(57)【要約】【課題】レーザークラッディングと直接金属造型技術においてイメージ撮影とイメージプロセッシングを利用したクラッディング層高さをリアルタイムでモニタリング及び制御するための方法及びそのシステムを提供すること。【解決手段】本発明は、レーザービーム発生装置401の作動条件に係わらず、最も重要な工程変数の一つであるレーザー出力の強度を制御する。そして、溶融プールの位置と高さをリアルタイムでモニタリングし、レーザー表面合金化とレーザークラッディング、もしくはレーザー直接金属造型技術などのレーザー表面改質技術に基づくレーザー表面レーザークラッディングと直接金属造型技術におけるイメージ撮影とイメージプロセッシング技術を利用して工程変数を制御しながらクラッディング層の高さを制御する。
2005509523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イメージ撮影とイメージプロセッシングを利用して溶融プールの高さを含んだ位置をリアルタイムでモニタリングして測定し、工程変数を制御することを特徴とするレーザークラッディング及びレーザー直接金属造型技術におけるクラッディング層高さをリアルタイムでモニタリング及び制御するための方法。
【請求項２】
前記工程変数は、レーザー出力、レーザービームの大きさ、及びモードのいずれか１つであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記工程変数は、リアルタイムのクラッディング素材供給量と試片またはレーザービームの移送速度であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記イメージ撮影から得られた溶融プールのイメージから溶融プールの高さを表す画素を決定することにより前記溶融プールの高さを演算することを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項５】
前記溶融プールの高さを表す画素は、溶融プールイメージの重心であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記溶融プールの高さを表す画素は、溶融プールのイメージを表わす最も長い横列に該当する画素を溶融プールの高さに選択するか、または溶融プールが円形ないし楕円形状と仮定して実際に溶融プールの円ないし楕円の中心点を求めて、イメージからこの中心点に対応する画素を決めるいずれかの方法によって決定されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記溶融プールのイメージにおいていずれかの画素に対する実際の物理的高さと単位画素あたりの実際の高さ変動値に対する補正によって溶融プールの高さを演算することを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項８】
クラッディング層の高さがレーザー出力に線形的に比例する関係を利用して、溶融プール(H)の高さがクラッディング層の目標値(Ht)より低ければ正常出力より(P-Pt)だけ大きいレーザー出力が試片に照射されるようにし、
溶融プールの高さ(H)がクラッディング層の目標値より高ければレーザー出力を正常出力より(P-Pt)だけ小さく照射させることにより、溶融プールの高さが一定にクラッディング層の目標値に到達するようにすることを特徴とする、レーザークラッディングと直接金属造型技術においてイメージ撮影とイメージプロセッシングを利用したクラッディング層高さをリアルタイムでモニタリング及び制御するための方法。
【請求項９】
前記溶融プールの高さが、クラッディング層の目標値に到達するようにPID(比例‐積分‐微分)制御方法またはファジー(Fuzzy)制御方法のいずれかを利用してレーザー出力を制御することを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
レーザークラッディング及びレーザー直接金属造型技術において、レーザー発生装置の状態に係わらずレーザー出力を制御するために、制御に使用されるレーザーの入力アナログ電圧信号を補正する方法。
【請求項１１】
前記方法が、金属製品または金型の再生、リモデリング及び修正に利用されることを特徴とする請求項１、８、１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
レーザークラッディングと直接金属造型技術においてイメージ撮影とイメージプロセッシングを利用したクラッディング層高さをリアルタイムでモニタリング及び制御するためのシステムであって、
所定のレーザービーム照射により試片表面に溶融プールを形成するレーザー発生装置；
前記レーザー発生装置から発生したレーザービームを伝送するためのビーム伝送装置；
前記ビーム伝送装置から伝達されたレーザービームを集光するためのビーム集光装置；
前記ビーム集光装置から集光されたレーザービームの照射により試片表面に形成された溶融プールにクラッディング素材を供給するためのクラッディング素材供給装置；
z軸方向に前記ビーム集光装置を設置してクラッディング過程においてレーザービームの焦点距離を常に維持し、レーザークラッディングを実行できるように試片をx‐y軸テーブルに固定してから、レーザービームを中心に工具経路に沿って試片を自在に移送するための移送システム；
三次元CADデータから工具経路と同じ造型情報を形成し制御システムへ伝達するためのCAD/CAM装置；
リアルタイムで溶融プールの映像を得てイメージプロセッシング装置へ伝送するためのイメージ撮影装置；
溶融プールの映像を受けて溶融プールの物理的な位置及び高さを演算し、その値をリアルタイムで制御システムへ伝送するためのイメージプロセッシング装置；及び
前記各装置を制御してその状態をモニタリングし、CAD/CAM装置から造型情報を受けてレーザークラッディングを行い、溶融プールに対する情報を受けてクラッディング層の位置及び高さが目標値に到達するように工程変数をリアルタイムで制御するための制御システム；
を含んでいることを特徴とするシステム。
【請求項１３】
レーザークラッディングと直接金属造型技術においてイメージ撮影とイメージプロセッシングを利用したクラッディング層高さをリアルタイムでモニタリング及び制御するためのシステムであって、
所定のレーザービーム照射により試片表面に溶融プールを形成するレーザー発生装置；
前記レーザー発生装置から発生したレーザービームを伝送するためのビーム伝送装置；
前記ビーム伝送装置から伝達されたレーザービームを集光するためのビーム集光装置；
前記ビーム集光装置において集光されたレーザービームの照射により試片表面に形成された溶融プールにクラッディング素材を供給するためのクラッディング素材供給装置；
クラッディングが実行できるように、x‐y軸テーブルに固定された試片を中心にレーザービームを自在に移送するための移送システム；
三次元CADデータから工具経路と同じ造型情報を形成し制御システムに伝達するためのCAD/CAM装置；
リアルタイムで溶融プールの映像を得てイメージプロセッシング装置へ伝送するためのイメージ撮影装置；
溶融プールの映像を得て溶融プールの物理的な位置及び高さを演算し、その値をリアルタイムで制御システムへ伝送するためのイメージプロセッシング装置；
前記各装置を制御してその状態をモニタリングし、CAD/CAM装置から造型情報を受けてレーザークラッディングを行い、溶融プールに対する情報を受けてクラッディング層の位置及び高さが目標値に到達するよう工程変数をリアルタイムで制御するための制御システム；
を含んでいることを特徴とするシステム。
【請求項１４】
レーザークラッディングと直接金属造型技術においてイメージ撮影とイメージプロセッシングを利用したクラッディング層高さをリアルタイムでモニタリング及び制御するためのシステムであって、
所定のレーザービーム照射により試片表面に溶融プールを形成するレーザー発生装置；
前記レーザー発生装置から発生したレーザービームを伝送するためのビーム伝送装置；
上記ビーム伝送装置から伝達されたレーザービームを集光するためのビーム集光装置；
前記ビーム集光装置において集光されたレーザービームの照射により試片表面に形成された溶融プールにクラッディング素材を供給するためのクラッディング素材供給装置；
z軸方向に前記ビーム集光装置を設置してクラッディング過程においてレーザービームの焦点距離を常に一定に維持し、レーザークラッディングが実行できるように試片をx-y軸テーブルに固定してからレーザービームを中心に工具経路に沿ってレーザービームと試片のすべてを自在に移送するための移送システム；
