(57)【要約】      （修正有）【課題】直接描画プロセスによる製品検査及び検査結果に応じ製造パラメータをリアルタイムで調整して、製品の品質又は特性を向上させるシステム及び方法の提供。【解決手段】材料を先端部から基板上に堆積させるように構成された直接描画装置を、初期パラメータ値に従った操作４０８と、堆積済材料の複数のスペクトル画像を含むハイパースペクトル画像フレームの受信４１２と、堆積済材料の特性を判定するために、受信したハイパースペクトル画像フレームの処理４１４と、判定特性を目標特性と比較することと、判定特性を目標特性に一致させるために、少なくとも１つの修正パラメータ値を求めることと、初期パラメータ値のうちの少なくとも１つを、修正パラメータ値によってアップデートすること４１２と、修正パラメータ値に従って追加材料を基板上に堆積させるために、直接描画装置を操作すること４２４と、を含む方法。【選択図】図４
2018020309.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
製品の一部を形成すべく、材料を先端部から基板上に堆積させるように構成された直接描画装置を、初期パラメータ値に従って操作することと、
堆積済材料の複数のスペクトル画像を含むハイパースペクトル画像フレームを受信することと、前記堆積済材料の特性を判定するために、受信した前記ハイパースペクトル画像フレームを処理することと、
判定された特性である判定特性を、目標特性と比較することと、
前記判定特性を前記目標特性に一致させるために、少なくとも１つの修正パラメータ値を求めることと、前記初期パラメータ値のうちの少なくとも１つを、前記修正パラメータ値によってアップデートすることと、
前記修正パラメータ値に従って追加材料を前記基板上に堆積させるために、前記直接描画装置を操作することと、を含む方法。
【請求項２】
前記直接描画装置は、付加製造装置である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記処理することは、前記スペクトル画像のうちの１つ又は複数に対してエッジ検出及び線分検出を行うことにより、前記堆積済材料の幅及び高さのうちの少なくとも１つを測定することを含み、
前記比較することは、前記測定された幅及び高さのうちの少なくとも１つを、寸法データベースに格納されている所定の幅及び高さのうちの少なくとも１つと比較することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記修正パラメータ値は、追加の堆積済材料の幅及び高さのうちの少なくとも１つを調整するための、前記先端部の高さ、前記先端部からのソース材料の流量、及び、前記先端部の並進速度のうちの少なくとも１つに対応する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記処理することは、前記スペクトル画像のうちの２つ以上を用いて算術演算を行うことにより、堆積済材料の多孔度特性及び表面粗さ特性のうちの少なくとも１つを求めることを含み、
前記比較することは、求めた前記多孔度特性及び表面粗さ特性のうちの少なくとも１つを、多孔度データベース及び表面粗さデータベースのうちの少なくとも１つに格納された多孔度特性及び表面粗さ特性のうちの少なくとも１つと比較することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記算術演算が、互いに異なるスペクトル帯域に関連付けられた複数のスペクトル画像を重ねること、及び、前記互いに異なるスペクトル帯域で撮像された前記２つ以上のスペクトル画像間の差を減じることを含むか、
前記修正パラメータ値が、追加の堆積済材料の表面粗さを調整するための、前記先端部からの追加材料の流量及び前記基板の温度のうちの少なくとも１つに対応するか、
前記修正パラメータ値が、追加の堆積済材料の多孔度を調整するための、前記先端部からの追加材料の流量、空気圧、溶媒含有量、化学物質放出率、プラズモン共鳴、光屈折率、測定可能高さ、機械的応力、及び、表面張力からなる群より選択される１つ又は複数に対応するか、の少なくとも１つである、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記スペクトル画像のうちの１つ又は複数に基づいて堆積済材料の吸光度特性を求めること、
求めた吸光度特性を、吸光度特性データベースに格納されている吸光度特性と比較すること、及び、
堆積済材料の化学組成を特定するために、吸光度特性に基づいた堆積済材料の化学分析を行うこと、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記ハイパースペクトル画像フレームとは異なる時間に撮像された、少なくとも１つの追加ハイパースペクトル画像フレームを受信することをさらに含み、
前記追加ハイパースペクトル画像フレームは、前記異なる時間に撮像された、堆積済材料の複数の追加スペクトル画像を含み、
前記処理することは、前記スペクトル画像と前記追加スペクトル画像とに基づいて、互いに異なる時間における、堆積済材料の複数の吸光度特性を求めることを含み、
前記比較することは、堆積済材料内の溶媒含有量を求めるために、前記吸光度特性の各々を、吸光度データベースに格納されている参照用吸光度特性と比較することを含み、
前記修正パラメータ値は、堆積済材料の乾燥時間を調整するための、基板温度及び前記先端部からの追加材料の流量のうちの少なくとも１つに対応する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
命令を含むメモリと、
前記命令を実行することにより動作を行うように構成されているプロセッサと、を含むシステムであって、
前記動作は、
製品の一部を形成すべく、材料を先端部から基板上に堆積させるように構成された直接描画装置を、初期パラメータ値に従って操作することと、
堆積済材料の複数のスペクトル画像を含むハイパースペクトル画像フレームを受信することと、
前記堆積済材料の特性を判定するために、受信した前記ハイパースペクトル画像フレームを処理することと、
判定された特性である判定特性を、目標特性と比較することと、
前記判定特性を前記目標特性に一致させるために、少なくとも１つの修正パラメータ値を求めることと、
前記初期パラメータ値のうちの少なくとも１つを、前記修正パラメータ値によってアップデートすることと、
前記修正パラメータ値に従って追加材料を前記基板上に堆積させるために、前記直接描画装置を操作することとを含む、システム。
【請求項１０】
前記直接描画装置は、付加製造装置である、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記処理することは、前記スペクトル画像のうちの１つ又は複数に対してエッジ検出及び線分検出を行うことにより、前記堆積済材料の幅及び高さのうちの少なくとも１つを測定することを含み、
前記比較することは、前記測定された幅及び高さのうちの少なくとも１つを、寸法データベースに格納されている所定の幅及び高さのうちの少なくとも１つと比較することを含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記修正パラメータ値は、追加の堆積済材料の幅及び高さのうちの少なくとも１つを調整するための、前記先端部の高さ、前記先端部からのソース材料の流量、及び、前記先端部の並進速度のうちの少なくとも１つに対応する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記処理することは、前記スペクトル画像のうちの２つ以上を用いて算術演算を行うことにより、堆積済材料の多孔度特性及び表面粗さ特性のうちの少なくとも１つを求めることを含み、
前記比較することは、求めた前記多孔度特性及び表面粗さ特性のうちの少なくとも１つを、多孔度データベース及び表面粗さデータベースのうちの少なくとも１つに格納された多孔度特性及び表面粗さ特性のうちの少なくとも１つと比較することを含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１４】
前記算術演算が、互いに異なるスペクトル帯域に関連付けられた複数のスペクトル画像を重ねること、及び、前記互いに異なるスペクトル帯域で撮像された前記２つ以上のスペクトル画像間の差を減じることを含むか、
前記修正パラメータ値が、追加の堆積済材料の表面粗さを調整するための、前記先端部からの追加材料の流量及び前記基板の温度のうちの少なくとも１つに対応するか、
前記修正パラメータ値が、追加の堆積済材料の多孔度を調整するための、前記先端部からの追加材料の流量、空気圧、溶媒含有量、化学物質放出率、プラズモン共鳴、光屈折率、測定可能高さ、機械的応力、及び、表面張力からなる群より選択される１つ又は複数に対応するか、の少なくとも１つの構成を備える、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記プロセッサは、
前記スペクトル画像のうちの１つ又は複数に基づいて堆積済材料の吸光度特性を求めること、
求めた吸光度特性を、吸光度特性データベースに格納されている吸光度特性と比較すること、及び、
堆積済材料の化学組成を特定するために、吸光度特性に基づいた堆積済材料の化学分析を行うこと、を含む動作をさらに行うための命令を実行するように構成されている、請求項９に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、概して、直接描画システムに関する。より具体的には、本出願は、直接描画材料のための、リアルタイムの検査及び修正システムならびにその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
