JP2019526473A - 付加製造におけるｚ高さ測定および調整のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】本開示のいくつかの実施形態では、材料堆積ベースの付加製造技術によって部品を付加製造することと；部品を付加製造すると同時に、測定Ｚ高さを決定するために非線形数理モデルによって堆積物のＺ高さを測定することであって、測定Ｚ高さは付加製造システムエネルギー源と溶融池のトップ面との間の距離である、測定することと；測定Ｚ高さと目標Ｚ高さとの間の差を特定するために、測定Ｚ高さを目標Ｚ高さと比較することと；目標Ｚ高さおよび測定Ｚ高さとして補正Ｚ高さを設定するために、モーションコントローラーを調整することと；補正Ｚ高さに基づいて付加製造供給材料を堆積させることと；を含む方法が提供される。【選択図】図１

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１６年９月１５日に出願された米国仮特許出願第６２／３９５，０３２号に基づく優先権を主張するものであり、当該仮出願の全内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

概して、本開示は、付加製造（ＡＭ）材料堆積プロセスのＺ高さ測定および制御のための装置および方法の様々な実施形態に関する。

より具体的には、本開示は、ＡＭ堆積のＺ高さを測定し、測定Ｚ高さが目標Ｚ高さと異なる場合、自動調整パラメータを与える非線形数理モデルを生成するシステムおよび方法に関する。

正確な幾何学的形状および一貫性のある特性（例えば、微細構造）を有するＡＭ部品造形を達成するには、付加製造（ＡＭ）供給材料の高精度で正確な堆積が必要である。

本開示のいくつかの実施形態では、材料堆積ベースの付加製造技術によって部品を付加製造することと；部品を付加製造すると同時に、測定Ｚ高さを決定するために非線形数理モデルによって堆積物のＺ高さを測定することであって、測定Ｚ高さは付加製造システムエネルギー源と溶融池のトップ面との間の距離である、測定することと；測定Ｚ高さと目標Ｚ高さとの間の差を特定するために、測定Ｚ高さを目標Ｚ高さと比較することと；目標Ｚ高さおよび測定Ｚ高さとして補正Ｚ高さを設定するために、モーションコントローラーを調整することと；補正Ｚ高さに基づいて付加製造供給材料を堆積させることと；を含む方法が提供される。

前述の実施形態のいずれかでは、追加的および／または代替的に、モーションコントローラーを調整することは、補正Ｚ高さを設定するために、付加製造システムエネルギー源に連結するモーションコントローラーに信号を送信することを更に含む。

前述の実施形態のいずれかでは、追加的および／または代替的に、非線形数理計算は：

であり、式中、ＳＤは付加製造システムエネルギー源と溶融池または前の層の堆積材料の表面との間のスタンドオフ距離であり、ｈは物理的画像センサーユニット上の像点ａと像点ｂとの間の距離であり、Ｌ１はレンズ中心から溶融池まで、または前の層の堆積材料の表面までの距離であり、αは線Ａａとエネルギー方向との間の角度であり、βは線Ａａと画像センサー表面との間の角度であり、ｆは焦点距離である。

前述の実施形態のいずれかでは、追加的および／または代替的に、Ｚ高さは負の値である。

前述の実施形態のいずれかでは、追加的および／または代替的に、付加製造システムエネルギー源は、溶融池に向かって垂直方向に下向きに調整される。

前述の実施形態のいずれかでは、追加的および／または代替的に、Ｚ高さは正の値である。

前述の実施形態のいずれかでは、追加的および／または代替的に、付加製造システムエネルギー源は、溶融池から垂直に離れる方向に上向きに調整される。

前述の実施形態のいずれかでは、追加的および／または代替的に、材料堆積ベースの付加製造技術は、ワイヤー供給堆積である。

前述の実施形態のいずれかでは、追加的および／または代替的に、材料堆積ベースの付加製造技術は、注入可能な流動粉末ベースの堆積である。

前述の実施形態のいずれかでは、追加的および／または代替的に、測定Ｚ高さは目標Ｚ高さである。

前述の実施形態のいずれかでは、追加的および／または代替的に、Ｚ高さを測定することは、撮像装置によって溶融池の画像を撮ることと；座標系によって付加製造システムエネルギー源に対する溶融池の位置を関連付けて計算することと；測定Ｚ高さと目標Ｚ高さとを比較することと；測定Ｚ高さと目標Ｚ高さとの間の偏差を計算することと；測定Ｚ高さと目標Ｚ高さとの間に偏差がある場合、それを最小化するためにＺ高さコントローラーによって、溶融池のトップ面に対してエネルギー源の高さを調節することと；を含む。

