(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ付加製造で部品（１２２）を製造する方法であって、
（ａ）粉末ベッドに粉末層を照射して溶融領域を形成するステップと、
（ｂ）粉末ベッドの第１の側から粉末ベッド上をリコータアーム（１１６）を通過させることによって、粉末ベッド上に後続の粉末層を提供するステップと、
（ｃ）ステップ（ａ）及び（ｂ）を繰り返して、粉末ベッド内で部品（１２２）を形成するステップと、
（ｄ）ステップ（ａ）〜（ｃ）を実行中に、２つ以上のプロセスパラメータの記録信号を記録するステップであって、プロセスパラメータが、粉末層厚、又は所与の層／場所よりも下方の加工物の熱伝導特性を含むステップと、
（ｅ）記録された２つ以上の信号を、記録されたプロセスパラメータのための縮小変数信号に変換するステップと、
（ｆ）縮小変数信号が、プロセスの管理範囲内に収まっているかどうかを判定するステップと、
（ｇ）縮小変数信号が管理範囲を超える場合に警告信号を生成するステップと
を含む、方法。
【請求項２】
付加製造工程がＤＭＬＳである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
縮小変数セットが、主構成要素分析によって変換される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
縮小変数セットが、ウエスタンエレクトリックルールに従って管理範囲内に収まっていると判定される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
縮小変数セットが、１以上の多変量管理図に基づいて管理範囲内に収まっていると判定される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
１以上の多変量管理図が、２以上のプロセス変数の組合せである、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
ステップ（ｄ）が、部品（１２２）中の層の総数のサブセットである１つのグループの層に対して行われる、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の方法に従って多変量統計的プロセス管理を実行するソフトウェアプログラム。
【請求項９】
さらにＤＭＬＭ装置に組み込まれる、請求項８に記載のソフトウェアプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体を製造するためのレーザベースの付加製造プロセスに関する。具体的には、本発明は、付加製造プロセスを用いる物体の製造において、多変量統計的プロセス管理を使用することにより加工物の質を監視するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
付加製造（ＡＭ）プロセスでは、一般に１つ以上の材料を蓄積してネット又はニアネットシェイプ（ＮＮＳ）物体を製造するので、サブトラクティブ製造方法とは対照的である。「付加製造」は業界標準用語（ＡＳＴＭ  Ｆ２７９２）であるが、ＡＭは、自由製造、３Ｄ印刷、ラピッド・プロトタイピング／ツーリング等を含む様々な名称で周知な種々の製造及びプロトタイピング技術を含んでいる。ＡＭ技術は、多種多様な材料から複雑な構成要素を製造することができる。一般に、自立構造の物体は、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルから製造することができる。特定方式のＡＭプロセスでは、例えばレーザビーム等の電子ビーム又は電磁放射といったエネルギービームを使用して粉末材料を焼結又は溶融して、粉末材料の粒子が結合した固体の３次元物体を作成する。様々な材料系、例えば、エンジニアリングプラスチック、熱可塑性エラストマー、金属、セラミックが使用される。レーザ焼結又は溶融は、機能的な試作品及びツールを迅速に製造するための優れたＡＭプロセスである。本願は、複雑な加工物の直接製造、インベストメント鋳造用のパターン、射出成形及びダイカスト用の金型、砂型鋳造用の金型及びコアを含む。意思疎通を向上させるために試作物体を製造し、設計サイクル中にコンセプトテストを行うことは、ＡＭプロセスの他の一般的な用途である。