直接描画の１つのタイプとして、付加製造がある。付加製造は、３次元（３Ｄ）プリンティングとも称されており、この技術によって、複雑なコンポーネントを低コストで製造することが可能になることが期待されている。しかしながら、３Ｄプリント部品は、粒子汚染、堆積の均一性、多孔度、ボイド欠陥、温度勾配、及び、堆積の際に変化する溶媒含有量に関する問題に悩まされることがしばしばある。
【０００３】
プロセスごとの望ましくない変動を緩和するために、ＨＥＰＡ（High Efficiency Particulate Air）フィルター、温度及び湿度管理、原材料のプリパッケージ、及び、堆積オーブンなど、様々な手段が講じられている。しかしながら、多種多様な付加製造の手法が存在する上に、個々のプロセスにも多くのバリエーションがあるため、オープンループ制御技術を用いて高度に再現可能な微細構造を実現することは、非常に困難である。
【０００４】
また、液体吐出印刷（liquid dispense printing）の新興市場は、従来のプラスチック３Ｄプリンティングほど単純ではない。液体吐出は、電子インク、ガラス、セラミックパウダー、ポリマー複合材料、フォトレジスト、及び、生体媒質を含む様々な材料に使用することができる。このような幅広い材料適合性によって、問題がさらに難しくなっている。簡単に言えば、このようなツールには幅広い試験データが必要であるため、標準的な機械および電気プローブの多くは、検査に使用することが困難である。従って、これ以外の方法で、堆積済材料上で化学的及び空間的データをリアルタイムで測定し、製造ルールを定量化することが必要とされている。
【０００５】
付加製造のための従来の計測プロセス及びこれらの技術を使用する他の環境のための従来の計測プロセスは、製造後に行われるプロセスである。従って、部品又はコンポーネントが形成及び／又は乾燥された後に、製造装置から取り外されて、化学的分光法が行われる。従って、完成前に堆積及び乾燥状況を測定することにより、複雑な化学溶液内の化学添加物によってもたらされる個々の効果及びプロセスの改善を把握することは、困難である。
【発明の概要】
【０００６】
直接描画プロセスによって製造中の製品を検査すること、及び、検査結果に応じて製造パラメータをリアルタイムで調整することにより、製品の品質又は特性を向上させるシステム及び方法が、本明細書において、様々な実施例に従って開示される。いくつかの例において、ハイパースペクトルイメージングによってスペクトル画像を撮像し、これを処理及び分析することによって、調整すべきパラメータを特定する。
【０００７】
一実施例によれば、付加製造プロセス中のリアルタイムの検査及び修正方法が説明されている。当該方法は、製品の一部を形成すべく、材料を先端部から基板上に堆積させるように構成された直接描画装置を、初期パラメータ値に従って操作することと、少なくとも１つのスペクトルにおける空間的に分解された複数の堆積済材料スペクトル画像を含むハイパースペクトル画像フレームを受信することと、前記堆積済材料の特性を判定するために、受信した前記ハイパースペクトル画像フレームを処理することと、判定された特性である判定特性を、目標特性と比較することと、前記判定特性を前記目標特性に一致させるために、少なくとも１つの修正パラメータ値を求めることと、前記初期パラメータ値のうちの少なくとも１つを、前記修正パラメータ値によってアップデートすることと、前記修正パラメータ値に従って追加材料を前記基板上に堆積させるために、前記直接描画装置を操作することと、を含みうる。
【０００８】
別の実施例によれば、システムは、例えば、命令を含むメモリと、前記命令を実行することにより動作を行うように構成されているプロセッサとを含み、当該動作は、製品の一部を形成すべく、材料を先端部から基板上に堆積させるように構成された直接描画装置を、初期パラメータ値に従って操作することと、少なくとも１つのスペクトルにおける空間的に分解された複数の堆積済材料スペクトル画像を含むハイパースペクトル画像フレームを受信することと、前記堆積済材料の特性を判定するために、受信した前記ハイパースペクトル画像フレームを処理することと、判定された特性である判定特性を、目標特性と比較することと、前記判定特性を前記目標特性に一致させるために、少なくとも１つの修正パラメータ値を求めることと、前記初期パラメータ値のうちの少なくとも１つを、前記修正パラメータ値によってアップデートすることと、前記修正パラメータ値に従って追加材料を前記基板上に堆積させるために、前記直接描画装置を操作することと、を含む。
【０００９】
システム及び方法は、スペクトル画像のうちの１つ又は複数に対してエッジ検出及び線分検出を行うことにより、堆積済材料の幅及び高さのうちの少なくとも１つを測定すること、及び、測定された幅及び高さのうちの少なくとも１つを、寸法データベースに格納されている所定の幅及び高さのうちの少なくとも１つと比較することを含みうる。
【００１０】
システム及び方法の修正パラメータ値は、追加の堆積済材料の幅及び高さのうちの少なくとも１つを調整するための、前記先端部の高さ、前記先端部からのソース材料の流量、及び、前記先端部の並進速度のうちの少なくとも１つに対応しうる。
【００１１】
システム及び方法は、前記スペクトル画像のうちの２つ以上を用いて算術演算を行うことにより、少なくとも、堆積済材料の多孔度特性及び表面粗さ特性（９０２）を求めること、及び、多孔度特性及び表面粗さ特性のうちの少なくとも１つを、多孔度データベース及び表面粗さデータベースのうちの少なくとも１つに格納された多孔度特性及び表面粗さ特性のうちの少なくとも１つと比較することを含みうる。
【００１２】
前記算術演算は、互いに異なるスペクトル帯域に関連付けられた複数のスペクトル画像を重ねること、及び、前記互いに異なるスペクトル帯域で撮像された前記２つ以上のスペクトル画像間の差を減じることを含みうる。
【００１３】
システム及び方法の前記修正パラメータ値は、追加の堆積材料の表面粗さを調整するための、前記先端部からの追加材料の流量及び前記基板の温度のうちの少なくとも１つに対応しうる。
【００１４】
システム及び方法は、前記スペクトル画像のうちの１つ又は複数に基づいて堆積済材料の吸光度特性を求めること、求めた吸光度特性を、吸光度特性データベースに格納されている吸光度特性と比較すること、及び、堆積済材料の化学組成を特定するために、吸光度特性に基づいた堆積済材料の化学分析を行うことを含みうる。
【００１５】
システム及び方法は、前記スペクトル画像のうちの１つ又は複数に基づいて堆積済材料の吸光度特性を求めること、求めた吸光度特性を、吸光度特性データベースに格納されている吸光度特性と比較すること、及び、堆積済材料の化学組成を特定するために、吸光度特性に基づいた堆積済材料の化学分析を行うことをさらに含みうる。
【００１６】
システム及び方法は、例えば、前記ハイパースペクトル画像フレームとは異なる時間に撮像された、少なくとも１つの追加ハイパースペクトル画像フレームを受信することをさらに含み、前記追加ハイパースペクトル画像フレームは、前記異なる時間に撮像された、堆積済材料の複数の追加スペクトル画像を含み、前記処理することは、前記スペクトル画像と前記追加スペクトル画像とに基づいて、互いに異なる時間における、堆積済材料の複数の吸光度特性を求めることを含み、前記比較することは、堆積済材料内の溶媒含有量を求めるために、前記吸光度特性の各々を、吸光度データベースに格納されている参照用吸光度特性と比較することを含み、前記修正パラメータ値は、堆積済み材料の乾燥時間を調整するための、基板温度及び前記先端部からの追加材料の流量のうちの少なくとも１つに対応する。
【００１７】
本発明の範囲は、請求の範囲により規定されるものであり、参照によりこのセクションに盛り込まれている。以下に詳細に説明する１つ又は複数の実施例を考慮することにより、当業者は、本発明の実施例をより完全に理解するとともに、付加的な利点を実現することができるであろう。最初に、添付の図面を参照しながら、これらの図面について簡単な説明を行う。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本開示の一実施例による、付加製造システムの概略ブロック図である。
【図２】本開示の一実施例による、例示的な付加製造装置の外観図である。
【図３】本開示の一実施例による、付加製造装置で使用される演算装置のブロック図である。
【図４】本開示の一実施例による、付加製造プロセス及び堆積済材料のリアルタイムの検査に基づいて製造プロセスを調整する方法を示すフローチャートである。
【図５】本開示の一実施例による、堆積済材料の寸法の測定及び修正を行うプロセスを示すフローチャートである。
【図６】本開示の一実施例による、スペクトル画像を用いて、堆積済材料の多孔度及び表面粗さの判定及び調整を行うプロセスを示すフローチャートである。
【図７】本開示の一実施例による、スペクトル画像を用いて、堆積済材料の吸光度特性の判定及び堆積済材料の化合物の特定を行うプロセスを示すフローチャートである。
【図８】本開示の一実施例による、スペクトル画像を用いて、堆積済材料の吸光度特性の判定及び堆積済材料の乾燥時間の調整を行うプロセスを示すフローチャートである。
【図９】本開示の一実施例による、付加製造システムを操作するための例示的なユーザーインターフェイスを示す図である。
【図１０Ａ−１０Ｂ】本開示の実施例による、演算装置による堆積済材料の測定を示す図である。
【００１９】
