(57)【要約】物質を漸進的に堆積するためのシステムは、堆積ゾーン（５）に物質を方向付けるための送達システム、堆積された（ａ）物質のパラメータをモニタリングするためのモニタリングシステム、およびパラメータに対するモニタリングされた値を獲得するために構成された処理システム（１１）を含み、モニタリングされたパタメータのための予測された未来のパラメータ値を誘導し、予測された値とモニタリングパラメータのための基準パラメータ値を比較し、そして予測された値と基準値との比較に基づいて制御出力を作成する。制御出力はシステムの動作を修正することが可能である。モニタリングされたパラメータは経時的（および空間的）に変動する傾向を有し、処理手段は、制御出力が本来モニタリングされたパラメー値と基準値の間の差に基づかないことを確実にする。【選択図】図２
2004512941.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
漸進的に堆積する物質のためのシステムであって、
（ａ）堆積ゾーンに物質を方向付けるための送達手段と、
（ｂ）該堆積ゾーンに堆積された物質のパラメータをモニタリングするためのモニタリング手段であって、該モニタリングされたパラメータは、該物質の状態を示す、モニタリング手段と、
（ｃ）処理手段であって、
ｉ）該モニタリング手段からの入力を受信し、該パラメータに対するモニタリングされた値を獲得し、
ｉｉ）該モニタリングされたパラメータのための予測された未来のパラメータ値を誘導し、
ｉｉｉ）該モニタリングされたパラメータに対して、該予測された値と基準パラメータ値とを比較し、
ｉｖ）該予測された値と該基準値との比較に基づいた制御出力であって、該制御出力は該システムの動作を修正することが可能である、該制御出力を生成するように構成された処理手段と
を含む、漸進的に堆積する物質のためのシステム。
【請求項２】
前記モニタリングされたパラメータは、前記堆積された物質の熱状態を示す、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記モニタリングされたパラメータは温度を示す、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記モニタリングされたパラメータは、前記堆積された物質の応力状態を示す、請求項１〜３のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項５】
前記モニタリングされたパラメータは、前記堆積物のひずみまたは曲げを示す（電位またはその他）、請求項１〜４のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項６】
前記送達手段は、前記堆積ゾーンに形成するように、溶融または蒸気の物質を方向付けるように構成された送達手段を含む、請求項１〜５のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項７】
前記送達手段は、前記堆積ゾーンにスプレーの形態で物質を方向付けるように構成されたスプレー送達手段を含む、請求項１〜６のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項８】
前記モニタリングされたパラメータは、時間的な変動を受けやすく、前記処理手段は、このような時間的な変動を考慮する予測されたパラメータを誘導するように動作する、請求項１〜７のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項９】
前記制御手段からの制御出力は、前記送達手段の動作を修正するように動作する、請求項１〜８のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項１０】
前記制御手段は、前記堆積物の表面に到達する前記送達された材料の温度を修正するように動作する、請求項１〜９のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項１１】
前記制御出力は、前記堆積物のターゲット表面と前記送達手段との間の間隔距離を調整するように動作する、請求項１〜１０のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２】
前記送達手段は、前記堆積物上でスキャンまたは移動送達経路を生成するように動作するように構成される、請求項１〜１１のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項１３】
前記制御出力は、前記スキャンまたは移動速度を修正するように動作する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記送達手段から出射する物質は、運搬ガスによって噴霧された溶融小滴を含み、該運搬ガスの圧力またはガスフローは、該制御出力に応答して調整可能である、請求項１〜１３のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項１５】
前記送達手段は、堆積されるべき溶融材料を生成するための電気加熱プロセスステージ、および前記制御出力に応答して調整可能である電気加熱装置への電力供給を含む、請求項１〜１４のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項１６】
物質が加熱ステージで溶融または蒸気形態にされ、該加熱ステージへの材料の供給速度は、該制御出力に応答して調整可能である、請求項１〜１５のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項１７】
前記モニタリング手段によって計測されたモニタリングされたパラメータは温度であるかまたは温度に関連付けられる、請求項１〜１６のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項１８】
前記モニタリング手段は、１つ以上の温度モニタリングデバイスを含む、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記モニタリング手段は、１つ以上の高温デバイスを含む、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記モニタリング手段は、非接触モニタリングデバイスを含む、請求項１〜１９のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項２１】
前記モニタリング手段は、前記堆積物の１つ以上の点でモニタリングされるように構成される、請求項１〜２０のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項２２】
前記モニタリング手段は、前記堆積物の広範囲な領域上の点を同時にモニタリングするように構成される、請求項１〜２１のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項２３】
前記モニタリング手段は、前記堆積物の関連する領域にわたって前記モニタリングされたパラメータのためのデータを提供するように構成される（該領域は離間されたゾーンまたは点を含む）、請求項１〜２２のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項２４】
前記モニタリング手段は、前記堆積された材料の広範囲な領域上のモニタリングされたパラメータデータをキャプチャするためのデータキャプチャ手段を含む、請求項１〜２３のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項２５】
前記データキャプチャ手段は、画像化手段を含む、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記モニタリングパラメータが温度であり、前記画像化手段が熱画像化手段を含む、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記熱画像化手段は、赤外線熱画像化手段を含む、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記基準パラメータ値は、前記システムの要求プロファイルに従う所定の方式で変動する、請求項１〜２７のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項２９】
