(57)【要約】【課題】基板上の材料の蓄積を自動的に制御するのに有用であり、そして少量の製造、プロートタイプ運転等に必要とされる繰り返しクラッディング作業を通して金属部品を製造するのに有用なレーザクラッディング装置及び方法を提供する。【解決手段】レーザクラッディングシステム(102)は、基板上の局所的な点を加熱して溶融プールを形成し、そこに材料を供給して、物理的寸法をもつ付着物を形成することにより、基板上に材料の蓄積体を形成するのに使用される。穴付きマスクを通して光を受け取るオプトエレクトリックセンサに接続された光学検出手段を使用して、付着物の物理的寸法を監視し、そしてフィードバックコントローラ(104)は、電気信号に基づいてレーザを調整し、材料付着率を制御する。【選択図】図１
2011167768.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上の材料の蓄積を自動的に制御するシステムにおいて、
基板の局所的領域にビームを指向して溶融プールを形成する制御可能なレーザと、
溶融プールに材料を供給して、物理的な属性を有する付着物を形成するための手段と、
オプトエレクトリックセンサに接続されて、物理的属性の関数として電気信号を出力するように動作する光学的検出手段と、
電気信号の関数として材料付着率を調整するように動作するフィードバックコントローラとを備えたことを特徴とするシステム。
【請求項２】
上記物理的属性は、付着物のサイズである請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
上記物理的属性は、付着物の材料組成である請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
製造されるべき物品の記述を含むコンピュータ援用設計（ＣＡＤ）システムへのインターフェイスを更に備え、上記フィードバックコントローラは、更に、上記物理的属性を上記記述と比較して、それに応じて材料付着率を調整するように動作する請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
上記光学的検出手段は、穴付きマスクを備え、付着物からの光がそれを通過してオプトエレクトリックセンサへ到達し、上記フィードバックコントローラは、更に、付着物からの光の有無を検出するための回路を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
上記光学検出手段は、付着物の材料組成を決定するための検出器に光学的に接続された分散素子を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
基板上の材料の量を変更するのに使用するための自動レーザクラッディングシステムにおいて、
ビームを出力するレーザであって、基板の局所的領域にビームを収束する手段を含み、少なくとも上記局所的領域内で基板を溶融するに充分な電力のエネルギーを有するレーザと、
ビーム及び基板を互いに相対的に移動する手段と、
上記局所的領域に蓄積されるべき材料を供給する手段と、
上記材料の物理的特性を感知し、そしてその物理的特性に基づいて材料付着率を調整するように動作するフィードバック制御手段とを備えたことを特徴とするシステム。
【請求項８】
上記フィードバック制御手段は、ビームの電力を調整して、材料付着率を調整する請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
上記フィードバック制御手段は、ビームのスポットサイズを調整して、材料付着率を調整する請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
上記フィードバック制御手段は、材料供給率を調整して、材料付着率を調整する請求項７に記載のシステム。
【請求項１１】
上記フィードバック制御手段は、ビームと基板との間の移動速度を調整して、材料付着率を調整する請求項７に記載のシステム。
【請求項１２】
材料の物理的特性は、基板上の材料の高さである請求項７に記載のシステム。
【請求項１３】
材料の物理的特性は、溶融プールの化学的組成である請求項７に記載のシステム。
【請求項１４】
製造されるべき部品の記述を含むコンピュータ援用設計（ＣＡＤ）システムへのインターフェイスを更に備え、上記フィードバック制御手段は、更に、上記物理的特性を上記記述と比較して、それに応じて材料付着率を調整するように動作する請求項７に記載のシステム。
【請求項１５】
物品を自動的に製造するシステムにおいて、
製造されるべき物品の記述を含むコンピュータ援用設計データベースと、
基板を支持するためのワークテーブルと、
基板の局所的領域にビームを指向して溶融プールを形成する制御可能なレーザと、
上記レーザに接続され、溶融プールに材料を供給して、物理的寸法を有する付着物を形成するための手段と、
上記レーザ及び供給手段に対して基板を移動するための並進移動手段と、
付着物が形成されるときにその物理的寸法を表す電気信号を出力するよう動作する光学的検出手段と、
上記並進移動手段及びレーザに作動的にインターフェイスされ、上記コンピュータ援用設計データベースにある製造されるべき物品の記述に基づいて付着物の物理的寸法を調整するフィードバックコントローラとを備えたことを特徴とするシステム。
【請求項１６】
上記並進移動手段は、レーザ及び供給手段が固定されたままである間にワークテーブルを移動する請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
上記並進移動手段は、ワークテーブルが固定されたままである間にレーザ及び供給手段を移動する請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