前述の実施形態のいずれかでは、追加的および／または代替的に、撮像装置は、エネルギー源の最下部と溶融池のトップ面との間の距離を測定するように構成される。

前述の実施形態のいずれかでは、追加的および／または代替的に、材料堆積ベースの付加製造技術のパラメータは、Ｚ高さを調節するために制御される。

前述の実施形態のいずれかでは、追加的および／または代替的に、Ｚ高さは、少なくとも部分的にＥビーム電力パラメータの値を調節することに基づいて調節される。

前述の実施形態のいずれかでは、追加的および／または代替的に、Ｚ高さは、少なくとも部分的に付加製造供給材料の供給速度を調節することに基づいて調節される。

前述の実施形態のいずれかでは、追加的および／または代替的に、センサーは、Ｚ高さの自動監視および／または制御を可能にする。

前述の実施形態のいずれかでは、追加的および／または代替的に、部品を付加製造するのと同時に、測定Ｚ高さを目標Ｚ高さと比較する。

前述の実施形態のいずれかでは、追加的および／または代替的に、モーションコントローラーは、部品を付加製造するのと同時に、補正Ｚ高さを提供するために、目標Ｚ高さと補正Ｚ高さとの差を減少させるように調整される。

本開示のいくつかの実施形態では、付加製造部品を保持するように構成される第一の表面を有する基材と；基材の反対側に配置され、基材の第一の表面に向かってエネルギービームを向けるように構成されるエネルギー源と；エネルギー源のハウジングに連結する第一の端部を有する治具と；治具の第二の端部に連結するセンサーであって、センサーは高温の付加製造材料によって放射された特定の波長の光を撮像するように構成される、センサーと；エネルギー源に連結し、エネルギー源から付加製造部品のトップ面までの垂直距離を調節するように構成されるモーションコントローラーと；を含む、方法が提供される。

前述の実施形態のいずれかでは、追加的および／または代替的に、モーションコントローラーは、モーションモーターおよびコントローラーを備える。

本発明の実施形態は、上で簡潔に要約され、以下でより詳細に論じられるが、添付の図面に図示された本発明の例示的実施形態を参照することによって理解されることができる。しかしながら、添付の図面は、本発明の典型的な実施形態のみを例示するものであり、したがってその範囲を制限するものではなく、本発明について他の同様に効果的な実施形態を認める場合があることに留意されたい。

図１は、本開示のいくつかの実施形態によるハードウェアシステムの実施形態の概略図を示す。

図２Ａ〜図２Ｃは、本開示のいくつかの実施形態による、様々なＺ高さ、および結果として生じる付加製造（ＡＭ）部品造形に対する影響の三つの異なる実施例を示す。

図３Ａおよび図３Ｂは、本開示の一つまたは複数の実施形態を採用できる二つの異なる供給原料ベースのＡＭ技術の二つの例示的概略図を示す。

図４は、本開示のいくつかの実施形態による、ソフトウェアシステムの測定および制御ループの実施形態の概略図を示す。

図５は、本開示のいくつかの実施形態による、特定のＡＭ造形層においてＺ高さ測定（例えば測定Ｚ高さ）するために、図１に示す変数および構成要素設計を用いて使用される非線形数理モデルの例を示す。

図６は、本開示のいくつかの実施形態によるＺ高さセンサーの実施形態を示す。

図７Ａ〜図７Ｃは、本開示のいくつかの実施形態による、システムを評価するために利用されるＺ高さ測定装置構成の実施形態の概略図および写真を示す。 図７Ａ〜図７Ｃは、本開示のいくつかの実施形態による、システムを評価するために利用されるＺ高さ測定装置構成の実施形態の概略図および写真を示す。 図７Ａ〜図７Ｃは、本開示のいくつかの実施形態による、システムを評価するために利用されるＺ高さ測定装置構成の実施形態の概略図および写真を示す。

図８Ａおよび図８Ｂは、図７Ａ〜図７Ｃで提供される構成の実験結果であり、本開示のいくつかの実施形態による、Ｚ高さシステムおよびＺ高さ方法の実施形態の実験的評価により得られたＺ高さデータを示す。

図９は、本開示のいくつかの実施形態に従って試験されたその場センサーの実施形態について、二つの異なるパス（ＡＭビード堆積）の連続的Ｚ高さ測定結果の実験データを示す。

図１０Ａおよび図１０Ｂは、本開示のいくつかの実施形態に従って試験されたその場センサーの実施形態の試験の一部として得られた異なるＺ高さ画像および処理結果の例を示す。

理解を容易にするために、図に共通する同一の要素を、できる限り同一の参照符号を使用して指定している。図は正確な縮尺では描かれておらず、明確にするために簡略化されることができる。一実施形態の要素および特徴は、更に詳述することなく、他の実施形態に有益に組み込まれてもよいことが意図される。

本発明を、添付図面を参照しながら更に説明するが、いくつかの図を通して類似の参照符号は類似の構造を示す。示した図面は必ずしも縮尺通りではなく、代わりに、概ね本発明の原理を説明することに重点が置かれている。更に、いくつかの特徴は、特定の構成要素の詳細を示すために誇張される場合がある。

図は、本明細書の一部を構成し、本発明の例示的な実施形態を含み、様々な対象物およびその特徴を例示する。更に、図は必ずしも縮尺通りではなく、特定の構成要素の詳細を示すためにいくつかの特徴が誇張される場合がある。更に、図に示される任意の測定値、仕様等は、例示的であり、限定的ではないことを意図する。したがって、本明細書に開示される特定の構造的および機能的詳細は、限定として解釈されるべきではなく、本発明を様々に用いることを当業者に教示するための単に代表的な根拠として解釈されるべきである。