【０００３】
選択的レーザ焼結、直接レーザ焼結、選択的レーザ溶融、及び直接レーザ溶融は、レーザビームを使用して微細な粉末を焼結又は溶融させることによる３次元（３Ｄ）物体の製造を指すために使用される、一般的な業界用語である。例えば、米国特許第４，８６３，５３８号明細書及び米国特許第５，４６０，７５８号明細書は、従来のレーザ焼結技術について述べている。より正確には、焼結は粉末材料の融点未満の温度で粉末の粒子を溶解（凝集）させることを伴うが、溶融は粉末を完全に溶解させて固体の均質な塊を形成することを伴う。レーザ焼結又はレーザ溶融に関連する物理的プロセスは、粉末材料への熱伝達及びその後の粉末材料の焼結又は溶融を含んでいる。レーザ焼結及び溶融プロセスは、広範な粉末材料に適用することができるが、例えば焼結又は溶融速度、層製造プロセス中のミクロ構造進化における処理パラメータの影響といった製造ルートの科学的及び技術的態様はよく理解されていない。この製造方法は、複数の様式で行われる熱、質量及び運動量の移動、そしてプロセスを非常に複雑にする化学反応を伴う。
【０００４】
図１は、例示的な従来のレーザ付加製造システム１００の断面図を示す概略図である。装置１００は、レーザ１２０のような光源によって生成されたエネルギービーム１３６を使用して、粉末材料（図示せず）を焼結又は溶融させて層を重ねる方法で、例えば部品１２２といった物体を造形する。エネルギービームによって溶融される粉末をリザーバ１２６により供給し、リコータアーム１１６を使用して造形プレート１１４上に均等に分散させて粉末を面１１８で維持し、粉末の面１１８の上方に延在する余分な粉末材料を廃棄物容器１２８に除去する。エネルギービーム１３６は、造形中の物体の断面層を、ガルボ・スキャナ１３２の管理下で焼結又は溶融させる。造形プレート１１４を下降させて粉末の別の層を造形プレート及び造形中の物体上に拡散させた後、レーザ１２０によって粉末を逐次溶融／焼結させる。溶融／焼結された粉末材料から部品１２２が完全に造形されるまで、このプロセスが繰り返される。レーザ１２０は、プロセッサ及びメモリを含むコンピュータ・システムによって管理することができる。コンピュータ・システムは、各層の走査パターンを決定、つまり「マーク」することができ、走査パターンどおりに粉末材料を照射するようレーザ１２０を管理することができる。部品１２２の製造が完了した後、様々な後処理手順が部品１２２に適用されてもよい。後処理手順には、例えば、ブローイング又は真空引きによる余分な粉末の除去が含まれる。他の後処理手順には、応力緩和プロセスが含まれる。さらに、熱的、機械的、及び化学的後処理手順を、部品１２２を完成させるために使用することができる。
【０００５】
従来、ＡＭは試作目的で部品を製造する手段として使用されてきたので、これまで再現性及び一貫性の確保という課題は、レーザＡＭにおいて対処されてきていない。しかし、ＡＭが部品の試作から部品の大量生産に移行しているので、同一の部品を一貫して製造することができるような、造形ごと及び装置ごとの反復性及び再現性へのニーズが非常に高まっている。これは製造される部品の全体的な品質を犠牲にせずに達成しなければならず、そのためには最終部品に対するいくつかの検査又は精査が必要となるだろう。今日に至るまで、ＡＭプロセスにおいては良質の部品を一貫して製造することが困難であった。これは、ＡＭプロセスのアキレスのかかとと何度も呼ばれてきた。この問題を解決するための重要な手段は、製造後の品質検査を実行する必要性が減るように、ＡＭ製造プロセス中にエラーを監視し補正する方法を開発することである。
【０００６】
