JP2017144484A - 付加製造におけるレーザ出力監視 - Google Patents

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Abstract

【課題】ワークピースを形成するための材料を選択的に溶融又は硬化させるべく、レーザ光源で生成されるビルドビームを用いる付加製造プロセスにおけるレーザ出力監視方法を提供する。
【解決手段】本方法は、ビルドビームを所定の割合で分割してサンプルビームを形成し、サンプルビームをセンサに誘導する工程と、センサを使用して、サンプルビームの出力に比例する信号を生成する工程と、センサからの信号を測定して、ビルドビームの出力レベルに関するレーザ出力測定代表値を生成する工程とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して付加製造に関し、より詳細には、付加製造におけるレーザ出力監視及びプロセス制御のための装置並びに方法に関するものである。
付加製造とは、材料を交互に積層して部品を形成するプロセスである。また、付加製造は「積層造形」、「反転加工」「直接金属レーザ溶融」（ＤＭＬＭ）、及び「３次元印刷」等の用語で呼ぶこともできる。これらの用語を、本発明の目的のために同義語として扱っている。
先行技術による付加製造装置に関する１つの課題として、実効レーザ出力が測定されていないということが挙げられる。もう１つの問題としては、レーザ出力を測定する際に、測定プロセスにおいて、その装置が「停止」状態である（すなわち、部品の製造中でない）必要があるということが挙げられる。これは装置利用の減少の一因となっている。
米国特許出願公開第２０１５／０１８５０９１号明細書
付加製造プロセスにおけるレーザ出力監視方法によって、こうした問題のうちの少なくとも１つが対処されている。
本明細書に記載した技術の一態様によると、ワークピースを形成するための材料を選択的に溶融又は硬化させるためレーザ光源で生成されるビルドビームを用いる付加製造プロセスにおけるレーザ出力監視方法が提供される。本方法は、ビルドビームを所定の割合で分割してサンプルビームを形成し、サンプルビームをセンサに誘導する工程と、センサを使用して、サンプルビームの出力に比例する信号を生成する工程と、センサからの信号を測定して、ビルドビームの出力レベルに関するレーザ出力測定代表値を生成する工程とを含む。
本明細書に記載した本技術の別の態様によって、ワークピース製造方法を提供する。本方法は、ビルドチャンバに材料を配置する工程と、レーザ光源で生成されるビルドビームを誘導して、ワークピースの断面層に一致するパターンにおいて、材料を選択的に溶融又は硬化させる工程と、ビルドビームを所定の割合で分割してサンプルビームを形成し、サンプルビームをセンサに誘導する工程と、センサを使用して、サンプルビームの出力に比例する信号を生成する工程と、センサからの信号を測定して、ビルドビームの出力レベルに関するレーザ出力測定代表値を生成する工程と、レーザ出力測定値に応じて、ワークピース製造における少なくとも一態様を制御する工程とを含む。
本明細書に記載した本技術の別の態様によれば、ワークピース製造装置は、ビルドチャンバと、ビルドビームを生成するように作動するレーザ光源と、ワークピースの断面層に一致するパターンにおいて、ビルドチャンバ内の材料を選択的に溶融又は硬化させるように、ビルドビームを誘導するように作動するビームステアリング装置と、レーザ光源とビームステアリング装置との間に配置され、ビルドビームを所定の割合で分割してサンプルビームを形成するように作動するビームスプリッタと、サンプルビームを受光するように配置され、かつサンプルビームの出力に比例する信号を生成するように作動するセンサとを備える。
例示的な付加製造装置の概略かつ一部断面正面図となっている添付図面と併せて以下の説明を参照することにより、本発明を最もよく理解することができる。
ただ１つの図面を参照すると、付加製造法を実施するのに適した付加製造装置１０が概略的に図示されている。装置１０の基本的構成要素には、テーブル１２と、粉末供給部１４と、リコータ１６と、オーバーフロー容器１８と、ビルドチャンバ２２が包囲するビルドプラットフォーム２０と、レーザ光源２４と、ビームステアリング装置２６とが含まれており、これらはすべてハウジング２８により包囲されている。これらの構成要素については、それぞれ下記でさらに詳述する。
