(57)【要約】【課題】エネルギーの指向性ビームを使用することによって、選択的に、金属粉末を焼結させ、部品を生産または修復するためのシステム方法を提供すること。【解決手段】走査レーザエピタキシは、ベース基板上に置かれた金属粉末の制御された溶融および再固化を通して、規定された微小構造を伴う３次元物体の加工を可能にする、層別の加法的製造プロセスである。ＳＬＥは、例えば、単一結晶タービン翼を修復し、かつ機能傾斜タービン構成要素を製造するために使用されることができる。ＳＬＥプロセスは、等軸の指向性固化されたＳＸ構造を生成可能である。オフラインモデルに基づいたリアルタイムフィードバック制御方式が、規定された無欠陥微小構造を生成し、プロセスの再現性を改善する両方のために使用されることができる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
本明細書に記載の発明。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願への相互参照）
本出願は、米国特許法§１１９（ｅ）の下、２０１２年１１月８日に出願された米国仮出願第６１／７２４，０３５号に対して利益を主張する。上記文献は、以下に説明されるように本明細書において援用される。
【０００２】
（発明の背景）
（１．発明の分野）
本発明の実施形態は、概して、エネルギーの指向性ビームを使用することによって、選択的に、金属粉末を焼結させ、部品を生産または修復するためのシステム方法に関し、具体的には、完全密度金属部品を生産または修復するための選択レーザ焼結（ＳＬＳ）および走査レーザエピタキシ（ＳＬＥ）の使用に関する。
【背景技術】
【０００３】
（２．関連技術の背景）
１９３０代のその誕生以来、ガスタービンエンジンは、現代の航空機の主力原動機へと成長した。過去数年にわたって、航空機推進システムおよびこれらのシステム構成要素を製造する方法に関連する技術に著しい進歩が見られる。技術的進歩は、取得、動作、および保守コストを最小限にすることによる、エンジンの寿命サイクルコストを削減しようとする所望と関連付けられてきた。エンジンの寿命サイクルコストを削減するための多くの方法が存在するが、アプローチの１つは、進歩した材料、革新的構造設計、改良された空気熱力学、改良された計算方法、および進歩した製造技法等の技術的発展を通したものであり得る。
【０００４】
従来の製造技法は、典型的には、部品を製造するコストと、生産される部品の量が連動していた。鋳造および押出成形等の大量生産のために設計される製造技法は、多くの場合、コスト効果的であるが、これらの製造技法は、概して、小量の部品には容認不可能である。部品を生産するための別の従来の製造技法は、粉末を成形するためのツールを要求する、粉末冶金術であって、したがって、多くの場合、粉末冶金プロセスを限定された部品の量を生産するには魅力的ではないものにする。
【０００５】
小量の部品のみが所望される場合、従来の減法的機械加工方法（例えば、ＣＮＣフライス盤）が、多くの場合、部品を生産するために採用される。従来の減法的機械加工方法は、材料の初期ブロックからの材料の一部の除去を利用して、所望の形状を生産する。従来の減法的機械加工方法の実施例として、ブローチ加工、ドリル加工、放電機械加工、炎切断、研削、旋削等が挙げられる。従来の減法的機械加工方法は、通常、所望の構成要素を生産する際、効果的であるが、多数の限界を有する。
【０００６】
加法的性質の他の製造プロセスも存在する。加法的性質として分類されるであろう、プロセスのタイプとして、鍍金、被覆加工、火炎溶射、溶接、積層等が挙げられる。しかしながら、これらのプロセスは、概して、直接機械加工されることができない、構成要素を生産するために、従来の減法的機械加工技法と併用される。
【０００７】
固体自由形状加工（ＳＦＦ）は、製品開発および製造を改革した一連の新興技術である。これらの技術によって共有される共通特徴は、直接、コンピュータ生成モデルから、自由形状の複合幾何学形状構成要素を生産する能力である。ＳＦＦプロセスは、選択される領域内への層毎の材料追加の概念に依拠する。コンピュータ生成モデルは、複製を作製するための基礎としての役割を果たす。モデルは、数学的にスライスされ、次いで、各スライスは、選択材料中に再現され、完成物体を構築する。
【０００８】
ＳＦＦ技術の初期の用途は、高速プロトタイピング（ＲＰ）の分野におけるものであった。ＲＰは、技術者が、わずかな時間で、かつ典型的には、従来のプロトタイピング方法と比較して、半分未満のコストで、プロトタイプを迅速に加工することを可能にする。ＲＰの著しい経済性は、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）を使用した設計と、加工サイクルの両方におけるその高度な自動化によって促進される。製造側では、コンピュータ駆動式ＲＰ機械が、ＣＡＤ固体モデルを入力として受け取り、自動的に、所望の構成要素の物理的実現をもたらすことができる。本強力な組み合わせの全体的利点は、有意に低いコストおよび短い「市場に出るまでの時間」において、最終生産のための設計を「凝固」させる前に、数回の設計およびプロトタイピングサイクルを通して高速反復する能力である。
【０００９】
ほとんどのＲＰ技術は、当初、ポリマー材料のために開発された。これらの技術は、設計者が、設計可視化および検証のための代用材料中においてその設計の固体表現を高速で生成することを可能にした。機能的プロトタイプのさらなる需要が、材料およびプロセスの開発につながり、形状および適合のための限定された試験を受け得る、プロトタイプパターンおよび部品の生産を可能にした。主要な発展が、次に、高速工作として知られるＳＦＦの分野において起こった。本分野の焦点は、射出成形、放電機械加工、およびダイ鋳造を含む、種々の製造技法のためのプロトタイプ工作の高速生産を可能にするためのＳＦＦ技術を開発することであった。本分野における成長は、従来の技法と比較して、ＳＦＦを介した限定行程プロトタイプ工作を行なう経済的利点によって拍車がかけられた。
【００１０】
過去１０年にわたって、ＳＦＦ技術の開発および成長に飛躍が見られる。これらの技術は、大きく、３つの種類、すなわち、転写、間接、および直接ＳＦＦ方法に分類されることができる。転写方法は、パターンまたは犠牲中間物を使用することによって、所望の構成要素を生成する方法である一方、「間接」方法は、完全密度を達成するために、従来の焼結および溶浸等の後処理を受ける、中間密度部品を直接生産する、ＳＦＦ方法である。直接方法は、幾何学形状および特性変換を最小後処理要件を伴う材料に適用することによって、完全高密度または略完全高密度の複合形状の部品を所望の組成物（例えば、金属、セラミック、またはサーメット）中に直接生産する方法である。ＳＦＦによって金属構成要素を作製する状況では、いくつかの「転写」および「間接」方法が、利用可能である。
【００１１】
しかしながら、成分粉末の直接的層毎の圧密を介して、機能的完全高密金属およびサーメット構成要素を生成可能な直接ＳＦＦ技法が、必要とされる。本システムは、高価かつ時間がかかる前処理および後処理ステップを排除すべきである。本システムおよび方法は、ニッケルおよびコバルト系超合金、超合金サーメット、チタン系合金、およびモリブデン等のモノリシック高温金属と併用するために好適であるべきである。本発明の実施形態が、主に対象とするのは、そのようなシステムおよび方法である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（発明の要約）
本発明の実施形態は、既存の部品に修復を行なう、および粉末状材料から部品を生成するための金属の直接レーザ焼結のシステムおよび方法に関する。本システムは、レーザと、粉末状材料の堆積層と、チャンバと、ミラーと、いくつかの実施形態では、真空ポンプとを備えることができる。本システムは、レーザまたは他の集中電源を使用することによって、粉末状金属を精密に溶融し、それを下層に融合させることができる。本システムは、下層材料構造を維持しながら、亀裂を修復することができ、かつ粉末状材料から完全機能部品を生成することができる。
【００１３】
いくつかの実施形態では、走査レーザエピタキシ（ＳＬＥ）が、ベース基板上に置かれた金属粉末の制御された溶融および再固化を通して、規定された微小構造を伴う３次元物体の加工のための層別の加法的製造を提供するために使用されることができる。ＳＬＥプロセスは、例えば、単一結晶（ＳＸ）タービン翼の修復ならびに機能傾斜タービンエンジン構成要素の製造のために使用されることができる。
【００１４】
いくつかの実施形態では、ＳＬＥプロセスは、粉末を基板上に置き、強集束高パワーレーザビームを用いて、それを走査するステップから成る。粉末および下層基板の溶融および再固化は、特定の所望の微小構造が達成され得るように、レーザパワーおよび走査スピードを慎重に調節することによって制御される。ＳＬＥでは、選択レーザ溶融（ＳＬＭ）とは対照的に、下層基板または下層の一部は、例えば、後続層の結晶粒成長のための種結晶として再溶融されることができる。これは、新しい結晶粒境界の生成を伴わずに、既存の部品上への新しい材料の堆積を可能にすることができる。これは、ひいては、以前に達成不可能であった単一結晶および指向的に固化された微小構造を加法的製造において生成することができる。加えて、領域特有微小構造を伴う、完全に圧密された無孔隙の３次元部品が、生成されることができる。
【００１５】
これらの所望の能力を達成するために、例えば、限定ではないが、走査スピードおよびレーザパワー等のレーザパラメータが、リアルタイムで厳密に制御されることができる。これらのパラメータのリアルタイム制御は、システムが、処理の間に存在する温度勾配および冷却率を制御することによって、特定の方向において結晶粒成長を駆動させることを可能にする。本システムはまた、以前の層のメルトバックの量を調整することができる。リアルタイム制御アルゴリズムの使用は、事前に定義された微小構造形態を伴うマクロ構造の生成を可能にする。
【００１６】
本発明の実施形態はまた、前述のレーザおよび製造パラメータを制御するための方法を備えることができる。いくつかの実施形態では、適切な利得を伴うＰＩＤコントローラが、これらのパラメータをリアルタイムで制御するために使用されることができる。他の実施形態では、モデル参照適応制御（ＭＲＡＣ）方式が、使用されることができる。さらに他の実施形態では、ＭＲＡＣの特定の形態、すなわち、「１ステップ先行適応制御方式」（ＯＳＡＡＣ）が、使用されることができる。
【００１７】
本発明の実施形態はまた、構成要素の自由形状加工のためのシステムおよび装置を備えることができる。本システムは、例えば、限定ではないが、航空宇宙超合金を含む、以前は「溶接不可能」であると考えられた材料を含む、種々の材料から構成要素を製造することができる。いくつかの実施形態では、例えば、ガスタービンブレード等の機能構成要素および精緻化された微小構造を伴う冶金鋳造と調和する構造を有する他の構成要素が、生成されることができる。
【００１８】
本発明の実施形態は、ガスタービンエンジンにおいて使用するための構成要素を加工するためのシステムを備えることができる。本システムは、レーザ等の指向性エネルギービームを含み、ほぼ任意の単層または多層３次元金属部品を生産するように適合可能である。換言すると、本方法は、金属粉末の層を部分的圧力雰囲気を伴うチャンバの中に連続して堆積させるステップを含む。いったん粉末の層が堆積されると、走査レーザビームは、選択的に、粉末の層を所望の形状に融合させることができる。本プロセスは、非多孔性または完全高密度部品が、層別に完全に加工されるまで継続することができる。
【００１９】
本発明のこれらならびに他の物体、特徴、および利点は、付随の図面と併せて、以下の明細書を熟読することによって、より明白となるであろう。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
粉末状材料を溶融および再固化することによって構成要素を製造するためのシステムであって、前記システムは、
材料を選択的に溶融するための集中エネルギー源と、
制御システムであって、前記制御システムは、
制御コンピュータと、
制御ソフトウェアと、
フィードバックを前記制御システムに提供する１つ以上のセンサと
を備える、制御システムと
を備え、
前記制御システムは、前記集中エネルギー源の１つ以上のパラメータを制御する、システム。
（項目２）
前記集中エネルギー源は、レーザである、項目１に記載のシステム。
（項目３）
前記材料は、粉末状金属を備える、項目１に記載のシステム。
（項目４）
前記粉末状金属は、ニッケル系超合金である、項目３に記載のシステム。
（項目５）
前記１つ以上のセンサは、赤外線撮像カメラを備える、項目１に記載のシステム。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１ａは、本発明のいくつかの実施形態による、ＳＬＥ修復プロセスの側面図を描写する。図１ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、多層ＳＬＥプロセスの側面図を描写する。図１ｃは、本発明のいくつかの実施形態による、タービンブレード上のＳＬＥ修復プロセスを描写する。
【図２】図２ａは、等軸結晶構造を伴う、タービンブレードを描写する。図２ｂは、柱状結晶構造を伴う、タービンブレードを描写する。図２ｃは、単一結晶構造を伴う、タービンブレードを描写する。
【図３】図３は、ガスタービンエンジンを有する、航空機の斜視図である。
【図４】図４は、ガスタービンエンジンの側面部分切断図である。
【図５】図５は、ガスタービンエンジンのシールシステムの部分斜視図である。
【図６】図６は、本発明のいくつかの実施形態による、研磨材サーメット先端を伴う、図５からのタービンブレードの斜視図である。
【図７】図７は、本発明のいくつかの実施形態による、研磨材サーメット先端を伴う、別のガスタービンブレードの部分分解図である。
【図８】図８は、本発明のいくつかの実施形態による、直接レーザ処理ワークステーションの例証的図である。
【図９】図９は、本発明のいくつかの実施形態による、図８の直接レーザ処理ワークステーションの部分切断図である。
【図１０】図１０は、本発明のいくつかの実施形態による、直接レーザ処理ワークステーション内のレーザビームの方向を制御する、図８の装置の一部の図式的図である。
【図１１】図１１は、本発明のいくつかの実施形態による、図９の一部を備える、粉末部品堆積層内に形成される図７の研磨材サーメットブレード先端の例証的略図である。
【図１２】図１２は、本発明のいくつかの実施形態による、研磨材サーメットブレード先端の処理のためのレーザ走査経路の例証的図である。
【図１３】図１３ａは、本発明のいくつかの実施形態による、直接レーザプロセスにおいて利用される、非溶融材料成分の一部を表す。図１３ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、直接レーザプロセスによって溶融され、固化させられた図１３ａの材料の一部を表す。
【図１４】図１４は、本発明のいくつかの実施形態による、直接レーザプロセスのためのフロー図である。
【図１５】図１５は、本発明のいくつかの実施形態による、ラスタ走査パターンの表現である。
【図１６】図１６は、本発明のいくつかの実施形態による、連続ベクトル走査パターンの表現である。
【図１７】図１７は、本発明のいくつかの実施形態による、アルキメデスの螺旋の表現である。
【図１８】図１８は、本発明のいくつかの実施形態による、修正されたネオイド（ｎｅｏｉｄ）走査パターンの表現である。
【図１９】図１９は、本発明のいくつかの実施形態による、半径方向走査パターンの表現である。
【図２０】図２０は、本発明のいくつかの実施形態による、ラスタ走査複合ステップの表現である。
【図２１】図２１は、本発明のいくつかの実施形態による、３つのステップで表示される、サンプル調製の表現である。
【図２２】図２２ａは、本発明のいくつかの実施形態による、ファイバレーザＳＬＥ機器の表現である。図２２ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、処理チャンバの表現である。
【図２３】図２３は、本発明のいくつかの実施形態による、ＳＬＥプロセスにおいて使用される機器の概要の表現である。
【図２４】図２４は、本発明のいくつかの実施形態による、試験片サンプルが分析のために切断される場所の表現である。
【図２５】図２５は、本発明のいくつかの実施形態による、微小構造特徴認識図の表現である。
【図２６】図２６は、本発明のいくつかの実施形態による、サンプルエッジ近傍のアクティブ輪郭の拡大図の表現である。
【図２７】図２７は、本発明のいくつかの実施形態による、画像がオーバーレイされたサンプルの追跡上部の表現である。
【図２８】図２８は、本発明のいくつかの実施形態による、画像がオーバーレイされたサンプルの追跡底部の表現である。
【図２９】図２９は、本発明のいくつかの実施形態による、単一結晶堆積物中に見られる一次および二次樹枝状晶の表現である。
【図３０】図３０ａは、本発明のいくつかの実施形態による、Ｃａｎｎｙ検出出力の表現である。図３０ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、Ｃａｎｎｙ出力から見出された樹枝状晶のエッジの表現である。
【図３１】図３１は、本発明のいくつかの実施形態による、Ｃａｎｎｙエッジ検出を使用したＣＭＳＸ−４サンプルに対する追跡線の表現である。
【図３２】図３２は、本発明のいくつかの実施形態による、Ｂｒｅｓｅｎｈａｍｓ線アルゴリズムの概要の表現である。
【図３３】図３３は、本発明のいくつかの実施形態による、メルトバック追跡と併用されるために、エッジ検出から生成されたヒートマップの表現である。
【図３４】図３４は、本発明のいくつかの実施形態による、ＣＭＳＸ−４サンプルに対するメルトバック深度の終了時のアクティブ輪郭形成反復の表現である。
【図３５】図３５は、本発明のいくつかの実施形態による、融合の欠如近傍にあるときのメルトバック線の表現である。
【図３６】図３６は、本発明のいくつかの実施形態による、ＣＭＳＸ−４メルトバック線のための最終輪郭の表現である。
【図３７】図３７ａは、本発明のいくつかの実施形態による鮮明化および不鮮明化が完了する前のＣＭＳＸ−４サンプルの表現である。図３７ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、鮮明化および不鮮明化が完了した後のＣＭＳＸ−４サンプルの表現である。
【図３８】図３８は、本発明のいくつかの実施形態による、ＣＭＳＸ−４画像がオーバーレイされた詳細分析を使用して追跡された樹枝状晶の表現である。
【図３９】図３９は、本発明のいくつかの実施形態による、ＣＭＳＸ−４サンプル全体を横断して示される正確な樹枝状晶の表現である。
【図４０】図４０は、本発明のいくつかの実施形態による、ＣＭＳＸ−４上の単一結晶堆積物を追跡するときに見出される最終輪郭の表現である。
【図４１】図４１は、本発明のいくつかの実施形態による、アクティブ輪郭形成を用いて見出されるＳＸ終了点の拡大図の表現である。
【図４２】図４２は、本発明のいくつかの実施形態による、サンプル長に沿って新しく堆積された樹枝状晶の角度の表現である。
【図４３】図４３は、本発明のいくつかの実施形態による、ＣＭＳＸ−４画像上にオーバーレイされた樹枝状晶幅の表現である。
【図４４】図４４は、本発明のいくつかの実施形態による、Ｒｅｎｅ−８０微小構造の初期画像の表現である。
【図４５】図４５は、本発明のいくつかの実施形態による、画素を平均化した後のＲｅｎｅ−８０画像の表現である。
【図４６】図４６は、本発明のいくつかの実施形態による、平均化および二値化閾値後のＲｅｎｅ−８０サンプルの表現である。
【図４７】図４７は、本発明のいくつかの実施形態による、高画素に対して距離が分析されたＲｅｎｅ−８０二値化プロットの表現である。
【図４８】図４８は、本発明のいくつかの実施形態による、Ｒｅｎｅ−８０サンプル全体を横断して追跡されたメルトバック線の表現である。
【図４９】図４９は、本発明のいくつかの実施形態による、Ｒｅｎｅ−８０メルトバック線の拡大図の表現である。
【図５０】図５０は、本発明のいくつかの実施形態による、Ｒｅｎｅ−８０サンプルのメルトバック深度を見出すときにとられるアクティブ輪郭ステップの表現である。
【図５１】図５１は、本発明のいくつかの実施形態による、細孔および亀裂を特定するために使用される二値化閾値後のＲｅｎｅ−８０サンプルの表現である。
【図５２】図５２は、本発明のいくつかの実施形態による、亀裂および細孔に関する設定を単離するために使用される、サンプル形状の表現である。
【図５３】図５３は、本発明のいくつかの実施形態による、それぞれに対して標識化された真円度のレベルを伴う、Ｒｅｎｅ−８０サンプル上で見出された細孔の表現である。
【図５４】図５４は、本発明のいくつかの実施形態による、メルトバック深度に関する２つのＣＭＳＸ−４サンプルの直接比較の表現である。
【図５５】図５５ａ−５５ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、Ｒｅｎｅ−８０サンプルに関する亀裂および細孔デルタプロットの表現である。
【図５６】図５６は、本発明のいくつかの実施形態による、サンプル長を横断する一次樹枝状晶の角度の表現である。
【図５７】図５７は、本発明のいくつかの実施形態による、ＳＬＥを介して生産された微小構造の予測のために本研究と並行して開発された最終目標オフラインモデルの概要の表現である。
【図５８ａ】図５８ａは、本発明のいくつかの実施形態による、ＳＬＥプロセスの制御に関与するハードウェアおよびソフトウェアの図式的概要の表現である。
【図５８ｂ】図５８ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、ＳＬＥプロセスの制御に関与するハードウェアおよびソフトウェアの図式的概要のさらなる詳細表現である。
【図５９】図５９は、本発明のいくつかの実施形態による、不正確な角度からのビューを遮蔽する、溶融プールの中に落下する溶融粉末ボールを伴う、溶融プール伝搬の適切なビューのための要求される赤外線カメラ配向の例証の表現である。
【図６０】図６０（１）−（６）は、本発明のいくつかの実施形態による、Ｃａｎｎｙエッジ検出アルゴリズムの概要の表現である。
【図６１】図６１ａ−ｄは、本発明のいくつかの実施形態による、接続構成要素標識アルゴリズムの概要を表す。
【図６２】図６２は、本発明のいくつかの実施形態による、ＳＴＵＴＳＶＷＳのトレースされた輪郭を図示する、輪郭トレース実施例の表現である。
【図６３】図６３ａおよび６３ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、白色背景上の黒色物体のための時計回り画素検索の例証の表現である。
【図６４】図６４は、本発明のいくつかの実施形態による、白色背景上の黒色物体の同定の表現である。
【図６５】図６５は、本発明のいくつかの実施形態による、接続構成要素標識を介して検出された溶融プールの例証の表現である。
【図６６】図６６ａは、本発明のいくつかの実施形態による、溶融プールの中に平滑に流動する粉末のコントラスト画像の表現である。図６６ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、低レーザパワーによる、溶融正面における粉末の丸まりのコントラスト画像の表現である。
【図６７】図６７は、本発明のいくつかの実施形態による、ＳＬＥプロセスの簡略化された集中容量熱モデルの表現である。
【図６８】図６８ａおよび６８ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、４５０Ｗレーザパワーにおける４５０回の繰り返し走査を伴うＳＬＥプロセスのステップ応答の表現である。
【図６９】図６９は、本発明のいくつかの実施形態による、シミュレーションされた伝達関数出力の比較の表現である。
【図７０】図７０は、本発明のいくつかの実施形態による、ＰＩ制御方式の概要の表現である。
【図７１】図７１は、本発明のいくつかの実施形態による、ＰＩコントローラを伝達関数に適用するステップ応答の表現である。
【図７２】図７２は、本発明のいくつかの実施形態による、ＯＳＡＡＣ方式の概要の表現である。
【図７３】図７３は、本発明のいくつかの実施形態による、システム帯域幅要件を判定するために使用される約５Ｈｚの例示的擬似ランダム二値化信号の表現である。
【図７４】図７４ａは、本発明のいくつかの実施形態による、約５Ｈｚ擬似ランダム信号を用いた可変周波数レーザ画像で実行されたＲｅｎｅ−８０サンプルの画像の表現である。図７４ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、約２０Ｈｚ擬似ランダム信号を用いた可変周波数レーザ画像で実行されたＲｅｎｅ−８０サンプルの画像の表現である。図７４ｃは、本発明のいくつかの実施形態による、約３０Ｈｚ擬似ランダム信号を用いた可変周波数レーザ画像で実行されたＲｅｎｅ−８０サンプルの画像の表現である。