どの製造プロセスにおいても、以下に限定されるものではないが、時間、温度、及び／又は速度等の変数が存在し、この変数はあらゆる特定の加工物の品質全体に影響を及ぼす。レーザＡＭプロセスの場合、部品の製造は多数のパラメータによって影響され得るので、最終製品の変形が限られたものとなるように、及び／又は必要な製造後プロセスが限られたものになるように、造形プロセスを注意深く監視する必要がある。レーザＡＭプロセスにおけるプロセス変数の監視に対する非常に多くの取り組みが、先行技術に記載されている。例えば、米国特許第６，９９５，３３４号明細書は、レーザによって基板上に生成された溶融プールのサイズをリアルタイムで監視する方法であって、ここで監視は撮像装置によって行われ、リアルタイムの調整は、管理出力と一致するようにレーザ出力に対して行われる。米国出願第２００９０２０６０６５号明細書は、溶融領域を監視し、リアルタイムでレーザ出力、レーザスポット径、又は走査速度を調節して一定の溶融領域を維持することにより、選択的レーザ粉末処理装置を監視及び管理するフィードバック方法に関する。最後に、米国特許第５，４２７，７３３号明細書は、レーザでの接触によって金属粉末の温度を監視し、温度読み出しに応じてレーザを調整して一定のレーザ出力パワーを供給するための方法に関する。しかし、先行技術の方法のほとんどは、レーザＡＭプロセスにおける１つの特定の変数（例えば、レーザ出力や温度）に限定される。特に複数のインプロセス変数が最終製品に影響するような場合、単一のプロセス変数を分析するだけでは、限られた値しか得られない。例えば、米国特許第５，４２７，７３３号明細書では、金属粉末の温度が監視対象のプロセス変数であり、焼結プロセスにおける熱影響領域内で一定の温度を維持するために、レーザ出力に対する調整が行われる。一定の温度を維持するため、放射放出をレーザビーム経路に沿って測定し、これを特定の温度と相関させることによって温度を監視する。光路は、レーザが造形面を走査する際に変化するが、温度に加えて別の変数をシステムにもたらす。これは、（焼結状態とは対照的に）溶融状態では、溶融プール上のプラズマプルームの存在によってさらに複雑になり、信号にさらなる影響を与える場合がある。このように、単一の変数の監視は有用な点もあるが、レーザベースのＡＭプロセスの実態が複数のインプロセス変数を伴う場合、得られる値は限られたものとなる。
【０００７】
部品が形成されるプロセスを分析することにより、プロセスにおける変動に対するより安定した見通しが得られ、製造プロセス中の処理パラメータの変動を補正するためのより効果的な手段が得られる。最終的には、これは製造後又はプロセス後の品質検査の削減につながる。この機能を実行する１つの方法は、統計的プロセス管理（ＳＰＣ）及び管理図を介したものである。ＳＰＣは、これに限定されるわけではないが、製造プロセスのような特定のプロセスの品質を、統計的方法を使用することによってプロセス中に監視及び管理することができる手段である。ＳＰＣを介して製造プロセスの特定の特性や出力が監視され、プロセス全体が安定した反復可能な方法で動作していることが保証される。製造プロセス或いは他のどのプロセスであっても、あらゆるプロセスにおいて本質的に変動は存在するもので、統計的に許容可能な範囲内に収まっているといった特定の安定性基準を満たすならば、これらの変動は容認される。従来の経験や観測結果に基づいて、あるプロセスが一定の安定性基準、例えば統計的許容範囲の上限値と下限値の範囲内でどのように変動するかを予測することができれば、そのプロセスは一般に安定していて管理下にあると理解される。例えば、プロセス中の変動が統計的に決定された上限値及び下限値のいずれかを超えた場合、そのプロセスは不安定であると見なされる。
【０００８】
