JP2005002472A - ラピッド・プロトタイピング機械、選択的レーザ焼結機械、およびジャストインタイムの在庫システム用の自動化された製造プロセスからの製造部品を改良するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ラピッド・プロトタイプ機械から製造される製造部品を改良するための方法。
【解決手段】 この方法は、製造部品および／または逐次改良される試験片を有する産出構成要素を製造する製造行程を生じるステップを含む。製造部品および／または逐次改良される試験片は、寸法特性および材料特性を含む入力データの集合と比較される。この比較により、入力データと産出構成要素との間の偏差を含む結果的なデータ集合が生じる。次に、ラピッド・プロトタイピング機械に対して製造パラメータが調整されて、入力データと産出構成要素との間の偏差を以前の製造行程よりも減じる。
【選択図】 図５

Description

発明の分野
この発明は一般に、ラピッド・プロトタイプ機械に関し、より特定的に、選択的レーザ焼結機械等を用いた製造行程（build run）の最適化に関する。

発明の背景
当該技術では、選択的レーザ焼結法（ＳＬＳ：selective laser sintering）等のラピッド・プロトタイピングの方法が周知であり、これまで「ラピッド・プロトタイプ」として公知の部品を製造するために用いられてきた。ラピッド・プロトタイプは、概念実証を行なうか、または妥当な形状および嵌合等の要件を実証するために用いられる部品である。選択的レーザ焼結プロセスは一般に、一度に一層ずつ与えられるレーザ可融性粉末から、層を成した部品を製造するステップを含む。この粉末は、レーザエネルギの適用によって融解または焼結し、このレーザエネルギは、部品の断面に対応する粉末の部分に方向付けられる。各層の粉末の焼結後に、粉末からなる次の層が塗布されて、部品の断面に対応する粉末の部分を焼結するプロセスが繰返され、その部品が完成するまで、次の層の焼結された部分が前の層の焼結された部分に融合する。したがって、選択的レーザ焼結法は、相対的に満足できる寸法精度で相対的に複雑な形状を有する部品を製造することと、蝋、プラスチック、金属、およびセラミック等の各種材料の使用とが可能である。

ＳＬＳ部品は一般に、ＣＡＤ（コンピュータ援用設計）モデルの製品原図から直接製造される。したがって、ラピッド・プロトタイプを製造するのに必要な時間は、金属薄板成型、機械加工、鋳型法、または当該技術で公知の他の方法等の従来の方法を用いるよりも著しく短い。さらに、選択的レーザ焼結法で現在使用されている粉材は、ラピッド・プロトタイプ用途の特性により、一般に、その機械的特性が相対的に劣っている。したがって、選択的レーザ焼結法を用いて形成された部品は、機械的特性が劣っているか、または一貫していない等のように性能が限られているため、生産設計内でまたは製造部品として一般に使用されない。

航空宇宙部品は、主として、相対的に小容積の部品の量が相対的に多いことに加えて動作環境の負荷および温度が極めて高いことにより、他の用途の部品に比べ相対的に厳密な設計要件を有する。たとえば、航空宇宙部品は、特に動作時の広い温度域、流体への曝露、圧力サイクル、長期にわたる疲れ荷重、およびバフェッティングの影響を一般に受けやすく、性能目標を満たすため、さらにできる限り軽量でなければならない。加えて、ＥＣＳ（環境制御システム）ダクト等の航空宇宙部品は一般に、他の部品および航空機のシステムを航空機内で引き回すために、相対的に複雑な形状を規定する。さらに、航空宇宙構造体は、整備および操縦からの衝撃荷重、ならびに軍用の航空宇宙構造体の場合、徹甲焼夷弾または高性能炸薬榴弾等の脅威からの衝撃荷重に耐える能力を有していなければならない。したがって、航空宇宙部品は、さまざまな動作環境に適応するように、したがって非航空宇宙部品の要件を上回る設計要件を有するように設計されなければならない。

航空宇宙産業は常に、概念から製造までのサイクルタイムを短縮する方法を模索している。費用または時間において認識される、サイクルタイムのラインに沿ったどのような節約も、この産業にとっては大きな節約となる。そのために、部品在庫の最適化、これらの部品在庫への接近可能性の最適化、および部品の需要に対する応答時間の最適化の領域で
、これまで膨大な調査が行なわれてきた。より具体的には、組立時点で利用可能な部品の量が極めて多ければ、機械工はありとあらゆる部品を自由に使用できる。しかしながら、必要とされる在庫部品は極めて高価であり、部品の保管、分類整理、迅速な取出しを行なうことにより無数の問題と膨大な費用とを生じる。その一方で、需要のある時点で必要なだけの部品をちょうど有していることが理想的であると考えられるが、実施困難であることと、大規模な統合化の問題とにより、このことはたいてい不可能である。したがって、航空宇宙産業は、常に利用可能な部品を有しながらも膨大な費用はかけないということに対する、このような競合する利益の均衡をはかり、膨大な在庫と、それを支援する基盤施設とを維持しようと努める。

発明の概要
この発明は、ラピッド・プロトタイプ機械から製造された製造部品を改良するための方法に関する。この方法は一般に、いくつかのステップを含む。まず、適切なラピッド・プロトタイピング機械に適切なラピッド・プロトタイピング材料が与えられる。ラピッド・プロトタイピング機械は、入力データの集合と情報集合とをさらに含む。入力データは、所望の寸法と所望の材料特性とを含む。情報集合は、部品ベッドおよび製造された部品の熱分析、ラピッド・プロトタイピング材料の材料特性、および／または製造パラメータを含み、これらはすべて、以前の製造行程、既知の値、および／または計算された値からのものである。第２のステップは、製造部品および／または逐次改良される試験片（iterative improvement specimen）を有する産出構成要素を製造する製造行程を生じることに関与する。第３に、産出された製造部品および／または逐次改良される試験片と入力データの集合とが比較される。この比較により、入力データと産出構成要素との間の偏差を含む結果的なデータ集合が生じる。第４に、情報集合は、以前の製造行程に比べ、入力データと産出構成要素との偏差を減じるように調整される。