三次元CADデータから工具経路と同じ造型情報を形成し制御システムへ伝達するためのCAD/CAM装置；
リアルタイムで溶融プールの映像を得てイメージプロセッシング装置へ伝送するためのイメージ撮影装置；
溶融プールの映像を受けて溶融プールの物理的な位置及び高さを演算し、その値をリアルタイムで制御システムへ伝送するためのイメージプロセッシング装置；
前記各装置を制御してその状態をモニタリングし、CAD/CAM装置から造型情報を得てレーザークラッディングを行い、溶融プールに対する情報を得てクラッディング層の位置及び高さが目標値に到達するよう工程変数をリアルタイムで制御するための制御システム；
を含んでいることを特徴とするシステム。
【請求項１５】
レーザークラッディングと直接金属造型技術においてイメージ撮影とイメージプロセッシングを利用したクラッディング層高さをリアルタイムでモニタリング及び制御するためのシステムであって、
所定のレーザービーム照射により試片表面に溶融プールを形成するレーザー発生装置；
前記レーザー発生装置から発生されたレーザービームを伝送するためのビーム伝送装置；
前記ビーム伝送装置から伝達されたレーザービームを集光するためのビーム集光装置；
前記ビーム集光装置から集光されたレーザービームの照射により試片表面に形成された溶融プールにクラッディング素材を供給するためのクラッディング素材供給装置；
レーザークラッディングを実行するために加工自由度を高めるための3軸以上の移送系またはロボットを用いる移送システム；
三次元CADデータから工具経路と同じ造型情報を形成し制御システムへ伝達するためのCAD/CAM装置；
リアルタイムで溶融プールの映像を得てイメージプロセッシング装置へ伝送するためのイメージ撮影装置；
溶融プールの映像を得て溶融プールの物理的な位置及び高さを演算し、その値をリアルタイムで制御システムへ伝送するためのイメージプロセッシング装置；
前記各装置を制御してその状態をモニタリングし、CAD/CAM装置から造型情報を得てレーザークラッディングを行い、溶融プールに対する情報を得てクラッディング層の位置及び高さが目標値に到達するように工程変数をリアルタイムで制御するための制御システム；
を含んでいることを特徴とするシステム。
【請求項１６】
前記ビーム集光装置において集光されたレーザービームの照射により試片表面に形成された溶融プールに供給されるクラッディング素材は、粉末、ワイヤ及びリボンのいずれかの形であることを特徴とする請求項１２、１３、１４、１５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１７】
前記クラッディング素材として粉末を適用する場合に、クラッディング素材供給装置から供給された粉末をレーザービームと同時に試片表面に形成された溶融プールに供給するための粉末供給ノズルがさらに含まれることを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記レーザー発生装置に適用されるレーザーは、所定の波長を有する産業用CO2、Nd-YAG、高出力ダイオードレーザーのいずれかであることを特徴とする請求項１２、１３、１４、１５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１９】
前記レーザー発生装置から発生されるレーザーがNd-YAGレーザーである場合には、光ファイバーが使用されることを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記イメージ撮影装置は、NDフィルター、フィルター設置用治具、レンズ及びCCDカメラを含むことを特徴とする請求項１２、１３、１４、１５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２１】
前記イメージ撮影装置は、NDフィルター、フィルター設置用治具、レンズ及び溶融プールの映像を高速で得られるIRカメラを含むことを特徴とする請求項１２、１３、１４、１５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２２】
前記イメージ撮影装置は、レーザービームの光軸に設置し、試片表面と所定の角度(90°-θ°)において溶融プールを観察するように構成されることを特徴とする請求項１２、１３、１４、１５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２３】
前記イメージ撮影装置は、試片またはレーザービームの移送方向に沿って溶融プールのイメージが異なって観察される現象を防止するために複数個含んでいることを特徴とする請求項１２、１３、１４、１５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２４】
前記システムを金属製品または金型の再生、リモデリング及び修正に適用することを特徴とする請求項１２、１３，１４、１５のいずれか１項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザークラッディング(Laser Cladding：多層クラッディング含む)と直接金属造型技術において、イメージ撮影及びイメージプロセッシングを利用してクラッディング層の高さをリアルタイムでモニタリングしかつ制御するための方法及びそのシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザー直接金属造型技術(Laser-aided Direct Metal Manufacturing)は、コンピュータに記憶されている三次元形状モデルの幾何学的資料から直に製品が要求する機能性素材(例えば、金属、合金またはセラミックなど)を使用して直接三次元形態の製品または製品の生産に必要なツールを迅速に製作できる新概念の快速造型技術と定義され、技術上「直接金属ツーリング(Direct Metal Tooling)」技術に分類される。
【０００３】
上記三次元形状モデルの幾何学的資料は、三次元ＣＡＤデータ、医療用ＣＴ(Computer Tomography：コンピュータ断層撮影)及びＭＲＩ(磁気共鳴影像法)データ、そして三次元スキャナ(３Ｄ Object Digitizing System)により測定されたデジタルデータなどのことで、ツールは、ダイやモールドなどの製品生産に要する試作及び量産金型を意味する。
【０００４】
こうした技術はＣＮＣ(コンピュータ数値制御)及びその他加工機械を利用した切削と鋳造など従来の加工方式とは比較にならない短時間内に機能性金属試作品(Functional Metal Prototypes)、試作及び量産金型、複雑な形状の最終製品及び各種ツールを快速製作することができ、リバースエンジニアリング(Reverse Engineering)を利用した金型の回復(Restoration)、リモデリング(Remodeling)及び修正にも適用可能である。
【０００５】
ＣＡＤデータからその物理的形状を実現する基本概念は、一般のプリンタと類似する。プリンタがコンピュータに記憶されている文書データファイルを利用して二次元の紙面上の正確な位置にカーボンやインクを付けて文書を製作するように、直接金属造型技術は、三次元ＣＡＤデータを利用して三次元空間の正確な位置に機能性素材を要する量だけ形成させることにより、三次元物理的形状を実現するのである。
【０００６】
しかし、材料を切削したり、または材料を溶融後所定の型枠に注いで凝固させていた従来の慣例的な製造工程では、ＣＡＤデータから直に三次元形状を実現するのが不可能で、そのためにはＭＩＭ(Materials Increase Manufacturing)工程を適用しなければならない。
【０００７】
基本的に三次元形状の物体は二次元の面から成り、二次元の面は一次元の線から成る。したがって、二次元の面を繰り返し一層ずつ順次積層することにより三次元形状を製作することができる。こうした原理をMIM工程と呼び、図１のように、従来の製造工程と異なってバルク材料を切削したり、あるいは溶融金属をある成形型に注いで凝固させるものではなく、材料を添加・蒸着させて三次元形状とする方式(Additive Materials Deposition for Building Shapes)である。
レーザー直接金属造型技術において二次元の平面は、レーザークラッディング)(Laser Cladding)技術を利用して物理的に実現する。