前記処理手段は、
ａ）前記モニタリングされたパラメータのための前記予測された値を誘導し、
ｂ）該予測された値と該モニタリングされたパラメータのための該基準パラメータ値とを比較し、
ｃ）該予測された値と該基準値との比較に基づいて該制御出力を生成するように制御アルゴリズムを動作する、請求項１〜２８のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項３０】
請求項１〜２９のいずれか１つに記載の溶融金属をスプレーするためのシステム。
【請求項３１】
漸進的に物質を堆積するために動作する堆積装置を制御するための制御システムであって、該制御システムは、該堆積された物質のパラメータをモニタリングするためのモニタリング手段を含み、該モニタリングされたパラメータは、該材料の状態を示し、
ａ）該モニタリング手段からの入力を受信し、該パラメータのためのモニタリングされた値を獲得し、
ｂ）該モニタリングされたパラメータのための未来の予測されたパラメータ値を誘導し、
ｃ）該予測された値と該モニタリングされたパラメータのための基準パラメータ値とを比較し、
ｄ）該予測された値と該基準値との比較に基づいて制御出力を生成し、該制御出力は、該システムの動作を修正することが可能であるように構成される、漸進的に物質を堆積するために動作する堆積装置を制御するための制御システム。
【請求項３２】
添付の図面に関して実質的に説明される、システム。
【請求項３３】
物質を堆積するための方法であって、
堆積ゾーンに物質を方向付けるステップと、
該堆積された材料の状態を示す堆積された材料のパラメータをモニタリングするステップと、
該パラメータのためのモニタリングされた値を獲得するステップと、
該モニタリングされたパラメータのための未来の予測されたパラメータ値を誘導するステップと、
該予測された値と該モニタリングされたパラメータのための基準パラメータ値とを比較するステップと、
該予測された値と該基準値との比較に基づいて制御出力を生成するステップと、
必要ならば該モニタリングされたパラメータ値および該基準パラメータ値の収束を開始するようにシステムの動作を修正するように、該比較に従って該制御出力を方向付けるステップと
を含む、物質を堆積するための方法。
【請求項３４】
添付の図面に関して実質的に説明される、方法。
【請求項３５】
物質を衝突ゾーンに飛行送達するためのシステムであって、
（ａ）該衝突ゾーンへの飛行の際に物質を方向付ける送達手段と、
（ｂ）該衝突ゾーンにおける物質のパラメータをモニタリングするためのモニタリング手段と、
（ｃ）処理手段であって、
ｉ）該モニタリング手段からの入力を受信し、該パラメータに対するモニタリングされた値を獲得し、
ｉｉ）該モニタリングされた値と該モニタリングされたパラメータのための予測された未来のパラメータ値とを誘導し、
ｉｉｉ）該モニタリングされたパラメータに対して、該予測された未来の値と該基準パラメータ値とを比較し、
ｉｖ）該予測された値と該基準値との比較に基づいた制御出力を生成し、該制御出力は該システムの動作を修正することが可能である、ように構成された処理手段と
を含む、物質を衝突ゾーンに飛行送達するためのシステム。
【請求項３６】
プロセス制御方法であって、
プロセス物質のパラメータをモニタリングするステップと、
該モニタリングパラメータのための未来の予測されたパラメータ値を誘導するステップと、
該予測された値と該モニタリングされたパラメータのための基準パラメータとを比較するステップと、
該予測された値と該基準値との比較に基づいて制御出力を生成するステップであって、該制御出力は、システムの動作を修正することが可能である、ステップと
を含む、プロセス制御方法。
【請求項３７】
材料を漸進的に堆積するためのシステムであって、
ａ）堆積ゾーンに材料を方向付けるための送達手段と、
ｂ）該堆積された材料のパラメータをモニタリングするためのモニタリング手段であって、該モニタリングされたパラメータは、該物質の状態を示す、ステップと、
ｃ）プロセス手段であって、
ｉ）該モニタリング手段からの入力を受信し、該パラメータに対するモニタリングされた値を獲得し、
ｉｉ）該モニタリングされたパラメータのための予測された未来のパラメータ値を誘導し、
ｉｉｉ）該モニタリングされたパラメータに対して、該予測された値と基準パラメータ値とを比較し、
ｉｖ）該予測された値と該基準値との比較に基づいた制御出力であって、該制御出力は該システムの動作を修正することが可能であるように構成された処理手段と
を含む、材料を漸進的に堆積するためのシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、主に堆積された物質（例えば、溶融金属スプレープロセス等）を含むプロセスのために制御することに関する。
【０００２】
ＷＯ−Ａ−９６／０９４２１は、自己支持物品を作製するために溶融金属（特に鋼鉄）をスプレーするための技術を開示する。開示されたプロセスでは、特定の実現可能なプロセス、スプレーされた金属の液滴の温度および／または既に堆積された金属の温度の正確な制御が重要であることが明らかである。このような考慮はまた、他の物質および他のプロセスのスプレーに関係する（堆積プロセス等）。さらにこのようなプロセスのための他のパラメータは、モニタリング、調整、および制御を必要とし得る。
【０００３】
第１の局面に従って、本発明は、物質を増加的に堆積するためのシステムを提供する。本システムは、
（ａ）堆積領域に物質を方向付けるための送達手段
（ｂ）堆積された物質のパラメータをモニタリングするためのモニタリング手段であって、モニタリングパラメータは物質の状態を示す
（ｃ）以下のように構成された処理手段
（ｉ）モニタリング手段からの入力およびパラメータのためのモニタリングされた値を獲得する
（ｉｉ）モニタリングされたパラメータのための予測された未来のパラメータ値を誘導する
（ｉｉｉ）モニタリングされたパラメータのための基準パラメータ値と予測された値とを比較する
（ｉｖ）予測された値と基準値との比較に基づいて制御出力を生成し、制御出力はシステムの動作を改変することを可能にするように構成された
処理手段を含む。
【０００４】
モニタリングされたパラメータは経時的に変化する傾向を有し、処理手段は、元々モニタリングされたパラメータ値と基準値との間の差に基づかず、制御出力が生成された予測値（時間の経過を説明する）と基準値との間に基づくことを確実にする。これはより正確なプロセス制御を提供する。
【０００５】
典型的には、モニタリングされるパラメータの空間および時間の可変性は、偏微分方程式（典型的には放物型偏微分方程式）によって説明される。スプレーによって堆積された金属物質のための温度調整に関して主に説明されたが、本発明の技術は、他の状況およびプロセスに利用可能である。ここでモニタリングされたパラメータは時間変数である。このような状況および処理の例は、熱流、流体流、拡散、分解および硬化である。このリストは消耗的ではない。
【０００６】
本発明の主な実施形態では、モニタリングされたパラメータは、典型的には、熱特性に関連付けられ、典型的には、ターゲットゾーンまたは堆積スポットの温度である。温度は公知の法則に従って経時的に変動し、予測子モデルアルゴリズムは、この特性を使用して関連したゾーンにスプレーする未来の瞬間における温度値を予測する。予測子の値と基準値との間の差は、必要とされたプロセス調整の程度を示す。
【０００７】
この物質は、典型的には飛行（好適には蒸気／溶融物小滴として）によって送達される。典型的には、物質はスプレー送達手段によって送達され得る。
【０００８】
好適には制御手段は、堆積ゾーンにおける堆積の表面に到達される溶融物小滴の温度を改変するように動作する。これは、送達手段または他のシステム変数（スプレー手段と堆積ゾーンとの間の分離距離等の）の制御演算子を改変することによって達成され得る。従って、この制御手段は、堆積物のターゲット表面と送達手段との間の間隔距離を調整するように動作し得る。
