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JP2021165044A - 付加製造プロセスモニタリング方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ビルドの健全性を検証する音響モニタリング方法を提供する。
【解決手段】溶融池（５６）の形成によって発生した音響エネルギーを測定して、測定音響プロファイルを生成し、前記指向性エネルギー源（２４）によって生成されるビームを向けるために使用されるビームステアリング装置（２６）に提供されるステアリングコマンドに基づいて、音響信号を測定しつつ、溶融池（５６）の位置をモニタリングし、測定音響プロファイルに応じて、付加製造プロセスの少なくとも一態様を制御し、制御することが、基準音響プロファイルから逸脱している音響信号プロファイルに応じて、個別の動作をする。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して付加製造に関し、より詳しくは付加製造におけるモニタリング及びプロセス制御のための装置及び方法に関する。
付加製造は、材料を１層ずつビルドアップして、部品を形成するプロセスである。鋳造プロセスとは異なり、付加製造は、機械の位置分解能によってのみ制限され、鋳造で要求されるような、抜き勾配を与えるための要件、オーバーハングを回避するための要件等によって制限されない。付加製造は、「積層造形」、「リバースマシニング」、「直接金属レーザ溶融」（ＤＭＬＭ）、及び「３Ｄ印刷」等の用語でも呼ばれる。このような用語は、本発明に関しては同義語として扱われる。
先行技術の付加製造プロセスは、典型的には、ビルド（build；積層造形物）の健全性を検証するために、コンピュータ断層撮影（「ＣＴ」）等のポストビルド検査プロセスを必要とする。このプロセスは効果的ではあるが、望ましくない余分な時間及びコストが必要とされる。
米国特許出願公開第２０１５／０１０４８０２号明細書
本発明は、音響モニタリングの方法によって、この問題に対処する。
本明細書に記載される技術の一態様によると、付加製造プロセスをモニタリングする方法が提供される。付加製造プロセスでは、指向性エネルギー源を用いて、粉末材料塊の露出ビルド表面に溶融池を形成し、粉末材料を選択的に融合させてワークピースを形成する。方法は、溶融池によって発生した音響エネルギーを測定して、測定音響プロファイルを生成することを含む。
本明細書に記載された技術の別の態様によると、ワークピースを製作する方法は、粉末材料を堆積させてビルド表面を画成し、
指向性エネルギー源からビルド用ビームを向けて、ビルド表面に溶融池を形成し、ワークピースの断面層に対応するパターンで粉末材料を選択的に融合させ、
溶融池によって発生した音響エネルギーを測定して、測定音響プロファイルを生成することを含む。
本発明は、添付の図面と併せて以下の説明を参照することにより、最もよく理解することができる。
例示的な付加製造装置の概略断面図である。 図１の一部の拡大図である。 別の付加製造装置の拡大断面図である。 「既知の良好な」ワークピース構築プロセスの基準音響プロファイルである。 構築プロセス中のワークピースにおける大きな欠陥を示す音響プロファイルである。
図面を参照すると、様々な図において同一の参照符号は同じ要素を表し、図１は、付加製造方法を実施するための装置１０を概略的に示す。基本的な構成要素は、テーブル１２、粉末供給部１４、スクレーパ又はリコータ１６、オーバーフロー容器１８、構築チャンバ２２に囲まれた構築台２０、指向性エネルギー源２４及びビームステアリング装置２６であり、これらはすべて筐体２８に囲まれている。これらの構成要素の各々について、以下により詳細に説明する。
