例について、図５のフローチャートを参照して説明する。

まず、制御部１７は、層１１０ｂが形成されるよう、移動装置１３、ノズル装置１４、および光学装置１５を制御する（Ｓ１）。Ｓ１では、記憶部に記憶された層１１０ｂのデータ（参照データ）に基づいて、材料１２１が供給されレーザ光Ｌ１が照射される。このとき、制御部１７は、材料１２１がノズル３３から所定の範囲に供給されるよう移動装置１３および供給装置３１等を制御するとともに、供給された材料１２１がレーザ光Ｌ１によって溶融するよう、レーザ出射部４１を制御する。これにより、ベース１１０ａ上の層１１０ｂを形成する範囲に、溶融した材料１２１が所定量供給される。このとき、本実施形態では、形成される層１１０ｂの高さが記憶部に記憶された層１１０ｂのデータの高さよりも高くなるように材料１２１が供給される。材料１２１は、ベース１１０ａや層１１０ｂに噴射あるいは押し出されると、層状または薄膜状等の材料１２１の集合となる。このとき、材料１２１は、材料１２１を運ぶキャリアガスによって冷却されるか若しくは材料１２１の集合への伝熱によって冷却されることで固化されて、層１１０ｂを構成する。この際、制御部１７は、アニール処理を行ってよい。アニール処理では、制御部１７は、ベース１１０ａ上の層１１０ｂにレーザ光Ｌ１が照射されるよう、レーザ出射部４１を制御する。これにより、層１１０ｂの材料１２１が再溶融された後、再び固化する。なお、アニール処理は、積層造形装置１の外でアニール装置（図示されず）を用いて行ってもよい。

次に、制御部１７は、造形物１０１の内部が検査されるよう、検査装置１６および移動装置１３を制御する（Ｓ２：異常検出処理（検査処理））。図６に示されるように、Ｓ２では、形状測定、トリミング、および検査が実行される。まず、制御部１７は、造形物１０１の層１１０ｂの表面１０１ａの形状（表面形状、三次元形状）が計測されるよう計測部５１および移動装置１３を制御する。制御部１７は、当該層１１０ｂの形状を示す計測形状データを計測部５１から取得する。次に、制御部１７は、造形物１０１の端面１０１ｂ（表面１０１ａ）がトリミングされるよう、加工部５２および移動装置１３を制御する。この際、制御部１７は、層１１０ｂの高さが記憶部に記憶された層１１０ｂのデータの高さ（一例として、一定の高さ）と略同じとなるように、加工部５２および移動装置１３を制御する。このとき、制御部１７は、層１１０ｂの端面１０１ｂの高さ（層１１０ｂの厚さ）が略一定となるように、計測した層１１０ｂの端面１０１ｂの高さ（凹凸）に応じて端面１０１ｂの除去量を変化させる。具体的に、制御部１７は、除去量に応じたレーザ光Ｌ２の強度となるように、加工部５２を制御する。これにより、例えば、次の層１１０ｂがより平坦に形成されやすくなったり、弾性波の検査の精度がより高まりやすくなったりといった効果が得られる。トリミングは、加工部５２によるレーザ光Ｌ２の照射によってなされる。そして、レーザ干渉計５３が、レーザ光Ｌ２の照射によって発生した弾性波をレーザ光Ｌ３を用いて検出し、検査部５４が、レーザ干渉計５３の検出結果に基づいて造形物１０１の内部の異常１０１ｃの有無を検出（判定）する。異常１０１ｃの有無の検出は、レーザ光Ｌ２が出射される毎に行われる。本実施形態では、端面１０１ｂの全域に対して、異常１０１ｃの有無の検出が行われる。また、制御部１７は、上記トリミングの際に、記憶部に記憶された層１１０ｂの参照形状データと、計測部５１の計測結果である計測形状データとの比較により、本来造形されるべきではない部分（領域）に造形がされていた場合、当該部分を除去する。例えば、制御部１７は、積層方向との直交方向で本来造形されるべきではない部分（領域）に造形がされていた場合、当該部分を除去する。