【０００９】
物質の溶融物小滴は、典型的には輸送ガスにおいて噴霧され、輸送ガスの圧力またはガス流量は、制御手段からの出力に応答して有利に調整可能である。
【００１０】
送達手段は、堆積物上の物質堆積または飛行送達のスキャンまたは移動パターンを生成するために動作されるように構成され得る。この場合、制御手段は、有利にもスキャンまたは移動速度あるいは移動方向を修正するように動作する。
【００１１】
溶融／蒸気物質は、電気的加熱プロセスステージにおいて作製され、伝記的加熱装置への電力供給は、制御手段からの出力に応答して調整可能である。さらにまたは代替的には、加熱ステージへの物質の供給速度は、制御手段からの出力に応答して調整可能であり得る。例えば、１つ以上のワイヤ供給ガンを用いる金属アークスプレーシステムでは、ガンへのワイヤ供給速度は、制御手段出力によって（典型的にはワイヤ供給構成への電圧を調整することによって）調整され得る。
【００１２】
システムの上記パラメータ改変特性は、堆積物の温度の調整を可能にし、差異的なスプレー特性を作成するために結合され得る。
【００１３】
本発明によるシステムは、部分的に相対的に大きい物品の作製に特に適する。この物品内では、熱的状態における局在化された差および／または熱履歴が異なる熱収縮およびひずみに至る。正確なフィードバック制御は、このような大きい物品に対するスプレー方式が厳密かつ正確に調整されることを可能にする。
【００１４】
モニタリング手段によって測定されたパラメータは、好ましくは温度（または温度に関連付けられる）である。この目的のためには、モニタリング手段は、１つ以上の温度応答デバイス（例えば熱電対デバイス）を含み得る。有利にも、モニタリング手段は、光高温計等の非接触モニタリングデバイスを含む（好ましくは電磁気放射をセンシングすること）。一実施形態では、赤外線高温計は堆積物の表面における温度を測定するために使用される。
【００１５】
モニタリング手段は、堆積物の１つ以上の点においてモニタリングするように構成される。配置された位置を標的にするためのモニタリングデバイスのアレイは、さらにまたは代替的に設けられ得、デバイスは、同時にまたは連続的に複数の間隔のある位置を標的にし得る（例えば、堆積物に上にデバイスを移動／スキャンすることによってまたはモニタリングデバイスの標的となる軸から間隔のある軸の周りに堆積物を回転することによって）。種々の位置のモニタリングは連続的であってもよいし、同時であってもよい。
【００１６】
モニタリング手段は、堆積物の関連する領域にわたってモニタリングされたパラメータに関連する詳細なデータを提供するように構成され得る。
【００１７】
モニタリング手段は、スポットの温度モニタリングではなく、堆積ゾーンに置いて堆積された物質の二次元マップまたはイメージを観察または生成することを可能にすることが好ましい。
【００１８】
好適な実施形態では、熱イメージング装置（好ましくは赤外線熱イメージング装置）は、堆積物の有意な表面ゾーン全体の熱データを与えるために使用され得る。
【００１９】
制御手段によって保持された制御基準パラメータ値のデータは、所定の方式で制御手段の要求プロファイルに従って変動し得る。
【００２０】
制御基準および制御出力は制御アルゴリズムによってモニタリングされたパラメータに関連付けられる。システムの制御局面は、本明細書中でさらに詳細に説明される。
【００２１】
本発明の一実施形態では、溶融金属は電気アークスプレープロセスを用いてスプレー堆積される。溶融金属は、スプレーされるべき金属から作製された２つの反対電荷に帯電されたワイヤ間の直流アークによって作製される。このアークは、ワイヤの先端を溶融させ、高圧不活性ガスストリームが、連続的にアークから溶融物質を剥ぎ取り、溶融金属を噴霧して小滴のスプレーにする。ガスストリームは、小滴が堆積される物体の表面に小滴を運搬する。ワイヤは連続的にアークガンに供給され、スプレーされた金属のフローを維持し、堆積された金属の量は、ワイヤの供給速度を変更することによって調整され得る。スプレーされる物体の表面の温度の読み取りが行われ得る。温度は、スポット高温計を用いて計測され得るが、他の温度計側方法が使用され得る（例えば、熱イメージングカメラによって計測された場合、表面にわたる複数の点において温度の平均を取ることによって使用され得る）。温度の計測は、アナログデジタルコンバータを介してコンピュータに供給される電圧として表され得る。プロセッサにおいて、プログラムは、所定の未来のイベント時間における物体表面におけるスポットまたはスポットのアレイに対する温度値を予測するステップを実行する。未来のイベント時間は、制御システムが対応するスポットに衝突させるために溶融物質を方向付けるようにスプレーガンを方向付ける次の時間に対応し、予測された値のプロフィールが所望された温度と繰り返し比較され、これら２つの値の間の差を使用して、アークスプレーガンに対するワイヤの供給速度を調整する。これは、デジタルアナログコンバータを介して電圧を生成させることによってなされ、この電圧は、ワイヤ供給速度を調整するアークスプレーコントローラにおける電位差計に印加される。計測された温度が所望の温度よりも低い場合、供給速度が増加し、それにより物体上にスプレーされた熱い金属の量が増加することによって表面の温度を上昇させる。計測された温度が所望の温度よりも高い場合、ワイヤ供給速度が低減され、表面上のスプレーされる熱い金属の量を低減させ、それにより表面を冷却することを可能にする。
【００２２】
従来技術のスプレーシステムとは対照的に、表面温度は制御されないか、または手動で制御されるかのいずれかである。フィードバック制御の本発明のシステムの使用は、以下のとおりである。
【００２３】
（ａ）スプレープロセスを調整し、そのため物体の表面は、妨害の存在および／またはプロセスへの変化があっても所望の値付近に維持される。
【００２４】
（ｂ）ワイヤ供給速度を迅速に調整することにより、表面温度を以後所望の温度に変化する要求された値に移動させる。
【００２５】
（ｃ）表面温度が変化している「温度軌道（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ）」（例えばスプレープロセスの初期のステージの間）に従うことを確実にする。
【００２６】
本発明は他のスプレープロセス（例えばプラズマスプレー））の間の表面温度を制御することに利用可能である。プラズマ電流、プラズマ電圧、スプレー距離、およびプラズマガス組成等の動作パラメータを調整することは、表面の温度を変化させる。
【００２７】
本システムは、所定の所望の温度プロファイルでスプレーするように使用され得る。異なる表面ゾーンは、スプレープロセスの間、異なる温度、異なる時間で維持され得る。
【００２８】
本発明は、本発明の実施形態によるシステムの例示的実施形態においてさらに説明される。
【００２９】
図面および最初に図１および図２を参照すると、アークスプレーシステム１（図１および図２を参照）は、Ｓｕｌｚｅｒ　Ｍｅｔｃｏ　４Ｒアークスプレーシステムであり、このシステムでは、図１に示されるように、電位差が２つの駆動ワイヤ２、３に印加され、ワイヤの先端間で電気アークを形成する。種々の金属がスプレープロセスに使用され得るが、実験的試行に対して、０．８ｗｔ％の炭素を含む鋼鉄（Ｆｅ　０．８ｗｔ％　ｓｔｅｅｌ）が使用された。スプレーガン５のノズルにおいて、アークはワイヤを溶かし、Ｎ２ガス（矢印Ａ）フローは、基板上に小滴を押し出すように溶融金属を噴霧するために使用される。鋼鉄小滴の速度は、一次ガスフロー（矢印Ａ）の圧力を変更することによって調整され得る。鋼鉄小滴の速度は、スプレーコーン（ｓｐｒａｙ　ｃｏｎｅ）の幅（すなわち、スプレー軸からのスプレー発散の量）を変更することによって調整され得る。これは、二次ガスフロー（矢印Ｂおよび矢印Ｃ）の圧力によって調整され得る。このワイヤは、２つの駆動モータ（各ワイヤに対して１つ）によってガンに供給され、ワイヤ供給速度は、モータの速度を変更することによって調整され得る。標準的な４Ｒシステムでは、モータの速度は、ワイヤ供給ユニット４上の電位差計を調整することによって設定される。モータの速度は、両方のモータに印加された電流を変化させる。スプレー中の金属小滴の温度がスプレーが堆積されたビレット６の表面温度よりも大きいため、スプレーが熱源として機能する。ワイヤがガンに供給される速度を増加させることは、熱い物質がビレットの表面上に堆積される速度の増加を生じ、表面の温度の増加を生じる。４Ｒガンに対して、ワイヤ供給速度は、２〜６ｇｓ−１の範囲にあり得る。この速度は、この試行で使用された４００〜１０００Ｋの表面温度に対応する。