テーブル１２は、平面の作業面３０を画成している剛性の構造である。作業面３０は、仮想作業面と同一平面上にあり、仮想作業面を画成する。図示の例には、構築チャンバ２２と連通し、構築台２０を露出している構築開口部３２と、粉末供給部１４と連通している供給開口部３４と、オーバーフロー容器１８と連通しているオーバーフロー開口部３６とが含まれている。
リコータ１６は、作業面３０上にある、剛性の横方向に細長い構造である。リコータ１６は、リコータ１６を作業面３０に沿って選択的に移動させるように動作可能なアクチュエータ３８に接続されている。アクチュエータ３８は、空気圧シリンダ又は液圧シリンダ、ボールねじ又は電動リニアアクチュエータ等の装置をこの目的のために使用してもよいという理解のもと、図１に概略的に示されている。
粉末供給部１４は、供給開口部３４の下にあって供給開口部３４と連通する供給容器４０と、エレベータ４２とを含む。エレベータ４２は、供給容器４０内で上下方向にスライド可能な板状構造である。エレベータ４２は、エレベータ４２を上下に選択的に移動させるように動作可能なアクチュエータ４４に接続されている。アクチュエータ４４は、空気圧シリンダ又は液圧シリンダ、ボールねじ又は電動リニアアクチュエータ等の装置をこの目的のために使用してもよいという理解のもと、図１に概略的に示されている。エレベータ４２を下降させると、所望の組成物の粉末「Ｐ」（たとえば、金属粉末、セラミック粉末及び／又は有機粉末）の供給が、供給容器４０に装填されてもよい。エレベータ４２を上昇させると、作業面３０の上に粉末Ｐが露出する。他の適する形状及び／又はタイプの粉末供給部１４を用いてもよいことを理解されたい。たとえば、粉末供給部１４は、作業面３０の上に配置され、所定の流量で作業面３０上に粉末を落下させる粉末容器を含んでもよい。
構築台２０は、構築開口部３２の下方で上下方向にスライド可能な板状構造である。構築台２０は、構築台２０を上下に選択的に移動させるように動作可能なアクチュエータ４６に接続されている。アクチュエータ４６は、空気圧シリンダ又は液圧シリンダ、ボールねじ又は電動リニアアクチュエータ等の装置をこの目的のために使用してもよいという理解のもと、図１に概略的に示されている。構築プロセス中に構築台２０を構築チャンバ２２の中に下降させると、構築チャンバ２２及び構築台２０は、構築されている任意の構成要素と共に、粉末Ｐの塊を取り囲み、支持する。粉末の塊は、一般に「粉末床」と呼ばれ、付加製造プロセスのこの特定のカテゴリーは、「粉末床プロセス」と呼ぶことができる。
オーバーフロー容器１８は、オーバーフロー開口部３６の下にあってオーバーフロー開口部３６と連通し、過剰な粉末のための収納場所として働く。
指向性エネルギー源２４は、以下により詳細に説明する構築プロセス中に、金属粉末を溶融し、融合させるのに適するパワー及び他の動作特性のビームを生成するように動作可能な任意の既知の装置を含んでもよい。たとえば、指向性エネルギー源２４は、レーザであってもよい。電子ビームガンのような他の指向性エネルギー源は、レーザの好適な代替物である。
ビームステアリング装置２６は、１以上のミラー、プリズム、レンズ及び／又は電磁石を含んでもよく、適するアクチュエータが備えられ、指向性エネルギー源２４からのビーム「Ｂ」を、所望のスポットサイズに集光し、作業面３０と一致する平面の所望の位置に向けることができるように配置される。説明を容易にするため、この平面をＸ−Ｙ平面と呼ぶことがあり、Ｘ−Ｙ平面に垂直な方向をＺ方向とする（Ｘ、Ｙ及びＺは、互いに直交する３方向である）。ビームＢは、本明細書で「ビルド用ビーム」と呼ぶことがある。
筐体２８は、装置１０の他の構成要素を隔て、保護する働きをする。筐体２８は、たとえば、窒素、アルゴン又は他のガス又はガス混合物等、適切なシールドガス「Ｇ」の流れを備えていてもよい。ガスＧは、静的加圧容積として、又は動的な流れとして備えられていてもよい。筐体２８は、この目的のために、入口ポート及び出口ポート４８、５０をそれぞれ備えていてもよい。