Ｓ２は、一つの層１１０ｂが形成される毎に実行されてもよいし複数の層１１０ｂが形成される毎に実行されてもよい。Ｓ２は、層１１０ｂが形成された後に実行される。なお、形状測定およびトリミングは一つの層１１０ｂが形成される毎に行われ、弾性波検出は複数の層１１０ｂが形成される毎に行われてもよい。

そして、図５に示されるように、検査装置１６（の検査部５４）が造形物１０１の内部の異常１０１ｃを検出した場合（Ｓ３でＹｅｓ）、制御部１７は、異常１０１ｃを修復する（除去する）（Ｓ４：修復加工処理）。異常１０１ｃが空洞（ボイド）である場合、図７に示されるように、Ｓ４では、開口部形成、造形（穴埋め）、および突出部分の除去が実行される。まず、制御部１７は、造形物１０１のうち端面１０１ｂ（表面１０１ａ）と異常１０１ｃとの間の部分、すなわち、造形物１０１のうち異常１０１ｃより端面１０１ｂ側の部分が除去されるよう、加工部５２および移動装置１３を制御する。これにより、造形物１０１には、異常１０１ｃを底部とする開口部１０１ｄが形成される。次に、制御部１７は、開口部１０１ｄが材料１２１で埋められるとともに当該材料１２１を固化させるよう、造形部１８を制御する。このとき、造形部１８は、例えば、材料１２１が開口部１０１ｄから突出するまで造形を行う。次に、制御部１７は、開口部１０１ｄから突出した造形物１０１の少なくとも一部、すなわち開口部１０１ｄから突出した造形物１０１の部分の全部または一部が除去されるよう、加工部５２を制御する。詳細には、制御部１７は、開口部１０１ｄから突出した突出部分（材料１２１）が蒸発するよう、加工部５２のレーザ出射部６０を制御する。このように突出部分が除去されることで、穴埋めされた部分がより平坦化されやすい。なお、Ｓ４は、複数の層１１０ｂが形成される毎に行われてもよい。

一方、検査装置１６が造形物１０１の内部の異常１０１ｃを検出しなかった場合（Ｓ３のＮｏ）、Ｓ４は実行されない。

次に、図５に示されるように、全ての層１１０ｂが形成されていない場合（Ｓ５でＮｏ）、Ｓ１に戻って、既に形成された層１１０ｂの上に新たな層１１０ｂが形成される。制御部１７は、Ｓ１〜Ｓ５の処理を繰り返し行って複数の層１１０ｂを積み重ねる。そして、全ての層１１０ｂが形成されると（Ｓ５でＹｅｓ）、一連の処理が終了する。

以上説明したように、本実施形態では、造形部１８が、粉末状（あるいは線状）の材料１２１にレーザ光Ｌ１（第一のエネルギ線）を照射し材料１２１を固化させて形成する層１１０ｂを、順次積層し、加工部５２（弾性波発生部）が、一つ以上の層１１０ｂによって構成された造形物１０１の内部を伝播する弾性波を発生させ、レーザ干渉計５３が、弾性波を検出し、検査部５４が、レーザ干渉計５３の検出結果に基づいて、造形物１０１を検査する。よって、造形物１０１の内部の異常１０１ｃを検出することができる。

また、本実施形態では、加工部５２は、レーザ光Ｌ２（第二のエネルギ線）の照射によって造形物１０１の表面１０１ａを加工する。加工部５２は、表面１０１ａにレーザ光ｌ２を照射することによって弾性波を発生させる。つまり、加工部５２が、弾性波発生部として機能するので、弾性波発生部を加工部５２とは別に設ける構成に比べて、積層造形装置１の構成が簡素化されやすい。

また、本実施形態では、レーザ光Ｌ２（第一のレーザ光）とレーザ光Ｌ３（第二のレーザ光）とは、互いに干渉しない。よって、造形物１０１の内部の異常１０１ｃの高い検出精度が得やすい。

