JP7186898B2 - 積層造形装置 - Google Patents

Description

本開示は、加工位置で加工材料を溶融して積層することで造形物を形成する積層造形装置に関する。

３Ｄプリンタのように加工材料を積層して３次元の造形物を形成する付加製造（Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＡＭ）と呼ばれる技術を用いた積層造形装置が従来から知られている。また、加工材料として金属を積層する方式として、指向性エネルギー堆積（Ｄｉｒｅｃｔｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＤＥＤ）方式を用いた積層造形装置がある。指向性エネルギー堆積方式を用いる積層造形装置は、供給口から金属ワイヤ又は金属粉末といった金属材料を、加工材料として造形物を造形するためのベースに供給し、例えばレーザ又は電子ビームで金属材料を溶融して積層することで所望の形状の造形物を形成する。

しかし、積層造形装置は、あらかじめ定められた軌跡で供給口を移動させるが、形成された造形物が設計通りの形状とならない場合がある。具体的には、ベースの上面と、供給口との間の距離が適切な値の範囲から外れると、均一に金属材料を積層することができない。供給口から金属材料の出射量を設定しておけば、金属材料先端の高さも算出することができる。例えば、ベースの上面と金属材料の供給口との間の距離が適切な値の範囲よりも長い場所に位置する供給口から金属材料が提供された場合、言い換えれば造形物の高さが設計値よりも低い場合には、供給した金属材料が溶滴となり、造形物に凹凸が生じる。一方、ベースの上面と金属材料の供給口との間の距離が、適切な値の範囲よりも短い場所に位置する供給口から供給された場合、言い換えれば造形物の高さが設計値よりも高い場合には、金属材料が造形物に押し付けられ過ぎる影響で溶け残りが発生する。

そこで、スリット状のレーザ光を溶接直後のビードに照射し、この被測定面の凹凸から溶接ビード形状を断面として計測する溶接ビード形状センサを用いて次回の加工条件を変更しているレーザ溶接方法があった（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００－１６７６７８号公報

しかしながら、このような従来技術では、スリット状のレーザ光の長手方向を進行方向と直交するように配置してビード形状を計測するため、金属の加工材料が供給される方向を＋Ｘ方向とすると、＋Ｘ方向と平行な方向へ造形される場合以外の、例えば、＋Ｘ方向と直交する方向である＋Ｙ方向へ造形する際は、スリット状のレーザ光が造形物上に照射されず、造形物の高さを計測することができない。したがって、＋Ｙ方向へ造形したい場合は、造形物が配置されているワークを９０度回転させ、＋Ｘ方向と平行な方向であり、レーザ光の長手方向と直交するように配置し直して、造形されるようにする必要があった。つまり、加工方向が変わる都度、一時加工を中断し、レーザ光を造形物に照射できるようにワークを回転させなければならなかった。
また、例えば、－Ｙ方向、－Ｘ方向及び＋Ｙ方向の３方向に向かって加工する際は、３方向各々にレーザ光を照射できるように３台のレーザ光を照射する照明装置を各々配置しなければならず、積層造形装置が大型化してしまっていた。

本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、加工材料を供給する方向に応じてワークを回転する必要が無く、簡易で小型な積層造形装置を提供することを目的とする。

本開示に係る積層造形装置は、加工材料をワーク表面の加工位置に供給する加工材料供給部と、溶融した加工材料がワーク表面の加工位置に積層し、繰り返されることで造形物が形成される付加加工中に、ワーク上に形成済みの造形物の計測位置における高さを計測し、計測の結果を示す計測結果を出力する高さ計測部と、計測位置に新たに積層するときの加工条件を計測結果に応じて制御する制御部と、を備え、高さ計測部は、計測位置に線状ビームを照射する計測用照明系、線状ビームが計測位置で反射した反射光を受光素子で受光する受光光学系、及び受光素子上における反射光の受光位置に基づいてワーク上に形成された造形物の高さを算出する演算部と、を有し、線状ビームの光軸は、受光光学系の光軸に対して加工材料供給部に対向する側に傾いており、線状ビームは、ワーク表面に平行な面内において、加工材料供給部に対向する方向と、加工材料供給部に対向する方向に対して＋９０度の方向と、加工材料供給部に対向する方向に対して－９０度の方向とを横切るように照射されることを特徴とする。

本開示に係る積層造形装置は、加工材料を供給する方向から加工光の光軸に対して対向する方向の±９０度の角度範囲を照射し、高さを計測することで、任意の方向から加工材料を供給した場合であっても、加工材料を供給する方向に応じてワークを回転する必要がなく、簡易で小型な積層造形装置で造形物を製造することができる。

本開示の実施の形態１に係る積層造形装置の構成を示す斜視図である。 本開示の実施の形態１に係る積層造形装置の加工ヘッドの内部構成を示す図である。 本開示の実施の形態１に係る積層造形装置の有する計測位置算出部、演算部及び制御部の機能を実現するための専用のハードウェアを示す図である。 本開示の実施の形態１に係る積層造形装置の有する演算部及び制御部の機能を実現するための制御回路の構成を示す図である。 本開示の実施の形態１に係る造形物に対する加工材料の高さを示す概略図である。 本開示の実施の形態１に係る積層造形装置を用いて加工している様子をＹ方向から見た側面図である。 本開示の実施の形態１に係る積層造形装置を用いて加工している様子をＸ方向から見た計測系照明部からラインビームが投影される様子である。 本開示の実施の形態１に係る積層造形装置を用いて＋Ｘ方向へ延びるように加工している様子をＹ方向から見た側面図である。 本開示の実施の形態１に係る計測用照明部が平坦なワークに投影するラインビームのＸＹ平面の図である。 本開示の実施の形態１に係るラインビームを－Ｘ方向、±Ｙ方向に延びたビード上に照射した際のＸＹ平面の図である。 本開示の実施の形態１に係るラインビームを造形物に照射した際の受光素子上に結像された画像を示す図である。 本開示の実施の形態１に係る積層造形装置を用いて＋Ｙ方向に加工する際の受光素子の画像を示している。 本開示の実施の形態１に係る積層造形装置を、Ｘステージ及びＹステージを同時に動かし、＋Ｘ方向に対して１３５度方向に造形する際の受光素子上の画像を示している。 本開示の実施の形態１に係る積層造形装置による造形物の高さ制御の手順を示すフローチャートである。 本開示の実施の形態１に係る積層造形装置が第２層目を加工する場合の加工材料供給部の高さを示す図である。 本開示の実施の形態１に係る積層造形装置が第２層目を加工する場合の加工材料供給部の供給口の高さを示す図である。 造形物の高さに対する加工位置からのラインビームの照射位置を説明するための図である。 造形物の形状に対する基準画素位置と目標高さを説明するための図である。 本開示の実施の形態２に係る計測用照明部が平坦なワークに投影するラインビームのＸＹ平面の図である。 本開示の実施の形態３に係る積層造形装置の構成を示す図である。 本開示の実施の形態３に係る積層造形装置の加工ヘッドの内部構成を示す図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る積層造形装置１００の構成を示す斜視図である。図１に示すように、積層造形装置１００は、加工用レーザ１、加工ヘッド２、ワーク３を固定するための固定具５、駆動ステージ６、計測用照明部８、ガスノズル９、加工材料供給部１０、計測位置算出部５０、演算部５１、及び制御部５２を有する。積層造形装置１００は、積層物とも呼ばれる造形物４を形成する。

なお、以降の実施の形態も含めて、積層造形装置１００は、金属を加工材料７として使用する金属積層装置とするが、例えば樹脂といった他の加工材料を使用するものであっても良い。
また、積層造形装置１００は、加工用レーザ１を用いて加工材料７を溶解し、積層加工を行うものとするが、例えばアーク放電といった他の加工方法を使用してもよい。

積層造形装置１００は、加工材料７を溶融してワーク３の上に付加する付加加工を繰り返して、造形物４を形成する。このとき、積層造形装置１００は、形成済みの造形物４の高さを計測して、計測結果に基づいて、次に行う付加加工の加工条件を制御する機能を有する。積層造形装置１００は、最初の付加加工では、ワーク３の上に溶融した加工材料７を積層する。積層造形装置１００は、加工位置に加工材料７を供給し、加工位置に加工光３０を照射することで、形成済みの造形物４の上に新たな層を積層して新たな造形物４とする付加加工を繰り返し行う。
また、計測する造形物４の高さとは、Ｚ方向の造形物４の上面の位置である。

加工用レーザ１は、ワーク３上に造形物４を造形する造形加工に用いられる加工光３０を出射する。加工用レーザ１は、例えば、半導体レーザを用いたファイバレーザ装置、又はＣＯ_２レーザ装置である。加工用レーザ１が出射する加工光３０の波長は、例えば、１０７０ｎｍである。