上記基板及び粉末が金属性である請求項１５に記載のシステム。
【請求項１９】
上記光学検出手段は、穴付きマスクを備え、付着物からの光がそこを通過してオプトエレクトリックセンサへ到達する請求項１５に記載のシステム。
【請求項２０】
物品を製造する方法において、
ａ）製造されるべき物品の記述を用意し、
ｂ）物品を製造すべき基板を用意し、
ｃ）基板の局所的領域を加熱して、溶融プールを形成し、
ｄ）溶融プールに材料を供給して、ある物理的寸法を有する付着物を形成し、
ｅ）付着物の物理的寸法を光学的に監視し、
ｆ）製造されるべき物品の記述に基づいて物理的寸法を制御し、
ｇ）基板の異なる局所的領域へ進み、そして
ｈ）物品の製造が完了するまで上記段階ｃ）ないしｄ）を繰り返すことを特徴とする方法。
【請求項２１】
上記段階ｇ）は、レーザ及び供給手段が固定のままである間にワークテーブルを移動することを含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
上記段階ｇ）は、ワークテーブルが固定のままである間にレーザ及び供給手段を移動することを含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
基板及び粉末は金属性である請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビーム及び付着金属ソース、通常、注入粉末金属又はメタルワイヤを使用して、被加工片の表面に「溶融プール」と称する溶融金属の付着物を形成する方法及び装置に係る。
【背景技術】
【０００２】
現在、製造者が直面した問題の１つは、新たな技術の概念及び開発と、実際の製品の市場への導入との間のタイムラグである。多くの製品を製造する場合に時間的に制約のある重要な段階は、型及びダイを設計し製造することである。複雑なダイは、製品の製造に先立ち、数週間ないし１年を経て完全なものとなる。現在の製造プロセスでは、現在の製造方法の欠点を克服するために付加的な段階が必要となる。例えば、型及びダイの場合に、冷却チャンネルを設けそして受け入れられる表面仕上げを与えるために製品を加工しなければならない。
【０００３】
金属を付着する既知のプロセスは、酸化物を捕えそして材料の結合が不充分であるために、焼結製品を生じる。受け入れられる材料付着が生じる場合でも、プロセスは、ストレスの蓄積をしばしば伴い、これを緩和しなければならない。このような既知のプロセスの１つにレーザクラッディングがあり、これは、レーザを使用して基板材料に溶融プールを形成しながら、通常は粉末又はワイヤである第２の材料を導入して、溶融しそして冶金学的に接合するというものである。
【０００４】
クラッディングは、一般に、付着材料の量に対して比較的少量のベース基板材料を溶融し、そして粉末システムが制御された量の金属粒子をその溶融された量に供給するという点で、合金化とは区別される。金属粒子は、この溶融された量全体に分散され、そして基板の外部層に所望の組成の付着物を形成する。レーザビームの焦点に対して被加工片基板を進ませる等により溶融体からレーザビームを取り去ると、溶融体が急速に冷却される。この冷却は、溶融体が溶融混合物の特性をしばしば保持するように急速に生じる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のレーザクラッディング技術は、治具や部品取扱具等の使用によりレーザ焦点に対して金属物品を移動するというものである。それ故、レーザビームの焦点は、粉末供給点と同様に、空間内に固定されたままである。金属物品を均一に移動するには、通常、製造が困難で非常に高価な治具が必要となり、特に込み入った形状のものは、あまりうまくいかない。このような理由で、比較的フラットな形状をもつもの以外の金属部品のレーザクラッディングは、一貫した均一性で達成することがほぼ不可能である。今日まで、付着物の寸法及び特性を制御できるものはない。厳密な公差、受け入れられるマイクロ構造及び特性をもち、且つ適度な期間内に適度なコストで製造できる部品の製造に基本的なクラッディング技術を適用するには、厳密な寸法制御が必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、基板上の材料の蓄積を自動的に制御するのに有用であり、そして少量の製造、プロートタイプ運転等に必要とされる繰り返しクラッディング作業を通して金属部品を製造するのに特に有用である。広くそして一般的には、レーザを使用して基板上の一点を局部的に加熱し、溶融プールを形成して、そこに粉末を供給し、ある物理的寸法をもつ付着物を形成する。オプトエレクトリックセンサに接続された光学検出手段を使用して、付着物の物理的寸法が監視されると共に、フィードバックコントローラが電気信号に基づいてレーザを調整するように動作して、材料の付着率を制御する。
【０００７】
好ましい実施形態では、物理的寸法が付着物の高さであり、システムは、更に、製造されるべき物品の記述を含むコンピュータ援用設計（ＣＡＤ）システムへのインターフェイスを含み、フィードバックコントローラが付着物の物理的寸法をその記述と比較して、それに基づいてレーザのエネルギーを調整できるようにする。
特定の装置については、光学検出手段は、好ましくは、穴付きマスクを備え、付着物からの光がそれを通してオプトエレクトリックセンサへ到達し、そしてフィードバックコントローラは、付着物からの光の有無に基づいてレーザを調整する回路を備えている。
【０００８】