プロセスにおける統計的に許容可能な変動を判定する１つの方法は、管理図（Ｓｈｅｗｈａｒｔ図又はプロセス挙動図としても知られる）を使用することである。管理図は、特定のプロセスの変化と変動を経時的に示す。図には、プロセスの管理上限及び管理下限の平均である中央線が表示される。プロセスを経時的に観測及び表示することにより、以前のプロセスから収集された履歴データと変動が比較され、個々の点が中央値に対して統計的に許容可能な範囲内に収まっているか、及び他の安定性基準を満たしている（例えば、ウエスタンエレクトリックルールに従っている）かに応じて、統計的に安定しているか管理不能であるかを判断することができる。プロセス変動を平均、上限及び下限ラインと比較することによって、当業者は、全体的なプロセス変動が管理下にあるか管理不能であるか結論を出すことができる。一般的に使用される管理図の１つの形式は、個々の移動範囲（Ｉ−ＭＲ）図である（例えば、図２を参照）。この形式の管理図は連続データを監視することができ、時点ごとに１つのデータ点が収集される。Ｉ−ＭＲ図は２つの図から構成されており、共にプロセス平均及びプロセス変動を監視する。「Ｉ」図は、プロセス中の個々のデータ点における傾向及び変化を監視する。「ＭＲ」図は、プロセス中に観測された、移動範囲におけるデータの短期的な変動を監視するために使用される。
【０００９】
レーザベースのＡＭは、部品の試作に限定されていたために、部品の大量生産に必要なインプロセス製造分析は完全に理解されていない。製造されたすべての品目を検査する必要性を削減することで、部品の迅速かつ効率的な大量生産が可能となる。検査の代わりに、ＳＰＣを介してインプロセス変数を監視することで、レーザベースのＡＭを使用して製造された部品の品質検査を行う１つの方法としての統計的サンプリングが可能となる。レーザベースのＡＭプロセスには、これらに限定されるが、レーザ出力又は駆動信号、造形プレート上のＸ及びＹ位置、レーザ走査速度、レーザ走査方向、溶融プール及び／又はプラズマ（ＰＤ又は高温計）からの軸上光学信号、溶融プールサイズ、溶融プール及び／又はプラズマからの軸外光学信号、造形面に対するレーザの入射角度、造形中の部品に対するレーザの入射角度、ガス流速、及び／又は一定の層／場所よりも下方で造形中の部品の導電特性を含むプロセス変数が含まれている。
【００１０】
単一の変数を監視することはある程度有用であるが、部品の付加製造に使用される複数のプロセス変数間の多面的な相互関係が考慮されない。これらのプロセス変数が最終的な造形品質に影響を及ぼすことを認識及び理解したとしても、現在のところレーザ付加製造に関する有意義なプロセス管理システムは存在しない。プロセスを監視するためのプロセス管理機構について先行技術が記載している範囲では、プロセス管理機構は、フィードバックベースの機構における単一の変数の監視及びプロセスの調整に限定される。しかし、例えば共通のセンサ応答といった多面的な要因がほとんどの場合に影響を及ぼすので、単一の変数の監視には限定された価値しかない。例えば、軸上フォトダイオード応答は、少なくともレーザ出力、レーザ走査速度、レーザ走査方向、粉末層厚、造形中の部品に対するレーザ入射角度、ガス流速といった変数の関数である。例えば、単一のプロセス変数を観測する際に、十分に考慮したにもかかわらず、軸上フォトダイオード応答が走査手順のどこか（例えば、ハッチ、成形後等）で不安定な状態や統計管理外になることはよくある。すなわち、製造プロセスにおいて単一の変数を分析する際に誤差が生じていることになる。
【００１１】
本発明は、複数のキープロセスに基づいて造形品質及び変動を監視及び判定することによって、一変量ＳＰＣとしても知られる単一の変数を分析する解析を越えるものである。一変量ＳＰＣから多変量ＳＰＣに移行することにより、さらなる効率化及び造形物の品質向上が可能となる。多変量統計的プロセス管理の手法は、いくつかの関連変数間の平均値又は関係性を考慮する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１５／０１６５６９３号明細書
【発明の概要】
【００１３】