【図７５】図７５ａ−７５ｃは、本発明のいくつかの実施形態に従って実行されたＰＩ試験の表現である。
【図７６】図７６ａ−７６ｃは、本発明のいくつかの実施形態に従って実行された別のＰＩ試験の表現である。
【図７７】図７７は、本発明のいくつかの実施形態による、排煙装置システムの画像である。
【図７８】図７８は、本発明のいくつかの実施形態による、排煙装置システムが定位置にある状態で実行されたサンプルの顕微鏡写真の表現である。
【図７９】図７９ａ−７９ｃは、本発明のいくつかの実施形態による、排煙装置を定位置に伴う開ループ試験に関して測定された温度プロファイルの表現である。
【図８０】図８０は、本発明のいくつかの実施形態による、有意なシステム励起下におけるパラメータ適応を示す、プロットの表現である。
【図８１】図８１は、本発明のいくつかの実施形態による、１５７５℃の一定基準温度で実行されたサンプルの顕微鏡写真の表現である。
【図８２】図８２ａ−８２ｅは、本発明のいくつかの実施形態による、２．１５℃の平均誤差を伴う、一定１５７５°Ｃ基準温度を用いた試験に関して測定された温度プロファイルの表現である。
【図８３】図８３は、本発明のいくつかの実施形態による、１６５０℃の一定基準温度で実行されたサンプルの顕微鏡写真の表現である。
【図８４】図８４ａ−８４ｅは、本発明のいくつかの実施形態による、５．８０℃の平均誤差を伴う、一定１６５０°Ｃ基準温度を用いた試験に関して測定された温度プロファイルの表現である。
【図８５】図８５ａ−８５ｅは、本発明のいくつかの実施形態による、８．７３℃の平均誤差を伴う、１６５０℃から１５００℃への基準温度の逓減を伴う試験に関して測定された温度プロファイルの表現である。
【図８６】図８６は、本発明のいくつかの実施形態による、後半に１６００から１７００℃の基準温度の逓増を伴って実行されたサンプルの顕微鏡写真の表現である。
【図８７】図８７ａ−８７ｅは、本発明のいくつかの実施形態による、−１６．６６℃の平均誤差を有する、１６００℃から１７００℃への基準温度の逓増を伴う試験に関して測定された温度プロファイルの表現である。
【図８８】図８８は、本発明のいくつかの実施形態による、新しい合金または幾何学形状上でＳＬＥを利用するためのプロセスパラメータ開発のフロー図概要の表現である。
【図８９】図８９は、本発明のいくつかの実施形態による、走査レーザエピタキシ問題の２次元表現である。
【図９０】図９０ａは、本発明のいくつかの実施形態による、解析シミュレーションの表現である。図９０ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、ＣＯＭＳＯＬシミュレーションの表現である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（詳細な説明）
本発明の実施形態は、概して、加法的製造および修復技法に関し、より具体的には、選択レーザ焼結（ＳＬＳ）および走査レーザエピタキシ（ＳＬＥ）を使用することによって、部品を生成および修復するためのシステムおよび方法に関する。本システムは、高パワー式レーザと、高度に正確な制御システムと、定位置で溶融および固化されることができる、粉末状材料の堆積層とを備えることができる。本システムは、例えば、使用の間、亀裂、侵食、または損傷した部品を修復するために使用されることができる。本システムはまた、粉末状未加工材料から部品全体を生成するために使用されることができる。本システムはまた、材料が溶融および再固化された粉末状材料の形態で添加される、固体部分部品から部品全体を生成するために使用されることができる。
【００２２】
説明を簡略化かつ明確化するために、本システムは、ジェットタービンエンジンのためのタービンブレードを生成および修復するためのシステムとして以下に説明される。しかしながら、当業者は、本発明がそのように限定されないことを認識するであろう。本システムは、溶融および再固化されることができる材料から製造される種々の部品を修復するために使用されることができる。本システムはまた、これらの材料から部品を製造するために使用されることができる。
【００２３】
本発明の種々の要素を構成するように本明細書に後述される材料は、制限ではなく、例証として意図される。本明細書に説明される材料と同一または類似機能を果たすであろう、多くの好適な材料が、本発明の範囲内に包含されることが意図される。本明細書に説明されないそのような他の材料として、限定ではないが、例えば、本発明の開発後に開発される材料が挙げられ得る。種々の図面に列挙される任意の寸法は、例証目的にすぎず、限定として意図されない。他の寸法および割合も、検討され、本発明の範囲内に含まれることが意図される。
【００２４】
前述のように、従来の製造技法に関する問題は、無駄かつ時間がかかることである。ＣＮＣフライス加工等の従来の減法的技法は、正確な機械加工を提供することができるが、機械加工の間の材料の除去のため、高材料コストをもたらす。一方、従来の加法的技法は、完成した製品の品質を低減させる、空隙または他の欠陥を有する、最終製品を生産する傾向にある。加えて、従来の方法は、ニッケル超合金等の進歩した材料に要求される温度および他の環境要因において動作することが不可能である。
【００２５】
一方、本発明の実施形態は、直接ＳＦＦ技法である、直接選択レーザ焼結（直接ＳＬＳ）に関する。直接ＳＬＳは、成分粉末の直接的層毎の圧密を介して、機能的な完全高密度金属およびサーメット構成要素の生産を可能にすることができる、レーザベースの高速製造技術である。直接ＳＬＳでは、高エネルギーレーザビームが、最小または無後処理要件を伴って、直接、金属またはサーメット粉末を高密度（＞８０％）に圧密することができる。「間接ＳＬＳ」と比較して、直接ＳＬＳはまた、無結合剤プロセスである。直接ＳＬＳはまた、「間接ＳＬＳ」におけるように、炉内脱結合および溶浸後処理ステップを伴わない。従来のバルク金属形成プロセス（例えば、鋳造または鍛造）と比較して、直接ＳＬＳは、パターン、ツール、またはダイの使用を要求しない。直接ＳＬＳによって処理される金属粉末は、直接、最終機械加工等の最小後処理を要求し得る、最終製品への形状および特性変換を受ける。
【００２６】
いくつかの処理要件は、金属の直接ＳＬＳとポリマーまたはポリマーコーティングされた粉末のＳＬＳを区別する。重要となる顕著な特性は、金属の直接ＳＬＳに関わる高温の動態である。着目金属を処理するために必要な温度（概して、＞１０００oＣ）では、例
えば、溶融物の反応度は、深刻なプロセス制御問題を呈する。処理雰囲気の制御は、層毎の構築の成功を可能にし、また、安全上の懸念を解決するため、重要である。以下に論じられる、ＳＬＳ／ＨＩＰとして知られるいくつかの実施形態では、ＳＬＳ処理が、ＨＩＰ後処理の間、缶詰形状の完全高密度化を確実にするために、真空下で行なわれることができる。
【００２７】
従来、例えば、限定ではないが、ニッケルおよびコバルトベース超合金、超合金サーメット、チタン系合金、およびモリブデン等のモノリシック高温金属等の高性能材料の直接ＳＬＳでは、いかなる作業も行なわれなかった。これらの材料は、多くの場合、典型的には、高動作温度、高応力、および過酷な酸化または侵食環境を被る、高性能構成要素のために使用される。そのような材料において構成要素を生産するその能力を伴う、直接ＳＬＳは、機能的プロトタイプの小量または「一点もの」の生産運転のために特に有用である。１００個の超合金サーメット製研磨材タービンブレード先端の典型的プロトタイプロットを製造するために、例えば、直接ＳＬＳは、容認可能微小構造および特性を達成し、従来の方法と比べ８０％コストを節約することができる。
【００２８】
本発明の実施形態はまた、ＨＩＰの完全高密度化能力と組み合わせて、ＳＬＳの自由形状成形能力を利用し、複合形状の金属構成要素を高速で生産する、選択レーザ焼結／熱間等方圧加圧（ＳＬＳ／ＨＩＰ）として知られるハイブリッド正味形状製造技法を備えることができる。ＳＬＳ／ＨＩＰは、現在、小量または「一点もの」の高性能構成要素の製造のために、海軍および航空宇宙防衛分野において採用されている、従来の粉末冶金術およびＨＩＰプロセスのための非常に高速、より低コスト、高度に自動化され、かつ柔軟性のある代替である。
【００２９】
本発明の実施形態はまた、走査レーザエピタキシ（ＳＬＥ）を備えることができる。ＳＬＥは、漸増層化システムを使用することによって、３次元ニッケル系超合金構成要素の生成を可能にする、新しい直接デジタル製造（ＤＤＭ）技法である。本システムは、規定された微小構造および他の属性を伴う、機能傾斜材料を生成し、異種多機能構成要素（ＨＭＣ）の形成を可能にすることができる。ＨＭＣは、一般に、タービンエンジンの内側で誘発される、極端な温度および圧力のため、航空宇宙産業用エンジン構成要素において見出される。例えば、タービンブレードは、燃焼器によって生成される高温および高圧力環境からエネルギーを抽出するために使用されるエンジンの重要部品であって、ＳＬＥ技法に関する現在の焦点である。タービンブレードは、概して、高温および圧力において、大きな負荷に耐える能力を呈する材料である、進歩したニッケル系超合金を利用する。ブレードは、気流の取り込みを通して、ブレードの冷却を可能にするための複合幾何学形状と、超合金が、動作の間、持続することができる負荷を増加させる、進歩した微小構造とを含む。ＳＬＥ製造技法は、これらの進歩した合金と協働し、構成要素の形状に適合し、既存の微小構造を修復区分の中に延在させることが可能である。
【００３０】
ＳＬＥはまた、個々の層堆積物の生成を通して、３次元物体を生産することができる。例えば、初期種結晶片または以前に生成された層であることができる、下層基板は、処理される前に、その上に置かれた金属粉末を有する。層毎に、高集束レーザが、以下に見られるように、金属粉末およびその下層基板の一部を溶融および再固化し、任意の下層微小構造が、新しく開発された区画の中に延在されることを可能にするために使用されることができる。
【００３１】
図１ａ−１ｃに示されるように、ＳＬＥプロセスの重要な用途は、航空宇宙産業におけるタービンブレードの生成および修復である。最終ブレードは、その体積全体を通して、単一結晶（ＳＸ）、柱状、および等軸を含む、複数の微小構造を備えることができる。基板のわずかな部分を再溶融することによって、タービンブレードの以前の区分において使用される微小構造が、新しい面積の中に延在されることができる。これは、結晶粒境界を伴わない、新しい材料の生成を可能にするため、単一結晶構成要素にとって特に重要である。本要件は、従来、ＳＸ材料を溶接不可能として分類していた。本プロセスはまた、他の修復技法において生じ得る、熱間割れおよび亀裂等の他の問題を軽減させる。
【００３２】
いくつかの実施形態では、レーザ等のエネルギー源１０５が、金属粉末１１５を溶融し、下層材料１２５と同一の特性を伴う材料１１０の新しい層を形成するために使用されることができる。例えば、タービンブレード１２５の場合、本システムは、例えば、単一結晶構造を維持しながら、層１１０を生産することができる。他の実施形態では、本システムは、レーザ１０５を使用することによって、多層１３５部品を金属粉末１１５から生成するために使用されることができる。いずれの場合も、溶融プール１２０が、所望の特性（例えば、単一結晶）を伴う材料を生成するために、厳密に制御されることができる。いくつかの実施形態では、規定された微小構造１３０が、例えば、限定ではないが、等軸、柱状、または単一結晶構造を生産するために制御されることができる。
【００３３】
新しい金属合金のためのＳＬＥの最適化は、その３つの一次設定、すなわち、レーザパワー、レーザ走査スピード、および溶融プールを確立するために、サンプルの初期エッジで行なわれる、繰り返し走査の回数の最適化を要求する。これらの３つの設定は、新しく置かれた材料内に任意の所望の微小構造の結晶種を効果的に生成し、成長させることができる、安定した溶融プールおよび温度勾配の確立を可能にする。完璧な微小構造制御につながる３つの研究分野は、プロセスモデル化、部品の生成の適切な制御、および生成された構成要素の特性評価である。
【００３４】
システムのモデルを生成することによって、例えば、部品のための理想的設定を見つけるために必要とされる実験実行回数が、減少される。これは、ひいては、材料コストを削減する一方、効率を改善する。部品を生成するとき、進歩した制御システムの使用は、各層における正確な熱分布を可能にする一方、また、プロセスに、オンザフライ修復を行い、サンプルを規定されたパラメータ内に保つ能力を与える。各製造される部品の微小構造は、次いで、分析され、特定の実行時間設定において生じるものを判定し、最終製品のための設定を改善することができる。
【００３５】
本発明の実施形態は、ＳＬＥ技法を通して生産されたサンプル内で見出された種々の特徴を追跡するプログラムと、ＳＬＥ設定が微小構造にどのように影響を及ぼすかのさらなる洞察を提供するための実験計画（ＤＯＥ）プログラムの使用によって、微小構造分析を改善することに関する。本システムは、例えば、光学顕微鏡写真を使用することができ、Ｍａｔｌａｂまたは他の好適なソフトウェアの使用を通して、典型的実験用コンピュータを使用することによって、高速で完了されることができる。これは、目視または基本的特徴認識プログラムによって行なわれる、ローエンド微小構造追跡と、ＥＢＳＤ等のより時間およびコストがかかる技法の橋渡しをする、理想的パラメータを同定するための自動化システムの生成を可能にすることができる。本中間範囲微小構造追跡および分析プログラムの使用は、新しい材料、微小構造レイアウト、堆積物高さ、サンプルサイズ等毎に最適設定を見つけるために使用されることができる。本プログラムはまた、ＳＬＥ技法が、鋳造修復のために使用されることを可能にすることができる。
【００３６】
従来のプログラムは、異なる製造技法間を区別するために設計されていない。ＥＢＳＤは、例えば、サンプル全体にわたる結晶配向のより詳細を提供するが、鋳造とレーザ処理領域との間を区別しない。ＳＬＥのためのカスタム微小構造分析プログラムを生成することは、以前は、処理パラメータを選定するときに考慮されなかった特徴の含有を可能にする。本システムはまた、その高速実行のため、全ての有用サンプルの含有を可能にすることができる。本能力はＳＬＥプロセスパラメータ−微小構造関係にさらなる洞察を提供することができる。
【００３７】
前述のように、ＳＬＥの初期用途は、損傷および摩耗タービンブレードを修復することである。数百個のタービンブレードが、単一エンジン内で使用され、その効率に重要である。しかしながら、長期使用後、エンジンの内壁近傍に位置する、タービンブレードのエッジは、劣化し始める。タービン先端上のわずか１ミリメートルの摩耗後でも、エンジンの効率は、現段階では、摩耗区分を越えてタービンブレードの周囲を迂回し得る過剰な空気を原因として、劇的に低下し得る。
【００３８】
通常、摩耗タービンブレードは、修復されないが、代わりに、新しいブレードと交換される。しかしながら、これは、単一ブレードが、コストが数百から数万ドルかかり得るため、エンジンの動作コストに多大な影響を及ぼす。タービンブレードの平均予想寿命サイクルは、約３年または５００万飛行マイルであるが、各ブレードは、早期故障に関して、定期的に点検されなければならない。タービンブレード先端修復は、有望な代替であって、現在の交換プログラムに対する低コスト代替を可能にするように求められている。
【００３９】
いくつかのプロセスが、損傷タービンブレード上で修復作業を行うように開発されているが、全て、有意な問題を有する。選択レーザ溶融（ＳＬＭ）、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）、および形状変形製造（ＳＤＭ）は、その修復作業において、類似欠点を有する傾向にある。過剰なメルトバック深度および反りは、層の剥離およびサンプル中の亀裂につながり得る。例えば、溶融物粘度が、プロセスの間、高すぎる場合、丸まりとして知られる、レーザ相互作用面積における小球体の生成が、生じ得る。サンプルの固化の間、収縮によって生じる歪みが、材料の弾性および塑性変形に対処することができない場合、熱間割れが、生じ得る。
【００４０】
微小構造制御および形成のレベルもまた、競合修復技法にとって問題である。例えば、ニッケル系超合金は、特に、ＳＬＭのようなプロセスでは、製造の間、はぐれ結晶粒形成を非常に受けやすいことが示されている。ＳＬＥプロセスと異なり、前述の製造技法はまた、単一結晶微小構造を延在不可能である。
【００４１】
ＳＬＭ、ＤＭＬＳ、およびＳＤＭにおいて生じる問題は、実質的に、最適化されたパラメータが、特有材料毎に使用されるとき、ＳＬＥプロセスでは、見つかっていない、または著しく減少されている。必要とされる微小構造を部品内に生成しながら、これらの問題特徴を低減させることは、合金毎に最適ＳＬＥ設定を見つけることによって達成されることができる。前述のように、プロセスの間に制御されることができる、３つの重要な変数は、レーザパワー、レーザ走査スピード、および初期繰り返し走査の回数である。
【００４２】
新しい材料毎の最適設定を見つけるために、一連の実験が、行なわれることができる。実験毎に、金属組織学的画像が、いくつかの広範な微小構造特性および問題特徴を評価するために使用されることができる。基本傾向が、最初に、裸眼比較および直感を通して見つけられることができる。パラメータ毎に疑わしい傾向が見つけられ、着目一般面積が単離された後、いくつかのＤＯＥが、最適設定を見つけるために行なわれることができる。前述の単純パラメータ測定を使用して行われるＤＯＥは、品質および再現性をもたらす傾向および最適変数値を見つけることができる。
【００４３】
実験実行毎に高速かつ定期的に生成されることができる、デジタル光学顕微鏡写真を使用することによって、微小構造の完全理解が、見出され、利用されることができる。カスタマイズされた定量的金属組織学的プログラムを使用することによって、全ての必要とされる微小構造詳細が、認識、単離、および記録されることができる。全ての使用可能部品のための本追跡データおよび対応するＳＬＥ設定を使用することによって、統計分析および最適化プロセスの両方が、行なわれることができる。統計アプローチは、傾向および関係が可視化され得るように、サンプル間の容易な比較を可能にすることができる。シーケンシャル分析ＤＯＥプログラムの含有は、コストがかかる材料および処理時間を節約する一方、ＳＬＥパラメータと各測定された応答との間の最適に適合する区分的関係方程式を生成するための関連データを提供することができる。
【００４４】
高性能ジェット航空機およびエネルギー生成システムにおいて見出されるような現在のタービンエンジンの製造業者は、エンジン効率を増加させ、コストを削減しようとしている。タービンエンジンの動作温度の増加は、効率を増加させることができるが、これは、エンジンの内側で使用される材料の特性によって限定される。今日のタービンエンジンの高温構成要素は、１２００℃を上回る温度に達し、使用可能材料を高温でクリープおよび疲労に対する抵抗を呈するものに限定し得る。ニッケル系超合金は、これらの材料のうちの１つであって、高性能ジェット航空機の高温構成要素のために使用される、現在、最も一般的材料である。これらのＮｉ−超合金の優れた特性にもかかわらず、依然として、その性能限界に陥る。
【００４５】
タービン構成要素の強度および耐久性をさらに増加させるために、これらのＮｉ−超合金は、現在、極端な動作条件により耐えることができる、特定の微小構造形態とともに鋳造されることができる。図２ａ−２ｃに示されるように、典型的には、鋳造タービン構成要素に見出される、３つの微小構造形態、すなわち、多結晶または等軸、指向性固化、および単一結晶が存在する。多結晶形態とともに鋳造されたタービン構成要素は、ブレードの縦方向または応力の主軸に横断する、いくつかの結晶粒境界を含有するため、故障を受けやすい傾向にある。一方、指向性固化ブレードは、応力の主軸に垂直な単方向にのみ結晶粒境界を有し、より耐久性のあるブレードをもたらす。最後に、単一結晶または単結晶性構成要素は、結晶粒境界を含有せず、バロンおよび炭素等の合金構成要素を強化する結晶粒境界を要求しないため、最も望ましい。そうでなければ必要となるであろう、これらの構成要素は、合金の融点を低下させ、構成要素の疲労寿命に悪影響を及ぼすため、望ましくない。
【００４６】
進歩した単一結晶微小構造とともに鋳造されるにもかかわらず、タービンブレードは、依然として、部分的に、ブレードとエンジンシュラウドとの間の摩滅から生じるブレード先端における材料損失のため、限定された動作寿命を有する。いったんブレードが、ある量の材料損失、典型的には、８ｃｍの高さのブレード上では、約０．５−１ｍｍを被ると、掻爬および交換されなければならない。これらのブレードのそれぞれの交換は、鋳造ＳＸ構成要素に伴う難点のため、非常に高価となる。したがって、エンジン内で交換され得るように、これらのブレードを修復および再調整可能なプロセスが、非常に望ましい。
【００４７】
現在、これらの合金は、「溶接不可能」または「継合不可能」と見なされるため、指向性固化または単一結晶形態とともに鋳造されたタービンブレードを修復するための効果的方法は、存在しない。レーザ加工正味成形（ＬＥＮＳ）および種々の溶接動作等の多くのプロセスが、試みられたが、これらのプロセスはそれぞれ、亀裂形成またははぐれ結晶粒成長によって妨害されている。
【００４８】
ＬＥＮＳおよびエピタキシャルレーザ金属形成（ＥＬＭＦ）は、タービンブレードのプラットフォーム上に形成される亀裂の修復に適用される、２つの類似被覆プロセスである。これらのプロセスの両方において、高パワーレーザが、試料上に集束され、溶融プールが、形成される。金属粉末が、次いで、レーザの焦点において、溶融プールの中に吹き込まれ、堆積物が、レーザのラスタ走査パターンに従って生成される。本修復の方法は、典型的には、亀裂形成、等軸結晶粒の形成、ならびに樹枝状晶アームが、再溶融のため、その主樹枝状晶から分離されるときに生じる、結晶粒増殖に悩まされている。溶接に基づく修復プロセスもまた、亀裂およびはぐれ結晶粒形成等の類似問題を受けやすい。これらの問題は、走査が生じる動作範囲を拡張することによって、最小限または回避されることができると仮定されている。
【００４９】
対照的に、ＳＬＥプロセスは、レーザが、一式の高速検流計スキャナを使用して走査されることができ、任意の粉末吹込機構に機械的に取着されない、またはそれによって妨害されないため、はるかにより高い走査速度で動作可能である。加えて、ＳＬＥプロセスにおいて事前に置かれた粉末堆積層の使用は、被覆プロセスにおいて使用される粉末吹込機構によって生じるであろう任意の溶融プール擾乱を排除し、不良微小構造形成の別の潜在的原因を除去する。ＳＬＥプロセスはまた、「溶接不可能」および「継合不可能」と以前に考えられたいたいくつかの材料上において、類似プロセスを使用するときに見出される熱間割れおよび溶離亀裂に関する問題を回避することができる。
【００５０】
ＳＬＥプロセスにおいて使用される高分解能走査間隔は、各後続ラスタ走査が、前および次のラスタ走査の両方の一部に重複し、走査動作の間、前熱および後熱処理をもたらすことを可能にすることができる。これは、ひいては、他のプロセスに見られるようないかなる熱間割れも排除することができる。高分解能走査間隔はまた、より微細な結晶粒構造が、大境界面積を暴露し、そうでなければ溶離亀裂を生じさせるであろう、応力を限定する、ＳＬＥを介して作製された堆積物中に発生することを可能にする。ＳＬＥのこれらの特徴は、例えば、限定ではないが、溶離および歪時効亀裂を非常に受けやすく、溶接不可能と以前は見なされていたＲｅｎｅ−８０等の材料と協働することが可能であることが示されている。プロセス中に存在する温度勾配のリアルタイムでのさらなる制御は、ＳＬＥプロセスをさらに改善する役割のみを果たすだけではなく、これらの熱間割れおよび他の亀裂現象の多くを生じさせる、表面張力誘発不安定性を限定することができる。
【００５１】
ＳＬＥプロセスの別の利点は、機能傾斜微小構造を生成するためのその能力である。機能傾斜微小構造を伴うタービン構成要素のためのいくつかの用途が、同定されている。一実施例は、結晶粒サイズを半径方向に増加させる等軸構造を伴う、超合金組成物から作製されたタービンディスクである。ディスクの内側の結晶粒が小さいほど、優れた引っ張り能力をもたらす一方、外側に向かって結晶粒が大きいほど、疲労およびクリープに対する優れた抵抗をもたらす。典型的には、これらのような構成要素は、機能傾斜微小構造を生産するために、多数の長時間の処理ステップおよび冗長な熱処理回数を要求する。対照的に、ＳＬＥは、これらの構成要素の生産を単一処理ステップにおいて可能にする一方、また、層別処理による複合内部特徴を可能にする。
【００５２】