本発明の独特の特徴に基づいて物品を自動的に製造するシステムは、製造されるべき物品の記述を含むコンピュータ援用設計データベースと、基板を支持するためのワークテーブルと、レーザ及び供給手段に対して基板を移動する並進移動手段とを備えている。１つの構成においては、並進移動手段は、レーザ及び供給手段が固定に保たれる間にワークテーブルを移動し、一方、異なる構成では、並進移動手段は、ワークテーブルが固定に保たれる間にレーザ及び供給手段を移動する。更に別の形態として、レーザ／材料供給手段及びワークテーブル／基板を好ましくはフィードバック制御のもとで同時に移動することができる。
【０００９】
本発明の方法による物品の製造プロセスは、製造されるべき物品の記述を用意し、物品を製造すべき基板を用意し、基板の局所的領域を加熱して、溶融プールを形成し、溶融プールに材料を供給して、ある物理的寸法を有する付着物を形成し、付着物の物理的寸法を光学的に監視し、製造されるべき物品の記述に基づいて物理的寸法を制御し、そして物品の製造が完了するまで基板の異なる局所的領域へ進むという段階を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の新規なフィードバックコントローラ及び自動的な部品製造のためのＣＡＤ／ＣＡＭシステムを備えた直接金属付着システムの概略図である。
【図２】基板物品に溶融プールを形成するレーザスプレイノズルの概略図である。
【図３】基板物品に溶融プールを形成するレーザスプレイノズルの概略図で、本発明のフィードバック装置の一部分を示す図である。
【図４】本発明のフィードバックコントローラの重要な特徴を示す光学監視システムの概略図である。
【図５】溶融プール、光学軸、マスク、及び寸法を感知するための本発明のホトトランジスタの方向を示す概略図である。
【図６】図５と同様であるが、歪が生じるかどうかを指示する感知条件が、マスクと、付着材料に対するマスクの配列とに関して、図５とは逆であることを示す図である。
【図７】ホトトランジスタバイアス構成体の電気回路図である。
【図８】ａはフィードバックシステムによりコンディショニング及び制御を行う前のレーザに対するアナログ電圧信号を示す図である。ｂは付着物の高さを感知した結果としてトランジスタ回路に発生する電圧降下を示す図である。ｃはレーザを制御するために送られるホトトランジスタからのデジタル信号を示す図である。ｄはレーザに送られ、パルス巾、ひいては、レーザの電力に影響する変形アナログ信号を示す図である。
【図９】レーザクラッディングにより基板に形成されるモノリシック構造体の特定例を示す図である。
【図１０】好ましいステッチパターンのグラフである。
【図１１】国際ユーザグループにより提案された番号付けされた残留ストレス管理データポイントを含むベンチマークサンプルの斜視図である。
【図１２】本発明の方法により作成されたコア及び空洞部を有するツールダイを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明は、通常金属である基板上の材料の付着を監視しそして制御する方法及び装置に関する。より詳細には、本発明は、局所的なレーザ加熱により溶融プールを形成／持続し、そして通常金属である粉末を同時に注入することをベースとするプロセスに適用できる。基板及び注入された流れの材料が結合されて付着物を形成する。本発明の独特のシステムでは、付着物の少なくとも１つの寸法が監視及び制御されて、厳密な公差内で所望の輪郭及び寸法をもつ完成被加工片が形成される。より詳細には、付着物のサイズは、溶融プールに注入される第２材料の量に比例する。本発明の独特の監視及び制御組立体は、付着物の寸法を感知して、その検出された寸法に基づいてレーザビームのパルス巾を変更するフィードバックコントローラを備えている。好ましくは、付着物の高さが感知され、そしてレーザビームの電力が付着物の高さとは逆に制御される。
【００１２】
本発明は、直接金属付着技術を自動的な直接フィードバック制御と組合せて、受け入れられる冶金学的特性を有する最終製品を厳密な公差内で得ることができる。本発明は、直接金属付着（ＤＭＤ）技術を有効な制御と結合して、複雑な幾何学形状及び優れた冶金学的特性を有する部品、プロートタイプ、型及びダイを厳密な公差で形成することができる。又、本発明は、ＣＡＤデータベースを直接金属付着と結び付けることができ、これにより、人間の介在が限定された自動システムにおいて短い時間内に所望の特性を有する完全な部品を製造することができる。
【００１３】
以下、添付図面を参照して、本発明を説明する。図１は、直接金属付着システム１０２の概略図であり、このシステムは、本発明の新規なフィードバックコントローラ１０４と、自動部品製造のためのＣＡＤ／ＣＡＭシステム１０６とを備えている。材料付着物の寸法に影響すると考えられるファクタは、レーザ電力、ビーム直径、ビームの時間的及び空間的分布、相互作用時間、及び粉末の流量を含む。これらのファクタの中で、レーザ電力の充分な監視及び制御が、制御裕度内で完全な部品を製造する能力に重要な作用を及ぼす。従って、本発明のフィードバックコントローラ１０４は、好ましくは、数値コントローラ（ＮＣ）１０８と直接協働し、このＮＣコントローラ自体が、レーザ電力を含むシステムの全ての機能を制御する。
【００１４】
図１を更に参照すれば、このシステムは、適当なビーム収束手段１１２を有するレーザソース１１０を備えている。このレーザソースは、基板即ち被加工片の上に取り付けられ、そこにビームを収束させる。被加工片である基板は、ワークテーブルに支持されるが、いかなる数の様々な構成を使用して、被加工片基板とレーザスプレーノズルとの間に相対的な移動を生じさせてもよい。又、システムは、ワークテーブル１１４、電源１１６、及びレーザを冷却する冷却装置１１８を備えている。レーザソースは、付着されるべき材料を溶融するに充分な電力密度を有する連続波又はパルスＣＯ2、ＹＡＧ又は他の波長レーザであるのが好ましい。典型的に、ＲＦ励起レーザ又は高電力ＣＯ2レーザが使用される。好ましくは、レーザビームは、基板被加工片の表面にほぼ垂直に向けられる。