本発明は、ＡＭプロセス中に得られる重要なプロセス変数を監視し、造形プロセスが、統計的に許容可能な範囲内に収まっているかを含む安定性基準を満たしているかどうかを、多変量統計的プロセス管理（ＳＰＣ）分析に基づいて統計的に判定することにより、レーザベースのＡＭプロセスの品質を管理することに関する。統計的に許容可能な範囲内に収まっているかを含む安定性基準を満たしていれば、プロセスは安定していると考えられるが、統計的に許容可能な範囲外にある場合、プロセスは管理不能であり、プロセスを停止させて複数の変数を調整し、プロセスを統計的に許容可能な範囲内に戻す必要がある。多変量ＳＰＣは、軸上電磁センサ、軸外電磁センサ、音響センサ、レーザガルバノメータ駆動信号、レーザ出力／駆動センサの組合せから得られる信号のインプロセス監視を利用している。別の実施形態では、本発明は、多変量ＳＰＣプロセスを実行するための付加製造装置及びソフトウェアを含むシステムに関する。このシステムによって付加製造装置は複数のプロセス変数を分析することができ、さらにシステムは、変数と統計的に許容可能な範囲である標準からの偏差とを比較し、必要であれば、プロセスが統計的に正常又は許容可能な範囲のような安定性基準内に戻るように１つ以上の変数を調整する必要があるとするデータをオペレータに提供して警告する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来のレーザ付加製造装置の模式図である。溶融プールと、製造プロセス中にレーザが移動する経路及び速度とを示す、レーザ付加製造プロセスである。
【図２】単一の変数を監視するための統計的に許容可能及び許容不可能な範囲を示す、Ｉ−ＭＲ管理図である。
【図３】層ごとにプロセス変数を監視する能力を実証するレーザベースのＡＭプロセスのプロセスパラメータを示し、全層のうちの特定のサブセット層が安定管理基準を満たしているかを示す、例示的な管理図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下の詳細な説明には、多変量統計的プロセス管理を使用して、特定の造形について付加製造の造形プロセスが統計的に許容可能な範囲内に収まっているかを含む安定性基準を満たしているかどうかを評価する方法が記載されている。本説明によって間違いなく当業者は本方法を使用できるようになり、さらに本説明には、目下、最良の形態と考えられるものを含むいくつかの実施形態、適用、変形、代替、及び方法の用途が記載されている。記載された方法は、レーザ付加製造プロセスの１つの特定のタイプとして、又は容認できるプロセスの変形の一部を使用するものとして説明されているが、本方法は、他の付加製造プロセスに広く適用される、又は造形プロセスに影響を与える他のプロセス変形を含むことができると考えられる。
【００１６】
一実施形態では、本方法はレーザ付加製造による部品又は物体の製造に関しており、（ａ）粉末ベッドに粉末層を照射して溶融領域を形成するステップと、（ｂ）粉末ベッドの第１の側から粉末ベッド上をリコータアームを通過させることによって、粉末ベッド上に後続の粉末層を提供するステップと、（ｃ）ステップ（ａ）及び（ｂ）を繰り返して、粉末ベッド内で部品を形成するステップと、（ｄ）ステップ（ａ）〜（ｃ）を実行中に、２つ以上のプロセスパラメータの記録信号を記録するステップであって、プロセスパラメータが、レーザ出力、レーザ出力駆動信号、造形面上のレーザ焦点のｘ／ｙ位置、レーザ走査速度、レーザ走査方向、溶融プールからの軸上電磁放射、プラズマからの軸上電磁放射、溶融プールサイズ、溶融プールからの軸外電磁放射、プラズマからの軸外電磁放射、造形面に対するレーザの入射角度、部品に対するレーザの入射角度、ガス流速、粉末ベッド温度、粉末層厚、又は所与の層／場所よりも下方の部品の熱伝導特性を含むステップと、（ｅ）記録された２つ以上の信号を、記録されたプロセスパラメータのための縮小変数信号に変換するステップと、（ｆ）縮小変数信号が、プロセスの管理範囲内に収まっているかどうかを判定するステップと、（ｇ）縮小変数信号が管理範囲を超える場合に警告信号を生成するステップとを含む。
【００１７】