図３および４は、航空機飛行推進エンジン１１を含む、航空機１０を図示する。本明細書では、航空機は、包括的であって、ヘリコプター、戦術戦闘機、練習機、ミサイル、および他の関連装置を含むことを理解されたい。加えて、タービンエンジンの他の用途として、限定ではないが、発電所、船舶、および自動車が挙げられる。
【００５３】
示されるように、飛行推進エンジン１１は、コンプレッサ１２と、燃焼器１３と、パワータービン１４とを含む。当業者は、構成要素がともに連結されることができる多数の方法が存在することを認識するであろう。付加的コンプレッサおよびタービンが、コンプレッサ間に接続された中間冷却器とともに追加されることができ、再熱燃焼チャンバが、タービン間に追加され得る。さらに、ガスタービンエンジンは、産業用途のために使用されるように等しく適合化される。歴史的には、ガスおよび油伝送線、発電、および海軍推進力のためのポンプセット等の産業ガスタービンエンジンの広範囲の用途が存在する。
【００５４】
図５に示されるように、ガスタービンエンジン１１の拡大された部分的に断片化された図が、図示される。ガスタービンエンジン１１は、そこに搭載された複数のタービンブレード１６とともに、ガスタービンエンジン１１内のシャフト（図示せず）に結合される、回転子ディスク１７を有する。複数のタービン羽根１６ａは、作業流体の流動をブレード１６に対して指向させるために、ガスタービンエンジン内にノズルを形成する。ある場合には、作業流体は、コンプレッサ１２から空気抽出される。
【００５５】
図５はまた、作業流体シールシステム２０の一部を描写する。シールシステム２０は、作業流体路から、およびその周囲における作業流体の漏出を最小限にするように設計される。ガスタービンエンジンの効率は、本作業流体の漏出を制御および最小限にする能力に大きく依存する。したがって、タービンブレード１６の先端１９とガスタービンエンジンの静的構造２２との間の隙間は、作業流体による回転子１７およびタービンブレード１６の迂回の制御を補助する。回転構成要素と静的構成要素（それぞれ、２１と２３）と間の隙間は、ガスタービンエンジン内で生じる熱サイクルによる構成要素の拡張および収縮に伴って変化する。
【００５６】
シールシステム２０は、回転構成要素と静的構成要素との間に仮想シールを形成する、２つの対応する構成要素を備えることができる。２つの構成要素は、タービンブレード１６に結合される研磨材構成要素２１と、定常構成要素２２に結合される定常磨耗性構成要素２３である。定常磨耗性構成要素２３は、多くの場合、シュラウドと称され、定常構成要素２２の一部を覆いながら、回転子ディスク１７およびブレード１６に外接する部材である。
【００５７】
研磨材構成要素２１を伴うタービンブレード１６は、磨耗性構成要素２３に対して回転し、磨耗性構成要素２３内に仮想シールトラックを摩耗形成する。そこに結合されたタービンブレード１６を伴う回転子ディスク１７の回転は、個別の構成要素間に隙間がないとき、研磨材構成要素２１が、磨耗性構成要素２３を摩滅させることを可能にする。研磨材構成要素２１の特定の側面は、研磨材構成要素２１からの材料の最小損失および磨耗性構成要素２３の優先的摩耗のみ伴う、磨耗性構成要素２３との繰り返しかつ激しい衝突に耐える能力である。したがって、その間の半径方向隙間が消失したとき、構成要素２１と２３との間の摩擦界面の代わりに、研磨材構成要素２１は、磨耗性構成要素２３を切削し、その間に最小隙間を維持する。回転研磨材構成要素２１による磨耗性構成要素２３の摩滅は、回転構成要素間に流体通路を形成する。本発明の一形態では、磨耗性構成要素２３は、概して、当業者に公知の半多孔性磨耗性セラミックである。
【００５８】
図６は、例示的タービンブレード１６を描写する。タービンブレード１６は、鍛錬または鋳造構造であることができる。ガスタービンブレード１６は、例えば、種々の超合金組成物を利用する、精密鋳造動作によって生産された一体型鋳造合金構造であることができる。種々のタイプのニッケル、チタン、およびコバルト超合金組成物ならびにそのような組成物の製造業者は、当業者に公知である。ほとんどの着目超合金組成物は、例えば、限定ではないが、チタン、スズ、バナジウム、アルミニウム、モリブデン、シリコン、ネオジム、ニッケル、コバルト、クロム、アルミニウム、チタン、鉄、タングステン、タンタル、レニウム、および他の選択元素の複合混合物である。いくつかの例示的材料は、概して、商標名ＣＭＳＸ−３、ＣＭＳＸ−４、およびＭアーム−２４７によって知られている。
【００５９】
当然ながら、本発明の実施形態の用途は、前述の材料に限定されるように意図されず、他の材料と併用されることができる。等軸、指向性固化、または単一結晶合金構造を有する、鋳造一体型タービンブレード１６を生産するための技法は、Ｏ’Ｃｏｎｎｏｒの米国特許第５，２９５，５３０号に開示されており、参照することによって本明細書に組み込まれる。ガスタービンブレードおよびガスタービン羽根は、多くの場合、翼と称される。
【００６０】
研磨材構成要素２１は、鑞接要素または他のより低い溶融温度の継合材料の存在を伴わずに、ブレード１６に冶金的に接合されることができる。低融点鑞接要素の排除は、延長された酸化寿命と、鑞接された要素を有する構成要素より高い動作温度への暴露に耐える能力とを有する、無鑞接サーメットを生産する。研磨材サーメット組成物を備える、研磨材構成要素２１は、セラミック研磨材粒子と組み合わせられた金属粉末超合金マトリクスを含むことができる。いくつかの実施形態では、セラミック研磨材粒子は、反応性材料でコーティングされることができる。他の実施形態では、セラミック研磨材粒子は、反応性材料でコーティングされない。
【００６１】
いくつかの実施形態では、研磨材構成要素２１は、反応性金属でコーティングされた約０重量％〜約５０．０重量％セラミック研磨材粒子と、約５０．０重量％〜約１００．０重量％超合金とを備えることができる。セラミック研磨材粒子は、例えば、限定ではないが、立方晶窒化ホウ素、人造ダイヤモンド、炭化ケイ素、および酸化アルミニウム、またはそれらの組み合わせのうちの１つ以上を備え得る、セラミック粗粒子材料を備えることができる。いくつかの実施形態では、セラミック研磨材粒子は、８０メッシュサイズ〜１２０メッシュサイズの範囲内の粗粒子サイズを有することができる。当然ながら、他の粒子サイズおよびセラミック粗粒子材料も、本明細書で検討される。
【００６２】
反応性材料は、例えば、セラミック研磨材コーティングの表面を湿潤させ、粒子と金属マトリクスとの間の冶金接合を助長する役割を果たす、チタンであることができる。チタンコーティングは、例えば、流動床化学蒸着技法を使用して適用され、粒子上のコーティングの均一性を確実にすることができる。当然ながら、当技術分野において公知の他の好適なプロセスも、容認可能である。セラミック研磨材粒子は、均質である、またはその任意の部分を通して傾斜されてもよい。
【００６３】
いくつかの実施形態では、研磨材構成要素２１を形成する、材料の堆積層は、金属マトリクス材料を溶融、固化し、タービンブレード１６と接合させる、直接貫通レーザ処理を受けることができる。直接レーザ処理は、部品を粉末堆積層から加工するための製造技法であって、研磨材先端付きブレード１６を作製するために利用される直接レーザプロセスに関する詳細は、以下に提供される。本方法は、材料の領域全体、材料の選択領域、および構成要素の切断部分に適用可能である。直接レーザプロセスを通したブレードと研磨材構成要素２１の直接先端付けは、典型的には、鑞接合金中に存在する、融点抑制剤の添加を含み、および／または強化相の形態を劣化させる、構成要素の高温鑞接および／または拡散接合熱サイクルへの暴露を要求する、多くの先行技術方法から生じる寿命劣化のない構成要素を生産する。
【００６４】
図７は、二次継合動作によってそこに結合される研磨材サーメット構成要素２１０を伴う、別のガスタービンエンジンブレード１６０を描写する。二次継合動作は、概して、研磨材構成要素２１０をブレード１６に結合する鑞接材料２１１を利用する、鑞接動作である。いくつかの実施形態では、研磨材構成要素２１０は、研磨材構成要素２１を生産するために使用される、直接レーザプロセスによって加工されることができる。その後、研磨材構成要素２１０は、鑞接材料２１１を用いて、ブレード１６０に継合されることができる。
【００６５】
図８は、材料の粉末堆積層の直接レーザ処理を行い、自由形状加工をもたらすための装置２５を描写する。用語「自由形状加工」は、本明細書で使用されるように、別様に規定されない限り、中実および／または中空部品を作製する能力を含む。装置２５は、その中で直接レーザプロセスが生じる、チャンバ２６と、次いで、固化させる、材料の溶融を行なうためのレーザ２８とを含む。
【００６６】
いくつかの実施形態では、チャンバ２６は、チャンバ内の雰囲気を変化させるために、そこに結合された真空ポンプシステム２７と、材料３０の粉末堆積層（図９）を高温まで加熱可能な熱源とを伴う、液密圧力容器であることができる。レーザビーム溶融および固化に先立った粉末材料堆積層３０の予熱は、材料の脱気を補助し、とりわけ、表面特性、湿潤、および流動を改善する。チャンバ２６は、選択ガスの高純度雰囲気を維持するように、設計および構築される。熱源は、チャンバ２６の内部または外部に位置することができ、粉末堆積層を周囲温度から摂氏約２０００度までの範囲内の温度に正確に加熱および制御可能であることができる。真空源は、好ましくは、高真空を提供可能である。
【００６７】
いくつかの実施形態では、材料のレーザ溶融および固化は、材料堆積層が高温にあるときに生じることができ、それによって、寸法安定性を改善する。一実施形態では、摂氏約５００度〜摂氏７５０度の範囲内の温度が、直接レーザ処理溶融および固化段階の間に、材料堆積層に対して使用されることができる。別の実施形態では、摂氏７５０度を上回る温度が、レーザ処理の間、材料堆積層のために使用されることができる。いくつかの実施形態では、真空は、約５×１０−３トル〜約１×１０−７トル、好ましくは、約５×１０−５の範囲内であることができる。しかしながら、他の圧力も、本明細書で検討される。
【００６８】
いくつかの実施形態では、チャンバ２６は、チャンバ内に厳密に制御された雰囲気を提供するように調節され得る、真空炉に類似するものと考えられることができる。雰囲気の制御は、チャンバ内のガスを構成する化学物質、真空度、および温度を調整する能力を特徴とする。他の実施形態では、不活性雰囲気が、チャンバ２６内の材料成分の揮発を抑制するために利用されることができる。
【００６９】
レーザ２８は、チャンバ２６内の材料を選択的に溶融し、固化させる、ビームを提供することができる。本明細書に検討される材料を溶融させるための他の手段として、限定ではないが、超音波、Ｘ線、およびマイクロ波が挙げられる。いくつかの実施形態では、チャンバ２１６は、シールされたレーザ透明窓２９を有し、それを通してレーザビームの通過を可能にすることができる。他の実施形態では、本システムは、使い捨てまたは取替可能レーザ伝送窓装置を備え、窓の曇りおよび堆積物を補償することができる。それによって、プロセス制御および再現性を促進するためのより完全に透明なレーザ伝送窓に容易に戻すことを可能にする。材料を溶融するための手段は、チャンバ２６内に閉じ込められ得る、手段は、チャンバの外部にあって、チャンバ内の開口部を通して通過可能である、および／または光ファイバケーブル等のチャンバに結合される媒体を通して送達され得る。
【００７０】
図９は、明確にする目的のために、一部が除去されたチャンバ２６を描写する。示されるように、チャンバ２６内に位置付けられるのは、レーザビームを用いて溶融するための材料の粉末堆積層３０であることができる。材料ホルダ３１は、トレイとして図示されるが、しかしながら、他のタイプの材料ホルダも、本明細書で検討される。いくつかの実施形態では、例えば、材料ホルダは、タービンブレードを保持し、研磨材サーメット複合材が、直接、溶融、固化され、ブレード上に接合されることを可能にすることができる（すなわち、直接、先端付きブレードを生産する）。いくつかの実施形態では、材料の粉末堆積層３０は、材料ホルダ３１に接合されない。他の実施形態では、部材は、材料の粉末堆積層がそこに接合される得るように、材料ホルダ上に位置付けられる。さらに他の実施形態では、粉末堆積層は、直接、材料ホルダに接合されることができる。
【００７１】
いくつかの実施形態では、本システムは、チャンバ２６内の局所修復のために、構成要素を配向するように、種々の傾きで構成要素（ツール、ブレード等）の保持を可能にすることができる。構成要素の修復は、例えば、周囲または略周囲温度である、構成要素の局所加熱を伴うことができる。局所加熱は、例えば、限定ではないが、誘導加熱、電子ビーム、レーザ、プラズマ、および／または集光ランプによって行なわれることができる。本発明の材料ホルダは、粉末堆積層３０が受ける予熱温度に耐えるように設計されることができる。
【００７２】
図１０は、レーザ２８と、その制御のための装置とを描写する。いくつかの実施形態では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザは、材料堆積層の一部を溶融するために十分なパワーを有する。材料の単回貫通溶融および材料堆積層の二重貫通溶融の両方が、本明細書で検討される。しかしながら、他のタイプのレーザおよび異なるパワーレベルも、本発明の検討内である。いくつかの実施形態では、２５０ワットレーザが、使用されることができる。レーザの制御は、当業者の検討内であると考えられ、本明細書に開示される特定のレーザ装置制御方式は、直接レーザ処理によって構成要素を作製するための本方法および装置を限定することを意味するものではない。
【００７３】
図１０に示されるようなレーザシステムの構成要素は、レーザヘッド２８内に統合される。レーザヘッド２８は、例えば、米国特許第４，８６３，５３８号および米国特許第５，１５６，６９７号に説明されるような従来の制御要素、例えば、安全シャッタと、フロントミラーアセンブリと、発散性および集束性レンズ等の集光要素とを含むことができる。コンピュータ３１および走査システム３２もまた、粉末堆積層３０に衝突するときのレーザビームの方向を制御するために含まれることができる。いくつかの実施形態では、コンピュータ３１は、レーザ２８を制御するためのマイクロプロセッサと、部品の寸法が画定され得る、データを生成するためのＣＡＤ／ＣＡＭシステムとを備えることができる。当然ながら、部品寸法を画定するためのデータを生成する他の方法も、本明細書で検討される。いくつかの実施形態では、レーザ走査位置および走査スピードは、コンピュータソフトウェアによって制御されることができる。
【００７４】
走査システム３２は、レーザビームの進行経路を再指向するためのプリズム３３を備えることができる。レーザビームを所望の場所に指向するために必要なプリズムの数は、概して、装置の物理的レイアウトに基づく。代替として、１つ以上の固定ミラーが、機器の特定のレイアウトに応じて、レーザビームをレーザ２８から走査システム３２に指向するためのプリズム３３の代わりに、使用されることができる。走査システム３２はさらに、個別の検流計３６、３７によって駆動される、一対のミラー３４、３５を備えることができる。
【００７５】
検流計３６、３７は、その個別のミラー３４、３５に結合され、選択的に、ミラー３４、３５を配向し、レーザビームの照準を制御することができる。いくつかの実施形態では、検流計３６、３７は、ミラー３４、３５が、公称上、相互に対して直角に搭載されるように、相互に対して垂直に搭載されることができる。例えば、関数発生器ドライバは、コンピュータ３１と併せて、検流計３６、３７の移動を制御し、粉末堆積層３０上のレーザビームの照準を制御することができる。いくつかの実施形態では、関数発生器ドライバは、例えば、コンピュータ内のＣＡＤ／ＣＡＭデータが、ミラー３４、３５を介して、レーザビームの指向性制御において実現され得るように、コンピュータ３１に結合されることができる。音響光学スキャナ、回転多角形ミラー、および共鳴ミラースキャナ等の代替走査システムも、使用され得ることが検討される。
【００７６】
図１１は、粉末堆積層３０内に形成される一対の研磨材サーメット構成要素２１の平面図を描写する。研磨材サーメット構成要素３０は、粉末堆積層３０内の材料の直接レーザ処理によって形成され、次いで、タービンブレード１６に結合されることができる。
【００７７】
レーザビーム走査シーケンスの拡大例証図は、図１２に描写される。レーザ走査シーケンスは、とりわけ、部品幾何学形状および走査シーケンスが、部品の熱プロファイルに影響を及ぼすため、変動し得る。いくつかの実施形態では、パターンは、均一熱プロファイルを提供するように選定されることができる。均一熱プロファイルを達成する方法の１つは、適切なレーザ走査スピード、走査間隔、および個々の走査長ベクトルに対するレーザビームエネルギーの選択によるものである。走査長ベクトルは、例えば、レーザビームの特定の通過を受けるであろう、構成要素の一部を画定することができる。いくつかの実施形態では、走査間隔は、０．１００インチ未満であることができる。他の実施形態では、走査間隔は、約０．０００１インチ〜約０．０００３インチの範囲内であることができる。
【００７８】
表１は、直接レーザ処理によって、研磨材サーメット構成要素を生産するために利用された走査間隔を含有する。図１２における図は、単に、例証であって、幾何学形状、走査間隔、ビーム直径等の任意の方式に限定されることを意図するものではないことを理解されたい。材料粉末堆積層３０は、直接レーザ処理の間、レーザビームに対する標的表面となる。
【００７９】
いくつかの実施形態では、研磨材サーメット材料から加工される構成要素は、直径約４インチ未満であることができ、厚さ約０．１００インチ未満を有することができる。他の実施形態では、研磨材サーメット材料から加工される構成要素は、厚さ約０．０３５〜約０．０６０インチの範囲内を有することができる。いくつかの実施形態では、研磨材サーメット材料から加工される構成要素は、厚さ約０．０６０インチを有する。直径４インチ未満および厚さ最大４インチのサイズを有する、モノリシック金属構成要素も、本明細書で検討される。いくつかの実施形態では、モノリシック金属構成要素は、厚さ０．１００インチ超を有することができ、第１の粉末堆積層を溶融させ、次いで、粉末の第１の層を覆っておかれた粉末の付加的層を溶融させることによって、加工されることができる。いくつかの実施形態では、モノリシック金属構成要素は、厚さ約０．１００インチを有することができる。いくつかの実施形態では、直接レーザ処理によって形成される構成要素は、積層構造を有することができる。
【００８０】
図１３ａおよび１３ｂは、研磨材サーメット複合材材料の金属マトリクス構成要素成分７５の溶融および固化を図示する。レーザビームは、金属マトリクス複合材を溶融し、溶融材料から適切な流量を得ることができる。適切な流量は、例えば、孔隙を排除し、高密度部品を生産する一方、高寸法精度を維持し、断裂を最小限にするために必要な流量として、定質的に画定されることができる。流量の制御は、限定ではないが、溶融および固化が生じる雰囲気、材料粉末堆積層の予熱の程度、ならびにレーザパワー、走査間隔、および走査スピード等、レーザエネルギー密度に影響を及ぼす特性を含む、多くのパラメータに依存する。
【００８１】
いくつかの実施形態では、均一熱プロファイルを維持するために、高走査スピードを伴う、超微細走査間隔が、使用されることができる。走査スピードおよび走査間隔の選択は、結果として生じる構成要素の表面粗度に直接影響を及ぼす。微細走査間隔は、例えば、比較的に均一平滑表面を提供するであろう一方、表面粗度に及ぼす走査スピードの影響は、全体的エネルギー密度および溶融材料領域内における関連付けられた滞留時間に大きく依存する。所与の材料の場合、長滞留溶融時間を生産するであろう、高エネルギー密度を伴う高走査スピードは、不良な表面仕上げを生産し得る。一方、より低いエネルギー密度を伴う同一の走査スピードは、より優れた表面仕上げを生産することができる。いくつかの実施形態では、微細走査間隔が、使用されることができ、レーザパワーおよび走査スピードは、異なるエネルギー密度を送達するために変動され、それによって、完全貫通溶融および密度を伴う、短溶融滞留時間をもたらすことができる。表１は、容認可能結果をもたらした種々の実施例の試験データを提供する。
【表１】
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【００８２】
サーメット複合材に関する試験データは、完全貫通溶融が、エネルギー密度約１９００ジュール／ｃｍ２で達成されることができることを示す。サーメット複合材のサンプルは、７３．５重量％金属合金と、２６．５重量％研磨材粗粒子コーティングとを含んでいた。より好ましくは、金属合金は、Ｍアーム２４７であった。いくつかの実施形態では、研磨材粗粒子コーティングは、約２．５重量％〜１２重量％チタンコーティングを伴う研磨材粗粒子材料を備え、粒子の全表面上に均一コーティングを形成することができる。しかしながら、これらのエネルギーレベル（１９００ジュール／ｃｍ２）では、サンプルは、粗粒子７６の周囲に捕捉された孔隙を示した（図１３ａおよび１３ｂ参照）。しかしながら、２，０００〜４，０００ジュール／ｃｍ２の範囲内のエネルギー密度は、超合金サーメット複合材内における粗粒子７６の周囲に保定された孔隙の完全排除に成功する。
【００８３】
あるサンプルでは、孔隙は、エネルギー密度レベルが約２，５００ジュール／ｃｍ２であるとき、消失し始めた。エネルギーレベル２，５００ジュール／ｃｍ２では、超微細等軸から樹枝状への微小構造の遷移が見られた。１，９００ジュール／ｃｍ２〜２，５００ジュール／ｃｍ２で処理されサンプル中に生産された超微細結晶粒状微小構造（ＡＳＴＭ結晶粒サイズ１０）は、高温で超塑性的に挙動するため、モノリシック金属材料内で使用されることができる。微小構造制御の本形態は、等軸結晶粒を伴う部品の生産を可能にし、均一かつ改良された機械的特性を提供することができる。
【００８４】
直接レーザ処理による構成要素の生産は、材料構成要素をともに混成するステップから開始することができる。いくつかの実施形態では、材料は、チャンバ２６内への挿入に先立って、４〜６時間、混成されることができる。材料は、次いで、材料を前処理するために、一定時間周期の間、予熱されることができる。いくつかの実施形態では、予熱は、チャンバ２５内で生じることができる。その後、チャンバ２６内の環境は、調節されることができ、材料の堆積層３０は、直接レーザ処理を受けることができる。いくつかの実施形態では、直接レーザ処理は、材料の堆積層３０が高温にある間、生じ、寸法安定性を向上させることができる。形成される構成要素は、精緻化された微小構造を伴う冶金鋳造と一貫した構造を有することができる。さらに、微小構造精緻化は、例えば、限定ではないが、エネルギー密度、雰囲気、および材料堆積層３０が受ける予熱を変動させることによって、調節されることができる。例えば、本プロセスにおけるエネルギー密度の制御は、領域特有微小構造制御を可能にし、それによって、部品が等軸から樹枝状に及ぶ複数の微小構造を有することを可能にすることができる。さらに、構成要素は、等軸、樹枝状、指向性固化、および／または単一結晶を含有する領域を有してもよい。
【００８５】
直接レーザプロセスは、粉末堆積層の材料成分が、殆どまたは全く後処理を要求せず、直接、レーザ溶融および圧密され、固化された部品を生産する手順である。直接レーザ処理手順では、溶融されなかった成分は、再使用可能であって、それによって、プロセス中に生成されるスクラップおよび廃棄未加工材料の量を最小限にする。形成される構成要素は、実質的に、空隙および亀裂がなく、略正味形状であるように加工されることができる。いくつかの実施形態では、構成要素微小構造は、後プロセス熱処理によって修正されることができる。直接レーザプロセスは、所望に応じて、非常に高密度な部品または多孔性部品を生産するように調節されるパラメータを有することができる。加えて、プロセスは、サーメット研磨材構成要素および／または完全密度モノリシック金属構成要素等の複合材構成要素を生産するために使用されることができる。
【００８６】
図１４に示されるように、本発明の実施形態はまた、粉末状材料および指向性エネルギー源（例えば、レーザ）を使用することによって、部品を修復および生成するための方法を備えることができる。前処理および処理ステップに関連するいくつかの変形例が、結果を最適化するために採用されてもよい。
【００８７】
指向性エネルギー源は、粉末堆積層の予熱を伴って、または伴わずに、多種多様な金属粉末を溶融可能な任意の市販の容認可能レーザであることができる。前述のように、そのような装置ははまた、プログラムされた走査経路をトレース可能な走査制御を含むことができる。いくつかの実施形態では、レーザは、粉末堆積層を予熱せずに、多種多様な金属粉末を溶融可能であることができる。本発明に関するレーザの特定の実施例は、６ｍｍビーム直径（１／ｃ２）、１８ｍｒａｄ落角発散、および波長１．０６μｍを伴う、２５０ワット連続波（ＣＷ）Ｎｄ：ＹＡＧレーザである。いくつかの実施形態では、ビーム直径は、約１００〜５００μｍであることができる。好ましくは、本システムおよび方法において使用される粉末は、実質的に、サイズおよび真球度の両方が同じであって、任意の内部孔隙がない、粒子を備えることができる。これは、要求されないが、そのような要件を満たす材料は、周知であって、利用可能である。より小さい粒子（すなわち、約１０〜１００μｍ）から作製される粉末が、好ましいが、粒子サイズは、構築される部品の仕様に応じて、変動してもよい。適切な粒子サイズは、当業者に明白となるであろう。