また、本実施形態では、一つのレンズ６２が、レーザ光Ｌ２の集光とレーザ光Ｌ３の集光とを行う。よって、レーザ光Ｌ２の集光とレーザ光Ｌ３の集光とを別々のレンズによって行う構成に比べて、積層造形装置１の構成が簡素化されやすい。

また、本実施形態では、加工部５２（除去部）は、造形物１０１の一部を除去可能である。そして、検査部５４が造形物１０１の内部の異常１０１ｃを検出した場合、加工部５２が、造形物１０１の表面１０１ａから異常１０１ｃまでの造形物１０１の一部を除去し、造形部１８が、加工部５２の除去によって形成された造形物１０１の開口部１０１ｄを材料１２１で埋めて且つ当該材料１２１を固化させる。よって、異常１０１ｃが除去され修復された造形物１０１が得られる。

（第２の実施形態）
本実施形態の積層造形装置１Ａは、第１の実施形態の積層造形装置１と同様の構成を備えている。ただし、本実施形態では、図８に示されるように、検査装置１６Ａが第１の実施形態の検査装置１６と異なる。

検査装置１６Ａは、計測部５１と、加工部５２Ａと、レーザ干渉計５３Ａと、検査部５４と、を有している。

本実施形態では、加工部５２Ａやレーザ干渉計５３Ａを構成する部材として、レーザ出射部２０１（光源）と、ビームスプリッタ６１，６６，２０２と、ミラー６７，２０３と、レンズ６２（集光レンズ）と、波長変換素子２０４と、光量調整部材２０５と、検出器６４と、が設けられている。加工部５２Ａは、レーザ出射部２０１と、ビームスプリッタ６１，２０２と、ミラー２０３と、レンズ６２と、を有している。一方、レーザ干渉計５３Ａは、レーザ出射部２０１と、ビームスプリッタ６１，６６，２０２と、レンズ６２と、ミラー６７と、波長変換素子２０４と、光量調整部材２０５と、検出器６４と、を有している。加工部５２Ａは、弾性波発生部および除去部の一例である。

レーザ出射部２０１は、発振素子（図示されず）を有し、発振素子の発振によりレーザ光Ｌ４を出射する。レーザ光Ｌ４は、例えばパルスレーザ光である。レーザ光Ｌ４は、第三のレーザ光の一例である。

レーザ出射部２０１から出射されたレーザ光Ｌ２は、ビームスプリッタ２０２に入射して、ビームスプリッタ２０２によって、レーザ光Ｌ２とレーザ光Ｌ３とに分離される。ビームスプリッタ２０２は、分離部の一例である。

レーザ光Ｌ２は、ミラー２０３で反射されて、ビームスプリッタ６１に入射する。レーザ光Ｌ２の一部は、ビームスプリッタ６１で反射され、レンズ６２によって集光され、造形物１０１の端面１０１ｂに照射される。

一方、レーザ光Ｌ３は、波長変換素子２０４および光量調整部材２０５に順に入射し、波長変換素子２０４によって波長が変換され、光量調整部材２０５によって光量が減少される。光量調整部材２０５から出射されたレーザ光Ｌ３は、ビームスプリッタ６６に入射する。レーザ光Ｌ３の一部は、ビームスプリッタ６６によって反射されて、ビームスプリッタ６１に入射する。ビームスプリッタ６１に入射されたレーザ光Ｌ３は、第１の実施形態と同様に、レンズ６２に入射する光と、ミラー６７に入射する光とに分離される。レンズ６２に入射されたレーザ光Ｌ３は、レンズ６２によって集光され、造形物１０１の端面１０１ｂに照射される。造形物１０１の端面１０１ｂに照射されたレーザ光Ｌ３は、端面１０１ｂで反射されて、レンズ６２、ビームスプリッタ６１、およびビームスプリッタ６６を経て、検出器６４に入射する。一方、ミラー６７で反射されたレーザ光Ｌ３は、ビームスプリッタ６１およびビームスプリッタ６６を経て、検出器６４に入射する。なお、レーザ光Ｌ３は、端面１０１ｂで材料１２１が溶融しない強度となるように、光量調整部材２０５によって光量が減少される。