一実施形態では、本発明は、レーザＡＭプロセスの多変量統計的プロセス管理（ＳＰＣ）の方法に関しており、ここで本方法は、加工物を造形しながらプロセス変数から縮小変数セットを計算することと、プロセスが統計管理の範囲内に収まっていることを示す信号を返すこととを含む。返り信号の評価は、その後、プロセスを統計管理内で継続させるか、管理されたプロセス変数の１つ以上の設定点を信号に応答して調整するために、プロセスの中断或いは停止を開始するか、のいずれかのために使用することができる。管理されたプロセス変数は、プロセス管理パラメータの任意の組合せを含む。一実施形態では、管理されたプロセス変数は、平均レーザ出力、スポット径、走査速度、走査間隔、走査手順、リコータ速度、リコータ圧力、リコータ充填、粉末層厚、粉末ベッド温度、酸素レベル、圧力、ガス流速、システム圧力、又は周囲温度を含む。
【００１８】
別の態様では、本発明は、物体を造形する際に多変量ＳＰＣから得られるプロセス変数を返り信号に基づいて監視及び調整することを含む、物体のレーザＡＭ造形品質における変動を低減する方法に関する。プロセス変数の調整は、必要に応じて、管理されたプロセス変数のうちの１つ以上の設定点の操作を含むが、この操作は、不安定又は管理不能なレーザＡＭ造形プロセスを統計的に許容可能な範囲に戻すものである。多変量ＳＰＣは、基準や標準からの変動について製造プロセスを監視することができるように、プロセス変数を変数の縮小セットに変換することに基づいている。標準又は基準からの変動が少しでもみられた場合、オペレータは、造形プロセスが統計的に許容可能な範囲内に収まっているかを含む安定性基準を満たすように、１つ以上のプロセス変数又は設定点を調節することができる。
【００１９】
別の態様では、本発明は、多変量ＳＰＣプロセスを実行する付加製造装置及びシステムを含むシステムに関する。このシステムによって、付加製造装置は複数のプロセス変数を分析することができ、さらにシステムは、統計的に許容可能な基準からの偏差範囲内に収まっているかを含む安定性基準を満たすように変数を比較し、必要であれば、統計的に正常又は許容範囲内に収まるように、１つ以上のプロセス変数を調整する。
【００２０】
別の実施形態では、本発明は、レーザＡＭ構成要素と、部品の製造に影響を及ぼすプロセス変数を監視し、格納し、算出する分析構成要素とを備える、レーザＡＭ物体の変動を抑制するためのシステムに関するもので、ここで分析構成要素は、付加製造構成要素が統計的に許容可能な管理内で物体を製造しているかどうかを判定し、プロセスが統計的に決定された基準又は標準から外れた場合、分析構成要素は信号をオペレータに提供し、オペレータは、ＡＭプロセスが統計的に許容可能な範囲内に収まっているかを含む安定性基準を満たすように、縮小変数セットから収集した１つ以上の設定点を操作する。
【００２１】
本方法は、最終的な造形品に影響を与え得る様々なプロセス変数を有するあらゆるレーザＡＭプロセスに適用可能である。例えば、様々なプロセス変数が最終製品に影響を及ぼし得るラスタ走査又はランダム走査方法による物体製造を利用するあらゆるＡＭプロセスが、本発明に含まれる。例えば、以下に限定されないが、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）、直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）、又は粉末ベッドベースのあらゆるレーザ付加製造のような、粉末ベッド製造にレーザを用いるレーザＡＭプロセスがあげられる。
【００２２】
プロセス変数は、付加製造プロセスに含まれる様々な要素を含むことができる。プロセス変数、プロセス値、又はプロセスパラメータという用語は、造形プロセス中に変化しやすいプロセスの動的特徴を指す同義の用語である。これらのパラメータは、以下に限定されないが、レーザ出力、レーザ出力駆動信号、造形面上のレーザ焦点のｘ／ｙ位置、レーザ走査速度、レーザ走査方向、溶融プールからの軸上電磁放射、プラズマからの軸上電磁放射、溶融プールサイズ、溶融プールからの軸外電磁放射、プラズマからの軸外電磁放射、造形面に対するレーザの入射角度、造形中の部品に対するレーザの入射角度、ガス流速、粉末ベッド温度、粉末層厚、又は所与の層或いは位置よりも下方で造形中の部品の熱伝導特性を含む。