ラピッド・プロトタイピング機械から製造される製造部品を改良するための方法であって、ラピッド・プロトタイピング機械は、ラピッド・プロトタイピング材料と、この材料に関連する入力データの集合と、製造部品の以前の製造行程に関与する製造因子に関係する情報を有する情報集合とを使用し、この方法は、
製造部品と、逐次改良される試験片と、それらの組合せとの少なくとも１つを含む産出構成要素を製造する製造行程を実行するステップと、
結果的なデータ集合を生じるために、産出構成要素と入力データの集合とを比較するステップとを含み、結果的なデータ集合は、入力データの集合と産出構成要素との間の偏差を含み、この方法はさらに、
結果的なデータ集合を情報集合に組込むステップと、
少なくとも１つの以前の製造行程に比べ、入力データの集合と産出構成要素との間の偏差を減じるために、情報集合を調整するステップとを含む。

好ましくは、比較するステップは、逐次改良される試験片に破壊試験を行なうステップを含む。

好ましくは、ラピッド・プロトタイピング機械は、選択的レーザ焼結機械を含む。

好ましくは、この方法は、部品ベッドにおいて、製造部品および逐次改良される試験片のための位置を割当てるステップをさらに含み、この位置は、少なくとも１つの以前の製造行程に比べ、偏差を減じるように最適化される。

好ましくは、逐次改良される試験片は、Ｚ−引張（Z-Tensile）アレイ、密度キューブ（density cube）、次元ピラミッド(dimensional pyramid)、曲げ試料、およびこれらの組合せのうちの１つを含む。

好ましくは、部品ベッドは、ラピッド・プロトタイプ材料と同じ材料で形成される。

好ましくは、製造パラメータは、ステージ高さ、左フィード距離、左フィードヒータの設定値、最小層時間（minimum layer time）、部品ヒータの設定値、部品ヒータの内／外比、右フィード距離、右フィードヒータの設定値、充填ビームのオフセットＸ、充填ビームのオフセットＹ、輪郭ビームのオフセットＸ、輪郭ビームのオフセットＹ、充填レーザ出力、輪郭レーザ出力、ソートされた充填最大飛び越し(sorted fill maximum jump)、およびこれらの組合せからなる群から選択される可変パラメータを含む。

好ましくは、部品ベッドの熱分析は、熱プロファイル試験、熱不透明度（thermal opacity）試験、およびそれらの組合せのうちの１つを含む。

好ましくは、この方法は、スケール因子を生成するステップをさらに含む。

選択的レーザ焼結機械から製造される航空宇宙の製造部品を改良するための方法であって、この方法は、
選択的レーザ焼結機械を提供するステップを含み、第１の行程は、製造部品および逐次改良される試験片を製造し、部品および試験片は焼結可能な材料で形成され、この方法はさらに、
製造情報を提供するステップと、
結果的なデータ集合を生じるステップとを含み、結果的なデータ集合は、入力データの集合と、関連付けられた出力結果の集合とを比較することから導出された偏差を含み、この方法はさらに、
少なくとも１つの以前の製造行程における、以前の結果的なデータ集合と比べ、入力データと関連付けられた出力結果との間の偏差を減じるように、製造情報を変更するステップとを含む。

好ましくは、選択的レーザ焼結機械は部品ベッドを有し、部品ベッドは、焼結可能な材料と同じ材料を一般に含む。

好ましくは、製造情報は、焼結可能な材料の材料特性、選択的レーザ焼結機械の製造パラメータ、熱分析、およびこれらの組合せのうちの１つを含む。

好ましくは、製造情報は、以前の製造行程、既知の値、計算された値、およびこれらの組合せの少なくとも１つのうちの１つから導出される。

好ましくは、逐次改良される試験片は、Ｚ−引張アレイ、密度キューブ、次元ピラミッド、曲げ試料、およびこれらの組合せのうちの１つである。

好ましくは、この方法は、スケール因子を生成するステップをさらに含む。

好ましくは、製造パラメータは、ステージ高さ、左フィード距離、左フィードヒータの設定値、最小層時間、部品ヒータの設定値、部品ヒータの内／外比、右フィード距離、右フィードヒータの設定値、充填ビームのオフセットＸ、充填ビームのオフセットＹ、輪郭ビームのオフセットＸ、輪郭ビームのオフセットＹ、充填レーザ出力、輪郭レーザ出力、ソートされた充填最大飛び越し、およびこれらの組合せからなる群から選択される可変パ
ラメータを含む。

好ましくは、部品ベッドの熱分析は、熱プロファイル試験、熱不透明度試験、およびそれらの組合せのうちの１つを含む。

ジャストインタイムの在庫システム用の自動化された製造プロセスからの製造部品を改良するための方法であって、この方法は、
製造部品と廃棄可能な部品とを有する産出構成要素を製造するステップと、
産出構成要素の検査と廃棄可能な部品の破壊試験とにより、産出構成要素と入力値とを比較するステップと、
入力値と産出構成要素との間の偏差を減じるために、自動化された製造プロセスを調節するステップとを含む。

廃棄可能な部品は、Ｚ−引張アレイ、密度キューブ、次元ピラミッド、曲げ試料、およびこれらの組合せのうちの１つである。

この方法は、製造部品に対する需要を受けるステップをさらに含み、この需要は、自動化された製造プロセスによって読み出し可能な構造を含む。

自動化された製造プロセスは、ステージ高さ、左フィード距離、左フィードヒータの設定値、最小層時間、部品ヒータの設定値、部品ヒータの内／外比、右フィード距離、右フィードヒータの設定値、充填ビームのオフセットＸ、輪郭ビームのオフセットＸ、輪郭ビームのオフセットＹ、充填ビームのオフセットＹ、充填レーザ出力、輪郭レーザ出力、ソートされた充填最大飛び越し、およびこれらの組合せからなる群から選択される可変パラメータを含む。

この発明の利用可能性のさらに別の領域が、以下に提示される詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明および特定の例が例示のためにだけ意図されており、この発明の範囲を限定するようには意図されていないことを理解されたい。

この発明は、詳細な説明、前掲の請求項、および添付の図面から、より十分に理解されるであろう。

この発明の他の特徴は、本願と同一の譲受人に譲渡されて同時係属中の「航空宇宙部品の直接製造（Direct Manufacture of Aerospace Parts）」と題された米国出願連続番号第１０／２０５，４５１号において論じられ主張されている。したがってこの米国出願は、この明細書において完全に明示されているかのように引用によって援用される。

