(57)【要約】【課題】粉末（１４２）床の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、電磁放出信号が溶融プール監視システム（２００）によって測定されて、印刷プロセスが監視される。測定された放出信号（２５０）が解析されて外れ値放出（２５４）が識別され、かつ外れ値クラスタが、例えばクラスタリングアルゴリズム、空間管理図などを使用して、外れ値放出（２５４）の空間近接性の評価により識別される。クラスタが識別されるか又はクラスタの大きさが所定のクラスタ閾値を超える場合に、アラートが提供されるか又はプロセス調節を行うことができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末（１４２）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（１４２）床の粉末（１４２）層を照射することと、
前記粉末（１４２）層の照射中に前記粉末（１４２）床からの放出信号を測定することと、
前記測定された放出信号（２５０）が所定の信号閾値を超える、外れ値放出（２５４）を識別することと、
前記外れ値放出（２５４）の空間近接性を評価することにより外れ値クラスタを識別することと、
前記外れ値クラスタの識別に応答してアラートを生成することと、
を含む方法（３００）。
【請求項２】
前記放出信号は、前記粉末（１４２）床の溶融プール（１７６）からの電磁エネルギー放出を含む、請求項１に記載の方法（３００）。
【請求項３】
前記電磁エネルギー放出は、光強度、光ダイオード電圧応答、パイロメータ電圧又は電流応答、光放出の幾何学的寸法、スペクトル応答及びセンサノイズ応答の少なくとも１つを含む、請求項２に記載の方法（３００）。
【請求項４】
前記放出信号の測定には溶融プール監視システム（２００）を使用する、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の方法（３００）。
【請求項５】
前記溶融プール監視システム（２００）は、光ダイオード、パイロメータ、光電子増倍管、赤外線カメラ、光学カメラ、分光計及び分光センサのうちの少なくとも１つを備える、請求項４に記載の方法（３００）。
【請求項６】
前記溶融プール監視システム（２００）は、少なくとも１つの軸上センサ（２０２）を備える、請求項４又は請求項５に記載の方法（３００）。
【請求項７】
前記外れ値クラスタを識別することは、ｋ平均クラスタリング、ｋメディアンクラスタリング、ノイズを伴うアプリケーションの密度ベース空間クラスタリング（ＤＢＳＣＡＮ）、及びクラスタリング構造を識別する序列点（ＯＰＴＩＣＳ）から選択されるクラスタリング解析方法（３００）を用いて、測定された放出信号（２５０）を解析することを含む、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の方法（３００）。
【請求項８】
（ａ）粉末（１４２）層を堆積させるステップと、
（ｂ）前記粉末（１４２）層の一部を選択的に溶融するステップと、
（ｃ）ステップ（ａ）とステップ（ｂ）を繰り返して、部品を層ごとに造形するステップと、
をさらに含み、
放出信号を測定するステップと、外れ値放出（２５４）を識別するステップと、外れ値クラスタを識別するステップとが、前記部品の少なくとも２つの隣接層に関して実行される、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の方法（３００）。
【請求項９】
放出信号を測定するステップと、外れ値放出（２５４）を識別するステップと、外れ値クラスタを識別するステップは、リアルタイムで遂行される、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の方法（３００）。
【請求項１０】
アラートの生成は、前記識別された外れ値クラスタのクラスタサイズがクラスタの閾値を超えたときにアラートを生成することを含む、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の方法（３００）。
【請求項１１】
前記アラートは、前記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る、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の方法（３００）。
【請求項１２】
付加製造装置であって、
粉末（１４２）床に付加材料層を堆積させる、粉末（１４２）堆積装置と、
前記付加材料層の一部を選択的に溶融させて、部品の断面層を形成するための照射装置と、
前記照射装置が前記断面層を溶融している間に前記粉末（１４２）床からの放出信号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）と、
を備え、
前記コントローラ（２２０）は、
前記測定された放出信号（２５０）が所定の信号閾値を超える、外れ値放出（２５４）を識別し、
前記外れ値放出（２５４）の空間近接性を評価することにより外れ値クラスタを識別し、
前記外れ値クラスタの識別に応答してアラートを生成する、