【００１５】
図２及び３に示すように、システムは、金属粉末をビームに注入することによりクラッディング層を付与するように被加工片に対して動作するノズル組立体２０２を備えている。この種のレーザ及びノズル組立体は、米国特許第５，２４１，４１９号（プラット氏等）、第５，４５３，３２９号（エベレット氏等）及び第５，４７７，０２６号（ブオンジオモ氏）に開示されている。適当なレーザスプレーノズルは、ジョージア州、ノルクロスのクオンタム・レーザ・コーポレーションから入手でき、米国特許第４，７２４，２９９号に開示されている。
【００１６】
このスプレーノズルは、ビーム及び粉末に対して共通の出口を備え、それらが被加工片基板上の同じポイントに一貫して向けられるようにする。好ましい構成では、レーザスプレーノズル組立体は、米国特許第４，７２４，２９９号に開示されたように、第１及び第２の離間された端部をもつノズル本体を備えている。端部と端部との間にはビーム通路が延び、そこにレーザビームを通すことができる。第２端部を取り巻くハウジングは、環状通路を形成するように第２端部から離間される。このハウジングは、ビーム通路と同軸的な開口を有し、そこにレーザビームを通すことができる。クラッディング粉末供給システムは、この通路に作動的に関連されて、そこにクラッディング粉末を供給し、粉末はビームと同軸的に開口を出る。
【００１７】
本発明のレーザスプレーノズルは、ビームがクラッディング粉末とほぼ同軸的にノズルを出、その両方が同じ焦点を有するので、均一なクラッド組成を達成する。ノズルは、ビーム及び粉末に対して共通の出口を備え、その両方が物品の同じポイントに一貫して向けられる。このように、共通の焦点が達成され、均一なクラッド組成を確保する。側部注入ノズルでも同様の結果を得ることができるが、側部注入ノズルは、クラッドの移動方向を制限し、一方、同心的ノズルは、いつでも付着方向を変えられる。
【００１８】
従来のレーザクラッディング技術は、治具や部品取扱具等を使用することによりビームの焦点に対して金属物品を移動する。それ故、ビーム焦点は、注入される金属粉末流の位置と同様に、空間内で固定に保たれる。金属物品を均一に移動するには、通常、複雑な治具を必要とし、これは、製造が困難で、しばしば高価で、且つ特に非常に込み入った幾何学形状の場合はうまくいかないことが多い。このため、込み入った幾何学形状をもつ金属部品のレーザクラッディングは、一貫した均一性で達成することが困難であった。ロボットは、多数の金属加工プラントにおいて操作装置の標準的断片となった。典型的なロボットは、一定速度で各々動き得る５つの自由度をもつ手首を有する。ロボットは、電気的、液圧式、空気圧式、又はこれら手段の幾つかの組合せによって付勢される。レーザクラッディングシステムに関連してロボットを使用することは、均一なクラッドを達成する手段へ向かう上で助けとなる。物品は空間内に固定保持され、それ故、ノズルが、ロボットアームの移動と協働して物品に対して移動される。或いは又、ノズルが固定保持され、物品がロボットによって移動されてもよい。
【００１９】
数値コントローラ１０８は、好ましくは、レーザの動作条件や、物品、部品又は被加工片を形成するためのＣＡＤ／ＣＡＭコンピュータ１０６からの指令の受け入れを含む図１の組立体の全動作要素を制御する。又、このＮＣコントローラは、フィードバックコントローラからのフィードバック制御信号を受け取ってレーザ電力出力を調整すると共に、ワークテーブルとレーザスプレーノズル組立体との相対的な位置も制御する。図１に使用されるような数値コントローラは、ＦＡＮＵＣ、アレン・ブラッドリー、ＩＧＭ等を含む多数の売主から入手できる。ＣＡＤ／ＣＡＭシステムは、従来形式のものであり、サン・マイクロシステムズ、シリコン・グラフィックス、又はヒューレット・パッカードのような商業売主によって供給されるワークステーションを含む。ＣＡＤ／ＣＡＭソフトウェアに必要とされる特徴の中には、とりわけ、材料付着のために基板を横切って経路を形成する能力がある。これは、迅速なプロートタイプ形成を実行できると共に、レーザスプレーノズルを用いて直接金属プロートタイプを製造することも含めてＣＡＤ寸法から直接的に内実の三次元物体を形成できるようにする。
【００２０】
図２及び３から明らかなように、レーザスプレーノズル２０２は、基板物品２０６に溶融プール２０４を形成する。粉末は、レーザビーム２０４の周りのノズル２０８を経て注入されるのが好ましい。基板表面におけるレーザビーム投影はガウスプロファイルでないのが好ましい。レーザビーム投影は、比較的一般的なドーナツ形状で、最大強度が周囲に生じるのが好ましい。従って、ガウスプロファイルとは対照的に、ビームプロファイルの中間点は低い強度をもつ。これは、比較的均一な温度分布の溶融プールを与える。しかしながら、レーザビームの他の空間的分布をプロセスに適用することもできる。
【００２１】
図３は、フィードバック制御装置３０２を含む直接金属付着システムの概略図である。レーザから供給されるエネルギーは、大きな矢印で示されており、そして小さな矢印は、粉末供給システムに付与される粉末を示す。冷却水３０６が、レーザスプレーノズルの出口に供給されるように示されている。フィードバックユニット３０２は、レーザ及び粉末が被加工片３１０の表面に入射する点のすぐ近くに配置されるのが好ましい。
【００２２】
