(57)【要約】【課題】粉末床付加製造プロセスを監視するためのシステム（１００）及び方法（３００）が提供される。【解決手段】付加粉末（１４２）の層がエネルギー源（１２０）を用いて溶融され、印刷プロセスを監視するために電磁放出信号が溶融プール監視システム（２００）によって測定される。本方法（３００）は、例えば、部品の隣接部分を印刷する間の熱遅延を推定することにより、あるいは部品と粉末床の熱モデルを用いて熱抵抗を決定することにより、部品及び粉末床の熱伝導特性を決定することを含む。本方法（３００）は、これらの熱伝導特性に少なくとも部分的に基づいて予測放出信号を取得することと、測定された放出信号に比較することを含む。測定放出信号と予測放出信号との差が所定のエラー閾値を超える場合に、アラートを提供するか又はプロセス調整を行なうことができる。【選択図】図４
2020075506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末床付加製造プロセスを監視する方法（３００）であって、
付加製造装置の粉末床に付加材料層を堆積することと、
前記付加材料層の一部を溶融するために、エネルギー源（１２０）からのエネルギーを前記付加材料層に選択的に指向させることと、
前記エネルギー源（１２０）から指向された前記エネルギーと、部品及び前記粉末床の熱伝導特性とに少なくとも部分的に基づいて予測放出信号を取得することと、
溶融プール監視システム（２００）を用いて、前記粉末床からの放出信号を測定することと、
測定された前記放出信号と前記予測放出信号との差を判定することと、
前記差が所定のエラー閾値を超える場合にアラートを生成することと、
を含む、方法（３００）。
【請求項２】
前記熱伝導特性は、１つ以上の熱遅延特性又は熱抵抗特性を含む、請求項１に記載の方法（３００）。
【請求項３】
前記熱遅延特性は、前記エネルギー源（１２０）が第１の点（２５２）に指向されたときと、前記エネルギー源（１２０）が第２の点（２５４）に指向されたときとの間のタイムラグであって、前記第２の点（２５４）は前記第１の点（２５２）に隣接する、請求項２に記載の方法（３００）。
【請求項４】
前記第２の点（２５４）が、前記第１の点（２５２）から３次元空間内の指定距離内に位置している場合には、前記第２の点（２５４）は前記第１の点（２５２）に隣接する、請求項３に記載の方法（３００）。
【請求項５】
前記熱遅延特性は、前記エネルギー源（１２０）の焦点（１７４）において測定される放出データに関する後続のタイムスタンプと、前記後続のタイムスタンプにおける前記焦点（１７４）から指定距離内の領域（２５６）において測定される放出データに係わる以前のタイムスタンプとの間の時間差として計算される、請求項２〜請求項４のいずれか一項に記載の方法（３００）。
【請求項６】
前記熱遅延特性は、第１の付加層の第１の領域（２５６）の溶融と、後続の付加層の、前記第１の領域（２５６）の直上の第２の領域（２５６）の溶融との間の時間の大きさである、請求項２〜請求項５のいずれか一項に記載の方法（３００）。
【請求項７】
前記熱抵抗特性は、前記部品及び前記粉末床の３次元空間内の焦点（１７４）から指定距離内にある特定の領域（２５６）に対する熱エネルギー伝達率を含む、請求項２〜請求項６のいずれか一項に記載の方法（３００）。
【請求項８】
前記熱エネルギー伝達率は、
前記部品及び前記粉末床を、前記エネルギー源（１２０）の焦点（１７４）に隣接する３次元空間を充たす複数のボクセルに分割することと、
前記複数のボクセルのそれぞれの熱抵抗を推定することと、
前記複数のボクセルのそれぞれの熱抵抗を合計して熱伝達モデルを定式化することと、
によって取得される、請求項７に記載の方法（３００）。
【請求項９】
前記熱伝達モデルは、
【数３】
2020075506.tif 000005
であり、ここで、
ＲＴ＝前記エネルギー源（１２０）の焦点（１７４）から流出する熱流に係わる熱抵抗、
ＲＬｉ，ｎ＝ボクセルの熱抵抗、
ｍ＝熱抵抗が本質的に互いに直列である、レーザの前記焦点（１７４）からの距離が増加するボクセルのインデックス層、
ｎ＝熱抵抗が本質的に互いに並列に作用する、レーザの前記焦点（１７４）からほぼ等距離にある所与の層内の各ボクセルのインデックスである、請求項８に記載の方法（３００）。
【請求項１０】
前記複数のボクセルは立方体ボクセルである、請求項８又は請求項９に記載の方法（３００）。
【請求項１１】
前記複数のボクセル生成に、メッシュ生成アルゴリズムが使用される、請求項８〜請求項１０のいずれか一項に記載の方法（３００）。
【請求項１２】
前記熱伝導特性は、部品又は付加造形モデルの有限要素法を用いて決定される、請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の方法（３００）。
【請求項１３】
前記熱伝導特性は熱伝達モデルに従って定義され、前記熱伝達モデルは、
複数の代表的プロセス造形物の熱伝導特性を含む、前記複数の代表的プロセス造形物のプロセスデータを取得することと、
前記プロセスデータの部分集合を選択することと、
前記プロセスデータの前記部分集合に基づいて前記熱伝達モデルをトレーニングすることと、
後続の造形プロセスのモデル予測を取得することと、
によって開発される、請求項１に記載の方法（３００）。
【請求項１４】
付加製造装置であって、
前記付加製造装置の粉末床上に付加材料層を堆積させるための粉末（１４２）堆積システム（１００）と、
前記付加材料層の一部を溶融するために、前記付加材料層にエネルギーを選択的に指向させるためのエネルギー源（１２０）と、
前記粉末床から放出される電磁エネルギーを測定するための溶融プール監視システム（２００）と、
前記溶融プール監視システム（２００）に動作可能に結合されたコントローラ（２２０）であって、
部品及び前記粉末床の熱伝導特性であって、一つ又は複数の熱遅延特性又は熱抵抗特性を含む熱伝導特性を取得し、
前記エネルギー源（１２０）から指向された前記エネルギーと、前記部品及び前記粉末床の前記熱伝導特性とに少なくとも部分的に基づいて予測放出信号を取得し、
前記溶融プール監視システム（２００）を用いて、前記粉末床からの放出信号を測定し、
測定された前記放出信号と前記予測放出信号との差を決定し、
前記差が所定のエラー閾値を超える場合にアラートを生成する、
ように構成されたコントローラと、
を含む付加製造装置。
【請求項１５】
前記熱遅延特性は、前記エネルギー源（１２０）が第１の点（２５２）に指向されたときと、前記エネルギー源（１２０）が、前記第１の点（２５２）に隣接する第２の点（２５４）に指向されたときとの間のタイムラグである、請求項１４に記載の付加製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願人は、「付加製造プロセスにおけるエラー検出及び熱放散の補償方法（Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ  Ｅｒｒｏｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ  ｉｎ  ａｎ  Ａｄｄｉｔｉｖｅ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｐｒｏｃｅｓｓ）」と題する、２０１８年１１月９日出願の米国仮特許出願シリアル番号第６２／７５７，８５９号の優先権を主張し、その開示を参照により本明細書に援用する。
【０００２】
本開示は一般に付加製造装置に関し、より具体的には、付加製造装置のエラー検出システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
付加製造（ＡＭ）プロセスは、サブトラクティブ製造方法とは対照的に、通常一つ又は複数の材料を積層して、ネットシェイプ又はニアネットシェイプ（ＮＮＳ）の物体を作製することを含む。「付加製造」は業界での標準用語（ＩＳＯ／ＡＳＴＭ５５２９００）であるが、ＡＭには、自由造形、３Ｄ印刷、ラピッドプロトタイピング／ラピッドツーリングなどの様々な名称で知られている様々な製造技術及びプロトタイピング技術が含まれる。ＡＭ技術では、広範な種類の材料から複雑な部品を製造することが可能である。一般的に、自立構造物体をコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルから製造可能である。