【００３０】
金属小滴は、スプレーチャンバ７内のスプレーガン５の１７０ｍｍ下に配置された鋼鉄基板上にスプレーされる。スプレープロセスが継続する場合、スプレーによって堆積された金属ビレット６（スプレーフォーム）が基板上に形成する。この基板は、スプレーコーンの軸に対して４５°の角度で基板を維持するマニピュレータ８上に取り付けられる。マニピュレータ８は、基板およびビレット６を回転させ、表面上の金属の被覆（ｃｏｖｅｒａｇｅ）を確実にし、スプレーコーンおよびスプレーガンに対して同じ位置でビレット６の上面を維持するために、一定の速度で基板をさらに引っ張る（引き込む）。
【００３１】
１．６μｍの波長で動作する基準（Ｌａｎｄ）システム４の赤外線高温計９は、スプレーフォームのビレット６の表面の温度を計測する。この波長は、チャンバ内の粉塵堆積物の影響を低減するように選択される。高温計９は、ビレットスプレーフォーム表面６の表面上の単一スポットにおいて、および回転の軸から離れた点上で高温計をフォーカスすることによって温度を計測する。そのスポットは、スプレーフォームがマニピュレータ８を用いて回転される場合、表面上の円をトレースする。読み取りがスプレーコーンからの温度読み取りによって破壊されないことを確実にする点においてスプレーフォーム上で高温計９がフォーカスされる。
【００３２】
高温計９の出力は４〜２０ｍＡ電流であり、この電流は、３００〜１１００Ｋの温度範囲にわたって実質的に線形である。１００Ω抵抗器が、０．４Ｖ〜２Ｖの対応する電圧範囲を生成する出力端子にわたって配置される。図２に示されたように、この電圧は、コンピュータ１１におけるアナログデジタル（Ａ／Ｄ）カード１０の入力に印加される。Ｆａｉｒｃｈｉｌｄ　ＰＣＬ−８１２ＰＧ　Ｍｕｌｔｉ−Ｌａｂ　ｃａｒｄがアナログ信号とＰＣ１１とのインターフェースを取るように使用される。このカードは、Ａ／ＤおよびＤ／Ａ変換の両方に対して１２ビットの解像度を有する０〜１０Ｖの入力および出力範囲を有するように構成される。スプレーフォームビレット６の温度は、Ａ／Ｄを用いることによってサンプリングされる。５０Ｈｚのレートで高温計９によって生成された電圧の読み込みおよびこれらのサンプルを平均化を２０回行い、液滴噴射等の変動を取り除く。このサンプリングおよびスムージングが毎秒繰り返され、１Ｈｚのスムージングされた読み取りのためのサンプリング周波数を与えた。
【００３３】
サンプリングされた読み取りの電圧はアルゴリズムを用いてコンピュータにおける対応する温度に変換され、サンプリングされたスポットでのスプレーの次のプログラミングされた瞬間におけるサンプリングされたスポットの温度値を予測した。予測された温度とユーザによって入力された所望の（基準）温度値とを比較することによって、ワイヤ供給速度に対する調整が計算された。この標準的な（従来技術）セットアップでは、２つのワイヤを供給するモータに印加された電流を変更する電位差計の設定を変更することによって手動で調整される。本発明の実施形態によると、電位差計がバイパスされ、モータ電流は電圧を印加することによって変更され、電位差計の端子を介してコンピュータ１１内のＤ／Ａコンバータ１０によって生成される。Ｄ／Ａコンバータ１０からの０〜１０Ｖの電圧範囲は、ワイヤ供給速度を２から６ｇ／ｓに変更した。ユーザインターフェースと共に必要なワイヤ供給速度を生成した制御規則がＶｉｓｕａｌＣ＋＋で実現された。
【００３４】
システムに対するコントローラアルゴリズムを設計するためには、プロセスがまずモデル化される。
【００３５】
スプレーの第１の機能がスプレーフォームビレット６の表面上に金属を堆積することであるが、スプレーはまた、熱エネルギー源として作用する。システムへの簡単な熱収支の適用は、以下の式で表される。
【００３６】
【数１】
2004512941.tif 000003
ｃは、スプレーフォームでの鋼鉄の比熱であり、ｍはスプレーフォームの質量であり、ｑ（ｔ）は、スプレーによって供給された熱エネルギーの比である。ｑ（ｔ）はスプレーガンに対するワイヤ供給速度に依存する。式（１）の右側の第２項は、周囲に対する熱損失を記述する。この第２項は、温度θ（ｔ）におけるスプレーフォームの表面とガスの温度θ０との間で強制された対流によって支配される。対流による熱損失はＡに依存し、次いで伝熱係数は、ガス、スプレーフォームのジオメトリおよび配向、およびガス流量の特性に依存する（Ｌｙｄｅｒｓｅｎ、１９７９）。
【００３７】
原理的には、式（１）の全てのパラメータの計測および「フィードフォワード（ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ）」コントローラをインプリメントすることが可能である。フィードフォワードコントローラは、このモデルを使用して、必要な表面温度θ（ｔ）を提供するために必要なワイヤ供給速度を予測する。実際には、特に対流による伝熱係数、スプレーガンによる熱生成速度等のこれらのパラメータの内のいくつかを計測することは簡単ではない。あるいは、スプレーフォームビレット６の質量およびその表面積等の他のパラメータは、スプレープロセスの間変化する。さらなる問題は、フィードフォワードコントローラは、プロセスに入る未知の妨害または式（１）によってモデル化されない任意の影響を補償することができないことである。この理由のために、フィードバック制御システムがインプリメントされ、この制御規則は、実験から推定されたパラメータを使用する式（１）のモデルから発展される。これらのパラメータは開いた（ｏｐｅｎｉｎｇ）状態の全範囲にわたってシステムの応答を正確にモデリングしないが、制御規則が十分にロバストであることを確実にすることによって、このモデルのパラメータが不正確な場合であっても、および／またはシステムの実際の応答が式（１）による簡単なモデルによって記述されない動力学を含む場合であっても、システムが満足のいく動作を継続することが受け入れられる。さらに、フィードバックシステムはプロセスに入る任意の妨害の影響を最小化する。
【００３８】
ガンからの熱生成速度は、ワイヤ供給速度が増加するにつれて増加し、ガス圧等のファクタを想定すると、ガンからスプレーフォーム等の表面までの距離が一定に保たれる。設計を制御する目的のために、ワイヤ供給速度を制御する可変抵抗器に印加された電圧ｖ（ｔ）は、プロセスの入力とみなされ得る。熱の速度がワイヤ供給速度に正比例することが想定される場合、可変抵抗器は線形であるため、ｑ（ｔ）は以下のようにモデリングされる。
【００３９】
ｑ（ｔ）＝ｑ０ｖ（ｔ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）
ここで、ｑ０は比例定数である。式（１）とこの式を用いると、
【００４０】
【数２】
2004512941.tif 000004
以下の式を定義することによってガスの温度に対する温度を表現することが簡便である。
【００４１】
【数３】
2004512941.tif 000005
ここで、τ＝ｃｍ／ｈＡおよびｇ＝ｑ０／ｈＡである。スプレーフォームの質量ｍ、およびその表面積Ａの両方が変更されているが、その変更速度は加熱プロセスの動力学と比較して遅いことが想定される。
【００４２】
システムが「サンプルおよびホールド」モードでインプリメントされ、温度のスムージングされた計測は、Ａ／Ｄコンバータ１０を介して各時間刻みで高温計９によって行われる。測定された温度は、スプレーガンが関連する点において物質を堆積するようにスケジューリングされる次の時間においてモニタリングされた点における予測された温度に基づいて、予測された温度値に変換される（ガンおよびスプレーフォームの冷却、熱散逸、相対運動を考慮して）。予測された温度値は、所望の（基準）制御温度と比較され、図３に示されるように制御ユニット４においてワイヤ供給速度を調整する可変抵抗器に印加された新しい電圧を生成する。これは以下にさらに説明される。