【００８８】
前処理では、本発明の実施形態は、ＳＬＳ処理の前に、粉末堆積層を予熱する一般技法を回避することができる。しかしながら、予熱はまた、容認可能製品をもたらすことができる。予熱温度は、焼結されるべき材料に従って、変動することができる。例えば、予熱は、粉末の温度を粉末の融点をわずかに下回る点まで持ってくるために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、本システムは、最大約１０００℃の温度を達成し得る、モリブデンロッド要素等の加熱デバイスを具備することができる。
【００８９】
さらなる前処理では、粉末は、結果を改善するために、脱気されることができる。粉末は、例えば、放射加熱によって、真空下、コンテナ内の粉末を加熱する、静的温間脱気方法によって脱気されることができる。しかしながら、粉末の燃焼を回避するために、動的脱気方法が、使用され、粉末の各部分を比較的に同一の熱に暴露することができる。いくつかの実施形態では、そのような動的脱気は、粉末コンテナの中に導入され、脱気サイクルの間、粉末を均一に循環させる不活性撹拌デバイスを用いて達成されることができる。
【００９０】
いくつかの実施形態では、処理雰囲気は、約１０−３トル等の比較的に高真空レベルに保たれることができる。そのような雰囲気は、汚染物質（例えば、水および酸素）の容認不可能なレベルを含有し得る、不活性ガス雰囲気にわたって改良された結果をもたらすことができる。そのような汚染物質は、焼結された層上に酸化膜を生成し得、これは、続いて焼結された層間の良好な接合および溶融材料の自由流動を妨害し得る。さらに、ＳＬＳ／ＨＩＰ処理における原位置コンテナ化を目標として、ＳＬＳは、好ましくは、高真空下で行なわれる。そのような部分的圧力雰囲気は、チャンバを高真空レベル（例えば、５×１０−７〜１×１０−５トル）まで排気した後、９９．９９９％純度アルゴンまたはヘリウム等の超高純度不活性ガス（例えば、＜２ｐｐｍ酸素、＜３ｐｐｍ湿気、＜１ｐｐｍ炭化水素、および＜６ｐｐｍ窒素）で部分的圧力を補充することによって達成されることができる。
【００９１】
１０−３トルの真空レベルはまた、溶融プールからの合金元素の蒸発およびレーザ窓上への金属蒸気の凝縮を低減させる。そのような凝縮をさらに防止するために、アルゴンまたはヘリウム等の超高純度（ＵＨＰ）不活性ガスの微量漏出が、チャンバを高真空に排気させた後、レーザ窓の直下で使用されることができる。いくつかの実施形態では、これは、レーザ窓とチャンバ側窓搭載部上のフランジとの間に導入される両面フランジ、両面フランジの側面に溶接された溶接継手ステンレス鋼管類、ステンレス鋼管類を介して、両面フランジ上の継手に接続され、かつリーク弁の入口側に接続される、可変漏出弁、両側に継手を伴うステンレス鋼管類を介して、ＵＨＰガスシリンダ上に搭載されたステンレス鋼ダイヤフラムガス調整器を使用して達成されることができる。漏出弁に関して１３０００：１の機械的倍率を伴う、刻み付き微調整ノブおよびレバー機構は、ガス流入の精密な制御を可能にすることができる。当然ながら、他の装置も、使用され得、本明細書で検討される。
【００９２】
いくつかの実施形態では、処理雰囲気真空レベルを制御するためのシステムは、機械的真空ポンプによって支援される、蒸気拡散ポンプを備えることができる。本システムはまた、高コンダクタンス９０度Ｌ字継手と噛合され、順に、チャンバに嵌合された大直径フランジ付きポートと噛合され得る、ゲート弁を備えることができる。いくつかの実施形態では、ゲート弁はまた、「粗引きポート」を備えることができる。システム内の任意の界面が、漏出を最小限にするように仕上げられることができる。加えて、いくつかの実施形態では、粉末をチャンバの中に導入するためのものを除き、チャンバの全壁は、Ｏリングまたは他のシールの必要性を最小限にするように融合溶接されることができる。チャンバ排気の間、供給および部品側シリンダからの粉末の排出を防止するために、粉末堆積層の上方のチャンバ空隙空間と供給原料および部品シリンダ内の粉末の柱の下方の空隙空間との間の圧力は、等化されることができる。これは、例えば、ステンレス鋼蛇腹ホースを使用することによって、前述の空隙空間を接続することによって、達成されることができる。排気率は、例えば、各排気ポートに設置された蛇腹弁の使用によって、制御されることができる。
【００９３】
粉末をチャンバの中に送達するための装置は、部品および供給原料側粉末シリンダと、粉末送達ローラと、関連付けられたアクチュエータとを備えることができる。真空完全性を維持するために、ステンレス鋼エッジ溶接蛇腹が、部品、供給原料、およびローラアクチュエータシャフトのために使用されることができる。回転運動をローラに伝達するために、ベベルギヤシステムに結合される同心回転方程式シャフトを伴う、中空アクチュエータシャフトが、使用されることができる。回転方程式シャフトの一端は、ベベルギヤシステムを介して、例えば、ローラに接続されることができ、その外側端は、ＭＤＣ直接駆動高真空率回転フィードスルーに結合され得る。
【００９４】
いくつかの実施形態では、可撓性シャフトは、例えば、機械フレーム上に搭載されたＤＣモータからフィードスルーの周囲雰囲気端に回転運動を伝達することができる。可撓性シャフトは、好ましくは、ローラアセンブリ全体が粉末堆積層に沿って往復運動する可能性が高いであろうため、回転方程式フィードスルーを介して、ローラシャフトに回転を提供するために十分に長い。いくつかの実施形態では、十分に小型かつ軽量のモータは、可撓性シャフトが、それ自体の周囲に巻着しないように防止することができる。本条件は、非一貫した粉末送達につながり得る。粉末送達のための装置では、往復運動をローラアセンブリトルクに提供するためのアクチュエータは、４５Ｎ（１０ポンド）を上回る荷重を逆駆動させるときに保持するために好適な搭載部を含むことができる。そのようなアクチュエータは、当技術分野において公知である。
【００９５】
粉末を送達するための装置はまた、加熱器から粉末プレートへの熱束が、粉末送達の犠牲効率を伴わずに、効率的かつ均一であるように、部品および供給原料シリンダ間の中心距離に対して最適化された中心を有することができる。さらに、粉末送達のための装置の粉末プレート内に存在し得る、任意の拡張スロット（加熱されるとき、粉末プレートの座屈を防止する）は、遮断プレートまたはそれらのスロットを通した粉末の移送を遮断するための他のデバイスを備えることができる。いくつかの実施形態では、遮断プレートは、粉末プレートが、加熱されると、座屈せずに拡張することを可能にするために十分に可撓性であることができる。
【００９６】
いったん粉末が堆積されると、レーザは、所定の経路に沿って走査し、選択的に、粉末を所望の形状に融合させることができる。いくつかの実施形態では、レーザは、図１５に示されるような従来のラスタ走査経路に追従しない。むしろ、レーザは、各個々の運動区画が、任意の方向に生じることを可能にすることができるが、連続区画を連続経路の一部として取り扱う、連続ベクトル（「ＣＶ」）走査モード（その実施例は、図１６に示される）を採用することができる。このように、一定溶融プールが、レーザビームの下に維持される。いくつかの実施形態では、走査は、図１７に示されるようなアルキメデスの螺旋等のパラメトリック曲線、または加工されるべき断面の面積を充填する、別の任意の区分的パラメトリック曲線の経路を追従することができる。いくつかの実施形態では、走査経路は、パラメトリック曲線、または加工されるべき断面の内部および外部境界の輪郭に対応する、別の任意の区分的パラメトリック曲線に追従することができる。
【００９７】
一定溶融プールを維持することは、均質の非多孔性製品を形成するために重要であって、現在走査されている層内に一定溶融プールおよび直前に走査された層の一部の一定の再溶融を維持することを伴う。図１８に示されるように、典型的ＣＶ走査経路は、経路のための有限開始半径が画定される、完全に高密度化されるべき面積の内側の一点から開始する、ネオイド（ｎｅｏｉｄ）走査パターンを備えることができる。いくつかの実施形態では、開始半径は、半径の内側の非暴露粉末を防止するように、レーザのビーム直径に近似し得る。他の実施形態では、走査経路は、サイクロイド経路であり得る。
【００９８】
走査は、経路のための開始半径を伴う円形をトレースすることから開始し、次いで、最大２０時間、開始半径の周囲で走査を繰り返すことができる。同時に、そうする間、レーザパワーを終端パワーまで逓増させることは、中心における溶融プールの生成を可能にする一方、実質的に、金属粉末堆積層上のレーザビームの初期発生場所において生じる丸まりを回避することができる。さらに、いくつかの実施形態では、レーザビームは、レーザの走査経路に垂直の経路内で発振し、固体−液体界面の連続性を破壊し得る、溶融物の任意の前進速度を停止させることができる。いくつかの実施形態では、走査スピードは、約０．１〜１０．０インチ／秒の範囲内であることができる。ＣＶ走査経路の連続回転間の走査間隔は、約０．０００１〜０．０２０インチ、好ましくは、約０．０００１〜０．００５インチの範囲内に設定されることができる。
【００９９】
いくつかの実施形態では、環状領域を処理するための走査パターンは、図１９に図示される半径方向走査パターンに対応することができる。走査経路は、実際には、性質上、角ばっているが、走査経路の角度は、線が、事実上かつ機能的に平行である点に対して鋭角であって、外向きに拡散する（したがって、用語「半径方向走査」）。回転が完了した後、約２５o（好ましくは、約２５．７o）の付加的重複走査が、レーザパワー逓増が生じる走査の開始区画を完全に溶融および再固化するために含まれることができる。層の厚さは、約０．００５インチであることができる一方、半径方向線間の走査間隔は、約０．０００１〜０．０１０インチの範囲内、好ましくは、約０．０００１５インチであることができる。
【０１００】
ＳＬＳ／ＨＩＰ処理では、上線端に対して、底線端の場合と同様に、ネオイド（ｎｅｏｉｄ）走査パターンが、採用された後、線端の外径から開始する、連続的により小さい直径の同心リング（各リングは、図１９に図示される半径方向走査経路に対応する）の走査パターンが続くことができる。約５０％の重複が、連続リング間で採用されることができる。半径方向走査パターンの追従は、上線端と下層スキン層との間の接合および連続界面を完成することを確実にするのに役立ち得る。
【０１０１】
本発明の重要な側面は、前のものを覆っての連続層の接合を伴う。連続層を融合する際、本発明は、前の層の一部を再溶融させることを備える。前の層を再溶融するプロセスは、従来の融合溶接における希釈または「メルトバック」ステップに類似する。そうすることによって、前の層上に形成され得る、汚染物質および酸化膜を低減または排除し、したがって、層間の接合を改善し、略無多孔性製品を形成することができる。加えて、固化の間、結晶粒成長が、融合溶接において公知のエピタキシャル固化と同様に、ベース金属とそれと接触する液体との間の固体−液体界面で生じるであろう。ベース層の再溶融は、エピタキシャル結晶粒が不均質に成長することを可能にする。
【０１０２】
いくつかの合金（合金６２５等）は、直接ＳＬＳでは、線端／コア界面に沿って、および部品内部において、軸方向および平面方向の両方に亀裂する傾向がある。有意により長い焼結サイクルは、そのような亀裂を低減させるが、また、遅延および費用を増加させる。いくつかの実施形態では、したがって、亀裂の解決策は、走査間隔を減少させ、走査スピードを増加させ、かつ開始直径を低下させ、非焼結領域を中心内に残すのではなく、溶融プールが中心内に形成されることを確実にすることである。
【０１０３】
いくつかの実施形態では、金属粉末は、供給原料側シリンダ内に室温において、真空脱気された状態で置かれることができる。チャンバは、次いで、閉鎖され、最初に、機械的ポンプによって、粗引きポートを介して、約１０−３トルまで排気されることができる。本真空レベルでは、粗引きポートは、閉鎖されることができ、チャンバを蒸気拡散ポンプに接続するゲート弁が、開放されることができる。チャンバは、ここで、高真空（好ましくは、約１０−６トル）までさらに排気されることができる。本時点では、アルゴンまたはヘリウム等のわずかな超高純度不活性ガスの漏出が、ステンレス鋼管類を介してチャンバに接続される漏出弁を介して、チャンバの中に導入されることができる。漏出は、動的部分的圧力約１０−３トルが、チャンバの内側に確立される一方、不活性ガスが、チャンバの中に一定に流動し、拡散ポンプを通して、チャンバから掃引されるように、調節されることができる。
【０１０４】
供給原料シリンダ内のピストンは、約０．００５インチだけ上方に移動し、粉末プレートの表面の上方に粉末の層を押動させることができる。ローラアクチュエータが、次いで、粉末プレートを横断して、水平円筒形回転防止ローラを移動させることができる。ローラの本移動は、粉末プレートを横断して、粉末の新しい層を掃引し、それを部品シリンダの表面に堆積させる。次に、レーザビームが、一対の検流計スキャナによって作動され、粉末の新しく堆積された層にわたって、コンピュータ制御下、パターンを走査することができる。走査パターンは、粉末は、所望の形状の完全高密度層を形成するように融合され、真下の以前に固化された層に完全に接合されることを確実にする。走査が完了した後、部品側ピストンが、約０．００５インチだけ降下されることができ、新しい粉末の別の層が、前述の手順を使用して堆積されることができる。所望の形状の次の層が、次に、レーザによって走査され、本プロセスは、繰り返され、完全物体が構築されるまで、層別に物体を構築する。
【０１０５】
いくつかの実施形態では、本発明の変形例は、金属処理に特定の問題を解決することができる。レーザ焼結では、実質的望ましくない下向きに成長が、下層固体層を伴わずに、新しい粉末層中に生じ得る。しかしながら、支持層を構築し、次いで、層を「スキップ」することによって、支持層上に形成される酸化表面膜は、明確な停止層として作用し、したがって、望ましくない成長を軽減させることができる。
【０１０６】
本方法は、前述のように、１つ以上の層を走査し、連続層とともに上向きに構築することから開始する。変形例は、加工されるべき次の断面（「第２の断面」）の形状が、現在の断面（「第１の断面」）の内部および外部境界内に完全に静置しないであろうような場合、実践される。この場合、第２の断面の下に来るが、第１の断面の外側に来る、粉末は、「ダミー層」を形成するように走査されることができる。第２の断面を走査する際、第１の断面を覆う第２の断面の部分は、通常に走査され、第１の断面の一部を再溶融し、いかなる酸化膜も排除し、非多孔性均質製品を生成する。しかしながら、第１の交差層の境界の外側に来る第２の交差層の部分は、第１の断面のいずれの部分も再溶融されないように走査される（走査スピード、走査間隔、およびレーザパワー等の走査パラメータは、走査される材料に従って調節されるべきである）。本構成では、下層酸化膜は、任意の望ましくない下向き成長に対する障壁を提供するであろう。
【０１０７】
後処理では、部品および残存粉末は、約１２時間、真空下で冷却されることができ、その時、処理チャンバは、アルゴンまたはヘリウムを用いて大気圧にパージされることができる。そのような「冷却」は、実質的に、金属粉末の酸化を回避し、任意の非焼結粉末が、収集後に、再使用されることを可能にする。
【０１０８】
いくつかの実施形態では、ＳＬＥはまた、タービンブレードおよび他の構成要素のために、航空宇宙産業において一般に使用される、種々の超合金を処理するために使用されることができる。各材料は、所望の微小構造を生成するために、例えば、異なるレーザパワー、走査スピード、および／または繰り返し走査を要求し得る。これは、最良設定を単離するために、多数の実験行程をもたらし得る。しかしながら、材料および構成要素と関連付けられた高コストのため、一式の実験が、コストを削減しながら、摩耗タービンブレードの条件を再現するためのいくつかの簡略化を使用することによって、行なわれ得る。
【０１０９】
新しい合金の初期試験相の間、例えば、幾何学形状は、複合形状から、タービンブレードと同一の材料から作製された長さ１．２５インチ×幅０．２７インチ×厚さ０．１インチの同様に定寸された長方形試験片に簡略化されることができる。これは、より低いコストでのサンプル生成、例えば、簡略化された条件と、より高速な処理を可能にする。最適動作パラメータが、より認識されるにつれて、幾何学形状は、図２０に示されるように、２つのステップを通して、よりタービンブレード状の設計に改変されることができる。長方形堆積物が完成した後、波形堆積物が、長方形試験片上に作製されることができる。次に、翼状設計が、長方形試験片上に、最後に、翼形状の試験片上に生成されることができる。
【０１１０】
タービンブレードは、サンプル試験片よりはるかに大きいため、放熱板が、実際のブレードが修復されているときに生じるであろう、熱伝達を正確にシミュレーションするために使用されることができる。Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５ベースプレート２１０５が、５つの等しく離間された試験片２１１０を含有するように使用されることができる（当然ながら、試験片の数は、任意である）。試験片が静置される各ウェル内には、典型的内部冷却タービンブレードの先端キャップの下方の中空空間をシミュレーションする、貫通孔２１１５が存在し、処理の間のより実際の熱分布を生成することができる。
【０１１１】
各実験毎に、サンプル試験片は、最初に、任意の可能性として考えられる汚染物質をプロセスから除去するために、徹底的に清浄されることができる。それらは、次いで、Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５ベースプレート内に位置する差込部内に慎重に設定されることができる。格納容器が、次いで、サンプルを覆って置かれることができ、ベースプレート２１０５に嵌合され、粉末を所望の高さに保持することができる。異なる粉末毎の以前に測定された充填密度を使用することによって、使用される精密な量の粉末が、計量され、次いで、各空洞の中に均一に計測されることができる。本手順は、図２１に示され、最右空洞は、空であって、中央空洞は、サンプルを保持し、最左空洞は、サンプルおよび粉末を保持する。
【０１１２】
本構成では、各ベースプレート２１０５は、最大５つのサンプルを保持することができ、合計４つのベースプレートが本実験試験片のために利用可能であって、最大２０個のサンプルが１つの動作で試験されることができる。各ベースプレート２１０５は、１０平方インチの異なるアルミニウムブレッドボード上に螺着されることができ、各ボードは、それらがレールシステム上に置かれることを可能にする、挿入部を有する。当然ながら、機械的設定は、本発明の精神から逸脱することなく、異なることができる。
【０１１３】
サンプルは、次いで、制御された雰囲気プロセスチャンバ内に置かれることができ、そこで、それらは、８０／２０押出成形アルミニウムから作製されたレールの中に挿入されることができる。チャンバは、次いで、処理のために、不活性ガスでパージされることができる。いったんベースプレート上の全一式の５つのサンプルが、処理されると、次のブレッドボードが、レールに沿って、正確な動作場所へと定位置に移動されることができる。処理の間、図２２ａにおける１ｋＷファイバレーザが、図２２ｂに示されるような検流計スキャナと併用され、溶融プールを確立し、それをサンプルを横断して移動させることができる。
【０１１４】
動作の間、少なくとも３つの器具、すなわち、赤外線撮像カメラ、ビデオ顕微鏡、およびレーザ処理用マシンビジョンカメラが、データを収集するために使用されることができる。雰囲気チャンバ上に搭載された器具は、図２３に示される。赤外線撮像カメラは、とりわけ、動作の間、サンプルの温度場を測定するために使用されることができる。本情報は、リアルタイム制御が、望ましい微小構造をもたらすであろう、所望の温度場を維持するために使用され得るように、データを提供するために使用されることができる。ビデオ顕微鏡は、動作のリアルタイムビューを可能にし、行程が完了した後の検査に役立てることができる。レーザ処理用マシンビジョンカメラは、レーザまたは周囲照明からの干渉なく、処理されるにつれて、サンプルのクリアなビューを提供することができる。そのようなマシンビジョンカメラは、高出力ストロボ光を利用して、具体的周波数において、サンプル上に光を発することによって機能する。カメラは、次いで、それらのインスタンスのみに関する情報を収集し、フィルタと組み合わせられ、レーザと最も一般的に関連付けられる波長を除去し、クリアな画像が、形成されることができる。マシンビジョンカメラは、溶融プールが容易に観察されることを可能にし、さらに、未処理粉末がどのようにその中に供給され得るかの洞察を与え得る。
【０１１５】
いったんサンプル群が処理されると、いくつかのステップが講じられ、後の分析のために撮像されることを可能にすることができる。最初に、サンプルは、好適なソー（例えば、Ｂｕｅｈｌｅｒテーブルソー）を使用することによって、図２４上にＡとしてマークされた中心幅を通して、長さ方向に切断されることができる。サンプルの２分の１は、後の撮像のために保存されることができる一方、他方は、サンプルの長さに沿って、いくつかのインスタンスにおいて、幅方向に切断される。長さ方向の切断は、プロセスが、動作の間、どのように変化するかの洞察を与えることができる一方、幅方向の切断は、溶融プールおよび堆積物が、サンプルのエッジ近傍において、どのように反応するかに関する情報を与えることができる。
【０１１６】
各サンプルは、切断区分が可視となるように、好適なプレス（例えば、Ｂｅｕｈｌｅｒプレス）を使用することによって、Ｂａｋｅｌｉｔｅ内に搭載されることができる。次に、サンプルは、粒度増加サンドペーパーを用いて、いくつかのステップを使用することによって、平坦にやすりがかけられることができる。いったん平滑にやすりがかけられると、サンプルは、最終的に、シリカスラリーを伴う最終研磨を受ける前に、最初に、９ミクロンダイヤモンド研磨懸濁液、次いで、３ミクロンダイヤモンド研磨懸濁液を使用して研磨されることができる。当然ながら、他の粒度および技法も、使用され得、本明細書で検討される。
【０１１７】
いったん研磨されると、サンプルは、顕微鏡下、高倍率（例えば、１００×倍率）で撮像されることができる。可動段を使用することによって、数十枚の画像が、顕微鏡によって撮影され、ともに結合され、１つのシームレスな画像を生成することができる。サンプルの長さ方向切断に対する各画像は、典型的には、約５００ＭＢ（すなわち、高さ約７０００画素×長さ１５０００画素）であることができる。画像のサイズは、視認者が、サンプルをマクロレベルで視認することを可能にすることができる一方、より微細な特徴を視認するために、ズームする能力を留保する。比較的に短い時間（すなわち、サンプルが生成されてから１日以内）で生成され得る、これらの画像は、以下に説明される微小構造検出プログラムのための一次視覚入力として使用されることができる。
【０１１８】
微小構造検出
種々の微小構造特徴の追跡が、それぞれ、顕微鏡写真内に見出される特有特性を単離するために設計される、いくつかの関数を使用することによって、達成されることができる。図２５に示されるのは、ＣＳＭＸ−４およびＲｅｎｅ−８０合金サンプルに関して、赤色卵形として示される、複数の微小構造特徴の追跡に関連するステップである。
【０１１９】
サンプル単離
Ｒｅｎｅ−８０またはＣＭＳＸ−４または任意の他の材料であり得る、微小構造検出プログラム内で分析されるべき画像毎に、サンプルは、最初に、単離されなければならない。本目標を達成するために講じられる第１のステップは、サンプルの周囲で見出されるＢａｋｅｌｉｔｅ堆積物を調査することであり得る。本構成では、画像は、画像の左下角の５０画素内にサンプルの左下角が来ることはないという基本的仮定が、行なわれ得る。ほとんどの場合、堆積物が、走査の開始時、画像の左サイズ上に示される基板を越えて延在するため、これが当てはまる。画像捕捉の場合、これは、動作の一般ルールとして使用されることができる。その結果、画像の左下角は、Ｂａｋｅｌｉｔｅ材料の平均強度値を見出すために分析されることができる（高さ約５０画素および幅５０画素）。本数字は、ここで、今後の調査のために、Ｂａｋｅｌｉｔｅレベルと関連付けられることができる。
【０１２０】