好ましい実施例の詳細な説明
好ましい実施例の以下の説明は、本質的に単に例示であり、この発明、その用途、または使途を限定するようには意図されない。加えて、選択的レーザ焼結プロセスに加え、他のラピッド・プロトタイプ処理が当業者に周知であるため、この明細書では極めて詳細に説明しない。

図１を参照すると、この発明に従って少なくとも１つの航空宇宙部品を製造するプロセスが、参照番号１０で示されるフロー図の形で表わされる。示されるように、このプロセスは一般に、粉材を調製するステップ１２と、ステップ１４で粉材をレーザ焼結機械に装填するステップと、ステップ１６において粉材を予熱するステップと、ステップ１８において部品を製造するステップと、ステップ２０において部品を冷却するステップとを含む
。加えて、プロセス１０は、いくつかの製造パラメータおよび部品パラメータを含み、これらは「隠し」、「固定」、または「可変」のいずれかとして特徴付けられる。隠しパラメータおよび固定パラメータは、設備の製造業者によって一般に与えられ、レーザ焼結機械用のオペレーティングソフトウェアの一部でもある。好ましくは、この発明に従った部品を製造するために、カリフォルニア州ヴァレンシア（Valencia）の3D Systems（登録商標）製の２５００プラス・シンタリング・マシン（2500 Plus Sintering Machine）が用いられる。隠し変数および固定変数は、同時係属中であって本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願番号１０／２０５，４５１号におけるレーザ焼結機械（Laser Sintering Machine）のより多くの詳細と共に、より詳細に論じられている。この米国特許出願は、この明細書において完全に明示されるものとして引用によって援用される。

そのいくつかが表１に概略されている可変パラメータは、航空宇宙の構造およびシステムに直接適用可能な部品を製造するために、発明者による広範囲の調査および試験を経て開発されてきた。この発明に従って開発され、この発明のプロセス段階に適用可能な可変パラメータが、各プロセス段階に対し、表１において以下に列挙される。これらの変数は、個々の部品か、または入れ子状態の部品構造が作成された部品（すなわち２つ以上の部品）の両方に適用可能である。

さらに、表１で概略されている変数は、この発明のパラメータ最適化に寄与する変数の網羅的なリストではない。したがって、この最適化が必要とするのであれば、必要な目標を達成するために変数を作成、削除、または変更することができる。この発明は、表１に示された変数に加え、輪郭レーザ出力、輪郭レーザのオフセットＸ、および輪郭レーザのオフセットＹを含む。一般に、輪郭レーザまたはビームは、走査された層の外辺部を描いて部品の表面仕上げを改善するために用いられる。したがって、レーザビームを明確にして部品の層の輪郭を辿るように、輪郭変数および輪郭関数が設定される。充填レーザまたは充填ビームは輪郭レーザとは異なり、部品を塗り潰すように、輪郭に沿ってではなく前後にラスターするか、または放射される。レーザのオフセットは、部品の周辺部に沿ったＸディメンションまたはＹディメンションにおけるレーザの正確な位置の較正を含む。

好ましくは、この発明に従った部品を製造するために用いられる粉材は、添加材または充填材を含まないナイロン１１（Nylon 11）材料である。このようなナイロン材料から製造された航空宇宙部品は、約−６５°Ｆ〜約２１５°Ｆ（約−５３．９℃〜約１０１．７℃）の温度域内で作動可能である。当業者は、選択的レーザ焼結プロセスおよび他のラピッド・プロトタイププロセスにおいて、他の多くの材料を使用できることを容易に理解するであろう。このような候補となる他の材料には、金属粉末、プラスチック粉末、金属粉末とプラスチック粉末との混合物、およびセラミック粉末とプラスチック粉末との混合物が含まれるが、これらに限定されない。

選択的レーザ焼結プロセス
上で明示したように、少なくとも１つの航空宇宙部品を製造するプロセスは、一般に、
粉材を調製するステップと、この粉材をレーザ焼結機械に装填するステップと、機械のソフトウェアに製造パラメータおよび入れ子構成を入力するステップと、粉材を予熱するステップ（予熱段階）と、部品を製造するステップ（製造段階）と、部品を冷却するステップ（冷却段階）と、部品ベッドから部品を取外すステップとを含む。粉材を調製する前に焼結ベッドの熱特性試験が実施されて、焼結ベッドの表面全体の温度の均一性の特徴を明らかにすることが好ましい。このような熱特性試験の１つが熱プロファイル試験であり、複数の熱電対を備えたアルミニウムプレートが、１００℃以上の設定値で作動するフィードヒータとともに焼結ベッドまたは部品ベッドに配置される。したがって、アルミニウムプレート上の複数の位置から温度が監視および記録される。

この発明の好ましい実施例において、温度勾配は、好ましくは、部品ベッド全体にわたって摂氏約４度（華氏約７．２度）を超える分も異なっているべきではない。この発明の好ましい代替的なプロセスでは、アルミニウムのプレートの代わりに、焼結可能な材料で形成されて同じく複数の熱電対を含むプレートが用いられる。同一の焼結可能な材料で形成されたプレートを用いて、同一の熱プロファイル試験が行なわれる。

第２の熱特性試験は熱不透明度試験であり（時としてサームパット（thermpat）試験とも呼ばれる）、焼結可能な材料からなる約０．０５インチの厚さの層が、部品ベッドの表面全体の上で焼結される。したがって、熱不透明度試験は、焼結された層の不透明度を観察することにより、周囲領域よりも相対的に温かくなっている任意の局部を示す。したがって、航空宇宙部品を製造するために用いられる、考え得る焼結機械の各々に対し、熱プロファイル試験および熱不透明度試験の両方が実施される。

予熱段階
次に図２を参照すると、部品ベッド２２の好ましい構成が例示される。この発明のプロセスに従い、ローラによって粉末の層が最初に塗布されて、予熱ステージ２４が形成される。この予熱ステージ２４は、約０．５００インチ〜約０．８８５インチ（約１２．７ｍｍ〜約２２．４８ｍｍ）の粉末を含む。さらに、予熱温度に到達するまで温度を上昇させて、フィードヒータおよび部品ベッド２２の終点温度を製造段階の開始温度に設定する。

