JP2016540109A - アディティブマニュファクチャリング装置および方法 - Google Patents

Abstract

粉末材料の層方向の固化によってオブジェクトをビルドするためのレーザー固化装置である。装置は、ビルドプラットフォーム（１０２）を含有するビルドチャンバー（１１６）と、粉末材料の層（１０４）をビルドプラットフォーム（１０２）の上に堆積させるためのデバイスと、それぞれの粉末層の領域を選択的に固化させるためにレーザービームを方向付けするための光学ユニット（１０６）と、レーザービームによる粉末の固化の間に形成されるプラズマによって放射される特性放射線を検出するためのスペクトロメーター（１７２）とを備える。金属とレーザービーム又はさらなるレーザービームとの相互作用によって発生した特徴放射線を検出するためのスペクトロメーターが開示される。スペクトロメーターを使用して記録されたスペクトラは、個かプロセス中にフィードバック制御に使用され得る。

Description

本発明は、アディティブマニュファクチャリング装置および方法に関し、また、その適用に限定されないが、特に、選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）または選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）などのような、選択的なレーザー固化プロセスの監視およびインプロセス制御を提供することに関する。

オブジェクトを作り出すためのアディティブマニュファクチャリングまたはラピッドプロトタイピング方法は、レーザービームなどのような高エネルギービームを使用した、金属粉末材料などのような材料の層ごとの固化を含む。粉末層は、ビルドチャンバーの中の粉末ベッドの上に堆積させられ、レーザービームは、構築されているオブジェクトの断面に対応する粉末層の一部分にわたってスキャンされる。レーザービームは、粉末を溶融または焼結させ、固化された層を形成する。層の選択的な固化の後に、粉末ベッドは、新しく固化された層の厚さだけ低下させられ、粉末のさらなる層が、表面を覆って広げられ、必要に応じて固化される。

監視されるパラメーターに応答して選択的なレーザー粉末プロセスを監視および制御することが知られている。たとえば、特許文献１は、レーザービームを送達するために使用される光学トレインのエレメントを使用して、粉末ベッドから反射されるレーザー光を収集するための装置を開示している。レーザーは、粉末ベッドへ送達され、粉末ベッドによって反射された放射線は、可動ミラーおよびｆ−θレンズの対を備えるスキャニング光学系によって収集される。半反射ミラーが、スキャニング光学系に向けてレーザー光を反射させるが、反射された放射線が、それを通過してカメラおよび光検出器に至ることを可能にする。同様のシステムが特許文献２に開示されているが、ビームスプリッターは、スキャニングミラーとレーザー光を焦点調整するためのレンズとの間に設けられている。

特許文献３は、ダイレクトレーザー堆積の中でのラマンスペクトロスコピーの使用を開示しており、それは、有機成分および／またはセラミック成分に関する分析を可能にする。特許文献４は、強力なラマン散乱体製品の層を適用するためのデバイスと、材料を溶融させるために使用されるレーザーが領域に適用されている間に材料のその領域から散乱される光の周波数を監視するためのラマンスペクトロメーターデバイスとを開示している。しかし、そのような金属層は、ラマンスペクトルを作り出さないので、そのような技法は、金属粉末層に対処しない。ラマンスペクトロスコピーは、サンプルからの光の散乱に依存する。

国際公開第２００７／１４７２２１号パンフレット 国際公開第９５／１１１００号パンフレット 米国特許出願公開第２００７／０１７６３１２Ａ１号明細書 国際公開第２００９／１１２７９９Ａ２号パンフレット 国際公開第２０１０／００７３９６号パンフレット 米国特許出願公開第２００４／００９４７２８号明細書 米国特許出願公開第２０１３／０１１２６７２号明細書

本発明の第１の態様によれば、粉末材料の層方向の固化によってオブジェクトをビルドするためのレーザー固化装置であって、装置は、ビルドプラットフォームを含有するビルドチャンバーと、粉末材料の層をビルドプラットフォームの上に堆積させるためのデバイスと、それぞれの粉末層の領域を選択的に固化させるためにレーザービームを方向付けするための光学ユニットと、レーザービームによる粉末の固化の間に形成されるプラズマによって放射される特性放射線を検出するためのスペクトロメーターとを備える、レーザー固化装置が提供される。

装置は、固化の間に検出されるスペクトルから、層の中の材料の特性を決定するために使用され得る。特に、固化されている材料が、金属などのような、任意のまたは強力なラマンスペクトルを発生させないものであるときに、そのような装置が、固化プロセスの特性を決定するためにとりわけ有用である可能性がある。これらの特性は、装置を使用してビルドされるオブジェクトを検証するために、および／または、インプロセス制御を提供するために使用され得る。

本発明の第２の態様によれば、金属粉末の層方向の固化によってオブジェクトをビルドするためのレーザー固化装置であって、装置は、ビルドプラットフォームを含有するビルドチャンバーと、金属粉末の層をビルドプラットフォームの上に堆積させるためのデバイスと、それぞれの金属粉末層の領域を選択的に固化させるためにレーザービームを方向付けするための光学ユニットと、レーザービームまたはさらなるレーザービームと金属との相互作用によって発生させられる特性放射線を検出するスペクトロメーターとを備える、レーザー固化装置が提供される。

スペクトロメーターは、固化の間に、たとえば、材料が溶融されるときに、材料によって放射される１つのスペクトル／複数のスペクトルを検出するために配置され得る。放射は、材料を溶融させるレーザーへの材料の露出を通して刺激を与えられ得る。このように、レーザーを使用して発生させられる溶融プールなどのような、固化プロセスに関する情報を、検出されたスペクトルから決定できる可能性がある。たとえば、レーザーによって発生させられる溶融プールの温度、直径、および／または深さに関する情報を、１つのスペクトル／複数のスペクトルから決定できる可能性がある。また、溶融プールの中の材料の化学組成を決定できる可能性もある。とりわけ、粉末材料が異なる材料の混合物である場合には、異なる材料の異なる特性が、たとえば、異なる溶融温度に起因して、粉末材料の中に含有されるものとは異なる量のそれぞれの材料を含有する溶融プールを結果として生じさせ得る。プラズマの温度などのような、プラズマの特性を決定できる可能性がある。プラズマの温度は、固化プロセスが所望の通りに進んでいるかどうかということを示し得る。

スペクトロメーターは、レーザーによって溶融プールを生成させることによって発生させられる特性放射線を検出するためのものであり得る（いわゆるレーザー誘起プラズマスペクトロスコピー）。特性放射線は、溶融プールから放射されるプラズマによって放射される放射線であり得る。

装置は、検出される１つのスペクトル／検出される複数のスペクトルに基づいて、光学ユニットおよび／またはレーザーを制御するための制御ユニットを備え得る。制御ユニットは、検出される１つのスペクトル／検出される複数のスペクトルに基づいて、ポイント距離、露出時間、スキャン速度、ハッチスペーシング、レーザーパワー、および、レーザーの焦点調整を変更するように配置され得る。

装置は、それぞれの層の上の異なる場所に関して検出されるスペクトルのログを保存するための検証ユニットを備え得る。

スペクトロメーターは、光学ユニットによって収集される特性放射線を検出するために配置されている。光学ユニットは、粉末層の上の所望のポイントへレーザービームを操縦するための光学スキャナーを備え得、スペクトロメーターは、光学スキャナーを通して収集される特性放射線を検出するように配置されている。光学スキャナーは、レーザービームを粉末層の上に焦点調整するための可動式焦点調整光学系を備え得、スペクトロメーターは、焦点調整光学系を通して収集される特性放射線を検出するように配置されている。光学スキャナーによって収集される特性放射線がレーザービームと共有される経路に沿って進行するように、光学スキャナーは配置され得、また、光学スキャナーは、レーザービームおよび放射線の光学経路を分割するためのビームスプリッターを備え、スペクトロメーターの検出器の上に放射線を方向付けする。ビームスプリッターは、レーザービームの進行の方向に対して、レーザービームを操縦するための操縦可能な光学系、および、レーザービームを焦点調整するための可動式焦点調整光学系の上流に位置付けされ得る。ビームスプリッターは、レーザービームを反射し、特性放射線を伝送するように配置され得る。

本発明の第３の態様によれば、粉末材料の層方向の固化によってオブジェクトをビルドするためのレーザー固化装置であって、装置は、ビルドプラットフォームを含有するビルドチャンバーと、粉末材料の層をビルドプラットフォームの上に堆積させるためのデバイスと、それぞれの粉末層の領域を選択的に固化させるためにレーザービームを方向付けするための光学ユニットと、光学ユニットによって収集されるレーザービームまたはさらなるレーザービームと層の中の材料との相互作用によって発生させられる特性放射線を検出するために配置されているスペクトロメーターとを備える、レーザー固化装置が提供される。

本発明の第４の態様によれば、選択的なレーザー固化装置の中の粉末層の領域を選択的に固化させるためにレーザービームを方向付けするための光学ユニットであって、光学ユニットは、光学ユニットによって収集されるレーザービームまたはさらなるレーザービームと層の中の材料との相互作用によって発生させられる特性放射線を検出するために配置されているスペクトロメーターを備える、光学ユニットが提供される。