加工ヘッド２は、加工光学系及び受光光学系を備える。
加工光学系は、加工用レーザ１から照射される加工光３０を集光してワーク３上の加工位置に結像させる。
一般的に、加工光３０は、加工位置に点状に集光されることから、以降では加工位置と呼び、本実施の形態について説明する。加工用レーザ１及び加工光学系が、加工部を構成する。本実施の形態では、加工位置に形成済みの造形物４の高さを測定する方法は、光切断方式とする。
また、本実施の形態では、加工ヘッド２内に受光光学系を配置し、加工光学系と受光光学系とを一体化されたものとする。

ワーク３は、駆動ステージ６の上に載せられ、固定具５で駆動ステージ６の上に固定される。ワーク３は、造形物４が形成される際の土台となり、ワーク３の表面に加工材料７が積層される。本実施の形態では、ワーク３は、ベースプレートとするが、３次元形状を有する物体であってもよい。
駆動ステージ６が駆動されることで、加工ヘッド２に対するワーク３の位置が変化し、ワーク３上を加工位置が移動する。加工位置が走査されるとは、加工位置が定められた経路に沿って移動することである。なお、加工位置の移動は、造形物４の高さ方向に対して直交する方向への移動を伴う。すなわち、移動前の加工位置の位置と移動後の加工位置の位置とでは、高さ方向に対して直交する平面に投影された位置が異なる。また、計測位置は、加工位置がワーク上を移動していく方向に位置する。

駆動ステージ６は、ＸＹＺの３軸の走査が可能である。なお、Ｚ方向は造形物４が積層される高さ方向である。Ｘ方向は、Ｚ方向に対して直交する方向であり、図１では、加工材料７を供給する加工材料供給部１０が設置されている方向である。Ｙ方向は、Ｘ方向及びＺ方向の双方に直交する方向である。
駆動ステージ６は、ＸＹＺの３軸いずれか１軸の方向に、平行移動することが可能である。また、本実施の形態に係る駆動ステージ６は、ＸＹ面内及びＹＺ面内での回転も行うことができる５軸ステージを使用する。ＸＹ面内及びＹＺ面内を回転することで、ワーク３の姿勢及び位置を変更することができる。
積層造形装置１００は、駆動ステージ６を回転させることで、ワーク３に対する加工光３０の照射位置を移動させることができる。このため、例えば、テーパ形状を含む複雑な形状を造形することができる。本実施の形態では、駆動ステージ６が５軸で走査可能であるものとするが、加工ヘッド２を走査しても良い。

積層造形装置１００は、駆動ステージ６を駆動することでワーク３を＋Ｘ方向に走査しながら、加工材料７を加工位置に供給する。積層造形装置１００は、ワーク３上を移動する加工位置で、溶融した加工材料７を積層することで付加加工を行う。より具体的には、積層造形装置１００は、駆動ステージ６を駆動してワーク３上で加工位置の候補点を移動させ、移動経路上の候補点の少なくとも１点が、加工材料７が積層される加工位置となる。
その結果、加工位置が走査されるたびに、加工位置において加工光３０によって加工材料７が溶融され、溶融された後に凝固し、ビードは－Ｘ方向に延びていくように形成される。加工位置が走査されるたびに、土台となるワーク３又は造形済みの造形物４の一部の上に新たにビードが積層されることで、新たに造形物４の一部が形成される。この動作を繰り返すことで、加工材料７が積層されて最終生成物である造形物４が所望の形状で形成される。

加工材料７は、例えば、金属ワイヤ、又は金属粉末である。加工材料７は、加工材料供給部１０から加工位置に供給される。加工材料供給部１０は、例えば、金属ワイヤが巻きつけられているワイヤスプールを回転モータの駆動に伴って回転させ、金属ワイヤを加工位置に送り出す。
また、加工材料供給部１０は、逆方向にモータを回転することで加工位置へ供給された金属ワイヤを引き抜くことができる。加工材料供給部１０は、加工ヘッド２と一体に設置されており、駆動ステージ６によって、加工ヘッド２と一体で駆動される。なお、金属ワイヤを送給する方法は、上記の例に限定されない。

積層造形装置１００は、加工位置の走査を繰り返すことで、溶融した加工材料７が凝固して生成されたビードを積層して、ワーク３上に造形物４を形成する。すなわち、積層造形装置１００は、付加加工を繰り返して造形物４を生成する。ビードは、溶融した加工材料７が凝固することで形成される物体であり、造形物４となるものである。本実施の形態では、加工中凝固して間もないものをビート、ビートが凝固して形成されたものを造形物４として区別している。

計測用照明部８は、本実施の形態では、加工ヘッド２の側面に取り付けられる。計測用照明部８は、ワーク３上にある形成済みの造形物４の高さを計測するために、ワーク３又は形成済みの造形物４上の計測位置に向けて、照明光として、本実施の形態では、計測用のラインビーム４１，４２を照射する。
計測位置は、加工位置とは異なる位置で、計測用のラインビーム４１，４２が反射する位置であり、加工位置の移動に伴って移動する。計測位置で反射した光を受光できるように、受光光学系は、加工ヘッド２の中に配置される。
また、受光光学系は、ラインビーム４１，４２の光軸に対して斜め方向の光軸を持つように配置される。加工時に発生する熱輻射光のピーク波長が赤外であるため、計測用照明部８の光源には、熱輻射光のピーク波長から離れた、波長５５０ｎｍ付近の緑色レーザ、又は波長４２０ｎｍ付近の青色レーザを用いることが望ましい。

ガスノズル９は、造形物４の酸化抑制及びビードの冷却のため、シールドガスをワーク３に向けて噴出する。本実施の形態において、シールドガスは不活性ガスとする。ガスノズル９は、加工ヘッド２の下部に取り付けられ、加工位置の上部に設置されている。本実施の形態では、ガスノズル９は加工光３０と同軸に設置されているが、Ｚ軸に対して斜めの方向から加工位置に向けてガスを噴出してもよい。

計測位置算出部５０は、あらかじめ設定された加工経路のデータから現在の加工位置に対して今後の加工方向を算出する。
計測位置算出部５０については、詳しく後述する。

演算部５１は、計測位置算出部５０の結果を用いて、加工位置における造形物４の高さを演算する。造形物４の高さの計測は、加工位置を移動しながら加工中に行われる。
演算部５１は、ラインビーム４１，４２の反射光の受光位置に基づき、三角測量の原理を用いて、加工位置における造形物４の高さを演算するが、詳しくは後述する。
ここで受光位置とは、受光光学系に含まれる受光素子におけるラインビーム４１，４２の位置である。

制御部５２は、演算部５１で演算された造形物４の高さを用いて、例えば、加工用レーザ１の駆動条件、加工材料７を供給する加工材料供給部１０の駆動条件、及び駆動ステージ６の駆動条件の加工条件を制御する。加工材料供給部１０の駆動条件は、加工材料７を供給する高さに関する条件が含まれる。
計測用照明部８、受光光学系、計測位置算出部５０及び演算部５１をまとめて高さ計測部とする。

図２は、図１に示す加工ヘッド２の内部構成を示す図である。加工ヘッド２は、投光レンズ１１、ビームスプリッタ１２、対物レンズ１３、バンドパスフィルタ１４、集光レンズ１５、及び受光部１６を有する。

投光レンズ１１は、加工用レーザ１が出射した加工光３０をビームスプリッタ１２に向けて透過させる。
ビームスプリッタ１２は、投光レンズ１１から入射する加工光３０をワーク３の方向に向かうように反射させる。
対物レンズ１３は、投光レンズ１１及びビームスプリッタ１２を介して入射する加工光３０を集光して、ワーク３上の加工位置に結像させる。

加工光学系は、投光レンズ１１、ビームスプリッタ１２及び対物レンズ１３で構成される。例えば、本実施の形態では、投光レンズ１１の焦点距離は２００ｍｍ、対物レンズ１３の焦点距離は４６０ｍｍとする。ビームスプリッタ１２の表面には、加工用レーザ１から照射される加工光３０の波長の反射率を高くし、加工光３０の波長よりも短い波長の光を透過するコーティングが施される。

また、加工方向として、本実施の形態では、ワーク３を＋Ｘ方向に走査し、－Ｘ方向、すなわち加工材料７を供給する加工材料供給部１０が設置されている方向と反対方向にビードが延びていくように形成する条件で説明する。以降の実施の形態も含めて、ビードは線状に延びるように形成されるものとして説明するが、例えば、点状に形成したビードを繋げて一つのビードとするといったように、その他のビード形成方法でも良い。また、ビードは、玉状のビードであってもよい。

計測用照明部８によって照射され、計測位置で反射したラインビーム４１，４２は、対物レンズ１３及びビームスプリッタ１２を介して、バンドパスフィルタ１４に入射する。
ビームスプリッタ１２は、計測位置で反射したラインビーム４１，４２をバンドパスフィルタ１４の方向に透過させる。図２では、分かりやすくするため、ラインビーム４１，４２の中心軸を中心軸４０として表している。
バンドパスフィルタ１４は、ラインビーム４１，４２の波長の光を選択的に透過させ、ラインビーム４１，４２の波長以外の波長の光を遮断する。バンドパスフィルタ１４は、加工光３０、熱輻射光、外乱光などの不要な波長の光を除去して、ラインビーム４１，４２を集光レンズ１５に向けて透過させる。