【００４３】
電圧がＤ／Ａコンバータを介して印加され、ゼロ次ホールド（ＺＯＨ）として作用し、それにより次の時間刻みにおいて更新されるまでこの電圧は一定に保たれる。サンプル間の間隔がＴによって表される場合、サンプルは時刻ｔ＝ｎＴで取られる。電圧Ｖ［ｎＴ］が時刻ｔ＝ｎＴでコントローラによって生成される場合、Ｄ／Ａコンバータによって印加された電圧は、期間ｔ∈［ｎＴ，（ｎ＋１）Ｔ）にわたって一定に保たれる。この期間にわたって式（４）を積分することによって、
【００４４】
【数４】
2004512941.tif 000006
が与えられる。回帰関係は、時刻ｔ＝［（ｎ＋１）Ｔ］における温度
【００４５】
【数５】
2004512941.tif 000007
、以前の時間刻みｔ＝ｎＴにおける温度
【００４６】
【数６】
2004512941.tif 000008
およびｔ＝ｎＴにおいて印加された電圧ｖ［ｎＴ］を表す。
この関係の２つのパラメータ（ゲインｇおよび時間定数τ）は、可変抵抗器に印加された電圧の変化に対する温度の応答を観測することによって推定され得る。実験的な推定は、
ｇ＝１６．６ＶＫ−１　　　　　　　　　　　　　　　　　　（６）
τ＝４．３ＴＳ−１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（７）
であり、ここでτは、複数のサンプル間隔Ｔとして表現される。パラメータに対するこれらの値は、式（５）（Ｌｊｕｎｇ、１９８７）への最良最小二乗当てはめ（ｂｅｓｔ　ｌｅａｓｔ　ｓｑｕａｒｅｓ　ｆｉｔ）を与えたｅ−Ｔ／τおよびｇ（１−ｅ−Ｔ／τ）の値を決定し、次いでｇおよびτをこれらの推定から低減することによって獲得された。
【００４７】
コンピュータコントローラアルゴリズムのために使用され得る複数の可能な設計が存在するが、単純な積分規則が使用される。必要な温度の刻みの変化への閉じた応答において定常状態のエラーがないことを確実にするように積分動作が使用される。
【００４８】
ｚ−変換が離散系列
【００４９】
【数７】
2004512941.tif 000009
およびｖ［ｎＴ］に対して適用される場合、式（５）における回帰関係は
【００５０】
【数８】
2004512941.tif 000010
のように表現され得る。ここで
【００５１】
【数９】
2004512941.tif 000011
およびＶ（ｚ）は、それぞれ
【００５２】
【数１０】
2004512941.tif 000012
［ｎＴ］およびｖ［ｎＴ］のｚ変換であり、Ｇ（ｚ）は、ｚ−１ｖ［ｋＴ］＝ｖ［（ｋ−１）Ｔ］のような遅延演算子であるｚ−１を有する離散伝達関数
【００５３】
【数１１】
2004512941.tif 000013
である。
【００５４】
コントローラは、予測された温度計測（サンプリングされた温度
【００５５】
【数１２】
2004512941.tif 000014
から誘導された）とｒ［ｎＴ］によって表されたｔ＝ｎＴにおいて要求された温度とを比較することによって、離散時間エラー信号
【００５６】
【数１３】
2004512941.tif 000015
を形成するようにインプリメントされる。
【００５７】
各時間刻みにおいて、電圧ｖ［ｎＴ］は、コントローラによってこのエラー信号から生成される。ｚ−変換に関する信号の表現は、
Ｖ（ｚ）＝Ｋ（ｚ）Ｅ（ｚ）　　　　　　　　　　　　　　　　（１１）
である。ここで、Ｋ（ｚ）は、コントローラの離散伝達関数である。離散時間積分コントローラは、以下の伝達関数を有する。
【００５８】
【数１４】
2004512941.tif 000016
ここで、ｋは、コントローラゲインおよび制御規則のための対応する回帰関係は
【００５９】
【数１５】
2004512941.tif 000017
である。
【００６０】
このシステムの閉ループポールの場所は、特性方程式の平方根およびｋを調整することによって与えられ、
【００６１】
【数１６】
2004512941.tif 000018
これらの極は、閉ループシステムは適切な応答を有するように配置され得る。臨界的に減衰された閉ループ応答が設定によって達成され得る。
【００６２】
【数１７】
2004512941.tif 000019
ｇおよびｒの評価された値に対する設定は、ｋ＝０．００３５を生じる。これは、閉ループ極ｚ＝０．８９の両方を配置する。より速い閉ループステップ応答は、弱減衰応答を与えるゲインを増加させることによって獲得され得る。ゲインがｋ＝０．００３５に増加した場合、閉ループ極はｚ＝０．８８±ｊ０．０７において配置される。ゲインのこの値に対して、ｒ［ｎＴ］の段階的変化に従う（取られたサンプルの数として定常状態値の５％に達するものとして定義される）セトリング時間は、ｌｏｇ０．０５／ｌｏｇ│ｐ│によって与えられ、│ｐ│は、閉ループ極の大きさを表す。利得がｋ＝０．００５に設定される場合、閉ループシステムは、小さいオーバーシュートを有するが、２６のサンプル内部の最終値の９５％以内にセトリングする。
【００６３】
第１の実験試行において図４ａおよび図４ｂを参照すると、積分制御規則がｋ＝０．００５を用いて式（１３）の回帰関係の形態でインプリメントされた。制御規則によって生成された電圧は、ワイヤ供給が停止することを妨げるために最小２Ｖおよび、駆動モータによって達成され得る最大供給速度に対応する最大１０Ｖに制限された。図４ａおよび図４ｂは、基準温度ｒ［ｎＴ］への一連の段階的変化を適用する結果を示す。実験の開始において、表面温度は６００Ｋであり、基準温度は７００Ｋまで増加した。可変抵抗器に印加された電圧を変更することによってワイヤ供給速度を増加することによって制御システムが応答する。温度は、５０のサンプル以内で基準値にセトリングされる。推定されたパラメータｇおよびτのエラーが存在し、および／またはシステムの実際の応答は、式（４）に含まれないいくつかの動力学を含むことを仮定すると、温度は設計から予測された温度よりも高い。これらの不確実性にもかかわらず、制御システムはサンプル５０からサンプル２５０までの期間にわたって所望された値における温度を維持する。この期間の間、制御システムは、スプレーガンに対するワイヤ速度を低減する（これは、熱が所望の温度を維持する必要がほとんどないことを示す）。これに対する１つの可能な説明は、チャンバ自体が加熱され、次いでガスの温度を上昇させ、対流による熱損失の低減を生じる。どんな理由があろうとも、フィードバックループは、変更状態を補償するためのワイヤ供給速度を調整することによってスプレーフォームの温度を維持する。対照的には、このプロセスは、１つのループで固定されたワイヤ供給速度で実行されることであった場合、温度は、この期間の間に上方に緩やかにドリフトする。
【００６４】
この実験的な実行の間、サンプル数２５０において、基準温度は１０００Ｋまで増加され、ワイヤ供給速度を増加することによって応答する。必要な温度における段階的変化のサイズのために、過渡応答の間にコントローラによって要求された電圧は、最大許容電圧を超えており、そのため電圧は１０Ｖに制限される。この制約にもかかわらず、システムは所望の温度にセトリングされるが、制約の影響は過渡応答の長さを増大することである。一旦セトリングされると、制御システムは、ワイヤ供給速度を調整し続け、基準温度での温度を維持する。所望の値周囲の温度の可変性は、プロセスが開ループ挙動と比較して閉ループ制御下にある場合にかなり少ない。閉ループ制御下の標準偏差は、開ループ応答に対して９．７１Ｋの標準偏差と比較して５．６３Ｋである。
【００６５】