ほとんどの画像では、Ｂａｋｅｌｉｔｅ２６１５値は、実際のサンプル強度値と大きく異なる傾向にあり、これは、クリアなコントラストを提供することができ、サンプルが、比較的容易に単離されることを可能にすることができる。サンプル毎にＢａｋｅｌｉｔｅ２６１５を調査する必要性は、顕微鏡設定が調節され、基本的に異なるＢａｋｅｌｉｔｅ２６１５平均強度値をもたらす可能性に関係する。
【０１２１】
しかしながら、いったん強度が把握されると、５つのアクティブ輪郭形成ステップが、底、上、左、および右側に沿って、サンプルを単離するために完了されることができる。いくつかの実施形態では、最初に、アクティブ輪郭が、画像の底部の全長に沿って生成されることができる。輪郭は、次いで、固有力（例えば、画像の強度値−Ｂａｋｅｌｉｔｅ平均強度）によって上向きに押動されることができる。これは、輪郭が、殆どまたは全く干渉を伴わずに、サンプルの底部から基板のベースへと上向きに移動することを可能にする。いったん輪郭点が、サンプルと交差し始めると、輪郭は、基板のベースに追従し始めるであろう。輪郭を反復すると、線の内側約８０％が、その最後の反復場所と比較される。いったん輪郭の内側８０％が、一定場所で安定化すると、アクティブ輪郭の反復は、停止されることができる。画像の両極における輪郭のエッジは、サンプルに付着するのに非常に長い時間がかかる傾向にあり、サンプルの底部に殆どまたは全く関連性を提供しないため、輪郭の８０％（または、いくつかの類似部分）のみ、検討される。
【０１２２】
いくつかの実施形態では、完成した輪郭は、次いで、例えば、異なる点間の高速垂直場所変化によって示され得、かつ画像の左および右側を検索するときに使用され得る、角場所に関して検索されることができる。図２６に示されるように、角を示す、以前に見出されたアクティブ輪郭２６０５内の第１の主なステップは、サンプル２６１０の左側を見つけるための輪郭を生成するとき、最下区分として使用されることができる。いくつかの実施形態では、左および右エッジは、類似手順を使用して見つけられることができる。いったん２つの側が追跡されると、画像の左下角および右下角が、より正確に説明されることができる。
【０１２３】
第２のアクティブ輪郭が、次いで、サンプルの左および右下角の境界内のサンプルの底部に沿って引かれ、基板の底部を単離することができる。いくつかの実施形態では、同一の手順はまた、画像の上部に沿って輪郭を生成し、それを下向きに伝搬させることによって、サンプルの上部を見つけるために使用されることができる。上部および底部サンプル線は、後の分析のために保存されることができる。すなわち、上部線は、図２７に示される総堆積物高さを示す一方、底部線は、図２８に示される、サンプル変形を与える。
【０１２４】
図２８に示される底部線は、サンプルが受けた可能性のある変形量を理解するために使用されることができる。例えば、サンプル長全体にわたるサンプルの角度の変化を見ることによって、システムに導入された過剰エネルギーにより、任意の反りが生じたかどうかを確認することが可能である。底部線はまた、好ましくは、オリジナル基板高さの場所を判定するための一次要因であるため、正確に追跡される。溶融プールは、可変量だけ基板の中に延在するため、実験の実行に先立って、粉末遷移点に対する基板の場所を判定するための容易に視認可能な方法は、存在しない。しかしながら、底部線、基板の厚さ、および画像内のメートルあたりの画素の数（既知である）を使用することによって、底部線を正確な量だけオフセットさせ、オリジナル基板場所を特定することが可能である。
【０１２５】
単一結晶合金内の基本［００１］ＳＸ樹枝状晶追跡
樹枝状晶が、単一結晶領域内で形成されると、概して、図２９に示される、２つの容易に視認可能な特徴、すなわち、一次および二次樹枝状晶成長が、存在する。一次成長は、固化の間、最高温度勾配の方向に形成される、長い垂直延在部であるという点において、木の幹のように作用する。表示［００１］は、これらの一次樹枝状晶成長が、垂直に指向されることを示し、これは、現在の単一結晶タービンブレード用途に対する唯一の容認可能配向である。一方、二次樹枝状晶成長は、一次幹からのより短い側枝であって、木の枝のように見える。２つの二次樹枝状晶アーム間の幅は、固化および熱勾配の間、金属の冷却率に関係する。
【０１２６】
一次成長を単離するために、微小構造認識プログラムは、好ましくは、一次樹枝状晶と二次樹枝状晶とを区別可能である。いくつかの実施形態では、これを達成するために、微小構造画像が、最初に、ｘ−方向に分化され、単一結晶一次樹枝状晶の両側に最も広範に広がる強度変化を強調させることができる。本画像は、次いで、エッジ検出アルゴリズム（例えば、Ｃａｎｎｙアルゴリズム）を利用して、エッジを検索することによって、処理されることができる。Ｃａｎｎｙエッジ検出アルゴリズムは、主エッジを見つけることができ、また、主エッジと連結される副エッジを見つけることができる。本タイプのエッジ検出は、好ましくは、一次および二次樹枝状晶の複合のためである。画像に沿って主エッジを見つけるだけで、一次樹枝状晶幹に沿った二次成長および区画の外側区分に沿った区画をもたらす。より脆弱なエッジを可能にすることによって、これらの区分は、特定の場所で継合され、見出されるべき画像のより優れた表現を可能にする。
【０１２７】
図４３ａは、数千本の線を伴う画像を返す、Ｃａｎｎｙエッジ検出アルゴリズムを描写する。いくつかの実施形態では、例えば、長い垂直成長または一次樹枝状晶を示し得る、具体的閾値を超えた線を見つけるために、検索が行なわれることができる。検索方法は、２つのマップ、すなわち、Ｃａｎｎｙ出力およびヒステリシスマップを使用することができる。ヒステリシスマップは、すでに検索された任意の画素をマークし、検索アルゴリズムが、その場所を横断して２回追跡しないように防止するために使用されることができる。いくつかの実施形態では、検索アルゴリズムは、エッジを示す正画素値を見つけるまで、画像の上左角から開始して、実質的に、Ｃａｎｎｙ出力の画素毎に実行されることができる。別個の関数も、完了するまで、線を追跡するために使用されることができる。
【０１２８】
［００１］ＳＸ線を検索するとき、検索は、より水平な線がトレースされないように、非垂直角度（例えば、垂直から４５度）に限定されることができる。Ｃａｎｎｙ線を追跡するときに頻発に見られるのは、分岐である。これは、画像上で主線と交差することを前提として、副線が追跡されることを可能にするため、Ｃａｎｎｙエッジ検出の一次特徴である。所与の線に対して各分岐を効率的に追跡するために、検索アルゴリズムは、分裂場所を追跡することができる。アルゴリズムは、次いで、その終了まで、サンプルの最左分岐に追従し、次いで、上方に向かって各分裂を通して進行することができる。トレースされた各線は、その開始および終了点の両方が後の使用のために保存される一方、いくつかの分岐を含有する開始点は、分裂の全てを最も良好に表す、加重がかけられた終了点で表されることができる。
【０１２９】
いくつかの実施形態では、見出された顕著な線は全て、画像全体を通して、強調および追跡されることができる。見出された線は、樹枝状晶の左側に向かう傾向にあり、典型的には、樹枝状晶長さ全体を通して延在しないが、多数の追跡された線を利用することによって、柱状成長の領域毎の全体的共有項が、見出されることができる。図３０ｂは、図３０ａに与えられる領域に対して追跡された単一結晶成長を示す。青色線は、Ｃａｎｎｙエッジ検出および検索アルゴリズムを使用して見出された樹枝状晶成長を示す。各線開始および終了点は、後の分析のために保存されることができる。
【０１３０】
単一結晶合金におけるメルトバック深度追跡
いくつかの実施形態では、ＣＭＳＸ−４等の単一結晶合金におけるメルトバック深度を追跡する際の第１のステップは、微細樹枝状晶と粗樹枝状晶との間の遷移点が、正確に見出され得るように、樹枝状晶エッジデータに基づいて、熱マップを生成することであり得る。以前のＣａｎｎｙエッジ検出ステップの間に見出された各線は、例えば、開始および最終点のみを使用することによって、保存されることができる。Ｂｒｅｓｅｎｈａｍｓ線アルゴリズムまたは他の好適なアルゴリズムが、次いで、Ｃａｎｎｙステップの間に保存された開始および最終点を使用することによって、直線を正確に再現するために使用されることができる。図３２に実証される線アルゴリズムは、２つの点間に見出される傾きを使用し、線が規定された方向に進行するにつれて構築される誤差の量を追跡する。プログラムが、緩勾配の線を再現しているとき、全ステップは、方程式１に説明されるように、誤差を蓄積するであろう。
【数１】
2018138699.tif 000003
【０１３１】
Ｃａｎｎｙステップに説明される初期位置から開始して、生成されている各画素は、ｘ方向に進行するであろう（ｘｉ＋１＝ｘｉ＋１）。総誤差はまた、方程式２に示されるように、更新されることができる。しかしながら、いったん誤差が、閾値０．５を超えると、生成される次の点のｙ座標は、１だけ増加するであろう（ｙｉ＋１＝ｙｉ＋１）。総誤差は、次いで、その値から１を減算させるであろう。
【数２】
2018138699.tif 000004
【０１３２】
いくつかの実施形態では、同一の手順が、急勾配の線に対しても使用されることができるが、誤差項は、反転され、新しく生成された点のｙ−値は、方向がインクリメントされる。本手順を使用することによって、線は、最小計算時間を使用することによって、オリジナル直線に近い近似値で生成されることができる。後のプログラムにおいて呼び出され得るように、線が任意の配向において高速で見出されることを可能にする、別個の関数もまた、生成されることができる。
【０１３３】
いくつかの実施形態では、プログラムが、各線を再現するにつれて、加重は、周囲画素に対して追加されることができる。Ｂｒｅｓｅｎｔｈａｌのアルゴリズムで作成された新しく生成された画素毎に、例えば、急勾配な線のために左および右に位置する画像は、熱マップ上の値が増加される。画素に対する新しい強度値は、方程式３を使用して判定されることができ、σは、当該画素から生成されたばかりのＢｒｅｓｅｎｔｈａｌの画素までの距離である。
【数３】
2018138699.tif 000005
【０１３４】
実際の線に対して１の強度値から開始して、強度は、画素が線から位置する距離に正比例して減少され得る。いくつかの実施形態では、本加重は、線の外側に１０画素（または、他の好適な距離）延在し、各薄い樹枝状晶間の間隙が部分的に充填されることを可能にすることができる。これは、アクティブ輪郭が、メルトバック深度を追跡するために後に使用され得るように、線がサンプルの面積全体をより良好に表すことを可能にするために有用であり得る。いくつかの実施形態では、少量の加重がまた、各線の上部および底部の両方に追加されることができる。付加的加重は、アクティブ輪郭が、強度がゼロ（無単一結晶を示す）に近い値から高値に急変する場合より良好に単一結晶面積のエッジに適合することを可能にする。いったん各線が、熱マップ上に再現されると、アクティブ輪郭関数が、呼び出されることができる。
【０１３５】
いくつかの実施形態では、図３３に示されるように、熱マップは、次いで、外部力として使用されることができる。本構成では、初期アクティブ輪郭は、基板の底部線および既知の厚さを使用して見出され得る、基板のオリジナル上部の場所に沿って置かれることができる。輪郭をオリジナル基板／粉末相互作用層に置くことによって、概して、任意の他の場所よりメルトバック深度により近接するであろう。これは、実行時間の量を最小限にし、また、その経路内の極大値の量を減少させる。図３４に示されるように、アクティブ輪郭は、サンプルを横断して進行するにつて、極大値を迂回することが可能である。図に示される線の色は、アクティブ輪郭の反復ステップを示し、赤色は、後のステップを示す。
【０１３６】
いくつかの実施形態では、熱マップの外部力によって影響されるため、わずかな上向きの力が、アクティブ輪郭上に付与され得る。これは、熱マップ上に見出されるより低い点により良好に適合することを可能にすることができ、かつ非溶融から処理済みへの材料の実際の遷移により近接する近似値を生成することができる。上向き力を含む別の理由は、サンプル中の融合の欠如、すなわち、堆積される粉末が下層基板と継合されない可能性に関係する。これらの点では、熱マップ上に殆どまたは全く強度が見出されず、その輪郭の面積を基板の上部の若干上方に上昇させるであろう。これは、メルトバック深度が存在する場合、より良好なコントラストを可能にすることができるが、但し、非常に浅い深度および／または融合が欠如している場所においてである。本輪郭の上昇は、図３５に見られ得、後の分析におけるいくつかのインスタンスにおいて使用されることができる。
【０１３７】
いくつかの実施形態では、いったん輪郭が、２つの後続反復に対して、定位置でもはや偏移しない点に到達し、線の総エネルギーが一定または略一定となると、アクティブ輪郭は、完成と見なされることができる。当然ながら、他の反復も、例えば、材料、条件、および最終製品仕様に応じて、使用されることができる。最終出力が、次いで、その上に描かれた最終輪郭を伴う画像を示す、図３６に見られるように行なわれる。いくつかの実施形態では、アクティブ輪郭は、図上のドットとして見られる、具体的間隔を伴う点のリストから生成されることができる一方、点間の補間線には、アクセス不可能である。しかしながら、輪郭点とともに、Ｂｒｅｓｅｎｈａｍのアルゴリズムを使用することによって、画像全体を横断するメルトバック線を表す、完全な線が、組み立てられることができる。
【０１３８】
単一結晶合金における詳細樹枝状晶追跡
概して、ＣＭＳＸ−４等の単一結晶合金中のメルトバックを見出す際、サンプルは、新しい単一結晶堆積物場所に関する大量の情報へのアクセスを有することに依存する。本情報は、メルトバックが追跡されることが可能な情報の量であるため、必ずしも、各樹枝状晶に関して正確である必要はない。しかしながら、樹枝状晶の配向の角度および平均一次幹幅を見出すとき、より少ない回数であるが、より優れた品質の樹枝状晶追跡をもたらす、より詳細な分析が、望ましい。
【０１３９】
樹枝状晶の粗分析が、プログラムの初期に使用される主な理由は、二次樹枝状晶の干渉によるものである。言い換えると、一次樹枝状晶からのこれらの小さい垂直側枝は、一次樹枝状晶場所の追跡を試みるとき、干渉をもたらし得る。いくつかの実施形態では、したがって、樹枝状晶の詳細な追跡を行なう際の第１のステップは、二次樹枝状晶の影響を低減または排除することである。これを行なうために、初期樹枝状晶追跡関数の間に見出されるＣａｎｎｙエッジデータが、使用されることができる。各保存されたエッジの開始点と終了点との間に直線を生成するために以前に従った同一の手順を使用することによって、画像は、線に近接近する画素のその方向に若干不鮮明化されることができる。
【０１４０】
これを行なうために、各線の周囲の面積は、方程式１０のＧａｕｓｓｉａｎカーネルを用いて畳み込まれる（σは、１０に等しい）。本１−Ｄカーネルは、方程式５の回転行列を使用することによって、線の角度だけ回転されることができる。
【数４】
2018138699.tif 000006
【０１４１】
最後に、線の周囲の着目面積は、方程式６を使用することによって、回転されたカーネルを用いて畳み込まれることができる。本構成では、畳み込みは、当該線上の任意の点の１０画素内で行なわれることができる。当然ながら、これは、必要に応じて、調節されることができる。本手順は、以前に追跡された線毎に繰り返されることができ、これは、各個々の線が、方程式に見られる総和項ａおよびｂを境界する、その周囲の小領域のみに影響を及ぼすかを説明する。各不鮮明化の試みを局所的に保つことは、以前の区分からの不良追跡樹枝状晶によって生じる誤差の伝搬を最小限にする。
【数５】
2018138699.tif 000007
【０１４２】
したがって、初期樹枝状晶追跡は、高度に正確ではなかったが、各樹枝状晶の全般的方向が見出され、不鮮明化効果が、二次アームを減少させることを可能にした。本方向における不鮮明化によって、一次樹枝状晶形状は、大きく影響されないままであって、二次樹枝状晶強度は、図３７ｂに示されるように、減少される。
【０１４３】
いくつかの実施形態では、全トレースされたエッジを使用することによって、画像を不鮮明化後、画像は、次いで、例えば、拡張、次いで、侵食を含む、閉鎖動作を受けることができる。これは、低値外れ値を除去することができ、かつ高強度領域を継合することができ、各樹枝状晶の幹をより良好に強調させるのに役立ち得る。
【０１４４】
いくつかの実施形態では、基本樹枝状晶分析の間に保存されたＣａｎｎｙエッジ検出線が、再び、呼び出されることができる。本構成では、各線の開始点が、サンプル内の一次樹枝状晶の可能性として考えられる場所として使用され、樹枝状晶のためのより精緻化された検索を有する関数を可能にすることができる。単一点が、各Ｃａｎｎｙ線の開始場所にシードされることができ、その後、別個の手順が、使用されることができる。単一点から、熱マップ上のそれを囲繞する面積が、最強強度を保持する方向に対して検索されることができる。見出された方向では、新しい点が、先行点から所定の距離（例えば、５画素または約１５ミクロン）に生成されることができる。これは、αと称される、生成された線の角度が判定される前に、ある回数（例えば、５回）反復されることができる。いったん角度が見出されると、生成される任意の将来的点に対する方向は、方程式７に示されるように、角度の公差内となるであろう（θは、当該調査点と線に対する開始点との間の角度を表す）。
【数６】
2018138699.tif 000008
【０１４５】
これは、一次樹枝状晶が直線特徴である傾向があるため、望ましい。その結果、角度の著しい変化は、異なる樹枝状晶またははぐれ結晶粒形成を示す。Ｃａｎｎｙエッジ点から線を生成し、その成長方向を限定することは、したがって、追跡され得る樹枝状晶の数を限定することができるが、両技法とも、誤検知の可能性を回避するために望ましい。図５１は、ＣＭＳＸ−４画像がオーバーレイされた詳細な分析を使用して追跡された樹枝状晶を描写する。
【０１４６】
いくつかの実施形態では、高強度方向の場所が、見出されると、新しい点を生成する前に、強度レベルは、閾値と比較されることができる。この場合、閾値は、確認される長さに沿った単一画素が、略ゼロである場合、容認不可能であるほど高い。これは、線が、２つの近接して整合される樹枝状晶間を飛び越えないように防止するだけではなく、また、低平均画素密度を有する方向を最小限にする。複数の方向における５画素からの強度の総和のいずれも、閾値を上回らない場合、線は、終端される。いくつかの実施形態では、総線長は、有意性を有するほど十分に長いかどうか確認されることができる。完成された線が、十分に長い場合、各点は、後の使用のために保存されることができる。
【０１４７】
本手順は、画像全体を通して、全Ｃａｎｎｙエッジ開始点に対して従われることができるが、線は、好ましくは、相互の上部に形成されず、経路を交差しない。最終結果は、概して、以下の図３９に見られるように、一次樹枝状晶幹の正確な追跡を伴う、サンプルの長さを横断して位置する、数十から数百の線となる。
【０１４８】
いくつかの実施形態では、熱マップが、各正確な樹枝状晶追跡の開始および終了点を使用して生成された後、ＣＭＳＸ−４メルトバック線を見出すときに使用された手順が続くことができる。その２つの間の差異は、各正確な樹枝状晶線が、メルトバック手順において見出されたものより画素にさらに影響を及ぼす傾向にあることである。これは、はるかに厳格な基準の結果として、以前より少ない線が存在するため、望ましい。その結果、それらは、より多くの基線を覆うはずである。再び、画素の強度は、実際の線へのその近接性に正比例し、したがって、新しく追加された値は、非常に小さくなる傾向となる。
【０１４９】
ＣＭＳＸ−４のメルトバック深度を見出すときと同一の誘導線に従った後、アクティブ輪郭が、サンプルの上部に沿って確立されることができる。本線は、次いで、図４０に見られるように、追跡された樹枝状晶の上部におけるＳＸ終端点に到達するまで、下向きに伝搬する。
【０１５０】
画像が小さいとき、垂直単一結晶成長と等軸または誤配向区分との間の遷移を認めることは困難であり得る。その結果、図４１は、領域を横断する実際の終端点に近接する近似値を示す、等軸遷移場所に対する単一結晶におけるＳＸ終端線のより接近したビューを描写する。ＳＸ高さ輪郭の最も問題となる面積は、大規模なはぐれ結晶粒の発生である。小規模なはぐれ結晶粒は、図４１の中心近傍に見られ得るが、本サイズでは、いかなる過度の問題も生じさせない。しかしながら、本システムは、画像のはぐれ結晶粒の全てを特定し、追跡するように修正され得る。
【０１５１】
いくつかの実施形態では、樹枝状晶の角度が、次いでｘ−軸、すなわち、サンプルの長さに沿った場所とともに生成された線毎に見出されることができ、角度は、さらなる分析のために保存されることができる。いくつかの実施形態では、追跡された最長樹枝状晶のみ、本微小構造特徴のためのデータを提供し、より正確な表現を与えるために使用されることができる。しかしながら、点は、必要とされる基板に対する角度であるため、概して、メルトバック線近傍で終端する。図４２は、ｙ−軸に沿った一次樹枝状晶の角度およびｘ−軸に沿ったサンプルの長さとともに示される、単純プロットを描写する。
【０１５２】
最後に、いくつかの実施形態では、一次樹枝状晶幹の幅は、その全長に沿った線毎に見出されることができる。以前に生成された熱マップは、次いで、以前のステップにおいて不鮮明化された樹枝状晶幹から二次成長への遷移が、強調されるように、ｘ−方向に区別される。線内で生成された点毎に、例えば、５画素毎に、幹から二次成長への遷移が、点の左右に見出されることができる。
【０１５３】
これを効率的に達成するために、中心樹枝状晶幹面積は、画像内で切り取られる、またはそれに近接すると仮定が行なわれ得る。幹の中心面積は、多くの画素に及ぶため、本仮定は、方程式８および９におけるように示されることができる。次いで、ゼロに等しくない一次導関数を有する画素を探すために、当該点の左右に対して、検索が行なわれることができる。
【数７】
2018138699.tif 000009
【０１５４】
一般に、樹枝状晶幹の内部は、そのエッジ近傍の値にわずかな変動を有し、これは、考慮される。いくつかの実施形態では、一次導関数画素の非ゼロ値が、特定されるとき、複数の樹枝状晶幹の分析を通して、大きい閾値（例えば、２０）に対して確認されることができる。当該画素が、閾値を下回る場合、幹のエッジではない可能性が高く、二次閾値として、当該画素を若干上回る値が、保存されることができる。検索が続くにつれて、当該画素が、本第２の閾値を超える場合、幹のエッジであると仮定されることができる。その点における熱マップの二次導関数を探すことによって、次いで、終端点が幹の左または右側にあるかどうか判定することができる。
【数８】
2018138699.tif 000010
【０１５５】
いくつかの実施形態では、検索は、生成された輪郭からのオリジナル点の左右両方に対して、検索が行なわれることができる。オリジナル点の右に対して行なわれる検索が、右側終端を見出す結果をもたらさない場合、見出されたデータは、誤差傾向として標識されることができ、かつ除外されることができる。いくつかの実施形態では、本同一の分析は、左側にも行なわれることができる。本確認は、動作の間、問題を緩和するのに役立ち得る。
【０１５６】
点毎に本分析を完了後、平均が、樹枝状晶に対して見出され、サンプル長に沿った場所に対して保存されることができる。図４３は、正確な樹枝状晶に対する開始および終了点を使用することによって、赤色線で示されるように、一次樹枝状晶幹の中心近傍に直線を描く。２つの青色線は、オフセットで生成され、樹枝状晶長に沿って、平均幅を表す。
【０１５７】
等軸合金におけるメルトバック深度追跡
ＣＭＳＸ−４および他の単一結晶超合金と異なり、等軸超合金は、概して、基板から再溶融された領域（メルトバック線を示す）へのクリアな遷移を有していない。例えば、本スケールで図４４を見ると、メルトバック線が全長に横断する場所を認めることは困難である。
【０１５８】
いくつかの実施形態では、したがって、いくつかのステップが行なわれ、メルトバック線を横断して変化する、Ｒｅｎｅ−８０等の等軸合金内で見出される小特徴を探すことによって、画像内の遷移点をより良好に実現化することができる。いくつかの実施形態では、第１のステップは、適切なカーネル（例えば、１１×１１）を使用することによって、画像の各画素の平均をとることであり得る。これは、堆積される材料が、それを横断してより微細な変動量を有するだけではなく、また、鋳造区分より若干強度が低くなる傾向にあるため、行なわれ得る。図４５に示されるように、メルトバック線は、より視認可能となるが、いくつかの面積は、依然として、問題であって、さらなる処理が、メルトバック線が単離され得る前に完了されなければならない。
【０１５９】