テーブル１２は、平坦な作業面３０を画成する剛構造体である。作業面３０は仮想の作業平面と同一平面上にあり、かつこれを画成する。図示された実施例では、作業面３０は、ビルドチャンバ２２と連通しており、かつビルドプラットフォーム２０を露出するビルド開口部３２と、粉末供給部１４と連通した供給開口部３４と、オーバーフロー容器１８と連通したオーバーフロー開口部３６とを含む。
リコータ１６は、作業面３０上に存在する剛性かつ横方向に長尺状の構造体である。作業面３０に沿ってリコータ１６を選択的に移動させるように作動するアクチュエータ３８に、リコータ１６が接続されている。図において、空気圧シリンダもしくは液圧シリンダ、又はボールねじ式アクチュエータもしくはリニア電気アクチュエータ等の装置をこうした目的のために使用できるという理解のもとに、アクチュエータ３８を概略的に図示している。
粉末供給部１４は、供給開口部３４の下に存在し、かつこれと連通した供給容器４０と、エレベータ４２とを備える。エレベータ４２は、供給容器４０内で上下にスライド可能な板状構造体である。エレベータ４２を選択的に上昇かつ降下させるよう作動するアクチュエータ４４に、エレベータ４２が接続されている。図において、空気圧シリンダもしくは液圧シリンダ、又はボールねじ式アクチュエータもしくはリニア電気アクチュエータ等の装置をこうした目的のために使用できるという理解のもとに、アクチュエータ４４を概略的に図示している。エレベータ４２を降下させると、所望の組成物（例えば、金属、セラミック、及び／又は有機粉末）による粉末「Ｐ」の供給を供給容器４０に対して行うことができる。上昇させると、エレベータ４２は作業面３０の上に粉末Ｐを押し出す。他のタイプの粉末供給装置が使用され得、例えばオーバヘッド装置（図示せず）がビルドチャンバ２２内に粉末を落下させてもよい。
ビルドプラットフォーム２０は、ビルド開口部３２の下方で上下にスライド可能な板状構造体である。ビルドプラットフォーム２０を選択的に上昇かつ降下させるよう作動するアクチュエータ４６に、ビルドプラットフォーム２０が接続されている。図において、空気圧シリンダもしくは液圧シリンダ、又はボールねじ式アクチュエータもしくはリニア電気アクチュエータ等の装置をこうした目的のために使用できるという理解のもとに、アクチュエータ４６を概略的に図示している。ビルドプロセス中、ビルドチャンバ２２内へとビルドプラットフォーム２０を降下させると、ビルドチャンバ２２及びビルドプラットフォーム２０は、製造中の部品と共に粉末Ｐの塊をまとめて包囲し、かつ支持する。この粉末の塊は、一般に「粉末ベッド」と称され、また付加製造プロセスにおけるこのような特定のカテゴリは「粉末ベッドプロセス」と呼ばれる。
オーバーフロー容器１８はオーバーフロー開口部３６の下に存在し、これと連通しており、かつ過剰粉末Ｐの保存空間として機能する。
下記でさらに詳述しているように、レーザ光源２４は、ビルドプロセス中に適切な出力と、粉末Ｐを溶解かつ溶融するような他の動作特性とを有するレーザビーム「Ｂ」を生成するよう作動する、装置を備えていてもよい。
ビームステアリング装置２６は１以上の反射鏡、プリズム、及び／又はレンズを含み得、かつ適切なアクチュエータを備え得、またビームＢが所望のスポット径に集光され、かつ作業面３０と等しい高さにある平面の所望の位置に配光されるように配置し得る。簡便に説明するために、この平面はＸＹ平面と称され得、このＸＹ平面に垂直な方向をＺ方向（Ｘ、Ｙ、及びＺは、相互に垂直となっている３つの方向である）として示している。ビームＢは、本明細書では「ビルドビーム」と呼ばれる。図示された実施例では、光ファイバ２７と従来のコリメータ２９とを通じて、ビームステアリング装置２６にレーザエネルギーが伝達されている。
ハウジング２８は、装置１０における他の構成要素を隔離し、かつ保護するものである。後述するビルドプロセス中、ハウジング２８には適切なシールドガスの流入が施され、これは、数ある効用の中でも特に、ビルド環境において酸素を遮断することを特徴とする。