【０００８】
レーザークラッディングは、図２において、試片表面(201)にレーザービーム(202)を照射して局部的に溶融プール(Melt Pool)(203)を形成し、同時に外部から粉末形態のクラッディング素材(例えば、金属、合金またはセラミックなど)(204)を供給して試片表面に新たなクラッディング層(205)を形成する技術である。レーザー直接金属造型技術においては、図３において、三次元ＣＡＤデータから二次元の断面情報を算出し、各二次元断面情報に該当する形態と厚さ及び/または高さを有するクラッディング層を順次形成することにより三次元形状の機能性金属製品またはツールを迅速に造型する。
【０００９】
造型過程において利用される二次元断面情報は、三次元ＣＡＤデータを均一な厚さ/または高さで切断(Slicing)するか、または可変的な厚さを有する二次元データに切断して形成し、これを造型情報に用いる。この断面情報を利用してＣＡＤデータと一致する精密な三次元形状を物理的に実現するためには、レーザークラッディング工程を通して夫々の二次元断面情報に該当する正確な形態と高さ及び/または厚さを有するクラッディング層を形成できなければならない。
【００１０】
これが三次元造形物の寸法精密度に大きな影響を及ぼし、とりわけレーザークラッディング層の高さを、望むとおりに調節できるクラッディング層の高さ制御技術がレーザー直接金属造型技術の実現において最も重要な核心技術である。
【００１１】
レーザ直接金属造型技術においては、図２の通常的なレーザークラッディングにおけるように、固定されたレーザービームを中心に金属基板(以下、試片という)をx、y軸に補間移送するか、または固定された試片を中心にレーザービームを移動させ、クラッディング層を形成する。さらに、レーザービームと金属試片とを共に移送させることもでき、加工自由度を高めるために３軸以上の移送系またはロボットの使用も可能である。
【００１２】
造型過程において二次元断面情報に該当するクラッディング層の形態は、断面情報から算出された工具経路と移送系の精密度に主に依存し、物理的な実現が比較的容易である。しかし、レーザークラッディング層の高さは、レーザーの出力、レーザービームのモードと大きさ、試片の移送速度、クラッディング粉末の特性、粉末供給量、粉末の落下速度、クラッディングビーズの重畳度(Overlapping Factor)、そして供給される各種補助ガスの種類及び流量など多くの工程変数に影響を及ぼされる。また、クラッディング過程において熱蓄積により発生する試片表面の温度変化、試片表面及びレーザー発振機の状態などの外部的要因も形成されるクラッディング層の高さに影響を及ぼす。
【００１３】
したがって、二次元断面情報に該当するクラッディング層の高さを得るためには、クラッディング層の高さを決定する溶融プールの位置をリアルタイムでモニタリングしてクラッディング層の高さに影響を及ぼす工程変数をリアルタイムで制御しなければならない技術的な困難があった。
【００１４】
米国特許明細書第6,122,564号には、クラッディング層の高さ制御を目的としたフォトトランジスタを利用した光探知装置と電子回路からなるフィードバック装置及び方法が記述されている。この方法において、光探知装置は、レーザービームの照射により試片表面に形成される溶融プール付近に設置し、溶融プールが目標高さに到達したとき溶融プールからの光(赤外線波長の光)を感知できるように、光探知装置の光軸が目標高さに向かうように整列させる。光探知装置は、挟帯域通過フィルタ(Narrow Band-pass Filter)、カメラレンズ、光電子センサであるフォトトランジスタを含み、溶融プールが光軸と交わる高さに到達するときにだけ溶融プールからの光(赤外線)がフォトトランジスタに感知されるようにすべく、中心が光軸を通過する小さい穴のあるマスクをフォトトランジスタ前側に設置した。
【００１５】
したがって、溶融プールが目標の高さに到達したとき(クラッディング層の高さが目標値に到達したとき)、溶融プールからの光は、先ず狭帯域通過フィルタを通して赤外線領域の波長を有する光のみフィルタを通過し、この光はマスクにある穴を通過するのでフォトトランジスタが光を感知するようになる。しかし、溶融プールが目標高さにない場合には、溶融プールからの光はマスクにより遮断されるので、フォトトランジスタは如何なる光も感知できない。
【００１６】
この方法においては、フォトトランジスタの光感知当否によりレーザークラッディング層(溶融プール)の高さが目標値に到達したか否かを判断することになる。フォトトランジスタは、光に露出されたときに電圧降下現象を生じるが、この際発生する電気的信号を利用してレーザー発振器に伝達されるアナログ電圧信号を制御するように電気回路を構成して、フォトトランジスタの光感知当否によりレーザービームの出力をオン/オフする方式でレーザー出力を制御する。
【００１７】
しかし、上記米国特許明細書第6,122,564号の方法に用いる光探知装置は、溶融プールの高さがクラッディング層の目標高さより大きいか小さい場合をすべて同一に判断し、この際正常レーザー出力を送り出す問題がある。とりわけ、特定位置においてクラッディング層の高さが局部的に目標値より大きい場合、光探知装置はクラッディング層の高さが目標値に到達しないものと判断して正常なレーザー出力を送り出す。
【００１８】
したがって、この位置のクラッディング層は、むしろより厚く及び/または高くコーティングされ、その上に再び繰り返しレーザークラッディングを行う場合には、ますます状況が悪化し、造型精密度が大幅に低下する。そして、光探知装置の機構的な問題により、レーザー直接金属造型過程において均一な厚さ及び/または高さを有する二次元断面情報を利用して三次元形状を造型する場合には構わないが、可変的な厚さ及び/または高さを有する二次元断面情報を利用して造型する場合には、クラッディング層の高さが変化する度に光探知装置の整列と補正を改めて行わなければならない問題がある。
【００１９】
また、レーザー出力制御方式においてもレーザーパルスの持続時間を制御するレーザービームのオン/オフ方式なので、連続波レーザー発振器に適用しがたい問題もある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明は、上記のような従来の問題を解決すべく案出されたもので、直接金属造型過程において、高速のイメージ撮影とイメージプロセッシングを利用して溶融プールの位置及び高さをリアルタイムで測定し、工程変数を制御することにより形成されるクラッディング層の高さを望むとおり制御できる方法とそのシステムを提供することに目的がある。
【００２１】
さらに、本発明は、本発明の工程変数中、最も重要なレーザー出力をレーザー状態と係わりなく得られる出力補正方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明においては、溶融プールの実際の位置及び高さをリアルタイムで測定するため、クラッディング層の高さが目標値と常に正確に一致するように工程変数を制御でき、可変厚さを有する二次元断面情報を利用して三次元形状を造型する際にもイメージ撮影装置を別途に再配列したり、または補正する必要なく直に造型作業が可能で、パルス及び連続波レーザーにも適用でき、造型過程において実際クラッディングされる映像をモニターにおいて観察できる特徴がある。
【００２３】
さらに、本発明は、レーザー直接金属造型技術ばかりでなく、レーザー表面合金化とレーザークラッディングなどのようなレーザー表面改質技術、そして繰り返しレーザークラッディングを通して2mm以上の厚いクラッディング層を形成するレーザークラッディング技術にも適用できる利点がある。
【００２４】
本発明は、上記目的を成し遂げるために、イメージ撮影とイメージプロセッシングを利用して溶融プールの位置及び高さをリアルタイムでモニタリングして測定し、工程変数を制御することを特徴とする、レーザークラッディング及びレーザー直接金属造型技術におけるクラッディング層高さをリアルタイムでモニタリング及び制御するための方法を提供することにより成し遂げることができる。
【００２５】