図４は、フィードバック制御システムの基礎物理構成を示す光学監視システムの概略図である。広い意味で、レーザクラッド溶融プールの高さのような寸法が光学的に監視されそして電子的に制御される。溶融プールの高温度の溶融面は、赤外線領域の輝度で光を放出する。図４の棒線画は、溶融プールを概略的に表す。好ましくは赤外線領域の狭帯域通過フィルタ４１０が、カメラレンズ４１２の前面に配置される。一例として示すカメラは、焦点距離が１３５ｍｍであり、溶融プールを適当に拡大することだけが必要とされる。
【００２３】
像は胴体エクステンダー４１６を通過した後、像の一部分（約１０％）がＴＶカメラ４２０のアクティブな焦点面へ反射される。このカメラは、本発明により厳密に必要とされるものではなく、操作者が監視を行えるようにするものであることに注意されたい。反射された像は、反射器とＴＶカメラのアクティブな焦点面との間に配置された中性密度フィルタ４２２に通されるのが好ましい。光学像の透過部分は反射器を通過し、そして拡大像が焦点面においてマスクされ、空間的な解像度が与えられる。マスク４２６から出る像はレンズ４２８を通り、そしてホトトランジスタ４３０のような光感知装置へ送られる。
【００２４】
重要なことに、光学軸４４０の角度及びこの光学装置の倍率は、クラッドの高さの小さな変化をホトトランジスタ４３０で区別できるように構成される。図５及び６に示すシステムの向きでは、形成された溶融プールの高さからの光がホトトランジスタからマスクされるか又はホトトランジスタへの通過が許されるかのいずれかである。これら２つの状態間の感度は、０．０１０インチ（１０／１０００インチ）未満であるのが好ましい。即ち、２つの状態間のスレッシュホールド感度は、−０．０１０インチであり、即ち「非マスク」状態のウインドウは、「マスク」状態に戻るまでに−０．１００インチである。
【００２５】
又、図４は、ビームスプリッター又は部分透過ミラー４５０の使用により分光分析を本発明に組み込むことも示しており、ミラー４５０は、物体から受け取った光の一部分を回折格子のような分散素子４６０へ指向し、そこから光はレンズ４６２によりコリメートされて検出器４６４へ送られ、スペクトル含有情報をライン４６６に出力する。このようなスペクトル含有情報は、溶融プール又はクラッディング層が発生するときにその材料組成に関するデータを受動的に監視及び／又は記録するのに使用されてもよいし、或いは材料組成に基づいてシステムの動作を変更するようにフィードバックループに組み込まれてもよい。例えば、粉末供給の成分を設計基準に基づいて変更しそしてスペクトル分析特徴によりチェックして、適切な合金又は材料組成の変化が生じるように確保してもよい。
【００２６】
又、レーザ電力は記憶されたプログラムに基づいて変更される変数であるのが好ましいが、他の変数を個別に使用してもよいしレーザ電力に関連して使用してもよいことに注意されたい。例えば、レーザスポットの進行又はレーザスポットのサイズを、設計基準を満足するように変更してもよいし、或いは材料の供給を調整してもよい。実際に、パラメータの適当なセットを適切に制御することにより、本発明によって材料の蓄積と共に材料の除去を行うこともでき、誤り又は不完全さをオンザフライで修正することもできるし、或いは又既存の部品を新たな設計基準に対して変更することもできる。
【００２７】
ホトトランジスタの信号は、レーザ電力を制御する回路によって処理される。ほとんどのレーザは、単一のアナログ電圧信号で制御することができ、例えば、０ボルト及び１２ボルトは、各々、無電力及び全電力に対応する。それらの間の電圧は、それに対応する出力電力を発生する。ほとんどのレーザは、このアナログ電圧に１ミリ秒以内に応答することができる。ホトトランジスタは、光の有無を検出することができ、その導電率が変化する。光に曝されると、ホトトランジスタの導電率が増加し、それ故、ホトトランジスタにまたがる電圧降下が減少する。図７に示すように、「Ｒ１」の値は、ＶPT＋Ｖout＝５ボルトとなるように適当な感度を調整するよう選択できる。この特定例では、全電力が１０ボルト信号で得られる場合、５ボルトは全電力の５０％を与える。
【００２８】
図５は、溶融付着物５０２の概略図であり、付着物とホトトランジスタ５０６との間にマスク５０４が配置されている。システムの他の要素は、明瞭化のために取り去られている。明らかなように、マスクは、平坦な形態で、内実であり、光が通過する穴を有する。クラッドの高さが所定のレベルに到達すると、付着物の材料からの選択された波長の光が、図示されたように、マスクを通過してホトトランジスタに入射する。逆に、付着物のレベルがマスクの穴より低い限り、光は、ホトトランジスタに入射しない。光が入射するときとしないときのこの状態を使用して、レーザの動作を制御及び調整することができる。
【００２９】
逆の状態が図６に示されており、ここでは、光がマスクを透過する限り、クラッド付着物の高さが受け入れられ、そして光がマスクを透過するのが防止されるや否や、ホトトランジスタに光が入射しないために、受け入れられない状態が感知される。溶融プールの高さが変化するにつれて、像が低くなり、やがて、光がホトトランジスタに当たり始める。ある一貫した高さにおいて、電圧（Ｖout）が、「ビームオン」から「ビームオフ」へ切り換わる大きさに到達する。
【００３０】
図８は、レーザ動作を制御する信号の関係、光がある状態／ない状態に対する電圧降下の形態のホトトランジスタ応答、及びホトトランジスタの信号がレーザ電力をいかに制御するかを示す一連の曲線である。全ての場合において、横軸は時間を表し、そして縦軸は電圧を表す。図８ａの第１の曲線は、本発明のフィードバックシステムによってコンディショニング及び制御される前のレーザに対するアナログ電圧信号を示す。図８ｂの第２の曲線は、ホトトランジスタの抵抗にまたがる電圧降下を示す。第１の曲線から明らかなように、レーザに対するアナログ電圧は、フィードバックシステムにより制御される前は、一貫したものであって、時間と共に調整されない。図８ｂの第２の曲線は、クラッディング動作中の図７のホトトランジスタ抵抗にまたがる電圧降下を示す。