【０００４】
特定の種類のＡＭプロセスでは、電子ビームやレーザビームなどのエネルギービームを指向させる照射放出指向装置などのエネルギー源を使用して、粉末材料を焼結又は溶融させ、粉末材料粒子が互いに結合した固体３次元物体を形成する。ＡＭプロセスは、エンジニアリングプラスチック、熱可塑性エラストマー、金属及び／又はセラミックスなどの異なる材料系又は付加粉末を使用可能である。レーザ焼結又はレーザ溶融は機能性プロトタイプ及びツールのラピッド製造のための注目すべきＡＭプロセスである。用途としては、複雑なワークピース、インベストメント鋳造のパターン、射出成型及びダイキャスト用金属鋳型、並びに砂型鋳造のための鋳型及び中子の直接製造が含まれる。設計サイクル中の概念のやり取り及びテストを強化するためのプロトタイプ製造が、ＡＭプロセスのその他の一般的な使用法である。
【０００５】
選択的レーザ焼結、直接レーザ焼結、選択的レーザ溶融、および直接レーザ溶融は、レーザビームを使用して微細粉末を焼結または溶融することにより３次元（３Ｄ）物体を製造することに関して使用される、一般的な業界用語である。より正確には、焼結は、粉末材料の融点を下回る温度で粉末粒子を溶かす（凝集させる）ことを伴い、他方で、溶融は、固体の均質な塊を形成するために粉末粒子を完全に溶かすことを伴う。レーザ焼結またはレーザ溶融に関連する物理プロセスには、粉末材料への熱伝達、およびその後の粉末材料の焼結または溶融が含まれる。レーザによる焼結及び溶融プロセスは広範囲の粉末材料に適用可能であるが、製造過程の化学的及び技術的側面、例えば、層の製造プロセス中の焼結又は溶融速度及び処理パラメータが微細構造の進展に与える影響は、未だ十分に理解されていない。この製造方法には、複数のモードの熱、質量、運動量の伝達、及び化学反応が付随し、これがプロセスを非常に複雑にする。
【０００６】
直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）又は直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）の間、装置はエネルギービームを使用して粉末材料を焼結又は溶融して１層ずつ物体を造形する。エネルギービームによって溶融されるべき粉末は、造形プラットフォーム上の粉末床上に均一に広げられ、照射放出指向装置の制御のもとに、エネルギービームが造形される物体の断面層を焼結又は溶融する。造形プラットフォームが下げられて、別の粉末層が粉末床と造形中の物体上に広げられ、次の粉末の溶融／焼結が引く続き行われる。このプロセスは、溶融／焼結された粉末材料から部品が完全に造形されるまで繰り返される。
【０００７】
部品の製造が完了したのち、様々な後処理手順が部品に適用されてもよい。後処理手順としては、例えば吹き付け又は真空吸引による余剰粉末の除去が含まれる。他の後処理手順には応力除去プロセスが含まれる。また、熱的、機械的及び化学的後処理手順を用いて部品仕上げることも可能である。
【０００８】
付加製造プロセスを監視するために、特定の従来型の付加製造装置には、溶融プール監視システムが含まれる。これらの監視システムは通常、エネルギービームが生成する溶融プールから放射又はその他の形で放出される光を検出するための、１つ以上のカメラ又は光センサを含む。カメラ又はセンサの値を使用して、造形プロセス終了後の造形物の品質を評価することができる。品質評価により、造形プロセスの調整、造形プロセスの停止、造形プロセスの異常のトラブルシュート、機械オペレータへの警告の発行、及び／又は造形により生じる低品質又はその疑いのある部分の特定を行うことができる。
【０００９】
ただし、ほとんどの溶融プール監視システム及び関連する制御方法は、プロセスエラーを検出する際に、領域内の粉末を溶融する前のその領域の初期温度を考慮しない。したがって、ツール経路上のエネルギー源が、部品又は粉末床内の１つ領域を、例えば熱エネルギーが放散する時間のないような短時間の内に複数回加熱する場合には、問題点が何もないとしてもプロセス不良を誘発する可能性がある。さらに、ほとんどの溶融プール監視システムでは、データ解析を造形の完了後に行うか、さもなくば、複雑なためにプロセスの問題点の特定が遅くなる。さらに、そのような溶融プール監視システムは、完成部品の品質問題、廃棄部品、材料コストの増大、及び過度の機械のダウンタイムをもたらすプロセス不良の特定には効果的でないことが多い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、改善されたエラー検出システムを備える付加製造装置は有益となるであろう。より具体的には、付加製造装置の動作中のプロセス問題を迅速かつ効果的に検出する溶融プール監視システムを利用するシステム及び方法は特に有益となるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
態様及び利点は、以下の説明で部分的に記述されるか、その説明によって明らかであるか、または本発明の実施によって習得することができる。
【００１２】
本主題の一実施形態によれば、粉末床付加製造プロセスの監視方法が提供される。この方法は、付加製造装置の粉末床に付加材料層を堆積することと、付加材料層の一部を溶融するために、エネルギー源からのエネルギーを付加材料層に選択的に指向させることと、を含む。この方法はさらに、エネルギー源から指向されたエネルギー並びに、部品及び粉末床の熱伝導特性とに少なくとも部分的に基づいて予測放出信号を取得することと、溶融プール監視システムを用いて粉末床からの放出信号を測定することと、測定放出信号と予測放出信号との差を判定することと、その差が所定のエラー閾値を超える場合にアラートを生成することとを含む。
【００１３】
別の例示的実施形態によれば、付加製造装置の粉末床上に付加材料層を堆積させるための粉末堆積システムと、付加材料層の一部を溶融するために、付加材料層にエネルギーを選択的に指向させるためのエネルギー源と、粉末床から放出される電磁エネルギーを測定するための溶融プール監視システムとを含む、付加製造装置が提供される。コントローラは、溶融プール監視システムに動作可能に結合されて、一つ又は複数の熱遅延特性又は熱抵抗特性を含む熱伝導特性である、部品及び粉末床の熱伝導特性を取得するように構成される。コントローラはまた、エネルギー源から指向されたエネルギー並びに、部品及び粉末床の熱伝導特性とに少なくとも部分的に基づいて予測放出信号を取得し、溶融プール監視システムを用いて、粉末床からの放出信号を測定し、測定放出信号と予測放出信号との差を判定し、その差が所定のエラー閾値を超える場合にアラートを生成するように構成される。
【００１４】
これら及びその他の特徴、態様、利点は以下の説明及び添付の特許請求の範囲を参照してよりよく理解されるようになるであろう。本明細書に組み込まれ、この明細書の一部をなす添付の図面は、本発明の実施形態を例示し、説明と相俟って本発明の特定の原理の説明に供される。
【００１５】
当業者に向けられた本発明の完全かつ実施可能な開示は、その最良の形態を含めて、添付の図面を参照する本明細書において説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本主題の例示的実施形態による付加製造装置の概略図である。
【図２】本主題の例示的実施形態による、図１の例示的付加製造装置の造形プラットフォームの拡大概略図である。
【図３】本開示の一実施形態による、部品及び粉末床の熱特性を考慮した粉末床付加製造の監視方法である。
【図４】本開示の一実施形態による、その層を製造するための例示的ツール経路を含む、付加製造された部品の断面層の概略図である。
【図５】本開示の一実施形態による、それらの層を製造するための例示的ツール経路を含む、付加製造された部品の隣接する断面層の概略図である。