開示された利点および改良点の中で、本発明の他の目的および利点は、添付図面と共に以下の説明から明らかになるであろう。本発明の詳細な実施形態は、本明細書に開示されている。しかしながら、開示された実施形態は、様々な形態で具現化され得る本発明を単に例示するものであることを理解されたい。更に、本発明の様々な実施形態に関連して与えられる各実施例は、例示を意図しており、限定を意図していない。

明細書および特許請求の範囲全体を通して、以下の用語は、文脈から判断して明らかに他の意味に解釈すべき場合を除いて、本明細書に明示的に関連する意味を取る。本明細書で使用する句「一実施形態では」および「いくつかの実施形態では」は、必ずしも同じ実施形態を指さないが、それを指す場合もある。更に、本明細書で使用する句「別の実施形態では」および「いくつかの別の実施形態では」は、必ずしも異なる実施形態を指さないが、それを指す場合もある。したがって、下記に説明するように、本発明の様々な実施形態を、本開示の主題の範囲と趣旨から逸脱することなく、容易に組み合わせてもよい。

いくつかの実施形態では、正確な幾何学的形状および一貫した品質を有する複雑な付加製造（ＡＭ）部品の量産を達成するために、信頼性の高いプロセスモニタリングおよび制御が重要である。Ａｍは、造形時間を実現可能なビジネスケースを達成するための重要な変数として用いる、１層ごとに造形するプロセスである。材料堆積ベースのＡＭプロセス、例えばＳｃｉａｋｙ（登録商標）タイプの電子ビーム付加製造およびＯｐｔｏｍｅｃ（登録商標）タイプのシステムは、高エネルギー源、例えば電子ビームまたはレーザーを使用して堆積したフィラー材料または供給粉末を溶融することにより部品を造形する。図３Ａおよび図３Ｂは、本開示のシステムおよび方法を用いることができる付加製造装置の二つの異なる例示的なタイプを示す。図３Ａは、Ｓｃｉａｋｙ（登録商標）タイプのＡＭ装置を介して利用可能である、ワイヤーベースのＡＭ堆積技術（即ち、電子ビームを用いるフィラーワイヤー）の例示的実施形態を示すが、一方、図３Ｂは、Ｏｐｔｏｍｅｃ（登録商標）タイプのＡＭ装置を介して利用可能である、注入可能な流動粉末ベースのＡＭ装置（即ち、レーザービームを用いる粉末供給）の例示的な実施形態を示す。

Ｚ高さは、造形されている部品のトップ面（即ち、溶融池のトップ面）とＡＭシステムエネルギー源との間の距離である。流体力学による溶融金属池のモーメント力および／または歪みのために、ＡＭ部品を造形する間にＡＭ機器を修正してＺ高さを変化させることなく、ＡＭ部品を造形する間、目標Ｚ高さを安定して実現することは困難である。Ｚ高さを制御することは、製品品質を達成する上で重要な要素である。

したがって、本開示のいくつかの実施形態では、Ｚ高さを制御するための方法が提供される。いくつかの実施形態では、方法は、材料堆積ベースの付加製造技術によって部品を付加製造することと；部品を付加製造すると同時に、測定Ｚ高さを決定するために非線形数理モデルによって堆積物のＺ高さを測定することであって、測定Ｚ高さは付加製造システムエネルギー源と溶融池のトップ面との間の距離である、測定することと；測定Ｚ高さと目標Ｚ高さとの間の差を特定するために、測定Ｚ高さを目標Ｚ高さと比較することと；目標Ｚ高さおよび測定Ｚ高さとして補正Ｚ高さを設定するために、モーションコントローラーを調整することと；補正Ｚ高さに基づいて付加製造供給材料を堆積させることと；を含む。

いくつかの実施形態では、非線形数理計算によって堆積物のＺ高さを測定することは、以下の式：

に従ってＺを計算することを更に含み、式中、ＳＤはエネルギー源と溶融池または前の層の堆積材料の表面（対象点Ａ）との間のスタンドオフ距離であり、ｈは物理的画像センサーユニット上の像点ａ（対象点Ａの像）と像点ｂ（対象点Ｂの像）との間の距離であり、Ｌ１はレンズ中心から対象点Ａまでの距離であり、αは線Ａａとエネルギー方向との間の角度であり、βは線Ａａと画像センサー表面との間の角度であり、ｆは焦点距離であり、Ｚ高さが負の値「Ｚ−」である場合、対象物はＡより上にあり（モーターが電子ビームを下に移動させるように調整／制御する）、Ｚ高さが正の値「Ｚ＋」である場合、対象物はＡより下にある（モーターが電子ビームを下に移動させるように調整／制御する）。

いくつかの実施形態では、目標Ｚ高さと比較することは、計算されたＺがＺ−またはＺ＋であるかどうかを評価することを含む。

いくつかの実施形態では、Ｚ高さを測定することは、撮像装置によって溶融池の画像を撮ることと；座標系によって付加製造システムエネルギー源に対する溶融池の位置を関連付けて計算することと；測定Ｚ高さと目標Ｚ高さとを比較することと；測定Ｚ高さと目標Ｚ高さとの間の偏差を計算することと；測定Ｚ高さと目標Ｚ高さとの間に偏差がある場合、それを最小化するためにＺ高さコントローラーによって溶融池のトップ面に対してエネルギー源の高さを調節することと；を含む。