本開示の実施例及びその利点は、以下の詳細な説明を参照することによって最も理解されるであろう。なお、図面の１つ又は複数に示した同様の要素は、同様の参照数字で示しており、これらの図面における図示は、本開示の実施例を例示することを目的としており、本開示を限定することを目的としたものではない。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本開示の様々な実施例は、直接描画材料（例えば、付加製造における熱溶解積層法（ＦＤＭ：fused deposition modeling）に使用する材料、導電性インク（例えば銀インク）もしくは塗料などの液体吐出印刷に使用する材料、及び／又は、他の様々な直接描画システム及び方法に使用される材料など）の特性又は品質を向上させるためのシステム及び方法を提供する。記載の技術は、様々な直接描画材料を使用するシステムに適用可能であるが、本開示の明細書においては、様々な直接描画材料を、概括的に、堆積材料（又はソース材料）と称する。
【００２１】
付加製造では、堆積材料が、付加製造装置から、基板又は堆積面上に堆積される。ＦＤＭにおいては、堆積材料を三次元的に堆積させることにより、３Ｄ製品又は物品が作製される。本開示の明細書において、「付加製造」とは、限定を意図したものではなく、むしろＦＤＭ製造プロセス及び／又は液体吐出製造プロセスの両方を含む、あらゆる種類の直接描画製造プロセスを指すことを意図している。液体吐出印刷では、導電性インクなどの液体材料を堆積面に二次元的に堆積させることにより、例えば電子回路が製造される。
【００２２】
堆積面に堆積材料を堆積させる際には、製品を所望の態様で造形するために、多数の工学的プロセスの変数又はパラメータが設定される。例えば、ＦＤＭ用のプラスチック堆積材料の場合、堆積前にプラスチックを溶融する吐出ヘッドの温度が、プラスチック材料の融着能力に影響する。また、当該温度は、プラスチック材料の粘度にも影響を与え、粘度は、堆積ヘッドの並進速度と共に、製造される製品の品質に影響を与えうる。これらのパラメータが、他のパラメータと共に、製造プリントプロセスの開始時に、最初の組のパラメータ値として設定される。
【００２３】
例えば、最初の組のパラメータ値は、理論的に最良の結果を求める数学的計算を行うことによって求めた１組の値であってもよいし、以前に製造に用いられた際に最良の結果をもたらした１組の値であってもよい。しかしながら、２つのサイクルが全く同じになることは無いため、最初の組の値によって、幾分許容できる結果が得られるかもしれないが、製造プロセスが終了して完成品となる前に、パラメータを調整してサイクルを改善することによって、堆積材料の特性及び品質を微調整することができる。ただし、パラメータを微調整するためには、堆積材料及び製品のその時点の状態を知る必要がある。すなわち、堆積特性及び品質を向上させるには、どの工学的ルール又はパラメータを調整すべきかを特定するために、堆積済材料のその時点の特性及び品質を把握する必要がある。ここで、特性及び品質とは、粒子汚染、堆積済材料の均一性、多孔度、ボイド欠陥、温度勾配、及び、堆積中に変化する溶媒含有量のことを指す。
【００２４】
本開示で説明する技術は、材料堆積プロセスのリアルタイムのフィードバックを実現する非侵入性のモニタリングシステムを用いて、堆積材料を検査することにより、化学的スペクトル、多孔度、表面粗さ、ボイド含有量、フィルファクタ（fill factor）、及び、物理的形状を判定する方法を提供する。より具体的には、開示の実施例は、ハイパースペクトルカメラを用いてハイパースペクトル画像を得ることによって、堆積済材料（例えば、堆積用先端部によって表面又は基板上に堆積又は吐出された堆積材料）のその時点の堆積状況を調べる。ハイパースペクトルカメラは、単一の画像フレーム内に、広いスペクトル範囲にわたる、たくさんの（例えば数百の）狭い波長帯域のシーンデータ（スペクトル画像）を同時に収集する。次に、カメラによって撮像された画像を合成することによって、その画像シーンの分光マップ及び詳細な表面データの両方が作成される。ハイパースペクトルカメラによる統合された分析機能によれば、電気接触プローブ及び水晶振動子マイクロバランスのような、質量や導電率のみを記録する他の非破壊検査及び評価方法に比べて、顕著な利点が得られる。また、マルチスペクトル画像によれば、狭帯域または単一波長反射率計から取得可能なデータよりも、著しく多くのデータが得られる。
【００２５】
また、記載の技術は、ハイパースペクトル画像から取得可能な分光データと表面マッピングデータの両方を使用することにより、付加製造及びフレキシブル・ハイブリッド・エレクトロニクス用のクローズドループ制御システムを調整するために必要な一組の工学的製造ルール又はパラメータを、適切なものにする。記載の技術は、従来の製造環境でも行われるスクリーン印刷、大面積塗装プロセス、及び、液体浸漬コーティングプロセスにおいても、使用することができる。いくつかの例において、システムは、オペレータが制御を承認することによって「ループを閉じる」ことを必要とするオープンループ制御システムを形成する。他の例において、システムは、ループを閉じて制御を適用するのにオペレータの介入を必要としない、完全なクローズドループである。
【００２６】
図１は、一実施例による、付加製造システム１００の概略ブロック図である。システム１００は、付加製造装置１０４、ハイパースペクトルカメラ１０８、可視スペクトルカメラ１１０、演算装置１０２、及び、堆積面を含む。可視スペクトルカメラ１１０は、付加製造装置１０４に通常含まれる従来のデジタルカメラであってもよい。可視スペクトルカメラ１１０は、例えば、画像を撮像したり、堆積材料のビデオ画像をオペレータに提供したりすることができるよう、付加製造装置１０４の堆積用先端部付近に取り付けられる。演算装置１０２は、例えば、付加製造装置１０４及び可視スペクトルカメラ１１０に電気的に接続されており、ユーザーインターフェイスを含む。ハイパースペクトルカメラ１０８も、付加製造装置１０４における、付加製造装置１０４の堆積用先端部付近に取り付けられている。演算装置１０２は、付加製造装置１０４及びハイパースペクトルカメラ１０８にも、電気的に接続されている。従って、オペレータは、演算装置１０２を用いて、例えば堆積の開始などの所望の機能を行うように、付加製造装置１０４に命令を与えることができ、また、オペレータは、ハイパースペクトルカメラ１０８及び／又は可視スペクトルカメラ１１０に対して、画像の撮像を開始するよう命令することもできる。このようにして、付加製造装置１０４は、演算装置１０２によって制御されて、堆積用先端部から堆積面に堆積材料を堆積させる製造プロセスを行い、堆積済材料２０８によって製品１０６を作成する。本開示において、製品１０６は、堆積材料を用いて製造された完成品のことを指す。また、堆積済材料２０８とは、まだ製造プロセス中にある、製品１０６の未完成の部分を指す。
【００２７】
ハイパースペクトルカメラ１０８は、タスクに必要とされる物理的サイズ、スペクトル帯域幅及び解像度の要件を満たす、任意の従来のハイパースペクトルカメラであってよい。ハイパースペクトルカメラを選択する際には、様々な要素が考慮される。例えば、市販されているBayspec OCI-UAV-D2000カメラは、物理的サイズは小さいが、４００ｎｍで導電性銀インクの分光分析を行うには、スペクトル分解能が制限されている。Specim V10Hカメラは、所望の帯域幅で動作し、スペクトル分解能が高く、同等のフレームレート（＞７５フレーム／秒）を実現する。Headwall VNIR Micro Hypersec A カメラは、Specim V10Hと同様の性能を有するが、４００〜１０００ｎｍの範囲のすべてのデータのイメージを同時に撮像する。Headwallカメラは、大型であり、液体吐出材料の画像を撮像するのに１フィートの焦点距離を必要としうる。xiSpec MQ０22HG-Sカメラは、これらの中では最も小さく、様々なプラットフォームに最も組み込みやすいが、スペクトル帯域幅が限られており、特性を判定できる材料の種類数が少なくなる。このように、カメラの仕様を考慮して、様々な種類のハイパースペクトルカメラを利用することができる。以下の表１は、カメラ仕様の比較を示している。
【表１】
2018020309.tif 000003
【００２８】
図２は、一実施例による、付加製造システム１００の一例の外観図である。一例であり限定するものではないが、付加製造システム１００に含まれる、図２に示す付加製造装置１０４は、nScrypt 3Dn-300吐出／ＦＤＭ堆積装置である。
【００２９】
より詳細には、付加製造装置１０４は、４個の吐出ヘッド、すなわち第１吐出ヘッド２００、第２吐出ヘッド２０１、第３吐出ヘッド２０２、及び、第４吐出ヘッド２０３を含み、各吐出ヘッドは、対応する堆積用先端部、すなわち第１堆積用先端部２０４、第２堆積用先端部２０５、第３堆積用先端部２０６、及び、第４堆積用先端部２０７を含む。各吐出ヘッドは、それぞれ異なる堆積材料を保持又は収容しうる。例えば、第１吐出ヘッド２００がナイロンを、第２吐出ヘッド２０１がアクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）を、第３吐出ヘッド２０２が導電性インクを、第４吐出ヘッド２０３が液体ポリマー複合材料を保持しうる。用途に応じて、吐出ヘッドのうちのいくつか又はすべてを使用することができる。また、吐出ヘッドは交換可能であり、従って、オペレータが１つの吐出ヘッドを取り外して別の吐出ヘッドと交換することができる。一例において、吐出ヘッドは、電子機器に配置するための互換性のあるピックアンドプレースヘッド（pick-and-place head）である。例えば、吐出液体中の溶媒含有量が、印刷部分の良否の重要な要素となるプロセスでは、１つを室温液体吐出ヘッドとし、１つを加熱液体吐出ヘッドとしてもよい。各吐出ヘッドは、例えば、動作中は低い位置に、使用していない時は上昇位置に配置される。
【００３０】