さらに、本発明は、所定のレーザービーム照射により試片表面に溶融プールを形成するレーザー発生装置；前記レーザー発生装置から発生したレーザービームを伝達するためのビーム伝送装置；前記ビーム伝送装置から伝達されたレーザービームを集光するためのビーム集光装置；前記ビーム集光装置において集光されたレーザービームの照射により試片表面に形成された溶融プールにクラッディング素材を供給するためのクラッディング素材供給装置；z軸方向に上記ビーム集光装置を設置してクラッディング過程においてレーザービームの焦点距離を常に維持し、試片をx‐y軸テーブルに固定した後レーザービームを中心に工具経路に沿って試片を自在に移送させ、レーザークラッディングが行われるようにするための移送システム；三次元ＣＡＤデータから工具経路と同じ造型情報を形成して制御システムへ伝達するためのＣＡＤ/ＣＡＭ装置；リアルタイムで溶融プールの映像を得てイメージプロセッシング装置へ伝送するためのイメージ撮影装置；溶融プールの映像を受けて溶融プールの物理的な位置及び高さを演算し、その数値をリアルタイムで制御システムへ伝送するためのイメージプロセッシング装置；前記各装置を制御してその状態をモニタリングし、ＣＡＤ/ＣＡＭ装置から造型情報を受けレーザークラッディングを行い、溶融プールに対する情報を受けクラッディング層の位置及び高さが目標値に到達するように工程変数をリアルタイムで制御するための制御システム；を含んでいることを特徴とする、レーザークラッディングと直接金属造型技術においてイメージ撮影とイメージプロセッシングを利用したクラッディング層高さをリアルタイムでモニタリング及び制御するためのシステムを提供する。
【発明を実施するための最良の実施例】
【００２６】
以下、添付の図を参照しながら本発明について詳しく記述する。
図４は、レーザー直接金属造型システムの概略図を示すものとして、クラッディング層のリアルタイム高さ制御のためのイメージ撮影装置(407)及びイメージプロセッシング装置(408)、そして三次元ＣＡＤデータから二次元断面情報を算出し、これに該当する工具の経路を算出して制御システム(403)へ伝送するＣＡＤ/ＣＡＭ装置(409)が含まれる。
【００２７】
レーザー発生装置(401)は、産業用CO2レーザーであることが好ましいが、Nd-YAG、高出力ダイオードレーザーなどのようにレーザービームの照射により金属試片の表面に溶融プールを形成できれば如何なる波長のレーザーも使用可能である。上記レーザー発生装置(401)からのレーザービームはビーム伝送装置(405)を通してビーム集光装置(406)へ伝達されるが、Nd-YAGなどのレーザーを使用する場合には光ファイバーを使用してレーザービームを伝送することもできる。
【００２８】
ビーム集光装置(406)は、レンズやミラーなどの光学部品を組み合わせ、レーザークラッディングに適合するようにレーザービームを集光する役目を果たし、その下側にはクラッディング素材を供給するためのクラッディング素材供給装置(404)、好ましくは粉末供給装置(Powder-feeding System)(404)から移送された粉末を溶融プールに供給する遠心型粉末供給ノズル(414)が装着される。
【００２９】
また、クラッディング素材は粉末形態が好ましいが、ワイヤまたは棒またはリボンの形態でも使用できる。粉末形態のクラッディング素材を使用する場合にもレーザービームを基準に粉末供給方向に応じて側面粉末供給方式(Lateral Powder-feeding)と遠心型粉末供給方式(Concentric Powder-feeding)とに区別される。
【００３０】
上記遠心型粉末供給方式は、レーザービームを中心に全方向へ均一に金属粉末を溶融プールに供給するために工具経路に対する制約が無く、レーザー直接金属造型技術への使用に適している。
【００３１】
それに比して、上記側面粉末供給方式は、レーザービームを基準に側面のある一方向から金属粉末を溶融プールに供給する方法であり、ノズルの設計方式によっては粉末の損失率を最大5％まで減らすことができ、1mm以上の比較的厚いクラッディングビーズを合成するのに適している。しかし、クラッディング方向(試片またはレーザービームの移送方向)に沿ってビーズの形態と高さが変化する異方性が存在するので、造型過程に使用する工具経路に多大な制約を受けてしまう問題がある。
【００３２】
また、移送システム(Work Table)(402)は、z軸上にビーム集光装置(406)を設置して造型過程においてレーザービームの焦点距離を常に一定に維持し、試片をx-y軸テーブルに固定した後レーザービームを中心に工具経路に沿って試片を自在に移送させて、レーザークラッディングが行われるようにする。
【００３３】
レーザー直接金属造型技術と一般のレーザークラッディング工程においては、上記移送システム(402)ばかりでなく、固定された試片を中心にレーザービームを移送させるか、またはレーザービームと試片を同時に移送させられる移送システムを適用することができる。さらに、加工自由度を向上させるために３軸以上の移送システムまたはロボットの適用も可能である。
【００３４】
ガス制御システム(412)は、レーザクラッディングに使用される各種ガス(413)を制御する機能を果たす。未説明符号(410)は冷却装置であり、(411)は室外機装置である。
制御システム(403)は、PC-NC(パーソナルコンピュータ‐数値制御システム)と各種の入出力装置から成り、レーザー発生装置(401)、移送システム(402)、クラッディング素材供給装置(404)、ガス制御システム(412)及び冷却装置(410)などが含まれ、本発明のレーザー直接金属造型システムを構成している全装置を制御し、リアルタイムで各装置の状態をモニタリングする機能を含む。
【００３５】
とりわけ、制御システム(403)は、ＣＡＤ/ＣＡＭ装置(409)から造型情報を得てレーザークラッディング作業を行い、イメージプロセッシング装置(408)からリアルタイムで溶融プールの高さに対する情報を得て、クラッディング層の高さが目標値に到達するようにクラッディング工程変数をリアルタイムで制御する重要な役割を担っている。また、制御システムはPC-NCに代わって一般のＮＣシステムを適用して構成することもできる。
【００３６】
図５は、遠心型粉末供給ノズル(414)とイメージ撮影装置(407)が構成された領域を拡大して示した概略図であり、より簡潔に示すためにレーザービーム(202)と溶融プール(203)に供給される粉末の流れ(Powder Stream)(204)は省略する。
【００３７】
図２のように、レーザークラッディング工程において、溶融プール(203)は常に金属試片(200)またはレーザービームの移送に関係なくレーザービーム(202)が照射される試片表面(201)の局部的な領域に形成される。したがって、図５のように、イメージ撮影装置(407)をレーザービームの光軸方向(501)と所定の角度(90°−θ°)を成し、イメージ撮影装置(407)の光軸(502)が試片表面(201)においてレーザービームが照射される領域を通過するように設置することにより、金属試片(200)またはレーザービームの移送に係わりなくプールの映像(例えば、高さ変化)を撮影することができる。
【００３８】
図６は、イメージ撮影装置(407)を拡大して示した細部構成図として、ＮＤフィルタ(603)、フィルタ設置用治具(604)、レンズ(602)及び高速のCCDカメラ(601)から成る。
このＮＤフィルタ(603)は、溶融プール(203)から反射され入射する光の量を減衰させ、レーザークラッディング過程において発生するスパッタからレンズを保護するためのもので、レンズ(602)の前方、即ちフィルタ設置用治具(604)の内側に装着される。そして、上記フィルタ設置用治具(604)の外周には溶融プール(203)から放出される輻射熱からのＮＤフィルタ(603)及びレンズ(602)の損傷を防止するために冷却水が供給される冷却ライン(605)が設置されている。
【００３９】
レンズ(602)は溶融プール(203)のイメージをCCDカメラ(601)へ伝達するためのもので、一般のカメラのレンズを適用してもよいが、本発明においては溶融プール(203)の映像に対する歪曲現象を最小化するために固定倍率を有するテレセンリックレンズを適用した。
【００４０】
本発明においてはリアルタイムで溶融プール(203)の映像を得るために、プログレッシブスキャンモード(Progressive Scan Mode)で1秒当り50フレームの映像が得られる高速の白黒CCDカメラ(601)を使用した。このCCDカメラ(601)は溶融プール(203)の映像を毎20msecに一回ずつ得て映像情報をイメージプロセッシング装置(408)へ伝送し、より高速で溶融プール(203)の映像を得るために150frames/sec以上の高速CCDカメラを用いることも好ましい。