本開示の様々な実施形態は、付加製造堆積プロセスのためのＺ高さ測定および制御（例えば、調整）のシステムおよび方法を含む。これらの実施形態は、ハードウェアシステム（いくつか挙げるとすると、例えば、センサー、治具、ＡＭ装置を含む構成要素）ならびにソフトウェアシステム／関連プロセス（例えば、測定モジュールおよびフィードバック制御モジュールを含む）を含む。

図１は、本開示のいくつかの実施形態によるハードウェアシステムの例示的な実施形態の概略図を示す。図１は、Ｚ高さセンサーが治具を介してＡＭエネルギー源に取り付けられる（固定される）ハードウェアシステムの実施形態を図示する。図１は、ＡＭエネルギー源、Ｚ高さセンサー、堆積材料（例えば、供給材料がＡＭ装置に供給される場合）およびＡＭ造形（例えば、基材／プラットフォームの上部で造形されている部品）の相対的位置決めの実施形態を示す。いくつかの実施形態では、ハードウェアシステムは、Ｚ高さ測定センサー２０（例えば、撮像装置および／またはカメラ）、ならびにセンサー２０をＡＭ装置のエネルギー源１２のハウジングに対して所定の固定位置のエネルギー源１２のハウジングに取り付けるように構成されるアーム（例えば、治具１４）を備える。いくつかの実施形態では、ハードウェアシステムは、基材２８（例えば、プラットフォーム）上に造形されているＡＭ部品３０の反対側（例えば、上方）に配置される。いくつかの実施形態では、ハードウェアシステムは、エネルギー源とＡＭ部品３０のトップ面との間の垂直距離を調節するために、エネルギー源１２に（例えば、エネルギー源のハウジングに）連結するモーションコントローラーを更に備える。いくつかの実施形態では、モーションコントローラーは、モーションモーター４２とコントローラー１６とを備える。

いくつかの実施形態では、センサー２０は、撮像装置（例えば、デジタルＣＣＤギガビットイーサネット（登録商標）カメラ）、光学レンズシステム、ならびにカメラおよびレンズシステムを保持するよう構成される治具で構成される。本明細書に記載のように、撮像装置（カメラ）およびレンズシステムは、撮像装置の幾何学的位置、角度、および向き、ならびに光学レンズ構成要素が治具内部で正確に配置および／または一直線に整列されるように、非線形数理モデルに基づいて構成される。

センサー２０は、供給材料２６をＡＭ部品３０上に堆積させるように構成されるエネルギー源を発生させる機器も高さ測定システムに組み込まれるように、高温材料（即ち、ＡＭ造形時のＡＭ堆積）によって放射される特定の波長の光を撮像するように構成される。したがって、本開示の一つまたは複数の実施形態は、三角測量による寸法測定を利用するために、追加の光源ではなく溶融池を利用する。より詳細には、本開示の実施形態のうちの一つまたは複数は、エネルギー源２０に対する堆積した材料の必要なＺ高さを測定するために、幾何学的三角測量の原理を利用する。

ソフトウェアシステムは、測定モジュールおよびフィードバック制御モジュールを含む。いくつかの実施形態では、測定モジュールは、機能、例えば画像取得、画像処理および解析、ならびにＺ高さ計算を含む。エネルギー源（例えば、電子ビームまたはレーザービーム）と、堆積材料（例えば、ワイヤー供給材料または粉末供給材料）と、一部の表面（例えば、ＡＭ部品造形の表面）との間で望ましい交点が得られるように、フィードバック制御モジュールは、Ｚ軸位置決めモーター（例えば、モーションモーター）の閉ループフィードバック制御における（例えば、非線形数理モデルによって決定される）測定Ｚ高さを利用するよう構成される。

いくつかの実施形態では、高温溶融池は、電子ビームエネルギー源またはレーザーエネルギー源のいずれかによる結果である。いずれの場合でも、高温溶融池によって放射される可視光を撮像し、三角測量の原理によってＺ高さを計算するために使用する。本開示の一つまたは複数の実施形態では、三角測量寸法測定は、測定スキームの一部としてＡＭ装置からの固有エネルギー源を利用する。いくつかの実施形態では、三角測量寸法測定において固有エネルギー源を利用する代わりに、カメラ／センサーは、三角測量測定スキームの目的で、高温溶融池によって放射される赤外光を撮像するよう構成される。本開示の一つまたは複数の実施形態では、画像処理方法は、固有の光源および／または溶融池の不規則な（即ち、同時のＡＭ造形の機能として本質的に不規則な）分布を克服するように構成される。

本開示の一つまたは複数の実施形態では、正確なＺ高さ測定および制御は、ＡＭ堆積プロセスの間の改善された材料高さ制御（例えば、ＡＭの自動監視、自動調整、および／または自動制御）をもたらす。