上記装置を用いたワークピースＷの基本的な構築プロセスは、以下の通りである。構築台２０を初期の高位置に移動させる。構築台２０を、選択された層の増分だけ作業面３０の下方に下げる。層の増分は、付加製造プロセスの速度及びワークピースＷの分解能に影響する。例として、層の増分は、約１０・５０μｍ（０．０００３・０．００２インチ）であってもよい。次に、粉末「Ｐ」が構築台２０の上に堆積され、たとえば、供給容器４０のエレベータ４２が上昇して、供給開口部３４を通じて粉末を押し、粉末を作業面３０の上方に露出させてもよい。リコータ１６は、作業面を横切って移動し、隆起した粉末Ｐを構築台２０上で水平方向に拡げる。リコータ１６が左から右へ通過すると、過剰な粉末Ｐは、オーバーフロー開口部３６を通じて、オーバーフロー容器１８の中に落下する。その後、リコータ１６は開始位置に戻ってもよい。平らになった粉末Ｐは、「構築層」５２と呼ぶことができ、露出した上部表面は、「ビルド表面」５４と呼ぶことができる（図２参照）。
指向性エネルギー源２４を用いて、構築されているワークピースＷの２次元断面又は層を溶融する。指向性エネルギー源２４は、ビーム「Ｂ」を放射し、ビームステアリング装置２６を用いて、ビルド用ビームＢの集光スポット「Ｓ」を、露出した粉末表面上に適切なパターンで向ける。集光スポットＳを取り囲む粉末Ｐの露出した層の小さな部分は、本明細書で「溶融池」５６と呼ばれ（図２に最もよく示されている）、溶融し、流れ、統合することが可能な温度まで、ビルド用ビームＢによって加熱される。例として、溶融池５６は、１００μｍ（０．００４インチ）幅の大きさであってもよい。この工程は、粉末Ｐの融合と呼ぶことができる。
構築台２０を層の増分だけ垂直下方に移動させ、粉末Ｐの別の層を同様の厚さで適用する。指向性エネルギー源２４は、ビルド用ビームＢを再度放射し、ビームステアリング装置２６を用いて、ビルド用ビームＢの集光スポットＳを、露出した粉末表面の上に適切なパターンで向ける。粉末Ｐの露出した層は、溶融し、流れ、最上層内と、より下層の以前に固化した層との両方を統合することが可能な温度までビルド用ビームＢによって加熱され、下方の層の結晶配向性を再度維持する。
構築台２０を移動させ、粉末Ｐを適用し、次いで指向性エネルギー源が粉末Ｐを溶融するこのサイクルは、ワークピースＷ全体が完成するまで繰り返される。
図２は、上記タイプの粉末床で構成されているワークピースＷをより詳細に示す。例示的なワークピースＷは、水平壁６２によって相互接続された、一対の離間した垂直壁５８及び６０を含む。キャビティ６４は、垂直壁５８及び６０の間に存在し、粉末Ｐが充填されている。付加粉末Ｐは、垂直壁５８及び６０と、構築チャンバ２２の側壁との間に存在する。
音響検査プロセスは、上記構築プロセスに組み込まれてもよい。一般的には、音響モニタリングプロセスは、音響センサ６８を用いて構築プロセス中に音響信号を測定し、ワークピースＷの欠陥を示す異常に関して音響信号をモニタリングすることを含む。センサ６８は、付加構築プロセスによって発生した音響信号を受信することができる、装置１０内の任意の位置に装着されてもよい。たとえば、図２は、構築台２０の下側に取り付けられたコンタクトマイクロホン６８を示す。図３は、テーブル１２の上方に配置されたフリーエアーマイクロホン７０を示す。一般に、このタイプのプロセスは、「音響モニタリング」と呼ぶことができる。本明細書で用いられる場合、「音響」という用語は、概して、気体又は固体等の媒体を介してエネルギーを伝達することを指し、このようなエネルギーの周波数範囲とは無関係である。
上記融合工程の間に、溶融池５６を生成するビルド用ビームＢの動作は、本質的に、溶融池５６から放射される音波を発生する。この音波は、筐体２８内のテーブル１２の構造及びガスＧを通って進み、測定音響プロファイルを生成するために上記マイクロホン６８及び７０によって検出され得る。音響プロファイルは、層の増分の任意の適する所定間隔で記録されてもよいことを理解されたい。