製造段階
製造段階の第１のステップは、レーザ再放射のシーケンスであり、その間に、焼結ベッドの表面全体の艶出しが行なわれ、レーザの再放射に対する緩衝層２６が形成される。一般に、緩衝層２６の目的は、再放射されたレーザが後の引張り試験用犠牲棒材（sacrificial tensile bar）２８の層に融合させないようにするための緩衝を設けることであり、この引張り試験用犠牲棒材２８は、緩衝層２６の後に形成される。引張り試験用棒材は、ＡＳＴＭ Ｄ６３８ タイプＩに従って製造されて部品製造後に試験され、航空宇宙部品に必要とされる物理的および機械的特性が検証される。

製造段階の次のステップは、約０．１００インチ（約２．５４ｍｍ）の、部品に入る前の層３０を形成する。部品に入る前の層３０は、実際の航空宇宙部品を焼結する前の緩衝として働く。次に、隠しパラメータ、固定パラメータ、および可変パラメータ、ならびに上で明示した可変パラメータに従い、部品製造領域３２内で製造部品の製造が行なわれる。

冷却段階
冷却段階は、部品構造体上に粉末からなる緩衝層を堆積することによって開始し、この緩衝層は熱キャップとして働く。冷却段階中に、製造チャンバ内の不活性雰囲気は、窒素パージによって約０．２％以下の容積酸素含有率に維持され続ける。次に、部品ベッドを約４０℃（約１０４°Ｆ）〜約４５℃（約１１３°Ｆ）まで冷却し、その後、焼結機械を
開いて部品ケーク（製造された部品および余分な粉材）を取り外す。

部品を製造するために使用される作業領域または構造の予想最大寸法は、かなり変化することが考えられるが、好ましい一実施例では、この発明の部品ベッド内において長さが約１３．５インチ（約３４２．９ｍｍ）、幅が約１１．５インチ（約２９２．９ｍｍ）、および高さが約１７インチ（約４３１．８ｍｍ）である。しかしながら、機械的結合またはボンディング等の方法を後で用いることにより、装置の寸法の制約を超えて部品を製造してもよい。

選択的レーザ焼結機械のパラメータの最適化
上で説明した例示的な選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）プロセスを用いて、このプロセスの最適化について論じる。この発明の好ましい実施例はＳＬＳ製造パラメータを最適化して、製造部品の結果的な寸法および材料特性と、最初の入力データとの間の偏差を減じる。当業者は、最適化が行なわれるプロセスが、任意の種類のラピッド・プロトタイピングプロセスに容易に適用され得ることを容易に認識するであろう。さらに、たとえばＳＬＳ製造パラメータは、他のＳＬＳ機械または他のラピッド・プロトタイピングプロセスに容易に適合させることができる。

製造パラメータの最適化は、入力値と出力値との間の偏差を減じる目的で実施される。「偏差」という用語は、上で述べた構造上の寸法からの偏差についてだけでなく、所望の材料特性からの偏差も指す。より具体的に、ＳＬＳ機械は、所望の入力寸法と所望の材料特性とを有する製造部品を製造する。しかしながら、ＳＬＳ機械は、所望の寸法および材料特性を常に達成できるわけではなく、このことから、次いで、入力された値または所望の値と、出力された値または結果的に得られた値との間に差または偏差を生じる。製造パラメータを最適化することは、出力された寸法および材料特性を所望の値に近づけることによってＳＬＳ機械の性能を大いに高め、最終的に所望の値からの偏差を減じる。

この発明の好ましい実施例において、上の表１でその概略を述べた変数は、以下のラピッド・プロトタイピング製造情報を評価および比較することにより、最適化ルーチンを介して調節される。すなわち、これらの変数は、部品ベッドの熱分析、材料特性および機械的特性、ラピッド・プロトタイピング材料の物理的および熱的特性、ならびに以前の製造行程からの経験的データを評価および比較することによって調節される。以前の製造行程からの経験的データは、所定の行程中に製造された製造部品および逐次改良される試験片の寸法評価から導出される。さらに別の経験的な証拠は、特に、逐次改良される試験片の破壊試験および他の機械的試験から導出され得る。

入力された値または所望の値と、出力された値または結果的に得られた値との間の寸法および材料特性を評価および比較した後に、ＳＬＳ機械が使用するラピッド・プロトタイピングの製造パラメータが比較され、パラメータおよびそれらに関連付けられた値のうちのどれが、製造部品および逐次改良される試験片において最良の結果を生じるかが調べられる。手動の操作および／または数学的な操作と比較とにより、上述の比較に基づいて製造パラメータが調節され、所望の入力寸法および材料特性からの、出力における偏差を減じる。新規に最適化されたパラメータおよび他のすべての情報は分類および格納され、その後、次のラピッド・プロトタイピングの製造行程に再び適用される。

図３を参照すると、この発明に従った製造部品の最適化のプロセスが、参照番号４０によって示されるフロー図の形で表わされる。示されるように、このプロセスは一般に、製造部品の構造を提供するステップ４２と、ステップ４４において構造体の構成を呈示するステップと、ステップ４６においてスライスを生成するステップと、ステップ４８においてパラメータの最適化を行なうステップとを含む。パラメータ最適化のステップ４８は、
ステップ５０のラピッド・プロトタイピングの製造情報と、ステップ５２からの熱分析と、ステップ５４から得られた材料特性とを組込む。ステップ５０のラピッド・プロトタイピングの製造情報は、ステップ４６のスライスの生成を組込む。両頭の矢印によって示されるように、情報およびプロセスは、ステップ４８のパラメータ最適化と、ステップ５０のラピッド・プロトタイプの製造情報と、ステップ５２の熱分析と、ステップ５４の材料特性と、ステップ４６のスライスとの間で前後して行き来し得る。