ように構成されている、方法（３００）。
【請求項１３】
前記放出信号は、前記粉末（１４２）床の溶融プール（１７６）からの電磁エネルギー放出を含む、請求項１２に記載の付加製造装置。
【請求項１４】
前記溶融プール監視システム（２００）は、光ダイオード、パイロメータ、光電子増倍管、赤外線カメラ、光学カメラ、分光計及び分光センサのうちの少なくとも１つを備える、請求項１２又は請求項１３に記載の付加製造装置。
【請求項１５】
前記溶融プール監視システム（２００）は、少なくとも１つの軸上センサ（２０２）を備える、請求項１２〜請求項１４のいずれか一項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、「溶融プール監視システム及び付加製造プロセスにおけるエラー検出方法（Ｍｅｌｔ  Ｐｏｏｌ  Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ  Ｅｒｒｏｒｓ  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６２／７５７，８４９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／ＡＳＴＭ５２９００）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三次元（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、製造過程の科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を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。ただし、ほとんどの溶融プール監視システムでは、造形の完了後にデータ解析を行うか、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】
【０００９】
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】
【００１０】
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。
【００１１】
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の粉末層を照射することと、粉末層の照射中に粉末床からの放出信号を測定することと、測定放出信号が所定の信号閾値を超える、外れ値放出を識別することと、を含む。この方法はさらに、外れ値放出の空間近接性を評価することにより外れ値クラスタを識別することと、外れ値クラスタの識別に応答してアラートを生成することをさらに含む。
【００１２】
別の例示的実施形態によれば、粉末床に付加材料層を堆積させる粉末堆積装置と、付加材料層の一部を選択的に溶融させて、部品の断面層を形成するための照射装置と、照射装置が断面層を溶融している間に粉末床からの放出信号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。コントローラが、溶融プール監視システムに動作可能に結合されて、所定の信号閾値を測定放出信号が超える外れ値放出を識別し、外れ値放出の空間近接性を評価することにより外れ値クラスタを識別し、外れ値クラスタの識別に応答してアラートを生成する。
【００１３】
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。
【００１４】
当業者に向けられた本発明の完全かつ実施可能な開示が、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】
【００１５】
【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、粉末床付加製造プロセスのプロセス不良の監視方法である。
【図４】例示的実施形態による図１の例示的付加製造装置の動作におけるプロセスエラー検出に使用可能な、溶融プール監視システムのデータ出力例の図である。
【図５】例示的実施形態による図１の例示的付加製造装置の動作におけるプロセスエラー検出に使用可能な、溶融プール監視システムにより取得されたデータを表す例示的空間管理図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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、空間的に局在する極値の解析に使用される。一般に、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て極端な外れ値を求め、それらの外れ値の空間的近接性を評価することが含まれ得る。クラスタが識別されると（例えば、特定のクラスタが所定のクラスタ密度やその他の閾値を超えると）、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。
【００２１】