図２は、本開示の実施形態のうちの一つまたは複数で監視および制御される例を示す。例えば、図２Ａは、高すぎる測定Ｚ高さを示しており、ここで堆積材料およびエネルギービームは、（例えば、ＡＭ堆積物がＡＭ部品造形の表面上で滴下するように）ＡＭ部品造形の上方で交差する。この実施形態では、本実施形態から得られる測定Ｚ高さは、目標Ｚ高さとは異なるものである。したがって、本明細書に記載のシステムおよび方法は、モーターによって作動されるＺ高さを変化させることを含む。例えば、本明細書に記載のシステムおよび方法は、目標Ｚ高さを達成するためにエネルギー源１２を下げる。図２Ｂを参照すると、測定Ｚ高さは、目標Ｚ高さの所定／許容範囲内であり、システムおよび方法がＺ高さを監視し、調節が必要ないこと（例えば、Ｚ高さに変化がないこと）を確認する。図２Ｃを参照すると、測定Ｚ高さが低すぎるため、ｅビームおよび堆積材料が溶融金属池内で引きずられ、低造形品質または不安定プロセスとなる場合がある。この実施形態では、本実施形態から得られる測定Ｚ高さは、目標Ｚ高さとは異なるため、システムおよび方法はモーターによって作動されるＺ高さの変化させることを含む。例えば、本明細書に記載のシステムおよび方法は、目標Ｚ高さを得るためにエネルギー源１２を上昇させることになる。

図４は、本開示のいくつかの実施形態によるフィードバック制御モジュールの例示的な実施形態を示す。図４は、Ｚ高さ測定を例示し、また、ソフトウェアシステムがＺ高さ測定モジュール４４およびフィードバック制御モジュール１６を含むことを提示する。測定モジュール４４（即ち、Ｚ高さ測定）は、機能、例えば画像取得、画像処理および解析、ならびにＺ高さ計算を含む。Ｚ高さ計算モジュールは、所定の範囲、正確度、および解像度内で測定するために数多くの幾何学的および光学レンズパラメータを組み込む非線形数理モデルから開発された。

図４に示すように、フィードバック制御モジュール１６は、Ｚ軸位置を制御し（即ち、調整が必要な場合）、エネルギー源の目標Ｚ高さまたはエネルギービームと堆積材料との間の交点と一致する（またはその所定の閾値内の）実際の／測定された高さを得るために、リアルタイムで測定されるＺ高さを閉ループフィードバックとして使用するように構成される。つまり、実際のＺ高さ（測定Ｚ高さ）は設定Ｚ高さ（目標Ｚ高さ）と比較され、二つの値が（１）同一ではないか、または（２）所定の閾値外もしくは範囲外の量だけ異なるか、のいずれかの場合、測定Ｚ高さと目標Ｚ高さとの間のギャップ／差を埋めるためにモーションモーターによって、エネルギー源（例えば電子ビーム銃またはレーザーヘッド）をＡＭ部品造形に対して上下に移動／調整させる。

いくつかの例示的な実施形態では、目標Ｚ高さは１１インチで設定される。いくつかの例示的な実施形態では、目標Ｚ高さは１０．５インチで設定される。いくつかの例示的な実施形態では、目標Ｚ高さは１０インチで設定される。いくつかの例示的な実施形態では、目標Ｚ高さは１１．５インチで設定される。いくつかの例示的な実施形態では、目標Ｚ高さは１２インチで設定される。

いくつかの例示的な実施形態では、所定の閾値または範囲は、目標Ｚ高さの０．１２５インチ以内である。いくつかの例示的な実施形態では、所定の閾値または範囲は、目標Ｚ高さの０．１２０インチ以内である。いくつかの例示的な実施形態では、所定の閾値または範囲は、目標Ｚ高さの０．１１５インチ以内である。いくつかの例示的な実施形態では、所定の閾値または範囲は、目標Ｚ高さの０．１１０インチ以内である。

いくつかの例示的な実施形態では、所定の閾値または範囲は、目標Ｚ高さの０．１３０インチ以内である。いくつかの例示的な実施形態では、所定の閾値または範囲は、目標Ｚ高さの０．１３５インチ以内である。いくつかの例示的な実施形態では、所定の閾値または範囲は、目標Ｚ高さの０．１４０インチ以内である。いくつかの例示的な実施形態では、所定の閾値または範囲は、目標Ｚ高さの０．１４５インチ以内である。

図５を参照すると、本開示によるシステム（例えば、ＡＭ装置と共に用いられるセンサー）の一つまたは複数の実施形態で利用される設計パラメータと共に、非線形方程式が与えられる。非線形方程式は：

であり、式中、ＳＤはエネルギー源と溶融池または前の層の堆積材料の表面（対象点Ａ）との間のスタンドオフ距離であり、ｈは物理的画像センサーユニット上の像点ａ（対象点Ａの像）と像点ｂ（対象点Ｂの像）との間の距離であり、Ｌ１はレンズ中心から対象点Ａまでの距離であり、αは線Ａａとエネルギー方向との間の角度であり、βは線Ａａと画像センサー表面との間の角度であり、ｆは焦点距離であり、Ｚ高さがＺ−である場合、対象物はＡより上にあり、Ｚ高さがＺ＋である場合、対象物はＡより下にある。

非限定的な例として、エネルギー源と部品表面上の溶融池との間のＺ高さが変化すると、画像内の溶融池の位置も変化する。溶融池の画像位置に基づいて、パラメータｈを得ることができ、そして、Ｚ高さを上記の非線形数理方程式に基づいて算出することができる。