パラメータ最適化のステップ４８が完了した後に、プロセス４０は入れ子構造の製造のステップ５８に進む。入れ子構造の製造のステップ５８が完了した後に、プロセス４０は寸法試験および機械的試験のステップ６０に進む。寸法試験および機械的試験のステップ６０が完了すると、結果的に得られた構造がステップ５６で評価され、結果的に得られた構造が、ユーザによって概略されて製造部品の構造のステップ４２によって入力された要件（図示せず）を満たしているかどうかが判断される。これらの要件を満たしていないと、パラメータ最適化のステップ４８への戻りが生じ、このステップ４８は、次いで、パラメータを再び最適化した値を生じて所望の構造を得る。構造の要件を満たすことにより、プロセス４０は、製造行程中におよびステップ６０の寸法試験および機械的試験から導出された情報を、成功した行程として記録できる。その構造が、明示された要件を満たしているかどうかに関係なく、ステップ５０のラピッド・プロトタイプの製造情報、ステップ５２の熱分析、ステップ５４の材料特性、およびステップ４６のスライスは保存され、成功した行程または成功しなかった行程として明記されて、パラメータの最適化を改善する。

製造部品の構造のステップ４２は、コンピュータ援用製図（ＣＡＤ）ファイル、直接的なユーザ入力、またはコンピュータによって運用される他のソフトウェアシステム、たとえばI-DEAS（登録商標）、Pro-Engineer（登録商標）、Auto-CAD（登録商標）から変換された構造等の多くの形をとり得る。当業者は、この製造部品の構造が多くの形を取り得て、多くの形からさらに変換されて多くのラピッド・プロトタイピング機械で用いられ得ることを容易に認識するであろう。この発明の好ましい実施例において、選択的レーザ焼結機械は、製造部品の構造を提供するステップ４２において、ＣＡＤファイルの形の構造を受取る。

構造体の構成を呈示するステップ４４は、製造部品の構造のステップ４２から、ラピッド・プロトタイピング機械が使用する読出可能なフォーマットへの変換を含む。この発明の好ましい実施例において、選択的レーザ焼結機械、すなわち上述の、3D Systems（登録商標）製の２５００プラス・シンタリング・マシンが使用される。そのために、3D Systems（登録商標）は、3D Systems（登録商標）の焼結ステーション機械と共に用いるのに適したソフトウェアパッケージを提供する。このソフトウェアパッケージは、製造部品の構造のステップ４２を、焼結機械に有用なフォーマットに変換する。当業者は、異なる機械を用いることにより、製造部品の構造を、その特定のラピッド・プロトタイピング機械が使用可能なフォーマットへと別個に変換しなければならないことを容易に認識するであろう。このことに留意して、当業者は、この発明と共に用いるために、他の選択的レーザ焼結機械またはラピッド・プロトタイピング機械を容易に代用することができる。したがって、たとえば、透視サプライヤによって供給された異なる変換パッケージが、構造体の構成を呈示するステップ４４と共に用いられる。

スライスを生成するステップ４６は、必要とされる材料のフィード高さ、体積、および質量、ならびにレーザの熱投入量を層ごとに計算するプロセスを含む。この発明の好ましい実施例において、選択的レーザ焼結機械が用いられる。焼結プロセスの要件は、焼結機械によって製造されている部品の、水平方向の複数の断面のスライスを形成することである。したがって、スライスを生成するステップ４６は、ステップ５８における入れ子構造
の製造と、ステップ４８におけるパラメータの最適化とを容易にする。これらのステップの両方を、より詳細に以下に論じる。

パラメータ最適化のステップ４８は、選択的レーザ焼結プロセスで用いられるすべての変数および値の分析を含む。したがって、ラピッド・プロトタイピングの製造情報５０、熱分析５２、および材料特性５４が分析されて、以前の製造行程が成功したかどうかに関係なく、以前の製造行程に比べ、改良された製造部品が製造される。上述の値の手動操作および／または数学的な操作と比較とによりパラメータが調節されて、所望の入力された寸法および材料特性からの、出力における偏差を減じる。

パラメータ最適化のステップ４８は、スケール因子の生成をさらに含む。このスケール因子は、製造部品の構造４２からの所望の入力寸法および最適化されたパラメータ４８を含み、この最適化されたパラメータ４８は、ラピッド・プロトタイピングの製造情報５０および材料特性５４をさらに含む。この情報により、適用時に製造部品の構造４２からの入力寸法に対する乗数として働くスケール因子が生成される。スケール因子を適用することにより、最終的に、製造部品の構造４２の入力寸法の調節または調整が生じ、これにより次いで、所望の出力寸法を有する製造構成要素が製造される。スケール因子が導出されるプロセスを、以下により詳細に論じる。しかしながら、スケール因子は、以下に論じる逐次改良される試験片、または製造行程中に製造された他の部材、部品、または材料のさまざまな形を用いた分析から導出することができる。

入れ子構造５８の製造は、選択的レーザ焼結機械の製造行程を含む。この製造行程において、焼結機械は、特に製造部品と逐次改良される試験片とを製造する。逐次改良される試験片は、製造部品とともに製造されるか、または製造部品の「入れ子に」され、焼結可能な同一の材料で形成される。

図４の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）を参照し、引続き図３のフロー図を参照すると、簡略化された例示的な焼結プロセスが、参照番号７０によって包括的に表わされていることが示される。このプロセスは、スライスを生成するステップ４６および入れ子構造の製造５８において行なわれる動作（すなわちステップ）のさらに別の詳細を提供する。図４の（ａ）では、粉末ローラ７２が、部分的に形成された製造部品７６上に焼結可能な材料７４を塗布していることを示す。図３におけるスライスを生成するステップ４６は、粉末ローラ７２によって供給される体積および質量を制限することによる、焼結可能な材料７４が塗布されるべき量の調節に寄与する。

図４の（ｂ）において、粉末ローラ７２は、焼結機械７８の一方側において静止している。焼結機械７８のレーザ８０が１組の光学機械８２を介して放射され、この光学機械８２の組は、レーザを製造部品７６に方向付ける。ここで、レーザ８０は焼結可能な材料７４上に方向付けられており、次いで、この材料を焼結して、製造部品７６の次の水平方向の断面層を生成する。また、図４の（ｂ）に示されるように、粉末ローラ７２は、製造部品７６上に、そして最終的には部品ベッド８４上に、焼結可能な材料７４の新規の層を塗布する。図４の（ｃ）に示されるように、焼結可能な材料７４上へのレーザ８０の放射が完了した後、製造部品７６上には新規に焼結された堅固な面が生じている。