本発明の第５の態様によれば、粉末材料の層方向の固化によってオブジェクトをビルドするためのレーザー固化装置であって、装置は、ビルドプラットフォームを含有するビルドチャンバーと、粉末材料の層をビルドプラットフォームの上に堆積させるためのデバイスと、それぞれの粉末層の領域を選択的に固化させるためにレーザービームを方向付けするための光学ユニットであって、光学ユニットは、レーザービームを粉末層の上に操縦するための操縦可能な光学系、および、レーザービームを焦点調整するための可動式焦点調整光学系を備える、光学ユニットと、操縦可能な光学系および可動式焦点調整光学系によって収集されるレーザービームまたはさらなるレーザービームと層の中の材料との相互作用によって発生させられる特性放射線を検出するために配置されている光検出器とを備える、レーザー固化装置が提供される。

本発明の第６の態様によれば、選択的なレーザー固化装置の中の粉末層の領域を選択的に固化させるためにレーザービームを方向付けするための光学ユニットであって、光学ユニットは、レーザービームを粉末層の上に操縦するための操縦可能な光学系、および、レーザービームを焦点調整するための可動式焦点調整光学系を備える、光学ユニットと、操縦可能な光学系および可動式焦点調整光学系によって収集されるレーザービームまたはさらなるレーザービームと層の中の材料との相互作用によって発生させられる特性放射線を検出するために配置されている光検出器とが提供される。

本発明の第７の態様によれば、選択的なレーザー固化のプロセスであって、プロセスは、粉末材料の層をビルドプラットフォームの上に堆積させるステップと、オブジェクトをビルドためにそれぞれの粉末層の領域を選択的に固化させるようにレーザービームを方向付けするステップとを含み、方法は、レーザービームによる粉末の固化の間に形成されるプラズマによって放射される放射線を分光学的に分析することによって、レーザー固化プロセスの特性を検出するステップをさらに含む、プロセスが提供される。

本発明の第８の態様によれば、選択的なレーザー固化のプロセスであって、プロセスは、金属粉末の層をビルドプラットフォームの上に堆積させるステップと、オブジェクトをビルドためにそれぞれの金属粉末層の領域を選択的に固化させるようにレーザービームを方向付けするステップとを含み、方法は、レーザービームまたはさらなるレーザービームと金属との相互作用によって発生させられる放射線を分光学的に分析することによって、レーザー固化プロセスの特性を検出するステップをさらに含む、プロセスが提供される。

レーザー固化プロセスの特性は、レーザーによって発生させられる溶融プールの温度、直径、および／または深さであり得る。レーザー固化プロセスの特性は、粉末層の平面からのレーザービームの焦点のオフセットであり得る。

分光分析は、溶融プールからの熱放射の結果であるスペクトルの一部分を識別することを含み得る。分析は、黒体放射線を少なくとも近似するスペクトルの一部分を識別することを含み得る。

溶融プールの温度は、熱放射／黒体放射線に関連するものとして識別されたスペクトルの一部分から決定され得る。

分光分析は、熱放射／黒体放射線に関連するものとして識別されたスペクトルの一部分のピーク強度から、粉末層の平面からの焦点のオフセットを決定することを含み得る。分光分析は、溶融プールから放射されるプラズマからのスペクトル放射として識別されたスペクトルの一部分の強度から、粉末層の平面からの焦点のオフセットを決定することを含み得る。

方法は、分光分析に基づいて、レーザー固化プロセスを調節するステップを含み得る。方法は、分光分析に基づいて、ポイント距離、露出時間、スキャン速度、ハッチスペーシング、レーザーパワー、および／または、レーザーの焦点調整を調節するステップを含み得る。溶融プールを蒸発させるエネルギー密度の過剰は、スペクトル放射の強度から識別され得る。ポイント距離、露出時間、スキャン速度、ハッチ距離、および／またはレーザーパワーが変更され、エネルギー密度を変更し得る。

方法は、スペクトルのスペクトルピークを識別するステップと、スペクトルピークの相対的な強度を、プラズマおよび／または溶融プールに関する熱放射に関連するものとして識別されたスペクトルおよび／またはスペクトルの一部分の別のスペクトルピークと比較するステップとを含み得る。スペクトルピークは、粉末の単一の材料のスペクトル線に対応し得る。たとえば、粉末が合金である場合には、両方のスペクトルピークが、合金の同じ化学元素によって発生させられるスペクトル線に対応する。

本発明の第９の態様によれば、選択的なレーザー固化装置をキャリブレートする方法であって、選択的なレーザー固化装置は、ビルドプラットフォームを含有するビルドチャンバーと、粉末材料の層をビルドプラットフォームの上に堆積させるためのデバイスと、それぞれの粉末層の領域を選択的に固化させるためにレーザービームを方向付けするための光学ユニットと、レーザービームと共通の光学経路に沿って、光学ユニットを通して、ビルドプラットフォームをイメージングするために配置されているカメラであって、イメージの相対的な場所およびレーザービームの焦点が固定されるようになっている、カメラとを備えており、方法は、キャリブレートされるアーチファクト（artefact）をビルドチャンバーの中に位置付けするステップであって、キャリブレートされるアーチファクトは、一連のキャリブレーションマークをその上に有している、ステップと、光学モジュールを動作させ、レーザービームをキャリブレートされるアーチファクトの上の場所へ方向付けするステップと、キャリブレートされるアーチファクトの上にレーザーマークを形成するようにレーザーを活性化させるステップと、レーザーマークをその上に備えるキャリブレートされるアーチファクトのイメージをキャプチャーするためにカメラを使用するステップと、イメージの中のレーザーマークの場所をイメージの中のキャリブレーションマークのうちの少なくとも１つの場所と比較することによって、所望の位置からのレーザービームの焦点のオフセットを決定するステップとを含む、方法が提供される。

光学モジュールは、たとえば、カメラによってキャプチャーされるイメージの中の特定のキャリブレーションマークをセンタリングすることによって、キャリブレートされるアーチファクトの上のキャリブレーションマークのうちの特定の１つの上にレーザービームを方向付けするステップと、キャリブレーションアーチファクトの上にレーザーマークを形成するようにレーザーを活性化させるステップと、レーザーマークをその上に備えるキャリブレートされるアーチファクトのイメージをキャプチャーするためにカメラを使用するステップと、イメージの中のレーザーマークの場所を特定のキャリブレーションマークの場所と比較することによって、所望の位置からのレーザービームの焦点のオフセットを決定するステップとを行うようにプログラムされた構成となるように動作させられ得る。次いで、光学モジュールは、決定されたオフセットに基づいてレーザービームを方向付けするためにプログラムされた構成を変更するために更新され得る。構成の更新は、複数のレーザーマーク、および、これらのレーザーマークと対応するキャリブレーションマークとの比較に基づき得る。

キャリブレートされるマークがキャリブレートされるアーチファクトの上の公知の相対的な場所に位置付けされるという範囲において、キャリブレートされるアーチファクトはキャリブレートされ得る。たとえば、キャリブレートされるマークは、垂直方向に公知のスペーシングを有するラインのグリッドであり得る。

本発明の第１０の態様によれば、命令をその上に有するデータキャリアであって、命令は、選択的なレーザー固化装置のプロセッサーによって実行されるときに、選択的なレーザー固化装置が本発明の第６の態様または第７の態様のプロセスを実施することを引き起こす、データキャリアが提供される。

本発明の第１１の態様によれば、粉末材料の層方向の固化によってオブジェクトをビルドするためのレーザー固化装置であって、装置は、ビルドプラットフォームを含有するビルドチャンバーと、粉末材料の層をビルドプラットフォームの上に堆積させるためのデバイスと、それぞれの粉末層の領域を選択的に固化させるためにレーザービームを方向付けするための光学ユニットと、それぞれの粉末層の上に光パターンを投射するためのデバイスと、それぞれの粉末層の上の光パターンのイメージをキャプチャーするためのカメラとを備える、レーザー固化装置が提供される。

キャプチャーされるイメージは、固化プロセスを使用してビルドされているオブジェクトの幾何学的特性を決定するために使用され得る。たとえば、幾何学的特性は、粉末層の上の光パターンの場所から決定され得る。キャプチャーされるイメージは、選択的なレーザー固化プロセスを使用してビルドされているオブジェクトを表す測定された幾何学的データを生成させるために使用され得る。測定された幾何学的データは、ＳＴＬファイルなどのような入力幾何学的データと比較され得、ビルドは、入力幾何学的データに基づいて、ビルドされる実際のオブジェクトとビルドされることが意図されたオブジェクトとの間の差を識別した。

オブジェクトの幾何学的特性を決定するための、および／または、測定された幾何学的データを生成させるためのイメージの処理は、選択的なレーザー固化装置のプロセッサーによって、または、選択的なレーザー固化装置から分離された離れたプロセッサーによって実施され得る。

本発明の第１２の態様によれば、選択的なレーザー固化プロセスを使用してビルドされるオブジェクトを測定する方法であって、粉末材料の層をビルドプラットフォームの上に堆積させることによって、および、オブジェクトをビルドするためにそれぞれの粉末層の領域を選択的に固化させるようにレーザービームを方向付けすることによって、オブジェクトがビルドされ、方法は、粉末層のうちの少なくとも１つの領域を選択的に固化させた後に、粉末層の上に光パターンを投射するステップと、投射された光のイメージをキャプチャーするステップとを含む、方法が提供される。