付加製造装置１０４は、さらに、堆積材料を堆積するための堆積面２０９を含む。堆積面２０９は、付加製造装置１０４の一部であってもよいし、付加製造装置１０４とは別体の部品であってもよい。いくつかの例において、堆積面２０９は、堆積面２０９上に堆積材料２０８が堆積されるとこれを加熱する加熱面を有する。堆積面２０９から堆積済材料２０８を加熱することによって、オペレータは、堆積材料２０８の乾燥時間をさらに制御することができる。また、いくつかの例において、堆積面２０９は、真空面を有する。真空面を利用して、堆積面２０９上に配置された製品を真空吸着させることによって、製品を適所に保持することができる。さらに別の例において、堆積面上に基板を配置し、当該基板上に堆積材料を堆積させることによって、堆積面に堆積材料を直接配置しないようにすることもできる。以下の表２は、付加製造装置１０４の一例における、一組のパラメータ及び工程能力を示している。
【表２】
2018020309.tif 000004
【００３１】
一例によれば、複数のＦＤＭ吐出ヘッドを使用することによって、ＵＬＴＥＭ、レーザーダイレクトストラクチャリング（ＬＤＳ）めっき可能ＡＢＳ、及び、耐衝撃性ポリスチレン（ＨＩＰＳ）を用いて、追加の電子機能用の導電性インク又はポリマー複合材料を加えるために様々な層セグメントで停止しつつ、複雑な３Ｄプリントアセンブリを作製することができる。一方、単一のＦＤＭ吐出ヘッドを使用して、単純な単一材料３Ｄ製品を作製することもできる。また、いくつかの付加製造装置は、セラミック堆積用先端部に汎用のデザインを用いており、ユーザーが、吐出ヘッドごとに、異なる先端部径を指定してこれらを取り付けることができるようになっている。いくつかの例において、グループ内の堆積用先端部は、そのオリフィスのサイズに基づいた同様の動作を行う。しかしながら、２５マイクロメートルの堆積用先端部で導電性インクを堆積させるのに必要なプロセスパラメータは、１２５マイクロメートルの堆積用先端部でプリントするのに必要な描画条件とは大きく異なりうる。本開示に記載の技術は、ハイパースペクトルイメージングを利用して、２つの異なる先端部サイズを用いてプリントする際の、溶媒含有量及び多孔度の違いを定量化することができる。
【００３２】
一実施例によれば、ハイパースペクトルカメラ１０８が、付加製造装置の基部付近の取付けブラケット２１０によって、付加製造装置１０４に取り付けられていてもよく、ハイパースペクトルカメラ１０８は、吐出ヘッドの堆積用先端部の方を向くように傾けられうる。図示の例においては、第３吐出ヘッド２０２が選択されているので、ハイパースペクトルカメラ１０８は、第３堆積用先端部２０６に向けられている。いくつかの例において、取付けブラケット２１０を電動式ブラケットとすることにより、例えば演算装置のユーザーインターフェイスのような遠隔位置から、ハイパースペクトルカメラ１０８の方向を変化させることができる。従って、第２吐出ヘッド２０１が選択されると、電動式取付けブラケット２１０は、ハイパースペクトルカメラ１０８の方向を、自動的に、第２堆積用先端部２０５の方向に調節する。いくつかの例において、可視スペクトルカメラ１１０も、付加製造装置１０４に取り付けられる。可視スペクトルカメラ１１０は、単に堆積プロセスの進行中のビデオ画像を遠隔で提供するためにオペレータが使用する低解像度のカメラであってもよいし、堆積済材料の寸法の測定に使用することができる高解像度のカメラであってもよい。
【００３３】
上述したように、本明細書で提示される様々な技術は、演算装置１０２によって実施することができ、演算装置は、いくつかの例において、１つ又は複数のサブシステム及び関連するモジュールを含む。図３は、一実施例による、図１に示した付加製造装置１０４で使用される演算装置１０２のブロック図である。図３には様々なコンポーネントを示しているが、様々な例において、装置の種類によって、適宜、コンポーネントを追加及び／又は省略することができる。一実施例によれば、演算装置１０２は、ユーザーコントロール３１０、ディスプレイ３１２、プロセッサ３１４、及び、メモリ３００を含む。
【００３４】
ディスプレイ３１２は、例えば、フラットスクリーンディスプレイ又はタッチスクリーンディスプレイである。いくつかの例において、ユーザーコントロール３１０を、ディスプレイ３１２と一体化し、ディスプレイの一部とすることができる。例えば、タッチスクリーンディスプレイが、ユーザーコントロール３１０を含むユーザーインターフェイス９００（図９）を有する構成とすることもでき、この場合は、オペレータがユーザーインターフェイスに指で触れて様々な設定及び／又はパラメータを調整することにより、付加製造装置１０４を制御することができる。別の例において、ユーザーコントロール３１０は、ディスプレイ３１２とは別体のコンポーネントとすることもできる。例えば、演算装置１０２は、複数のボタン、スイッチ、及びダイヤルを有する別体のユーザーコントロール３１０を有していてもよく、ボタンを押すこと、スイッチを切り替えること、及び／又は、ダイヤルを回すことによって、様々な設定及び／又はパラメータを調整することができる。
【００３５】
プロセッサ３１４は、１つ又は複数のマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理デバイス（ＰＬＤ）（例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、ＣＰＬＤ（complex programmable logic device）、ＦＰＳＣ（field programmable systems on a chip）、又は他のタイプのプログラマブルデバイス）、コーデック、及び／又は、他の処理デバイスのうちの１つ又は複数として実施することができる。
【００３６】
いくつかの例において、プロセッサ３１４は、メモリ３００に格納された機械可読命令（例えば、ソフトウェア、ファームウェア、又は他の命令）を実行しうる。この点に関して、プロセッサ３１４は、本明細書に記載の様々な動作、プロセス、及び、技術のうちの任意のものを実行しうる。例えば、いくつかの例において、本明細書に記載の様々なプロセス及びサブシステム（例えば、付加製造装置制御３２１、画像処理３２３）は、プロセッサ３１４が適切な命令を実行することによって、有効に実施される。他の例において、本明細書に記載の様々な技術の任意の所望の組み合わせを実行するために、プロセッサ３１４を専用のハードウェアコンポーネントによって代用及び／又は補足してもよい。
【００３７】
メモリ３００は、様々な機械可読命令及びデータを格納する機械可読媒体として実施することができる。例えば、いくつかの例において、メモリ３００は、本明細書に記載の様々な技術を行うためにプロセッサ３１４によって読み取り及び実行することができる機械可読命令としての、オペレーティングシステム３０２及びアプリケーション３２０を格納している。メモリ３００は、オペレーティングシステム３０２及び／又はアプリケーション３２０によって使用されるデータも、格納しうる。いくつかの例において、メモリ３００は、不揮発性メモリ（例えば、フラッシュメモリ、ハードドライブ、ソリッドステートドライブ、又は、他の非一時的機械可読媒体）、揮発性メモリ、又はこれらの組み合わせとして実施することができる。
【００３８】
アプリケーション３２０は、たとえば、付加製造装置制御３２１アプリケーション、カメラ制御３２２アプリケーション、画像処理３２３アプリケーション、計測３２４アプリケーション、化学分析３２４アプリケーション、及び、溶媒分析３２６アプリケーション等のアプリケーション、ならびに、本明細書において必ずしも説明を要さない他のアプリケーション３２８を含みうる。付加製造装置制御３２１は、ユーザーコントロール３１０においてユーザーからの命令を受信したことを受けて、あるいは、付加製造装置制御３２１アプリケーションによって生成された自動命令を受けて、付加製造装置１０４に命令を与えるように構成することができる。いくつかの例において、初期パラメータ値３０４がメモリ３００に格納されており、付加製造制御３２１が、付加製造装置１０４のパラメータ値を、初期パラメータ値３０４に設定する。付加製造装置制御３２１は、ハイパースペクトルカメラ１０８によって撮像されたハイパースペクトル画像を処理することにより、修正パラメータ値３０５を生成して、付加製造装置１０４のパラメータ値をアップデートする。
【００３９】
ハイパースペクトルカメラ１０８及び可視スペクトルカメラ１１０によって撮像された画像３０６も、メモリ３００に格納されうる。ハイパースペクトルカメラ１０８又は可視スペクトルカメラ１１０のカメラ制御３２２アプリケーションを用いて、例えば、画像撮像の開始／停止、及び、カメラの角度の変更などの様々な命令を、ハイパースペクトルカメラ１０８又は可視スペクトルカメラ１１０に与えることができる。カメラ制御３２２アプリケーションは、カメラが画像を撮像すると、カメラから画像を抽出し、それらをメモリ２００の画像３０６に格納するように構成されうる。画像処理３２３アプリケーションは、ハイパースペクトルカメラ１０８によって撮像された画像を、さらに処理するために使用されうる。画像を、画像３０６から抽出して処理することにより、計測３２４、化学分析３２５、溶媒分析３２６などの１つ又は複数の機能を実行することができ、これにより、堆積済材料又は吐出用先端部の寸法、堆積材料の化学的もしくは材料特定、又は溶媒濃度などのデータを生成して、生成されたデータ３０７をメモリ３００に格納することが可能である。本開示の本実施例の理解には必要でない他のデータ３０８も、メモリ３００内に格納及び／又は当該メモリから抽出されうる。
【００４０】