具体的には、データストリームを、ｋ平均クラスタリング、ｋメディアンクラスタリング、ノイズを伴うアプリケーションの密度ベース空間クラスタリング（ＤＢＳＣＡＮ）、及びクラスタリング構造を識別する序列点（ＯＰＴＩＣＳ）などの１つ以上のクラスタリングアルゴリズムや方法を用いて解析して、極端な動作上の放出やエラーを識別できる。そのようなクラスタが発見されれば、オペレータに警報が発せられる。このアルゴリズムと別の監視システムを実装する、代替の計算及びセンサ手法を、本主題の範囲内に保持したまま使用してもよい。例えば、さらに別の実施形態によれば、空間管理図を使用して、正常でない電磁放出すなわち外れ値の放出の空間近接性を評価してもよい。
【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１６０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、供給リコータ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で説明する。
【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をさらに含んでもよい。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】
ここで図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の粉末層を照射することを含む。これに関し、例えば、エネルギー源１２０は、粉末床の造形層１７２、例えば造形面１３０、の焦点１７４に向けてエネルギービーム１２２を指向させてよい。このようにして、付加粉末１４２又は他の材料を選択的に溶解、焼結又は他の形で溶融させて、構成要素１７０の一部を形成することができる。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され得る、電磁放射及び他の焼結／溶解副産物を放出する場合がある。
【００４５】
ステップ３２０は、粉末層の照射中に粉末床からの放出信号を測定することを含む。これに関しては、溶融プール監視システム２００は通常、例えば前述したように選択的に溶融されている粉末床からの電磁放射を監視することができる。こうして、印刷プロセス中において、溶融プール監視システム２００が通常、溶融プール放射を示すデータを任意の適切な形で取得可能であり、これをさらに評価、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。
【００４６】
例えば図４を簡単に参照すると、構成要素のある層に対する例示的印刷プロセスが、溶融プール監視システム２００によって測定及び／又は記録された電磁放出信号の時系列表示と共に示されている。このデータ系列は本明細書では「測定された放出」、「放出生データ」などと呼ばれ、参照番号２５０で表されてよい。これに関しては、電磁放出２５０の測定中に、（例えば図４の参照番号２５２で示した）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、軸上光センサ２０２が追跡してもよい。
【００４７】
通常のプロセスでは、測定された電磁放出信号２５０のランダムな変動が正常であり、それが予想される。ただし、測定された放出２５０が（例えば図４のＵＣＬとして示す）管理上限を超えるか、又は（例えば図４のＬＣＬとして示す）管理下限より下がると、これらの測定放出は正常範囲外、すなわち「外れ値放出」とみなされ、参照番号２５４で識別される。こうして、方法３００はさらにステップ３３０で、測定された放出信号が所定の信号閾値を超える（あるいはその他で所定の限界外となる）、外れ値放出を識別することができる。例えば図に示すように、所定の信号閾値を管理上限及び管理下限（ＵＣＬ及びＬＣＬ）としてもよく、通常これは、正規分布の約３標準偏差であってよい。あるいは、所定の信号閾値は、他の任意の適切な形で決定される、他の任意の適切な限界であってもよい。
【００４８】
注目すべきことには、測定された放出信号２５０は典型的には時系列形式（例えば図４に示すように）で表されるので、測定された放出信号２５０内の外れ値放出２５４が、断面層上又は構成要素１７０内の３次元領域内に互いに近接して位置している場合には、はっきりしないことが多い。周期的な変動は重大な問題ではなく、全く介入を必要としない場合があるが、クラスタ化している、すなわち空間的に近接している外れ値放出は印刷の問題を示している可能性がある。例えば、図４に示すように、多くの外れ値放出２５４は、時系列プロット上では離間しているが、実際には全て印刷部分の１つのホットスポット２５６で発生している。そのような問題を診断して、是正処置を取ることが望ましい。これに関し、本主題は一般的に、外れ値放出２５４の空間的近接性を解析及び評価すること、例えばプロセス不良又はエラーがいつ発生したかを判定し、是正処置を開始することを目的とする。
【００４９】