ワークピースＷが適切に形成された場合、融合プロセスが円滑に行われ、融合プロセスによって誘起される音響エネルギー量には、ばらつきがほとんど発生しない。しかし、ワークピースＷに割れや空隙等の欠陥が生じた場合、装置１０を通して伝播する音響信号の性質に変化が生じる。
音響モニタリングプロセスは、「既知の良好な」ワークピースの音響プロファイルを比較として用いて、音響信号解析を提供する。比較は、構築プロセスが完了した後に、検査及び品質管理の手段として行ってもよい。或いは、リアルタイムで比較を行ってもよい。各々の特定の構築（異なるサイズ及び形状のワークピース）のために、比較用に新たな信号プロファイルを作成することができる。したがって、基準信号プロファイルは、構築の各々の層の増分用に作成されてもよい。この作成は、欠陥とは対照的に、ワークピースの特定のプロファイルに起因する音響特性のばらつきを考慮して行う。音響振幅対時間を示す、既知の良好な信号プロファイルの非限定的な例を図４に示す。
振幅対時間を示す、測定音響プロファイルの非限定的な例を図５に示す。図示のように、図４に示す基準音響プロファイルには存在しない、測定音響プロファイルに存在する小さな下降又はドロップアウト７２は、欠陥が存在することを示す。
構築プロセスの間及び音響プロファイルを測定している間、溶融池５６の空間における位置を追跡してもよい。たとえば、溶融池５６のＸ−Ｙの位置は、ビームステアリング装置２６に供給されるステアリングコマンドに基づいて常に知られている。溶融池５６のＺの位置は、構築台２０の位置に基づいて知られている。溶融池の位置は、音響プロファイルに同期して追跡されてもよく、その結果いかなる時点においても、追跡されている音響信号の位置原点は知られている。
上記のように溶融池５６の位置を追跡することに加えて、又はその代わりに、マイクロホン６８及び７０を用いて、音響エネルギー源の位置を特定してもよい。たとえば、複数のマイクロホン６８及び７０を既知の離間した位置に配置する場合、三角測量又は三辺化のプロセスを用いて、音響エネルギー源の位置を計算してもよい。この位置情報を、音響プロファイルに同期して追跡してもよい。
同期化した位置情報の利用は、ワークピースＷ内における欠陥の位置の特定を可能にする。完成したワークピースＷの欠陥を見つけようとする場合、及び／又は、構築プロセス中に生じる欠陥を再加工しようとする場合、この情報が非常に貴重であることが分かる。
上述の音響モニタリング方法は、様々な目的で付加製造プロセスに実施してもよい。たとえば、検査は、各々の構築層５２を溶着する間に、又は各々の構築層５２が完成した直後に、又はいくつかの構築層５２が完成した後に行うことができる。これにより、各層又は各層のグループが正確に構築されていて、欠陥がないという確認が可能になる。
ワークピースに欠陥があることが見出された場合には、構築プロセスを中止することができる。或いは、欠陥が見出された場合、ビルド用ビームＢを欠陥の上のワークピースＷに向け、溶融池を形成して材料を再溶融し、材料が欠陥に流れ込み、欠陥を充填することを可能にすることによって、装置１０を用いて欠陥を修復することができる。
上記モニタリングプロセスを用いて、付加構築プロセスを変更するために使用可能なリアルタイムフィードバックを提供してもよい。たとえば、検査プロセスが、構築によって欠陥が作り出されていると判定する場合、レーザパワー、走査速度、ガス流れ等の１以上のプロセスパラメータを変更して、動作を公称値に回復させるか、又は欠陥の原因を排除してもよい。
上記モニタリングプロセスは、統計的なプロセス制御の計画の一部として用いることもできる。特に、検査プロセスを用いて、プロセスにおけるばらつきの原因を特定することができる。その後、後続の構築でプロセスパラメータを変更して、ばらつきの原因を軽減するか、又は排除することができる。