【００２３】
多変量ＳＰＣを行うために、パラメータの組合せが縮小変数セットに短縮或いは変換される。多変量ＳＰＣを行う他の形式（例えば、部分的最小二乗（ＰＬＳ））が当技術分野で周知であるが、本願に記載されている１つの一般的な形式は、主構成要素分析（ＰＣＡ）に関する。ＰＣＡは、相関していると思われる変数の観測情報のセットを、主構成要素と呼ばれる直線的に無相関な変数の値のセットに変換するために直交変換を用いる統計的な手順である。主構成要素の数は、元の変数の数以下である。この変換では、第１の主構成要素が可能な限り最大の分散を有する（すなわち、データ変動のうちのできるだけ多くを占める）ように規定されており、後続の各構成要素は、先行する構成要素と直交するという制約の下で可能な限り最大の分散を有する。得られるベクトルは、無相関の直交基底セットである。主構成要素は、対称である共分散行列の固有ベクトルであるので、直交している。ＰＣＡは、元の変数の相関スケーリングに敏感である。ＰＣＡは、レーザベースのＡＭプロセスに含まれかつ変数の「縮小セット」を定義するプロセス変数又はパラメータ間の線形関係を求めようとする。変数の縮小セットが決定されると、一変量統計的方法は、統計的に許容可能な範囲からの変動等のプロセスの安定性を判定するために適用することができる。変数の縮小セットは、レーザベースＡＭプロセスの変動をはっきりと表すことができるように、上述したパラメータの組合せに基づいて作成される。レーザ出力、レーザ出力駆動信号、造形面上のレーザ焦点のｘ／ｙ位置、レーザ走査速度、レーザ走査方向、溶融プールからの軸上電磁放射、プラズマからの軸上電磁放射、溶融プールサイズ、溶融プールからの軸外電磁放射、プラズマからの軸外電磁放射、造形面に対するレーザの入射角度、造形中の部品に対するレーザの入射角度、ガス流速、粉末ベッド温度、粉末層厚、又は所与の層或いは位置よりも下方で造形中の部品の熱伝導特性から選択されたプロセスパラメータの任意の組合せが、縮小変数を生成するのに使用される。
【００２４】
縮小変数セットは、物体の造形にとって重要である。一実施形態では、変数の縮小セットは、種々のプロセス管理を考慮する管理図を構築するために使用される。一実施形態では、プロセス管理図は、変数の縮小セットを考慮する多変量のプロセス管理図である。変数の縮小セットは、これらに限定されないが、レーザ出力／駆動信号、造形プレート上のｘ／ｙ位置、レーザ走査速度、レーザ走査方向、溶融プール及び／又はプラズマ（ＰＤ又は高温計）からの軸上光学信号、溶融プールサイズ、溶融プール及び／又はプラズマからの軸外光学信号、造形面に対するレーザの入射角度、造形中の部品に対するレーザの入射角度、ガス流速、一定の層／場所よりも下方で造形中の部品の導電特性を含むプロセス変数のうちの１、２、３、４、５、又はそれ以上の任意の組合せを含む。別の実施形態では、多変量管理図は、部品の全体、部品の各部分、又は部品の層（単数又は複数）を造形するプロセスが安定性基準を満たしているかどうかを判定するために使用される。例えば、図３では、管理図は部品の一定の層を監視して、特定の層を示す部分が一定の統計的に許容可能な範囲内に収まっていることを保証することができる。
【００２５】
プロセス管理図又は多変量管理図の分析により、レーザＡＭが統計的に通常の管理範囲内に収まっているかどうかを分析することが可能となる。プロセスが「管理不能」であると見なされた場合、オペレータが介入して造形を停止してもよいし、部品にさらなる深さ検査のためのフラグを付けてもよい。別の実施形態では、多変量管理図の分析において、統計的に許容可能な管理範囲からの偏差は、プロセス変数が許容範囲内に収まるように、プロセス変数を調節するオペレータによって調整される。別の実施形態では、プロセスが管理不能或いは不安定な状態であるという信号をシステムから受けた場合、オペレータは、管理されたプロセス変数の１つ以上の設定値を、信号に応答して操作することができる。これらの管理プロセス変数は、平均レーザ出力、スポット径、走査速度、走査間隔、走査手順、リコータ速度、リコータ圧力、リコータ充填、粉末層厚、粉末ベッド温度、酸素レベル、圧力、ガス流速、システム圧力、又は周囲温度を含む。