製造部品７６上の新規に焼結された水平方向の面により、部品ベッド８４は予め定められた距離だけ下がる。図３に示される、スライスを生成するステップ４６は、製造部品７６上で新規の水平方向の断面層の各々が焼結された後に部品ベッド８４が下がる距離を調節する。部品ベッド８４が下がってから、粉末ローラ７２が製造部品７６および部品ベッド８４上を再び通過して、予め定められた量の焼結可能な材料７４を供給し、したがって、製造部品７６の次の新規の水平方向の断面スライスを生成する。焼結プロセス７０を繰
返すことにより、焼結されて完全な製造部品となる、水平方向の複数のスライスが生じる。

図４の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、部分的に完成した、簡略化された製造部品７６を示す。プロセス７０の繰返しと、第１のステップ５８とにより、最終的に入れ子構造が生じ、この入れ子構造は、製造部品と逐次改良される試験片とを含む。入れ子構造を製造するステップ５８の例示的な最終結果が図５に示され、ここで、完成した例示的な入れ子構造は、製造部品と逐次改良される試験片とを含み、１つの製造行程で製造されて、参照番号９０によって包括的に示される。この例示的な入れ子構造９０は、犠牲層９２、製造部品９４、および逐次改良される試験片９６とを含み、すべてが部品ベッド９８内に含まれる。例示的な入れ子状態の部品の構造体９０の構成要素のすべては、同一のラピッド・プロトタイピング材料から成る。犠牲層９２は、上述のようにＡＳＴＭ Ｄ６３８ タイプＩに従って製造された引張り試験用棒材を含む。これらの引張り試験用棒材を製造行程後に試験して、必要な物理的および機械的特性を検証する。犠牲層９２の引張り試験用棒材と同様に、逐次改良される試験片９６が、この発明に従い、製造部品９４によって占められていない複数の位置に製造される。

この発明の好ましい実施例において、逐次改良される試験片９６は、Ｚ−引張アレイである。代替的に、この発明において、逐次改良される試験片９６は、密度キューブ、次元ピラミッド、曲げ試料であってよく、または、質的な分析に加えて寸法上、材料上、または機械的な量の測定を当業者が行なうことを可能にするような、任意の逐次改良される試験片であってよい。

逐次改良される試験片９６は、ラピッド・プロトタイピング機械の部品ベッドのどこにでも、任意の配向で製造することができる。Ｚ−引張アレイは、平坦なまたは円筒状のダンベル形であり、ラピッド・プロトタイピング機械の部品内および部品間において、任意の寸法または位置で製造され得る。Ｚ−引張アレイの最終的な寸法は部品ベッド８４の大きさによって制限されるが、Ｚ−引張アレイは任意の寸法を取り得る。寸法試験および機械的試験のステップ６０は、Ｚ−引張アレイの目視検査および寸法検査を含み、出力寸法を求める。さらに、機械的試験および他の形態、ならびにＺ−引張アレイの機械的な操作から導出された材料特性もまた、ステップ６０で求められる。上述の検査および試験の結果は、ステップ５４において材料特性データとして記録される。

この発明の好ましい代替的な実施例において、Ｚ−引張アレイは、ラピッド・プロトタイピング機械の部品ベッドのほぼ全体を占め得る。図３および図６を参照すると、ラピッド・プロトタイピング機械の部品ベッドの代替的な構成が、参照番号１００によって示される。構成１００には、部品ベッド１０２と複数の引張アレイ１０４とが存在する。複数のＺ−引張アレイ１０４は、部品ベッド１０２のほぼ全体を占める。この構成において、入れ子構造の製造５８は、複数のＺ−引張アレイ１０４しか製造しない。複数のＺ−引張アレイ１０４しか製造しないことにより、部品ベッドの全体から製造された部品に対して寸法試験および機械的試験６０を行なうことができる。部品ベッドの全体にわたるすべての部品を試験することにより、より完全なデータ集合が提供され、このデータ集合は、次いで、ステップ５４（図３）において材料特性に組込まれ、最終的にパラメータ最適化のステップ４８で用いられる。

この発明の好ましい代替的な実施例に従って作成される密度キューブは、方形または矩形であり、または、ステップ５８（図３）と関連付けて説明した入れ子構造の製造中に製造される他の任意の適切かつ単純な形状のキューブである。当業者に公知のプロセスにより密度キューブを分析して、密度キューブの密度を求める。特定の寸法は必要ではないが、密度キューブの密度を求めるために、製造されたキューブの正確な寸法が必要とされる
。

この発明の好ましい代替的な実施例に従って作成される次元ピラミッドは、４面のすべてに階段または上昇段の外観を有するピラミッド形の部品である。特定の寸法は必要ではないが、選択されたラピッド・プロトタイピングプロセスと、プロセス４０に従って形成された製造部品を最適化するプロセスとの性能を求めるために、製造された次元ピラミッドの正確な寸法が用いられる。

この発明の好ましい代替的な実施例に従って作成される曲げ試料は、ほぼ一様な寸法を有する棒形の部品である。部品ベッド８４の寸法によって制限される場合を除き、特定の長さまたは直径は必要とされない。なぜなら、曲げ試験片が、特に可撓性と伸びとを評価するために用いられるためである。測定された、曲げ試験片を伸ばす能力と、測定された質量とを用いて、プロセス４０において明示したように、選択されたラピッド・プロトタイピングのプロセスと製造部品を最適化するプロセスとの性能を求める。

上述の例示的な、逐次改良される試験片は、この発明で使用され得る可能性の網羅的なリストではないことが容易に認識されるであろう。したがって、ラピッド・プロトタイピング機械において製造部品と共に製造されて、所望の寸法および／または材料特性を達成しているかどうかをさらに評価するために用いられ得るようなどのような部材も、逐次改良される試験片の範囲内に十分収まる。さらに、このような任意の逐次改良される試験片は、別のものを除外してまで使用される必要はない。図３のステップ５８で明示された入れ子構造において、逐次改良される試験片の一部もしくはすべて、またはそれらの組合せを使用することができる。さらに、特定の種類の構造または部品についての部品の構造および複雑さを模擬する、代替的な逐次改良される試験片を用いてもよい。このような例示的かつ代替的な逐次改良される試験片の１つが、所望の部品と同様の断面を有する管であり得、この管は、特定の部品と比較される際に、部品ベッドにおいて同様の三次元上の位置および配向で配置され得る。