いくつかの例において、計測３２４を行う際には、堆積済材料又は堆積用先端部の寸法に関連した情報が、メモリ３００内の寸法データベース３３１内に格納及び／又は当該データベースから抽出される。化学分析３２５は、画像処理３２３アプリケーションが処理した、堆積済材料の吸光度特性を比較することによって行うことができる。次に、吸光度特性を、メモリ３００内の吸光度データベース３３４に格納された設定吸光度特性と比較するとよい。この比較に基づいて、化学物質を特定することができる。画像処理３２３アプリケーションを用いて、堆積済材料の多孔度及び表面粗さの判定も行うことができる。多孔度及び表面粗さも、多孔度データベース３３２又は表面粗さデータベース３３３内に格納及び／又は当該データベースから抽出することができる。さらにいくつかの例において、他のデータベース３３６を用いて、本開示にて必ずしも説明を要さないさらなる機能を行うこともできる。このようにして、システム１００は、付加製造装置１０４に対するリアルタイムの修正フィードバックを提供する演算装置１０２を実施しうる。
【００４１】
図４は、付加製造プロセス、及び、堆積済材料のリアルタイムの検査に基づいて、製造プロセスを調整するための例示的な方法を示すフローチャート４００である。一実施例によれば、システム１００は、カメラによって撮像された画像に基づいて、堆積済材料及び堆積用先端部の寸法分析を行う。寸法を正確に測定するために、ブロック４０２において、カメラが較正される。カメラによって寸法測定が行えるようにするために、カメラの較正は、吐出ヘッドの堆積用先端部の幾何学形状を利用して参照情報を規定することによって行われる。いくつかの例において、堆積用先端部は、均一な半径及び先端角度を有する円筒形のロッドを機械加工した、セラミックのノズル先端部によって形成されている。このノズルの最端部が、再び研磨されて２５〜１７５ミクロン分フラットとされ、また、セラミックロッドの内部をレーザーでくり抜くことにより、先端開口が形成されている。較正を行うために、ピクセルを、ノズルの所定角度及び堆積用先端部の基部のサイズと照合させる。いくつかの例において、一定の直径を有する、機械加工された管が、セラミックロッドに代えて、堆積用先端部として使用される。このような場合にも、同様の較正技術を適用することができる。白色光又はレーザー干渉計を用いてサンプルを測定することによって、画像撮像寸法の精度を確認し、画像処理された輪郭測定値を、３Ｄ撮像面の測定値と比較する。
【００４２】
カメラが較正されると、ブロック４０４において、演算装置１０２によって与えられる制御信号によって、付加製造プロセスの初期パラメータ値が、付加製造装置１０４に送られる。すると、付加製造装置１０４の様々な機械パラメータ及び／又は所望材料パラメータが、当該初期パラメータ値４０６に設定される。パラメータの例としては、限定するものではないが、堆積材料の流量、吐出ヘッドの温度、堆積面（又は基板）の温度、基板からの吐出先端部の高さ、吐出先端部の並進速度、空気圧、溶媒含有量、化学物質放出率、プラズモン共鳴、光屈折率、機械的応力、及び、表面張力がある。いくつかの例において、初期パラメータ値は、最後に使用したパラメータ値、又は、同様の用途のために以前に決定したパラメータ値のうちの最良のパラメータ値に基づいて、設定される。他の例において、初期パラメータ値は、オペレータによって、推定値を用いて算出される。
【００４３】
付加製造装置１０４が較正されて、初期パラメータ値が設定されると、ブロック４０８において、演算装置によって付加製造装置１０４が起動され、初期パラメータ値を用いた付加製造プロセスが開始される。このようにして、製造が開始すると、初期パラメータ値によって設定された流量及び温度で、吐出ヘッドから堆積材料が出される。製造時においては、あらゆるプロセス及びシナリオが他とは異なるものであり、いくつかのシナリオは、（例えば、同じ材料を用いて同じ製品を製造する場合）類似しているかもしれないが、材料又は環境に影響を及ぼす様々な要因によって、プロセスごとに僅かな違いが生じうる。例えば、堆積材料に不規則性がある、室内の環境／大気条件が変化する、以前に使用した材料が堆積用先端部にランダムに付着している、堆積面、堆積材料、及び／又は堆積用先端部に微細デブリが存在している、基板のランダム又は材料依存性の不一致によって表面接合エネルギーにばらつきがある、及び／又は、物質の均一性に極微のばらつきがある、といったことが起こりうる。
【００４４】
従って、以前のシナリオでは完璧な値であったパラメータ値でも、理想的な製品を製造するために、調整を必要とする場合がある。パラメータ値を微調整するために、ブロック４１０において、演算装置１０２によって、ハイパースペクトルカメラ１０８又は可視スペクトルカメラ１１０を起動して、堆積材料を堆積させつつ、リアルタイムで堆積材料の画像フレームを撮像する。次に、堆積されたばかりの堆積材料の特性及び／又は品質を判定するために、ブロック４１２において、演算装置１０２によって画像フレームを受信し、ブロック４１４においてこれを処理する。すなわち、製品の残りの部分が堆積される際に堆積材料の特性を継続的に改善するために、カメラは、製品が完全に作製される前に、堆積材料の画像フレームを撮像するように構成されている。
【００４５】
一実施例によれば、さらに加えられた堆積済材料の特性を向上させるために調整すべきパラメータ値を決定するため、ブロック４１４において、撮像された画像を演算装置によって処理する。堆積材料の様々な問題を調べるために、画像に対して様々な種類の処理が行われる。これらの処理は、例えば、使用されている堆積材料及び判定される欠陥の種類によって異なる。より具体的な処理技術については、後に、図５〜図８を参照して詳しく説明する。
【００４６】
パラメータ値を調整すべきこと、及び、これらの値の調整すべき量を、演算装置が決定すると、ブロック４１６において、このような情報が演算装置に表示される。これにより、付加製造装置１０４のオペレータは、（例えばディスプレイの）この情報を見て、推奨されたパラメータ値の修正調整を受け入れるか、却下するか、あるいは、推奨された修正調整に変更を加えるかの決定を行うことができる。ユーザーが、ユーザーコントロール３１０において、パラメータ値に対する修正調整を適用するためのユーザー入力（例えば承認）を与えると、ブロック４１８において、演算装置１０２が当該ユーザー入力（例えば承認）を受信する。演算装置１０２は、ブロック４２０において、演算装置１０２から付加製造装置１０４への制御信号を用いて、付加製造装置１０４に修正パラメータ値を送信し、ブロック４２２において、付加製造装置１０４のパラメータ値をアップデートする。いくつかの例において、演算装置１０２によって決定された修正パラメータ値は、オペレータが修正調整を承認しなくても、制御信号によって自動的に付加製造装置１０４に適用される。このようにして、製造工程を、ユーザーが介入することなく、クローズドループ・フィードバックで、自律的に行うことができる。従って、堆積プロセス中において堆積が進行中である堆積材料の品質及び特性を、リアルタイムで検査することができ、修正動作をリアルタイムで実施することができる。また、ブロック４１０から４２２までを繰り返すことによって、付加製造プロセス全体の間、アップデートされたパラメータを継続的に適用して、記載した検査及び修正技術を継続することができ、ブロック４２４において最も欠陥の少ない製品を製造することができる。本明細書に記載の検査及び修正技術の停止が望まれる場合は、ブロック４２６において、プロセスを終了することができる。
【００４７】
図５は、堆積済材料の寸法を測定及び修正するために、図４のブロック４１４で説明した撮像画像フレームの処理を行うプロセスの一例を示すフローチャートである。図４を参照して上述したように、カメラは、カメラによって撮像された画像を用いて寸法測定が正確に行えるように較正されている。堆積済材料の幾何学的寸法を測定するため、カメラは、ハイパースペクトルカメラ１０８か可視スペクトルカメラ１１０でありうる。ブロック５００において、撮像された画像フレームから所望の画像を選択する。例えば、ハイパースペクトルカメラ１０８によって撮像された画像の場合、各撮像画像フレームが、スペクトル帯域の異なる複数の画像を含んでいる。従って、所望のスペクトルの画像を選択することができる。ブロック５０２において、選択された画像に対して、エッジ検出及び／又は線分検出を行うことにより、堆積済材料の高さ及び幅を測定する。
【００４８】
図１０Ａ〜図１０Ｂは、当業者に既知の技術のうち、特にＯｐｅｎＣＶのようなライブラリを用いたエッジ検出及び線分検出の例示的な手順を示している。例えば、図１０Ａにおいては、堆積用先端部の傾斜部分の線分１０００が検出されており、図１０Ｂにおいては、堆積済材料１００２に対してエッジ検出１００４が行われている。線分及びエッジ検出に基づいて、先端部の半分の角度、先端部のテーパー部の長さ、及び、先端部の押し出し点の外径を求めることができる。先端部の実際の幾何学的寸法は、（例えば、メーカーの仕様あるいは以前の物理的測定によって）既知であり、堆積面からの堆積用先端部の高さ（すなわち、先端部と堆積面の間の距離）も既知であるため、演算装置１０２によって既知の寸法から推定する（extrapolate）ことによって、堆積済材料の幾何学的寸法を求めることができる。図５に戻ると、次に、ブロック５０４において、求めた寸法を、寸法データベース３３１に格納されている所望寸法と比較する。すなわち、所望寸法は、予め決められて、寸法データベース３３１に格納されている。従って、堆積済材料が所望寸法より小さい又は大きい場合、堆積済材料の寸法を修正するために、１つ又は複数のパラメータ値を調整することができる。例えば、堆積済材料の測定寸法が、所望寸法より小さい場合、より多くの堆積材料が基板上に吐出されるように、堆積材料の流量を増やすことができる。これに代えてあるいはこれに加えて、より多くの堆積材料が基板上に堆積されるように、堆積材料を溶融する吐出ヘッド又は堆積用先端部の温度を上げることもできる。このように、堆積済材料の寸法を、この調整によって、所望寸法に近づくように、大きくすることができる。これに対応して、演算装置１０２は、ブロック５０６において修正パラメータを生成することができるように構成されており、当該パラメータを、付加製造装置制御３３１が、制御信号によって、付加製造装置１０４に送信することができる。