【図６】本主題の例示的実施形態による、熱伝達モデルの定式化を容易にするために、複数のボクセルに分割された部品及び粉末床の領域を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本明細書及び図面における参照文字の反復使用は、本発明の同一又は類似の特徴又は要素を表すことを意図する。
【００１８】
次に本発明の実施形態を詳細に参照する。その１つ又は複数の実施例を図面に示す。各実施例は本発明の説明のために提供するものであり、本発明を限定するためのものではない。実際に、本発明の範囲または精神を逸脱することなしに本発明に対して様々な変更及び変形をなし得ることは当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として図示または記載された特徴を別の実施形態に使用することで、更なる別の実施形態をもたらすことが可能である。このように、本発明はそのような変更及び変形を添付の特許請求の範囲及びその等価物の範囲内にあるものとして包含することが意図されている。
【００１９】
本明細書で使用する、「第１」、「第２」、「第３」という用語は、１つのコンポーネントを別のコンポーネントと区別するために互換可能に使用し得るものであって、個別のコンポーネントの位置や重要度を表すことを意図してはいない。さらに、本明細書で使用する、「近似的に」、「実質的に」あるいは「約」などの近似を表す用語は、１０％の誤差範囲内にあることを示す。
【００２０】
本主題は一般に、例えばＤＭＬＭプロセスなどの、粉末床付加製造プロセスのリアルタイム監視方法に関する。これに関し、部品の各層の印刷中に、システムコントローラが溶融プール監視システムを動作させ、放出強度、溶融プール寸法、分光シグネチャなどの溶融プール特性を監視する制御アルゴリズムを実装できる。具体的には、本主題は、プロセス上の問題を特定する際に、部品及び粉末床の熱伝導特性を考慮又は補償することを対象とする。
【００２１】
溶融プール監視システムにより記録されるデータストリームは解析可能であり、測定されるデータストリームは、部品及び粉末床の熱伝導特性を組み込むか又は考慮するように修正又は補償可能である。通常システムコントローラは、各印刷層に関して、溶融プールデータを含む印刷プロセスを監視することができる。解析には、溶融プールデータを走査し、所与の領域に対するエネルギー入力と熱伝導特性とに基づいて放出信号を予測し、実際の放出信号を測定し、測定された放出と予測された放出の間の差がある所定の閾値を超えるか否かを判定することが含まれてよい。そのような閾値を超えた場合、コントローラは、更なる解析のためにその層にフラッグを立て、印刷プロセスを停止し、印刷プロセスを調整し、オペレータに通告し、あるいはその他の任意の動作上の調整を行うことができる。
【００２２】
このように、本明細書に記載のシステムと方法は、印刷のエラー又はプロセス不良を検出し、それに応じてオペレータに通知するために使用され得る。あるいは、付加製造装置は、そのようなエラー又は印刷の問題点を修正又は調整する調整動作をするように構成されてもよい。このようにして、他の場合には部品の廃棄、材料の浪費、時間のロス、及びその他の不要なコスト及び遅延を招くプロセス中断を回避可能である。さらに、これらの問題点は、リアルタイムで検出されてただちに対処でき、時間とお金を節約するとともに、生産能力を実効的に増加させることができる。加えて、本方法は専用又はシステムコントローラで実行可能であり、計算上の必要要件を低減し、最小のコンピュータメモリとプロセッサリソースなどしか必要としないようにできる。
【００２３】
図１を参照すると、例示的実施形態による、ＤＭＬＳ又はＤＭＬＭシステム１００などのレーザ粉末床溶融システムが説明される。図に示すように、システム１００は、付加製造プロセスを実行するための、巻き込みなしの制御された環境を提供する、固定筐体１０２を含む。この点に関して、例えば筐体１０２は、システム１００の他の構成要素を分離して保護する役割をする。さらに、筐体１０２は、窒素、アルゴン、又は別の好適なガス又は混合ガスなどの適切なシールドガス流を装備してもよい。これに関して、筐体１０２はガス入口ポート１０４とガス出口ポート１０６とを画定して、ガス流を受け、静的な加圧容積又は動的なガス流を生成してもよい。
【００２４】
筐体１０２は通常、ＡＭシステム１００の構成要素の一部またはすべてを含んでもよい。例示的実施形態によれば、ＡＭシステム１００は通常筐体１０２内部に配置された、テーブル１１０、粉末供給源１１２、スクレーパ又はリコータ機構１１４、オーバフロー容器又は貯蔵器１１６及び造形プラットフォーム１１８を含む。さらに、エネルギー源１２０がエネルギービーム１２２を発生し、ビーム操縦装置１２４がエネルギービーム１２２を指向させて、以下でより詳細を述べるようにＡＭプロセスを促進する。これらの構成要素のそれぞれについては以下でより詳細を述べる。
【００２５】
図示した実施形態によると、テーブル１１０は平坦な造形面１３０を画定する剛体構造である。さらに、平坦な造形面１３０は、造形チャンバ１３４にアクセスできる造形開口１３２を画定する。より具体的には、図示した実施形態によれば、造形チャンバ１３４は、少なくとも部分的に垂直壁１３６と造形プラットフォーム１１８とで画定される。さらに、粉末供給器１１２から付加粉末１４２を供給することができる供給開口１４０と、余剰の付加粉末１４２がオーバフロー貯蔵器１１６に送り込まれる貯蔵器開口１４４を造形面１３０が画定する。回収された付加粉末は所望により、再使用の前にふるいにかけて、緩い凝集粒子を取り除いてもよい。
【００２６】
粉末供給器１１２は通常付加粉末供給容器１５０を含み、これは一般的に、特定の一つ又は複数の部品のいくつか又は全てに対して十分な、ある体積の付加粉末１４２を含む。さらに、粉末供給器１１２は供給プラットフォーム１５２を含む。これは、粉末供給容器１５０内で垂直方向に可動な板状構造である。より具体的には、供給アクチュエータ１５４が供給プラットフォーム１５２を垂直方向に支持し、付加製造プロセス中にそれを選択的に上下移動させる。
【００２７】
ＡＭシステム１００はさらにリコータ機構１１４を含む。これは剛体の横方向に長い構造で、造形面１３０の近傍にある。例えば、リコータ機構１１４は、硬質のスクレーパ、軟質のスキージ、あるいはローラであってよい。リコータ機構１１４は、造形面１３０に沿ってリコータ機構１１４を選択的に移動させるように動作可能な、リコータアクチュエータ２に動作可能に結合される。さらに、プラットフォームアクチュエータ１６４が造形プラットフォーム１１８に動作可能に結合され、通常、造形プロセス中に造形プラットフォーム１１８を垂直方向に移動させるように動作可能である。アクチュエータ１５４、１６０、１６４は油圧アクチュエータとして示されているが、代替実施形態によれば空気圧アクチュエータ、油圧アクチュエータ、ボールねじリニア電動アクチュエータ、あるいはその他の任意の適切な垂直支持手段などの、他の任意の種類及び構成のアクチュエータが使用可能である。他の構成は可能であり、かつ本主題の範囲内である。
【００２８】
エネルギー源１２０には、造形プロセス中に金属粉末を溶解・溶融するのに適した出力とその他の動作特性を有するビーム生成を操作可能な、任意の既知のデバイスが含まれる。例えば、エネルギー源１２０は、レーザ又は他の任意の適切な照射放出指向装置又は照射装置であってよい。電子ビーム銃などの他の指向性エネルギー源は、レーザの適切な代替物である。
【００２９】
例示的実施形態によると、ビーム操縦装置１２４が、適切なアクチュエータと連動可能で、エネルギービーム１２２を指向及び収束させるように配置された１つ以上のミラー、プリズム、レンズ、及び／又は電磁石を含む。これに関して、例えばビーム操縦装置１２４は、レーザ溶解及び焼結プロセス時に、エネルギー源１２０から放出されたレーザビーム１２２の焦点を造形面１３０にわたって移動または走査する、ガルバノメータスキャナであってもよい。これに関し、エネルギービーム１２２は、所望のスポットサイズに収束され、造形面１３０に一致する面内の所望位置へ操縦することができる。粉末床溶融技術におけるガルバノメータスキャナは典型的には固定位置にあるが、その中に含まれる可動ミラー／レンズがレーザビームの様々な特性を制御及び調整可能とする。これに代わる操縦装置１２４を使用する他の種類のエネルギー源１２０も使用可能であることを理解されたい。例えば、エネルギー源１２０が電子ビームを指向させる電子制御ユニットであれば、ビーム操縦装置１２４は、例えば偏向コイルであってよい。