また、本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、一つのレンズ６２が、レーザ光Ｌ２を集光するとともにレーザ光Ｌ３を集光している。また、レンズ６２によるレーザ光Ｌ２の集光位置（集束位置）と、レンズ６２によるレーザ光Ｌ３の集光位置（集束位置）とは、互いに異なっている。具体的には、造形物１０１を基準とするレーザ光Ｌ２，Ｌ３、すなわち検査装置１６Ａの相対的な移動方向（矢印Ａ方向）において、レーザ光Ｌ３の照射位置Ｐ３は、レーザ光Ｌ２の照射位置Ｐ２よりも後方（上流側）に位置している。

また、本実施形態では、波長変換素子２０４によってレーザ光Ｌ２のレーザ光Ｌ３の波長が変換されることにより、レーザ光Ｌ３とレーザ光Ｌ２とが重なった場合でも互いに干渉しなくなる。

以上説明したように、本実施形態では、一つのレーザ出射部２０１が、レーザ光Ｌ４（第三のレーザ光）を出射し、ビームスプリッタ２０２（分離部）が、レーザ出射部２０１から出射されたレーザ光Ｌ４を、レーザ光Ｌ２（第一のレーザ光）とレーザ光Ｌ３（第二のレーザ光）とに分離させる。よって、レーザ出射部２０１のレーザ光Ｌ２，Ｌ３のそれぞれに対してレーザ出射部が設けられた構成に比べて、レーザ出射部２０１の数を減らすことができる。

なお、上記各実施形態では、例えば、供給装置３１が種類の異なる複数の材料１２１をノズル３３に供給して、ノズル３３から複数の異なる材料１２１を選択的に供給し、複数の材料１２１の比率を調整（変更）するようにしてもよい。これにより、積層造形物１００の位置（場所）によって複数の材料１２１の比率が変化（漸減または漸増）する傾斜材料（傾斜機能材料）を造形することができる。具体的には、例えば、層１１０ｂの形成に際し、制御部１７が、積層造形物１００の三次元座標の各位置に対応して設定された（記憶された）材料１２１の比率となるように、供給装置３１を制御することにより、積層造形物１００を、材料１２１の比率が三次元の任意の方向に変化する傾斜材料（傾斜機能材料）として造形することが可能である。単位長さあたりの材料１２１の比率の変化量（変化率）も、種々に設定することが可能である。

以上説明したとおり、上記各実施形態によれば、例えば、造形物１０１の内部の異常１０１ｃを検出することができる積層造形装置１，１Ａおよび積層造形方法を得ることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、積層造形装置は、材料供給部によって粉末状の材料を供給して材料層を形成する工程と、該材料層に照射装置によってレーザ光等の第一のエネルギ線を照射することにより、材料を固化させる工程と、を繰り返し行うことにより、個化層（層）を積層させて造形を行う構成（パウダーベッド方式）等であってもよい。この場合も、開口部１０１ｄから突出した材料１２１の除去は、必要に応じて行うようにしてよい。例えば、材料層の高さよりも、開口部１０１ｄから突出した材料１２１の高さが低い場合には、当該材料１２１を除去しなくてもよい。

また、上記各実施形態では、加工部５２から出射したレーザ光Ｌ２によるアブレーションモードによって弾性波を発生させたが、加工部５２とは別にレーザ光を出射する構成を設け、当該レーザ光による熱応力モードによって弾性波を発生させてもよい。

１，１Ａ…積層造形装置、１８…造形部、５１…計測部、５２，５２Ａ…加工部（弾性波発生部、除去部）、５３，５３Ａ…レーザ干渉計（弾性波検出部）、５４…検査部、６２…レンズ、１０１…造形物、１０１ａ…表面、１０１ｃ…異常、１０１ｄ…開口部、１１０ｂ…層、２０１…レーザ出射部、２０２…ビームスプリッタ（分離部）、Ｌ１…レーザ光（第一のエネルギ線）、Ｌ２…レーザ光（第二のエネルギ線、第一のレーザ光）、Ｌ３…レーザ光（第二のレーザ光）、Ｌ４…レーザ光（第三のレーザ光）。