集光レンズ１５は、ラインビーム４１，４２を集光して受光部１６に結像させる。
受光部１６は、例えば、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサといった、受光素子を搭載したエリアカメラである。受光部１６は、ＣＭＯＳセンサに限らず、二次元に画素が配列された受光素子を備えればよい。
受光光学系は、対物レンズ１３及び集光レンズ１５で構成されている。本実施の形態では、受光光学系は、対物レンズ１３及び集光レンズ１５の２枚のレンズで構成されることとしたが、３枚以上のレンズを用いてもよい。受光光学系は、ラインビーム４１，４２を受光部１６に結像させることができればその構成は制限されない。受光ユニット１７は、受光光学系及び受光素子で構成されている。

続いて、本実施の形態に係る計測位置算出部５０、演算部５１及び制御部５２のハードウェア構成について述べる。計測位置算出部５０、演算部５１及び制御部５２は、処理回路により実現される。計測位置算出部５０、演算部５１及び制御部５２の処理回路は、専用のハードウェアにより実現されてもよいし、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を用いた制御回路であってもよい。
上記の処理回路が、専用のハードウェアにより実現される場合、これらは、図３に示す処理回路１９０により実現される。図３は、図１に示す計測位置算出部５０、演算部５１及び制御部５２の機能を実現するための専用のハードウェアを示す図である。処理回路１９０は、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ，ＡＳＩＣ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ，ＦＰＧＡ）、又は双方を組み合わせたものである。

処理回路１９０が、ＣＰＵを用いた制御回路で実現される場合、本実施の形態に係る制御回路は、例えば図４のような構成の制御回路２００で示される。図４は、図１に示す演算部５１及び制御部５２の機能を実現するための制御回路２００の構成を示す図である。 図４に示すように、制御回路２００は、プロセッサ２００ａ及び、メモリ２００ｂとで構成されている。
プロセッサ２００ａは、ＣＰＵであり、例えば、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、又はＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ，ＤＳＰ）と呼ばれる。
メモリ２００ｂは、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ＥＰＲＯＭ，ＥＭ）などの不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク及び、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ，ＤＶＤ）である。

処理回路１９０が制御回路２００により実現される場合、プロセッサ２００ａがメモリ２００ｂに記憶された、各構成要素の処理に対応するプログラムを読み出して実行することにより実現される。また、メモリ２００ｂは、プロセッサ２００ａが実行する各処理における一時メモリとしても使用される。

図５は、本実施の形態に係る造形物４に対する加工材料７の高さを示す概略図である。図５において、加工材料７の高さとは、形成済みの造形物４の上面４ａと、加工材料供給部１０の加工材料７の供給口との間の長さである。図５を用いて、加工材料７の高さについて説明する。

供給口から加工材料７の出射量を設定すると、加工材料７の先端の高さを算出することができる。また、加工材料７の適切な高さの範囲は、造形済みの造形物４の高さに依存する。図５に示す通り、形成済みの造形物４に応じた加工材料７を適切な高さで供給できなければ、加工結果に不具合が発生する。
形成済みの造形物４に応じた加工材料７の適切な高さの範囲について、図５を用いて説明する。図５では、加工材料７の適切な高さの範囲をｈａ±αとする。

図５（ａ）では、加工材料７の高さｈａは、ｈａ±αの範囲内である。したがって、加工結果に不具合は発生しない。

図５（ｂ）では、加工対象面となる形成済みのビードの高さがあらかじめ定める設計値に対して低く、加工材料７の高さｈｂは、ｈｂ＞ｈａ＋αであり、ｈａ±αの範囲外である。したがって、加工光３０が照射されて溶けた加工材料７が形成済みの造形物４に十分付着せず、溶滴７１が発生し、加工後の造形物４に凹凸が発生する。

図５（ｃ）では、加工対象面となる形成済みのビードの高さが設計値に対して高く、加工材料７の高さｈｃは、ｈｃ＜ｈａ－αであり、ｈａ±αの範囲外である。したがって、加工材料７が形成済みの造形物４の方向に押し付けられ過ぎ、加工光３０が照射されても加工材料７が全て溶けきらず、加工材料７の溶け残り７２が発生する。その結果、加工後の造形物４に溶け残った加工材料７が含まれてしまう。
図５で示したように、形成済みの造形物４に応じた加工材料７の高さを加工中に適切な値に維持し続けることが高精度な加工には不可欠である。

ワーク３に対して造形物４を加工し始める１層目の場合、ワーク３の高さが平坦であれば、加工材料７の高さを一定に維持して加工すればよい。しかし、２層目以降は、１つ前の層までに形成済みの造形物４の高さが、設計値通りの高さになっていない場合が考えられる。設計値通りの高さになっていない場合は、積層時の加工材料７の高さから、設計上の１層分の高さだけ金属材料を上昇させても、実際には、前回の積層時までの造形物４の高さが設計値と異なる部分では、加工材料７の高さが今回積層する部分に対応する加工材料７の適切な範囲内ではない可能性がある。また、位置によって造形物４の高さが一定になっていない場合も考えられる。

もし、２層目では適切な高さ範囲であるｈａ±αであったとしても、複数回加工を行い、ｎ層目（ｎ≧２）を加工する場合には、積層誤差がｎ回加算されるため、適切な高さ範囲であるｈａ±αに入らない可能性がある。
そこで、本実施の形態では、加工中に形成済みの造形物４の高さを計測し、計測結果に基づいて、加工条件を制御する。加工中に形成済みの造形物４の高さを計測することで、１層の付加加工に対する加工経路の走査回数を一度にしつつ、付加加工と形成済みの造形物４の高さの計測との両方を行うことができ、効率的に付加加工を行うことができる。

次に、形成済みの造形物４に対して加工材料７を適切な高さに維持するため、形成済みの造形物４の高さを用いて、加工後のビード高さを計測する光切断方式を用いた高さ計測動作について図６及び図７を用いて説明する。
図６は、本実施の形態の積層造形装置１００を用いて加工している様子をＹ方向から見た側面図である。本実施の形態では、計測用照明部８からラインビーム４１，４２を投影する。
図６では、ビードが、加工材料７の供給位置と加工光３０の光軸ＣＬに対して対向方向である－Ｘ方向に延びるように加工される様子を示している。
図７は、Ｘ方向から見た計測用照明部８からラインビーム４１，４２が投影される様子である。
本実施の形態では、計測用照明部８は、図６に示す通り、加工光３０の光軸ＣＬに対して、加工材料供給部１０の加工材料７の供給方向と対向する方向に設置される。また、図７に示す通り、Ｘ軸上に設置されるとする。

図６において、ワーク３上面に対する造形物４の高さをΔＺとし、ラインビーム４１，４２の照射角度をθとする。
ワーク３上面のラインビーム４１，４２の照射位置と、造形物４上のラインビーム４１，４２の照射位置Ｌの差をΔＸとすると、ΔＸ＝ΔＺ×ｔａｎθで表される。本実施の形態では、受光光学系の光軸は加工光３０の光軸ＣＬと同軸の鉛直方向であるため、ラインビーム４１，４２の光軸は、受光光学系の光軸に対してθ傾いている。
このように、受光光学系に対して計測用照明部８を－Ｘ方向に設置し、ラインビーム４１，４２をＸＺ平面内で受光光学系の光軸に対してθ傾けて照射している場合、高さが変化した際のラインビーム４１，４２の投影位置ずれは、加工材料７を供給する方向である＋Ｘ方向に対向する方向を中心とした±９０度の角度範囲内の計測位置によらずＸ方向となる。
矢印Ｆは、ワーク３を載せた駆動ステージ６が＋Ｘ方向に移動する様子を示している。
図６においても、形成済みの造形物４の高さを計測する位置は、加工位置に対して－Ｘ方向に移動した位置である。図６のように、＋Ｘ方向に駆動ステージ６を走査すれば、加工位置はワーク３上を－Ｘ方向に移動し、－Ｘ方向に延びるように直線状の造形物４を加工することができる。

付加加工時に加工位置に加工光３０が照射され、ワーク３上で加工材料７が溶けた状態となっている領域をメルトプール３１とする。図６では、すでにワーク３上に造形物４が形成されており、造形物４上で、加工材料７が溶けた状態となっている領域であるメルトプール３１がある。

メルトプール３１端を加工位置の中心である加工光３０の光軸ＣＬから距離Ｗ離れた位置とする。また、ビードが高温となっており、十分凝固していない高温部３２をメルトプール３１の端から距離Ｕ離れた位置とする。
また、本実施の形態では、加工光３０の光軸ＣＬは受光光学系の光軸と等しい。