【００４１】
イメージ撮影装置(407)は、毎20msecに一回ずつ溶融プール(203)のイメージ情報をイメージプロセッシング装置(408)へ伝送し、イメージプロセッシング技術を利用して溶融プールの物理的位置及び高さを算出し、算出したデータをリアルタイムで制御システム(403)へ再び伝送する。
【００４２】
イメージプロセッシング装置(408)は、映像処理専用ボードであるフレームグラッバ(Frame Grabber)と入出力装置が設置されたパーソナルコンピュータ(PC)とで成り、イメージプロセッシング(溶融プールの高さ計算)のためのソフトウェアはビジュアルC++プログラムを利用してプログラミングした。
【００４３】
上記ソフトウェアがイメージ撮影装置(407)から一個のイメージ情報を得て溶融プールの位置及び高さを演算するには最大５msecがかかり、デジタル信号処理装置(Digital Signal Processor;ＤＳＰ)を有するフレームグラッバを使用する場合には演算処理速度を大きく向上させることができる。また、上記ソフトウェアはイメージ撮影装置(407)から伝送された映像信号をリアルタイムでモニターにディスプレーすることにより、レーザークラッディング(またはレーザー直接金属造型)工程において溶融プールをリアルタイムで観察できるようにした。
このようなイメージプロセッシング方法を利用して溶融プールのイメージから溶融プールの位置及び高さを測定する原理を説明する。
【００４４】
図２と図５によると、レーザークラッディング工程においてはレーザービーム(202)が移動する経路に沿って溶融プール(203)の後方に一定の高さのクラッディング層が形成される。また、レーザービームの照射により試片表面(201)に形成される溶融プール(203)は試片表面(201)から所定角度で傾いている。そして溶融プール(203)の形は集光されたレーザービーム(202)のビームモードと断面形態によって多少差がありえるが、通常のレーザークラッディングにおいては、溶融プール(203)の形状が円形であると仮定できる。
【００４５】
さらに、図７(A)は、レーザークラッディング工程においてレーザービームの光軸方向から観察した溶融プールを示したものである。図５において、イメージ撮影装置(407)は、側面において試片表面(201)からθ°だけ傾いた状態で溶融プール(203)を撮影する。
【００４６】
上記溶融プール(203)がイメージ撮影装置(407)を向かっている場合には、溶融プール(203)は図７の概略図のように、CCDカメラのイメージプレーン(Image Plane)(701)に映像が結ばれ、円形の溶融プール(203)は光経路の差により図７(B)のイメージのように、クラッディング方向及び移送方向と平行な軸(b')がやや短い楕円状にモニタリングされる。
【００４７】
より正確に説明すれば、図８の概略図のように、溶融プール(203)がCCDカメラのビューフィールドプレーン(702)上に位置しないので、実際CCDカメラのイメージプレーン(701)上に結ばれる溶融プールのイメージは、イメージ撮影装置(407)の光軸(502)を基準としてb1´とb2´の長さにやや差が生じる。しかし、この差は大変僅少なのでイメージプロセッシング過程ではこれを無視した。実際、溶融プールの大きさを１mmと仮定すると、本発明に使用したイメージ撮影装置(407)で観察される長さの差(b1´−b2´)は約2μｍ(2/1,000mm)と大変小さい値を有する。
そして、溶融プール(203)のイメージは、試片(またはレーザービーム)の移送方向に応じて相異する形態で観察される。
【００４８】
図９は、試片(またはレーザービーム)移送方向に応じた溶融プールイメージの変化を示したものである。こうした差は、図５のように、イメージ撮影装置(407)が側面の一方向から溶融プール(203)をモニタリングし、試片(またはレーザービーム)の移送方向に応じて溶融プール(203)がイメージ撮影装置(407)に対して対向するからである。さらに、図９(A)は、溶融プール(203)がイメージ撮影装置(407)の光軸(502)に向かう際見られる溶融プールのイメージとして垂直方向へ比較的厚い楕円状にモニタリングされ、図９(B)は、溶融プール(203)がイメージ撮影装置(407)の光軸(502)を背をする場合見られる溶融プールのイメージとして垂直方向に比較的薄い楕円状でモニタリングされる。また、図９(C)と図９(D)は、イメージ撮影装置(407)の光軸(502)に垂直な方向に試片(またはレーザービーム)が移送される際に見られる溶融プールのイメージとして溶融プール(203)は垂直から左側または右側に傾いた比較的薄い楕円状でモニタリングされる。
【００４９】
このように試片(またはレーザービーム)の移送方向に応じて溶融プール(203)のイメージが夫々異なって観察されるのは、既に設置された1個のイメージ撮影装置(407)とは別途に1個以上のイメージ撮影装置をさらに設置することにより解決できるが、溶融プール(203)の高さ測定においては、1個のイメージ撮影装置によってでも満足すべき結果が得られる。
【００５０】
上記溶融プール(203)は、イメージ撮影装置(407)を通して図９に示したように、所定の領域を有するイメージでモニタリングされる。こうしたイメージ情報を以ってイメージプロセッシング方法を利用し溶融プールの高さを得るためには、先ず各イメージにおいて溶融プールの高さを代表する画素(Pixel)を決定しなければならない。
【００５１】
本発明においては、イメージ撮影装置(407)から得られたイメージの重心を求め、これに該当する画素、とりわけ画素の横列を溶融プールの高さに決定した。この方法ばかりでなく、溶融プールのイメージを表現する最も長い横列に該当する画素を溶融プールの高さに選択したり、または溶融プールが円形との仮定に基づき、実際溶融プールの円中心点を求め、イメージにおいてこれに該当する画素を決定するなどの様々な方法を利用できる。
【００５２】
図10は、溶融プールの高さの変化に応じて溶融プールのイメージがいかにモニタリングされるかを示す概略図として、溶融プールの高さ変化により溶融プールのイメージはモニタ(またはCCDカメラのイメージプレーン(701))において相異する位置に見られる。
【００５３】
したがって、溶融プールのイメージにおいてある1個の画素に対する実際の物理的な高さ(絶対高さ)と1個の画素あたり実際の高さの変化値とが分かれば、溶融プールのイメージから溶融プールの物理的な高さを演算することができる。本発明においてはクラッディング層の高さを知っている標準試片を利用して上記値を補正し、イメージプロセッシングを担うソフトウェアに別途の補正用モジュールをプログラミングして使用した。
【００５４】
イメージプロセッシング装置(408)は、上記原理を利用して溶融プールの位置及び高さを演算し、その値をアスキーデータの形でリアルタイムで制御システム(403)へ伝送する。制御システム(403)は、ＣＡＤ/ＣＡＭ装置(409)から受けた断面造型情報とイメージプロセッシング装置(408)からリアルタイムで受けた溶融プールの高さデータとに基づいて、レーザークラッディング過程において二次元断面情報に該当する形態と厚さ(高さ)を有するクラッディング層が形成されるように工程変数をリアルタイムで制御する。
【００５５】
クラッディング層の高さに影響を与える工程変数はレーザー出力、レーザービームの大きさ及びモード、試片(またはレーザービーム)の移送速度(または相互作用時間(Interaction Time))、粉末供給量(Powder Flow Rate)などがあり、この中でもとりわけレーザー出力が最も大きい影響を及ぼす。
【００５６】
レーザークラッディング層の高さ(H)は、図11(A)において、レーザー出力(P)の増加につれて線形的に高くなる比例関係にある。こうした関係を応用すれば、レーザー出力のリアルタイム制御を通してクラッディング層の高さを自在に調節することができる。この際、レーザー出力の制御はＰＩＤ(比例‐積分‐微分)制御(Katsuhiko Ogata、Modern Control Engineering、Prentice-Hall、1990、pp.592-605)、ファジー(Fuzzy)制御(Jeung-nam Byeon、Fuzzy Logic Control、Hongreung Science Publishing Co.、1997)などの様々な制御方式を応用することができるが、本発明においては、図11のように、比較的簡単な方式を採用した。