上記モニタリングプロセスは、品質管理文書の計画の一部として用いることもできる。特に、構築中に生成された音響プロファイルを、後で参照するために保存することができる。さらに、保存した音響プロファイルを用いて、個々のワークピースＷの構築手順が、所定の規格に準拠していることを検証することができる。本明細書に記載されたプロセスによって、付加構造の張り出した層の厚さをマッピングし、公称値からのばらつきを高精度に検出することが可能となる。これは、従来技術で現在使用されているＣＴスキャン等の、構築後の品質管理プロセスを省く可能性を有する。
上記に付加製造プロセスの音響モニタリング方法を説明した。本明細書（添付した特許請求の範囲、要約、及び図面を含む）で開示した特徴のすべて、及び／又は開示した任意の方法もしくは処理の工程のすべては、そのような特徴及び／又は工程の少なくともいくつかが相互に排他的である組合せを除いて、任意の組合せで組合せることができる。
本明細書（添付した特許請求の範囲、要約、及び図面を含む）に開示した各特徴は、特に明記しない限り、同一、等価、又は類似の目的を提供する代替的特徴に置き換えることができる。したがって、特に明記しない限り、開示した各特徴は、等価又は類似の特徴の一般的な系列の内の１例にすぎない。
本発明は、上述した実施形態の詳細に限定されるものではない。本発明は、本明細書（添付した新規性の可能性のある点、要約、及び図面を含む）に開示された特徴の内の任意の新規なもの、又は任意の新規な組合せ、或いは開示した任意の方法もしくは処理の工程の内の任意の新規なもの、又は任意の新規な組合せを拡張する。
［実施態様１］
付加製造プロセスをモニタリングする方法であって、指向性エネルギー源（２４）を用いて、粉末材料塊の露出ビルド表面（５４）に溶融池（５６）を形成し、粉末材料を選択的に融合させてワークピース（Ｗ）を形成する方法であって、溶融池（５６）によって発生した音響エネルギーを測定して、測定音響プロファイルを生成することを含む方法。
［実施態様２］
基準音響プロファイルと、測定音響プロファイルとを比較する工程をさらに含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様３］
基準音響プロファイルが、既知の良好なワークピースを表す、実施態様２に記載の方法。
［実施態様４］
測定音響プロファイルと基準音響プロファイルとの差が、ワークピース（Ｗ）の欠陥の存在を示す、実施態様２に記載の方法。
［実施態様５］
音響信号を測定しつつ、溶融池（５６）の位置をモニタリングする工程をさらに含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様６］
粉末材料塊に対して既知の位置に配置された２以上の離間した音響センサ（６８）によって、溶融池（５６）の位置をモニタリングする、実施態様５に記載の方法。
［実施態様７］
測定音響プロファイルの記録を保存する工程をさらに含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様８］
測定音響プロファイルに応じて、付加製造プロセスの少なくとも一態様を制御することをさらに含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様９］
制御する工程は、基準音響プロファイルから逸脱している音響信号プロファイルに応じて、個別の動作をすることを含む、実施態様８に記載の方法。
［実施態様１０］
個別の動作は、付加製造プロセスを停止させることである、実施態様９に記載の方法。
［実施態様１１］
ワークピース（Ｗ）を製作する方法であって、
粉末材料を堆積させてビルド表面（５４）を画成する工程と、
指向性エネルギー源（２４）からビルド用ビーム（Ｂ）を向けて、ビルド表面（５４）に溶融池（５６）を形成し、ワークピース（Ｗ）の断面層に対応するパターンで粉末材料を選択的に融合させる工程と、
溶融池（５６）によって発生した音響エネルギーを測定して、測定音響プロファイルを生成する工程とを含む方法。
［実施態様１２］