Claims (15)

1. 材料に第一のエネルギ線を照射して前記材料を固化させて形成する層を、順次積層する造形部と、
   第二のエネルギ線の照射によって、前記層によって構成された造形物の表面を加工するとともに前記造形物の内部を伝播する弾性波を発生させる加工部と、
   前記弾性波を検出する弾性波検出部と、
   前記弾性波検出部の検出結果に基づいて、前記造形物を検査する検査部と、
   を備えた積層造形装置。
2. 前記層の形状を計測する計測部を備え、
   前記加工部は、前記計測部の計測結果に基づいて前記表面を加工する、請求項１に記載の積層造形装置。
3. 前記弾性波検出部は、前記加工部によって前記表面が加工された前記造形物の領域で前記弾性波を検出する、請求項１または２に記載の積層造形装置。
4. 前記第二のエネルギ線は、第一のレーザ光であり、
   前記弾性波検出部は、前記表面に第二のレーザ光を照射し、前記表面で反射した前記第二のレーザ光の反射光を受光するレーザ干渉計であり、
   前記第一のレーザ光と前記第二のレーザ光とは、互いに干渉しない、請求項１〜３のいずれか一項に記載の積層造形装置。
5. 前記第一のレーザ光の集光と前記第二のレーザ光の集光とを行う一つのレンズを備えた請求項４に記載の積層造形装置。
6. 第三のレーザ光を出射する一つのレーザ出射部と、
   前記レーザ出射部から出射された前記第三のレーザ光を、前記第一のレーザ光と前記第二のレーザ光とに分離させる分離部と、
   を備えた請求項４または５に記載の積層造形装置。
7. 前記造形物の一部を除去可能な除去部を備え、
   前記検査部が前記造形物の内部の異常を検出した場合、前記除去部が、前記造形物の表面から前記異常までの前記造形物の一部を除去し、前記造形部が、前記除去部の除去によって形成された前記造形物の開口部を前記材料で埋めて且つ当該材料を固化させる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の積層造形装置。
8. 前記除去部は、前記開口部から突出した前記造形物の少なくとも一部を除去する、請求項７に記載の積層造形装置。
9. 材料に第一のエネルギ線を照射して前記材料を固化させて層を形成する工程と、第二のエネルギ線の照射によって、前記層によって構成された造形物の表面を加工するとともに前記造形物の内部を伝播する弾性波を発生させる工程と、前記弾性波を検出する工程と、前記弾性波の検出結果に基づいて、前記造形物を検査する工程とを有する積層造形方法。
10. 前記層の形状を計測する工程と、前記計測の結果に基づいて前記表面を加工する工程とを有する請求項９に記載の積層造形方法。
11. 前記表面が加工された前記造形物の領域で前記弾性波を検出する請求項９または１０に記載の積層造形方法。
12. 前記第二のエネルギ線は、第一のレーザ光であり、
    前記表面に第二のレーザ光を照射する工程と、前記表面で反射した前記第二のレーザ光の反射光を受光して前記弾性波を検出する工程とを有し、
    前記第一のレーザ光と前記第二のレーザ光とは、互いに干渉しない、請求項９〜１１のいずれか一項に記載の積層造形方法。
13. 第三のレーザ光を出射する工程と、前記第三のレーザ光を、前記第一のレーザ光と前記第二のレーザ光とに分離させる工程とを有する、請求項１２に記載の積層造形方法。
14. 前記造形物の内部の異常を検出した場合、前記造形物の表面から前記異常までの前記造形物の一部を除去する工程と、当該除去によって形成された前記造形物の開口部を前記材料で埋めて且つ当該材料を固化させる工程と、を有する請求項９〜１３のいずれか一項に記載の積層造形方法。
15. 前記開口部から突出した前記造形物の少なくとも一部を除去する、請求項１４に記載の積層造形方法。

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