［実施例：Ｚ高さセンサーの実施形態］

図６を参照すると、取付治具はカメラおよび光学レンズ構成要素を保持する。カメラおよび光学レンズ構成要素の幾何学的位置、角度、および向きは、Ｚ高さ測定用に開発された非線形数理モデルに従って調整可能で正確に配置される。この実施形態では、カメラは、光学レンズ構成要素が望ましい距離および角度でＣＣＤセンサーユニットの前に配置されるように、Ｃマウントレンズアダプタが離れているデジタルＣＣＤカメラである。光学レンズシステム用の治具は、両凸光学レンズ、狭い帯域光学フィルター、減光フィルター、光学保護フィルター、およびピンホールのうちの一つまたは複数を含み得る異なる光学レンズ構成要素を保持している。

図６に示すように、エンクロージャーは、上述の構成要素を覆う／保持する。いくつかの実施形態では、センサーは、冷却システム（例えば、（水のような）液体および／または気体）を用いて構成される。いくつかの実施形態では、冷却システムはエンクロージャー内に組み込まれ、高温環境のためにＡＭ造形プロセス中にカメラの電子回路を冷却する。

いくつかの実施形態では、センサーは、エンクロージャーに組み込まれたガスパージシステム（例えば、窒素）で構成され、加圧ガスが光ピンホールを通って逃げることができるように構成され、このため、材料堆積プロセス蒸気が光学レンズ構成要素を汚染または損傷させるのを低減、防止、および／または排除することができる。いくつかの実施形態では、ピンホールのサイズは、光学系を保護するために適切なガス流を許容するように選択され、一方で、あまり多くのガスがチャンバーに入ることを許容しないか真空の品質を低下させない。いくつかの実施形態では、ピンホールは、光学システムが過度の干渉なしに光源（入射レーザまたは電子銃からの光）を集めて結像できるように構成される。

［実施例：実験室規模のＺ高さセンサーの評価］

実験室規模のＺ高さセンサーは、本明細書に詳述されるシステムおよび方法に基づいて構成され、図７Ａ〜図７Ｃに示す配置で評価された。計算されたＺ高さおよび部品の高さを、代表的な低温の（例えば、ＡＭ／材料堆積が行われていない）ＡＭ部品造形上で、左から右へ１０箇所にわたってＡＭ部品３０上で測定した。図７Ｂおよび７Ｃに示すように、評価されたＡＭ部品造形は、ＡＭ堆積が生じている場合にＺ高さが変わるような寸法をした表面を有していた。レーザーポイント発生器を利用して、エネルギー源を交換した。

部品表面上のレーザースポット４６の画像を図８Ａに示しており、二値画像（画素ごとに黒と白に変換された画像）として示されている。１０個の異なる位置にわたる部品の高さ測定値を図８Ｂに示し、画像センサー（カメラ）の実施形態によって得られたＺ高さ測定値は、コントロールの従来の測定技術、キャリパーを用いて得られる測定値とほぼ同等であることを示している。いかなるメカニズムまたは理論に束縛されるものではないが、測定精度は０．５ｍｍまたはそれよりも良く、これは、ＡＭベースの堆積用途に十分であると考えられる。

［実施例：ターゲットＺ高さの計算］

いくつかの実施形態では、粉末床ベースのシステムが利用される。そしてＡＭ部品の３Ｄ ＣＡＤモデルが生成され、層ごとに２Ｄの輪郭にコンピュータ処理によりスライスされ、その時点で各造形層について目標高さを計算できる。

付加造形は、堆積層の高さの標準値を用いてＡＭ部品を形成するために層の上に層を組み込むので、個々のＡＭ層またはビードの造形高さを計算することができる。付加製造作業における変動（例えば、エネルギー源が供給材料と相互作用する時間）は、温度に、したがって溶融金属池の幅および深さ（例えば、おそらく２層以上のＡＭ造形層の溶け込み）に影響を及ぼす可能性があることに留意されたい。

［実施例：溶融池を特定する］

溶融金属池のｘ座標は、エネルギー源（例えば、Ｅビーム銃）と部品との間の相対位置に対して構成される（即ち、金属池のｘ座標はＥビームの位置から下へ一直線になる）。

この実施形態では、センサー／撮像装置（例えば、カメラ）は、撮像装置がＥビーム銃に対して固定位置にあり、両方がＡＭ中に同時に移動するように、ワイヤー供給ベースのＡＭ装置のＥビーム銃に取り付けられる。Ｘ軸から見て電子ビームの中心が溶融池の中心とみなされるように、Ｅビーム位置は、Ｅビーム銃からのＥビームの位置によって決定される。

［実施例：溶融池のｙ座標を特定する（ｙＤ）］

溶融池の重心のｙ座標を決定するために、溶融池に適合する円の中心のｙ座標を、円の半径およびｘ座標からの位置に基づいて計算する。

撮像装置／センサーから取得されるグレースケールの原画像は、二値画像に変換される。グローバル閾値を全ての画像に適用すると、グローバル閾値は、閾値未満の場合は０〜２５５の範囲の画素を０にし、グローバル閾値よりも高い場合は画素を１にする。溶融池（白）および周囲の背景（黒）は、はっきりとしたコントラストで見える／区別できる。