ステップ３４０は測定された放出信号内の外れ値放出の空間的近接性の評価により、外れ値クラスタを識別することを含む。これに関して、ステップ３４０は一般的に、造形領域内の特定の領域又は部分において、又はそこに関連していつ外れ値放出が発生したか、を識別することを目的とする。例えば、空間的近接性は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と構成要素１７０の両方を組み込む場合がある。例示的実施形態によれば、空間近接性は、焦点１７４を囲む特定の体積内に識別される外れ値放出２５４の密度であってもよい。密度すなわち空間近接性は、２次元（例えば単一造形層内）で定義されるか、又は３次元（例えば複数の造形層を通して）定義される可能性がある。
【００５０】
外れ値放出２５４の空間近接性は任意の適切な方法で判定され得る。例えば、コントローラ２２０は、クラスタ化法を実行するか、あるいはクラスタ化アルゴリズムを用いて測定された放出信号２５０を解析するように構成され得る。これに関して、測定された放出信号２５０のデータストリームを、ｋ平均クラスタリング、ｋメディアンクラスタリング、ノイズを伴うアプリケーションの密度ベース空間クラスタリング（ＤＢＳＣＡＮ）、及びクラスタリング構造を識別する序列点（ＯＰＴＩＣＳ）などの１つ以上のクラスタリングアルゴリズムを用いて解析して、極端な動作中の放出やエラーのクラスタを識別することができる。他のクラスタリングアルゴリズム又は統計手法も可能であり、かつ本主題の範囲内である。
【００５１】
代替実施形態によれば、空間管理図を使用して、ホットスポット、プロセス不良、又は付加印刷プロセスにおけるそのほかの問題点を示す、外れ値放出２５４のクラスタを識別する。例えば、図５は、例示的な印刷プロセスに関する空間管理図を示す。これに関して、従来の時系列データは、関連するプロセス又は品質の指標を管理図（例えばシューハート管理図、ＥＷＭＡ管理図など）上に時間の関数としてプロットし、指標の時間的ドリフト又は遷移を視覚的に識別する。空間管理図は時間的な序列よりもむしろデータに関する物理的位置にフォーカスする。
【００５２】
空間管理図の１つのアプローチは、移動平均図又は類似のグラフにおいて、異なる地点における値の間の差の分散、標準偏差又は共分散を、地点間の距離の関数として比較する、バリオグラム、セミバリオグラム、又は類似の統計図表を利用することである。バリオグラム、セミバリオグラム又は類似の統計的外側閾値限界は、極値の空間クラスタの指標となる。あるいは、空間重み関数を、主成分分析や部分最小二乗回帰などの多変量推定法と共に使用して、多変量統計測定（ＨｏｔｅｌｌｉｎｇのＴ２統計又はＱ統計）による空間クラスタの識別を可能とすることができる。
【００５３】
空間管理図の別の実施形態では、溶融プール監視システムデータを多変量画像として扱うことができる。ここで、２つの次元は、各「ピクセル空間」が対応する測定された溶融プール特性（電磁放出強度、溶融プール寸法など）を有する「ピクセル空間」に分割された各データ層に関連するｘ座標及びｙ座標であり、多変量データセットが推定法（すなわち主成分分析又は部分最小二乗）を用いて効果的に展開され、関連スコア変数が抽出されて空間配列に再配置され、その空間配列の「ピクセル空間」内の極値がプロセス異常に係わる空間クラスタを識別する。
【００５４】
方法３００はステップ３５０において、外れ値クラスタの識別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、ステップ３４０において外れ値放出２５４のクラスタが識別されたときに、クラスタが識別されるか又はクラスタの大きさが何らかのクラスタ閾値を超えると、コントローラ２２０はアラートを生成し、プロセスを変更し、あるいはその他の何らかの管理動作を遂行するように構成されてよい。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。これに代わって、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。
【００５５】
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、クラスタが識別されるか又は特定の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行う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、又は構成要素１７０そのものの断面層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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
１．粉末床付加製造プロセスを監視する方法が、付加製造装置の粉末床の粉末層を照射することと、粉末層の照射中に粉末床からの放出信号を測定することと、測定放出信号が所定の信号閾値を超える外れ値放出を識別することと、外れ値放出の空間近接性を評価することにより外れ値クラスタを識別することと、外れ値クラスタの識別に応答してアラートを生成することと、を含む。
【００５９】
２．放出信号は、粉末床の溶融プールからの電磁エネルギー放出を含む、前条のいずれかに記載の方法。
【００６０】