上記の装置を使用したワークピースＷの例示的な基本ビルドプロセスは、以下の通りである。ビルドプラットフォーム２０が最初に高位置に配置される。選択した層の増加分だけ、ビルドプラットフォーム２０が作業面３０から引き下げられる。層の増加分は付加製造プロセスの速度と、ワークピースＷの分解能とに影響を与える。一例として、層の増加分は約１０〜５０マイクロメートル（０．０００３〜０．００２インチ）であってもよい。次いで、例えばビルドプラットフォーム２０上に粉末「Ｐ」が配置され、その後供給容器４０のエレベータ４２が上昇することにより供給開口部３４から粉末が押し出され、作業面３０の上に露出されることとなる。作業面を横切ってリコータ１６が移動し、ビルドプラットフォーム２０上で堆積した粉末Ｐが水平方向に拡散される。過剰粉末Ｐがあった場合、リコータ１６が左から右へと通過する際、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内にこれが落下するようになっている。次いで、リコータ１６は開始位置に戻し得る。水平に均した粉末Ｐは「ビルド層」と称され得、露出した上部表面は「ビルド面」と呼ばれる。
製造中のワークピースＷの２次元断面又は２次元断面層を溶解するために、レーザ光源２４が使用されている。レーザ光源２４はビームＢを放射し、また、粉末の露出表面上に適切なパターンにおいてビームＢの集光スポットを設定する際に、ビームステアリング装置２６が使用されている。集光スポットを包囲する粉末Ｐの露出層におけるごく一部は本明細書では「溶融池」５２と称され、その焼結又は溶融、流動、及び圧密を可能にする温度まで、ビームＢによって加熱されている。一例として、溶融池５２は１００マイクロメートル（０．００４インチ）オーダーの幅であってもよい。本工程は、粉末Ｐを溶融する工程と呼ばれる。
層の増加分だけビルドプラットフォーム２０が垂直方向に降下され、また粉末Ｐの別の層が同様の厚さとなるように付加されている。レーザ光源２４は再度ビームＢを放射し、また、粉末の露出表面上に適切なパターンにおいてビームＢの集光スポットを設定する際に、ビームステアリング装置２６が使用されている。粉末Ｐの露出層は、最上層内、及び従前に固化させた下部層内の双方において、その焼結又は溶融、流動、及び圧密を可能にする温度まで、ビームＢによって加熱されている。
ビルドプラットフォーム２０の移動、粉末Ｐの付加、及びその後の粉末Ｐを溶融するエネルギーの配向に至るこのようなサイクルが、ワークピースＷ全体が完成するまで繰り返されている。
装置１０及びその動作を「粉末ベッド装置」の代表例として示している。本明細書に記載した原理が他のタイプの付加製造装置に適用可能であることは理解されよう。例えば、レーザを使用して液状樹脂層を選択的に硬化させてワークピースを形成するプロセスにより、公知のタイプの付加製造装置が作動する。このプロセスは光造形法（「ＳＬＡ」）と呼ばれる。
ビルドプロセスにおいて、不適切又は不安定なビーム出力は望ましくないものである。ビーム出力が高すぎたり低すぎたりする場合、一貫性のない溶融結果が生じる恐れがある。したがって、装置１０の作動中にレーザ出力を測定するよう作動するレーザ出力監視装置５４が、装置１０に設けられていてもよい。
レーザ出力監視装置５４は、ビームＢからのサンプルビーム「Ｓ」を分割し、サンプルビームＳをセンサ５８に誘導するように作動するビームスプリッタ５６を備える。サンプルビームＳは、ビームＢの出力の所定の割合を示す。
本明細書で使用される場合、用語「ビームスプリッタ」は、主要なビーム通路に沿ってビームＢの大部分を誘導するように作動し、かつビームにおいて制御された部分の方向転換を行うように作動する装置を含む。ビームスプリッタとして使用することができる装置の非限定的な例としては、誘電体反射鏡、プリズム、金属反射鏡が挙げられる。例えば、金属反射鏡は、入射光の大部分を反射するが、同時に入射光をいくらか透過するような態様で設けられていてもよい。
センサ５８は、サンプルビームＳを受光し、かつサンプルビームＳの出力に比例する信号を生成するよう作動する装置であってもよい。適切なセンサの非限定的な例としては、半導体ベースの検出器（例えば、フォトダイオード又はフォトダイオードアレイ）と光電子増倍管とが挙げられる。センサ５８は、ビームスプリッタ５６からサンプルビームＳを受光するように配置されている。
レーザ放射の漏出を防止するために、ビームスプリッタ５６とセンサ５８とを包囲する態様で、エンクロージャ６０が設けられていてもよい。
図示された実施例では、コリメータ２９の下流にビームスプリッタ５６が配置されている。ビームスプリッタ５６は、ビームＢの大部分を９０度方向転換し、これをビームステアリング装置２６に指向させている。サンプルビームＳがセンサ５８に指向されている。ビームスプリッタ５６及びセンサ５８に関しては、他の物理的配置が可能となっている。例えば、ビームスプリッタ５６はコリメータ２９の上流に配置し得る。