基準音響プロファイルと、測定音響プロファイルとを比較する工程をさらに含む、実施態様１１に記載の方法。
［実施態様１３］
基準音響プロファイルが、既知の良好なワークピースを表す、実施態様１２に記載の方法。
［実施態様１４］
測定音響プロファイルと基準音響プロファイルとの差が、ワークピース（Ｗ）の欠陥の存在を示す、実施態様１２に記載の方法。
［実施態様１５］
音響信号を測定しつつ、溶融池（５６）の位置をモニタリングする工程をさらに含む、実施態様１１に記載の方法。
［実施態様１６］
粉末材料塊に対して既知の位置に配置された２以上の離間した音響センサ（６８）によって、溶融池（５６）の位置をモニタリングする、実施態様１５に記載の方法。
［実施態様１７］
測定音響プロファイルの記録を保存する工程をさらに含む、実施態様１１に記載の方法。
［実施態様１８］
測定音響プロファイルに応じて、ワークピース（Ｗ）の製作方法の少なくとも一態様を制御する工程をさらに含む、実施態様１１に記載の方法。
［実施態様１９］
制御する工程は、基準音響プロファイルから逸脱している音響信号プロファイルに応じて、個別の動作をすることを含む、実施態様１８に記載の方法。
［実施態様２０］
個別の動作は、付加製造プロセスを停止させることである、実施態様１９に記載の方法。
［実施態様２１］
指向エネルギー源（２４）を用いて欠陥の上に溶融池（５６）を形成し、以前に融合した材料が欠陥に流れ込み、欠陥を充填することを可能にすることによって、欠陥を修復する工程をさらに含む、実施態様１４に記載の方法。
１０ 装置
１２ テーブル
１４ 粉末供給部
１６ リコータ／スクレーパ
１８ 容器
２０ 台
２２ チャンバ
２４ エネルギー源
２６ ステアリング装置
２８ 筐体
３０ 作業面
３２ チャンバ
３４ 供給開口部
３６ オーバーフロー開口部
３８ アクチュエータ
４０ 供給容器
４２ エレベータ
４４ アクチュエータ
４６ アクチュエータ
４８ 入口ポート
５０ 出口ポート
５２ 構築層
５４ ビルド表面
５６ 溶融池
５８ 垂直壁
６０ 垂直壁
６２ 水平壁
６４ キャビティ
６８ 音響センサ
７０ エアーマイクロホン
７２ ドロップアウト

Claims (6)

  1. 付加製造プロセスをモニタリングする方法であって、指向性エネルギー源（２４）を用いて、粉末材料塊の露出ビルド表面（５４）に溶融池（５６）を形成し、粉末材料を選択的に融合させてワークピース（Ｗ）を形成する方法であって、
    溶融池（５６）の形成によって発生した音響エネルギーを測定して、測定音響プロファイルを生成し、
    前記指向性エネルギー源（２４）によって生成されるビームを向けるために使用されるビームステアリング装置（２６）に提供されるステアリングコマンドに基づいて、音響信号を測定しつつ、溶融池（５６）の位置をモニタリングし、
    測定音響プロファイルに応じて、付加製造プロセスの少なくとも一態様を制御し、
    制御することが、基準音響プロファイルから逸脱している音響信号プロファイルに応じて、個別の動作をすることを含む、
    方法。
  2. 基準音響プロファイルと、測定音響プロファイルとを比較することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  3. 基準音響プロファイルが、既知の良好なワークピースを表す、請求項２に記載の方法。
  4. 測定音響プロファイルと基準音響プロファイルとの差が、ワークピース（Ｗ）の欠陥の存在を示す、請求項２に記載の方法。
  5. 測定音響プロファイルの記録を保存する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  6. 個別の動作が、付加製造プロセスを停止させることである、請求項１に記載の方法。
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