図５ａおよび５ｂは、プロセスの第２の実験実行のための閉ループシステムから生じる第２のセットを示す。新しいビレット６がチャンバに入れられ、スプレーフォームビレット６の温度は６００Ｋで確立された。次いで一連の段階的変化は、以前のように基準温度に適用された。この実験におけるシステムの応答は、以前の試行の応答とはかなり異なる。基準温度は１０００Ｋに増加する場合、サンプル２５０とサンプル４９０との間の期間においてほとんどのイベントである。以前の試行とは異なり（１０００Ｋの温度が約６．５Ｖの電圧設定を用いて達成され得る）、この実験では、最大ワイヤ供給速度に対応する１０Ｖの電圧は、所望の温度を達成するのに十分である。システムの挙動差にもかかわらず、制御システムは、電圧が２Ｖ〜１０Ｖの許容範囲内にある場合、十分に実行し続ける。これは、データの開始時およびサンプル４９０における７００Ｋまでの下降段階において６００Ｋ〜７００Ｋの基準温度の段階的変化への応答において理解され得る。しかし、過渡応答が図４ａおよび図４ｂの応答と比較して著しく悪くなることに注目すべきである。これは恐らく、実際の開ループ応答と制御設計の基礎として使用された開ループ応答との間の差によるものである。
【００６６】
実行の末端付近のワイヤ供給速度の挙動もまた興味がある。サンプル４９０における段階的変化に従うと、スプレーフォームの温度は、サンプル５５０によって７００Ｋにセトリングする。しかし、温度を維持するためには、制御システムは、可変抵抗器に印加された電圧を増加させ、これによりワイヤ供給速度の対応する増加を与える。この実行の以後の段階の間、ガス供給が流出し始め、ガス圧の減少を生じる。これは、対応する加熱速度の低減に伴い、ビレット６表面上の金属のフローを低減した。７００Ｋの消耗された値の温度を維持するために、コントローラは、ガスフローの損失を補償するために、サンプル６００からサンプル６８０の期間にわたってワイヤ供給速度をほとんど二倍にした。サンプル６９０周辺では、ガス圧が低くなったために、自動カットアウトは、ワイヤを供給するモータをスイッチオフする。制御システムがガス圧の大幅な低減に適応することができたという事実は、フィードバックシステムがスプレーガンのクラスタに対するワイヤ供給速度を調整するために使用されたかどうかを示し、コントローラは他のガンに対する供給速度を増加することによってガンの内の１つの故障を補償し得る。これは、全体のシステムに対する著しい程度のロバスト性を付与する。
【００６７】
この制御システムは、利得が熱収支モデルから決定される積分制御規則に基づいていた。そのパラメータは実験的に推定される。これにもかかわらず、制御規則は、これらのパラメータが変更され、応答がモデルに含まれない動力学を含んだ場合に動作するために十分にロバスト性である。この制御システムはまた、ワイヤ供給速度の制限された範囲を適用することができた。システムの性能、特に温度の変化に従ってセトリングするために取られた時間がより高度な制御規則を用いることによって改善され得るが、コントローラはプロセス内の高度な多様性に適応することが可能である。
【００６８】
図６に示された実施形態では、スプレーガン１０５のアレイは、位置制御ロボット１１３のマニピュレータアーム１０８上に取り付けられる。プロセッサ制御ユニット１１１は、アーム１０８を含むロボット１１３の動作およびスプレーガンアレイ１０５に供給されたワイヤ供給速度を制御する。スプレーガン１０５はスプレーテーブル１１４に噴霧された溶融金属小滴を向け、スプレーの間漸進的に形成されるスプレーフォーム生成物１０６を形成する。図１の実施形態では、光高温計（赤外線）が使用され、図６の構成は、赤外線熱画像カメラ１０９を利用して、スプレーフォーム生成物１０６の熱特性を表す熱データを獲得する。画像カメラ１０９からの熱データ出力は、プロセッサおよびコントローラ１１１に供給され、計測された温度データが使用され、所与の未来の瞬間の時間において推定された温度プロファイルの予測された温度プロファイルを表す予測された温度プロファイルを表す対応するデータを生成する。予測された温度プロファイルは、所望された（基準）温度プロファイルと比較され、制御された出力１１２は、それに従って１つ以上のシステム演算子を調整する。このようなシステム演算子は、例えば、スプレーガンアレイ１０５に対するワイヤ供給速度、スプレーフォーム生成物１０６からのガンアレイ１０５の間隔、またはガンアレイ１０５のスキャン／掃引移動速度であり得る（ロボット１１３およびアーム１０８によって制御された最後の２つの演算子）。
【００６９】
プロセッサおよびコントローラ１１１におけるマイクロプロセッサによって実行された処理ステップは、図７に示される。予測ステップ２０２においてモニタリングされた温度および記録された温度で動作することによって、比較ステップ２０３において誘導されたたデータは、関連するシステム演算子の変更を作動させる（ステップ２０５）ように適切な出力を発生する（ステップ２０４）ためにより正確に依存し得る。
【００７０】
図８に示された表現画像はスプレー形成された生成物１０６の詳細な全体の温度プロファイルを示す。このプロファイルは、本発明の技術のアプリケーションに特に適応した赤外線熱画像カメラ１０９を用いて都合良く生成され得る。
【００７１】
モニタリングされたパラメータ（温度）が、スプレーされた堆積物の大部分の領域上に同時にモニタリングされる２つの二次元（２−Ｄ）モニタリングシステムを用いてモニタリングされる技術が見出されてきた。このような２−Ｄシステムは、上記実施形態の熱画像カメラによって例証される。コントローラに対して熱モデルは、２−Ｄ状況の誘導された表現であることを必要とする。
【００７２】
矩形スプレーシェルの表面は、｛（ｘ，ｙ）：０≦ｘ≦Ｌｘ，０≦ｙ≦Ｌｙ｝として定義される。シェルは平坦であるように取られるが、モデルはまた、ロボット１１３の高さおよび配向が、スプレーガン１０５が表面に対して一定の距離および角度にあることを確実にするように表面上をスキャンするように調整される場合、その表面がトポグラフィを有する場合に使用され得る。平均ワイヤ供給速度が一定のままであることを想定すると、スプレーされた堆積物の平均厚さｚ（ｔ）は、時間と共に一様に増加するが、このモデルは、平均ワイヤ供給速度の変更に適応するように容易に拡張され得る。
【００７３】
ガンが所与の位置でフォーカスされる場合、ユニットワイヤ供給速度によって生成された質量フラックスプロファイル
【００７４】
【数１８】
2004512941.tif 000020
は、図９に示される。このプロファイルの形状は、スプレー堆積プロセスのモデルから誘導される。このモデルのパラメータは、この例において実験的に決定され、スプレー形成プロセスは４つのガンを使用する。中央のガンは、スプレーされたシェルの上方１６０ｍｍの距離でその表面に垂直に配置され、他の３つのガンは、その表面に対して４５°の角度で中央のガンの周囲に対称的に配置される。本明細書で説明された制御システムでは、ワイヤ供給速度は、作動メカニズムとして使用され、ガス圧、スプレー等の配向および高さ等の他のパラメータは一定である。これらの環境下では、ワイヤ供給による質量フラックス「フットプリント（ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ）」が直線として考慮され得ることが見出された。平均として、スプレー中の金属小滴は、ガンから堆積ゾーン表面１０５までの飛行の間ほとんど同じ冷却を受け、そのため、ユニットワイヤ供給速度に対してガンによって生成された熱フラックスのプロファイル
【００７５】
【数１９】
2004512941.tif 000021
は、図９に示された質量フラックスに比例するとして取得され得、それにより、
【００７６】
【数２０】
2004512941.tif 000022
が得られる。ここで、ｃは鋼鉄の比熱であり、θｇは、ガンから出た時のスプレーの温度であり、θｓは、その表面の温度である。実際には、スプレーされたシェルの温度は表面上で変動し、そのためθｓは一定ではない。しかし、表面温度の変動は、スプレーの温度と表面の温度との間の差に対して小さく、その結果θｓの変動は、
【００７７】
【数２１】
2004512941.tif 000023
に含まれない。
【００７８】
溶融物小滴をスプレーされたシェルの表面に押し出すために使用される窒素のストリームは、ガスの温度と表面の温度との間の差のために著しい冷却効果を提供する。窒素ストリームの冷却プロフィールは、
【００７９】
【数２２】
2004512941.tif 000024
である。ここで、θｎは窒素ストリームの温度であり、Ｈｎ（ｘ、ｙ）は、伝熱係数である。窒素は表面と比較してより低い温度で存在するために、