光パターンは、フリンジ／回折パターンであり得る。

本発明の第１３の態様によれば、命令がその上に保存されているデータキャリアであって、命令は、プロセッサーによって実行されるときに、プロセッサーが粉末層の少なくとも１つのイメージを受け取ることを引き起こし、粉末層は、選択的な固化プロセスによって固化された領域を有しており、その領域の上に、光のパターンが投射され、粉末層の上の光のパターンから、それぞれの粉末層の固化された領域の幾何学形状を決定し、測定された幾何学形状をＳＴＬファイルなどのような入力幾何学的データと比較し、ビルドは、入力幾何学的データに基づいて、ビルドされる実際のオブジェクトとビルドされることが意図されたオブジェクトとの間の差を識別する、データキャリアが提供される。

本発明の第１４の態様によれば、粉末材料の層方向の固化によってオブジェクトをビルドするためのレーザー固化装置であって、装置は、ビルドプラットフォームを含有するビルドチャンバーと、粉末材料の層をビルドプラットフォームの上に堆積させるためのデバイスと、それぞれの粉末層の領域を選択的に固化させるためにレーザービームを方向付けするための光学ユニットと、それぞれの粉末層のイメージをキャプチャーするためのカメラと、粉末層の固化された領域を識別するためにイメージを分析するための分析ユニットとを備える、レーザー固化装置が提供される。

本発明の第１５の態様によれば、粉末材料の層方向の固化によってオブジェクトをビルドするためのレーザー固化装置であって、装置は、ビルドプラットフォームを含有するビルドチャンバーと、粉末材料の層をビルドプラットフォームの上に堆積させるためのデバイスと、それぞれの粉末層の領域を選択的に固化させるためにレーザービームを方向付けするための光学ユニットと、層の中の材料の刺激を与えられた放射によって発生させられる特性放射線を検出するための光検出器であって、光検出器は、特性放射線の特性スペクトルピークの波長を含む波長バンドの中の波長を検出するように配置されている、光検出器とを備える、レーザー固化装置が提供される。

波長バンドは、７００ｎｍ未満の波長から構成され得る。好ましくは、波長バンドは、３００ｎｍから６００ｎｍの間である。コバルトクロムを含む合金に関して、特性ピークは、３６０ｎｍ、４３０ｎｍ、または５２０ｎｍの辺りのピークであり、好ましくは、４３０ｎｍの辺りのピークであり得る。チタンアルミニウム合金に関して、特性ピークは、３６０ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍ、または５２０ｎｍの辺りのピークであり、好ましくは、５００ｎｍの辺りのピークであり得る。

光検出器は、フォトダイオードを備え得る。光検出器は、バンドパス（ノッチ）フィルターを備え得る。バンドパスフィルターは、７００ｎｍより上方の光の波長をフィルターにかけるためのものであり得、好ましくは、３００ｎｍから６００ｎｍのバンド幅、または、３００ｎｍから６００ｎｍの中のバンド幅を有している。

装置は、光検出器によって検出される光強度に基づいて、レーザーユニットを制御するための制御ユニットを備え得る。制御ユニットは、検出される光強度に基づいて、ポイント距離、露出時間、スキャン速度、ハッチスペーシング、レーザーパワー、および、レーザーの焦点調整を変更するように配置され得る。

本発明の第１６の態様によれば、選択的なレーザー固化装置の中の粉末層の領域を選択的に固化させるためにレーザービームを方向付けするための光学ユニットであって、光学ユニットは、レーザービームのための入力と、ミラーとを備え、ミラーは、それぞれの粉末層の選択された領域にレーザービームを方向付けするためのミラーに対するレーザービームの入射角度を変化させるように可動であり、ミラーは、入射角度の動作可能範囲にわたって、レーザービームの波長および３００ｎｍから６００ｎｍの間の波長の両方に関して８０％よりも大きい反射率を有している、光学ユニットが提供される。

３００ｎｍから６００ｎｍの間の波長で十分に反射するようにミラーの反射率をシフトさせることは、存在している材料の特性である粉末材料とレーザービームとの相互作用を通して形成されるプラズマによって放射される放射線を収集するために、ミラーが使用されることを可能にする。次いで、この反射された放射線は、たとえば、光学スプリッターによって、レーザービームの経路から分離され、放射線を分析するためのスペクトロメーターなどのような検出器へ送達され得る。

ミラーは、多層誘電体コーティングを備え、反射性能を提供し得る。

本発明の第１７の態様によれば、本発明の第１６の態様による光学ユニットと、光学ユニットの入力の中へ方向付けされるレーザービームを発生させるためのレーザーと、光学ユニットのミラーによって反射される放射線を受け取るように配置されている検出器とを備える、アディティブマニュファクチャリング装置が提供される。

レーザーは、アライメントレーザービームをさらに発生させ得、アライメントレーザービームは、光学ユニットの入力へ方向付けされ、アライメントレーザービームは、３００ｎｍから６００ｎｍの範囲の外側の波長を有している。たとえば、アライメントレーザーは、６３０ｎｍから６８０ｎｍの間の波長を有し得る。ミラーは、アライメントレーザービームの波長に関して８０％未満の反射率を有し得る。アディティブマニュファクチャリング装置において、アライメントレーザービームに関する低い反射率は、アライメント目的のために十分であり得る。

本発明による選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）装置の概略図である。 本発明による光学ユニットの概略図である。 ミラーの所望の反射率プロファイルを示すグラフである。 ＳＬＭ装置によって使用されるポイントスキャニング戦略を示す図である。 ＳＬＭ装置を使用してチタン粉末を溶融させる間に測定されるスペクトル、および、３５６０Ｋにおけるチタンプラズマに関して予期されるスペクトルピークを示すグラフである。 ＳＬＭ装置を使用してチタン粉末を溶融させる間に測定されるスペクトルを示しており、熱放射およびスペクトル放射が識別されることを示す図である。 レーザービームのスポット直径の変化に対する熱放射およびスペクトル放射の変化を図示する図である。 レーザービームのスポット直径の変化に対する熱放射およびスペクトル放射の変化を図示する図である。 レーザービームのスポット直径の変化に対する熱放射およびスペクトル放射の変化を図示する図である。 レーザービームのスポット直径の変化に対する熱放射およびスペクトル放射の変化を図示する図である。 レーザービームのスポット直径の変化に対する熱放射およびスペクトル放射の変化を図示する図である。 レーザービームのスポット直径の変化に対する熱放射およびスペクトル放射の変化を図示する図である。 ビーム直径およびビーム強度を変化させる効果を図示するグラフである。 露出時間およびポイント距離の変化に伴う熱放射およびスペクトル放射の変化を図示する図である。 露出時間およびポイント距離の変化に伴う熱放射およびスペクトル放射の変化を図示する図である。 露出時間およびポイント距離の変化に伴う熱放射およびスペクトル放射の変化を図示する図である。 露出時間およびポイント距離の変化に伴う熱放射およびスペクトル放射の変化を図示する図である。 レーザー入力エネルギーによるスペクトル放射および熱放射の変化を図示する図である。 レーザー入力エネルギーによるスペクトル放射および熱放射の変化を図示する図である。 本発明の一実施形態による方法を図示するフローチャートである。 本発明の実施形態によるキャリブレーションアーチファクトの平面図である。 図１０ａに示されている線Ａ−Ａに沿ったキャリブレーションアーチファクトの断面図である。 キャリブレーション手順の間に装置によってキャプチャーされるイメージの図である。

図１および図２を参照すると、本発明の実施形態による選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）装置は、ビルドチャンバー１０１を備え、ビルドチャンバー１０１は、その中にパーティション１１４、１１５を有しており、パーティション１１４、１１５は、ビルドボリューム１１６、および、粉末がその上に堆積させられ得る表面を画定している。ビルドプラットフォーム１０２は、作業領域を画定しており、作業領域の中で、オブジェクト１０３が選択的レーザー溶融粉末１０４によってビルドされる。オブジェクト１０３の連続層が形成されるときに、プラットフォーム１０２は、メカニズム１１７を使用してビルドボリューム１１６の中で低下させられ得る。利用可能なビルドボリュームは、ビルドプラットフォーム１０２がビルドボリューム１１６の中へ低下させられ得る程度によって画定される。オブジェクト１０３がディスペンシング装置およびワイパー（図示せず）によってビルドされるときに、粉末１０４の層が形成される。たとえば、ディスペンシング装置は、特許文献５で説明されているような装置であり得る。レーザーモジュール１０５が、粉末１０４を溶融させるためのレーザーを発生させ、レーザーは、コンピューター１６０の制御の下で光学モジュール１０６によって必要とされるように、粉末ベッド１０４の上に方向付けされる。レーザーは、ウィンドウ１０７を介してチャンバー１０１に進入する。

コンピューター１６０は、プロセッサーユニット１６１と、メモリー１６２と、ディスプレイ１６３と、キーボード、タッチスクリーンなどのようなユーザー入力デバイス１６４と、光学モジュール１０６、レーザーモジュール１０５などのような、レーザー溶融装置のモジュールへのデータ接続と、ディスペンシング装置、ワイパー、およびビルドプラットフォーム１０２の移動を駆動するモーター（図示せず）とを備える。外部データ接続１６６は、コンピューター１６０へのスキャニング命令のアップローディングを提供する。レーザーユニット１０５、光学ユニット１０６、および、ビルドプラットフォーム１０２の移動は、スキャニング命令に基づいてコンピューター１６０によって制御される。