いくつかの実施形態では、サンプルを単離する際に見出された上部および底部線を使用することによって、基板の底部およびサンプルの上部に沿って検索することによって、２つの領域に対する平均画素値が、判定されることができる。上側値と下側値との間の強度値を使用することによって、その量を画像から減算し、基板の大部分を正にする一方、新しく堆積された領域を負にすることによって、基板と再溶融された領域との間により際立ったコントラストを与える。開放アルゴリズムが、次いで、画像上で使用され、別個の特徴をより良好に接続し、高強度場所に見出された孔を充填することができる。いくつかの実施形態では、画像は、次いで、図４６に示されるように、ゼロ値閾値を使用することによって、二値化画像に変換されることができる。本結果として生じる画像は、基板から処理区分への遷移を視覚的に容易に視認可能にする。
【０１６０】
本データマップは、メルトバック深度における良好なコントラストを提供するが、いくつかの面積は、具体的には、図４６におけるサンプルの端部近傍において、依然として、遷移を示す値を欠いている。例えば、画像の右側に沿って基板の内側に位置する青色領域は、アクティブ輪郭にそれを新しく処理された区分の一部であるように取り扱わせ、誤検知を与えるであろう。基板内の大きな青色領域と新しく形成された区分内の青色領域との間の主な差異は、基板面積が、依然として、赤色の島に近接近していることである。本理由を使用することによって、したがって、赤色点として図４６に示される、ゼロ画素に対する各画素の近接性を査定するために、付加的ステップが、行なわれ得る。
【０１６１】
いくつかの実施形態では、画像の距離変換が、Ｅｕｃｌｉｄｅａｎ距離を使用して行なわれることができる。二値化画像の距離変換は、方程式１２に従って、最近接非ゼロ画素までの距離によって、各画素、または行列が３−Ｄ以上である場合、ボクセルを示すことができる。ｄ（ｐ、ｑｋ）項は、方程式１３のＥｕｃｌｉｄｅａｎ距離を利用して、オリジナル画素ｐと画像Ｐ内に位置する潜在的画素ｑとの間の距離を見つけることができる。これは、列挙されたＳのセット内の全点ｋに対して繰り返されることができ、最小経路が選定される。
【数９】
2018138699.tif 000011
【０１６２】
これは、図４７に示されるように、最近接非ゼロ画素からの各画素距離を示す、テンプレートを提供する。
【０１６３】
いくつかの実施形態では、２つのマップをオーバーレイさせる一方、距離マップ画像より二値化画像に強調を置くことによって、基板とサンプルの再溶融された区分との間の詳細な遷移を提供する一方、二値化画像内に見出される誤差を最小限にすることができる。メルトバック線は、図４８に示されるように、サンプル内の良好な一貫性とともに見出され、二値化距離マップの含有とともに、アクティブ輪郭は、極小値の区分を迂回することができる。
【０１６４】
オリジナルの非改変画像を使用することによって、メルトバック遷移を認めることが困難であるため、より近接した観察が、より良好な可視化を提供するのに役立ち得る。図４９に見られるように、画像の上側部分の新しく処理された区分は、メルトバックを見出すために使用される主分離点である、より大きい量の強度変動を有する。
【０１６５】
いくつかの実施形態では、メルトバック深度を見出すとき、アクティブ輪郭が、最初に、基板の底部近傍に生成され、次いで、上向きに伝搬する。図５０は、前述の解決策に収束させるために講じられ得る、アクティブ輪郭ステップを描写する。特に着目すべきは、問題のある面積が前述された領域内の画像の右側である。図から分かるように、アクティブ輪郭は、極大値面積を迂回可能であった。ある画素から高強度画素までのＥｕｃｌｉｄｅａｎ距離を使用して生成された第２の熱マップに、より大きい加重が与えられている場合、本面積は、ほとんど問題がないであろうことに留意されたい。しかしながら、それを行なうことによる意図されない結果は、メルトバック深度における遷移がほとんど目立たないことであろう。
【０１６６】
亀裂および細孔追跡
亀裂および細孔を特定すとき、画像の一次特徴は、周囲Ｂａｋｅｌｉｔｅの強度と密接に関連付けられるため、空洞内に見出される強度値である。したがって、本情報に基づいて、画像上の閾値を使用することによって、二値化画像が、図５１に示されるように、生成されることができる。これは、赤色で示される細孔および亀裂のみが、サンプルの本体から判別可能である、略理想的状況をもたらし得る。
【０１６７】
いくつかの実施形態では、二値化画像内で接続された構成要素を追跡するアルゴリズムを使用することによって、前述の画像に赤色で示される各区分のリストが、単離されることができる。実質的に、画像の全画素が、検索されることができ、それぞれ、１またはゼロのいずれかである。亀裂または細孔を示す、ゼロ値画素が、見出されると、洪水アルゴリズムが、使用されることができる。洪水アルゴリズムは、同一の特性、この場合、ゼロ値画素の全接続される点を見つける。開始画素から、各近隣画素が、調査されることができる。検索された画素が、着目値である場合、洪水区分内の画素として記録されることができる。新しい反復毎に、洪水区分に対する各近隣画素は、付加的画素が見出されなくなるまで確認されることができる。ステップ毎に、新しく追加された画素もまた、複製のために検索され、適宜、トリミングされることができる。
【０１６８】
いくつかの実施形態では、各列挙された洪水区分は、次いで、複数の基準に対して検索され、その関連性およびタイプを確立することができる。最初に、構成要素の面積が、例えば、判定されることができる。次に、追跡される物体の主軸が、呼び出され、Ｍとして示される半径とともに、理論的面積を見つけるとき、円形の直径として使用されることができる。完璧な円形を表す、計算された面積と、当該構成要素の実際の面積を比較することによって、亀裂は、細孔と区別されることができる。亀裂は、例えば、亀裂の長さに沿って延在する、長い主軸を有する傾向にあり、大きい理想的円形面積を生成するであろう。本面積と実際の亀裂面積を比較することによって、数字は、１に向かう傾向にあり、より円形性質の細孔と対照的に、ゼロに向かう傾向となる。
【数１０】
2018138699.tif 000012
【０１６９】
前述の方法を使用することによって、物体が細孔または亀裂であるかを最も良く判定するために、いくつかのサンプル形状を検討することが望ましくあり得る。図５２は、試験された物体群を描写する。画像から分かるように、円形と線状形状との間には、鮮明なコントラストが存在する。しかしながら、いくつかのインスタンスでは、それら２つを区別する際に問題があり得る。その結果、問題となる形状を容易に視認可能にするであろうシステムが、プログラム中に組み込まれている。このように、当該形状が、検索時、亀裂または細孔のいずれかとして同定されるであろう。この時点において、実験者が、形状が該当するリストおよび補正措置が必要であるかどうかを変更することは容易である。
【０１７０】
いくつかの実施形態では、その真円度に関して、画像内で見出された各構成要素を確認後、最終結果が、後の使用のためにテーブル化され、図５３に見られるように、オリジナル画像上に示されることができる。最終出力画像上では、細孔は全て、赤色で強調され、亀裂は、青色で強調され、問題となる形状は、緑色で示される。示されるように、問題となる形状の数は、サンプル内の細孔および亀裂の総数に対して非常に比率が低く、通常、ゼロに近い。それでもなお、本色体系は、動作の高速かつ容易な目視検査を可能にする。
【０１７１】
先行技術システムに優る本開示される細孔および亀裂追跡プログラムは、細孔および亀裂を認識するだけではなく、また、それらがメルトバック線に対してある場所を追跡することができる。これは、材料の鋳造区分および新しく形成された堆積物において見出される特徴を分離することができ、これは、ＳＬＥプロセスを開発するためのさらなる有意性である。
【０１７２】
データ保持
各サンプルが、前述の微小構造認識プログラムの全てを使用して分析されるにつれて、データは、好ましくは、後の使用のために編成および保存される。いくつかのデータは、当該サンプルのためのレーザのパワーレベル等、単一値の形態である一方、その他は、数千のセル長のベクトルである。その結果、サンプル別に情報を編成しようとする任意の試みは、好ましくは、これらの異なるタイプを含有することが可能である。
【０１７３】
いくつかの実施形態では、種々のフィールドおよびデータを保持することができる、構造アレイが、本情報を保存するために、Ｍａｔｌａｂまたは類似プログラムにおいて使用されることができる。このように、ＣＭＳＸ−４およびＲｅｎｅ−８０等の合金はそれぞれ、分析されるサンプル毎に情報の全てを含有するために、その独自の構造アレイを有することができる。新しいサンプルが調査されるにつれて、新しい構造が、その具体的サンプルのための構造アレイに追加されることができる。これは、ますます増加する数のサンプルが、後続実験に追加されることを可能にする。表２は、ＣＭＳＸ−４およびＲｅｎｅ−８０のための当該サンプルに関する情報である、各構造と関連付けられた例示的フィールドを描写する。
【表２】
2018138699.tif 000013
【０１７４】
データ分析
最初に、特徴をより良好に視覚化するために、いくつかの方法が、微小構造調査段階において収集された情報を解釈するために利用されることができる。過去に、異なるサンプルを視覚的に比較し、微小構造特徴とＳＬＥ設定との間の関係を見つけようするとき、唯一のアプローチは、コンピュータペーパー上に画像を印刷し、それらを隣り合わせに並べることであった。しかしながら、Ｍａｔｌａｂ構造に保存された情報を使用することによって、現在は、情報をプロットし、所望に応じて、複数の線を同一のプロット上にオーバーレイすることが可能である。事実上、メルトバック深度または堆積物高さ等の任意の連続特徴が、これらの特性を対比するために、線としてプロットされることができる。多くのサンプルが、プロットされることができるが、いくつかの比較は、他よりも優れた有意性を保持する。例えば、レーザパワー等、それらの間で変化する１つのみのＳＬＥパラメータを有するサンプルをプロットすることによって、示される特徴との一次相互作用が、より良好に視覚的に比較されることができる。図５４は、設定の唯一の変化がレーザパワーである場合の２つのサンプルを比較するプロットを示す。示されるように、これは、パワー設定が、メルトバック深度に関して非常に有意性を有することを強調する。
【０１７５】
いくつかの実施形態では、時間および努力を節約するために、同一の材料（例えば、ＣＭＳＸ−４またはＲｅｎｅ−８０）の全サンプルを通して検索し、単一パラメータが変更されるサンプル群の全てを見出すために、関数が、生成されることができる。前述のようなプロットが、次いで、全特徴の有意性を示す群毎に生成されることができる。これは、関連情報が、実験者に中継され、例えば、個々のパラメータ変化によって生じる低次の影響の観察のさらなる機会を与えることができる。
【０１７６】
いくつかの特徴は、単一線として容易にプロットされることができず、その発生を最も良く特徴付ける方法で表される。例えば、細孔および亀裂特徴検出の場合、出力は、サンプルに沿った全細孔および亀裂のリストであることができる。このように、デルタプロットが、情報を視覚化するために有利な方法であり得る。図５５ａ−５５ｂは、同一のサンプルから生成された２つのプロットを示し、各ピーク値は、細孔または亀裂のいずれかを示す。これらのプロットはまた、相互上にオーバーレイされ、異なるサンプル間の比較を可能にする、異なるサンプルを有することができる。これは、細孔および亀裂の両周波数のための良好な表現を提供することができる一方、また、それらが位置する場所の指示子を与える。それぞれの合計もまた、容易にテーブル化され、ユーザに、異なる試料を比較するための単一値を与えることができる。
【０１７７】
他の実施形態では、追跡され得る、別の一意の特徴は、下層基板の樹枝状晶角度に対して新しく形成される材料の一次樹枝状晶の角度である。追跡される各樹枝状晶の場所は、その場所における樹枝状晶の角度とともに、構造アレイ内に保存されることができる。ｘ−軸に沿ったサンプル長およびｙ−軸上の樹枝状晶の角度とともに、プロットを出力することは、図５６に示されるように、個々のサンプルを横断する樹枝状晶角度の可視化を提供することができる。また、サンプルの角度データ毎に、線形または二次適合線をプロットし、微小構造特徴のより単純な解釈を提供することも可能である。
【０１７８】
最後に、いくつかの実施形態では、種々の微小構造特徴は、データ適合を受け、パラメータを当該特徴に最も良く適合させる方程式を見つけることができる。これは、例えば、２つの別々のステップ、すなわち、窓タイプおよび適合タイプを使用して、行なわれることができる。各サンプルは、特徴に関して追跡された情報を分析のためにより小さいサブセットに窓化させることができる。例えば、サンプル全体を包含する、単一窓として開始することができ、次いで、それぞれ等サイズの２つ、３つ、および４つの窓に増加されることができる。
【０１７９】
データ適合方程式が、次いで、窓毎に見出されることができる。本適合を見つけると、線形方程式が、試みられ、二次方程式、最後に、例えば、（パワー）×（走査スピード）のような影響を組み合わせる、結合方程式が続くことができる。いくつかの実施形態では、これらのデータ適合方程式はそれぞれ、次いで、単一窓に対する正確度が確認されることができ、最良選択肢が、保存されることができる。これが、単一サンプル内の窓毎に試みられた後、最良データ適合方程式の全てに対する正確度が、見出され、保存されることができる。本大域適合は、次いで、窓サイズ毎に比較され、最も正確な表現を提供するであろう方程式を見出すことができる。
【０１８０】
いくつかの実施形態では、いったん理想的データ適合方程式が、サンプルに対して見出されると、方程式の数（最良窓サイズに基づく）が、判定されることができ、各方程式の定数が、精査されることができる。最良タイプのデータ適合方程式の検索を行なうとき、関連項は全て、使用され、したがって、二次方程式を試みるとき、各パラメータは、線形および二乗項を有し、検索を簡略化することができる。この時点において、少数の方程式のみ、精査される必要があるとき、方程式内の各項が、その重要性に対して検索されることができる。
【０１８１】
サンプル毎の完全セットのデータ適合方程式を用いて、一式の予測点が、その不確実性の程度とともに計算されることができる。これらの予測の組み合わせを使用することによって、今後の試験のために、プロセスマップ上の着目面積を描写する、大域マップが、生成されることができる。いくつかの実施形態では、検索が、プロセスマップの２つの面積、すなわち、（１）予測毎の高確実性の場所と、（２）中間確実性に対する面積において行なわれることができる。高確実性は、良く検討された場所を示し、予測値に対して高信頼性を与える。一方、中間確実性予測は、若干、試験面積を越えて延在するものである。最良予測が、次いで、これらの確実性タイプのそれぞれに対して見出され、比較されることができる。
【０１８２】
最良点が、例えば、中間確実性面積内に位置する場合、さらなる検討が、プロセスマップのために必要とされ得る。その結果、一部実施要因ＤＯＥが、見出された最良点の領域内に生成され得る。しかしながら、最良点が、高確実性領域内に位置する場合、さらに検討が、必要とされる可能性はない。代わりに、応答曲面ＤＯＥが、当該面積の詳細な分析を提供するために完了され得る。
【０１８３】
二次樹枝状晶アーム間隔追跡
いくつかの実施形態では、本システムは、単一結晶堆積物中に見出される二次樹枝状晶アームの追跡のために使用されることができる。二次樹枝状晶アーム間隔は、材料が固化するにつれた冷却率によって影響される。その結果、プロセスの間または異なるサンプル間においてそれがどのように変化するかを把握することは、溶融プールが、動作の間、どのように挙動するかの洞察を提供することができる。二次アームは、例えば、一次樹枝状晶幹幅情報を使用することによって、追跡されることができる。言い換えると、幹が終了する場所および二次アームが開始する場所を把握することは、検索が、トレースされた区分をわずかに越えて行なわれ得ることを意味する。このように、一次樹枝状晶アームをより良好に例示するために使用される手順は、代わりに、二次アームを強調するように修正されることができる。例えば、一次樹枝状晶角度に垂直方向における不鮮明化は、二次アームのよりクリアな画像を提供する一方、一次樹枝状晶を緩和させることができる。
【０１８４】
はぐれ結晶粒追跡
例えば、ＣＭＳＸ−４サンプルでは、はぐれ結晶粒形成（その場所およびサイズの両方）を追跡することが有益となるであろう。はぐれ結晶粒の数は、好ましくは、加工の間、最小限にされ、したがって、それらがどのように生成されるかのさらなる洞察を得ることは、有益であると証明され得る。はぐれ結晶粒形成は、Ｎｉ系超合金溶接技法に関する研究の共有分野であって、本産業において大きな注目を集め続けている。
【０１８５】
最も主要なはぐれ結晶粒は、追跡された一次樹枝状晶を含有しない単一結晶ゾーン内の領域を調査することによって見出されることができる。例えば、垂直方向に近接する角度を見つける手順を使用する代わりに、いくつかの他の角度において検索を行なうステップが行なわれることができる。概して、単一結晶ゾーンと比較して、不規則な角度でこれらの面積を一次樹枝状晶に関して確認することは、はぐれ結晶粒を示し得る。別の技法は、多くのはぐれ結晶粒が、メルトバック線に形成されるという事実を使用する。これは、主はぐれ結晶粒を検討するためにより小さい面積を提供し、プロセスを簡略化することができる。
【０１８６】
さらなる試験
前述で詳述されたデータ分析および適合動作は、実質的に、ＣＭＳＸ−４およびＲｅｎｅ−８０部品に関して現在利用可能な全情報を利用する。いくつかの実施形態では、したがって、改良された分析およびさらなる関連は、材料毎の試験の数を増加させ、微小構造調査プログラムを実行し、付加的セットのデータ適合行程を行なうことによって見出されることができる。前述のシステムは、今後の試験が、現在の情報とともに容易に含まれ、データセットの容易な拡張をもたらすことを可能にする。
【０１８７】
空隙緩和
例えば、Ｒｅｎｅ−８０内に見出される空隙を調査するとき、レーザパワー、走査スピード、または繰り返しと、結果として生じる空隙との間に、相関は、見出されなかった。空隙の主要原因は、概して、溶融プール中の不純物が、不良な再固化を生じさせることであるため、一連の実験が、空隙形成を低減するために行なわれることができる。例えば、粉末が、どのように調製され、基板上に装填されるか、およびチャンバ内の動作条件を追跡することによって、データ適合プログラムが、適用されることができる。
【０１８８】
付加的ＤＯＥ研究
今後の改良のための別の分野は、プログラムのＤＯＥ部分である。現在、プログラムは、２つのタイプの実験設定、すなわち、一部実施要因または応答曲面を提供する。これらの２つのタイプは、プロセスを検討およびマッピングする際、最も重要な設計を提供するが、付加的ステップも、適用されることができる。ある場合には、３つのレベル要因のために設計された一部実施要因ＤＯＥの一種である、ＴａｇｕｃｈｉＬ９等の他のタイプのＤＯＥが、使用されることができる。本システムはまた、改良された一部実施要因発生器を使用することができる。例えば、本システムに、大域データに対する直交性を最大限にしながら、より有用な情報を提供するために回転される能力を与えることは、一実施例である。
【０１８９】
ＳＬＥプロセスのフィードバック制御
加法的製造の分野へのリアルタイムフィードバック制御の追加は、過去にその分野において行なわれた研究の相対的欠如および適切な制御が加法的プロセスを介して製造可能な部品の品質に及ぼし得る潜在的影響のため、非常に着目される分野として、加法的製造に対するロードマップの標的となっている。いくつかの実施形態では、したがって、本システムは、ＳＬＥプロセスを制御し、より高い再現性、より優れた均一性、および機能傾斜微小構造を可能にするためのリアルタイムフィードバック制御システムの開発を含むことができる。
【０１９０】
前述のように、ＳＬＥのための開ループ制御または他の関連技術を使用して、高品質堆積物を生成するためのプロセスマップを開発することが可能である。しかしながら、これらのプロセスマップを開発するときの懸念の１つは、特に、高温タービン構成要素を生産するために使用されるもの等、特殊材料を使用するとき、効果かつ時間がかかるプロセスであり得ることである。加えて、現在の加法的製造プロセスは、処理の間の擾乱または異常を考慮することが不可能であって、潜在的に、再現性に関する問題につながる。しかしながら、数百または数千の層から成る多層部品を生産するとき、いかなる層にも含有物または問題となるスポットが存在しないことを確実にすることが重要である。部品中のいかなる欠陥も、タービンエンジンの高温区分等の高性能用途に対して、使用不可能であると見なされる可能性が高い。
【０１９１】
一方、ＳＬＥプロセスのリアルタイムフィードバック制御は、プロセスの再現性を増加させ、開ループ制御より微小構造の厳密な制御を可能にする一方、適切なパラメータを開発する前に要求されるサンプルの数を減少させることができる。リアルタイムフィードバック制御は、ＳＬＥプロセスのさらなる開発における主要所望のうちの１つに対処し、処理の間の幾何学形状の変化または擾乱に対してロバストにすることによって、規定された機能傾斜微小構造の多層構成要素を生産することを可能にすることができる。
【０１９２】
いくつかの実施形態では、これらの制御方式は、ＳＬＥのために開発された複合オフラインモデルによって生成される事前に定義された温度プロファイルの追跡を可能にすることができる。現在、ＳＬＥプロセスをモデル化するために開発されている物理的ベースのオフラインモデル５７００の概要は、図５７に示される。本システムは、微小構造予測５７５５および応力分析５７７０を備えることができる。いくつかの実施形態では、システム５７００は、部品特性（すなわち、修復または製造される物体）に関する部品モジュール５７９０と、システムモジュール５７９５とを備えることができる。
【０１９３】
部品モジュール５７９０は、入力として、特性５７０５および走査パラメータ５７１０を備えることができ、限定ではないが、熱伝導率５７１５、境界規約５７２０、溶融および再固化５７２５、放射５７３０、結合熱伝達５７３５、流体対流５７４０、およびＭａｒａｎｇｏｎｉ効果５７５０を含む、いくつかのプロセスパラメータを追跡することができる。これらの要素は、微小構造予測５７５５および応力分析５７７０への入力として作用することができる。
【０１９４】
一方、システムモジュール５７９５は、システムに入力され得る、焼結モデル５７７５、粉末堆積層放射５７８０、および基板温度分布５７８５を含むことができる。システムモジュール５７９５はまた、Ｓａｕｎｄｅｒデータベース５７６０および走査パラメータ５７６５を入力として受信することができる。システムモジュール５７９５は、微小構造予測５７５５および応力分析５７７０への付加的入力を提供することができる。
【０１９５】
いくつかの実施形態では、ＳＬＥプロセスの包括的物理的ベースのモデルは、例えば、限定ではないが、熱伝達、流体流量、および固化特性を考慮する、組み合わせられた計算流体動態および有限体積分析モデルであることができる。モデルは、どの微小構造がある動作パラメータ下で生産されるかと、どの動作パラメータが特定の所望の微小構造特性を生成するために要求されるかの両方の予測を開発するために使用されることができる。本包括的モデルの利用は、本オフラインモデルによって開発されたパラメータおよび温度場を実装するためのリアルタイム制御方式の開発と併せて、ＳＬＥプロセスを介して、機能傾斜微小構造を伴う異種多機能構成要素の生産を可能にすることができる。
【０１９６】
ＳＬＥプロセスのためのリアルタイム制御方式に関われる構成要素の図式的概要は、図５８ａに示される。システム５８００は、例えば、限定ではないが、ｍｕｌｔｉ−ｐｈｙｓｉｃｓまたは他の好適なシミュレーション５８０５、コンピュータ５８１０ａおよびコード５８１０ｂを備える、制御システム５８１０、パワー変調器５８１５、レーザ５８２０、１つ以上の検流計５８３５を備えることができる。制御システムの重要な構成要素は、赤外線撮像カメラ５８２５によって提供される温度フィードバックデータ、ＤＡＱボードによって制御されるレーザパワー制御５８１５、およびシステムをともに結び付ける制御コンピュータ５８１０ａ上に実装されるプロセス制御ソフトウェア５８１０ｂである。いくつかの実施形態では、システム５８００はまた、ビデオ顕微鏡を備えることができる。
【０１９７】
例示的制御システムのより詳細な図は、図５８ｂに描写される。本システムは、以下の構成要素タイプのうちの１つ以上を含むことができる。（１）ハードウェアセンサ（例えば、赤外線撮像カメラ、マシンビジョン検査カメラ、Ｘ線検査カメラ、および溶融プールビデオ顕微鏡）、（２）ハードウェアアクチュエータ（例えば、二重ビームレーザ走査、ファイバレーザ、粉末プリンタ、およびナノ材料プリンタ）、（３）ハードウェアセンサおよびアクチュエータ（例えば、チャンバ雰囲気制御）、（４）計算ハードウェアおよびソフトウェア（例えば、ボクセルベースの３−Ｄ  ＣＡＤモジュール、およびモデル化ベースの「Ｐｒｅｄｉｃｔ  Ｂｕｉｌｄ  Ｑｕａｌｉｔｙ（製品品質予測）」モジュール）、ならびに（５）プロセス制御システム。図５８ｂの中心におけるプロセス制御システム自体は、以下のモジュールのうちの１つ以上から成ることができる。（ｉ）種々のハードウェアセンサからのリアルタイム信号の取得および処理を伴う、「Ｃｅｒｔｉｆｙ  Ａｓ