加工位置のメルトプール３１近傍は高温となっており、駆動ステージ６を＋Ｘ方向に移動させていくと、メルトプール３１は自然冷却されるが、加工後のメルトプール３１の＋Ｘ方向外側には、高温部３２が発生しており、さらに時間が十分たつと、加工材料７のビードとして一定の形状に凝固する。ビードが積層されて造形物４が形成される。
加工位置がワーク３上を移動していく方向は、加工位置の移動経路に沿った方向を指す。そして、高温部３２は、加工位置がワーク３上を移動していく方向と反対方向に発生する。

図６の場合には、加工位置はワーク３上を－Ｘ方向に移動するので、高温部３２は加工位置に対して＋Ｘ方向に発生する。これに対して、形成済みの造形物４の高さは、加工位置がワーク３上を移動していく方向と同一方向である－Ｘ方向の位置で計測される。
メルトプール３１では加工材料７が溶融しており、形成済みの造形物４の高さの計測精度が低下する。また、メルトプール３１は、金属の加工材料７を溶かす程の高温になるため、非常に高輝度な熱輻射光が発生し、高さ計測の妨げとなりやすい。したがって、計測位置は、加工位置の中心から少なくともＷ以上離れた位置とすることが望ましい。すなわち、計測位置は、メルトプール３１と重ならないことが望ましい。
また、メルトプール３１に計測位置を設けた場合には、ビードが完全に凝固しておらず液状になっていることから、計測用照明が十分反射されず、ビード上の照度分布が計測できなくなる可能性が生じる。また、計測位置によって溶け方が異なるため、計測位置に対するビード高さに計測誤差が発生する。凝固後の状態と溶けている状態とでは、金属の熱収縮により誤差が生じる。
したがって、上述の通り、計測位置をメルトプール３１から離すことで、加工位置から出た熱輻射光とラインビーム４１，４２の反射光とを分離することを可能にする。
ただし、必要な造形物４の造形精度に対して十分な計測精度が得られる場合には、メルトプール３１上や高温部３２上など加工位置近傍を計測しても良い。

本実施の形態の積層造形装置１００は、加工位置に対して加工位置の移動方向を計測するので、メルトプール３１端よりも計測位置を離しておければ、高温部３２でビードが溶けている影響を受けず、高精度に造形物４の高さを計測することができる。

ここで、図６では、ビードが、加工材料供給部１０と反対方向である－Ｘ方向に延びるように加工される場合について説明したが、加工材料供給部１０と同じ方向であるビードが＋Ｘ方向に延びるように加工することも可能である。
続いて、図８は、本実施の形態の積層造形装置１００を用いて＋Ｘ方向へ延びるように加工している様子をＹ方向から見た側面図である。
図８において、形成済みの造形物４の高さを計測する位置は、加工位置に対して－Ｘ方向に移動した位置である。高温部３２は、加工位置を基準として、－Ｘ方向に加工位置の中心から距離Ｗ＋Ｕの範囲に存在する。高温部３２ではビードが完全に凝固しておらず、造形物４の高さ計測精度が低下する。

したがって、加工位置に対して－Ｘ方向に移動した位置で高さを計測する場合には、造形物４上のラインビーム４１，４２の照射位置Ｌは加工位置の中心から少なくとも距離Ｗ＋Ｕ以上離れた位置とすることがより望ましい。すなわち、高さが計測される計測位置は、加工時に加工材料７が溶解している範囲から外れた位置とすることがより望ましい。ただし、必要な造形物の造形精度に対して十分な計測精度が得られる場合には、加工位置近傍を計測しても良い。
図８のように、加工位置に対して高温部３２が発生する方向と同一方向に計測位置を設けた場合でも、造形物４上のラインビーム４１，４２の照射位置Ｌが加工位置から十分遠ければ、ビードも十分凝固している。

しかしながら、ラインビーム４１，４２の照射角度を一定にする場合、計測用照明部８及び受光光学系の設置位置を加工ヘッド２から離す必要があり、装置が大きくなる。
また、受光部１６の撮影エリア内にラインビーム４１，４２が入るように、視野が大きくなるよう受光光学系の倍率を決定する必要があり、受光部１６の１ｐｉｘｅｌ当たりの解像度が低下するという課題がある。また、加工ヘッド２と計測用照明部８とを一体化した構成では計測できなくなることも考えられる。

したがって、加工位置から見て、加工位置がワーク３上を移動していく方向、すなわち、加工経路の進行方向に高さの計測位置を設けると、加工位置に近い位置で高さを計測することができる。つまり、図６のように、加工位置に対して高温部３２が発生する方向とは反対方向に計測位置を設けることで、ビードが高温となり、凝固せずに溶けている影響を受けずに、加工位置に対して近い位置を計測することができる。
本実施の形態の積層造形装置１００では、図６のようにラインビーム４１，４２は加工位置から見て加工経路の進行方向に照射されるものとして説明するが、図８の構成でも良い。

図９は、本実施の形態で用いる計測用照明部８が平坦なワーク３に投影するラインビーム４１，４２のＸＹ平面の図である。図９において、加工位置の中心をＸ０軸とＹ０軸の交点とし、加工材料７を供給する方向、つまり加工位置から見て加工材料が存在する方向を＋Ｘ０方向とする。図９では、＋Ｘ０方向を０度方向、＋Ｙ０方向を９０度、加工材料７を供給する方向と対向する方向である－Ｘ０方向を１８０度、及び－Ｙ０方向を２７０度方向として説明する。
ラインビーム４１は、加工位置に対して－Ｘ０方向と＋Ｙ０方向を横切るように計測用照明部８のラインビーム４１の光軸に対して、長手方向がＸ軸からφ回転して投影される。ラインビーム４１の長手とは、ラインビーム４１を投影した際の厚みである照射幅ではなく、対象物上に投影されたビームの長さを指す。
ラインビーム４２は、加工位置に対して－Ｘ０方向と－Ｙ０方向を横切るように計測用照明部８のラインビーム４２の光軸に対して、長手方向がＸ軸から－φ回転して投影される。
図９では、ラインビーム４１，４２は－Ｘ０軸上で交わっているが、厳密に交わる必要は無く、例えば、１本のラインが折れ曲がった形状でも良い。

つまり、加工光３０の光軸ＣＬを角度範囲の中心とし、図９のＢＡで表される範囲である、－Ｘ０方向を基準とした少なくとも±９０度の角度範囲に、途切れることなくラインビームが照射されていればよい。
望ましくは、図９のラインビーム４１，４２のように、－Ｘ方向を基準とした少なくとも±９０度以上に照射される方が良い。例えば±Ｙ０方向に形成されたビードを計測する場合、ビードを横切るようにラインビームが照射されている方が、造形物４の高さを求める精度がより高くなるためである。

また、ラインビーム４１，４２が交わる位置は、厳密にＸ０軸上である必要は無く、＋Ｘ０方向から加工光３０の光軸ＣＬに対して対向する方向を基準とした±９０度の角度範囲内であれば良い。また、ラインビーム４１，４２の長手方向のＸ０軸からの回転量は、それぞれ方向は異なるが、φと同じ値であるものとして説明するが、厳密に同じである必要は無く、＋Ｘ０方向から、加工光３０の光軸ＣＬに対して対向する方向を基準とした±９０度の角度範囲内に照射されていればよい。

ラインビームが加工材料７の供給方向に対して加工光３０の光軸ＣＬを挟んで対向する方向を基準とした少なくとも±９０度以上の角度範囲内にわたって照射されていればよいため、本実施の形態では直線状のラインビーム４１，４２を用いて説明するが、厳密に直線である必要は無く、例えば、曲線又は波線でも良い。
また、各方向のラインビームの投影位置Ｌは図６に示した通り、加工位置の中心からＷ離れていることが望ましい。例えば、－Ｘ０方向、±Ｙ０方向の造形物上の計測位置を加工位置から距離Ｌ１とすると、最も計測位置が加工位置に近くなる１３５度方向（＋Ｙ０方向と－Ｘ０方向の中間）と２２５度方向（－Ｙ０方向と－Ｘ０方向の中間）の計測位置の加工位置からの距離Ｌ２がＷ以上離れていることが望ましい。
図１０は、ラインビームを－Ｘ方向、±Ｙ方向に延びたビード上に照射した際のＸＹ平面の図である。ビード上に照射されたラインビームは平坦部と高さが異なるため、三角測量の原理によりラインビームの照射位置が対象物の高さに応じてＸ方向にずれる。

図１１は、本実施の形態に係るラインビーム４１，４２を造形物４に照射した際の受光素子上に結像された画像を示す図である。本実施の形態では、加工位置のＸ方向画素中心８１の線が受光素子上のＸ方向の中心、視野中心８０の線が受光素子上のＹ方向の中心となるように設定しているが、これに限られない。また、計測位置は、受光素子の視野内にある。
図６に示す通り、ＸＺ平面内では、ラインビーム４１，４２の光軸が、本実施の形態では鉛直方向である受光光学系の加工光３０の光軸ＣＬに対してθ傾いている。