【００３０】
付加製造プロセスの前に、リコータアクチュエータ１６０が下げられて所望組成の粉末１４２（例えば金属、セラミック、及び／又は有機物の粉末）を供給容器１５０に供給する。さらに、プラットフォームアクチュエータ１６４が造形プラットフォーム１１８を、例えば造形面１３０と実質的に同一高さ又は同一面となるように、初期の高い位置に移動させてもよい。造形プラットフォーム１１８は次に選択された層の増分だけ造形面１３０の下に下げられる。層の増分は、付加製造プロセスの速度、及び製造される構成要素または部品１７０の解像度に影響する。一例として、層の増分は約１０〜１００マイクロメートル（０．０００４〜０．００４インチ）である。
【００３１】
次に付加粉末が造形プラットフォーム１１８上に堆積されて、エネルギー源１２０によって溶融される。具体的には、供給アクチュエータ１５４が供給プラットフォーム１５２を持ち上げて、粉末を供給開口１４０を通して押して、造形面１３０の上に露出させる。リコータ機構１１４が次にリコータアクチュエータ１６０によって造形面１３０上を移動し、持ち上げられた付加粉末１４２を造形プラットフォーム１１８上に（例えば、選択された層の増分又は厚さで）広げる。余剰の付加粉末１４２は、リコータ機構１１４が（図１に示すように）左から右へ通過するときにすべて造形開口１４４を通ってオーバフロー貯蔵器１１６の中に落ちる。その後、リコータ機構１１４はスタート位置へ移動して戻ることができる。
【００３２】
したがって、本明細書で説明し、図１に示すように、リコータ機構１１４、リコータアクチュエータ１６０、供給プラットフォーム１５２及び供給アクチュエータ１５４は一般に、付加粉末１４２又は他の付加材料の層を連続的に堆積して、印刷プロセスを促進するように動作する。そうして、これらの構成部品は本明細書では全体として粉末堆積装置、システム又はアセンブリと称されることがある。水平出しされた付加粉末１４２を、「造形層」１７２（図２参照）と称し、その露出された上面を造形面１３０と称してもよい。造形プロセス中に造形プラットフォーム１１８が造形チャンバ１３４内に下げられて、造形チャンバ１３４と造形プラットフォーム１１８が全体として、造形中の任意の構成要素１７０と共に付加粉末１４２の塊を囲んで支持する。この粉末の塊は一般的に「粉末床」と称され、この特定の付加製造プロセスの種類を「粉末床プロセス」と称することがある。
【００３３】
付加製造プロセス中に、指向されたエネルギー源１２０を使用して、造形する構成要素１７０の２次元断面又は層を溶解する。より具体的には、エネルギービーム１２２がエネルギー源１２０から放出され、ビーム操縦装置１２４を使用してエネルギービーム１２２の焦点１７４を露出した粉末表面上に適切なパターンで動かす。本明細書では（図２でよくわかるように）「溶接プール」、「溶融プール」又は「熱影響ゾーン」１７６と呼ばれる、付加粉末１４２の露出層の焦点１７４を囲む小部分が、エネルギービーム１２２によって焼結又は溶解、流動及び固化可能な温度に加熱される。一例として、溶融プール１７６は１００マイクロメートル（０．００４インチ）程度の幅であってよい。このステップは付加粉末の溶融ステップ１４２と称してもよい。
【００３４】
造形プラットフォーム１１８を層の増分だけ垂直方向下側へ移動して、付加粉末１４２の別の層が同じ厚さで塗布される。指向性エネルギー源１２０が再びエネルギービーム１２２を放出し、ビーム操縦装置１２４を使用してエネルギービーム１２２の焦点１７４を露出した粉末表面上に適切なパターンで動かす。付加粉末１４２の露出層がエネルギービーム１２２によって、最上層と、その前に固化した下の層の両方において焼結又は溶解、流動及び固化が可能な温度にまで加熱される。造形プラットフォーム１１８の移動と、付加粉末１４２の塗布及びその後の付加粉末１４２を溶解するためのエネルギービーム１２２の指向とのこのサイクルが、全体の構成要素１７０が完成するまで繰り返される。
【００３５】
上で簡単に説明したように、エネルギー源１２０とビーム操縦装置１２４が、例えばレーザビーム又は電子ビームなどのエネルギービーム１２２を粉末床すなわち造形面１３０上に指向させる。付加粉末１４２は加熱されて溶解し、溶融プール１７６となり始める。そうして粉末が溶融して最終構成部品１７０を形成することができる。注目すべきことには、加熱された材料は、可視光及び非可視光の形で電磁エネルギーを放出する。指向されたエネルギービームの一部は、反射して、ガルバノメータスキャナまたはビーム操縦装置１２４に戻り、また一部は通常筐体１０２内のあらゆる他の方向に散乱される。一般的には、放出及び／又は反射された電磁エネルギーを監視することが、プロセスの監視及び制御の改善に利用可能である。例えば溶融プール監視システム２００を使用した、プロセス不良又は造形エラーを検出する付加製造プロセス監視の例示的システムを、例示的実施形態により以下に説明する。
【００３６】
引き続き図１を参照すると、溶融プール１７６と製造プロセス全般を監視するためにシステム１００と共に使用することができる、溶融プール監視システム２００が、本主題の例示的実施形態により説明される。溶融プール監視システム２００が、一つ又は複数の電磁エネルギーセンサ、例えば、溶融プール１７６から放出又は反射される可視又は非可視の電磁エネルギーを測定するための光センサなどを含む。これに関し、「電磁エネルギー」、「放射」又はそれに類似のものが本明細書においては、一つ又は複数の光若しくは放出強度、光ダイオード電圧応答、パイロメータの電圧若しくは電流応答、光放出の幾何学的次元、分光応答、放射の領域若しくは波長、センサのノイズ応答、又は電磁エネルギーの他の任意の適切な測定可能量若しくは測定可能品質、を指すために使用される。
【００３７】
図示した実施形態によれば、溶融プール監視システム２００が、２つの軸上の光センサ２０２と、１つの固定された軸外光センサ２０４とを含む。これらのセンサ２０２、２０４のそれぞれを、例示的実施形態により以下で説明する。ただし、溶融プール監視システム２００には、溶融プール１７６又はプロセス全般の電磁エネルギー及び他の特性を検出するための他の任意の種類、数及び構成のセンサが含まれてもよいことは理解されたい。
【００３８】
本明細書で使用されるように、「ビームライン」又は「軸上」の溶融プールセンサ２０２は、一般的にエネルギービーム１２２の経路に沿って配置されるセンサを指す。これらのセンサは、ビーム経路に沿って戻ってくる、放出光及び／又は反射光を監視することが可能である。具体的には、エネルギービーム１２２が溶融プール１７６を形成するとき、溶融プール１７６から放出あるいは反射される電磁エネルギーの一部が、同じ経路に沿ってエネルギー源１２０に戻る。軸上のセンサ２０２には、ビームラインに沿って配置されるビームスプリッタ２０６が含まれてよい。これには電磁エネルギーの一部をビームライン検知素子２０８に向かって再指向させる被膜が含まれてもよい。これに関し、例えば、検知素子２０８は、光ダイオード、パイロメータ、光学カメラ、赤外線（ＩＲ）カメラ、光電子増倍管、又は分光計若しくは赤外（ＩＲ）光、紫外（ＵＶ）光、可視光などの任意の周波数スペクトルにおける電磁エネルギーを測定するように構成された他の分光センサであってよい。軸上センサ２０２は、フィルタリング又は反射されたビームの、強度、周波数、波長などの任意の適切なパラメータを測定可能である。
【００３９】
さらに、本明細書で使用の、「固定」又は「軸外」の溶融プールセンサ２０４とは、一般的に溶融プール１７６に対して固定位置を有して、特定の視野内のエネルギービーム１２２及び溶融プール１７６により生成される電磁エネルギーの測定に使用されるセンサを指す。さらに、固定溶融プールセンサ２０４は、例えば光ダイオード又は赤外線（ＩＲ）カメラなどの、任意の適切なデバイスを含んでよい。軸外溶融プールセンサ２０４は、軸上溶融プールセンサ２０２と同様に動作し得るが、ビームライン上にはなく、通常溶融プール１７６からの散乱電磁エネルギーを監視するように構成された検知素子２０８を含む。