図２は、光学モジュール１０６を詳細に示している。光学モジュールは、レーザーモジュール１０５に結合するためのレーザー開口部１７０と、測定デバイス１７２、１７３に結合するための測定開口部１７１と、出力開口部１７４とを備えており、出力開口部１７４を通って、レーザービームは、ウィンドウ１０７を通って粉末ベッド１０４の上に方向付けされ、粉末ベッドから放射される放射線が収集される。

レーザービームは、２つの傾斜角を変えられるミラー１７５（そのうちの１つだけが示されている）および集光レンズ１７６、１７７を備えるスキャニング光学系によって、粉末ベッド１０４の上の必要とされる場所へ進み、焦点を合わせられる。

傾斜角を変えられるミラー１７５は、検流計などのようなアクチュエーターの制御の下で、軸線の周りの回転のためにそれぞれ装着されている。ミラー１７５がその周りで回転させられる軸線同士は、実質的に垂直であり、一方のミラーが、一方の方向（Ｘ方向）にレーザービームを偏向させることができ、他方のミラーが、垂直の方向（Ｙ方向）にレーザービームを偏向させることができるようになっている。しかし、２つの軸線の周りに回転可能な単一のミラーなどのような他の配置も使用され得、および／または、レーザービームが、Ｘ方向およびＹ方向での直線的な移動のために装着されているミラーへ、たとえば光ファイバーを介して結合され得るということが理解されることとなる。この後者の配置の例は、特許文献６および特許文献７に開示されている。

レーザービームの偏向角度の変化に関して、レーザービームの焦点が同じ平面の中に維持されることを確実にするために、傾斜角を変えられるミラーの後に、ｆ−θレンズを設けることが知られている。しかし、この実施形態では、可動レンズ１７６、１７７の対が、偏向角度が変化するときにレーザービームの焦点を合わせるために、（レーザービームの進行の方向に対して）傾斜角を変えられるミラー１７５の前に設けられている。集光レンズ１７６、１７７の移動は、傾斜角を変えられるミラー１７５の移動に同期して制御される。集光レンズ１７６、１７７は、ボイスコイル１８４などのようなアクチュエーターによって、互いに向けて、および、互いから離れるように、直線的な方向に可動であり得る。

傾斜角を変えられるミラー１７５および集光レンズ１７６、１７７は、典型的に１０６４ｎｍであるレーザー波長、および、より詳細に以下に説明されている、処理されている材料の特性スペクトルピークを含有する収集された放射線の波長の両方を伝送するように、適当に選択される。特性スペクトルピークは、７００ｎｍ未満の波長、および、通常は３００ｎｍから６００ｎｍの間の波長にある傾向がある。一実施形態では、ミラー１７５は、銀コーティングを備えており、レンズ１７６、１７７は、溶融シリカである。別の実施形態では、ミラー１７５は、多層誘電体コーティングを備えており、多層誘電体コーティングは、９９％より大きい反射率で、好ましくは、９９．５％より大きい反射率で、レーザー波長を反射させ、また、分析のために使用され得るプラズマから放射される放射線の識別されたスペクトルピークの波長、典型的に、４００ｎｍから６００ｎｍの間の波長を、３０度から６０度の間の入射角度に関して、８０％より大きい反射率で反射させる。図２ｂは、これらの入射角度に関して、ミラーに関する典型的な反射率プロファイルを示している。見ることができるように、メインレーザービームを整合させるために使用されるアライメント（ポインティング）レーザーは、ミラーが８０％よりも少なく反射する波長を有している。コーティングは、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｔａ₂Ｏ₅、または、ＭｇＦ₂、ＬａＦ₃、およびＡｌＦ₃などのようなフッ化物であり得る。

ビームスプリッター１７８が、集光レンズ１７６、１７７とレーザー１０５および測定デバイス１７２、１７３との間に設けられている。ビームスプリッター１７８は、ノッチフィルターであり、ノッチフィルターは、レーザー波長の光を反射させるが、他の波長の光がそれを通過することを可能にする。レーザー光は、集光レンズ１７６、１７７に向けて反射され、レーザー波長のものでないスキャニング光学系によって収集された光は、測定開口部１７１へ伝送される。レーザー光の反射は、ビームスプリッター１７８を通る伝送から非点収差アーチファクトがレーザービームの中へ導入される可能性に起因して、伝送よりも好適である。ビームスプリッター１７８は、レーザー強度の１％未満、および、好ましくは０．１％未満などのような、レーザー波長に関して十分に低い吸収を有するように選択される。２００ワットレーザーに関して、そのような低い吸収は、たとえば、室温より上に６℃未満など、室温より上の設定温度未満へのビームスプリッター１７８の加熱を維持し得る。レーザー光は偏光されていないので、ノッチフィルターは、光のすべての偏光、すなわち、ｓ−偏光およびｐ−偏光の両方を反射することが可能である。

光学モジュール１０６は、ビームスプリッター１７８を通して伝送されるレーザー光をキャプチャーするためのヒートダンプ１８１をさらに備える。レーザー光の大部分は、意図した通りに、ビームスプリッター１７８によって反射される。しかし、レーザー光の非常に小さい割合が、ビームスプリッター１７８を通過し、レーザー光のこの小さい割合が、ヒートダンプ１８１によってキャプチャーされる。この実施形態では、ヒートダンプ１８１は、中央コーン１８２を備えており、中央コーン１８２は、ヒートダンプ１８１の壁部の上に位置付けされている散乱表面１８３の上に光を反射する。散乱表面１８３は、レーザー光を分散させる波形の表面または隆起部のある表面を有する表面であり得る。たとえば、散乱表面１８３は、らせん状のまたは渦巻状の形状を有する隆起部を備え得る。散乱表面は、陽極酸化アルミニウムから作製され得る。

さまざまな測定デバイスは、測定開口部１７１に接続され得る。この実施形態では、スペクトロメーター１７２およびカメラ１７３が、光学スキャナーによって収集される放射線を測定するために設けられている。さらなるビームスプリッター１８５が、開口部１７１の中へ偏向させられた放射線をスプリットし、放射線の一部をスペクトロメーター１７２に方向付けし、一部をカメラ１７３に方向付けする。

スペクトロメーター１７２は、レーザービームに露出される粉末ベッド１０４の領域から放射される光のスペクトルの測定を提供し、カメラ１８０は、この領域のイメージをキャプチャーする。スペクトロメーター１７２は、処理光学系１８６を備え、処理光学系１８６は、波長に基づいて光を空間的に分離する。これを行うために、処理光学系は、典型的に、回折格子などのような分散エレメントを備えることとなる。処理光学系１８６は、たとえばレーザー波長の光など、光の特定の波長をフィルターにかけて除去するためのさらなるフィルターなどのような、他の光学エレメントを備え得る。スペクトルは、ＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳカメラなどのような、光検出器１８７の上に分散させられる。

スペクトロメーター１７２およびカメラ１７３に加えて、および、スペクトロメーター１７２およびカメラ１７３の代わりに、他の測定デバイスが使用され得る。たとえば、ナローバンドの波長を検出するために配置されている１または複数のフォトダイオードが設けられ得る。そのようなフォトダイオードは、スペクトロメーターよりも安価で速い、ナローバンドの中の光の強度を測定する方式を提供し得る。たとえば、２つ以上の特定のスペクトルピークの強度を監視することが望ましい可能性があり、これは、スペクトルピークの辺りのナローバンドの中の波長を検出するために配置されているフォトダイオードを使用して実現され得る。

使用時に、コンピューター１６０は、レーザー１０５および光学モジュール１０６を制御し、粉末層の領域を横切ってレーザービームをスキャンし、コンピューター１６０の中に保存されている幾何学的データに基づいて選択された領域を固化させる。粉末層の溶融は、材料に刺激を与え、熱放射線を発生させる。また、材料のいくらかは、プラズマを形成するために蒸発させられることとなる。プラズマは、存在している材料に基づいて、特性スペクトルを有するスペクトル放射線を放射する。熱放射線およびスペクトル放射線の両方は、光学モジュール１０６によって収集され、測定デバイス１７２、１７３に向けて方向付けされる。

検出されるスペクトルおよびイメージは、コンピューター１６０へ送られ、コンピューター１６０の中に、データが保存される。次いで、そのようなデータは、プロセスを使用してビルドされるオブジェクトの後の検証のために使用され得る。また、検出されるスペクトルおよび／またはイメージは、コンピューター１６０によって分析され得、分析に基づいて、コンピューター１６０は、ビルドの間のパラメーターを変化させ得る。

図３は、変化させられ得るビルドプロセスのさまざまなパラメーターを図示する概略図である。この実施形態では、レーザービームは、粉末ベッドの表面を横切って一連の離散ポイントで「スキャンされ」、ポイントがレーザービームに露出されている間にミラーは静止しており、レーザービームを次のポイントに方向付けするようにミラー１７５が移動させられるときには、レーザービームはスイッチが切られる。典型的に、ポイントは、列になってスキャンされ、それぞれの列は、ハッチと呼ばれており、粉末ベッドの領域をスキャンするために、通常、複数の隣接するハッチを使用することが必要である。したがって、変化させられ得るスキャンパラメーターは、それぞれのポイントがレーザービームに露出される時間（露出時間）、隣接するポイントの露出の間の時間遅延、ポイント同士の間の距離（ポイント距離）、レーザースポットサイズ（それは、レーザービームが焦点を合わせられる場所（粉末層の表面からの焦点のオフセット）によって支配されることとなる）、ハッチ同士の間の距離（ハッチスペーシング）、ならびに、レーザーパワーを含む。