【００３１】
動作サイクルの始めに、ホトトランジスタのインピーダンスは高く、これは、溶融面から放射されて選択的な狭帯域通過フィルタを経て伝達される光を感知しないことを意味する。その結果、ホトトランジスタ抵抗にまたがる電圧降下は、比較的低い。光が検出される状態においては、ホトトランジスタのインピーダンスが比較的低く、そしてホトトランジスタ抵抗にまたがる電圧降下が比較的高いことを指示するピークが示される。図８ｃの第３の曲線では、ホトトランジスタにまたがるピーク電圧降下が信号を発生し、これはデジタル化される。図８ｄの第４の曲線は、デジタル化された信号が、ここで、レーザへ送られる実際の信号を変更し、レーザのパルス巾及びそれにより生じる電力に作用することを示す。図８ｄの第４の曲線に示されたように、時間に伴うレーザの電圧は、ここでは、ホトトランジスタの電圧降下と、監視される光入射波長の送信とに対応して調整されている。
【００３２】
本発明のフィードバック特徴において、ホトトランジスタは、図１の数値コントローラに信号を送信し、数値コントローラは、次いで、レーザへの供給電圧を調整し、レーザ電力を制御し、そして最終的に、被加工片基板に入射するレーザの時間巾を調整する。アナログ信号の電圧は、レーザ電力に対応する。これは、直接金属付着を行えるようにすると共に、クラッディング層が次々に蓄積されるときに各パスの高さを制御できるようにする。従って、フィードバックシステムは、被加工片の累積寸法を制御する。本発明のフィードバックコントローラは、本質的に、被加工片が寸法を外れようとする場合に、各パルスの「ビームオン」時間巾を減少すべきであることをレーザに通知する。ビームがオンであるときに、付着が生じる。特定の位置が高過ぎる場合には、フィードバックループが、レーザ電力をカットオフし、付着を著しく減少させる。本発明の自動制御及び調整は、手動調整が有効でないために重要である。
【００３３】
使用中に、システムは、材料をピクセルごとに付着するように使用される。フィードバック制御がないと、数分後又は数枚の層が蓄積された後に、被加工片が歪んだ状態になることがあり、その後、条件が更に悪化すると、歪みや破壊を招くことになる。本発明のフィードバック制御システムの効果は、歪みが生じ得る前に、ホトトランジスタが被加工片材料の独特の波長で放出される光の有無状態を感知し、そしてフィードバックコントローラが受け入れられる状態を感知するまで付着を減少し、その際に、パルスをその全量に延長し得るようにコンピュータを予めプログラムできることである。
【００３４】
例１：
この調査に対し、クロミウム−モリブデンの高温加工ダイスチールＨ１３を、加工されたＨ１３基板上に直接付着した。ダイキャスティングに通常使用されるこの合金は、ダイキャストツールを迅速に製造する上で潜在的に著しく有用であることから分析した。ＤＭＤ及び加工品Ｈ１３の両方に対する熱処理の比較を次の領域で行った。１）「クラッドとしての」硬度、延性及びマイクロ構造、２）初期の焼戻し応答、及び３）オーステナイト処理された（１０１０℃で）オイル焼入れ材料に対する焼戻し応答。
【００３５】
商業用システムを複製するために、２つのクラッディング付着モードについて分析した。低電力、低金属付着率は、この処理が細部及び縁に使用されるパラメータに対応することから選択された。高電力、高金属付着率の動作モードは、これが多量の材料を追加するのに使用される方法に対応することから使用された。これら２つの形式の処理は、各々、微細なクラッディング及び大まかなクラッディングと称する。フィードバックシステムは、「微細な」クラッディングに使用した。
【００３６】
大まかなクラッディングに使用された運転条件は、厚い１−Ｄ垂直壁を形成するために１．１ｍｍの焦点が３．５ｍｍにラスター化されたものであった。レーザ電力は、４５００ワットであり、そして粉末の供給率は、１６グラム／分であった。粉末は、ラスター方向に垂直に供給された。ビーム及び粉末流は、各パスの終わりにオフにされ、そしてその後の層は、同じ方向２７５０ｍｍ／分で並進移動しながら蓄積された。次々の層が付着されて、巾３．５ｍｍ、高さ７０ｍｍそして長さ１２０ｍｍの蓄積物が低炭素鋼基板に形成された。この処理中に、クラッドの温度は測定しなかったが、最初の５ないし１０層を付着した後に目に見える放射が観察された。クラッド方向に垂直な向きの張力性バーが、図９に示すように、この「クラッドとして」の試料から加工された。張力テスト中に、伸縮計は、ゲージ区分において歪を測定した。
【００３７】
微細なクラッディングについては、金属粉末及びシュラウドガスが同心的に供給された。０．６ｍｍ直径のスポットにより溶融プールが形成された。両形式のクラッディングプロセスに対する試料速度は、７５０ｍｍ／分であった。レーザ電力及び粉末供給率は、微細な処理の場合、１０００ワット及び５グラム／分であった。フィードバックシステムは、試料が図１０に示すステッチパターンで横断されるときに溶融プールの高さを監視した。各付着層の厚みは２５０ミクロンであった。このパターンは、高さ９０ｍｍのスラブを形成するように繰り返された。基板及びクラッドの両方にＨ１３を使用し、次々の熱処理実験においてレーザクラッド材料と加工材料とを直接比較できるようにした。
【００３８】