上述の部品ベッドの熱分析により、ラピッド・プロトタイピング機械の部品ベッドの熱マップが提供される。部品ベッドの熱分析は、部品ベッド内の熱勾配を検出するために行なわれる。上述のように、熱電対が備え付けられたアルミニウムプレートまたは焼結材料のプレートを用いて、部品ベッドが温められている間に熱勾配を検出する。また上述のように、熱不透明度試験も用いることができる。

この発明の好ましい実施例において、熱分析は事前または事後に行なわれる。当業者は、この熱分析が、製造行程前または製造行程後に行なわれ得るか、または、製造行程中に行なわれるように適合され得ることを容易に認識するであろう。また、ラピッド・プロトタイプ機械の部品ベッドの全体にわたり、完全に一様な温度プロファイルを得ることが実質的に不可能であることも容易に認識されるであろう。この限界に留意することにより、熱分析は、特徴を明示されていない温度勾配を有する典型的なＳＬＳの構造体と比べ、機械の運転者に対して部品ベッドの既知の熱い領域および冷たい領域を教えるだけでなく、上述の熱い領域および冷たい領域に対処するように他のラピッド・プロトタイピングパラメータを最適化して、より頑丈な部品を得ることを実際に可能にする。

上述の熱分析および他の最適化された製造パラメータにより、ラピッド・プロトタイピング機械の部品ベッド内における製造部品の配置を最適化することができる。より具体的に、図３および図５を参照すると、図３のステップ５８において説明された入れ子構造の製造のステップにより、製造部品９４と逐次改良される試験片９６とが製造される。ステップ６０における寸法試験および機械的試験により、特に、入力寸法と出力寸法との間の偏差が生じる。パラメータの最適化４８は、特に、寸法試験および機械的試験６０によっ
て生じた偏差を考慮する。さらに、パラメータ最適化のステップ４８は、ステップ５２で示された熱分析を考慮する。上述の情報により、入力寸法と出力寸法との間の偏差が、部品ベッド９８の三次元空間内において一定ではないことが明らかになる。たとえば、ステップ５２（図３）における熱分析において、部品ベッド９８の壁または任意の冷たい地点付近の偏差は、部品ベッド９８内の中央位置に比べて一段と大きな偏差を生じ得る。そのため、パラメータの最適化４８は、ラピッド・プロトタイピング機械の部品ベッド９８の三次元空間内における最適化された構成を含む。最適化された構成は、特に、ともすれば部品ベッド９８内の三次元位置と整合し得る、入力寸法と出力寸法との間の一層大きな偏差または一層小さな偏差に留意することができる。

この発明の選択的レーザ焼結材料の材料特性は、一般に材料情報と機械的特性とを含む。材料情報は、既知の値、経験的に導出された値、および計算された値から導出される。材料の既知の値、たとえば融点、密度、および引張応力は当該技術において周知であり、または、周知の基準材料から容易に得られる。

選択された焼結可能な材料についての既知の値は、既知の基準材料から容易に得ることができる。この発明の最適化プロセスはさらに、さらなる経験的な結果を導出し、経験的な結果と既知の結果とを比較する。図３を参照すると、寸法試験および機械的試験のステップ６０は、製造部品と逐次改良される試験片との分析を含む。この分析は、製造部品と逐次改良される試験片との目視検査および寸法検査を伴い、製造部品の構造４２から、それらの寸法と最終的な偏差とを求める。さらに別の分析は破壊試験を含み、この試験は、機械的試験、手動操作等のさまざまな形態を伴う。機械的試験によって得られる材料特性の値には、引張応力、最終的な引張応力、伸び、弾性率、および密度が含まれるが、これらに限定されない。

上述の材料特性は、既知の値と比較され、以前の製造行程中に得られた以前の材料特性と比較され、最終的に、所望の材料特性を含む製造部品の構造４２と比較される。既知の値および／または経験的な値を用いた数学的演算等により、計算された値がさらに得られる。製造部品の構造４２における必須の材料特性からの相対偏差をパラメータ最適化のステップ４８において分析し、以降の製造行程における製造部品の品質を高める。

この発明の最適化プロセスにより、以前のラピッド・プロトタイピング機械およびプロセスから製造された部品よりもはるかに優れた製造部品が製造される。さらに、多くのラピッド・プロトタイピング機械を用いて、大量の製造部品を製造することができる。加えて、多くのラピッド・プロトタイピング機械およびこの発明の最適化プロセスは、ジャストインタイムの在庫システムに含まれ得る。たとえば図３を参照すると、ジャストインタイムの在庫システムでの或る部品に対する需要は、製造部品の構造４２によって対処される。入れ子構造の製造により、必要な部品が最終的に製造され、その部品は組立プロセスにおいて予め定められた地点に運ばれる。上述のプロセスを実施することにより、現場での在庫を減らすことができる。なぜなら、この発明に従った、製造部品を最適化するプロセス４０から、製造部品を容易に入手できるためである。

この発明の説明は本質的に単に例示であるため、この発明の骨子から逸脱しない変形は、この発明の範囲内にあるものと意図される。このような変形は、この発明の精神および範囲からの逸脱と捉えられるべきではない。

この発明の教示内容に従った選択的レーザ焼結プロセスを例示するフロー図である。 この発明の教示内容に従った部品ベッドの構成の図である。 この発明の教示内容に従った最適化プロセスを例示するフロー図である。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、例示的な製造行程中における選択的レーザ焼結プロセスの簡略図である。 この発明の教示内容に従った製造部品および逐次改良される試験片を示す典型的な部品ベッドの斜視図である。 この発明の好ましい代替的な実施例の教示内容に従ったＺ−引張アレイを示す、ラピッド・プロトタイピング機械の例示的な部品ベッドの斜視図である。

符号の説明

９０ 入れ子構造、９２ 犠牲層、９４ 製造部品、９６ 逐次改良される試験片、９８ 部品ベッド。

Claims (21)