他のスキャニング戦略が、異なるパラメーターとともに使用され得る。たとえば、レーザービームは、粉末層を横切って連続的にスキャンされ得、また、露出時間、露出と露出の間の時間遅延、およびポイント距離を設定するというよりも、スキャン速度を設定することとなる。

図４は、スペクトロメーター１７２によって検出され得る典型的なスペクトルＳを図示している。このスペクトルＳは、選択的レーザー溶融プロセスにおいてチタンを溶融させるときに得られた。スパイクＳＬは、チタンに関して予期されることとなるスペクトル線に対応している。見ることができるように、スペクトルＳは、これらのスペクトル線ＳＬに対応するピークを含む。３７０ｎｍより下のカットオフは、３７０ｎｍにおけるカットオフを有する収集光学系から結果として生じた。

図５は、７０ミクロンのポイント距離、１２５マイクロ秒の露出時間、および、０の焦点オフセット（すなわち、焦点が粉末ベッドに位置付けされている）を有するチタンに関するスペクトルを示している。スペクトルは、２つの領域から構成されており、２つの領域は、溶融された粉末材料および蒸発させられた材料によって放射される黒体放射線から結果として生じる熱放射領域、ならびに、蒸発させられ材料から発生させられるスペクトル放射領域（材料に関するスペクトル線に対応するピークを含む）である。

スペクトルは、たとえば、コンピューター１６０を使用して処理され、スペクトル放射から熱放射を分離することが可能である。たとえば、熱放射は、図５の中の曲線によって示されているように、ガウス曲線などのような曲線をスペクトルにフィットさせることによって推定され得る。たとえば、黒体放射体として材料をモデル化するなど、材料の熱放射特性をモデル化することによって、フィットさせた曲線は、溶融プールおよび／またはプラズマの温度を推定するために使用され得る。

スペクトル放射領域の中のピークは、溶融された粉末の化学組成を決定するために使用され得る。たとえば、スペクトルピークは、粉末材料が汚染されたかどうかということを決定するために分析され得る。合金に関して、材料の混合物を含む粉末が提供され、蒸発させられたプラズマの中のそれぞれの材料の量が、スペクトルピークの強度から推定され得、それから、固化された領域の中の材料のパーセンテージが推測され得る。たとえば、粉末の中のそれぞれの材料は、異なる温度および圧力などのような、異なる溶融条件の下で、異なる程度まで蒸発し得る。残っている材料は、オブジェクトを形成するために固化される。したがって、溶融条件の変化は、オブジェクトを形成する材料の結果として生じる割合を変化させることが可能である。オブジェクトをビルドする間にスペクトルピークを監視することによって、パラメーターは、それぞれの材料の必要とされる割合が固化された材料の中に得られることを確実にするように変化させられ得る。

図６ａから図６ｆは、異なる焦点オフセットに関して、熱放射およびスペクトル放射についての異なる強度を示している。図６ａおよび図６ｂに関して、焦点オフセットは、−０．９ｍｍ（すなわち、粉末ベッド１０４の表面の下方に０．９ｍｍ）であり、図６ｃおよび図６ｄに関して、−０．５ｍｍであり、図６ｅおよび図６ｆに関して、焦点オフセットは、０ｍｍ、すなわち、粉末ベッド１０４の表面にある。これらの実験では、ポイント距離は、７０ミクロンであり、露出時間は、１００マイクロ秒である。図６ａ、図６ｃ、および図６ｅは、熱放射をモデル化するためにスペクトルにフィットさせられた曲線とともにフルスペクトルを示しており、図６ｂ、図６ｄ、および図６ｆは、フィットに基づいて熱領域が除去されたときのスペクトル放射を示している。粉末ベッド１０４の表面におけるビーム直径は、焦点が粉末ベッドの下方の場所へ移動させられるのにしたがって増加する。図６ａおよび図６ｂに関して、ビーム直径は、８４マイクロメートルであり、図６ｃおよび図６ｄに関して、ビーム直径は、７０マイクロメートルであり、図６ｅおよび図６ｆに関して、ビーム直径は、５２マイクロメートルである。

図６ａから図６ｆに見ることができるように、熱放射は、−０．５ｍｍの焦点オフセットに関して、より高くなっており、スペクトル放射は、０ｍｍの焦点オフセットにおいて、より高くなっている。大きい熱領域は、溶融プールへのレーザービームの良好なエネルギー結合を示し、一方、スペクトルの領域が大きいほど、多くの粉末材料の蒸発を示すということが考えられる。

選択的レーザー溶融プロセスの目的は、粉末を溶融させるためにレーザービームのエネルギーを使用することであり、レーザービームによって材料を蒸発させることは、レーザービームのエネルギーを浪費しており、凝縮物を生成させ、凝縮物は、たとえば、粉末材料の他の領域を固化させることによって、または、レーザービームがそれを通してチャンバー１０１の中に投射されるウィンドウ１０７を汚染することによって、ビルドの精度に影響を与える可能性がある。したがって、望まれることは、レーザースキャンのパラメーターを制御し、十分な温度を有する溶融プールを実現し、粉末の蒸発が最小化されながら、必要とされるサイズの溶融プールが発生させられることを確実にするということである。

図７は、理論的なガウスビームプロファイルを図示しており、また、ビームプロファイルが、蒸発させられる材料の割合にどのように影響を与える可能性があるか、および、それを横切って粉末の溶融が実現されるビームの直径（いわゆる「溶融幅」）を図示している。この例では、ビームプロファイル１および３は、最大パワーにおけるレーザービームに関するものであるが、プロファイル２は、プロファイル１の２倍の幅（ビーム直径）を有しており（１／ｅ²幅として決定される幅）、一方、ビームプロファイル２は、最大パワーの半分におけるレーザービームに関するものであるが、プロファイル１と同じビーム直径を有する。見ることができるように、プロファイル１は、粉末材料を蒸発させるのに十分なビーム強度を提供しており、プロファイル１および３は、異なる溶融幅（両矢印によって示されている）を提供する。たとえばプロファイル２におけるものなど、ビームプロファイルに対するより浅い勾配は、溶融プールの縁部において起こる材料の焼結の量を増加させ得る。溶融プールの縁部における焼結の量を最小まで低減させることが望ましい可能性があるが、許容可能な焼結の量は、形成されているオブジェクトの領域に依存する可能性がある。たとえば、オブジェクトの中央領域が形成されている場合には、溶融されているポイントに隣接する粉末領域は、その後のステップで溶融され得、これらの領域の中の焼結が関心事ではないようになっている。しかし、オブジェクトの縁部に関して、隣接する粉末領域の焼結を回避することが望ましい可能性がある。

粉末が蒸発および溶融される強度は、溶融されているポイントを取り囲む材料の状態に応じて変化し得る。たとえば、粉末の領域が固化された領域の上方にある場合には、固化された領域への熱流量は、領域が粉末の上方にある場合よりも高くなっている。その理由は、固化された領域が、溶融ゾーンからエネルギーを取り去るヒートシンクとしての役割を果たすからである。したがって、下層の固化された材料を備えない領域への等しいエネルギーは、より大きい溶融プールを結果として生じさせる可能性がある。熱放射スペクトルから、溶融されている領域の中にエネルギーが結合および維持される程度を決定し得る可能性がある。

熱放射およびスペクトル放射の分析を組み合わせることによって、コンピューター１６０は、スキャンパラメーターを制御し、粉末の蒸発、ならびに、溶融プールのサイズおよび温度を制御し得る可能性がある。たとえば、溶融プールの温度が、スペクトル放射領域の強度から決定され得る。

ビームが粉末層の表面の上に焦点を合わせられるかどうかということが、熱放射のピーク強度によって割られたスペクトル放射のピーク強度に関する値を、キャリブレーションプロセスから決定される予期された値と比較することによって決定され得る。

図８ａから図８ｄは、露出およびポイント距離の変化に伴う熱放射およびスペクトル放射の変化を示している。図９ａおよび図９ｂは、レーザーエネルギー入力に対するスペクトルの強度としてプロットされている、露出時間およびポイント距離の変化に関するスペクトルの強度の変化をそれぞれ示しており、図９ｂは、熱放射に関するグラフに対応している。これらの結果は、所与のレーザーエネルギー入力に関して、スペクトル放射および熱放射が同じであるということを示唆している。これは、ポイント距離が対応する様式で変化させられ、同じレーザー入力エネルギーを維持する場合には、露出が長いほど、より高い熱放射およびスペクトル放射を結果として生じさせないということを示唆している。そのような関係は、測定される１つのスペクトル／複数のスペクトルに基づいてレーザーパラメーターを制御するために、コンピューター１６０によって使用され得る。