加工中に計測する場合には、加工位置が高輝度な発光点となり、メルトプール３１の像が画像中心に写る。図１１では、メルトプール３１の中心をＸ方向の画像中心とし、受光素子上のメルトプール３１の幅W１は、受光光学系の倍率Ｍを用いると、W１＝Ｍ×Ｗとなる。バンドパスフィルタ１４を受光光学系内に設置し、計測用照明部８の出力を十分大きくすることで、メルトプール３１での発光の影響を受けずにラインビーム４１，４２の受光素子上の投影位置から造形物４の高さを計測することができる。また、Ｙ方向の加工位置に相当する位置のラインビーム４１，４２のＸ方向の投影位置を、造形物４の高さとする。
図１１では、－Ｘ方向に加工する場合には、Ｘ軸上のラインビーム４１，４２の投影位置から造形物４の高さを算出することができる。

高さ演算時の受光素子上の重心位置ずれの基準となるＸ方向画素位置を、基準画素位置とする。本実施の形態では、受光光学系を焦点位置に調整した際のラインビーム４１，４２の受光素子上での投影位置のＸ方向画素位置を基準画素位置６０とする。本実施の形態では、ラインビーム４１，４２がＸ軸に対して回転しているため、基準画素位置６０はＹ方向画素ごとに異なる。例えば、図１１において、基準画素位置６０は、受光光学系の焦点に対応するラインビーム４１，４２の投影位置であり、Ｘ方向画素中心８１からＬ_１Ｐの位置である。
また、本実施の形態では、基準画素位置６０は受光光学系の焦点に調整した際のラインビーム４１，４２のＸ方向投影位置とするが、任意に設定することができる。また、ラインビーム４１、４２の焦点も受光光学系の焦点と同じ高さに設定されることが望ましい。

上述の通り、基準画素位置６０となる受光素子のＸ方向位置は、加工方向、つまり受光素子上のＹ方向位置によって異なる。そのため、現在の加工位置に対して今後の加工方向から計測位置、つまり受光素子上のＹ方向位置を算出する必要がある。
そこで、計測位置算出部５０は、あらかじめ設定された加工経路のデータから現在の加工位置に対して今後の加工方向を算出する。その結果、受光素子上の重心計算を行うＹ方向位置を算出することができる。

今後の加工方向は、加工位置に対するＸＹ平面上の角度として表される。例えば、図１１では、＋Ｘ方向に対して１８０度方向である。受光光学系の焦点に調整した際の受光素子上のラインビーム４１，４２の投影位置と加工方向Ｐとの交点は、Ｙ方向位置が視野中心８０の位置、つまり加工位置と同じＸ軸上であるため、Ｙ方向の視野中心８０について、Ｘ方向の重心位置を計算し、基準画素位置６０との差異から造形物４の高さを算出することができる。

造形物４の高さと基準画素位置６０との差異から、ラインビーム４１，４２の照射位置はΔＸ１ずれて投影され、ΔＸ１＝Ｍ×ΔＸとなる。
受光部１６の１画素の大きさをｐとすると、１画素当たりの高さ変位量ΔＺ１は、ΔＺ１＝ｐ×ｔａｎθ／Ｍと表される。例えば、ｐ＝５．５μｍ、Ｍ＝１／２、θ＝７２ｄｅｇとすると、ΔＺ１＝３３．８μｍと表せる。
このように受光部１６に結像されるラインビーム４１，４２の投影位置から、三角測量の原理により、造形物４の高さを算出することができる。

また、複数層の付加加工を行う場合、各層を積層するごとにＺ方向に駆動ステージ６を一定量上昇させるため、加工ヘッド２と高さセンサのワーク３の上面に対する高さが上昇する。
つまり、高さセンサの焦点位置も、駆動ステージ６の上昇に伴って上昇する。したがって、基準画素位置６０となるＺ方向の高さも上昇する。

このように、基準画素位置６０からの差分の計算を繰り返せば、造形物４の高さがワーク３の上面に対して高くなり、ワーク３の上面からのラインビーム４１，４２の反射光が受光できなくなったとしても、これまでのＺ軸上昇量の積分値と、受光素子上の視野内の造形物４の上面から反射したラインビーム４１，４２の照射位置と基準画素位置６０との差分とから、造形物４の高さを算出することができる。

ここで、受光光学系の焦点の高さを基準として計測したい高さの範囲をＤとすると、距離Ｄに対するラインビーム４１，４２の移動量Ｓは、Ｓ＝Ｄ×Ｍ／ｔａｎθで表されるため、画像中心からメルトプール３１端までの距離Ｗに対してＷ＋Ｓとなる視野を受光光学系としては最低限確保できるように、受光素子のＸ方向の画素数Ｎを設計することが望ましい。

次に、加工材料７が供給される方向と平行な方向へ造形される場合以外の例として、本実施の形態では、＋Ｙ方向へ造形する際について説明する。図１２は、＋Ｙ方向に加工する際の受光素子の画像を示している。加工光３０の光軸ＣＬを回転角度範囲の中心とし、図１２のＢＡで表される範囲である、－Ｘ方向を基準とした少なくとも±９０度の角度範囲に、途切れることなくラインビームを照射する。その結果、図１１のような－Ｘ方向以外の方向に造形された場合であっても、造形物４の高さを計測することができる。
また、図１３は、Ｘステージ及びＹステージを同時に動かし、斜め方向、例えば＋Ｘ方向に対して１３５度方向に造形する際の受光素子上の画像を示している。
図１２では、＋Ｙ方向に加工するため、受光光学系の焦点に調整した際の受光素子上のラインビーム４１、４２の投影位置と加工方向Ｐの交点は＋Ｘ方向に対して９０度方向であり、受光素子上の基準画素位置６０は加工位置から＋Ｙ方向にある。したがって、基準画素位置６０として使用するＹ方向画素は視野中心から＋Ｙ方向にＬ_１Ｐの位置であり、Ｘ方向のラインビーム４１の投影位置と基準画素位置６０との差異をΔＸ２とすると、ΔＸ２から造形物４の高さを算出することができる。
また、図１３では、ＸステージとＹステージを同時に動かし、＋Ｘ方向に対して１３５度方向に造形するため、受光光学系の焦点に調整した際の受光素子上のラインビーム４１，４２の投影位置と加工方向Ｐとの交点は、Ｙ方向が視野中心からＬ_２Ｐの位置であり、Ｘ方向のラインビーム４１の投影位置と基準画素位置６０との差異をΔＸ３とすると、ΔＸ３から造形物４の高さを算出することができる。
本実施の形態では、Ｘ軸に対して上側の９０度から１８０度の範囲について説明したが、Ｘ軸に対して下側の１８０度から２７０度についても同様に、造形物４の高さを計算できる。

このように、加工方向によらず、Ｘ方向のラインビーム４１，４２の投影位置と基準画素位置６０との差異から造形物４の高さを算出することができるため、加工方向毎に重心計算の方向を変更する必要が無い。計測位置が変化しても受光素子上のラインビームの重心位置の計算をＸ方向に行うだけで良いため、高さ演算処理が簡便である。

造形物４の高さは、Ｙ方向の画素１ｐｉｘｅｌから算出した値を使用しても良いし、複数の画素の平均を使用してもよい。複数の画素を使用する場合には、それぞれのＹ方向毎にあらかじめ設定した基準画素位置６０と算出した重心位置の差分を計算し、それらの平均を算出すれば、造形物４の高さを算出することができる。

ラインビーム４１，４２の照射位置は、一般的にラインビーム４１，４２の投影パターンのＸ方向重心位置から計算される。
演算部５１は、各Ｙ方向画素に対して、Ｘ方向の出力を算出し、ラインビーム４１，４２の断面強度分布から重心位置を算出する。
ラインビーム４１，４２の照射位置の算出方法は重心位置に限らず、光量のピーク位置など適切に選択される。

ラインビーム４１，４２の照射幅は、照射位置の算出に対して十分な大きさである必要がある。
例えば、重心計算の場合には、狭すぎると重心計算ができず、太すぎるとラインビーム４１，４２の強度パターン変化の影響で誤差が生じやすい。したがって、５～１０ｐｉｘｅｌ程度が望ましい。

このように、画像のＹ方向の各画素に対してＸ方向の重心位置を算出し、この結果を高さに換算することで、造形物４の幅方向における造形物４の高さの断面分布を計測することができる。
しかし、投影したラインビームのＹ方向全ての画素について重心計算を行い、高さを計算する必要がなく、例えば、加工経路から算出されて計測位置のみでよいのであれば、計測位置のＹ方向位置の領域のみを使用してもよい。

本実施の形態では、計測用照明部８は、－Ｘ軸上にあるとして説明したが、厳密に－Ｘ軸上である必要は無く、計測用照明部８のラインビーム４１，４２の光軸が、受光光学系の加工光３０の光軸ＣＬから傾いた状態で照射されれば、設置位置は限定されない。
本実施の形態のように、加工材料７を加工ヘッド２側面から供給する構成であれば、加工材料７を供給する方向に対向する方向を基準とした±９０度方向である、－Ｙ方向から－Ｘ方向、＋Ｙ方向までの範囲、すなわち９０度から２７０度内の範囲にあることが望ましいが、さらに広い範囲にあっても良い。