クラッド被加工片及び加工品Ｈ１３の硬度及びマイクロ構造の分析は、熱処理状態において、非常に良く似たものであった。両方とも、焼戻ししたマーテンサイトを含み、そしてあるものはオーステナイトを含むものであった。１０１０℃で１時間オーステナイト処理した後、クラッドにおける樹枝状凝固構造のほとんどの形跡が拡散により除去された。しかしながら、合金分離により生じたバンディングは、加工基板において明白であった。この分析結果として、クラッディングによって多数の層を蓄積して、従来の加工対応部品と同等の特性をもつ被加工片を形成できることが実証された。
【００３９】
例２：
三次元コンポーネントを製造する能力を実証するためのこのプロセスの成功にとって、残留ストレス及びそれにより生じる歪を管理することが重要なファクタである。残留ストレスの蓄積は、工具鋼コンポーネントの製造中にクラックを生じる最大の原因である。ストレスの発生を理解するために、層当たりのストレス蓄積を推定するためのサンプルを設計した。これは、残留ストレスの蓄積によりクラックを生じ得る前に多数の層を蓄積するための戦略となった。所定数の層を付着した後、それ以上の層を付着する前にストレスの緩和を実行した。この戦略は、図１１に示すような全サイズのＩＭＳ−Ｔ１コンポーネントの製造を成功に至らせた。これは、直接金属付着によりＨ１３工具鋼でこのＩＭＳ−Ｔ１テスト設計を初めて製造したものであると考えられる。
【００４０】
例２のプロセスパラメータを以下に示す。
ＮＳＦ  Ｔ１サンプル
材料：  Ｈ１３粉末
レーザ電力：  〜１００Ｗ
付着率：  〜５グラム／分
スライス厚み：  ０．０１インチ
実際のレーザ作動処理時間：  ５０時間
全処理時間：  〜１００時間
ストレス緩和時間：  〜２４時間（６ｘ４時間）
合計時間：  〜１２４時間
【００４１】
製造されたサンプルを、残留ストレス測定のために独立した研究所へ送った。図１１は、ストレスを測定したポイントも示す。位置２、６及び５は、テスト運転中に付着され、従って、残留圧縮ストレスを示す。というのは、ストレス緩和されていないからである。それ以前の運転中に付着されそしてその後にストレス緩和された他の位置は、無視できる程度の残留ストレスを示し、一方、ストレス緩和されない位置の最大ストレスは、＋４９．４ＫＳＩである。
【００４２】
銅の冷却ブロック及び水冷チャンネルを埋設した注入モールドダイを準備し、そしてトリミングダイも製造した。これらのコンポーネントは、非常に厳密な寸法精度を有し、全て寸法公差が数千分の１インチであった。これらの例は、Ｈ１３合金で三次元コンポーネントを首尾良く製造するためのＤＭＤプロセスの実現性を示している。このプロセスは、プロセスパラメータを入念に制御することによりマイクロ構造、ひいては、特性を制御することができる。レーザ付着されたコンポーネント及び加工されたＨ１３スチールコンポーネントの熱処理応答は、同じである。実際に、熱処理されたレーザクラッドＨ１３は、加工されたＨ１３より構造的に均質である。
【００４３】
本発明の方法及び装置は、コンピュータデータベースから形成できるほとんど全ての幾何学形状のコンポーネントを確立しそして洗練されたものとすることができる。多数の重要なアプリケーションが存在する。その１つは、迅速なプロートタイプ形成／製造であり、これは、プロートタイプ又は製造ツールの総処理時間を著しく高速化することができる。別のアプリケーションは、コスト効率の良いやり方で少量を製造できるユーザ特有の少量部品生産である。これは、個人用の人工補綴部品のような医療用器具の製造に特に効果的である。他の潜在的なアプリケーションは、ポリマー注入／製造のための型や、総処理時間を著しく短縮したＡ１ダイキャスティング型用のインサートや、レーザグレージングを含む。
【００４４】
本発明は、組成、マイクロ構造、残留ストレス及び機械的特性を制御する機能を提供する。本発明のシステムは、プロセス制御のためにフィードバックループを使用しそして自動運転のためにフィードバック制御ループにハードウェア及びソフトウェアを一体化して製造を「ライト・オフ(lights off)」することができる。プロセスに使用される種々の材料に対して数学的モデルが容易に開発される。残留ストレスの蓄積、歪及びストレス誘起歪を測定し、そしてクラックの発生を監視するための圧電及び電気センサを含む他の特徴をシステムに容易に一体化することができる。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成23年6月10日(2011.6.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上の材料の層状付着を自動的に制御するシステムにおいて、
基板の局所的領域にビームを指向して溶融プールを形成する制御可能なレーザと、
溶融プールに材料を供給して、レーザにより溶融し、高さを有する材料付着物を形成するための材料供給手段と、
オプトエレクトリックセンサに接続されて、上記高さの関数として電気信号を出力するように動作する光学的検出手段と、
上記電気信号の関数として材料付着率を自動的に調整するように動作するフィードバックコントローラとを備えたことを特徴とするシステム。
【請求項２】
上記高さは、基板の平面に直角である請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
上記オプトエレクトリックセンサは、付着物の材料組成の関数として電気信号を出力する請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
製造されるべき物品についての記述を含むコンピュータ援用設計（ＣＡＤ）システムへのインターフェイスを更に備え、上記フィードバックコントローラは、更に、上記高さを上記記述と比較して、それに応じて材料付着率を調整するように動作する請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