溶融プールの深さは、たとえば、熱放射および／またはスペクトル放射など、スペクトルから推定され得る。

図１０を参照すると、本発明の別の実施形態によるプラズマから得られるスペクトルを分析する方法が示されている。生のスペクトルがスペクトロメーターから受け取られ３００、スペクトルは、プラズマの中の電子励起によって発生させられるスペクトルピークを隔離するために処理される３０１。最初に、ダークスペクトル（光源なしのスペクトロメーターによって発生させられるスペクトル）が除去され３０２、スペクトルは、事前キャリブレートされたスペクトロメーターの性能に関して調節される３０３。次いで、バックグラウンド放射線の推定が、スペクトルデータから行われ、この推定されたバックグラウンドが除去される。この実施形態では、バックグラウンド放射線は、スペクトルの最小値を識別する３０４ことによって推定され、識別された最小値にガウス曲線をフィットさせる３０５。次いで、推定されたバックグラウンド放射線は、スペクトルから除去される３０６。次いで、スペクトルピークが、識別され、スペクトルピークの強度が決定される３０７。

次いで、スペクトルピークついて分析が実施され、プラズマの温度を決定する３０８。

それぞれのスペクトルピークは、プラズマの中の電子励起状態に関連している。スペクトルピークの相対的な強度は、プラズマの温度に依存する。したがって、選択されたピークの相対的な強度を比較することによって、プラズマの温度の推定が行われ得る。プラズマの温度は、溶融プールの温度と相関し得、焦点長さおよびビルド品質などのようなパラメーターがスキャニングのために使用される。一実施形態では、プラズマの理想的な温度は、ビルドに関して事前識別され得、スキャンパラメーターは、スペクトルデータから測定される温度に基づいて調節され得る。

この実施形態では、プラズマ温度分析に関するピーク選択３０９は、ピークが解像され得る容易さ（たとえば、スペクトロメーターのスペクトル範囲に応じて、いくつかのピークが、スペクトロメーターのＣＣＤの単一のピクセルの中に存在し得る）、ならびに、ピークを発生させる電子電位に関する遷移確率、および、電子電位に関する励起エネルギーの差に基づいて行われ得る。

プラズマの温度が決定され得る３０９。この実施形態では、選択されたピークｍ、ｎの強度から、以下のボルツマン関係式を使用する。

Ｔ_e＝プラズマ電子温度。
Ｅ_m＝電子エネルギー＝ｍ番目の量子レベルにおける電子のエネルギー。
Ｉ_m＝放射強度＝ｍ番目のレベルに遷移されるすべての電子の集合的強度。
λ_m＝波長＝グランド状態からｍ番目のレベルへの遷移によって放射される光子の波長。
Ａ_m＝遷移確率＝ｍ番目のレベルへの電子遷移の確立。
ｇ_m＝統計的重量＝レベルｍの許容される量子機械的な状態の数に基づく重み付け。
Ｅ_m＝電子エネルギー＝ｎ番目の量子レベルにおける電子のエネルギー。
Ｉ_m＝放射強度＝ｎ番目のレベルに遷移されるすべての電子の集合的強度。
λ_m＝波長＝グランド状態からｎ番目のレベルへの遷移によって放射される光子の波長。
Ａ_m＝遷移確率＝ｎ番目のレベルへの電子遷移の確立。
ｇ_m＝統計的重量＝レベルｎの許容される量子機械的な状態の数に基づく重み付け。
ｋ_b＝ボルツマン定数。

別の実施形態では、プラズマの温度を推定するために２つのスペクトルピークの強度を比較するというよりも、１つのスペクトルピークとバックグラウンド放射線との間の相対的な強度が比較され得る。

プラズマ温度は、粉末ベッドの上側表面に対するレーザービームの焦点の位置と密接に相関し、プラズマ温度の測定に基づいて、焦点位置に対する調節が行われ得るということが考えられる。

可視スペクトル／スペクトルピークがないこと、または、設定レベルの下方への強度の低減は、ビルド障害を示す可能性がある。たとえば、ビルドの間にパーツが丸くなったときには、スペクトルが発生させられない可能性があり、レーザーが、粉末というよりも粉末表面の上方に現在突出する固化された材料を加熱するようになっている。レーザーが固化された材料を加熱するときには、プラズマプルームが発生させられない可能性がある。

スペクトロメーターによって記録されているスペクトルの上に保存されているデータは、リンク１６６を介して、離れた外部コンピューターに送られ得、離れた外部コンピューターの中で、ビルドの検証が、データを分析することによって実施され得る。外部コンピューターは、スペクトロスコピーデータを自動的に分析するためのコンピュータープログラムを備え、値が許容可能範囲内に入ることを確実にし得る。

また、図１は、回折パターンなどのような光のパターンを、作業領域の上に、この実施形態では、作業領域全体の上に投影するためのプロジェクター１９０を示している。カメラ１９１、１９２が、光パターンを含む作業領域全体のイメージをキャプチャーするように配置されており、これらのイメージが、コンピューター１６０に送られて戻される。プロジェクター１９０およびカメラ１９１、１９２は、それぞれの粉末層がレーザービームによってスキャンされた後に、作業領域のイメージをキャプチャーするように配置されている。イメージの分析から、固化された粉末層の領域が識別され得る。識別された領域から、ビルドされているオブジェクトの３Ｄモデルが生成され得る。ビルドされているオブジェクトの幾何学的特性は、この３Ｄモデルから決定され得、これらの幾何学的特性は、オブジェクトのＣＡＤモデルまたはＳＴＬモデルなどのような設計図面から導出される幾何学的特性に関する公称値と比較され、必要とされる公差内となるようにオブジェクトがビルドされたかどうかということを決定する。したがって、この分析は、ビルドを検証するためにさらに使用され得る。

あるいは、ビルドされているオブジェクトの幾何学形状の決定は、投射される回折パターンなしで実施され得る。たとえば、粉末の固化された領域は、カメラ１９１、１９２によってキャプチャーされる２つのイメージから、または、１つのカメラ１９１、１９２からの単一のイメージからでも、写真測量法を使用して決定され得る。

ビルドを開始する前に、光学モジュール１０６の光学系がキャリブレートされ、レーザービームが粉末ベッド１０４の上の必要とされる位置に向けて方向付けされることを確実にする。これを行うために、図１１ａおよび１１ｂに示されているアーチファクト２００などのような、キャリブレートされたアーチファクトがビルドプラットフォーム１０２の上に位置付けされる。キャリブレートされたアーチファクト２００は、イメージ分析を通して識別され得る複数の特徴を有するＩｎｖａｒプレート、この実施形態では、高い正方形および低い正方形２０１、２０２のチェッカーボードを備え、それぞれの正方形の縁部がイメージ分析を通して検出され得るようになっている。高い正方形および低い正方形は、公知のサイズのものであり、たとえば、０．５ｍｍから３０ｍｍの間の幅を有するものなどである。図１１ａに示されているグリッドは、単なる例示目的のためのもの、および、実用化のためのものであり、グリッドは、より大きい数の正方形を備える可能性がある。キャリブレートされたアーチファクト２００の周囲縁部２０５、２０６、２０７、および２０８は、完全正方形となるように設計される。

４つの正方形が交差する角部２０９が、図１２に示されているように、カメラ１７３によってキャプチャーされるイメージの中央に位置付けされているように、操縦可能な光学系１７５が移動させられる。そのようなアライメントは、イメージ分析、および正方形２０１、２０２の縁部を検出することを通して決定され得る。レーザー１０５は、アーチファクト２００の上にマーク２０３を発生させるように発射される。予期される場所からのマークの中心のオフセットが決定される。これは、アーチファクト２００の上の複数のそのような場所に関して実施され、作業領域にわたって、レーザービーム焦点の異なる場所に関するオフセットのマップを発生させる。これらのオフセットから、エラーマップが、レーザービーム焦点の移動を修正するために生成され得る。

しかし、キャリブレートされたアーチファクト２００は、ビルドプラットフォーム１０２の側部に対して平行に整合させられなくてもよく、したがって、エラーマップは、ビルドプラットフォーム１０２に対してゆがめられ得る。このゆがみを補正するために、カメラ１９０、１９１のうちの少なくとも１つが、キャリブレートされたアーチファクトを含有する作業領域全体のイメージをキャプチャーし、コンピューター１６０が、キャリブレートされたアーチファクトの周囲縁部２０５、２０６、２０７、および２０８を識別し、平行になるべきアーチファクト２００をビルドプラットフォーム１０２の側部に整合させることとなる並進移動を決定する。この並進移動は、エラーマップに適用され、ビルドプラットフォーム１０２の上のキャリブレートされたアーチファクト２００のミスアライメントを補正する。

また、装置は、キャリブレーションアーチファクト３００を備え得、キャリブレーションアーチファクト３００は、ビルドの間に装置１００の中の場所に残ったままである。キャリブレーションアーチファクトは、ビルドの間にキャリブレートされたアーチファクト２００を使用して決定されるオフセットからのレーザービームのドリフトを補正するために使用され得る特徴を備え得る。たとえば、レーザービームは、たとえば、新しい粉末層１０４がワイパーによって広げられているときなど、粉末層１０４の固化の間のキャリブレーションアーチファクト３００に焦点を合わせ得、カメラ１７３を使用して、レーザービームがビルドの間にそのキャリブレートされた位置からドリフトしたかどうかということを決定することが可能である。これは、キャリブレーションアーチファクト２００を使用して説明されたものと同様の様式で実施され得、マークがアーチファクト３００の上に作製され、カメラ１７３によってキャプチャーされるイメージが分析され、アーチファクト３００の識別可能な特徴からのマークのオフセットを決定する。