サンプルビームＳを構成すべく分割されるビルドビームＢの割合は、センサＳの感度と解像度とに基づいて決定し得る。ビルドビームＢにおいて利用可能な出力が低下する原因となるため、サンプルビームＳの必要エネルギーを最小限に抑えることが通常望ましい。例えば、レーザ光源２４が２００ワットの定格出力を有し、１％の分割が使用される場合、１９８ワットがビームステアリング装置２６に供給され、２ワットがセンサ５８に供給されることになる。
センサ５８の出力信号は、ビルドビームＢの出力を適切に示すように測定し得る。サンプルビームＳがレーザ出力の１％となっている上記の例では、ビルドビームＢの実効出力を示すために、センサの出力信号は１００倍の倍率で測定されることになる。サンプルビームＳにおける出力損失を補完するために、かつこれによってビーム出力測定の精度を向上させるために、必要に応じて、又は望ましい場合は、出力信号に対するさらなる調整又は調節が実施し得る。付加製造プロセスは、通常約１％のレーザ出力の変動を検知する。なお、センサ５８は市販されており、１ワット内のごく僅かな出力レベルを１％程度の精度で検出することができる。分割つまりセンサ５８への漏出量が非常に少なくなり、これは例えばレーザ光源２４の定格出力１％の１００分の１になると思われる。
センサ５８から取得したレーザ出力データを、種々の目的に使用することができる。例えば、装置の適格性確認のためにこのデータを使用することができる。本プロセスでは、装置１０を初回使用する前に、レーザ出力を特徴付ける目的でレーザ出力データが使用し得る。これは、後続の測定に対しベースラインを付与するとともに、使用者に装置１０に関する情報を提供する。例えば、特定の装置１０は、ビルドプロセス中に許容可能な結果を取得するために、平均レーザ出力の設定値よりも高い設定値を要し得る特有のレーザ出力を有することが知られ得る。
別の例として、レーザ出力データを装置の較正に使用することができる。本プロセスでは、例えば３ヵ月から６ヵ月ごと等の一定間隔で、レーザ出力を特徴付ける目的で上記のセンサ５８が使用し得る。一連のレーザ出力データ収集物はベースラインのレーザ出力データと比較され、かつ／又はデータ収集物間で、比較し得る。また、レーザ出力データはレーザ光源２４の定格出力と比較し得る。こうした比較は、装置特性の変化を識別するのに役立つ可能性がある。装置の保守又は修理という形態において、装置の補正措置を講じることができる。
監視方法は、本明細書では「レーザ出力制限値」と称される、例えば最小出力、又は最大出力等のレーザ出力に対する１以上の所定の制限値（選択されたか、要求されたか、又は指定された出力レベルに対する）を設定する工程を含み得る。
監視方法は、１以上のレーザ出力制限値が超過されたことに応じて、ローカル又はリモートの操作者に視覚警報又は音響警報を供給する等の個別の措置を講じる工程を含み得る。
監視方法は、１以上のレーザ出力制限値が超過されたことに応じて、ビルドプロセスを中断又は停止する工程を含み得る。これは個別の措置に関するもう１つの例である。
監視方法は、比例制御ロジック、比例積分制御ロジック、もしくは比例・積分・微分制御ロジック、又はニューラルネットワーク制御アルゴリズム、或いはファジー論理制御アルゴリズムを使用した統計的プロセス制御、フィードフォワード制御、フィードバック制御等の方法を使用して、レーザ出力のリアルタイム制御を実施する工程を含み得る。
上記の装置の動作は、例えばプログラマブル論理制御装置（「ＰＬＣ」）又はマイクロコンピュータ（図示せず）等の１台以上の装置に搭載された１以上のプロセッサ上で実行中のソフトウェアによって、制御されていてもよい。このようなプロセッサを、例えば有線又は無線接続を介して、センサ及び動作構成要素に連結することができる。同一のプロセッサ（単数又は複数）を、統計的解析及びフィードバック制御のためにセンサデータを取得して解析するために、使用することができる。
本明細書に記載した方法は、従来技術に勝るいくつかの利点を有する。特に本方法により、ビルドプロセスの中断を最小限に抑えつつ、ビーム出力を安定させることが可能となっている。これには、ワークピースの変形率及びスクラップ率を低減し、部品品質を向上させつつ、装置１０の状態を監視するという潜在性が含まれる。