また、計測用照明部８は、１台の照明装置からラインビーム４１，４２を照射するように述べたが、２台の照明装置を近接して配置し、各々からラインビームを照射するようにしても良いし、１台の照明装置及び、例えば、ホログラム素子といった光学素子を使用してビーム形状を生成しても良い。

図１４は、本実施の形態に係る造形物４の高さ制御の手順を示すフローチャートである。図１４では、ｎ層の積層物を造形する場合について説明する。

まず、ステップＳ１１では、１層目の付加加工を開始する。ワーク３の上面が平坦なベースプレートであり、１層目の付加加工時においては、計測位置にビードはないため、造形物４の高さを計測する必要はなく、図１４における高さ計測のステップを省略する。しかし、例えば、造形物４の上にビードを重ねる場合、又は、ベースプレートがひずんでいる場合に正確な付加加工を行うためには、１層目から造形物４の高さを計測してもよい。

ステップＳ１２では、１層目の付加加工が終了後２層目の付加加工を行うため、積層造形装置１００は、駆動ステージ６をＺ方向に上昇させる。
ステップＳ１３では、積層造形装置１００は、２層目の付加加工を開始する。
ステップＳ１４では、計測位置算出部が、計測点となる受光素子上のＹ方向位置を算出する。
ステップＳ１５では、付加加工の開始と共に、ラインビーム４１，４２の投影位置と基準画素位置との差異から造形物４の高さを計測する。
ステップＳ１６では、計測位置に対する造形物４の高さの計測結果を保存する。

ステップＳ１７では、計測した造形物４の位置で次回の加工をする場合に、ステップＳ１６で保存した計測結果を用いて加工制御を行う。ステップＳ１５において、計測できる造形物４の高さの間隔は、受光部１６で受光素子として用いるイメージセンサのフレームレート及び加工位置の走査速度で決定される。例えば、フレームレートをＦ［ｆｐｓ］、駆動ステージ６の移動速度をｖ［ｍｍ／ｓ］とすると、造形物４の高さの加工位置の走査方向の計測間隔Λ［ｍｍ］は、Λ＝ｖ／Ｆとなる。このため、加工位置から計測位置までの距離をＬとすると、Ｌ／Λ回前の周期で計測した結果が、今回の加工位置に対応する計測結果となる。
実際には加工位置のステージの位置と計測位置とが紐づけられているため、現在の加工位置の計測結果を参照することができる。つまり、ｎ層目を加工する際に、ある計測位置のｎ－１層目の積層物の高さを計測し、この計測からＬ／Λ周期後に、加工位置である計測結果を用いて、最適な加工制御を行う。

ステップＳ１７では、制御部５２は、計測位置に新たに積層する際の加工条件を計測結果に応じて制御する。
最後に、ステップＳ１８では、積層造形装置１００は、ｎ層の造形が終了したか否かを判定する。
ステップＳ１８においてＮｏ、つまりｎ層の造形が終了していない場合、積層造形装置１００は、ステップＳ１２の処理に戻る。ステップＳ１８でＹｅｓ、つまりｎ層の造形が終了した場合、積層造形装置１００は、付加加工を終了する。
積層造形装置１００がステップＳ１２～ステップＳ１８の処理を繰り返すことで、任意の形状の造形物４を積層加工することができる。

図１５は、積層造形装置１００が第２層目を加工する場合の加工材料供給部１０の高さを示す図である。図１５では、１層目で形成される造形物４の目標の積層高さをＴ０で示す。ワーク３の上面を高さの基準とする。領域Ｉにおいて、１層目で形成される造形物４の積層高さをＴ１で表す。同様に、１層目で形成される造形物４の高さを、領域ＩＩではＴ２、領域ＩＩＩではＴ３で表す。図１５を用いて、加工制御の方法について説明を行う。

図１５（ａ）において、領域Ｉでは、１層目で形成される造形物４の積層高さＴ１が、目標の積層高さＴ０と同じＴ１＝Ｔ０で形成されたとする。領域ＩＩでは、１層目で形成される造形物４の積層高さＴ２が目標の積層高さＴ０より高く、Ｔ２＞Ｔ０で形成されたとする。領域ＩＩＩでは、１層目で形成される造形物４の積層高さＴ３が目標の積層高さＴ０より低く、Ｔ３＜Ｔ０で形成されたとする。
本実施の形態では、簡単のため、図１５のように、造形物４の造形面の高さと加工材料７の先端の高さが等しい場合において、造形物４を目標の積層高さに加工できるとする。つまり、１層目で形成される造形物４の積層高さＴ１が、目標の積層高さＴ０と同じＴ１＝Ｔ０で形成された場合に、２層目の積層高さを目標の積層高さＴ０積層するための加工材料７の先端の高さを１層目の造形物４の目標の積層高さＴ０と同じ高さとして説明するが、同じでなくともよい。

図１５（ｂ）において、積層量を変更するための加工条件について述べる。
積層量を変更するための加工条件は、例えば、加工レーザ出力、加工材料７の送り速度、及び、ステージの送り速度といったパラメータである。
本実施の形態では、加工材料７の送り速度を制御する場合について説明する。
加工材料７の送り速度を制御すると、加工光３０を照射中に加工位置に送り込む加工材料７の供給量を制御することができる。目標の積層高さＴ０を積層するための加工材料７の送り速度をｖ１とする。

領域Ｉの２層目の加工時、１層目の計測結果Ｔ１が目標の積層高さＴ０と同じであるため、加工条件は変更せず、加工材料７の送り速度はｖ１とする。
領域ＩＩの２層目の加工時、１層目の計測結果Ｔ２が目標の積層高さＴ０よりも高いため、２層目の積層量は２×Ｔ０－Ｔ２とする。
したがって、制御部５２は、加工材料７の送り速度ｖ２をｖ１よりも遅く、ｖ２＜ｖ１とする。加工材料７の供給量を減らすことで、１層目と合わせた２層目加工終了時の造形物４の高さが２×Ｔ０となるようにする。
同様に、領域ＩＩＩの２層目の加工時、１層目の計測結果Ｔ３が目標の積層高さＴ０よりも低いため、２層目の積層高さは２×Ｔ０－Ｔ３とする。したがって、制御部５２は、加工材料７の送り速度ｖ３をｖ１よりも速くする。加工材料７の供給量を増やすことで、１層目と合わせた２層目加工終了時の造形物４の高さが２×Ｔ０となるようにする。

つまり、加工条件は、造形物４に新たに積層されるあらかじめ設定された積層物の高さと計測結果との差に応じて、制御部５２によって制御される。
加工材料７の送り速度の制御値は、加工材料７の送り速度と積層されるビードの高さとの関係を予め算出して保持しておけばよい。また、複数の層を積層する場合、１つ前の層の計測したビード高さに基づいて積層した結果を用いて、積層加工中に動的に制御値を変更してもよい。

図１６は、積層造形装置１００が造形物４の高さの計測結果に基づいて加工材料供給部１０の供給口の高さを制御する方法を示すため、第２層目を加工する場合の加工材料の先端部を示す図である。１層目加工終了時の状態は、図１５と同様とする。
領域ＩＩ及び領域ＩＩＩにおいて、１層目の造形物４の高さが目標高さＴ０から大きく外れており、２層目の付加加工時に加工材料供給部１０をＴ０上昇させると、付加対象面に対する加工材料供給部１０の供給口の高さが、図５で示した許容範囲ｈａ±αに入らない場合が考えられる。このような場合には、駆動ステージ６のＺ方向の上昇量を変化させて、加工材料７の先端の高さを制御することが好ましい。

領域Ｉの２層目の加工時、１層目の計測結果Ｔ１が目標の積層高さＴ０と等しいため、加工材料供給部１０の加工材料７の先端の高さをＴ０とすればよい。
領域ＩＩの２層目の加工時、１層目の計測結果Ｔ２が目標の積層高さＴ０よりも高いため、加工材料７の先端の高さをワーク３上面からＴ０とすると、加工材料７の先端の高さが許容範囲に入らない。したがって、加工材料７の先端の高さをＴ２とすることで、加工不具合を発生させずに２層目の付加加工を行うことができる。
領域ＩＩＩの２層目の加工時、１層目の計測結果Ｔ３が目標の積層高さＴ０よりも低いため、加工材料７の先端の高さをワーク３上面からＴ０とすると、加工材料７の先端の高さが許容範囲に入らない。したがって、加工材料７の先端の高さをＴ３とすることで、加工不具合を発生させずに２層目の付加加工を行うことができる。

上記のように、形成済みの造形物４の高さの計測結果に基づいて、加工材料７の先端の高さを調整することで、加工不具合の発生を抑制することができる。
また、加工材料７の先端の高さは、加工条件の一例である。加工材料７の先端の高さの制御は、加工材料７の先端の高さ以外の積層高さを変更するための加工条件、例えば、加工材料７の送り速度、加工用レーザ１の出力又は加工光３０の照射時間と合わせて制御することが好ましい。