Ｙｏｕ  Ｂｕｉｌｄ（構築しながら証明）」モジュール、（ｉｉ）レーザ処理、レーザ走査、およびチャンバ雰囲気制御パラメータを伴う、リアルタイム制御モジュール、（ｉｉｉ）２−Ｄスライスレベル幾何学形状および材料分布モジュール、ならびに（ｉｖ）材料印刷モジュール。当然ながら、付加的および／または異なる構成要素も、使用され得、本明細書で検討される。
【０１９８】
いくつかの実施形態では、赤外線撮像カメラからの温度測定値は、以下に説明されるように実装されるべきモデルベースのリアルタイム適応制御方式において、フィードバックを提供することができる。レーザ処理ゾーン内の温度分布の閉ループリアルタイムフィードバック制御は、レーザ処理ゾーンを観察する赤外線撮像カメラから測定された温度測定値に基づいて、レーザパワー、走査スピード、ならびに溶融および熱処理ビームの集束スポットサイズのリアルタイム調整を通して実装されることができる。赤外線撮像カメラに加え、マシンビジョン検査およびＸ線検査カメラが、構築層品質に関するフィードバックを提供するために利用されることができる。
【０１９９】
さらに、溶融物処理ゾーンのリアルタイム可視化が、ビデオ顕微鏡を通して行なわれることができる。これは、溶融物中の流体の流量および固化された溶融プールの形状を感知する、重要なフィードバックを提供するであろう。これらのセンサからのフィードバックを使用して、オンザフライ欠陥検出および修復のために、リアルタイムの層別の検査を行なう方式は、以下により詳細に説明される。当然ながら、示される構成要素は、例証であることが意図され、他の構成も、可能性として考えられる。
【０２００】
センサ開発
ＳＬＥプロセスにおいて使用するためのフィードバック制御アルゴリズムを提供するために、処理の間の溶融プールのサイズ、形状、および平均温度を測定するための方法が、必要とされた。６０ＦＰＳのレートで捕捉された赤外線撮像カメラからのデータを使用することによって、ＳＬＥ処理の間、溶融プールを検出するためのいくつかの戦略が、検討され得る。第１の戦略は、Ｃａｎｎｙエッジ検出アルゴリズムの使用を伴い、第２の戦略は、接続される構成要素標識の走査線ベースの方法を伴った。しかしながら、溶融プールの適切な検出のために、非溶融粉末が、図５９に図示されるように、溶融プールのビューを遮蔽されない方法において、赤外線カメラを設置することが望ましい。カメラビューが、溶融粉末ボールによって遮蔽される場合、不正確な溶融プール表面温度が、概して、測定される。
【０２０１】
Ｃａｎｎｙエッジ検出アルゴリズム
Ｃａｎｎｙエッジ検出アルゴリズムは、いくつかのステップを伴い、その概要は、図６０（１）−（６）に図示される。第１の動作セットは、Ｃａｎｎｙエッジ検出および接続される構成要素標識アルゴリズムの両方の間で共通する。第１のステップは、画像をインポートし、すでにグレースケールではない場合、グレースケールに変換することである。Ｇａｕｓｓｉａｎぼかしが、次いで、画像に適用され、いかなるわずかな雑音片もフィルタ処理することができる。グレースケール画像は、次いで、二値化閾値演算を使用して、白黒画像に変換されることができる。溶融プール温度（または、他の着目温度）を上回る値は、次いで、白色に変換されることができ、溶融プール温度を下回る値は、黒色に変換されることができる。これは、画像内の溶融プールの単離を可能にし、別々の「ブロブ」を生成する、主演算である。
【０２０２】
次のステップセットは、Ｃａｎｎｙアルゴリズムを実装する。最初に、Ｓｏｂｅｌ演算子が適用され、画像勾配を近似化し、画像内に検出された高周波数面積または境界を単離することができる。Ｓｏｂｅｌ演算子は、方程式１５に説明される。
【数１１】
2018138699.tif 000014
式中、Ａは、源画像であって、＊は、２次元畳み込み演算を示し、ＧｘおよびＧｙは、水平および垂直微分近似を伴う、２つの画像である。水平および垂直微分近似は、次いで、方程式１８を使用して、結果として生じる全体的勾配近似Ｇに組み合わせられることができる。
【数１２】
2018138699.tif 000015
【０２０３】
各点における勾配方向Θは、次いで、方程式１７を使用して計算されることができる。
【数１３】
2018138699.tif 000016
【０２０４】
いくつかの実施形態では、非最大値抑制アルゴリズムが、次いで、計算された画像勾配データを使用して実行されることができ、これは、画像を通して検索し、各点における勾配が勾配方向における極大値であるかどうかを判定する。本アルゴリズムは、画像内の物体の境界を一式のエッジ点として単離することができる。非最大値アルゴリズムは、次いで、各点を確認し、勾配方向Θにおける勾配値とその点での垂直方向における勾配値を比較することによって、勾配が最大値であるかどうかを判定することができる。いくつかの実施形態では、その点での方向Θにおける勾配値が、より大きい場合、極大値点としてマークされることができる。
【０２０５】
いったん一式のエッジ点が、計算されると、エッジは、例えば、ヒステリシス閾値を使用して、これらの点を通してトレースされることができる。高強度勾配の面積内にある点は、例えば、比較的に低不確実性を伴うブロブの大部分をアウトライン化する、高勾配閾値を使用して、最近傍点に接続されることができる。アウトライン内の任意の間隙は、次いで、より高い不確実性のより低い勾配閾値を使用して、充填されることができる。いったん全輪郭が形成されると、長方形境界ボックスが、物体の周囲に形成され、オリジナル画像上のマスクとして使用されることができる。本マスクの内側の平均オリジナル画像値が、次いで、計算され、リアルタイム制御方式において使用するための平均温度測定値に変換されることができる。
【０２０６】
（実施例）
Ｃａｎｎｙエッジ検出アルゴリズムは、いくつかの試験処理アプリケーション上で実行され、最新Ｉｎｔｅｌ  Ｃｏｒｅ２Ｄｕｏ  ＣＰＵ上の６４０×４８０画素赤外線画像に対して、計算時間約１００〜１５０ｍｓを有することが分かった。本計算時間は、赤外線撮像カメラの使用可能レートを５０〜６０ＦＰＳから約３０ＦＰＳに低下させた。赤外線撮像カメラは、典型的には、リアルタイム制御アルゴリズムにおいて、限定された３０ＦＰＳレートで使用されるであろうが、Ｃａｎｎｙエッジ検出アルゴリズムは、比較的に大量のＣＰＵリソースを使用し、リアルタイムコントローラ自体で使用され得る、利用可能な計算パワーを限定した。いくつかの実施形態では、したがって、これらの制約のため、より効率的ブロブ検出アルゴリズムが、以下に説明されるように、使用されることができる。
【０２０７】
接続輪郭標識アルゴリズム
第２のブロブ検出アルゴリズムは、線形時間で動作され、Ｃｈａｎｇ、Ｃｈｅｎ、およびＬｕ  ａｎｄ  Ｌｉnaｎの研究に基づいた１。アルゴリズムは、上から下へと行毎に、走査線または光線を画像を横断して左から右に送信することによって動作する。走査線が、物体と交差すると、輪郭が、物体の周囲でトレースされ、物体は、標識化される。本アルゴリズムの概要は、図６１に示される。
【化１】
2018138699.tif 000017
【０２０８】
本接続構成要素標識アルゴリズムは、具体的には、二値化画像に関する演算のために調整されることができ、したがって、溶融プールを単離するために、前述の二値化閾値画像上で使用されることができる。言い換えると、いったん二値化画像は、提供されると、アルゴリズムは、４つの主要ステップで動作し、溶融プールを正確に特定した類似画像を生産する。図６１ａは、走査線が、第１の時間の間、点Ａにおいて白色物体に遭遇し、続いて、点Ａに再び到達するまで、物体の周囲をトレースする点を図示する。輪郭トレーサは、図６２に示されるように動作する。
【０２０９】
いくつかの実施形態では、輪郭トレースアルゴリズムは、点Ｓから開始することができ、Ｔとして続く点を標識化することができる。次いで、点Ｔに進み、次の点Ｕを標識化する等と続くことができる。アルゴリズムは、以下の２つの条件が満たされるまで終了しない。（１）現在の点が、再び、Ｓであって、（２）次の点が、再び、Ｔである。実施例の場合、図６２では、トレースされた輪郭は、ＳＴＵＴＳＶＷＳである。ブロブ構成要素は、以下の点において、付加的複雑性を有する。（１）単一ストライプを横断させず、（２）内部と外部との間の境界が、加えて、同定される必要がある。内部および外部点の同定は、図６３ａ−６３ｂおよび６４に示されるように、行なわれることができる。
【０２１０】
図６３ａ−６３ｂは、点Ｐの周囲の点が、どのようにインデックス化され得るかを図示する。点Ｐから開始する新しい輪郭を標識するとき、輪郭上の次の点が、最初に、インデックス７において確認されることができる。これは、Ｐの上方の点が、標識されるべきブロブの外側にある前の走査線から既知であるためである。点７が、ブロブの内側で見出されない場合、点は、次いで、次の点が見出されるまで、Ｐの周囲で時計回りシーケンスにおいて確認されることができる。いずれの点も、Ｐの周囲で見出されない場合、Ｐは、単離されたブロブである。図６３ｂは、前の輪郭点がインデックス３においてすでに見出された場合を図示し、その場合、次の画素を見出すための初期位置は、インデックス５に設定されることができる（インデックス４は、すでに検討されているはずであるため）。輪郭が横断されるにつれて、画素は、図６４に図示されるように、標識化されることができる。最終輪郭が、次いで、Δで標識された画素によって示されることができる。アルゴリズムはまた、内部構成要素を見出すことが可能であるが、ＳＬＥプロセスでは、溶融プールは、典型的には、単一中実構成要素またはブロブである。任意の内部構成要素は、図６１（すなわち、６１ｂ−６１ｄ）における最後の３つのステップを使用して、標識化されることができる。本アルゴリズムは、各画素を有限回数だけ訪れるように設定されることができ、線形時間で実行される。
【０２１１】
本接続構成要素標識システムは、非常に効率的であって、溶融プールを検出し、時間約５〜１０ｍｓ以内に、平均溶融プール温度を計算することが可能であって、赤外線カメラのフレームレートを限定しない。加えて、計算時間は、安定し、過剰ＣＰＵリソースを要求しない。これは、ｌリアルタイム制御方式によって使用することができる、十分な処理パワーを残す。Ｃａｎｎｙアルゴリズムのその改良された性能のため、本第２の接続構成要素標識アルゴリズムは、以下に論じられるように、リアルタイム制御試験のために使用されることができる。検出された溶融プールの例証は、図６５に示され、運動の方向に垂直な主軸が示される。サイズ、偏心度、および平均温度は全て、検出された構成要素に対して高速で計算されることができる。
【０２１２】
二値化閾値を設定することは、異なる等温線の検出を可能にし、また、付加的制御方式が利用され得る情報を提供することができる。接続構成要素標識アルゴリズムの現在の限界の１つは、溶融粉末粒子の有意な構築が、溶融プールの中に落下せずに、溶融プールの正面に蓄積されるときの溶融プールの誤拡張である。信号内の本雑音源は、レーザパワーが低すぎるときに生じ、前述のように、ならびに本システムのシステム同定部分において後に説明されるように、溶融プールの不安定性をもたらす。図６６ａおよび６６ｂは、溶融物正面に落下する粉末のコントラスト画像を示す。
【０２１３】
図が示すように、溶融プールの正面における溶融粉末ボールの蓄積は、検出された溶融プールのサイズを有意に拡張させ、記録された温度信号内に付加的雑音をもたらす。本溶融プール不安定性はまた、多くの場合、蓄積された溶融ボールが、溶融物の正面にほとんど粉末を残さず、最終的に、溶融プールの中に落下した後に生じる、粉末の循環枯渇のため、非均一堆積物をもたらし得る。
【０２１４】
モデル開発およびシステム同定
ＳＬＥプロセスの簡略化された動的赤外線モデルが、制御方式の計算シミュレーションのため、およびＭＲＡＣ制御方式のための基礎としての両方で使用されることができる。開発された簡略化動的モデルは、図６７に図示されるように、システムの集中容量モデルに基づいた。
【０２１５】
Ｑｉｎは、入力レーザパワーを表す、電流源であって、Ｔｍｅｌｔ、Ｔｂａｓｅ、およびＴａｍｂは、それぞれ、溶融プール、ベース基板、および周囲雰囲気の温度を表し、ＲｍｅｌｔａまたはＲ１Ａは、周囲雰囲気と溶融プールとの間の熱抵抗であって、ＲｍｅｌｔｂａｓｅまたはＲ１２は、溶融プールとベース基板との間の熱抵抗であって、ＲｂａｓｅａまたはＲ２Ａは、ベース基板と周囲雰囲気との間の熱抵抗を表し、ＣｍｅｌｔまたはＣ１およびＣｂａｓｅまたはＣ２は、それぞれ、溶融プールおよびベース基板の熱容量を表す。本熱モデルを使用することによって、以下の伝達関数が、開発されることができる。
【数１４】
2018138699.tif 000018
【数１５】
2018138699.tif 000019
式中、Ｘ（ｓ）は、基板温度である。これらの方程式を組み合わせ、以下を求める。
【数１６】
2018138699.tif 000020
簡略化によって、入力レーザパワー、Ｕ（ｓ）を出力溶融プール温度Ｙ（ｓ）に関連付ける最終伝達関数を与える。
【数１７】
2018138699.tif 000021
【０２１６】
以上から分かるように、本伝達関数は、１つのゼロおよび２つの極を伴い、出力が、溶融プールの温度を表す、二次系表現である。本連続時間モデルは、文献中の標準的技法のいずれかを使用して、離散時間ｚ−ドメイン表現に変換されることができるが、変換後、同次数を留めるであろう２。合理的に類似する溶接プロセスにおける制御に関する以前の文献はまた、溶接動作の間に被る加熱および冷却が、二次系として説明され得ることを示す。しかしながら、処理の間に認められる容量および抵抗に関する正確な値を判定する際の難点のため、グレーボックスアプローチが、シミュレーション目的のために使用されるべき伝達関数パラメータを判定するために使用されることができる。本二次モデルに基づいて、一式のシステム同定実験が、簡略化されたモデルのパラメータを判定するために実行されることができる。
【０２１７】
システム同定は、図６８に図示されるような一連のステップ入力を使用して、時間ドメイン内で行なわれることができる。二次系モデルの同定は、レーザパワーにおけるステップ入力の温度応答を分析し、自己回帰モデルとＬｊｕｎｇによって説明されるような外部（ＡＲＸ）入力モデル化アルゴリズムを併用して、入力を出力データに一致させるモデルを判定することによって行なわれることができる３。使用されるステップ入力のための入力電圧および出力温度測定値の例証は、図６８に示される。
【化２】
2018138699.tif 000022
【０２１８】
示されるように、測定された温度データは、レーザパワーが低値に降下するとき、信号が雑音が多くなることを示す。本信号雑音は、低レーザパワーによって生じる溶融プール不安定性によるものである。言い換えると、レーザパワーが低すぎると、溶融プールは、断続的となり、粉末を正面から適正に収集せず、溶融ボールの蓄積をもたらす。これらの粒子は、次いで、赤外線カメラによって認められ、接続構成要素標識アルゴリズムによって、溶融プールの一部として検出され、溶融粉末のボールが蓄積され、次いで、溶融プールの中に落下するにつれて、検出された溶融プールのサイズおよび温度に有意な変化を生じさせ得る。
【０２１９】
溶融プールの断続性によって生じる雑音を回避するために、２Ｖ（または、約２００Ｗ）のより低い制御飽和限界が、全制御試験に対して設定された。加えて、６Ｖ（または、約６００Ｗ）の上側飽和限界が、検流計スキャナの内側のミラーに固有の限界によって設定された。すなわち、本閾値を上回ると、スキャナ窓またはミラーコーティングに損傷を及ぼすリスクがある。
【０２２０】
加えて、いくつかの急降下が、温度応答に認められ得る。これらの９つの降下はそれぞれ、火炎、過剰煙、または別の赤外線カメラのビューを妨害する異常による可能性が高い、溶融プールが検出されなかった時間ステップを表す。脱落フレームに関する任意の問題を緩和し、過剰雑音を除去するために、短有限インパルス応答（ＦＩＲ）移動平均フィルタが、制御方式において実装されることができる。１時間遅延単位を伴う、図６８ａ−６８ｂにおけるステップ応答のＡＲＸモデル化から生じる伝達関数が、方程式２２に列挙される。本伝達関数の応答とおよびステップ応答の一部との間の比較は、図６９において、相互に対してプロットされる。
【数１８】
2018138699.tif 000023
【０２２１】
本伝達関数モデルは、シミュレーションを介した制御方式の開発のために使用されることができ、実験の間、使用されるべきＰＩＤ利得を提供することができる。本ステップ応答の付加的重要な結果の１つは、各ステップの終了に向かって、温度増加を示すことである。本増加は、走査が進むにつれた基板熱内の蓄積によるものであって、走査の間、プロセスの熱伝達特性に有意な変化を生じさせ得る。
【０２２２】
リアルタイム制御方式
本発明の実施形態はまた、２つの制御方式を備えることができ、１つ目は、従来のＰＩＤ制御方式であって、２つ目は、モデル基準適応制御（ＭＲＡＣ）方式である。制御入力、フィードバック信号、潜在的擾乱、および雑音源の概要は、表１０に列挙される。
【表３】
2018138699.tif 000024
【０２２３】
いくつかの実施形態では、本システムは、単入力単出力（ＳＩＳＯ）システムとして取り扱われることができ、レーザパワーは、唯一の制御可能入力であって、平均溶融プール温度は、唯一のシステム出力である。本発明の実施形態は、フィードバック信号の制御可能入力の多くを利用することができる。概して、性能制約のため、ＰＩＤ制御単独では、十分な制御を提供しないが、これは、幾分、設定依存性である。いくつかの実施形態では、したがって、簡略化されたＭＲＡＣ制御方式が、実装されることができる。両制御方式は、離散時間ドメイン内、すなわち、赤外線撮像センサの６０Ｈｚ限界で動作することができる。
【０２２４】
ＰＩＤ制御
ＰＩＤ制御方式の概要は、図７０に描写される。システム内の信号雑音を考慮するために、微分項は、非常に変動する雑音によって生じ得る、極端な作動量を限定するために無視されることができる。離散ＰＩコントローラは、次いで、以下のように開発され、それぞれ、Ｋｐ、Ｋｉ、およびＫｄとして見なされる比例、積分、微分利得を伴う、離散ＰＩＤコントローラの一般伝達関数の形態で開始することができる
【数１９】
2018138699.tif 000025
【数２０】
2018138699.tif 000026
以下とすると、
【数２１】
2018138699.tif 000027
以下となる。
【数２２】
2018138699.tif 000028
【０２２５】
本形態では、現在の時間ステップｕであるｕ［ｋ］は、制御ソフトウェア内に容易に実装され得る、以前の入力ｕ［ｋ−１］、現在の誤差ｅ［ｋ］、ならびに以前の２つの誤差ｅ［ｋ−１］およびｅ［ｋ−２］だけによって判定される。制御信号はまた、２ボルトおよび７ボルトにおける飽和限界を追加するように修正されることができる。２ボルトの下限は、概して、連続的かつ安定した溶融プールを形成するために十分な入力パワーを維持する一方、７ボルトの上限は、入力レーザパワーが高すぎる結果としての検流計スキャナへの損傷を防止する。ＰＩ制御方式のための利得は、同定されたシステムモデル上の好適なソフトウェアパッケージ（例えば、ＭＡＴＬＡＢ  ＰＩＤ  Ｔｕｎｅｒツール）を使用して開発されることができる。図７１は、開発されたコントローラのステップ応答を示す。
【０２２６】
実際は、本コントローラのために選定される利得は、同定されたシステムモデルに基づくことができる。実験的に、利得は、実際のプロセスを制御するためにコントローラ利得の適切な範囲内にあったが、選定される利得は、準最適応答をもたらした。これは、同定されたシステムが、実際のシステムに正確に一致しないときに生じ得る。以下に論じられるように本明細書で開発されたＰＩコントローラは、いくつかの異なる温度に対する基準溶融プール温度を適切に追跡したが、その性能は、付加的調整を要求した。しかしながら、最適性能のためにＰＩＤ利得を調整するために要求される有意な時間および材料投資を回避するために、第２の適応制御アルゴリズムが、使用されることができる。
【０２２７】
適応制御方式
比較的に高実験数が、前述のＰＩＤコントローラを調整するために要求されるため、ならびにある場合には、比較的に不良性能であるため、本発明の実施形態はまた、モデル基準適応制御（ＭＲＡＣ）方式に基づく、第２のコントローラを備えることができる。選定された特定の形態のＭＲＡＣは、「１ステップ先行適応制御方式」（ＯＳＡＡＣ）であった。ＯＳＡＡＣ方式の概要は、図７２に示される。
【０２２８】
いくつかの実施形態では、使用されるＯＳＡＡＣ方式は、基本的に、完璧な追跡を達成し、システム内の時間遅延ｄが、既知であって、基準入力が、ｄ時間ステップより多いことが事前に既知であるとき、離散時間システム内で使用されることができる、一般的モデル基準適応コントローラの特殊例である。ＳＬＥプロセスのリアルタイム制御の場合、基準温度は、ロバストなオフラインモデルを使用して、実験に先立って判定されることができる。
【０２２９】
したがって、基準温度プロファイル全体が、処理の間、使用するために利用可能である。これらの理由から、１ステップ先行適応コントローラが、ＳＬＥプロセスのために使用されることができる。いくつかの実施形態では、これは、コントローラのモデル基準適応群から改良された制御を提供することができる。ＯＳＡＡＣ方式は、一般的直接ＭＲＡＣ方式の理想化された形態であって、基準モデルの極は、ゼロと見なされる。離散時間では、これは、最速安定応答を表す。
【０２３０】
いくつかの実施形態では、コントローラは、システムの出力Ｙｐが、方程式３０におけるように、未知のパラメータベクトルθｐおよび既知の値φｐのシーケンスを含有するベクトルを伴う、パラメータモデルの形態に当てはめられ得るように、開発されることができる。
【数２３】
2018138699.tif 000029
【０２３１】
いくつかの実施形態では、より単純な１ステップ先行制御方式の開発は、プラント、この場合、二次ＳＬＥプロセスモデルを取り上げ、それを離散自己回帰移動平均形態（ＤＡＲＭＡ）に当てはめることによって開始し得る４。本１ステップ先行制御方式は、次いで、未知のプラントパラメータに対する適応を組み込むように変更されることができる。いくつかの実施形態では、１ステップ先行コントローラの開発は、プラントＹｐを前提として、以下のように開始し得る。
【化３】
2018138699.tif 000030
【数２４】
2018138699.tif 000031
式中、
【化４】
2018138699.tif 000032
および
【化５】
2018138699.tif 000033
である。
【化６】
2018138699.tif 000034
をシフト演算子とすると、以下のように定義することができる。
【数２５】
2018138699.tif 000035
式中、
【化７】
2018138699.tif 000036
および
【化８】
2018138699.tif 000037
は、プラントの相対次数である。これらの関係を使用して、プラントは、ＤＡＲＭＡモデルとして表されることができる。
【数２６】
2018138699.tif 000038
これは、次いで、以下のように、予測子形態に当てはめられることができる。
【数２７】
2018138699.tif 000039
式中、
【数２８】
2018138699.tif 000040
および
【数２９】
2018138699.tif 000041
であって、以下の方程式を満たす一意の多項式である。
【数３０】
2018138699.tif 000042
その係数は、以下のように計算される。
【数３１】
2018138699.tif 000043
式中、ａｊ＝０ｆｏｒｊ＜０である。
前述からの予測子形態をとることによって、パラメータモデルは、以下のように構築されることができる。
【数３２】
2018138699.tif 000044
式中、以下である。
【数３３】
2018138699.tif 000045
既知のプラントパラメータに対して、パラメータベクトルθ（ｋ）は、次いで、以下となる。
【数３４】
2018138699.tif 000046
予測子形態をとることによって、制御則ｕｐ（ｋ）が、プラントの出力Ｙｐ（ｋ）を駆動させ、基準信号Ｙｍ（ｋ）を追跡する目的で開発されることができる。
【数３５】
2018138699.tif 000047
これは、以下の制御則を求める。
【数３６】
2018138699.tif 000048
式中、
【数３７】
2018138699.tif 000049
本制御則の選定は、ｎ＊時間ステップ後の完璧な追跡をもたらす。