【００５７】
上記制御方式は、図11(B)において、溶融プールの高さ(H)がクラッディング層の目標値(目標高さ)Htより低いと正常レーザー出力より(P-Pt)だけ大きいレーザー出力が試片に照射されるようにし、それに比して溶融プールの高さ(H)がHtより高いとレーザー出力を正常出力より(P-Pt)だけ小さく照射することにより溶融プールの高さが常にクラッディング層の目標値に到達するようにする制御方法である。
【００５８】
実際のレーザー出力の制御では、図11(C)において、溶融プールの高さを一定の範囲でグループにさせてレーザー出力を制御し、クラッディング層の高さ制御を成功的に果たすことができた。本発明においては、レーザー出力を制御変数として制御したが、粉末供給量と試片(またはレーザービーム)の移送速度など他の工程変数も類似した方式によりリアルタイムで制御することができる。
【００５９】
一般に粉末供給量の増加につれてレーザークラッディング層の高さは増大する。したがって、レーザー出力におけるように、溶融プールの高さがクラッディング層の目標値より小さいと粉末供給量を増加させ、逆に、溶融プールの高さが高いと粉末供給量を減らすか供給を中断することによりレーザークラッディング層の高さ制御が可能である。試片(またはレーザービーム)の移送速度は、レーザー出力または粉末供給量と異なって、試片(またはレーザービーム)の移送速度が増加するにつれてクラッディング層の高さは減少し、移送速度を減らすとクラッディング層の高さが増加する現象がある。
【００６０】
したがって、溶融プールの高さが高ければ試片(またはレーザービーム)の移送速度を上げ形成されるクラッディング層の高さを減らし、逆に、溶融プールの高さが低ければ試片(またはレーザービーム)の移送速度を下げて、クラッディング層の高さが目標値に到達するよう制御することができる。
【００６１】
殆どのレーザーは0V〜10V(または12V)間のアナログ電圧信号を通して制御される。例えば、０Ｖはレーザー出力が0の状態となり、10Ｖのアナログ電圧信号が入力されると最大出力が発振される。そしてレーザーが0V〜10V間のアナログ電圧信号を受けると0から最大出力間でアナログ値に該当するレーザー出力が発振される。殆どのレーザーにおいてはアナログ電圧信号に対する応答速度が約１msec(1/1,000秒)以下で、本発明に使用されたCO2レーザー発生装置(401)の場合には応答速度が約60μsec(60/1,000,000秒)である。
【００６２】
制御システム(403)は−10V〜＋10V間のアナログ電圧信号を16ビットのデジタル信号に処理するように設計し、これは、レーザー発生装置(401)に入力される0Vから10Vのアナログ電圧信号を32,768段階に分けて処理する効果を奏する。
【００６３】
制御システム(403)は、イメージプロセッシング装置(408)から20msecに一回ずつ溶融プールの高さに対するデータを受け、この値をＣＡＤ/ＣＡＭ装置(409)から伝送された造型情報と比較してから溶融プールの高さが目標値に到達するのに必要なレーザー出力値を決定するようになる。こうして決定された値はデジタルデータなので、D/Aコンバータを経てアナログ信号に変換された後レーザー発生装置(401)に入力される。
【００６４】
レーザー発生装置(401)は、入力されたアナログ電圧信号に該当する所定の大きさのレーザー出力を発振するように設計されている。しかし、同一なアナログ電圧信号をレーザー発生装置に入力しても、レーザーガス、冷却程度、レーザー共振機の汚染度、真空度、各種光学部品(例えば、Real MirrorとOutput Coupler)の状態及びレーザー発振機の状態によってレーザー出力が多少変わりもする。
【００６５】
したがって、本発明においてはレーザーの状態と係わらず常に望んだとおりレーザー出力が得られるレーザー出力補正方法を開発及び適用した。この方法はレーザー発生装置(401)と制御システム(403)との間に閉回路を構成し、PID制御方式を利用してレーザークラッディングまたはレーザ直接金属造型工程直前に制御システム(403)が望むレーザー出力を得られるアナログ信号値を予め決定するものである。
【００６６】
補正過程において、望むレーザー出力が目標値となり、予め入力されたＰＩＤ値に応じて0V〜10Vに該当する32,768段階のデジタル値を変化させレーザーからフィードバックするレーザ出力値を目標値に到達させられるデジタル信号値(この値はDAコンバータを通してアナログ信号に変換されレーザー発生装置に入力される)を決定する。レーザークラッディングまたはレーザ直接金属造型に使用するレーザー出力値が10個の場合に夫々のレーザー出力を得られるデジタル信号を上記方法により決定するようになる。
【００６７】
制御システム(403)は常に補正されたアナログ信号値を使用してレーザー出力を制御するので、レーザークラッディングまたはレーザー直接金属造型過程においてレーザーの状態に全く影響を受けなくなる。
【００６８】
次の応用例は本発明の方法及びシステムにより完成したレーザー直接金属造型技術を利用して製作したサンプルに関するものである。
【００６９】
(応用例1)
図12は、本発明の方法及びシステムにより製作した単なる形態の造型物を示した写真である。製作に使用された基板はステンレス鋼(SUS316)で、クラッディング素材は熱間工具鋼のH‐13工具鋼(SKD61)で、主に射出成形金型の素材に用いられる合金である。本発明に提示した方法により、100％の緻密な微細組織が得られ、機械的特性も鍛造材質と類似するか、より優れていた。
【００７０】
(応用例2)
図13は、本発明の方法及びシステムにより製作された携帯電話の金型を示した写真である。応用例2においては、三次元ＣＡＤデータを利用して厚さ250μｍに切断(Slicing)し、これを造型情報に使用した。この際、レーザービームの大きさは0.8mmで、レーザークラッディング速度は0.85m/minである。使用された基板はステンレス鋼(SUS316)で、クラッディング素材はH‐13工具鋼である。そして、金型製作のためのレーザー加工時間は、15時間37分が要された。
【００７１】
(応用例3)
図14は、レーザー直接金属造型技術により製作されたインペラを示した写真である。使用した基板とクラッディング素材は、全てH‐13工具鋼(SKD61)である。そして、他条件は上記応用例2と同一で、レーザー加工時間は12時間8分が要された。
【００７２】
(応用例4)
レーザー直接金属造型技術の最も重要な特徴は、三次元ＣＡＤデータを使用して直に三次元形状を製作できることにある。こうした特性は三次元形状の製品を迅速に製作できるばかりでなく、ＣＡＤデータを修正したりまたは逆工学を利用して従来の製品または金型の再生、リモデリング及び修正が可能になることにある。図15は、自動車用フェンダー金型の一部を切断し、三次元ＣＡＤデータの修正を通してリモデリング作業を行った金型の写真を示す。金型素材はFCD550で、リモデリングに用いられた素材はH-13工具鋼(SKD61)である。リモデリングに要されたレーザー加工時間は1時間43分であった。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
上述したように、本発明は、レーザークラッディング及びレーザー直接金属造型技術において、高速のイメージ撮影とイメージプロセッシングを応用して溶融プールの位置及び高さをリアルタイムで測定し、工程変数を制御することにより形成されるクラッディング層の高さを望んだとおりに調節できる方法とシステムを提供するもので、とりわけレーザー直接金属金型技術を物理的に実現した効果を奏する。
【００７４】
しかも、レーザー直接金属造型技術は、三次元ＣＡＤデータから製品が要する機能性素材を使用して直接三次元形態の製品または製品生産に必要な各種ツールを大変速い時間内に製作できる快速造型技術として、この技術はＣＮＣ及びその他加工機械を利用した切削及び鋳造などのような従来の加工方式とは比較できない程短時間内に機能性金属の試作品、試作及び量産金型、複雑な形状の最終製品及び各種ツールを製作でき、逆工学を利用した金型の回復、リモデリング及び修正にも適用できる効果を奏する。
【００７５】
また、本発明は、レーザー直接金属造型技術ばかりでなく、レーザー表面合金化とレーザークラッディングなどのようなレーザー表面改質技術及び繰り返しレーザークラッディングを通して2mm以上の厚いクラッディング層を形成するレーザークラッディング技術にも適用することができる。