【００８０】
【数２３】
2004512941.tif 000025
は一般的に負である。質量フラックスプロファイルに関して、スプレーされたシェルの温度は表面にわたって一定ではないが、その変動はθｎとθｓとの間の差に対して小さく、無視される。ガンクラスターの構成による冷却プロフィール内の注目すべき角度変動もまた存在するが、この変動の効果は、ロボットが表面１０６上を移動する際にガンクラスター１０５を回転させることによってスムージング除去される。
【００８１】
熱フットプリントの時間依存性は、表面上のガンクラスター１０５の移動から生じ、それにより
【００８２】
【数２４】
2004512941.tif 000026
ここで、ｖｘおよびｖｙは、それぞれｘおよびｙ方向のロボット速度であり、
【００８３】
【数２５】
2004512941.tif 000027
は、図１で与えられた質量フラックスフットプリントから誘導される。ここで、フットプリントの形状は、表面上のガンの位置から独立している。同様な態様では、窒素ストリームによる冷却は、ガンを用いて移動し、それにより
【００８４】
【数２６】
2004512941.tif 000028
である。両方の場合、プロファイルの角度依存性は、スプレーの間のガンクラスターに付与された回転にわたってフットプリントを平均化することによって除去される。
【００８５】
θ（ｘ、ｙ、ｔ）が、点（ｘ、ｙ）において表面の温度を表す場合（ここで、温度はスプレーブースを介して空気フローの温度に対して計測される）、（ｘ、ｙ）において配置された領域δｘδｙおよび厚さｚ（ｔ）の要素に対する熱収支は、
【００８６】
【数２７】
2004512941.tif 000029
2004512941.tif 000030
ここで、ρおよびＫは、それぞれ、スプレーされた鋼鉄の熱伝導率であり、Ｈａは、シェルの表面と空気ストリームとの間の熱伝達係数であり、ｕ（ｔ）はワイヤ供給速度である。このモデルは、平均厚さｚ（ｔ）、および伝導率Ｋに対する厚さの任意の局所的変動は、無視され得る二次効果である。スプレーされたシェルとセラミックとの間の界面にわたる熱損失もまた考慮し、貫通する厚さの温度プロファイルが一定に保たれることを想定する。これらの想定のいずれも支持されない場合、このモデルはこれらの効果を組み込むように拡張され得る。
【００８７】
式（１）をρｃｚ（ｔ）δｘδｙで除算すると、
【００８８】
【数２８】
2004512941.tif 000031
ここで、κ＝Ｋ／ρｃは、スプレーされた鋼鉄の熱拡散率であり、
【００８９】
【数２９】
2004512941.tif 000032
熱伝達係数Ｈａは、平坦な表面から強制された対流に関連付けられたＮｕｓｓｅｌｔ数Ｎｕに対する関係から誘導される（４ｍｓ−１の空気流速度に対して合理的である層流を想定する）。［２］Ｎｕ＝０．６６４Ｒｅ１／２Ｐｒ１／３であり、ここで、Ｒｅはフローに関連付けられたレイノルズ数であり、Ｐｒは空気に対するＰｒａｎｄｔｌ数である。厳密には、表面にわたるフローの前縁からの距離によって変動するが、熱損失が空気流ではなく窒素流から冷却することによって支配される場合、Ｈａの空間依存性は無視される。
【００９０】
（２）式の右側の最後の３つの項の表現は、共通項内のｚ（ｔ）項を含む。その結果、ｚ（ｔ）が小さい場合、スプレープロセスの開始時において、ｚ（ｔ）が小さい場合、これらの項は大きくなり、このモデルはパラメータのエラーに対して非常に感受性が高い。しかし、金属の最初の層を堆積する場合、スプレーされた金属とセラミック基板との間で良好な接着を確実にすることがより重要である。それにより熱プロフィールを調整するためのシステムは、一旦金属の十分な厚さ（典型的には１ｍｍ）が確立されると、オンにスイッチングされるのみである。
【００９１】
【数３０】
2004512941.tif 000033
に対する表現の共通項のｚ（ｔ）項はまた、ガンの加熱効果の「ゲイン」がスプレーされたシェルの厚さが増加するにつれて減少する。しかし、これは、
【００９２】
【数３１】
2004512941.tif 000034
の表現における共通項のｚ（ｔ）項のために、窒素ストリームの冷却効果において対応する低減によるオフセットである。
【００９３】
モデルに対する境界状態は、シートのエッジにわたって空気および窒素のフローへの熱損失を表す。
【００９４】
【数３２】
2004512941.tif 000035
ここで、ＨｘおよびＨｙは、任意の強制項の欠如における温度に対する最終値とともに、ｘおよびｙ方向のエッジにわたる熱伝達係数を表す（ｔ→∞の場合、θ（ｘ、ｙ、ｚ）→０）。
【００９５】
このシステムは以下の形態の分離可能な分離解（ｓｅｐａｒａｂｌｅ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を有する。
【００９６】
【数３３】
2004512941.tif 000036
ここで、φｍ，ｎ（ｘ、ｙ）は、式（３）によって与えられた空間固有ノードである。
【００９７】
【数３４】
2004512941.tif 000037
ここでβｍは、以下の式の解である。
【００９８】
【数３５】
2004512941.tif 000038
γｎは、以下の式の解である。
【００９９】
【数３６】
2004512941.tif 000039
各モードに関連付けられた固有値は、−λｍ、ｎである。ここで、
【０１００】
【数３７】
2004512941.tif 000040
である。
【０１０１】
各固有モードの大きさｑｍ、ｎ（ｔ）は、一次常微分方程式を満たす。
【０１０２】
【数３８】
2004512941.tif 000041
ここで、
【０１０３】
【数３９】
2004512941.tif 000042
ＭおよびＮがアクチュエータの制御可能な帯域幅を表す場合、ＭおよびＮは、ｍ＞Ｍおよびｎ＞Ｎに対して│ｂｍ、ｎ（ｔ）│＝０である最も小さい値である。冷却プロファイル
【０１０４】
【数４０】
2004512941.tif 000043
は、図９の質量フットプリントよりも広いため、冷却プロファイルの空間的帯域幅は加熱プロファイルの空間的帯域幅よりも小さい。結果として、ｍ＞Ｍおよびｎ＞Ｎに対する│ｄｍ、ｎ（ｔ）│＝０および冷却フットプリントは、制御可能な帯域幅より上の任意の高次モードの影響を受けない。
【０１０５】
Ｍ×Ｎの制御可能なモードにモデルを制限することによって、式（１４）は、有限時限状態空間モデル（ｆｉｎｉｔｅ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｓｔａｔｅ　ｓｐａｃｅ　ｍｏｄｅｌ）によって表現され得る。
【０１０６】
【数４１】
2004512941.tif 000044
ここで、Ａｃ（ｔ）は、対角要素−κλｍ、ｎ−Ｈ（ｔ）を有する対角行列であり、ｂｃ（ｔ）は、ｂｍ、ｎ（ｔ）項を含むベクトルであり、ｄｃ（ｔ）は、ｄｍ、ｎ（ｔ）項を含むベクトルである。ｗ１（ｔ）は、ゼロ平均、ユニット分散（ｕｎｉｔ　ｖａｒｉａｎｃｅ）、状態ノイズを表す。状態ノイズの主要な源は、窒素ストリームの実際の冷却プロファイルからモデリングされたｄｃ（ｔ）の偏差である。Ａ（ｔ）の時間依存性は、Ｈ（ｔ）の依存性から生じる。表面からの空気流に対する熱損失の係数は、平均厚さｚ（ｔ）に依存する。ｚ（ｔ）は、複数のスキャンにわたって変化し、スキャン内で変化するｂｃ（ｔ）およびｄｃ（ｔ）の変化に対して遅いため、Ａは一定であるとみなされる。Ａのこの遅い変化は、ゲインスケジューリングによって制御設計に適応され得る。
【０１０７】
表面の温度は、熱画像内に各ピクセルにおいて計測され、その結果、点（ｘｉ、ｙｊ）において配置されたピクセルに対して温度は、
【０１０８】
【数４２】
2004512941.tif 000045
表面の温度がベクトルｙｐ（ｔ）にスタックされ、Ｐは、アレイ内のピクセルの数であり、より低次の空間モードに関連付けられた測定式は、以下のように表現され得る。
【０１０９】
【数４３】
2004512941.tif 000046
（ｘｉ、ｙｊ）におけるピクセルに関連付けられた計測マトリクスのロウＣは、項φｍ，ｎ（ｘｉ、ｙｊ）を含み、ｗ２（ｔ）はゼロ平均を表し、ユニット分散、測定ノイズを表す。温度計測に対するモデル化されていない、より高次モードの貢献は、ｗ２（ｔ）に組み込まれ得る。