【数３８】
2018138699.tif 000050
本制御形態は、未知のプラントパラメータの適応のために、以下のように修正されることができる。
【数３９】
2018138699.tif 000051
式中、以下である。
【数４０】
2018138699.tif 000052
定数項λ＞０は、前の入力ｕｐ（ｋ−１）の影響を抑圧するために追加されることができ、これは、そうでなければ、システムを完璧な追跡に対して駆動させようとするときに生じ得る、過剰量の制御努力を限定することができる。パラメータベクトルは、以下である。
【数４１】
2018138699.tif 000053
【０２３２】
パラメータベクトルは、次いで、勾配、投影、または最小二乗アルゴリズムを含む、いくつかのアルゴリズムのうちの１つを使用して推定されることができる。いくつかの実施形態では、勾配アルゴリズムが、使用され、以下の更新方程式をもたらすことができる。
【数４２】
2018138699.tif 000054
式中、γは、選定された一定適応利得ベクトルであることができる。これらの更新された方程式および方程式５０における加重適応制御則を使用することによって、ＯＳＡＡＣ方式は、ＳＬＥプロセスのためにモデル化された伝達関数の単一ゼロおよび２つの極を表す未知のパラメータベクトルとともに、Ｃ＃ソフトウェア内に実装されることができる。好適な数値プログラムが、更新則および制御入力信号の計算のために要求される線形代数演算を効率的に実装するために使用されることができる（例えば、Ｍａｔｈ．ｎｅｔ  Ｎｕｍｅｒｉｃｓパッケージ）５。
【化９】
2018138699.tif 000055
【０２３３】
サンプリングレート
いくつかの実施形態では、使用するための制御システムサンプリングレートは、いくつかの擬似ランダム二値化信号入力の使用を通して判定および正当化され得、そのうちの１つが、図７３に図示される。
【０２３４】
約３０Ｈｚにおけるもの等、より高い周波数擬似ランダム信号を使用すると、結果として生じる堆積物品質は、幾分、信号から独立し得る。高周波数では、堆積される材料は、擬似ランダム信号内の２つの極値の平均値で堆積されているように見える。図７４ａ−７４ｃは、異なる周波数擬似ランダム信号を用いて実行されたサンプルを図示し、高周波数で実行することによって、信号の平均パワーで産生されるであろうものより均一堆積物をもたらすことを実証する。
【０２３５】
本理由から、約３０Ｈｚの信号が、赤外線カメラおよび制御システムのためのサンプリング周期として使用されることができる。本周波数では、本システムは、ＳＬＥを介して達成され得る堆積物品質の限界を飽和させるために十分に高いが、制御コンピュータ上のオーバーヘッド余地を可能にし、溶融プールを検出し、入力制御信号をアルゴリズム的に生成するために十分に低い帯域幅を生成する。
【０２３６】
実験結果
制御試験が、赤外線撮像カメラを使用して、レーザパワーを変調させることによって、ＳＬＥプロセスの溶融プール温度を制御可能であるかどうかを判定するために使用された。したがって、初期走査スピードおよび繰り返し走査数は、前述のように、Ｒｅｎｅ−８０に関して実行された以前の開ループＤｏＥ分析からの良好な結果のセットをもたらした値に固定された。この場合、走査スピードは、４５０ｍｍ／秒に設定され、溶融プールを開始するための繰り返し走査もまた、４５０ｍｍ／秒に設定された。全試験において、繰り返し走査は、４５０Ｗパワーで完了され、コントローラがオンにされる前に、溶融プールをもたらした。赤外線カメラのより低い温度境界に関する限界は、繰り返し走査の間、フィードバック制御を防止した。いくつかの実施形態では、より低い温度範囲を支持する赤外線カメラの実装は、同様に、繰り返し走査の精密なフィードバック制御も可能にするであろう。
【０２３７】
第１のセットのフィードバック制御試験は、ＰＩコントローラを使用して試みられた。これらの試験のうちの２つの結果が、図７５ａ−７５ｃおよび７６ａ−７６ｃに示される。示されるように、選定されるＰＩ利得は、両場合に対して設定基準温度を追跡可能であったが、第２の試験は、シミュレーションによって選定されたＰＩ利得に対して非常にゆっくりな応答および高平均誤差を示す。第２の試験の場合の整定時間は、約１２秒であった。本整定時間は、本章の前述で同定されたモデルに適用されるＰＩコントローラのためのシミュレーションされた応答によって、幾分、延長された。ＰＩ利得の付加的より積極的調整は、改良された性能を有し得るが、これらのＰＩＤ利得の判定は、有意な数の試験を要求し得る。
【０２３８】
シミュレーションされたＰＩコントローラはまた、高速応答、低オーバーシュート、および短整定時間をもたらした適切な利得の判定が、本システムにとってＰＩコントローラを使用して得ることが困難であることを示した。実装されたコントローラのために使用される利得は、それらの測定基準のそれぞれ間の良好なトレードオフを示したため選定された。本理想化されたシミュレーションコントローラの場合でも、整定時間は、全サンプルの処理が３０秒以内に終了することを考慮すると、比較的に容認不可能であった。各実験試験の高コストのため、適応制御方式が、検討された。
【０２３９】
適応制御方式試験の前に、過去に生じたスキャナ窓損傷のいくつかのインスタンスが、処理の間、窓上の煙の蓄積によるものであったことが判定された。付加的ダウンタイムを回避するために、煙抽出システムが、図７７に示されるように、適応フィードバック試験の実験を継続する前に実装された。
【０２４０】
本煙抽出システムと関連付けられた溶融プールの上方に形成された付加的対流性流れは、ＳＬＥを介して生産され得る堆積物の品質に有意な変更を生じさせた。前述の以前に同定された理想的処理パラメータにおける開ループ堆積物の実施例（但し、ここでは、定位置における排煙装置と併用される）が、図７８に示される。類似表面うねりがまた、図７９ａ−７９ｃに図示されるように、本サンプルの処理の間、検出された平均溶融プール温度に見出された。煙抽出を定位置で用いることによる開ループ試験の間に見出される問題にもかかわらず、閉ループ適応制御試験が、それでもなお、付加的スキャナ損傷を防止するための排煙装置を定位置に伴って行なわれた。
【０２４１】
コントローラパラメータの判定は、適応制御方式を使用すると、より容易であった。最初に、プラントパラメータのための初期条件を判定するために、適応アルゴリズムが、レーザパワー入力の有意な励起およびシステムの結果として生じる温度出力のため、適切な動作点近傍の値に高速で収束するであろうように、加重項が、小値に設定された。本初期同定実験後、図８０に図示されるように、適応パラメータの終了値が、今後の実験のための初期値として設定された。本戦略を使用することによって、コントローラパラメータは、最小数の実験を用いて判定され得る。適応試験実行のために、初期パラメータ同定が、合計３回の試験のみを使用して行なわれた。
【０２４２】
いくつかの試験が、Ｒｅｎｅ−８０上でＯＳＡＡＣ方式を用いて実行され、温度プロファイル変更が、堆積物高さまたは均一性に何らかの影響を及ぼすかを判定した。図８１および８２ａ−８２ｅは、一定基準温度を用いた実行の結果を示す。示されるように、排煙装置を用いても、結果として生じる堆積物は、顕著な均一性を示す。本均一性は、前述の類似開ループ試験では認められなかった。本堆積物均一性のレベルは、堆積物高さにおける主変動が、材料の後続層の堆積に有意に影響を及ぼすため、多層堆積のためにＳＬＥプロセスを使用するときに望ましい。図８３および８４ａ−８４ｅは、１６５０℃のより高い一定基準温度を用いた実行の結果を示す。
【０２４３】
１６５０℃のより高い一定基準温度は、再び、より低い基準温度試験より約２００μｍのより厚い厚さの高均一性堆積物を生産した。図８５ａ−８５ｅは、基準温度に線形逓減を用いた実行の結果を示す。温度プロファイルは、基準温度の逓減に良好に追従し、低平均誤差をもたらした。堆積物高さは、一定温度の場合ほど均一ではないが、依然として、以前の開ループ試験より均一である。図８６は、サンプルの中央の基準温度に逓増を用いた実行の結果を示す。基準温度の大規模ステップは、実際、堆積物高さの増加をもたらすことが分かる。再び、温度フィードバックの使用を通して、微小構造特徴を制御することが可能であることが明確に実証される。堆積物高さの変化は、多層能力を実装するとき、前の層高さの変動を考慮するために使用され得る。
【０２４４】
適応制御試験の結果は、堆積物高さが、温度フィードバック制御を使用して制御されることができることを実証する。実際、開ループ試験内の煙抽出システムによって生じる堆積物非均一性にもかかわらず、適応制御試験は、処理の間、温度を適切に制御し、開ループ試験において使用されるものより平均レーザ入力パワーを有意に変更させずに、均一堆積物を補償および生産することが可能であった。
【０２４５】
これは、少なくとも部分的に、溶融物正面に不安定性をもたらす前に、溶融プール温度における降下を補償するコントーラによるものであった。典型的には、いったん処理の間の不安定性の単発発生が生じると、粉末は、溶融プールの中に落下し始め、過剰粉末を周期的に引き込み、次いで、行程が終了するまで、それ自体枯渇する。本不安定性の最初の発生を回避することは、堆積物均一性を大きく向上させる。
【０２４６】
Ｒｅｎｅ−８０上で実行するプロセスのフィードバック制御におけるこれらの初期結果は、システムの能力を実証する。本システムはまた、任意の材料上における多層堆積のためのプロセスを使用するためのフィードバック制御を提供するために使用されることができる。図８７ａ−８７ｅは、１６００℃から１７００℃基準温度のステップおよび平均誤差−１６．６６℃を用いた試験に関して測定された温度プロファイルを描写する。堆積物高さが、基準温度における逓増後、３００μｍを上回って増加することに留意されたい。
【０２４７】
コントローラパラメータ調整手順
新しい合金および幾何学形状のためのＳＬＥ処理パラメータの開発は、時間がかかり、かつ困難な手順であり得る。使用されるサンプルの近似数を用いたプロセスパラメータ開発フロー図の概要が、図８８に示される。開ループ制御では、多くの試験が、概して、パラメータの実行可能範囲を判定するために要求される。開ループパラメータを判定する際、２つのステップが存在する。最初に、一式の初期実行可能性試験が、実行可能動作範囲を判定するために実行されることができる。一式のＤｏＥが、次いで、最高品質開ループ堆積物を生産する、適切なパラメータセットをドリルダウンするために実行されることができる。良好に形成された堆積物を生産するために要求される開ループＤｏＥの数は、新しい合金上に良好に形成される堆積物を生産するために要求されるパラメータを予測するためのロバストなＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓモデルの使用を用いて、低減または排除されることができる。
【０２４８】
制御パラメータ開発は、開ループ開発後に生じ、ＰＩおよびＯＳＡＡＣ方式のための２つの異なる手順に従う。ＰＩコントローラの比較的に不良性能および利得値を選定する難点のため、高性能コントローラにつながるＰＩ利得の開発は、概して、閉ループＤｏＥのいくつかの反復を要求するであろう。これらのＤｏＥでは、利得、Ｋｉ、およびＫｐは、主要因であって、例えば、限定ではないが、応答時間、整定時間、および平均誤差等のコントローラパラメータは、最適化するための応答である。ＰＩコントローラパラメータの最適化は、３０以上の実験を行ない得る。
【０２４９】
一方、ＯＳＡＡＣ制御方式のためのコントローラパラメータの開発は、概して、システムが可変レーザパワーによって十分に励起されるとき、パラメータ学習アルゴリズムが、わずかな試験の過程にわたって、適切なプロセスパラメータに高速で収束し得るため、より少ない実験を使用する。これらの学習試験は、以前の制御入力に課す加重ペナルティλを減少させる、適応利得γを増加させる、または正弦波等の高可変入力基準温度をシステムに提供することのいずれかによって行なわれることができる。
【０２５０】
加えて、ＯＳＡＡＣの性能は、概して、ＰＩコントローラより優れており、したがって、ＯＳＡＡＣ方式を用いて、所望の溶融物温度を追跡し、本方式を使用して、高品質堆積物を生産することは、比較的により容易である。本パラメータ調整手順は、合金または部品幾何学形状に主変化が生じる度に使用されることができる。適応制御方式のロバスト性は、類似合金が、溶融物温度および流動特性の観点から、使用される、または幾何学形状のわずかな変化のみが、行なわれるとき、適切に動作することを可能にするであろうが、制御性能は、学習試験が再び実行されない限り、劣化し得る。
【０２５１】
本発明の実施形態は、ＳＬＥプロセスのためのリアルタイムフィードバック制御に関する。赤外線カメラの使用を通して平均溶融プール温度を検出するための２つのマシンビジョンアルゴリズムの実装が、使用されることができる。いくつかの実施形態では、接続構成要素標識アルゴリズムが、溶融プールのサイズおよび形状を高速で特定し、処理時間によるカメラフレームレートのいかなる損失も伴わずに、平均溶融プール温度を計算することができる。本温度フィードバックデータを使用することによって、システム同定実験が、本システムのための伝達関数モデルを判定するために行なわれた。
【０２５２】
二次伝達関数が、開発され、ＰＩコントローラを完全にシミュレーションおよび実装し、入力レーザパワーを変動させることによって、処理の間の溶融プール温度を制御することを成功させるために使用された。過剰数の実験が、概して、処理される合金毎にＰＩコントローラの利得を適切に調整するために要求されることが見出され、したがって、適応制御方式が、コントローラパラメータを高速に判定するために実装された。適応コントローラは、基準温度プロファイルに従うことが、ＳＬＥを介してＲｅｎｅ−８０合金サンプル上に生産された結果として生じる堆積物高さに有意な影響を及ぼすことを実証するために使用された。一定基準温度プロファイルが、現在までに生産された最も均一サンプルをもたらし、開ループ試験よりプロセスを有意に改善することが見出された。本プロセスは、その能力が、部品製造のための多層堆積のために使用されることを可能にする。
【０２５３】
Ｇｒｅｅｎの関数モデルが、分布パラメータ制御方式等のより進歩した制御方式において使用するために、オンラインオブザーバを開発し、溶融プールの直下またはその近傍の場所の基板温度を推定するために使用されることができることに留意されたい。Ｇｒｅｅｎの関数分析は、ビーム場所に応答して生成された温度プロファイルを判定するためのルックアップテーブルを計算するために使用されることができる。本分析を使用して開発されたルックアップテーブルは、ルックアップテーブル内の値の畳み込みを可能にし、過去のレーザビーム場所およびパワーの結果生じた温度分布を判定することによって、オンラインＳＬＥ処理の間、基板温度の高速推定を可能にすることができる。
【０２５４】
溶接プロセスにおいてもたらされた温度場の初期分析は、半無限板上で移動する熱源に関するＲｏｓｅｎｔｈａｌ解法に基づき得る。Ｅａｇａｒ  ａｎｄ  Ｔｓａｉは、１９８０年代初期に、その問題に対するＧｒｅｅｎの関数アプローチを公式化した６。ＳＬＥに関する類似分析が、以下に論じられる。
【化１０】
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【０２５５】
３Ｄ分析が、初期研究および概念の証明の目的のために、複合幾何学形状に関する完全ルックアップテーブルを構築するために必要とされ得るが、２Ｄモデルも、分析されることができる。レーザビームの超高走査スピードＵｒのため、長方形基板の上部の熱入力の線源に等しいと仮定され得る。長方形ブロック基板は、次いで、２次元長方形としてモデル化されることができる。入射レーザビームは、線スピードｖｌに伴って、基板の上部を横断して移動する、Ｇａｕｓｓｉａｎ分布熱源としてモデル化されることができる。対流境界条件は、これが実際の実験設定を最も表したため、全境界上で使用されることができる。問題のグラフィカル表現は、図８９に示される。
【０２５６】
熱伝導問題に関するＧｒｅｅｎの関数は、（ｘ’、ｙ’）および時間τに位置する単位強度の瞬時線源による、特定の場所および時間、Ｔ（ｘ、ｙ、ｔ）における温度を表す。本問題に関するＧｒｅｅｎの関数は、両側における対流境界条件に関するｘおよびｙ方向における有限範囲Ｇｒｅｅｎの関数の積を利用することによって見出されることができ、方程式５８に示される７。
【数４３】
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式中、以下である。
【数４４】
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固有値ＢｎおよびＢｍは、以下の正根である。
【数４５】
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温度分布は、次いで、以下のように、Ｇｒｅｅｎの関数を積分することによって見出される。
【数４６】
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【０２５７】
初期温度分布Ｆ（ｘ’、ｙ’）は、本問題の特定の公式化における正規化により、ゼロである。熱生成ｇ（ｘ’、ｙ’、θ）もまた、この場合、ゼロである。同様に、境界熱束項ｆｉも全てまた、上部表面上のＧａｕｓｓｉａｎビームからの熱束を除き、ゼロである。これらの簡略化およびｔ（ｘ、ｙ、θ）＝ｕ（ｘ、ｙ、θ）＋Ｔｏへの逆代入を使用して、温度分布は、以下であることが見出される。
【数４７】
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【０２５８】
本問題に対する解は、特に、任意の空間および時間変動パワーの熱源に対する本幾何学形状の解を表すため、有力である。本解は、したがって、積分または畳み込みの使用を通して、任意形状および移動入力レーザビームのための温度プロファイルを与えることができる。本特定の場合、Ｇａｕｓｓｉａｎ分布ビームからの熱入力は、以下のように見なされた。
【数４８】
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【０２５９】
Ｐ（τ）は、その総面積が各瞬間時間における総入射レーザパワーを表すように選定されるＧａｕｓｓｉａｎ分布の時変振幅である。σは、分布が選定される半径のビームを表すように選定されるＧａｕｓｓｉａｎの標準偏差である。ｖｌｔ項は、ビームを線スピードにおいて基板を横断して移動させる。
【０２６０】
その有効性を査定するために、本解析解は、好適なパッケージ（例えば、ＭＡＴＬＡＢ）において分析され、好適なソフトウェアパッケージ（例えば、ＣＯＭＳＯＬ）を使用して、ＦＥＭ分析と比較されることができる。本ＭＡＴＬＡＢシミュレーションおよび以下のＣＯＭＳＯＬシミュレーションの両方の目的のために、表１１に示される、空気中で処理されたＣＭＳＸ−４に関するパラメータが、使用された。
【表４】
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【０２６１】
解析応答とＦＥＭ応答との間の比較例の１つが、図９０ａ（解析シミュレーション）および９０ｂ（ＣＯＭＳＯＬシミュレーション）のプロットに示される。本シミュレーションセットは、Ｇａｕｓｓｉａｎビームが線スピードｖｌ＝１．８ｍｍ／秒で基板を横断して移動するにつれて、一定パワー強度で実行された。解析分析およびＦＥＭ分析は、良好に得られるが、解析応答と実験応答との間の比較は、依然として試験されることに留意されたい。
【０２６２】
いくつかの可能性として考えられる実施形態が、前述に開示されたが、本発明の実施形態は、そのように限定されない。例えば、システムおよびレーザのためのいくつかの可能性として考えられる構成が、開示されたが、他の好適な材料および材料の組み合わせも、本発明の実施形態の精神から逸脱することなく、選択され得る。前述のものに加え、いくつかの集中熱源も、例えば、本発明の精神から逸脱することなく、使用され得る。本発明の実施形態の種々の特徴のために使用される場所および構成は、特定の部品サイズまたは形状、あるいは、例えば、材料または空間またはパワー制約のため、若干の変動を要求する構成に従って変動されることができる。そのような変更は、本発明の範囲内に包含されることが意図される。
【０２６３】
種々の要素の具体的構成、材料の選択肢、ならびにサイズおよび形状は、デバイス、システム、または方法が本発明の原理に従って構築されることを要求する、特定の設計仕様または制約に従って変動されることができる。そのような変更は、本発明の範囲内に包含されることが意図される。本開示される実施形態は、したがって、あらゆる点において、制限ではなく、例証と見なされる。本発明の範囲は、前述の説明ではなく、添付の請求項によって示され、その均等物の意味および範囲内にある全ての変更は、その中に包含されることが意図される。
【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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８ａ】
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【図５８ｂ】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【図６５】
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【図６６】
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【図６７】
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【図６８】
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【図６９】
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【図７０】
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【図７１】
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【図７２】
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【図７３】
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【図７４】
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【図７５】
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【図７６】
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【図７７】
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【図７８】
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【図７９】
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【図８０】
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【図８１】
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【図８２】
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【図８３】
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【図８４】
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【図８５】
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【図８６】
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【図８７】
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【図８８】
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【図８９】
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【図９０】
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【外国語明細書】
2018138699000001.pdf