これらの工程において、本発明は均一な厚さのクラッディング層を形成することにより、レーザー加工の精密度を向上させ後加工の費用を節減できる効果を奏する。
【００７６】
こうした本発明のレーザークラッディングと直接金属造型技術において、イメージプロセッシングを利用したクラッディング層の高さのリアルタイムモニタリングと制御のための方法及びそのシステムは上述した応用例にのみ限定されるわけではなく、当業者が容易に変更または置換することができよう。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】図1はMIM(Materials Increase Manufacturing)工程の概念図である。
【図２】図２はレーザークラッディング工程の概念図である。
【図３】図３はレーザー直接金属造型技術の概念図である。
【図４】図４はレーザー直接金属造型システムの概略図である。
【図５】図５は遠心型粉末供給ノズルとイメージ撮影装置が設置された領域を拡大して示したシステム概略図である。
【図６】図６はイメージ撮影装置の構成図である。
【図７】図７は溶融プールのイメージがイメージ撮影装置によりモニタリングされる原理1を示す概略図として、図７(A)はレーザービームの光軸方向から観察される溶融プールの概略図、図７(B)はモニターから観察される溶融プールのイメージである。
【図８】図８は溶融プールのイメージがイメージ撮影装置によりモニタリングされる原理2を示す概略図である。
【図９】図９は試片(またはレーザービーム)の移送方向に応じた溶融プールイメージの変化を示したもので、図９(A)は溶融プールがイメージ撮影装置へ向かう場合、図９(B)は溶融プールがイメージ撮影装置の逆方向へ向かう場合、図９(C)と(D)は試片またはレーザービームがイメージ撮影装置の光軸と垂直な方向へ移動する場合である。
【図１０】図10は溶融プールの高さ変化に応じた溶融プールのイメージ変化を示した概略図である。
【図１１】図11はレーザー出力とクラッディング層の高さとの関係及びレーザー出力方式を図式的に示した概略図である。
【図１２】図12は本発明の方法とシステムにより製作された簡単な携帯の造型物(H‐13工具鋼)である。
【図１３】図13は本発明の方法とシステムにより製作された携帯電話金型の写真(H‐13工具鋼)である。
【図１４】図14は本発明の方法とシステムにより製作されたインペラの写真(H‐13工具鋼)である。
【図１５】図15は本発明の方法とシステムを利用してリモデリングした自動車フェンダー金型の写真である。
【符号の説明】
【００７８】
２００  金属試片
２０１  紙片
２０２  レーザービーム
２０３  溶融プール
４０１  レーザー発生装置
４０２  移送システム
４０３  制御システム
４０５  ビーム伝送装置
４０６  ビーム集光装置
４０７  イメージ撮影装置
４０８  イメージプロセッシング装置
４０９  ＣＡＤ／ＣＡＭ装置
４１４  供給ノズル
【図１】
2005509523.tif 000003
【図２】
2005509523.tif 000004
【図３】
2005509523.tif 000005
【図４】
2005509523.tif 000006
【図５】
2005509523.tif 000007
【図６】
2005509523.tif 000008
【図７】
2005509523.tif 000009
【図８】
2005509523.tif 000010
【図９】
2005509523.tif 000011
【図１０】
2005509523.tif 000012
【図１１】
2005509523.tif 000013
【図１２】
2005509523.tif 000014
【図１３】
2005509523.tif 000015
【図１４】
2005509523.tif 000016
【図１５】
2005509523.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成16年1月19日(2004.1.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザークラッディング及びレーザー直接金属造型技術におけるクラッディング層高さのモニタリング及び制御するための方法において、
レーザークラッディングにより生成される溶融プールを所定の領域を有するイメージに撮影する段階；
前記イメージにおいて溶融プールの高さを代表する画素を決定し前記溶融プールの高さを演算する段階；及び、
予め貯蔵された断面造型情報及び前記演算された溶融プールの高さに基づき二次元断面情報に該当する形態と高さを有するクラッディング層が形成されるようにクラッディング層に影響を与える工程変数を制御する段階、を含むクラッディング層高さのリアルタイムモニタリング及び制御の方法。
【請求項２】
前記工程変数は、レーザー出力、レーザービームの大きさ、及びモードのいずれか１つであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記工程変数は、リアルタイムのクラッディング素材供給量と試片またはレーザービームの移送速度であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記溶融プールの高さを表す画素は、溶融プールイメージの重心であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項５】
前記溶融プールの高さを表す画素は、溶融プールのイメージを表現する最も長い横列に該当する画素を溶融プールの高さに選択するか、または溶融プールが円形ないし楕円形状と仮定して実際に溶融プールの円ないし楕円の中心点を求めて、イメージからこの中心点に対応する画素を決めるいずれかの方法によって決定されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項６】
前記溶融プールのイメージにおいていずれかの画素に対する実際の物理的高さと単位画素あたりの実際の高さ変動値に対する補正によって溶融プールの高さを演算することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
クラッディング層の高さがレーザー出力に線形的に比例する関係を利用して、溶融プール(H)の高さがクラッディング層の目標値(Ht)より低ければ正常出力より(P-Pt)だけ大きいレーザー出力が試片に照射されるようにし、
溶融プールの高さ(H)がクラッディング層の目標値より高ければレーザー出力を正常出力より(P-Pt)だけ小さく照射させることにより、溶融プールの高さが一定にクラッディング層の目標値に到達するようにすることを特徴とする、レーザークラッディングと直接金属造型技術においてイメージ撮影とイメージプロセッシングを利用したクラッディング層高さをリアルタイムでモニタリング及び制御するための方法。
【請求項８】
前記溶融プールの高さが、クラッディング層の目標値に到達するようにPID(比例‐積分‐微分)制御方法またはファジー(Fuzzy)制御方法のいずれかを利用してレーザー出力を制御することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
レーザークラッディング及びレーザー直接金属造型技術において、レーザー発生装置の状態に係わらずレーザー出力を制御するために、レーザーの入力アナログ電圧信号を補正する方法。
【請求項１０】
前記方法を金属製品または金型の再生、リモデリング及び修正に利用することを特徴とする請求項1または請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
レーザークラッディングと直接金属造型技術においてイメージ撮影とイメージプロセッシングを利用したクラッディング層高さのリアルタイムモニタリングと制御のためのシステムであって、
所定のレーザービーム照射により試片表面に溶融プールを形成するレーザー発生装置；
前記レーザー発生装置から発生したレーザービームを伝達するためのビーム伝送装置；
前記ビーム伝送装置から伝達されたレーザービームを集光するためのビーム集光装置；
前記ビーム集光装置から集光されたレーザービームの照射により試片表面に形成された溶融プールにクラッディング素材を供給するためのクラッディング素材供給装置；
z軸方向に前記ビーム集光装置を設置してクラッディング過程においてレーザービームの焦点距離を常に維持し、試片をx‐y軸テーブルに固定してから、レーザービームを中心に工具経路に沿って試片を自在に移送させレーザークラッディングが行われるようにするための移送システム；