【００２６】
縮小変数セットが統計的に許容可能な範囲内に収まっているかを含む安定性基準を満たしているかを判定するのに、様々な方法が適用可能であることを、当業者であれば理解するであろう。一実施形態では、縮小変数セットが安定性基準を満たしているかという判定には、ウエスタンエレクトリックルールの適用が含まれる。例えば、統計的有意性を検査するために、縮小変数セット管理図で観測された任意の点が、平均から３標準偏差外れているかどうかを判定する。これは、この点のグラフが不自然であり、特定のプロセスステップについて調査すべきであることを示している。
【００２７】
この分析をさらに自動化するコンピュータソフトウェアをプログラムできることも、当業者であれば理解するであろう。別の実施形態では、上述の較正方法及びそのソフトウェアは、レーザベースの付加製造装置に組み込むことができる。例えば、較正用のプロセス及びソフトウェアは、レーザ付加製造装置の標準的な操作手順に組み込むことができる。
【実施例】
【００２８】
本実施例は、多変量統計的プロセス管理を利用するレーザベースのＡＭプロセスに関するものである。ＤＭＬＭ装置における部品の製造中においては、以下に限定されないが、レーザ出力、レーザ出力駆動信号、造形面上のレーザ焦点のｘ／ｙ位置、レーザ走査速度、レーザ走査方向、溶融プールからの軸上電磁放射、プラズマからの軸上電磁放射、溶融プールサイズ、溶融プールからの軸外電磁放射、プラズマからの軸外電磁放射、造形面に対するレーザの入射角度、造形中の部品に対するレーザの入射角度、ガス流速、粉末ベッド温度、粉末層厚、及び所与の層／場所よりも下方で造形中の部品の熱伝導特性を含む各種パラメータ或いはプロセス変数が監視される。
【００２９】
監視及び記録されたプロセス変数の各々に対するパラメータは、ＰＣＡによってプロセス変数から縮小変数セットに計算される。インプロセス縮小変数セットがプロセスの管理範囲内に収まっているかどうかを解析することによって部品の製造を監視するために、縮小変数セットが利用される。統計的に正常範囲内に収まるプロセスは、レーザＡＭプロセスを継続することができる。統計的に正常範囲から外れたプロセスはフラグを付けられ、プロセスを停止する必要があるか、或いは統計的に許容可能な範囲からの偏差が原因で許容可能な品質管理パラメータを満たさない部品になるかどうかを、オペレータが決定する。
【００３０】
方法及びシステムの例示的な実施形態を、上記に詳述した。本方法は、本書に記載した特定の実施形態に限定されない。例えば、本書に記載した方法は、他の産業上及び／又は民生用の用途を有することができ、概説したようなレーザ付加製造プロセスでの実施或いは具体的に列挙したプロセス変数に限定されるものではない。むしろ、本方法は、他のあらゆる付加製造プロセスに適用することができ、ここでは種々のプロセス変数が関係し、変数の組合せが最終製品の造形品質にとって重要である。
【００３１】
本発明の様々な実施形態を、様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、当業者であれば、本発明を特許請求の趣旨及び範囲内で修正して実施できることを認識するであろう。
【符号の説明】
【００３２】
１００  レーザ付加製造システム、装置
１１４  造形プレート
１１６  リコータアーム
１１８  面
１２０  レーザ
１２２  部品
１２６  リザーバ
１２８  廃棄物容器
１３２  スキャナ
１３６  エネルギービーム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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