上記において、付加製造プロセスにおけるビーム出力監視のための装置及び方法を記載する。本明細書に記載した特徴のすべて（添付した特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む）、及び／又は同様に開示した方法もしくはプロセスにおける工程のすべてを、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、あらゆる組合せで組合せることができる。
特に明記しない限り、本明細書に開示した特徴（添付した特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む）をそれぞれ、同一の、同等の、又は類似した目的を果たす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、開示した特徴はそれぞれ、同等の、又は類似した特徴の一般的な系列のうちの一例に過ぎない。
本発明は、上記の実施形態（単数又は複数）の詳細に限定されるものではない。本発明は、本明細書に開示した特徴（添付した認められ得る新規な点、要約書、及び図面を含む）の新規な１つ、又は新規な組合せ、或いは、同様に開示した方法もしくはプロセスにおける工程の新規な１つ又は新規な組合せにまで及ぶものである。
１０ 付加製造装置
１２ テーブル
１４ 粉末供給部
１６ リコータ
１８ オーバーフロー容器
２０ ビルドプラットフォーム
２２ ビルドチャンバ
２４ レーザ光源
２６ ビームステアリング装置
２８ ハウジング
２９ コリメータ
３０ 作業面
３２ ビルド開口部
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
２７ 光ファイバ
５２ 溶融池
５４ レーザ出力監視装置
５６ ビームスプリッタ
５８ センサ
６０ エンクロージャ

Claims (10)

  1. ワークピース（Ｗ）を形成するための材料を選択的に溶融又は硬化させるためレーザ光源（２４）で生成されるビルドビーム（Ｂ）を用いる付加製造プロセスにおけるレーザ出力監視方法であって、
    ビルドビーム（Ｂ）を所定の割合で分割してサンプルビーム（Ｓ）を形成し、サンプルビーム（Ｓ）をセンサ（５８）に誘導する工程と、
    センサ（５８）を使用して、サンプルビーム（Ｓ）の出力に比例する信号を生成する工程と、
    センサ（５８）からの信号を測定して、ビルドビーム（Ｂ）の出力レベルに関するレーザ出力測定代表値を生成する工程と
    を含む、レーザ出力監視方法。
  2. ビルドビーム（Ｂ）は反射光学素子（５６）を通した伝達によって分割される、請求項１に記載の方法。
  3. レーザ出力測定値をレーザ光源（２４）の定格出力と比較する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  4. レーザ出力測定値に応じて、付加製造プロセスにおける少なくとも一態様を制御する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  5. 制御する工程は、レーザ出力測定値が１以上の所定のレーザ出力制限値を超過したことに応じて、個別の措置を行う工程を含む、請求項４に記載の方法。
  6. １以上の所定のレーザ出力制限値は、レーザ出力測定値と所望のレーザ出力値との間に極大差を含む、請求項５に記載の方法。
  7. 制御する工程は、付加製造プロセスにおける１以上のプロセスパラメータを変更する工程を含む、請求項３に記載の方法。
  8. センサ（５８）は固体半導体検出器を含む、請求項１に記載の方法。
  9. センサ（５８）は光電子増倍管を含む、請求項１に記載の方法。
  10. ビルドチャンバ（２２）と、
    ビルドビーム（Ｂ）を生成するように作動するレーザ光源（２４）と、
    ワークピース（Ｗ）の断面層に一致するパターンにおいて、ビルドチャンバ（２２）内の材料（Ｐ）を選択的に溶融又は硬化させるように、ビルドビーム（Ｂ）を誘導するように作動するビームステアリング装置（２６）と、
    レーザ光源（２４）とビームステアリング装置（２６）との間に配置され、かつビルドビーム（Ｂ）を所定の割合で分割してサンプルビーム（Ｓ）を形成するように作動するビームスプリッタ（５６）と、
    サンプルビーム（Ｓ）を受光するように配置され、かつサンプルビーム（Ｓ）の出力に比例する信号を生成するように作動するセンサ（５８）と
    を備える、ワークピース製造装置。
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