溶融池の高さまたはｙ座標を得るために、二値画像中の粒子の縁部がフィッティング円に隣接するように、二値画像中の粒子に円をフィッティングさせる。二値画像には、少数個から数個、そして多数個の粒子があることができる。二値画像内の各粒子の面積を計算することによって、溶融池に対応する単一の候補粒子に選択範囲を狭める（例えば、そして、溶融池と一緒に混合されるワイヤフィードのサイズとしては小さすぎる粒子を除く）ことが可能である。

候補粒子には、フィットする少数個から数個、そして多数の円があり、それらを、（例えば、（Ｅビームの位置に対応する）ｘ軸およびｘ座標に対して）目的の領域の外側に位置する円の位置に基づいて比較して除外する。例えば、候補円の重心のｘ座標が領域の外側にある（即ち、電子ビームおよびＡＭ造形の方向に対して外側にある）場合、円全体を候補から除くことができる。

溶融池の中心について最良の候補が特定されると、フィット円の直径を使用して更に選択範囲を狭めることができる。最大直径を有する候補フィット円は、最良の候補である。残りの円は溶融池画像であり、フィット円の重心のｙ座標は、Ｚ高さ測定値を三角測量するために必要な変数である。

供給材料とエネルギー源（例えばＥビームまたはレーザー）との間の干渉は供給材料から溶融池の上に何度も影を落とすため、溶融池の前縁の画像は円が容易に収まるような形状ではない。その場合、溶融池のｙ座標を決定することができない。この場合、ｙ座標を決定するためのいくつかの手順がある：

１．二値画像をリサンプリングして、二値画像内の選択された画素列のみが次に分析されるようにする。選択されたピクセル列の開始インデックスは（ｘ−半径）になり、選択されたピクセル列の終了インデックスは（ｘ＋半径）になる。ｘは、上記の実施例で特定されたｘ座標（例えば、段落［００７５］〜［００７６］）であり、半径は、上で特定された（例えば、段落［００６３］のように）半径（２で割った直径）である

２．リサンプリングされた二値画像で、溶融池に対応する粒子の境界矩形の底部のｙ座標（ｙＢ）を特定する。

３．溶融池画像のｙ座標を（ｙＢ半径）として計算する。ｙＢは工程２で特定され、半径（２で割った直径）（例えば段落［００８３］で特定される）。

４．計算されたｙ座標は、Ｚ高さ測定値を三角測量にするために必要な変数である。

［実施例：その場ＡＭを用いたＺ高さセンサーの評価］

付加製造プロセス中にその場Ｚ高さ測定センサーの実施形態を試験するためにオンライン試運転を行った。Ｚ高さセンサーをＳｃｉａｋｙシステム上に取り付けた。したがって、溶融池の画像を、Ｚ高さセンサーによって２０ｆ／ｓのフレームレートで連続的にキャプチャーした。画像を、矩形ブロック部分の造形プロセスの二つの異なるパスにおけるＺ高さ測定の本方法の実施形態を用いて（例えば、概説した方法および対応するアルゴリズムを用いて）リアルタイムで処理した。図９は、試験されたその場センサーについての二つの異なるパス（ＡＭビード堆積）の連続的なＺ高さ測定結果を示す。図９は、両方のパス（即ち、フレーム＃１〜フレーム４００）についての全ての画像の実験データを示す。

画像フレーム＃１から＃２００まで（パス１）のＺ高さ測定結果は、１パスについて比較的高いＺ高さがあることを示し、ここで、抽出された溶融池からの距離はＥビーム銃の基準点から遠く離れている。この場合、フィードワイヤーは望ましくない高い高さで溶融され、溶融池の表面に滴下された。特定のメカニズムまたは理論に束縛されるものではないが、これは、不安定な造形プロセスおよび／または得られるＡＭ部品の低い造形品質（即ち、矛盾する微細構造および／または特性）をもたらすと考えられる。

対照的に、画像フレーム＃２０１から＃４００まで（パス２）の測定結果は、許容可能なＺ高さを示し、ここで供給ワイヤーは溶融池のちょうど表面で溶融された。特定のメカニズムおよび／または理論に束縛されるものではないが、プロセス（即ち、許容可能なＺ高さを有するプロセス）はより安定しており、したがってＡＭ部品における造形品質はより良好である（即ち、より一貫した微細構造および／または特性）と考えられる。

図１０Ａおよび図１０Ｂは、その場センサー試験の異なるＺ高さ画像および処理結果を示す。パス１（１０Ａ）およびパス２（１０Ｂ）からの例示的な画像が並べて示されており、結果として生じる溶融池の決定は、対応する画像内のハッシュされた円によって示されている。図１０Ａは、高すぎるＺ高さについて決定された溶融池を示し、一方、図１０Ｂは、許容可能な高さの（即ち、高すぎない、かつ低すぎない）Ｚ高さについて決定された溶融池を示す。