本明細書で定義されるような発明の範囲から逸脱することなく、上記に説明されている実施形態に対する修正例および代替例が作製され得る。たとえば、スペクトロメーターは、ビルドの中で使用される材料からのスペクトル放射の中の特性ピークを含む波長のナローバンドにわたって光の強度を記録することができる１または複数のフォトダイオードと交換され得る。このように、分析は、スペクトル全体からピークの強度を抽出する必要なしに、１または複数のフォトダイオードによって記録された光の強度を分析することを含み得る。

Claims (58)

1. 粉末材料の層方向の固化によってオブジェクトをビルドするためのレーザー固化装置であって、ビルドプラットフォームを含有するビルドチャンバーと、粉末材料の層を前記ビルドプラットフォームの上に堆積させるためのデバイスと、それぞれの粉末層の領域を選択的に固化させるためにレーザービームを方向付けするための光学ユニットと、レーザービームによる粉末の固化の間に形成されるプラズマによって放射される特性放射線を検出するためのスペクトロメーターとを備えることを特徴とするレーザー固化装置。
2. 金属粉末の層方向の固化によってオブジェクトをビルドするためのレーザー固化装置であって、ビルドプラットフォームを含有するビルドチャンバーと、金属粉末の層を前記ビルドプラットフォームの上に堆積させるためのデバイスと、それぞれの金属粉末層の領域を選択的に固化させるためにレーザービームを方向付けするための光学ユニットと、レーザービームまたはさらなるレーザービームと金属との相互作用によって発生させられる特性放射線を検出するスペクトロメーターとを備えることを特徴とするレーザー固化装置。
3. 前記スペクトロメーターは、固化の間に、材料によって放射される１つのスペクトル／複数のスペクトルを検出するために配置されることを特徴とする請求項２に記載のレーザー固化装置。
4. 前記スペクトロメーターは、レーザーによって溶融プールを生成させることによって発生させられる特性放射線を検出するために配置されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザー固化装置。
5. 前記特性放射線は、前記溶融プールから放射されるレーザイオン化蒸気によって放射される放射線であることを特徴とする請求項４に記載のレーザー固化装置。
6. 検出される１つのスペクトル／検出される複数のスペクトルから、層内の材料の特徴を決定するために配置される制御ユニットを備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザー固化装置。
7. 前記特徴は、レーザービームによって生成された溶融プールの温度、直径および／または溶融プールの深さ、および／または個化プロセスの間に生成されたプラズマの温度であることを特徴とする請求項６に記載のレーザー固化装置。
8. 前記特徴は、前記レーザービームの焦点の位置であることを特徴とする請求項６に記載のレーザー固化装置。
9. 前記特徴は、レーザービームによって生成された溶融プールおよび／またはプラズマにおいて粉末材料の要素の相対濃度であることを特徴とする請求項６に記載のレーザー固化装置。
10. 検出される１つのスペクトル／検出される複数のスペクトルに基づいて、光学ユニットおよび／またはレーザーを制御する制御ユニットを備えることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のレーザー固化装置。
11. 前記制御ユニットは、検出される１つのスペクトル／検出される複数のスペクトルに基づいて、ポイント距離、露出時間、スキャン速度、ハッチスペーシング、レーザーパワー、および／またはレーザーの焦点調整を変更するように配置されることを特徴とする請求項１０に記載のレーザー固化装置。
12. それぞれの層の上の異なる場所に関して検出されるスペクトルのログを保存するための検証ユニットを備えることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のレーザー固化装置。
13. 前記スペクトロメーターは、光学ユニットによって収集される特性放射線を検出するために配置されることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のレーザー固化装置。
14. 前記光学ユニットは、粉末層の上の所望のポイントへ前記レーザービームを操縦するための光学スキャナーを備え、前記スペクトロメーターは、前記光学スキャナーを通して収集される特性放射線を検出するように配置されることを特徴とする請求項１３に記載のレーザー固化装置。
15. 前記光学スキャナーは、前記レーザービームを前記粉末層の上に焦点調整するための可動式焦点調整光学系を備え、前記スペクトロメーターは、前記焦点調整光学系を通して収集される特性放射線を検出するように配置されることを特徴とする請求項１４に記載のレーザー固化装置。
16. 光学スキャナーは、前記光学スキャナーによって収集される特性放射線がレーザービームと共有される伝送経路に沿って進行するように、配置され、前記光学スキャナーは、レ前記レーザービームおよび前記放射線の光学経路を分割するためのビームスプリッターを備え、前記スペクトロメーターの検出器の上に前記放射線を方向付けすることを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれか１項に記載のレーザー固化装置。
17. 前記ビームスプリッターは、前記レーザービームの進行の方向に対して、前記レーザービームを操縦するための操縦可能な光学系、および、前記レーザービームを焦点調整するための可動式焦点調整光学系の上流に位置付けされることを特徴とする請求項１６に記載のレーザー固化装置。
18. 前記ビームスプリッターは、前記レーザービームを反射し、前記特性放射線を伝送するように配置されることを特徴とする請求項１６又は１７に記載のレーザー固化装置。
19. 前記ビームスプリッターは、ノッチフィルターであることを特徴とする請求項１６乃至１８のいずれか１項に記載のレーザー固化装置。
20. 前記フィルターは、ダイクロイックフィルターであることを特徴とする請求項１９に記載のレーザー固化装置。
21. 前記特徴放射線と共有される伝送経路に沿って伝送しない前記レーザービームの一部をキャプチャーするためのヒートダンプを備えることを特徴とする請求項１６乃至２０のいずれか１項に記載のレーザー固化装置。
22. 粉末材料の層方向の固化によってオブジェクトをビルドするためのレーザー固化装置であって、ビルドプラットフォームを含有するビルドチャンバーと、粉末材料の層を前記ビルドプラットフォームの上に堆積させるためのデバイスと、それぞれの粉末層の領域を選択的に固化させるためにレーザービームを方向付けするための光学ユニットと、光学ユニットによって収集されるレーザービームまたはさらなるレーザービームと層の中の材料との相互作用によって発生させられる特性放射線を検出するために配置されているスペクトロメーターとを備えることを特徴とするレーザー固化装置。
23. 選択的なレーザー固化装置の中の粉末層の領域を選択的に固化させるためにレーザービームを方向付けするための光学ユニットであって、前記光学ユニットによって収集される前記レーザービームまたはさらなるレーザービームと層の中の材料との相互作用によって発生させられる特性放射線を検出するために配置されているスペクトロメーターを備えることを特徴とする光学ユニット。
24. 粉末材料の層方向の固化によってオブジェクトをビルドするためのレーザー固化装置であって、ビルドプラットフォームを含有するビルドチャンバーと、粉末材料の層を前記ビルドプラットフォームの上に堆積させるためのデバイスと、それぞれの粉末層の領域を選択的に固化させるためにレーザービームを方向付けするための光学ユニットであって、前記レーザービームを粉末層の上に操縦するための操縦可能な光学系、および、前記レーザービームを焦点調整するための可動式焦点調整光学系を備える、光学ユニットと、操縦可能な光学系および可動式焦点調整光学系によって収集される前記レーザービームまたはさらなるレーザービームと層の中の材料との相互作用によって発生させられる特性放射線を検出するために配置されている光検出器とを備えることを特徴とするレーザー固化装置。
25. 選択的なレーザー固化装置の中の粉末層の領域を選択的に固化させるためにレーザービームを方向付けするための光学ユニットであって、前記レーザービームを粉末層の上に操縦するための操縦可能な光学系と、前記レーザービームを焦点調整するための可動式焦点調整光学系を備える、光学ユニットと、前記操縦可能な光学系および前記可動式焦点調整光学系によって収集される前記レーザービームまたはさらなるレーザービームと層の中の材料との相互作用によって発生させられる特性放射線を検出するために配置されている光検出器とを備えることを特徴とする光学ユニット。
26. 選択的なレーザー固化のプロセスであって、粉末材料の層をビルドプラットフォームの上に堆積させるステップと、オブジェクトをビルドためにそれぞれの粉末層の領域を選択的に固化させるようにレーザービームを方向付けするステップとを含み、方法は、前記レーザービームによる前記粉末の固化の間に形成されるプラズマによって放射される放射線を分光学的に分析することによって、レーザー固化プロセスの特性を検出するステップをさらに含むことを特徴とするプロセス。
27. 選択的なレーザー固化のプロセスであって、金属粉末の層をビルドプラットフォームの上に堆積させるステップと、オブジェクトをビルドためにそれぞれの金属粉末層の領域を選択的に固化させるようにレーザービームを方向付けするステップとを含み、方法は、前記レーザービームまたはさらなるレーザービームと前記金属との相互作用によって発生させられる放射線を分光学的に分析することによって、レーザー固化プロセスの特性を検出するステップをさらに含むことを特徴とするプロセス。
28. レーザー固化プロセスの特性は、レーザーによって発生させられる溶融プールの温度、直径、および／または深さ、および／または個化プロセスの間に発生したプラズマの温度であることを特徴とする請求項２６又は２７に記載のプロセス。