【００４０】
本主題の例示的実施形態によれば、溶融プール監視システム２００は、電磁エネルギーがそれぞれのセンサ２０２、２０４の検知素子２０８に到達する前にそれをフィルタリングする１つ以上のフィルタ２１０を更に含んでもよい。例えば、フィルタ２１０は、エネルギービーム１２２の波長を除外して、センサ２０２、２０４が反射電磁エネルギーのみを監視するようにしてもよい。あるいは、フィルタ２１０は、溶融プール１７６又はプロセス全般の監視を改善するために、他の望ましくない波長を除去するように構成されてもよい。
【００４１】
溶融プール監視システム２００は、検出された電磁エネルギーに対応する信号を受信するために軸上光センサ２０２及び／又は軸外光センサ２０４と動作可能に結合するコントローラ２２０をさらに含む。コントローラ２２０は、溶融プール監視システム２００のための専用コントローラであってもよいし、あるいはＡＭシステム１００の運転のためのシステムコントローラであってもよい。コントローラ２２０は、１つ以上のメモリデバイスと、付加製造プロセス又はプロセス監視に関連するプログラム命令又はマイクロ制御コードを実行するように動作可能な、汎用若しくは特定用途のマイクロプロセッサなどの、１つ以上のマイクロプロセッサとを含んでもよい。メモリは、ＤＲＡＭなどのランダムアクセスメモリであっても、ＲＯＭ若しくはＦＬＡＳＨなどの読み出し専用メモリであってもよい。一実施形態においては、プロセッサはメモリ内に格納されたプログラミング命令を実行する。メモリはプロセッサとは別の部品であってもよいし、プロセッサ内に搭載されていてもよい。あるいは、コントローラ２２０はマイクロプロセッサを用いないで、例えば個別のアナログ及び／又はデジタル論理回路（スイッチ、増幅器、積分器、コンパレータ、フリップフロップ、ＡＮＤゲートなど）の組み合わせを用いて構築されて、ソフトウェアに依存せずに制御機能を遂行してもよい。
【００４２】
ＡＭシステム１００及び溶融プール監視システム２００は、本主題の態様を説明するためだけに本明細書で図示、説明されていることを理解されたい。ただし、本主題の範囲はそのような例示的実施形態に限定されるものではなく、変形、変更を含む実施形態を含むものと考えられる。例えば、溶融プール監視システム２００は異なる構成及びセンサの種類を含んでもよいし、ＡＭシステム１００は代替又は追加の特徴を含んでもよい。そして代替実施形態に従って、他の変形が適用され得る。さらに、所定の流速で付加粉末を堆積させながら造形面１３０に沿って移動する粉末容器などのような、粉末供給器１１２の他の適切な形状及び／又は種類が使用されてもよい。さらに、例えば生成されるエネルギービーム１２２の種類に基づいて、任意の適切な構成のビーム操縦装置１２４が使用されてもよい。他の構成は可能であり、かつ本主題の範囲内である。
【００４３】
ＡＭシステム１００及び溶融プール監視システム２００の構造および構成が本主題の例示的実施形態に従って説明されたので、次に付加製造プロセスを監視する例示的方法３００を本主題の例示的実施形態に従って説明する。方法３００は、溶融プール監視システム２００を用いてＡＭシステム１００の運転の監視に使用することができる。または、他の任意の適切なセンサシステムを用いて、他の任意の適切な付加製造装置の監視に使用してもよい。これに関して、例えば、コントローラ２２０が方法３００のステップの一部またはすべてを実装するように構成されてもよい。さらに、例示的方法３００は、本主題の例示的態様を記述するためにのみ本明細書で議論されるものであり、制限を意図するものではないことを理解されたい。
【００４４】
図３を参照すると、方法３００はステップ３１０において、付加製造装置の粉末床上に粉末層を堆積することを含む。さらに、ステップ３２０は、付加材料層の一部を溶融するために、エネルギー源からのエネルギーを付加材料層上に選択的に指向させることを含んでもよい。これに関して、例えば、エネルギー源１２０は、構成要素１７０の１つの断面層を形成するためにエネルギービーム１２２を造形層１７２を横切って指向させてもよい。上に詳細を述べたように、このプロセスは、構成要素１７０が完全に形成されるか、粉末床内に印刷されるまで、層ごとに反復される。上で説明したように、付加粉末を照射するこのプロセスは、この付加製造プロセスの監視に利用可能な、電磁放射及び他の焼結／溶融副産物を放出する場合がある。
【００４５】
特に図４と図５を簡単に参照すると、従来の付加製造装置は典型的には、所定のツール経路、例えば命令されたツール経路２５０に沿ってエネルギー源の焦点を移動させる。命令されたツール経路２５０は通常、印刷すべき領域を横断する、いくつかの隣接して平行な「経路」に沿ってレーザの焦点を移動させる経路を画定し、必要に応じて付加粉末１４２を焼結又は融解する出力レベルにレーザを選択的に励起する。一般的に、大部分の監視アルゴリズムは、印刷の問題点又はプロセスの不良を検出するために、焦点又は溶融プールにおける絶対温度又は電磁放出を監視する。
【００４６】
ただし、一つ又は複数の隣接経路の間（例えば図４参照）、部品の隣接層の間（例えば図５参照）、又は粉末床内でその他で熱的に結合した領域内のいずれかで、粉末層内の隣接点又は隣接領域の印刷の間に不十分な時間遅延しかない場合には、測定される温度又は電磁放出は、不良が存在しないとしてもプロセス不良を示すのに十分なほどに高い場合がある。同様に、部品及び粉末床が大きな熱抵抗を有する場合（例えば熱がゆっくりと放散される場合）、部品及び粉末床内の熱エネルギーは、後続する経路の溶融プール測定値に影響し得る。方法３００は一般的に、印刷エラー又はプロセス不良が識別されるときに、例えば部品及び／又は粉末床内の熱遅延または抵抗を考慮することにより、部品又は粉末床の熱伝導特性を補償することを対象とする。
【００４７】
ステップ３３０は、部品又は粉末床の熱伝導特性を決定することを含む。こうして、部品又は粉末床の熱伝導特性を決定することにより、測定された放出信号が印刷エラーを示すものか又は他のプロセス上の問題を示すものかを、情報に基づいて判定できる。本明細書で使用の「熱伝導特性」は、印刷される部品、その部品が含まれる粉末床、付加製造システムの熱特性又は環境一般の熱的性質、粉末床を囲む環境、又はパージガス流などの任意の熱品質特性を一般的に指すように使用されてよい。例示的な熱伝導特性は、本主題の態様を説明する目的で以下に記述されるが、本発明はそのような特性に限定されるものではない。
【００４８】
一実施形態によれば、熱伝導特性は、部品又は粉末床内の熱的に近接する点又は領域を加熱する間の遅延時間の大きさを指すことを意図する熱遅延特性であってもよい。あるいは、熱遅延特性は、部品又は粉末床内の特定の点又は領域における、エネルギー源又は他の熱源によって付与される熱エネルギーを放散させる、他の任意の能力の尺度であってもよい。これに関して、例えば熱遅延特性は、エネルギー源が（例えば図４の点２５２で表す）第１の点に指向されたときと、エネルギー源が（例えば図４の点２５４で表す）第２の点、この第２の点２５４は第１の点２５２に隣接するが、に指向されたときとの間のタイムラグであってもよい。第１の点２５２と第２の点２５４は、命令されるツール経路２５０の隣接する経路として示されているが、熱遅延特性は、以下でより詳細を述べるように、他のより遠方の経路、又はそのような経路内の他の点との間で決定されてもよいことは理解されたい。
【００４９】
こうして、タイムラグは、エネルギー源１２０が、付加材料層、部品、粉末床などの中の特定の領域又は空間にエネルギーを指向させてからの時間の大きさの一般的な尺度であってよい。熱遅延特性は、本明細書においては「タイムラグ」と称するが、この熱遅延特性は必ずしも時間軸で測定する必要はなく、他の任意の適切な方法で定量化可能であることを理解されたい。例えば、「タイムラグ」は、エネルギー源が同一領域又は点を次に通過するときに、最初に励起して加熱した領域から放散した初期熱エネルギーのパーセンテージとして測ってもよい。
【００５０】