また、加工材料７の先端の高さの制御方法の別の例として、ｎ－１層目を加工する前に、領域Ｉ～ＩＩＩのｎ－２層目の平均高さが目標の積層高さＴ０よりも高い場合、ｎ－１層目の加工終了後に上昇させる加工材料供給部１０の高さの変化量を、ｎ－２層目の平均高さとし、ｎ層目加工中にｎ－１層目の計測結果を用いて最適な加工制御を行ってもよい。
また、もう一つ別の加工材料７の先端の高さの制御方法の例として、図１６のように、ｎ層目の領域Ｉ、ｎ層目の領域ＩＩ、ｎ層目の領域ＩＩＩでそれぞれの領域の造形物４の高さの計測結果が異なる場合、領域ごとに上昇させる加工材料７の先端の高さの変化量を変更してもよい。

このように、ｎ層目を加工する際に直前に計測したｎ－１層目の積層高さの計測結果を用いて加工条件を最適に制御することで、図５に示した通り、常に目標の積層高さをｈａ±αに維持することができ、加工不具合を発生させずに加工を継続することができる。
図１５及び図１６では、加工材料７の送り速度及び加工材料７の先端の高さを変更して制御を行ったが、別のパラメータ、又は複数のパラメータを変更して制御を行っても良い。例えば、積層量を少なくしたい場合には、加工用レーザ１の出力を小さくし、ステージ速度を増加させて加工位置を移動させるといった方法が考えられる。

また、図８に示した通り、加工位置に対して高温部３２が発生する方向と同一方向に計測位置を設けた場合、ｎ層目を積層している際には、ｎ層目の積層後の高さを計測することになる。したがって、計測した加工材料供給部１０の高さを用いて加工条件を制御する場合には、計測位置に対する加工材料供給部１０の高さ計測結果を１層分全て保存しておき、ｎ＋１層目を積層する際に使用すればよい。また、造形物４の高さを計測する基準画素位置もｎ－１層目の目標の積層高さ位置ではなく、ｎ層目の目標の積層高さ位置としておく方が良い。

このように、本実施の形態の積層造形装置１００は、加工中に積層加工の進行方向のビード高さを計測し、次回加工時に加工条件を適切となるように制御することで、目標の積層高さを維持することができる。
また、本実施の形態の積層造形装置１００は、供給口とビードとの間の高さを一定に維持できるため、積層造形装置１００は、造形物４を形成する精度の低下を抑制することができ、高精度な積層加工を実現することができる。

本実施の形態の積層造形装置１００は、加工位置に近い位置のビード高さを計測するため、受光光学系を加工ヘッド２と一体化されて小型化した装置について述べたが、厳密に受光光学系と加工ヘッド２とが一体化している必要は無く、加工ヘッド２とは別体として受光光学系を配置し、加工位置の近傍の積層物高さを計測する場合でも同様の効果が得られることは言うまでもない。
ここで、本実施の形態に係る受光光学系は、ラインビーム４１，４２を用いて高さ計測を行うため、加工用と高さ計測用とを併用しない集光レンズ１５は、ラインビーム４１，４２のみを受光部１６に結像できる光学系であった方が良い。

本実施の形態では、ＸＹＺ方向のいずれか２軸、又は全てを同時に動かすことで斜め方向に移動することが可能であり、また、ＸＹ面内、ＹＺ面内での回転も行うことができる５軸ステージの駆動ステージ６を用いることで、直線以外の形状を造形する場合であっても、造形物４の高さを計測することができる。

また、本実施の形態では、鉛直方向に対して照明光を傾けて照射しているため、造形物４の形状及び駆動ステージ６の回転によって、加工位置からのラインビーム４１，４２の照射位置が変化する。
図１７は、造形物４の高さに対する加工位置からのラインビーム４１，４２の照射位置を説明するための図である。図１７では、簡単のため、加工材料供給部１０の記載は省略している。また、分かりやすくするため、ラインビーム４１，４２の中心軸を中心軸４０として表す。

図１７（ａ）は、積層の目標高さがＴ１の場合に設計通りのビードが造形されている場合を示している。２層目を積層する際には、ビードの高さＴ１と同じだけ加工ヘッド２を上昇させるため、加工位置を計測するための位置に駆動ステージ６を移動させると、加工光３０の光軸ＣＬに対する計測位置ＣＨの距離はΔＫ１となる。
図１７（ｂ）は、１層目の積層高さＴ２が目標の積層高さＴ１よりも高い場合を示している。２層目の加工時、加工ヘッド２をＴ１だけ上昇させ、加工位置を計測するための位置に駆動ステージ６を移動しても、加工光３０の光軸ＣＬに対する計測位置ＣＨの距離はΔＫ２＞ΔＫ１となる。
図１７（ｃ）は、１層目の積層高さＴ３が目標の積層高さＴ１よりも低い場合を示している。２層目の加工時、加工ヘッド２をＴ１だけ上昇させ、加工位置を計測するための位置に駆動ステージ６を移動しても、加工光３０の光軸ＣＬに対する計測位置ＣＨの距離はΔＫ３＜ΔＫ１となる。
上記のように、斜めからラインビーム４１，４２を照射する光切断方式では、形成済みの造形物４の高さが目標の積層高さＴ１からずれると、計測位置のずれが生じる。造形物４の上面が平坦であれば、計測位置のずれの影響は小さいが、複雑な３次元形状のような曲面形状であれば、計測位置ずれが発生する。

しかし、本実施の形態に係る計測位置算出部５０は受光素子上のラインビーム４１、４２の投影位置から加工位置に対する計測位置を算出することができる。
したがって、造形物４の高さだけでなく、加工位置に対するラインビーム４１，４２の計測位置も計算し、その計測位置と計測した造形物４の高さを保存しておけば、加工位置に対する加工条件の精度をより高精度に行うことができる。

また、基準画素位置６０はラインビーム４１，４２の焦点、すなわち、受光光学系の焦点として設定するが、造形物形状が基準画素位置の焦点平面に対して傾いていた場合には、基準画素位置６０が造形物４の目標高さと異なってしまう。
図１８は、造形物４の形状に対する基準画素位置と目標高さを説明するための図である。また、分かりやすくするため、ラインビーム４１，４２の中心軸を中心軸４０として表す。

図１８（ａ）は、目標の積層高さＴ１の平坦なビードが設計通り造形されている場合を示している。２層目の加工時、ビードの高さＴ１と同じだけ加工ヘッド２を上昇させるため、加工位置を計測するための位置に駆動ステージ６を移動させると、ラインビーム４１，４２の焦点、すなわち、受光光学系の焦点を基準画素位置６０とすると、目標の積層高さからの差異を計測することができる。

図１８（ｂ）は、加工位置は目標高さＴ１の平坦なビード上であるが、計測位置が造形平面に対して傾いた造形物４上となる場合を示している。
積層造形装置１００では、ワーク３に対して垂直に加工光３０を照射し造形を行うことが望ましいため、図１８（ｂ）のような傾いた形状を造形する場合には、駆動ステージ６を回転させて加工光３０に対する造形面を傾けて、造形面に対して加工光３０が垂直となった状態で造形を行う。
しかし、本実施の形態では、加工位置の計測位置が異なるため、図１８（ｂ）のように、加工面に対して傾いた造形面の高さを計測することが考えられる。この場合、ラインビーム４１，４２の焦点、すなわち、受光光学系の焦点を基準画素位置として造形物４の高さを算出すると、目標高さに対してΔＺ１の差異があるように計測される。しかし、造形物を傾けた際には目標高さ通りに造形されているとすると、誤って計測した高さΔＺ１を用いて加工条件を制御すると造形精度が低下してしまう。

しかし、本実施の形態の演算部５１は、今後の加工経路から計測位置となる造形面が加工面に対して傾いているかどうかを判別することができるため、任意の形状に対して各計測位置に対する目標の積層高さを算出することが可能である。
したがって、計測した高さの結果を、例えば駆動ステージ６による造形物の回転量を用いて補正することにより、より高精度な計測が可能となる。

本実施の形態では、ビードから形成された造形物４の高さを計測するとしたが、玉ビードである場合であっても同様な効果が得られる。

このように、本実施の形態では、計測用照明部８からラインビーム４１，４２を、受光光学系の加工光３０の光軸ＣＬに対して傾いた方向から、加工材料７を供給する方向（＋Ｘ方向）と対向する方向の±９０度の角度範囲に途切れることなく照射することによって、加工方向が変化しても、小型な装置で造形物４の高さを計測することができる。したがって、複雑な３次元形状を造形する場合においても、造形物４の高さを計測できるので、高精度な積層加工が可能となる。また、加工方向毎にラインビームを設けているのではなく、加工材料７を供給する方向に対向する方向の±９０度の角度範囲を照射するようにラインビーム４１，４２を設けていることから、加工材料７を供給する方向に向かって重心位置の計算を行うだけで良いため、高さ演算処理が簡便となる。