ＡＭ装置 １０
エネルギー源（電子ビーム） １２
治具 １４
コントローラー １６
Ｅビーム １８
Ｚ高さセンサー ２０
センサー内の光学系 ２２
Ｚ高さ ２４
供給材料（ワイヤー供給−Ｓｃｉａｋｙ、または粉末搬送ノズル−Ｏｐｔｏｍｅｃ） ２６
基材 ２８
造形されているＡＭ部品（堆積前） ３０
ＡＭ部品（最終） ３２
溶融合金溜まり ３４
（単一堆積経路における）再凝固合金 ３６
Ｅビームと供給材料との交点 ３８
供給装置 ４０
モーションモーター（エネルギー源およびＺ高さセンサーを移動／調整する） ４２
Ｚ高さ測定モジュール ４４
レーザースポット ４６

Claims (20)

1. 材料堆積ベースの付加製造技術によって部品を付加製造することと；
   前記部品を付加製造すると同時に、測定Ｚ高さを決定するために非線形数理モデルによって堆積物のＺ高さを測定することであって、前記測定Ｚ高さは付加製造システムエネルギー源と溶融池のトップ面との間の距離である、測定することと；
   前記測定Ｚ高さと目標Ｚ高さとの間の差を特定するために、前記測定Ｚ高さを前記目標Ｚ高さと比較することと；
   前記目標Ｚ高さおよび前記測定Ｚ高さとして補正Ｚ高さを設定するために、モーションコントローラーを調整することと；
   前記補正Ｚ高さに基づいて付加製造供給材料を堆積させることと；を含む、方法。
2. モーションコントローラーを前記調整することは、前記補正Ｚ高さを設定するために、前記付加製造システムエネルギー源に連結する前記モーションコントローラーに信号を送信することを更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 非線形数理計算は：
   であり、
   式中、ＳＤは前記付加製造システムエネルギー源と前記溶融池または前の層の堆積材料の表面との間のスタンドオフ距離であり、
   ｈは物理的画像センサーユニット上の像点ａと像点ｂとの間の距離であり、
   Ｌ１はレンズ中心から前記溶融池まで、または前記前の層の前記堆積材料の前記表面までの距離であり、
   αは線Ａａとエネルギー方向との間の角度であり、
   βは前記線Ａａと画像センサー表面との間の角度であり、
   ｆは焦点距離である、請求項１に記載の方法。
4. 前記Ｚ高さは負の値である、請求項３に記載の方法。
5. 前記付加製造システムエネルギー源は、前記溶融池に向かって垂直方向に下向きに調整される、請求項４に記載の方法。
6. 前記Ｚ高さは正の値である、請求項３に記載の方法。
7. 前記付加製造システムエネルギー源は、前記溶融池から垂直に離れる方向に上向きに調整される、請求項６に記載の方法。
8. 前記材料堆積ベースの付加製造技術は、ワイヤー供給堆積である、請求項１に記載の方法。
9. 前記材料堆積ベースの付加製造技術は、注入可能な流動粉末ベースの堆積である、請求項１に記載の方法。
10. 前記測定Ｚ高さは前記目標Ｚ高さである、請求項１に記載の方法。
11. 前記Ｚ高さを前記測定することは、
    撮像装置によって前記溶融池の画像を撮ることと；
    設計された非線形数理モデルによって前記付加製造システムエネルギー源に対する前記溶融池の前記位置を関連付けて計算することと；
    前記測定Ｚ高さと前記目標Ｚ高さとを比較することと；
    前記測定Ｚ高さと前記目標Ｚ高さとの間の偏差を計算することと；
    前記測定Ｚ高さと前記目標Ｚ高さとの間に前記偏差がある場合、それを最小化するために、前記Ｚ高さコントローラーによって、前記溶融池の前記トップ面に対して前記エネルギー源の前記高さを調節することと；を含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記撮像装置は、前記エネルギー源の最下部と前記溶融池の前記トップ面との間の距離を測定するように構成される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記材料堆積ベースの付加製造技術のパラメータは、前記Ｚ高さを調節するために制御される、請求項１１に記載の方法。
14. 前記Ｚ高さは、少なくとも部分的にＥビーム電力パラメータの値を調節することに基づいて調節される、請求項１３に記載の方法。
15. 前記Ｚ高さは、少なくとも部分的に前記付加製造供給材料の供給速度を調節することに基づいて調節される、請求項１３に記載の方法。
16. 前記センサーは、前記Ｚ高さの自動監視および／または制御を可能にする、請求項１０に記載の方法。
17. 前記部品を付加製造するのと同時に、前記測定Ｚ高さを前記目標Ｚ高さと比較する、請求項１に記載の方法。
18. 前記モーションコントローラーは、前記部品を付加製造するのと同時に、補正Ｚ高さを提供するために、前記目標Ｚ高さと前記補正Ｚ高さとの差を減少させるように調整される、請求項１に記載の方法。
19. 付加製造部品を保持するように構成される第一の表面を有する基材と；
    前記基材の反対側に配置され、前記基材の前記第一の表面に向かってエネルギービームを向けるように構成されるエネルギー源と；
    前記エネルギー源のハウジングに連結する第一の端部を有する治具と；
    前記治具の第二の端部に連結するセンサーであって、高温の付加製造材料によって放射された特定の波長の光を撮像するように構成される、センサーと；
    前記エネルギー源に連結し、前記エネルギー源から付加製造部品のトップ面までの垂直距離を調節するように構成されるモーションコントローラーと；を備える、装置。
20. 前記モーションコントローラーは、モーションモーター４２とコントローラーとを備える、請求項１９に記載の装置。