本明細書で使用する、２つの点は、互いに所定の距離内にある場合には、タイムラグを決定するための「特定の領域」内にあるとみなしてもよい。例えば、特定の領域又は「隣接」点として認定されるものは、２次元又は３次元空間で定義され、粉末床内の付加粉末１４２とそこに位置する構成要素１７０の両方を組み込む場合がある。こうして、熱遅延特性は、エネルギー源１２０が焦点１７４をその現在の位置の周りの特定の体積内に指向させてからの時間の大きさであってよい。言い換えると、熱遅延特性を決定する「領域」は、エネルギー源の焦点から指定距離内にある、部品及び粉末床の内の全ての位置を指すことができる。すなわち、第２の点２５４は、２次元空間内（例えば１つの造形層１７２内）または３次元空間内（例えば複数の造形層１７２内）の第１の点２５２から指定距離内にあれば、「隣接する」第１の点２５２となり得る。
【００５１】
さらに他の実施形態によれば、熱遅延特性はエネルギー源の焦点に関する履歴時間データを使用して決定されてもよい。これに関して、例えば、構成要素の断面層上の２つの隣接点に対する熱遅延特性は、第１の点２５２が溶融されるときの第１のタイムスタンプと、第２の点２５４が溶融されるときの第２のタイムスタンプとの間の時間差として計算されてもよい。こうして、エネルギー源１２０が命令されたツール経路２５０に沿って第１の点２５２から第２の点２５４へ焦点１７４を移動させるのに所要する時間の大きさが、熱遅延特性であってよい。特に、この熱遅延特性は、エネルギービーム１２２が最後に通過してからの、その領域から放散した熱エネルギーの大きさの推定に使用可能である。したがって、例えば、熱遅延特性は、エネルギー源の焦点において測定される放出データに関する後続のタイムスタンプと、後続のタイムスタンプにおける焦点から指定距離内の領域において測定される放出データに係わる以前のタイムスタンプとの間の時間差として計算可能である。
【００５２】
同様に、熱遅延特性は、第１の付加層の第１の領域（例えば図５の層ｎの領域２５６によって特定されるような）の溶融と、後続する付加層における、第１の領域の直上の第２の領域（例えば図５の層ｎ＋１の領域２５８によって特定されるような）の溶融との間の時間の大きさであってもよい。熱遅延特性は、他の任意の適切な方法で決定可能であり、印刷された部品又は粉末床内の熱エネルギーの放散に関するそのほかの任意の適切な情報を含み得ることを理解されたい。電磁放出が個別の点（例えば図４の点２５２、２５４など）あるいは個別の領域（例えば図５の領域２５６、２５８など）において測定されるか否かに拘わらず、目標は一般的に「熱影響ゾーン」として呼ばれることのある領域内の材料の初期温度の代わりとなるものを捕捉することであってよい。熱影響ゾーンの寸法、形状及び解像度は、用途によって変化し得る。
【００５３】
代替実施形態によれば、それに加えて、かつ計算を単純化するために、個別のデータ点を使用する代わりに、与えられた領域の全ての点に対する平均値を考察することができる。これに関して、例えば焦点からの指定距離内のすべての点を含む領域を、これらの点の全てに対する平均的な放出で表してもよい。あるいは、特定の領域を（後で説明するように）ボクセルに分割して、各ボクセルに対する電磁放出を測定してもよい。これらのボクセルの電磁放出は、次に平均化して、その領域に対する代表的電磁放出を決定してもよい。他の平均化又は近似方法が可能であり、かつ本主題の範囲内である。
【００５４】
さらに、電磁放出が、焦点に近い複数の位置又は与えられた領域（例えば領域２５６、２５８）内で取得されると、時間差に対する重みづけ関数を適用することにより、焦点からの放出に対する精度又は解像度の向上した近似が可能である。例えば、図５に示すように、第１の層２６０（これは焦点を直接囲む）は、第２の層２６２（これは第１の層２６０を囲む）よりもより大きく重みづけされ、第２の層は第３の層（図示せず）よりもより大きく重みづけされる、などである。こうして、点が焦点から遠くになればなるほど、熱遅延特性が測定された電磁放出の修正に与える影響がより小さくなる。
【００５５】
他の例示的実施形態によれば、熱伝導特性は熱抵抗特性であってもよく、これは一般的に、部品又は粉末床の特定領域内の熱または熱エネルギーの放散する能力を指す。具体的には例えば、熱抵抗特性は、付加材料層内の特定の領域に対する熱エネルギー伝達率を含んでもよい。これに関して、熱エネルギー伝達率は、熱エネルギーを保持及び／又は伝達する、部品又は粉末床の能力の任意の尺度を表してもよい。例示的実施形態によれば、この熱エネルギー伝達率は、以下で述べるように熱伝達モデルから決定可能である。
【００５６】
例えば図６に示すように、部品及び粉末床は、エネルギー源の焦点（例えばボクセルＴで表す）を囲む３次元空間を充たす複数のボクセルに分割することができる。複数のボクセルのそれぞれの熱抵抗は、各ボクセルで決定又は推定して、割り当てるか関連付けることができる。そうして、複数のボクセルのそれぞれの熱抵抗を合計して、熱伝達モデルを定式化できる。これに関して、熱抵抗は、電気回路における電気抵抗と類似の方法で、合計することが可能である。具体的には、例示的実施形態によれば熱伝達モデルは次のようになる。
【数１】
2020075506.tif 000003
ＲＴ＝エネルギー源の焦点から流出する熱流に係わる熱抵抗、
ＲＬｉ，ｎ＝ボクセルの熱抵抗、
ｍ＝熱抵抗が本質的に互いに直列である、レーザ焦点からの距離が増加するボクセルのインデックス層、
ｎ＝熱抵抗が本質的に互いに並列に作用する、レーザ焦点からほぼ等距離にある所与の層内の個別のボクセルのインデックス、である。
【００５７】
図６に示すように、複数のボクセルは立方体のボクセルを含み、Ｔがエネルギー源１２０が指向される焦点１７４のボクセルを表す。ボクセルＬ１のそれぞれはボクセルＴを直接取り囲み（例えば図５の第１の層２６０と同じように）、ボクセルＬ２のそれぞれはボクセルの次の隣接層を表し（例えば図５の第２の層１６２と同じように）、ボクセルＬ３はボクセルＬ２を囲む、などである。特に、そのような表示を用いることにより、ボクセルの熱抵抗は、（例えば同一層内であれば）並列に、又は（例えば隣接層内であれば）直列に合計可能である。ここでは立方体のボクセルを示しているが、代替実施形態によれば他の任意の適切な寸法、形状又は構成のボクセルが使用されてよいことは理解されたい。例えば、ボクセルは球面座標で決定され得る、あるいは多角形、四辺形又は他の任意の適切なメッシュ形状であり得る、また要求される精度に応じて任意の適切な寸法、次元を有し得る、等である。さらに、複数のボクセル生成に、メッシュ生成アルゴリズムが使用されてもよい。
【００５８】
本明細書で、部品及び粉末床の熱伝導特性を決定又は推定する方法を述べるが、これらの特性およびその印刷プロセスへの影響は、他の任意の適切な方法で決定可能であることを理解されたい。例えば、熱伝導特性は、部品モデルの有限要素法又はＣＡＤファイルを用いて決定されてもよい。さらに、熱伝導特性は、典型的には部品モデルの派生物である、命令されるツール経路から決定することが可能である。さらに他の実施形態によれば、経験データを使用して将来の造形物の熱伝導特性を近似することが可能である、エネルギー源の推定位置、軌道及び出力レベルに基づいてリアルタイム推定を行うことが可能である、等である。
【００５９】
上記の熱伝導特性に対して、例えば計算要件を単純化するために、様々な単純化及び変形を行い得ることを理解されたい。例えば、各ボクセルの熱抵抗を任意の適切な方法で推定又は近似して、計算をコンピュータでリアルタイムに実行可能とすることができる。これに関して、例えば、前述したように、レーザ焦点から真っすぐ下だけを見て左右前後のボクセルを無視する、レーザ焦点からのある所定の距離だけ（例えばボクセルの影響は熱源からの距離とともに減少するので、例えば４〜５ボクセル層だけ）の熱伝導を考慮する、及び／又はレーザ焦点（熱源）からの距離に応じて重みづけ関数または因子をボクセルに適用する、ことにより幾何形状を単純化してもよい。
【００６０】