３．電磁エネルギー放出は、光強度、光ダイオード電圧応答、パイロメータ電圧又は電流応答、光放出の幾何学的寸法、スペクトル応答及びセンサノイズ応答の少なくとも１つを含む、前条のいずれかに記載の方法。
【００６１】
４．放出信号の測定には溶融プール監視システムを使用する、前条のいずれかに記載の方法。
【００６２】
５．溶融プール監視システムは、光ダイオード、パイロメータ、光電子増倍管、赤外線カメラ、光学カメラ、分光計及び分光センサのうちの少なくとも１つを備える、前条のいずれかに記載の方法。
【００６３】
６．溶融プール監視システムは、少なくとも１つの軸上センサを備える、前条のいずれかに記載の方法。
【００６４】
７．外れ値クラスタを識別することが、ｋ平均クラスタリング、ｋメディアンクラスタリング、ノイズを伴うアプリケーションの密度ベース空間クラスタリング（ＤＢＳＣＡＮ）、及びクラスタリング構造を識別する序列点（ＯＰＴＩＣＳ）から選択されるクラスタリング解析方法を用いて、測定された放出信号を解析することを含む、前条のいずれかに記載の方法。
【００６５】
８．さらに、（ａ）粉末層を堆積させるステップと、（ｂ）粉末層の一部を選択的に溶融するステップと、（ｃ）ステップ（ａ）とステップ（ｂ）を繰り返して、部品を層ごとに造形するステップと、を含み、放出信号を測定するステップと、外れ値放出を識別するステップと、外れ値クラスタを識別するステップとが、部品の少なくとも２つの隣接層に関して実行される、前条のいずれかに記載の方法。
【００６６】
９．放出信号を測定し、外れ値放出を識別し、外れ値クラスタを識別するステップは、リアルタイムで遂行される、前条のいずれかに記載の方法。
【００６７】
１０．アラートの生成は、識別された外れ値クラスタのクラスタサイズがクラスタの閾値を超えたときにアラートを生成することを含む、前条のいずれかに記載の方法。
【００６８】
１１．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る、前条のいずれかに記載の方法。
【００６９】
１２．付加製造装置であって、粉末床に付加材料層を堆積させる粉末堆積装置と、付加材料層の一部を選択的に溶融させて、部品の断面層を形成するための照射装置と、照射装置が断面層を溶融している間に粉末床からの放出信号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、測定放出信号が所定の信号閾値を超える外れ値放出を識別し、外れ値放出の空間近接性を評価することにより外れ値クラスタを識別し、外れ値クラスタの識別に応答してアラートを生成するように構成されたコントローラと、を備える付加製造装置。
【００７０】
１３．放出信号は、粉末床の溶融プールからの電磁エネルギー放出を含む、前条のいずれかに記載の付加製造装置。
【００７１】
１４．電磁エネルギー放出は、光強度、光ダイオード電圧応答、パイロメータ電圧又は電流応答、光放出の幾何学的寸法、スペクトル応答及びセンサノイズ応答の少なくとも１つを含む、前条のいずれかに記載の付加製造装置。
【００７２】
１５．溶融プール監視システムは、光ダイオード、パイロメータ、光電子増倍管、赤外線カメラ、光学カメラ、分光計及び分光センサのうちの少なくとも１つを備える、前条のいずれかに記載の付加製造装置。
【００７３】
１６．溶融プール監視システムは、少なくとも１つの軸上センサを備える、前条のいずれかに記載の付加製造装置。
【００７４】
１７．外れ値クラスタを識別することが、ｋ平均クラスタリング、ｋメディアンクラスタリング、ノイズを伴うアプリケーションの密度ベースの空間クラスタリング（ＤＢＳＣＡＮ）、及びクラスタリング構造を識別する序列点（ＯＰＴＩＣＳ）から選択されるクラスタリング解析方法を用いて、測定された放出信号を解析することを含む、前条のいずれかに記載の付加製造装置。
【００７５】
１８．付加製造装置が、（ａ）粉末層を堆積させるステップと、（ｂ）粉末層の一部を選択的に溶融するステップと、（ｃ）ステップ（ａ）とステップ（ｂ）を繰り返して、層ごとに部品を造形するステップと、のために構成され、放出信号を測定するステップと、外れ値放出を識別するステップと、外れ値クラスタを識別するステップとが、部品の少なくとも２つの隣接層に関して実行される、前条のいずれかに記載の付加製造装置。
【００７６】
１９．放出信号を測定し、外れ値放出を識別し、外れ値クラスタを識別するステップが、リアルタイムで遂行される、前条のいずれかに記載の付加製造装置。
【００７７】
２０．アラートを生成することが、識別された外れ値クラスタのクラスタサイズがクラスタの閾値を超えたときにアラートが生成されることを含み、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る、前条のいずれかに記載の付加製造装置。
【００７８】
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】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【外国語明細書】
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