実施の形態２．
実施の形態１と実施の形態２が異なる点は、ラインビームの形状の違いである。
本実施の形態に係るラインビームは、ＸＹ平面上で円弧状のラインビーム４１２，４２２を用いる点である。
なお、以下では、実施の形態１との相違点のみ説明し、同一又は相当部分についての説明は省略する。符号についても、実施の形態１と同一又は相当部分は同一符号とし、説明を省略する。

実施の形態１では直線状のラインビーム４１,４２を用いたため、図１０に示した通り、加工方向によって加工位置からの計測位置が変化していた。
本実施の形態では、加工方向によらず加工位置から同じ距離の造形物高さを計測するため、ラインビーム４１２,４２２の形状が実施の形態１と異なる。

図１９は、本実施の形態にかかる計測用照明部８が平坦なワーク３に投影するラインビーム４１２，４２２のＸＹ平面の図である。図１９で示すように、本実施の形態では、ＸＹ平面上で円弧状のラインビーム４１２，４２２を用いる。計測用照明部８の設置位置やＸＺ平面内でラインビームの鉛直方向に対する光軸傾きθは実施の形態１と同様である。 このように、ＸＹ平面上で円弧状のラインビーム４１２，４２２を用いると、基準画素位置となる平面上でのラインビームの加工位置からの投影位置が加工方向によらず常に距離Ｌ_１となる。

実施の形態１では、最も計測位置が加工位置に近くなる＋Ｙ方向及び－Ｘ方向の中間である１３５度方向と、－Ｙ方向及び－Ｘ方向の中間である２２５度方向の計測位置の加工位置からの距離Ｌ_２がＷ以上離れており、－Ｘ方向及び±Ｙ方向の造形物４上の計測位置の加工位置からの距離Ｌ_１＞Ｌ_２は加工位置からさらに離れた位置であった。
一方、本実施の形態では、全ての加工方向で加工位置に最も近い位置を計測することができるため、ラインビーム４１２，４２２の照射角度を一定にする場合、計測用照明部８の設置位置を加工ヘッド２に近づけ、実施の形態１よりもさらなる小型化が可能である。

また、ラインビーム４１２，４２２が入る受光部１６の撮影エリアが小さいため、受光部１６の１ｐｉｘｅｌ当たりの解像度を大きくすることができ、計測精度を向上できる。

実施の形態３．
実施の形態１及び実施の形態２と、実施の形態３が異なる点は、計測用照明部と受光光学系の設けられる位置の違いである。
なお、以下では、実施の形態１及び実施の形態２との相違点のみ説明し、同一又は相当部分についての説明は省略する。符号についても、実施の形態１及び実施の形態２と同一又は相当部分は同一符号とし、説明を省略する。

図２０は、本実施の形態に係る積層造形装置１０３の構成を示す図である。積層造形装置１０３において、計測用照明部８は、加工ヘッド２に組み込まれており、受光光学系及び受光素子を含む受光ユニット１７は加工ヘッド２の側面に取り付けられている。
積層造形装置１０３は、計測用照明部８がラインビーム４１，４２を加工光３０の光軸ＣＬと平行に投影する。また、受光ユニット１７は、斜め方向に反射した反射光を受光する。
これにより、ラインビーム４１，４２の計測位置ずれが発生しないため、高精度に造形物４の高さを計測することができる。

図２１は、図２０に示す加工ヘッド２の内部構成を示す図である。図２１では、積層造形装置１０３の側面図を示している。加工ヘッド２３は、投光レンズ１１、ビームスプリッタ１２、対物レンズ１３、及び計測用照明部８を有する。
計測用照明部８が出力するラインビーム４１，４２は、ビームスプリッタ１２を透過し、対物レンズ１３を通して計測位置である造形物４上の加工位置に照射される。図２１では、分かりやすくするため、ラインビーム４１，４２の中心軸を中心軸４０として表している。
加工用の対物レンズ１３を通すため、計測用照明部８は、対物レンズ１３を通して造形物４上に集光されるような特性をもったビームを出射する。
受光ユニット１７は、集光レンズ１５及び受光部１６から構成される。本実施の形態のように、受光ユニット１７は、ラインビーム４１，４２の照射波長を選択的に透過させるバンドパスフィルタ１４をさらに有することが好ましい。

本実施の形態では、計測用照明部８がラインビーム４１，４２を加工光３０の光軸と平行に投影し、受光ユニット１７が、斜め方向に反射した反射光を受光することで、図１７に示した造形物４の高さによる計測位置ずれの影響を受けずに造形物４の高さを計測できる。したがって、複雑な３次元形状を計測する場合にも加工位置に対して常に一定距離の造形物高さを計測することができるため、加工条件の制御を高精度に行うことができ、造形精度を向上することができる。

また、図２１では、計測用照明部８を加工ヘッド２３と一体化した構成例について説明したが、本実施の形態は係る例に限定されない。例えば、計測用照明部８と加工ヘッド２とが別体であってもよい。この場合、計測用照明部８から出射されるラインビーム４１，４２の光軸と、加工光３０の光軸が平行であり、加工位置に対して所定の距離である計測位置にラインビームが照射されていればよい。さらに、受光ユニット１７は、斜め方向に反射した反射光を受光する構成であれば同様の効果が得られることは言うまでもない。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 加工用レーザ
２，２３ 加工ヘッド
３ ワーク
４ 造形物
４１，４２ ラインビーム
５ 固定具
６ 駆動ステージ
７ 加工材料
８ 計測用照明部
９ ガスノズル
１０ 加工材料供給部
５０ 計測位置算出部
５１ 演算部
５２ 制御部

Claims (14)

1. 加工材料をワーク表面の加工位置に供給する加工材料供給部と、
   溶融した前記加工材料が前記加工位置に積層し、繰り返されることで造形物が形成される付加加工中に、前記ワーク上に形成済みの前記造形物の計測位置における高さを計測し、前記計測の結果を示す計測結果を出力する高さ計測部と、
   前記計測位置に新たに積層するときの加工条件を前記計測結果に応じて制御する制御部と、
   を備え、
   前記高さ計測部は、
   前記計測位置に線状ビームを照射する計測用照明系、前記線状ビームが前記計測位置で反射した反射光を受光素子で受光する受光光学系、及び前記受光素子上における前記反射光の受光位置に基づいて前記ワーク上に形成された前記造形物の高さを算出する演算部と、を有し、
   前記線状ビームの光軸は、前記受光光学系の光軸に対して前記加工材料供給部に対向する側に傾いており、
   前記線状ビームは、前記ワーク表面に平行な面内において、前記加工材料供給部に対向する方向と、前記加工材料供給部に対向する方向に対して＋９０度の方向と、前記加工材料供給部に対向する方向に対して－９０度の方向とを横切るように照射される
   ことを特徴とする積層造形装置。
2. 前記計測位置は、
   前記加工位置の移動に伴って移動し、前記加工材料が凝固した位置である
   ことを特徴とする請求項１に記載の積層造形装置。
3. 前記計測位置は、
   前記受光素子の視野内である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の積層造形装置。
4. 前記計測位置は、
   前記加工位置から見て前記加工位置が前記ワーク上を移動していく方向に位置する
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の積層造形装置。
5. 前記計測用照明系は、直線形状の線状ビームを投影する
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の積層造形装置。
6. 前記計測用照明系は、円弧形状の線状ビームを投影する
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の積層造形装置。
7. 前記加工材料を溶融する加工光を前記加工位置に結像する加工光学系を有する
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の積層造形装置。
8. 前記受光光学系は、前記加工光学系と一体で設けられている
   ことを特徴とする請求項７に記載の積層造形装置。
9. 前記計測用照明系は、前記加工光学系と一体で設けられている
   ことを特徴とする請求項７に記載の積層造形装置。
10. 前記高さ計測部は、
    前記計測位置に対して今後の加工方向を算出する計測位置算出部と、を有する
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の積層造形装置。
11. 前記制御部は、
    前記計測結果が、あらかじめ設定された積層物の高さである目標値より高い場合は、前記加工位置に供給する前記加工材料の供給量を減少させ、前記計測結果が前記目標値より低い場合は、前記供給量を増加させる
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の積層造形装置。
12. 前記制御部は、
    前記計測結果が、あらかじめ設定された積層物の高さである目標値より高い場合は、前記加工光の出力を減少させ、前記計測結果が前記目標値より低い場合は、前記加工光の出力を増加させる
    ことを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載の積層造形装置。
13. 前記制御部は、
    前記計測結果が、あらかじめ設定された積層物の高さである目標値より高い場合は、前記加工位置を移動させる速度を増加させ、前記計測結果が前記目標値より低い場合は、前記加工位置を移動させる速度を減少させる
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の積層造形装置。
14. 前記制御部は、
    前記加工材料の先端の高さを、あらかじめ設定された積層物の高さである目標値に応じて上昇させ、前記計測結果が、前記目標値より高い場合は、前記加工材料の先端の高さを上昇させる量を増加させ、前記計測結果が前記目標値より低い場合は、前記加工材料の先端の高さを上昇させる量を減少させる
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の積層造形装置。

Images