熱抵抗モデルの熱伝導度の単純化方法の例としては、ボクセルを、全て粉末又はすべて固体材料のいずれかとして扱い、例えば、ボクセルの大部分が粉末か固体かによって１つの熱伝導度／抵抗の値を使用し、その熱伝導度を、例えば固体を１０、粉末を１とする、２進値の組で置き換えることが含まれる。抵抗要素はさらに、次のようにして単純化できる。レーザ焦点（Ｔ）からある任意の距離だけ真下に移動して「固体」ボクセルの数を計算し、レーザ焦点から真下方向のボクセル層の最近接粉末までの距離のみを計算し、造形プレートに至る最短距離、例えばボクセル数か又は代替としてレーザが集束していれば固化したボクセルのみを通過する層の下のある距離を計算し、レーザ焦点から離れる方向の１以上の層の固体比率（あるいは粉末比率）（例えば、Ｌ１ボクセルの固体比率、Ｌ２ボクセルの固体比率）、又はレーザ焦点から更に離れるときの固体比率を表すある関数（例えば、Ｌ１ボクセルの固体比率＋０．５ｘＬ２ボクセルの固体比率＋０．２５ｘＬ３ボクセルの固体比率、ここで０．５、０．２５の値は任意であって減衰関数又は経験的に導かれた何らかの定数によって置き換え可能である）を推定する。
【００６１】
さらに、部品モデル、ＣＡＤファイル、熱伝達モデル、又は他の数学的若しくは理論的モデルを任意の適切な形に定式化して、付加製造プロセスの統計的プロセス制御を促進してもよい。例えば、モデルトレーニングプロセスを使用して、モデルを生成してもよい。これは様々なシステム入力又はパラメータに応答するシステム特性又は挙動の予測に使用可能である。一般的に、モデルは、例えば熱抵抗及びエネルギー源の投入出力などのシステム入力に応答する付加製造プロセスの正常な熱放出信号などのシステムの正常応答を判定する助けとなることを目的とする。
【００６２】
例示的実施形態によれば、モデルトレーニングは複数の代表的プロセス造形物のプロセスデータの取得を含んでよい。例えば、プロセスデータには、複数の代表的プロセス造形物の熱遅延特性、熱抵抗特性、溶融プール又は粉末床温度、あるいは他の任意の関連する熱エネルギーデータなどの熱伝導特性が含まれてよい。モデルトレーニングはさらに、特定の出力パラメータと強い相関を有することが知られているか又は再現性若しくは反復性のある結果をもたらすシステムパラメータなどの、プロセスデータの部分集合を選択することを更に含んでもよい。モデルは、例えば正確で信頼できる熱伝達モデルを得るために、プロセスデータの部分集合に基づいてトレーニングされてもよい。
【００６３】
一般的に言えば、熱モデル又は他の任意の適切なシステムモデルは、一つ又は複数の造形物の選択層から溶融プールデータを読み出すことにより開発又は定式化することができる。これが「トレーニングデータセット」である。第１に、例えば主成分分析のためのＮＩＰＡＬＳなどのアルゴリズムを通して「縮小データセット」が見いだされる。これにより、ｙ出力変数（この場合には光ダイオード電圧、溶融プール面積など）の集合と、ｘ入力変数（レーザ出力、レーザ出力駆動信号、造形面上のレーザ焦点のｘ／ｙ位置、レーザ走査速度、レーザ走査方向、溶融プールからの軸上電磁放出、プラズマからの軸上電磁放出、溶融プールからの軸外電磁放出、プラズマからの軸外電磁放出、造形面に対するレーザ入射角、ワークピースに対するレーザ入射角、ガス流速、粉末床温度、粉末層厚さ、又はワークピースの熱伝導特性などの変数リストからの選択）の集合とを、ある統計的に定義された縮小変数セットに変換する。
【００６４】
一般的には、これらの変数の集合はベクトルＹ及びベクトルＸと呼ばれる。モデルは、Ｙ＝ｆ（Ｘ）の形式のＹとＸの間に一致する。このモデルのトレーニングプロセスの出力は、「正常変動」の１つ以上の統計的尺度と共にモデル定数を含む。簡単な例では、モデルがよく知られている線形形式Ｙ＝ｍＸ＋ｂを有するとする。ここで、傾きｍと切片ｂは、モデル定数から生成されるモデルである。さらに、Ｙ＝ｍＸ＋ｂモデルから予測されるＹと、測定されるＹとの差は、標準偏差「ｓ」の正規分布を有するとする。この統計又は類似の統計は、他のモデルトレーニング出力を有することもある。これらのモデル定数は、制御ソフトウェアに取り込まれてもよい。
【００６５】
こうして、汎用のモデルトレーニングプロセスには、次のものが含まれる。１）モデルトレーニング出力を生成及び保存すること、２）計算要件を低減するためにトレーニングの縮小データセットを選択すること、３）縮小変数セット及びモデル生成へのいくつかの異なるアプローチを詳論すること（例えば、主成分分析などの単一ブロック法、部分的最小二乗回帰などの複数ブロック法、ニューラルネットワークベースのモデリング、ランダムフォレストモデリングなど）、４）材料密度、引張強度、表面仕上げなどの「ｙ」変数に基づく直接部品品質へ概念の拡張（溶融プール放出／光ダイオード電圧のような間接品質尺度ｙに対比して）をすること。
【００６６】
システムモデルが上述のようにトレーニングされた後、システム入力に基づいて通常のシステム動作パラメータが決定されてよい。例えば、システムモデルが本明細書で記載したような熱伝導特性を含む熱伝達モデルであるとすると、ユーザは、命令されたツール経路とレーザ出力プロファイルを入力し、熱伝達モデルが予想される溶融プールの放出シグネチャ又は温度プロファイルを生成することができる。溶融プールからの実際の放出はそうして実際の印刷プロセスの間に（例えば溶融プール監視システム２００を使用して）監視することができ、印刷のエラーや問題点は、モデルにより予測されたシステム出力と実際の出力とを比較することで識別可能である。ステップ３４０からステップ３７０までは、そのような比較を行い、問題点を特定し、修正処置を取る１つの例示的方法を対象とする。
【００６７】
ステップ３４０は、エネルギー源から指向されたエネルギーと部品及び粉末床の熱伝導特性とに少なくとも部分的に基づいて、予測される放出信号を取得することを含む。これに関して、熱伝達モデル又は他のシステムモデルを上記のように使用して、例えば、レーザ入力、熱遅延特性、熱抵抗などに基づいて溶融プール放出信号を予測可能である。これらの予測される放出信号は一般的に、印刷エラーやそのほかのプロセス上の問題のない「正常プロセス」を表す。
【００６８】
ステップ３５０は、溶融プール監視システムを用いて粉末床からの放出信号を測定することを一般的に含む。これに関しては、例えば、溶融プール監視システム２００は、前述したように選択的に溶融された粉末床からの電磁放出を一般的に監視することができる。こうして、印刷プロセス中に、溶融プール監視システム２００が溶融プール放出を示すデータを任意の適切な形で一般的に取得可能であり、これを更に評価、解析して、印刷プロセスを監視し、かつ望ましいプロセス調整に係わる判定を行うことが可能である。具体的には、例えば軸上光センサ２０２が、電磁放出の測定中に、命令されたツール経路に沿ってエネルギービーム１２２が移動する際の焦点１７４を追跡してもよい。
【００６９】
ステップ３６０は、測定された放出信号と予測された放出信号との間の差が所定のエラー閾値を超えるか否かを判定することを含む。所定のエラー閾値は、製造者によって設定されるか、オペレータによって制御されるか、部品モデルによって設定されるか、あるいはその他に任意の適切な形で決定されてよい。測定される放出信号と予測される放出信号の「差」は、単純に１つの信号からもう１つの信号を数学的に差し引くことである必要はないことを理解されたい。それに代わり、例示的実施形態によれば、この差は測定放出信号と予測放出信号との関係に関する何らかの統計的尺度を指すことを意図しており、そのような差は任意の適切な統計的な方法、解析、アルゴリズムなどを用いて決定されてよい。
【００７０】
方法３００はステップ３５０において、差が所定のエラー閾値を超える判定に応答してアラートを生成することをさらに含む。こうして、差が所定のエラー閾値を超えると、コントローラ２２０は、アラートを生成し、プロセスを変更し、そのほかの何らかの制御動作を行うことができる。例えば、アラートは、付加製造装置のオペレータに提供される音響又は視覚の表示であってよい。例えば、アラート又は指示は、オペレータがレビューするためにモニタに（例えば時間ベースのプロット、管理図、補償された放出信号の３Ｄ指示又は表示などとして）表示されてもよい。又は、アラートはｅメール、テキストメッセージ、あるいは他の電子メッセージであってもよい。