【００４９】
図６は、スペクトル画像を用いて堆積済材料の多孔度及び表面粗さを判定及び調整すべく、図４のブロック４１４で説明した撮像画像フレームの処理を行うプロセスの一例を示すフローチャートである。前述したように、ハイパースペクトルカメラ１０８は、複数の（例えば数百の）異なるスペクトル範囲で画像を撮像する。従って、ハイパースペクトルカメラによる１つの撮像画像フレームは、同じ瞬間に異なる波長スペクトルで撮像された同じ場面の画像を、数百含んでいる。一実施例によれば、ブロック６００において、撮像画像フレームから所望のスペクトル画像を選択する。所望のスペクトル画像が選択されると、ブロック６０２において、これらのスペクトル画像同士を比較することにより、異なるスペクトルにおける画像の違いを特定する。すなわち、材料中の欠陥及びボイドを特定するために、異なるスペクトル帯域の画像同士を合成して、多孔度及び二乗平均平方根（ＲＭＳ）表面粗さを判定するための算術演算を行う。すなわち、堆積済材料の欠陥及びボイドを特定するために、例えば、ハイパースペクトルカメラ１０８によって撮像された、堆積済材料の２つ以上の異なるスペクトル帯域の画像を重ね合わせる。
【００５０】
より具体的には、ブロック６０４、６０６、及び６０８に示すように、画像を重ね合わせて、各スペクトル帯域画像から合成データを減じる。次に、各スペクトル帯域画像に重みを適用し、中央値のスペクトル帯域画像から重み付け差分を減じる。次に、多孔度特性及び／又は表面粗さ特性を求める。堆積済材料内の欠陥又はボイドは、単に１つのスペクトルによる画像を検査するだけでは見えないが、本開示で説明した重ね合わせの手法は、多孔度及び／又は表面粗さ特性を調べることによって欠陥又はボイドを特定する方法を提示する。ブロック６１０において、求めた多孔度及び／又は表面粗さを、多孔度データベース３２２及び／又は表面粗さデータベース３３３に格納されている所望の多孔度及び／又は表面粗さと比較する。演算装置１０２は、比較に基づいて、適切な修正手段を決定することができ、ブロック６１２において、さらに加えられた（又は追加の）堆積済材料の特性又は品質を向上させるために、修正パラメータ値を生成することができる。
【００５１】
いくつかの例において、追加の堆積済材料の表面粗さを調整するための修正パラメータ値は、堆積用先端部からの堆積材料の流量及び／又は基板の温度に対応する。
【００５２】
いくつかの例において、堆積済材料の多孔度を調整するための修正パラメータ値は、堆積用先端部からの追加材料の流量、吐出ヘッドに付与される空気圧、溶媒含有量、化学物質放出率、プラズモン共鳴、光屈折率、測定可能高さ、機械的応力、及び／又は堆積済材料の表面張力に対応する。例えば、流量の調整は、堆積済材料が基板上で形を成す速度に影響を与え、これが、ひいては、乾燥する際の材料の密度又は多孔度に影響を与える。
【００５３】
図７は、スペクトル画像を用いて堆積済材料の吸光度特性を求めることによって堆積済材料の化学的組成を特定するために、図４のブロック４１４で説明した撮像画像フレームの処理を行うプロセスの一例を示すフローチャートである。撮像された堆積材料に関する有益な情報を得るために、吸光度データをグラフにプロットすることによって、スペクトル画像から吸光度特性を求めることができる。例えば、スペクトルにわたる吸光度をプロットすることによって、その化学組成のプラズモン共鳴を判定することができる。このために、ブロック７００において、撮像画像フレームから所望のスペクトルの画像を選択する。ブロック７０２において、選択されたスペクトル画像からの情報を処理することによって、堆積済材料の吸光度特性を求める。ブロック７０４において、求めた堆積済材料の吸光度特性を、吸光度特性データベースに格納されている様々な化合物の吸光度特性と比較する。すなわち、様々な既知の化合物の吸光度特性が、吸光度特性データベース３３４に格納されている。従って、堆積済材料の吸光度特性を比較及び照合することによって、ブロック７０６において、堆積済材料の化合物が特定される。より具体的には、プラズモン共鳴波長を、吸光度特性データベース３３４に格納されているプラズモン共鳴波長と照合することによって、吸光度特性が一致する化合物を特定することができる。
【００５４】
図８は、スペクトル画像を用いて堆積済材料の吸光度特性を求めるとともに、堆積済材料の乾燥時間を調節するために、図４のブロック４１４で説明した撮像画像フレームの処理を行うプロセスの一例を示すフローチャートである。
【００５５】
一実施例によれば、堆積済材料（例えば液体インク）の乾燥時間は、堆積済材料内の溶媒濃度を調節することによって制御することができる。さらに、溶媒濃度は、堆積材料の温度及び流量を調節することによって、制御することができる。従って、ハイパースペクトルイメージングによって堆積済材料内の溶媒含有量を把握することにより、パラメータ調整を行って、堆積済材料の乾燥時間を調節することができる。このためには、ブロック８００において、異なる時間に撮像された画像フレームから、所望のスペクトル画像を選択する。次に、ブロック８０２において、選択された画像を処理することにより、堆積済材料の吸光度特性を求める。ブロック８０４において、異なる時間における堆積済材料の吸光度特性を、吸光度特性データベース３３４に格納されている所定の（例えば、参照用溶媒の）吸光度特性と比較することにより、ブロック８０６において、堆積材料中の溶媒含有量が求められる。溶媒含有量が求められると、さらなる処理を行うことによって、所望の乾燥時間が達成されつつあるかどうかを判定することができる。達成されていない場合、ブロック８０８において、必要に応じて、パラメータを調整することによって溶媒含有量を変化させることができ、これによって乾燥時間を変化させることができる。例えば、堆積済材料を急速に乾燥させるためには、堆積面の温度を上げればよい。他の例において、堆積用先端部からの温度あるいは堆積用先端部からの流量を調節することにより、溶媒濃度を変化させてもよい。
【００５６】
図９は、付加製造システム１００を操作するための例示的なユーザーインターフェイス９００を示している。一実施例によれば、ユーザーインターフェイス９００は、タッチスクリーンディスプレイであり、演算装置１０２の一部である、あるいは、当該演算装置とともに機能するように構成されている。ユーザーインターフェイス９００は、オペレータが付加製造プロセスの状態を見ることができるインターフェイスである。例えば、ユーザーインターフェイス９００は、堆積形状の画像９０１、表面粗さ／多孔度の画像９０２、及び、可視吸光度（プロット）９０３を含み、オペレータは、カメラによって撮像された画像、及び、撮像画像に基づいて演算装置１０２によって処理された任意のデータを視覚によって確認することができる。ユーザーインターフェイス９００は、さらに、パラメータのリスト９０６も含んでおり、当該リストは、パラメータごとに、所望のパラメータ値と実際の測定パラメータ値とを表示する。例えば、パラメータの１つに堆積済材料の高さがあり、当該パラメータは、所望高さが４０マイクロメートルであるとして、ユーザーインターフェイス９００に示されている。この例において、測定された実際の高さは２０マイクロメートルであった。従って、演算装置１０２は、推奨される修正動作を生成し、これが、堆積済材料の高さを所望高さに近づけるために、堆積用先端部を高くする及び／又は堆積材料の流量を増やす修正９０７として、ユーザーインターフェイス９００に表示されている。前述したように、次に、オペレータが、推奨された修正動作を受け入れるか、推奨された修正動作を却下するか、推奨された修正動作を変更する。あるいは、推奨された修正動作を自動的に行うようにシステムを構成することもできる。
【００５７】
別の例示的なパラメータとして、堆積済材料の幅が、所望幅より大きいと判定されている。演算装置１０２は、堆積済材料の流量を減らす及び／又は並進速度を上げるという推奨修正動作９０８を生成している。
【００５８】
別の例示的なパラメータとして、ＲＭＳ表面粗さが、所望のＲＭＳ表面粗さより大きいと判定されている。演算装置１０２は、堆積済材料の流量を増やす及び／又は堆積面９０９の温度を下げるという推奨修正動作９０９を生成している。
【００５９】
別の例示的なパラメータとして、堆積済材料の多孔度が、所望の多孔度の値よりも大きいと判定されている。演算装置１０２は、堆積材料の流量を増やす及び／又は空気圧を下げるという推奨修正動作９１０を生成している。
【００６０】
さらに別の例示的なパラメータとして、堆積済材料の吸光度データが、期待値であると判定されている。これにより、演算装置１０２は、９１１に示すように、いかなる推奨修正動作も生成していない。
【００６１】
いくつかの例において、オペレータが、手動で、各パラメータの初期パラメータ値（例えば設計仕様）を入力したり、ボタン９０４を用いてメニューにアクセスすることにより、既存のパラメータ値を変更したりしてもよい。オペレータは、さらに、ボタン９０５を用いてメニューにアクセスすることにより、各所望のパラメータの設計公差を設定することもできる。さらにいくつかの例において、パラメータ値は、測定されたパラメータ値が大幅に外れている場合には、オペレータに警告するために、色を例えば赤に変更するように構成されていてもよい。他の例において、パラメータ値は、測定されたパラメータ値が公差範囲内であることをオペレータに知らせるために緑色としてもよいし、いくつかの例において、測定されたパラメータ値がわずかに外れていることをオペレータに知らせるために黄色としてもよい。