29. レーザー固化プロセスの特性は、前記粉末層の平面からの前記レーザービームの焦点のオフセットであることを特徴とする請求項２７に記載のプロセス。
30. 前記分光分析は、溶融プールからの熱放射の結果であるスペクトルの一部分を識別することを含むことを特徴とする請求項２７乃至２９のいずれか１項に記載のプロセス。
31. 前記分光分析は、黒体放射線を少なくとも近似するスペクトルの一部分を識別することを含むことを特徴とする請求項３０に記載のプロセス。
32. 溶融プールを生成した場合に発生したプラズマプルームからのスペクトル放射の結果であるスペクトルの一部分を識別することを含むことを特徴とする請求項２７乃至３１のいずれか１項に記載のプロセス。
33. 溶融プールおよび／またはプラズマプルームの温度は、スペクトル放射に関連するものとして識別されたスペクトルの一部分から決定されることを特徴とする請求項３２に記載のプロセス。
34. 分光分析は、前記プラズマプルームからのスペクトル放射として識別されたスペクトルの一部分の強度から、前記粉末層の平面からの焦点のオフセットを決定することを含むことを特徴とする請求項３２又は３３に記載のプロセス。
35. 分光分析は、熱放射／黒体放射線に関連するものとして識別されたスペクトルの一部分から、粉末層の平面からの焦点のオフセットを決定することを含むことを特徴とする請求項３０乃至３４のいずれか１項に記載のプロセス。
36. 前記焦点のオフセットは、スペクトル放射の強度を熱放射の強度と比較することにより決定されることを特徴とする請求項３５に記載のプロセス。
37. 分光分析に基づいて、レーザー固化プロセスを調節するステップを含むことを特徴とする請求項２７乃至３６のいずれか１項に記載のプロセス。
38. 分光分析に基づいて、ポイント距離、露出時間、スキャン速度、ハッチスペーシング、レーザーパワー、および／または、レーザーの焦点調整を調節するステップを含むことを特徴とする請求項３７に記載のプロセス。
39. 選択的なレーザー固化装置をキャリブレートする方法であって、ビルドプラットフォームを含有するビルドチャンバーと、粉末材料の層を前記ビルドプラットフォームの上に堆積させるためのデバイスと、それぞれの粉末層の領域を選択的に固化させるためにレーザービームを方向付けするための光学ユニットと、前記レーザービームと共通の光学経路に沿って、前記光学ユニットを通して、前記ビルドプラットフォームをイメージングするために配置されているカメラであって、イメージの相対的な場所および前記レーザービームの焦点が固定されるようになっている、カメラとを備え、方法は、キャリブレートされるアーチファクトを前記ビルドチャンバーの中に位置付けするステップであって、前記キャリブレートされるアーチファクトは、一連のキャリブレーションマークをその上に有している、ステップと、光学モジュールを動作させ、前記レーザービームを前記キャリブレートされるアーチファクトの上の場所へ方向付けするステップと、前記キャリブレートされるアーチファクトの上にレーザーマークを形成するように前記レーザーを活性化させるステップと、レーザーマークをその上に備える前記キャリブレートされるアーチファクトのイメージをキャプチャーするために前記カメラを使用するステップと、前記イメージの中のレーザーマークの場所をイメージの中の前記キャリブレーションマークのうちの少なくとも１つの場所と比較することによって、所望の位置からの前記レーザービームの焦点のオフセットを決定するステップとを含むことを特徴とする方法。
40. 前記光学モジュールは、前記カメラによってキャプチャーされるイメージの中の特定のキャリブレーションマークをセンタリングすることによって、前記キャリブレートされるアーチファクトの上のキャリブレーションマークのうちの特定の１つの上に前記レーザービームを方向付けするステップと、前記キャリブレーションアーチファクトの上にレーザーマークを形成するように前記レーザーを活性化させるステップと、レーザーマークをその上に備える前記キャリブレートされるアーチファクトのイメージをキャプチャーするために前記カメラを使用するステップと、前記イメージの中の前記レーザーマークの場所を前記特定のキャリブレーションマークの場所と比較することによって、所望の位置からの前記レーザービームの焦点の前記オフセットを決定するステップとを行うようにプログラムされた構成となるように動作することを特徴とする請求項３９に記載の方法。
41. 前記光学モジュールは、決定された前記オフセットに基づいて前記レーザービームを方向付けするためにプログラムされた構成を変更するために更新することを特徴とする請求項４０に記載の方法。
42. 前記構成の更新は、複数のレーザーマークと、前記複数のレーザーマークと対応するキャリブレーションマークとの比較とに基づくことを特徴とする請求項４１に記載の方法。
43. 前記キャリブレートされるマークが前記キャリブレートされるアーチファクトの上の公知の相対的な場所に位置付けされるという範囲において、前記キャリブレートされるアーチファクトはキャリブレートされることを特徴とする請求項３９乃至４２のいずれか１項に記載の方法。
44. 命令を有するデータキャリアであって、選択的なレーザー固化装置のプロセッサーによって実行されるときに、前記選択的なレーザー固化装置が請求項２６乃至４３のいずれか１項に記載のプロセスを実施することを引き起こす、データキャリア。
45. 粉末材料の層方向の固化によってオブジェクトをビルドするためのレーザー固化装置であって、ビルドプラットフォームを含有するビルドチャンバーと、粉末材料の層を前記ビルドプラットフォームの上に堆積させるためのデバイスと、それぞれの粉末層の領域を選択的に固化させるためにレーザービームを方向付けするための光学ユニットと、それぞれの粉末層の上に光パターンを投射するためのデバイスと、それぞれの粉末層の上の前記光パターンのイメージをキャプチャーするためのカメラとを備えることを特徴とするレーザー固化装置。
46. 選択的なレーザー固化プロセスを使用してビルドされるオブジェクトを測定する方法であって、粉末材料の層をビルドプラットフォームの上に堆積させることによって、および、オブジェクトをビルドするためにそれぞれの粉末層の領域を選択的に固化させるようにレーザービームを方向付けすることによって、オブジェクトがビルドされる方法であって、前記粉末層のうちの少なくとも１つの領域を選択的に固化させた後に、前記粉末層の上に光パターンを投射するステップと、投射された前記光のイメージをキャプチャーするステップとを含むことを特徴とする方法。
47. 前記光パターンは、フリンジ／回折パターンであることを特徴とする請求項４６に記載の方法。
48. 命令がその上に保存されているデータキャリアであって、命令は、プロセッサーによって実行されるときに、前記プロセッサーが粉末層の少なくとも１つのイメージを受け取ることを引き起こし、前記粉末層は、選択的な固化プロセスによって固化された領域を有しており、その領域の上に、光のパターンが投射され、前記粉末層の上の前記光のパターンから、それぞれの粉末層の固化された領域の幾何学形状を決定し、測定された幾何学形状をＳＴＬファイルなどのような入力幾何学的データと比較し、ビルドは、入力幾何学的データに基づいて、ビルドされる実際のオブジェクトとビルドされることが意図されたオブジェクトとの間の差を識別することを特徴とするデータキャリア。
49. 粉末材料の層方向の固化によってオブジェクトをビルドするためのレーザー固化装置であって、ビルドプラットフォームを含有するビルドチャンバーと、粉末材料の層を前記ビルドプラットフォームの上に堆積させるためのデバイスと、それぞれの粉末層の領域を選択的に固化させるためにレーザービームを方向付けするための光学ユニットと、それぞれの粉末層のイメージをキャプチャーするためのカメラと、前記粉末層の固化された領域を識別するためにイメージを分析するための分析ユニットとを備えることを特徴とするレーザー固化装置。
50. 粉末材料の層方向の固化によってオブジェクトをビルドするためのレーザー固化装置であって、ビルドプラットフォームを含有するビルドチャンバーと、粉末材料の層を前記ビルドプラットフォームの上に堆積させるためのデバイスと、それぞれの粉末層の領域を選択的に固化させるためにレーザービームを方向付けするための光学ユニットと、層の中の材料の刺激を与えられた放射によって発生させられる特性放射線を検出するための光検出器であって、特性放射線の特性スペクトルピークの波長を含む波長バンドの中の波長を検出するように配置されている、光検出器とを備えることを特徴とするレーザー固化装置。
51. 前記波長バンドは、７００ｎｍ未満の波長から構成されることを特徴とする請求項５０に記載のレーザー固化装置。
52. 前記波長バンドは、３００ｎｍから６００ｎｍの間であることを特徴とする請求項５１に記載のレーザー固化装置。
53. 前記光検出器は、フォトダイオードを備えることを特徴とする請求項５０乃至５２のいずれか１項に記載のレーザー固化装置。
54. 前記光検出器は、バンドパス（ノッチ）フィルターを備えることを特徴とする請求項５０乃至５３のいずれか１項に記載のレーザー固化装置。
55. 前記バンドパスフィルターは、７００ｎｍより上方の光の波長をブロックすることを特徴とする請求項５４に記載のレーザー固化装置。
56. 前記バンドパスフィルターは、３００ｎｍから６００ｎｍのバンド幅を有することを特徴とする請求項５４又は５５に記載のレーザー固化装置。
57. 前記光検出器によって検出される光強度に基づいて、レーザーユニットを制御するための制御ユニットを備えることを特徴とする請求項５０乃至５６のいずれか１項に記載のレーザー固化装置。
58. 前記制御ユニットは、検出される光強度に基づいて、ポイント距離、露出時間、スキャン速度、ハッチスペーシング、レーザーパワー、および、レーザーの焦点調整を変更するように配置されることを特徴とする請求項５７に記載のレーザー固化装置。

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