【００７１】
あるいは、アラートはこれに代わって、印刷プロセスの造形パラメータを停止または調整する、装置の制御機への電子信号であってもよい。これに関して、コントローラ２２０は、差が所定のエラー閾値を超える場合に、付加製造装置へのプロセス調整を自動的にするようにプログラムされてもよい。例えば、コントローラ２２０は、エネルギー源１２０の入射角、エネルギービーム１２２の強度、走査速度、ツール経路の調整、又は断面層若しくは構成要素１７０そのものの印刷に影響する他の任意のプロセス調整を行うように構成されてもよい。
【００７２】
図３は、説明および議論の目的で、特定の順序で遂行されるステップを有する例示的制御方法を表す。本明細書で提供される開示を使用する当業者は、本明細書で議論されたあらゆる方法のステップが、本開示の範囲から逸脱することなしに、様々な方法で適合、再配置、拡張、省略又は変更可能であることを理解するであろう。さらに、本方法の態様をＡＭシステム１００と溶融プール監視システム２００を例にして説明したが、これらの方法は、任意の適切な付加製造装置の運転の監視に適用可能であることを理解されたい。
【００７３】
本発明の更なる態様は以下の条項の主題によって提供される。
【００７４】
１．粉末床付加製造プロセスを監視する方法であって、この方法が付加製造装置の粉末床に付加材料層を堆積することと、付加材料層の一部を溶融するために、エネルギー源からのエネルギーを付加材料層に選択的に指向させることと、エネルギー源から指向されたエネルギーと部品及び粉末床の熱伝導特性とに少なくとも部分的に基づいて予測放出信号を取得することと、溶融プール監視システムを用いて、粉末床からの放出信号を測定することと、測定放出信号と予測放出信号との差を判定することと、その差が所定のエラー閾値を超える場合にアラートを生成することとを含む。
【００７５】
２．熱伝導特性は、１つ以上の熱遅延特性又は熱抵抗特性を含む、前条のいずれかに記載の方法。
【００７６】
３．熱遅延特性は、エネルギー源が第１の点に指向されたときと、エネルギー源が第２の点に指向されたときとの間のタイムラグであって、第２の点は第１の点に隣接する、前条のいずれかに記載の方法。
【００７７】
４．第２の点が、第１の点から３次元空間内の指定距離内に位置している場合には、第２の点は第１の点に隣接する、前条のいずれかに記載の方法。
【００７８】
５．熱遅延特性は、エネルギー源の焦点において測定される放出データに関する後続のタイムスタンプと、後続のタイムスタンプにおける焦点から指定距離内の領域において測定される放出データに係わる以前のタイムスタンプとの間の時間差として計算される、前条のいずれかに記載の方法。
【００７９】
６．熱遅延特性は、第１の付加層の第１の領域の溶融と、後続の付加層の、第１の領域の直上の第２の領域の溶融との間の時間の大きさである、前条のいずれかに記載の方法。
【００８０】
７．熱抵抗特性は、部品及び粉末床の３次元空間内の焦点から指定距離内にある特定の領域に対する熱エネルギー伝達率を含む、前条のいずれかに記載の方法。
【００８１】
８．熱エネルギー伝達率は、部品及び粉末床を、エネルギー源の焦点に隣接する３次元空間を充たす複数のボクセルに分割することと、複数のボクセルのそれぞれの熱抵抗を推定することと、複数のボクセルのそれぞれの熱抵抗を合計して熱伝達モデルを定式化することとによって取得される、前条のいずれかに記載の方法。
【００８２】
９．熱伝達モデルは、
【数２】
2020075506.tif 000004
であり、ここで、ＲＴ＝エネルギー源の焦点から流出する熱流に係わる熱抵抗、ＲＬｉ，ｎ＝ボクセルの熱抵抗、ｍ＝熱抵抗が本質的に互いに直列である、レーザ焦点からの距離が増加するボクセルのインデックス層、ｎ＝熱抵抗が本質的に互いに並列に作用する、レーザの焦点からほぼ等距離にある所与の層内の各ボクセルのインデックス、である。
【００８３】
１０．複数のボクセルは立方体ボクセルである、前条のいずれかに記載の方法。
【００８４】
１１．複数のボクセル生成に、メッシュ生成アルゴリズムが使用される、前条のいずれかに記載の方法。
【００８５】
１２．熱伝導特性は、部品又は付加造形モデルの有限要素法を用いて決定される、前条のいずれかに記載の方法。
【００８６】
１３．熱伝導特性は熱伝達モデルに従って定義され、熱伝達モデルは、複数の代表的プロセス造形物の熱伝導特性を含む、複数の代表的プロセス造形物のプロセスデータを取得することと、プロセスデータの部分集合を選択することと、プロセスデータの部分集合に基づいて熱伝達モデルをトレーニングすることと、後続の造形プロセスのモデル予測を取得することとによって開発される、前条のいずれかに記載の方法。
【００８７】
１４．付加製造装置であって、付加製造装置の粉末床上に付加材料層を堆積させるための粉末堆積システムと、付加材料層の一部を溶融するために付加材料層にエネルギーを選択的に指向させるためのエネルギー源と、粉末床から放出される電磁エネルギーを測定するための溶融プール監視システムと、溶融プール監視システムに動作可能に結合されたコントローラであって、一つ又は複数の熱遅延特性又は熱抵抗特性を含む部品及び粉末床の熱伝導特性を取得し、エネルギー源から指向されたエネルギーと部品及び粉末床の熱伝導特性とに少なくとも部分的に基づいて予測放出信号を取得し、溶融プール監視システムを用いて粉末床からの放出信号を測定し、測定放出信号と予測放出信号との差を決定し、その差が所定のエラー閾値を超える場合にアラートを生成する、ように構成されたコントローラと、を含む付加製造装置。
【００８８】
１５．熱遅延特性は、エネルギー源が第１の点に指向されたときと、エネルギー源が第１の点に隣接する第２の点に指向されたときとの間のタイムラグである、前条のいずれかに記載の付加製造装置。
【００８９】
１６．第２の点が、第１の点から３次元空間内の指定距離内に位置している場合には、第２の点は第１の点に隣接する、前条のいずれかに記載の付加製造装置。
【００９０】
１７．熱遅延特性は、エネルギー源の焦点において測定される放出データに関する後続のタイムスタンプと、後続のタイムスタンプにおける焦点から指定距離内の領域において測定される放出データに係わる以前のタイムスタンプとの間の時間差として計算される、前条のいずれかに記載の付加製造装置。
【００９１】
１８．熱遅延特性は、第１の付加層の第１の領域の溶融と、後続の付加層の、第１の領域の直上の第２の領域の溶融との間の時間の大きさである、前条のいずれかに記載の付加製造装置。
【００９２】
１９．熱抵抗特性は、付加材料層内の特定の領域に対する熱エネルギー伝達率を含む、前条のいずれかに記載の付加製造装置。
【００９３】
２０．熱エネルギー伝達率は、部品及び粉末床を、エネルギー源の焦点を囲む３次元空間を充たす複数のボクセルに分割することと、複数のボクセルのそれぞれの熱抵抗を推定することと、複数のボクセルのそれぞれの熱抵抗を合計して熱伝達モデルを定式化することとによって取得される、前条のいずれかに記載の付加製造装置。
【００９４】
この書面の記述は、最良の形態を含む本発明を開示するための、また当業者に、任意のデバイスまたはシステムの作製と使用並びに組み込まれた任意の方法の遂行を含む本発明の実行を可能とさせるための、例示的実施形態を使用する。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思いつく他の実施例も含み得る。そのような他の実施例は、もしそれらが請求項の文字通りの言葉に違わない構造要素を有する場合、または請求項の文字通りの言葉からあまり差異のない等価な構造要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあることが意図されている。
【図１】
2020075506.tif 000006
【図２】
2020075506.tif 000007
【図３】
2020075506.tif 000008
【図４】
2020075506.tif 000009
【図５】
2020075506.tif 000010
【図６】
2020075506.tif 000011
【外国語明細書】
2020075506000001.pdf