【００６２】
図９に示したユーザーインターフェイスは、単に、付加製造システム１００によって使用することができるユーザーインターフェイスの一例を示すために、提示したものである。この例示的なユーザーインターフェイスは、限定を意図したものではない。これに代わる多くの他の種類又は形態のユーザーインターフェイスが想定される。ユーザーインターフェイスには、物理的なボタン、スイッチ、及びダイヤルを有するものもあれば、完全にタッチスクリーン方式又は音声起動式のものもある。当業者であれば、任意の適切なユーザーインターフェイスがわかるであろう。
【００６３】
本開示によれば、本手法は、乾燥中における、堆積材料の分光学的及び空間的測定を実現する。従って、堆積材料が表面上で乾燥していく過程における、乾燥剤及び化学添加物の効果、ならびに、ウェットプロセス中の接着特性を評価することができる。また、様々な実施例は、堆積済材料の表面粗さ、ボイド含有量、フィルファクタ、及び、物理的形状の同時測定を実現する。従って、堆積済材料（例えば、導電性トレース、３Ｄプリント部品、塗装面、磁気媒体など）の物理的特性と化学的特性の両方を、リアルタイムで評価することができる。従って、製造プロセス制御が改善され、結果的には、液体コーティング、ペイント、インクプロセス、及び熱可塑成形によるウェットプロセスに関連する製造の労力及び再加工を減らすことができる。
【００６４】
さらに、本開示は、以下の付記に基づく実施例を含む。
【００６５】
付記１．  製品（１０６）の一部を形成すべく、材料（２０８）を先端部（２０６）から基板（２０９）上に堆積させるように構成された直接描画装置（１０４）を、初期パラメータ値に従って操作すること（４０８）と、堆積済材料の複数のスペクトル画像を含むハイパースペクトル画像フレーム（３０６）を受信すること（４１２）と、前記堆積済材料の特性を判定するために、受信した前記ハイパースペクトル画像フレームを処理すること（４１４）と、判定された特性である判定特性を、目標特性（３３１、３３２、３３３、３３４）と比較すること（５０６、６１０、７０４、８０４）と、前記判定特性を前記目標特性に一致させるために、少なくとも１つの修正パラメータ値を求めること（５０６、６１２、８０６）と、前記初期パラメータ値のうちの少なくとも１つを、前記修正パラメータ値によってアップデートすること（４１２）と、前記修正パラメータ値に従って追加材料を前記基板上に堆積させるために、前記直接描画装置を操作すること（４２４）と、を含む方法。
【００６６】
付記２．  前記直接描画装置は、付加製造装置（１０４）である、付記１に記載の方法。
【００６７】
付記３．  前記処理することは、前記スペクトル画像のうちの１つ又は複数に対してエッジ検出及び線分検出を行うこと（５０２）により、前記堆積済材料の幅及び高さのうちの少なくとも１つを測定することを含み、前記比較することは、前記測定された幅及び高さのうちの少なくとも１つを、寸法データベース（３３１）に格納されている所定の幅及び高さのうちの少なくとも１つと比較すること（５０４）を含む、付記１に記載の方法。
【００６８】
付記４．  前記修正パラメータ値は、追加の堆積済材料の幅及び高さのうちの少なくとも１つを調整するための、前記先端部の高さ、前記先端部からのソース材料の流量、及び、前記先端部の並進速度（９０７、９０８）のうちの少なくとも１つに対応する、付記３に記載の方法。
【００６９】
付記５．  前記処理することは、前記スペクトル画像（３０６）のうちの２つ以上を用いて算術演算を行うこと（６０２、６０４、６０６、６０８）により、堆積済材料の多孔度特性及び表面粗さ特性（９０２）のうちの少なくとも１つを求めること（６０４、６０６、６０８、９０２）を含み、前記比較することは、求めた前記多孔度特性及び表面粗さ特性のうちの少なくとも１つを、多孔度データベース（３３２）及び表面粗さデータベース（３３３）のうちの少なくとも１つに格納された多孔度特性及び表面粗さ特性のうちの少なくとも１つと比較すること（６１０）を含む、付記１に記載の方法。
【００７０】
付記６．  前記算術演算は、互いに異なるスペクトル帯域に関連付けられた複数のスペクトル画像を重ねること、及び、前記互いに異なるスペクトル帯域で撮像された前記２つ以上のスペクトル画像間の差を減じること（６０４）を含む、付記５に記載の方法。
【００７１】
付記７．  前記修正パラメータ値は、追加の堆積済材料の表面粗さを調整するため（９０９）の、前記先端部からの追加材料の流量及び前記基板の温度のうちの少なくとも１つに対応する、付記５に記載の方法。
【００７２】
付記８．  前記修正パラメータ値は、追加の堆積済材料の多孔度を調整するための、前記先端部からの追加材料の流量、空気圧、溶媒含有量、化学物質放出率、プラズモン共鳴、光屈折率、測定可能高さ、機械的応力、及び、表面張力からなる群より選択される１つ又は複数に対応する、付記５に記載の方法。
【００７３】
付記９．  前記スペクトル画像のうちの１つ又は複数に基づいて堆積済材料の吸光度特性を求めること（７０２、８０２）、求めた吸光度特性を、吸光度特性データベース（３３４）に格納されている吸光度特性と比較すること（７０４、８０４）、及び、堆積済材料の化学組成を特定するために、吸光度特性に基づいた堆積済材料の化学分析を行うこと（７０６）、をさらに含む、付記１に記載の方法。
【００７４】
付記１０．  前記ハイパースペクトル画像フレームとは異なる時間に撮像された、少なくとも１つの追加ハイパースペクトル画像フレームを受信すること（８００）をさらに含み、前記追加ハイパースペクトル画像フレームは、前記異なる時間に撮像された、前記堆積済材料の複数の追加スペクトル画像を含み、前記処理することは、前記スペクトル画像と前記追加スペクトル画像とに基づいて、互いに異なる時間における、前記堆積済材料の複数の吸光度特性を求めること（８０２）を含み、前記比較することは、堆積済材料内の溶媒含有量を求めるために、前記吸光度特性の各々を、吸光度データベースに格納されている参照用吸光度特性と比較すること（８０４）を含み、前記修正パラメータ値は、前記堆積済材料の乾燥時間を調整するための、基板温度及び前記先端部からの追加材料の流量のうちの少なくとも１つに対応する、付記１に記載の方法。
【００７５】
付記１１．  命令を含むメモリ（３００）と、前記命令を実行することにより動作を行うように構成されているプロセッサ（３１４）と、を含むシステム（１００）であって、前記動作は、製品（１０６）の一部を形成すべく、材料（２０８）を先端部（２０６）から基板（２０９）上に堆積させるように構成された直接描画装置（１０４）を、初期パラメータ値に従って操作すること（４０８）と、堆積済材料の複数のスペクトル画像を含むハイパースペクトル画像フレーム（３０６）を受信すること（４１２）と、前記堆積済材料の特性を判定するために、受信した前記ハイパースペクトル画像フレームを処理すること（４１４）と、判定された特性である判定特性を、目標特性（３３１、３３２、３３３、３３４）と比較すること（５０６、６１０、７０４、８０４）と、前記判定特性を前記目標特性に一致させるために、少なくとも１つの修正パラメータ値を求めること（５０６、６１２、８０６）と、前記初期パラメータ値（４１２）のうちの少なくとも１つを、前記修正パラメータ値によってアップデートすること（４１２）と、前記修正パラメータ値に従って追加材料を前記基板上に堆積させるために、前記直接描画装置を操作すること（４２４）とを含む、システム（１００）。
【００７６】
付記１２．  前記直接描画装置は、付加製造装置（１０４）である、付記１１に記載のシステム。
【００７７】
付記１３．  前記処理することは、前記スペクトル画像のうちの１つ又は複数に対してエッジ検出及び線分検出を行うこと（５０２）により、前記堆積済材料の幅及び高さのうちの少なくとも１つを測定することを含み、前記比較することは、前記測定された幅及び高さのうちの少なくとも１つを、寸法データベースに格納されている所定の幅及び高さのうちの少なくとも１つと比較すること（５０４）を含む、付記１１に記載のシステム。
【００７８】
付記１４．  前記修正パラメータ値は、追加の堆積済材料の幅及び高さのうちの少なくとも１つを調整するための、前記先端部の高さ、前記先端部からのソース材料の流量、及び、前記先端部の並進速度（９０７、９０８）のうちの少なくとも１つに対応する、付記１３に記載のシステム。
【００７９】
付記１５．  前記処理することは、前記スペクトル画像（３０６）のうちの２つ以上を用いて算術演算を行うこと（６０２、６０４、６０６、６０８）により、堆積済材料の多孔度特性及び表面粗さ特性（９０２）のうちの少なくとも１つを求めること（６０４、６０６、６０８、９０２）を含み、前記比較することは、求めた前記多孔度特性及び表面粗さ特性のうちの少なくとも１つを、多孔度データベース（３３２）及び表面粗さデータベース（３３３）のうちの少なくとも１つに格納された多孔度特性及び表面粗さ特性のうちの少なくとも１つと比較すること（６１０）を含む、付記１１に記載のシステム。
【００８０】
付記１６．  前記算術演算は、互いに異なるスペクトル帯域に関連付けられた複数のスペクトル画像を重ねること、及び、前記互いに異なるスペクトル帯域で撮像された前記２つ以上のスペクトル画像間の差を減じること（６０４）を含む、付記１５に記載のシステム。
【００８１】
付記１７．  前記修正パラメータ値は、追加の堆積済材料の表面粗さを調整するための、前記先端部からの追加材料の流量及び前記基板の温度（９０９）のうちの少なくとも１つに対応する、付記１５に記載のシステム。