上記光学的検出手段は、穴付きマスクを備え、付着物からの光がそれを通過してオプトエレクトリックセンサへ到達し、上記フィードバックコントローラは、更に、付着物からの光の有無を検出するための回路を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
上記光学的検出手段は、付着物の材料組成を決定するための検出器に光学的に接続された光分散素子を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
基板に付着される材料の量を変更するのに使用するための自動レーザクラッディングシステムにおいて、
ビームを出力するレーザであって、基板の局所的領域にビームを収束する手段を含み、少なくとも上記局所的領域内で基板を溶融するに充分な電力のエネルギーを有するレーザと、
ビーム及び基板を互いに相対的に移動する手段と、
材料付着物として上記局所的領域に蓄積するために溶融されるべき材料を溶融プールへ供給する手段と、
上記材料付着物の高さを感知し、そしてその高さに基づいて材料付着率を自動的に調整するように動作するフィードバック制御手段とを備えたことを特徴とするシステム。
【請求項８】
上記フィードバック制御手段は、ビームの電力を調整して、材料付着率を調整する請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
上記フィードバック制御手段は、ビームのスポットサイズを調整して、
材料付着率を調整する請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
上記フィードバック制御手段は、材料供給率を調整して、材料付着率を調整する請求項７に記載のシステム。
【請求項１１】
上記フィードバック制御手段は、ビームと基板との間の移動速度を調整して、材料付着率を調整する請求項７に記載のシステム。
【請求項１２】
上記フィードバック制御手段は、更に、基板上の材料付着物の化学的組成を感知する請求項７に記載のシステム。
【請求項１３】
上記フィードバック制御手段は、更に、溶融プールの化学的組成を感知するである請求項７に記載のシステム。
【請求項１４】
製造されるべき部品についての記述を含むコンピュータ援用設計（ＣＡＤ）システムへのインターフェイスを更に備え、上記フィードバック制御手段は、更に、上記高さを上記記述と比較して、それに応じて材料付着率を自動的に調整するように動作する請求項７に記載のシステム。
【請求項１５】
物品を自動的に製造するシステムにおいて、
製造されるべき物品についての記述を含むコンピュータ援用設計データベースと、
基板を支持するためのワークテーブルと、
基板の局所的領域にビームを指向して溶融プールを形成する制御可能なレーザと、
上記レーザに接続され、溶融されるべき材料を溶融プールに供給して、高さを有する付着物を形成するための手段と、
上記レーザ及び供給手段に対して基板を移動するための並進移動手段と、
材料付着物が形成されるときにその高さを表す電気信号を出力するよう動作する光学的検出手段と、
上記並進移動手段及びレーザに作動的にインターフェイスされ、上記コンピュータ援用設計データベースにある製造されるべき物品についての記述に基づいて材料付着物の高さを自動的に調整するフィードバックコントローラとを備えたことを特徴とするシステム。
【請求項１６】
上記並進移動手段は、レーザ及び供給手段が固定されたままである間にワークテーブルを移動する請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
上記並進移動手段は、ワークテーブルが固定されたままである間にレーザ及び供給手段を移動する請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
上記基板は金属性であり、そして溶融プールに供給される材料は金属粉末である請求項１５に記載のシステム。
【請求項１９】
上記光学的検出手段は、穴付きマスクを備え、材料付着物からの光がそこを通過してオプトエレクトリックセンサへ到達する請求項１５に記載のシステム。
【請求項２０】
物品を製造する方法において、
ａ）製造されるべき物品についての記述を用意し、
ｂ）物品を製造すべき基板を用意し、
ｃ）基板の局所的領域を加熱して、溶融プールを形成するビームを有する制御可能なレーザを用意し、
ｄ）溶融プールに材料を供給して、高さを有する材料付着物を形成し、
ｅ）材料付着物の高さを光学的に監視し、
ｆ）製造されるべき物品についての記述に基づいて高さを自動的に制御し、
ｇ）基板の異なる局所的領域へ進み、そして
ｈ）物品の製造が完了するまで上記段階ｃ）ないしｄ）を繰り返すことを特徴とする方法。
【請求項２１】
上記段階ｇ）は、レーザ及び供給手段が固定のままである間に基板を移動することを含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
上記段階ｇ）は、基板が固定のままである間にレーザ及び供給手段を移動することを含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
上記基板は金属性であり、そして溶融プールに供給される材料は金属粉末である請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
上記段階ｇ）は、レーザ及び供給手段が固定のままである間に基板を傾斜することを含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
上記高さは、基板に対して直角である請求項２０に記載の方法。