【０１１０】
実際には、制御システムはサンプルアンドホールドモードで動作され、温度プロファイルはｔ＝ｋＴでサンプリングされ、その期間
【０１１１】
【数４４】
2004512941.tif 000047
にわたって一定に保たれるワイヤ供給レートｕ（ｋＴ）を生成するために使用されたプロファイルは、以下の離散時間モデルを生成する。
【０１１２】
【数４５】
2004512941.tif 000048
ここで
【０１１３】
【数４６】
2004512941.tif 000049
および
【０１１４】
【数４７】
2004512941.tif 000050
このモデルはまた、状態ノイズ（ｗ１（ｋＴ）および計測ノイズｗ２（ｋＴ））を含む。ｔ＝ｋＴにおいて取られた時間サンプルにおいて状態ｑ（ｋＴ）を与えたこれら２つの等式は、さらなる全ての時間刻みにおいて状態の予測および計測ｙｐ（ｋＴ）を提供する。
【０１１５】
寸法３００ｍｍ×３００ｍｍおよび厚さ５ｍｍのスプレーされたシェルに対して、最も早い制御可能なモードの時間定数は、６０ｓのオーダーである。しかし、典型的には、ロボットは０．２ｍｓ−１で移動し、それによりシェルの一方から他方に１．５ｓで移動する。これは、サンプル間隔Ｔの選択がシステムの固有の動力学によってではなく、その代わりに、ｂｃ（ｔ）およびｄｃ（ｔ）項の変化速度によって決定される。この理由のために、０．１ｓのサンプル間隔がインプリメンテーションにおいて使用される。
【０１１６】
コントローラの目的は、いくつかの所与の所望された状態ｒ（ｋＴ）にできるだけ近いｍ≦Ｍおよびｎ≦Ｎに対して制御可能な状態ｑｍ，ｎ（ｋＴ）を維持する。ｒ（ｋＴ）が一定に保たれるかまたはまれに変化するため、制御設計が調整問題としてみなされる。単一のアクチュエータのみでは、全てのＭＮ制御可能状態整合ｒ（ｋＴ）を正確に行うことを可能にしないが、その代わりなされ得る最良のことは、いくつかの測定値ｒ（ｋＴ）−ｑ（ｋＴ）を最小化することである。空間的モードが直交であるために、パーシバルのアイデンティティ││ｒ（ｋＴ）−ｑ（ｋＴ）││２は、温度変動の制御可能な空間的モードの分散である。その結果、信号は
【０１１７】
【数４８】
2004512941.tif 000051
（ここで、Ｗ１は重み行列である）、表面全体の制御可能な温度変動である。温度変動はコントローラによって最小化されなければならない。
【０１１８】
直線直交ガウス（ＬＱＧ）制御に対して、コントローラは、Ｋａｌｍａｎフィルタの形態での状態推定器の組み合わせである。これは、状態推定
【０１１９】
【数４９】
2004512941.tif 000052
および状態フィードバックゲイン
【０１２０】
【数５０】
2004512941.tif 000053
であり、Ｋ（ｋＴ）は時間変動状態フィードバック行列である。計測が全てのピクセルで利用可能であり、状態は、
【０１２１】
【数５１】
2004512941.tif 000054
を評価する。
【０１２２】
本発明が、一般的に堆積処理および特に金属スプレー堆積プロセスに関して主に説明されてきた。しかし、本発明は他の技術またはプロセスにおける用途を有することが理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、本発明によるシステムにおいて使用するための電気アークスプレーガン装置の概略図である。
【図２】
図２は、本発明の実施形態による例示的システムである。
【図３】
図３は、図２のシステムの制御図である。
【図４ａ】
図４ａは、システムの第１の実験的実行のための基準温度の段階的変化に応答してモニタリングされた温度のプロットである（閉ループ下で実行する）。
【図４ｂ】
図４ｂは、図４ａのプロットに対応するスプレーガン装置へのコントローラの出力のプロット（ワイヤ供給ドライブの付加抵抗器間の電圧）である。
【図５ａ】
図５ａは、システムの第２の実験的実行のための基準温度の段階的変化に応答してモニタリングされた温度のプロットである（閉ループ下で実行する）。
【図５ｂ】
図５ｂは、図５ａのプロットに対応するスプレーガン装置へのコントローラの出力のプロット（ワイヤ供給ドライブの付加抵抗器間の電圧）である。
【図６】
図６は、本発明によるシステムの代替的な実施形態の概略図である。
【図７】
図７は、本発明による制御および処理技術の概略的フローチャートである。
【図８】
図８は、図６のシステムにおいて使用された熱的画像データキャプチャの典型的な図である。
【図９】
図９は、本発明による堆積プロセスにおいて使用された４つのスプレーガンのクラスタのモデル化されたマスフラックスの空間的なフットプリントである。
【図１】
2004512941.tif 000055
【図２】
2004512941.tif 000056
【図３】
2004512941.tif 000057
【図４ａ】
2004512941.tif 000058
【図４ｂ】
2004512941.tif 000059
【図５ａ】
2004512941.tif 000060
【図５ｂ】
2004512941.tif 000061
【図６】
2004512941.tif 000062
【図７】
2004512941.tif 000063
【図９】
2004512941.tif 000064
【国際公開パンフレット】
2004512941.tif 000065
2004512941.tif 000066
2004512941.tif 000067
2004512941.tif 000068
2004512941.tif 000069
2004512941.tif 000070
2004512941.tif 000071
2004512941.tif 000072
2004512941.tif 000073
2004512941.tif 000074
2004512941.tif 000075
2004512941.tif 000076
2004512941.tif 000077
2004512941.tif 000078
2004512941.tif 000079
2004512941.tif 000080
2004512941.tif 000081
2004512941.tif 000082
2004512941.tif 000083
2004512941.tif 000084
2004512941.tif 000085
2004512941.tif 000086
2004512941.tif 000087
2004512941.tif 000088
2004512941.tif 000089
2004512941.tif 000090
2004512941.tif 000091
2004512941.tif 000092
2004512941.tif 000093
2004512941.tif 000094
2004512941.tif 000095
2004512941.tif 000096
2004512941.tif 000097
2004512941.tif 000098
2004512941.tif 000099
2004512941.tif 000100
2004512941.tif 000101
2004512941.tif 000102
2004512941.tif 000103
2004512941.tif 000104
2004512941.tif 000105
2004512941.tif 000106
2004512941.tif 000107
2004512941.tif 000108
2004512941.tif 000109
2004512941.tif 000110
2004512941.tif 000111
2004512941.tif 000112
2004512941.tif 000113
2004512941.tif 000114
2004512941.tif 000115
2004512941.tif 000116
【国際調査報告】
2004512941.tif 000117
2004512941.tif 000118
2004512941.tif 000119
2004512941.tif 000120