【００８２】
付記１８．  前記修正パラメータ値は、追加の堆積済材料の多孔度を調整するため（９１０）の、前記先端部からの追加材料の流量、空気圧、溶媒含有量、化学物質放出率、プラズモン共鳴、光屈折率、測定可能高さ、機械的応力、及び、表面張力からなる群より選択される１つ又は複数に対応する、付記１５に記載のシステム。
【００８３】
付記１９．  前記プロセッサは、前記スペクトル画像のうちの１つ又は複数に基づいて堆積済材料の吸光度特性を求めること（７０２、８０２）、求めた吸光度特性を、吸光度特性データベース（３３４）に格納されている吸光度特性と比較すること（７０４、８０４）、及び、堆積済材料の化学組成を特定するために、吸光度特性に基づいた堆積済材料の化学分析を行うこと（７０６）、を含む動作をさらに行うための命令を実行するように構成されている、付記１１に記載のシステム。
【００８４】
付記２０．  前記プロセッサは、前記ハイパースペクトル画像フレームとは異なる時間に撮像された、少なくとも１つの追加ハイパースペクトル画像フレームを受信すること（８００）を含む動作をさらに行うための命令を実行するように構成されており、前記追加ハイパースペクトル画像フレームは、前記異なる時間に撮像された、堆積済材料の複数の追加スペクトル画像を含み、前記処理することは、前記スペクトル画像のうちの１つのスペクトル画像と、前記追加スペクトル画像のうちの１つの追加スペクトル画像とに基づいて、互いに異なる時間における、堆積済材料の複数の吸光度特性を求めること（８０２）を含み、前記比較することは、堆積済材料内の溶媒含有量を求めるために、前記吸光度特性の各々を、吸光度データベースに格納されている参照用吸光度特性と比較すること（８０４）を含み、前記修正パラメータ値は、堆積済材料及び溶媒の乾燥時間を調整するための、基板温度及び前記先端部からの追加材料の流量のうちの少なくとも１つに対応する、付記１１に記載のシステム。
【００８５】
本開示においては、実施例を、添付図面を参照して説明している。しかしながら、本発明は、様々な異なる形態で実施することができ、本明細書で例示された実施例のみに限定されるものと解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施例は、本開示が十分且つ完全なものとなるように、そして、本発明の側面及び特徴を、本開示が当業者に十分に伝えることができるように、例として提示されたものである。従って、本発明の側面及び特徴の完全な理解のために、当業者には必要でないプロセス、要素、及び、技術については、記載していない場合もある。別段の記載が無い限り、添付図面及び記載の全体を通して、同様の要素には同様の参照数字を付しており、繰り返し説明はしていない。図面において、要素、層、及び、領域の相対的なサイズを、明確化のために誇張している場合がある。
【００８６】
なお、本明細書において、「第１」「第２」「第３」などの用語を用いて、様々な要素、コンポーネント、領域、層、及び／又はセクションを説明している場合があるが、これらの要素、コンポーネント、領域、層、及び／又はセクションは、これらの用語によって限定されるべきではない。これらの用語は、１つの要素、コンポーネント、領域、層、又はセクションを、別の要素、コンポーネント、領域、層、又はセクションと区別するために使用されている。従って、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、以下に記載の第１の要素、コンポーネント、領域、層、又はセクションを、第２の要素、コンポーネント、領域、層、又はセクションと称することも可能である。
【００８７】
本開示において、要素又は層が、別の要素又は層に対して「上にある」「接続されている」又は「連結されている」場合、直接「上にある」「接続されている」又は「連結されている」場合もあれば、１つ又は複数の介在する要素又は層が存在している場合もある。また、要素又は層が、２つの要素又は層の「間に」あると記載されている場合、それが、これら２つの要素又は層の間の唯一の要素又は層である場合もあれば、１つ又は複数の介在する要素又は層が存在する場合もある。
【００８８】
本明細書で使用されている用語は、特定の実施例を説明するためのものであり、本発明を限定することを意図したものではない。本明細書での使用において、不定あるいは特定の対象を示す単数形の文言は、文脈によって明示的に排除されない限り、複数形の文言も含むことを意図している。また、「具備する」「具備している」「含む」「含んでいる」という用語が本明細書で使われている場合、これらは、記載に係る特徴、部分、工程、動作、要素、及び／又はコンポーネントが存在することを意味するが、他の特徴、部分、工程、動作、要素、コンポーネント、及び／又はそれらのグループが、１つ又は複数存在すること、或いは追加されることを排除するものではない。本明細書において、「及び／又は」という用語は、これに関連する列挙アイテムのうちの１つ又は複数の任意及び全ての組み合わせを含む。「少なくとも１つの」といった表現が要素のリストの前にある場合は、要素のリスト全体を修飾しており、リストの個々の要素を修飾しているわけではない。
【００８９】
本明細書において、「実質的に」、「約」、あるいはこれらと同様の用語は、程度を表す用語ではなく、近似の用語として使用されており、測定値又は算出値における、当業者が認めるであろう固有の誤差を斟酌することが意図されている。また、本発明の実施例の記載における「場合がある」「〜うる」「することができる」「でもよい」などの表現の使用は、これが、本発明の１つ又は複数の例であることを示している。本明細書において、「使用する」「使用している」「使用される」などの用語は、「利用する」「利用している」「利用される」などの用語と同義でありうる。また、「例示的な」という用語は、一例又は例証を指すことを意図している。
【００９０】
場合によっては、本開示によって提示される様々な実施例は、ハードウェア、ソフトウェア、又は、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせによって実施することができる。また、場合によっては、本明細書に記載した様々なハードウェアコンポーネント及び／又はソフトウェアコンポーネントは、本開示の精神から逸脱することなく、これらを組み合わせて、ソフトウェア、ハードウェア、及び／又はこれら両方を含む複合コンポーネントとすることができる。例えば、これらの装置の様々なコンポーネントは、１つの集積回路（ＩＣ）チップ又は個別のＩＣチップ上に形成することができる。また、これらの装置の様々なコンポーネントは、フレキシブルプリント回路フィルム、テープキャリアパッケージ（ＴＣＰ）、プリント回路基板（ＰＣＢ）上に実装してもよいし、１つの基板上に形成してもよい。また、これらの装置の様々なコンポーネントは、本明細書に記載の様々な機能を行うべく、１つ又は複数の演算装置における、１つ又は複数のプロセッサで実行され、コンピュータプログラム命令を実行し、他のシステムコンポーネントを相互作用する、プロセス又はスレッドであってもよい。
【００９１】
コンピュータプログラム命令は、メモリ内に格納され、メモリは、例えばランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの一般的なメモリデバイスを用いて、演算装置内に実装されうる。コンピュータプログラム命令は、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、フラッシュドライブなどの、他の非一時的なコンピュータ可読媒体に格納することもできる。また、当業者であればわかるように、本発明の実施例の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な演算装置の機能を組み合わせる又は統合することによって、単一の演算装置としてもよいし、あるいは、特定の演算装置の機能を、１つ又は複数の他の演算装置に分散させてもよい。
【００９２】
場合によっては、本明細書に記載した様々なハードウェアコンポーネント及び／又はソフトウェアコンポーネントは、本開示の精神から逸脱することなく、ソフトウェア、ハードウェア、又はこれら両方を含むサブコンポーネントに分けることができる。また、場合によっては、ソフトウェアコンポーネントをハードウェアコンポーネントとして実施することも、その逆も可能である。
【００９３】
本開示による、プログラムコード及び／又はデータなどのソフトウェアは、１つ又は複数の非一時的機械可読媒体に格納することができる。本明細書で特定されるソフトウェアを、１つ又は複数の汎用もしくは特定目的のコンピュータ、及び／又は、ネットワーク化された及び／又はその他のコンピュータシステムを使用して実施することも考えられる。場合によっては、本明細書に記載された様々な工程を、順序を変更する、組み合わせて複合工程とする、及び／又は、サブステップに分けることによって、本明細書に記載の特徴を実現することもできる。
【００９４】
上述した例は、本発明を説明するものであって、何ら限定を加えるものではない。また、本発明の原理に従って、多くの改変及び変形が可能であることを理解されたい。従って、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲及びその均等物のみによって、規定される。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【外国語明細書】
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2018020309000002.pdf
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