1. ラピッド・プロトタイピング機械から製造される製造部品を改良するための方法であって、前記ラピッド・プロトタイピング機械は、ラピッド・プロトタイピング材料と、前記材料に関連する入力データの集合と、製造部品の以前の製造行程に関与する製造因子に関係する情報を有する情報集合とを使用し、この方法は、
   製造部品と、逐次改良される試験片と、それらの組合せとの少なくとも１つを含む産出構成要素を製造する製造行程を実行するステップと、
   結果的なデータ集合を生じるために、前記産出構成要素と前記入力データの集合とを比較するステップとを含み、前記結果的なデータ集合は、前記入力データの集合と前記産出構成要素との間の偏差を含み、前記方法はさらに、
   前記結果的なデータ集合を前記情報集合に組込むステップと、
   少なくとも１つの以前の製造行程に比べ、前記入力データの集合と前記産出構成要素との間の前記偏差を減じるために、前記情報集合を調整するステップとを含む、方法。
2. 比較する前記ステップは、前記逐次改良される試験片に破壊試験を行なうステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記ラピッド・プロトタイピング機械は、選択的レーザ焼結機械を含む、請求項１に記載の方法。
4. 部品ベッドにおいて、前記製造部品および前記逐次改良される試験片のための位置を割当てるステップをさらに含み、前記位置は、前記少なくとも１つの以前の製造行程に比べ、前記偏差を減じるように最適化される、請求項１に記載の方法。
5. 前記逐次改良される試験片は、Ｚ−引張アレイ、密度キューブ、次元ピラミッド、曲げ試料、およびこれらの組合せのうちの１つを含む、請求項１に記載の方法。
6. 部品ベッドは、前記ラピッド・プロトタイプ材料と同じ材料で形成される、請求項１に記載の方法。
7. 前記製造パラメータは、ステージ高さ、左フィード距離、左フィードヒータの設定値、最小層時間、部品ヒータの設定値、部品ヒータの内／外比、右フィード距離、右フィードヒータの設定値、充填ビームのオフセットＸ、充填ビームのオフセットＹ、輪郭ビームのオフセットＸ、輪郭ビームのオフセットＹ、充填レーザ出力、輪郭レーザ出力、ソートされた充填最大飛び越し、およびこれらの組合せからなる群から選択される可変パラメータを含む、請求項１に記載の方法。
8. 部品ベッドの熱分析は、熱プロファイル試験、熱不透明度試験、およびそれらの組合せのうちの１つを含む、請求項１に記載の方法。
9. スケール因子を生成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
10. 選択的レーザ焼結機械から製造される航空宇宙の製造部品を改良するための方法であって、
    選択的レーザ焼結機械を提供するステップを含み、第１の行程は、製造部品および逐次改良される試験片を製造し、前記部品および前記試験片は焼結可能な材料で形成され、前記方法はさらに、
    製造情報を提供するステップと、
    結果的なデータ集合を生じるステップとを含み、前記結果的なデータ集合は、入力デー
    タの集合と、関連付けられた出力結果の集合とを比較することから導出された偏差を含み、前記方法はさらに、
    前記少なくとも１つの以前の製造行程における、以前の結果的なデータ集合と比べ、前記入力データと前記関連付けられた出力結果との間の前記偏差を減じるように、前記製造情報を変更するステップとを含む、方法。
11. 前記選択的レーザ焼結機械は部品ベッドを有し、前記部品ベッドは、前記焼結可能な材料と同じ材料を一般に含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記製造情報は、前記焼結可能な材料の材料特性、前記選択的レーザ焼結機械の製造パラメータ、熱分析、およびこれらの組合せのうちの１つを含む、請求項１０に記載の方法。
13. 前記製造情報は、以前の製造行程、既知の値、計算された値、およびこれらの組合せの少なくとも１つのうちの１つから導出される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記逐次改良される試験片は、Ｚ−引張アレイ、密度キューブ、次元ピラミッド、曲げ試料、およびこれらの組合せのうちの１つである、請求項１０に記載の方法。
15. スケール因子を生成するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
16. 前記製造パラメータは、ステージ高さ、左フィード距離、左フィードヒータの設定値、最小層時間、部品ヒータの設定値、部品ヒータの内／外比、右フィード距離、右フィードヒータの設定値、充填ビームのオフセットＸ、充填ビームのオフセットＹ、輪郭ビームのオフセットＸ、輪郭ビームのオフセットＹ、充填レーザ出力、輪郭レーザ出力、ソートされた充填最大飛び越し、およびこれらの組合せからなる群から選択される可変パラメータを含む、請求項１２に記載の方法。
17. 部品ベッドの前記熱分析は、熱プロファイル試験、熱不透明度試験、およびそれらの組合せのうちの１つを含む、請求項１２に記載の方法。
18. ジャストインタイムの在庫システム用の自動化された製造プロセスからの製造部品を改良するための方法であって、
    製造部品と廃棄可能な部品とを有する産出構成要素を製造するステップと、
    前記産出構成要素の検査と前記廃棄可能な部品の破壊試験とにより、前記産出構成要素と入力値とを比較するステップと、
    入力値と産出構成要素との間の偏差を減じるために、前記自動化された製造プロセスを調節するステップとを含む、方法。
19. 前記廃棄可能な部品は、Ｚ−引張アレイ、密度キューブ、次元ピラミッド、曲げ試料、およびこれらの組合せのうちの１つである、請求項１８に記載の方法。
20. 前記製造部品に対する需要を受けるステップをさらに含み、前記需要は、自動化された製造プロセスによって読み出し可能な構造を含む、請求項１８に記載の方法。
21. 前記自動化された製造プロセスは、ステージ高さ、左フィード距離、左フィードヒータの設定値、最小層時間、部品ヒータの設定値、部品ヒータの内／外比、右フィード距離、右フィードヒータの設定値、充填ビームのオフセットＸ、輪郭ビームのオフセットＸ、輪郭ビームのオフセットＹ、充填ビームのオフセットＹ、充填レーザ出力、輪郭レーザ出力、ソートされた充填最大飛び越し、およびこれらの組合せからなる群から選択される可変
    パラメータを含む、請求項１８に記載の方法。

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