三次元CADデータから工具経路と同じ造型情報を形成し制御システムへ伝達するためのCAD/CAM装置；
リアルタイムで溶融プールの映像を得るためのイメージ撮影装置；
撮影を介して得られた溶融プールの映像を用いて溶融プールの高さを表す画素を決定しリアルタイムで溶融プールの位置及び高さを演算するイメージプロセッシング装置；
前記CAD/CAM装置からの断面造型情報と前記イメージプロセッシング装置からの溶融プールの位置及び高さに基づき二次元断面情報に該当する形態と厚さを有するクラッディング層が形成されるようにクラッディング層の高さに影響を与える工程変数をリアルタイムで制御する制御システム；
を含んでいることを特徴とするシステム。
【請求項１２】
レーザークラッディングと直接金属造型技術においてイメージ撮影とイメージプロセッシングを利用したクラッディング層高さのリアルタイムモニタリングと制御のためのシステムであって、
所定のレーザービーム照射により試片表面に溶融プールを形成するレーザー発生装置；
前記レーザー発生装置から発生したレーザービームをビーム集光装置に伝達するためのビーム伝送装置；
前記ビーム伝送装置から伝達されたレーザービームを集光するためのビーム集光装置；
前記ビーム集光装置において集光されたレーザービームの照射により試片表面に形成された溶融プールにクラッディング素材を供給するためのクラッディング素材供給装置；
x‐y軸テーブルに固定された試片を中心にレーザービームを自在に移送させクラッディングが行われうようにするための移送システム；
三次元CADデータから工具経路と同じ造型情報を形成し制御システムに伝達するためのCAD/CAM装置；
リアルタイムで溶融プールの映像を得るためのイメージ撮影装置；
撮影を介して得られた溶融プールの映像を用いて溶融プールの高さを表す画素を決定しリアルタイムで溶融プールの位置及び高さを演算するイメージプロセッシング装置；
前記CAD/CAM装置からの断面造型情報と前記イメージプロセッシング装置からの溶融プールの位置及び高さに基づき二次元断面情報に該当する形態と厚さを有するクラッディング層が形成されるようにクラッディング層の高さに影響を与える工程変数をリアルタイムで制御する制御システム；
を含んでいることを特徴とするシステム。
【請求項１３】
レーザークラッディングと直接金属造型技術においてイメージ撮影とイメージプロセッシングを利用したクラッディング層高さのリアルタイムモニタリングと制御のためのシステムであって、
所定のレーザービーム照射により試片表面に溶融プールを形成するレーザー発生装置；
前記レーザー発生装置から発生したレーザービームをビーム集光装置へ伝達するためのビーム伝送装置；
前記ビーム伝送装置から伝達されたレーザービームを集光するためのビーム集光装置；
前記ビーム集光装置において集光されたレーザービームの照射により試片表面に形成された溶融プールにクラッディング素材を供給するためのクラッディング素材供給装置；
z軸方向に前記ビーム集光装置を設置してクラッディング過程においてレーザービームの焦点距離を常に一定に維持し、試片をx-y軸テーブルに固定してからレーザービームを中心に工具経路に沿ってレーザービームと試片すべてを自在に移送させレーザークラッディングが行われるようにするための移送システム；
三次元CADデータから工具経路と同じ造型情報を形成し制御システムへ伝達するためのCAD/CAM装置；
リアルタイムで溶融プールの映像を得るためのイメージ撮影装置；
撮影を介して得られた溶融プールの映像を用いて溶融プールの高さを表す画素を決定しリアルタイムで溶融プールの位置及び高さを演算するイメージプロセッシング装置；
前記CAD/CAM装置からの断面造型情報と前記イメージプロセッシング装置からの溶融プールの位置及び高さに基づき二次元断面情報に該当する形態と厚さを有するクラッディング層が形成されるようにクラッディング層の高さに影響を与える工程変数をリアルタイムで制御制御システム；
を含んでいることを特徴とするシステム。
【請求項１４】
レーザークラッディングと直接金属造型技術においてイメージ撮影とイメージプロセッシングを利用したクラッディング層高さのリアルタイムモニタリングと制御のためのシステムであって、
所定のレーザービーム照射により試片表面に溶融プールを形成するレーザー発生装置；
前記レーザー発生装置から発生されたレーザービームをビーム集光装置へ伝達するためのビーム伝送装置；
前記ビーム伝送装置から伝達されたレーザービームを集光するためのビーム集光装置；
前記ビーム集光装置から集光されたレーザービームの照射により試片表面に形成された溶融プールにクラッディング素材を供給するためのクラッディング素材供給装置；
クラッディング過程においてレーザークラッディングを行うために加工自由度を高めるための3軸以上の移送系またはロボットを適用した移送システム；
三次元CADデータから工具経路と同じ造型情報を形成し制御システムへ伝達するためのCAD/CAM装置；
リアルタイムで溶融プールの映像を得るためのイメージ撮影装置；
撮影を介して得られた溶融プールの映像を用いて溶融プールの高さを表す画素を決定しリアルタイムで溶融プールの位置及び高さを演算するイメージプロセッシング装置；
前記CAD/CAM装置からの断面造型情報と前記イメージプロセッシング装置からの溶融プールの位置及び高さに基づき二次元断面情報に該当する形態と厚さを有するクラッディング層が形成されるようにクラッディング層の高さに影響を与える工程変数をリアルタイムで制御する制御システム；
を含んでいることを特徴とするシステム。
【請求項１５】
前記ビーム集光装置において集光されたレーザービームの照射により試片表面に形成された溶融プールに供給されるクラッディング素材は、粉末、ワイヤ及びリボンのいずれかの形であることを特徴とする請求項１１、１２，１３、１４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１６】
前記クラッディング素材として粉末を適用する場合に、クラッディング素材供給装置から供給された粉末をレーザービームと同時に試片表面に形成された溶融プールに供給するための粉末供給ノズルがさらに含まれることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記レーザー発生装置に適用されるレーザーは、所定の波長を有する産業用CO2、Nd-YAG、高出力ダイオードレーザーのいずれかであることを特徴とする請求項１１、１２，１３、１４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１８】
前記レーザー発生装置から発生されるレーザーがNd-YAGレーザーである場合には、光ファイバーが使用されることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記イメージ撮影装置は、NDフィルター、フィルター設置用治具、レンズ及びCCDカメラを含むことを特徴とする請求項１１、１２，１３、１４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２０】
前記イメージ撮影装置は、NDフィルター、フィルター設置用治具、レンズ及び溶融プールの映像を高速で得られるIRカメラを含むことを特徴とする請求項１１、１２，１３、１４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２１】
前記イメージ撮影装置は、レーザービームの光軸に設置し、試片表面と所定の角度(90°-θ°)において溶融プールを観察するように構成されることを特徴とする請求項１１、１２，１３、１４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２２】
前記イメージ撮影装置は、試片またはレーザービームの移送方向に沿って溶融プールのイメージが異なって観察される現象を防止するために複数個含んでいることを特徴とする請求項１１、１２，１３、１４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２３】
前記システムを金属製品または金型の再生、リモデリング及び修正に適用することを特徴とする請求項１１、１２，１３、１４のいずれか１項に記載のシステム。
【国際調査報告】
2005509523.tif 000018