JP2020510555A - 付加製造プロセスに基づくレーザ粉末堆積において不確定性に起因して生じる形状誤差をロバストに低減する方法および装置 - Google Patents

Abstract

付加製造（ＡＭ）プロセスを最適化する方法は、付加製造プロセスの少なくとも１つの設計パラメータを受け取ること、付加製造プロセスの少なくとも１つの別のパラメータにおける不確定性に関連する情報を受け取ること、少なくとも１つの設計パラメータと不確定性情報とに基づき、最適化プロセッサにおいて不確定性定量化を実施して、作成される物体における形状誤差を特定すること、付加製造プロセスの少なくとも１つの設計パラメータを更新すること、および更新された少なくとも１つの設計パラメータを付加製造プロセスにおいて使用することを含む。付加製造プロセスを最適化するシステムは、製造すべき物体のために少なくとも１つの設計パラメータを生成する設計プロセッサと、最適化プロセッサとを含み、この最適化プロセッサは、少なくとも１つの設計パラメータと不確定性情報とを受け取って、製造すべき物体における形状誤差を特定し、製造プロセスの前または間に形状誤差に基づき設計パラメータを更新する。

Description

関連出願の相互参照
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、"METHOD FOR ROBUST REDUCTION OF SHAPE ERROR IN LASER POWDER DEPOSITION BASED ADDITIVE MANUFACTURING PROCESS, BASED ON OPTIMIZATION UNDER UNCERTAINTY"の名称で２０１７年３月１０日に出願された米国仮特許出願第６２／４６９，５８７号に対する優先権を主張するものである。その開示内容はすべて、ここで参照したことにより本願の開示内容に含まれるものとする。

技術分野
本願は付加製造プロセスに関する。

背景
付加製造（ＡＭ）は、コンピュータ制御のもとで材料を結合または凝固して３次元（３Ｄ）物体を生成するプロセスを伴う。作成すべき物体を任意の形状のものとすることができ、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）またはコンピュータ支援エンジニアリング（ＣＡＥ）のツールなど、コンピュータ支援によるプロセスまたはアプリケーションを利用して、設計を行うことができる。付加製造ファイル（ＡＭＦ）など他のコンピュータベースのファイルによれば、順次連続する材料層が組み合わさって３Ｄ物体形状全体が規定されるという観点から、３Ｄ物体が定義される。ＡＭＦが３Ｄプリンタまたは付加製造装置に供給されると、３Ｄプリンタ装置が層ごとに材料を逐次加えて所望の３Ｄ物体を構築できるようにする情報が、ＡＭＦによってもたらされる。

ＡＭの１つの方法によれば、順次連続する層を生成するためにレーザが用いられる。レーザ粉末堆積（ＬＰＤ）または指向性レーザ堆積の場合、付加的な材料を加えるべき箇所で、レーザによって金属基板のごく一部が溶融される。ノズルを用い新たな材料を含む粉末が、圧力の加えられた不活性ガスを利用して、基板に生成された溶融プールに向けて案内される。次いで粉末および溶融プールを凝固させて、新たな基板を生成することができる。所望の３Ｄ物体を作成するために、順次連続する層各々に対しこのプロセスが繰り返される。

コンピュータ支援ツールを用いることで、３Ｄ物体のために最適化された設計を生成することができる。理想的な条件下であるならば、３Ｄプリンティング装置は最適化された設計を実行して最適化された最終製品を生成するであろう。実際には、製品が最適化された設計と正確に合致するのを妨げる正常変動が発生する。製造用途であればこのことにより、作成された部品とそれらの部品に対応づけられた設計との不一致からだけでなく、３Ｄプリンティング装置に影響を及ぼす周囲環境要因に起因して個々の部品間に生じる変動からも、部品品質の問題が発生する。レーザパワー、レーザと基板との距離（スタンドオフ距離）、ノズルと溶融プールとの距離、レーザ移動速度、粉末供給レートなどの様々なパラメータ、ならびに周囲の温度、湿度および振動などの周囲環境条件がすべて、ＡＭプロセスにおける変動に関与する可能性がある。しかもこれらおよびその他の変動原因は各々、不確定性を伴う要因によって影響を受ける。不確定であるため、これらの作用を設計により取り除き、設計中および製造作業段階中に最適化することができない。しかも、変動に含まれる不確定性に起因して、３Ｄプリンティング装置を調節するなど、他の最適化技術を見越して行うことができない。

従来、オフライン状態中の決定論的最適化によって、または観察可能なまたは導出されたプロセス痕跡（たとえば目視可能または測定可能な痕跡）に着目して、プリンティングプロセス中に開ループ制御または閉ループ制御することによって、変動に対処してきた。ただしこれらのアプローチでは、時間の経過と共に変動するという特性を有する不確定性に対処することができない。よって、ＡＭプロセスにおける不確定性に対処するように改善された方法およびシステムが望まれる。

概要
本明細書で説明する実施形態の態様によれば、付加製造（ＡＭ）プロセスを最適化する方法は、最適化プロセッサにおいて、付加製造プロセスの少なくとも１つの設計パラメータを受け取ること、付加製造プロセスの少なくとも１つの別のパラメータにおける不確定性に関連する情報を受け取ること、少なくとも１つの設計パラメータと不確定性に関連する情報とに基づき、最適化プロセッサにおいて不確定性定量化を実施して、付加製造プロセスにおいて作成される物体における形状誤差を特定すること、付加製造プロセスの少なくとも１つの設計パラメータを更新すること、および更新された少なくとも１つの設計パラメータを付加製造プロセスにおいて使用することを含む。

付加製造プロセスの少なくとも１つの別のパラメータにおける不確定性に関連する情報を、確率データとして受け取ることができる。確率データを確率分布の形態にあるものとすることができる。一部の実施形態によれば確率分布は、ガウスノイズに基づく正規分布をとる。別の実施形態によれば確率分布は、観察された認識に基づく確率分布関数から導出される。

作成される物体における形状誤差を特定することはさらに、受け取った少なくとも１つの設計パラメータと不確定性に関連する情報とに基づき、付加製造プロセスのシミュレーションを繰り返し実行して、計算された形状誤差を生成するステップと、反復のたびに形状誤差を定量化するステップと、信頼性のある形状誤差が得られたならば、反復を停止するステップとを含むことができる。本開示で説明する実施形態による付加製造プロセスは、３次元（３Ｄ）プリンティング装置において付加製造プロセスを実施することを含むことができる。３Ｄプリンティング装置は、レーザ粉末堆積を実施するように構成されている。本発明の実施形態の態様によれば、付加製造プロセスの開始に先立ち、不確定性定量化が実施され、少なくとも１つの設計パラメータが更新される。

付加製造（ＡＭ）プロセスを最適化するシステムは、付加製造プロセスによって製造すべき物体のために少なくとも１つの設計パラメータを生成するように構成された設計プロセッサと、最適化プロセッサとを含み、この最適化プロセッサは、少なくとも１つの設計パラメータを受け取り、付加製造プロセスの少なくとも１つのプロセスパラメータにおける不確定性を表す情報を受け取り、製造すべき物体における形状誤差を特定し、特定された形状誤差に基づき少なくとも１つの設計パラメータを更新するように構成されている。このシステムはさらに３次元（３Ｄ）プリンティング装置を含むことができ、この３次元（３Ｄ）プリンティング装置は、少なくとも１つの設計パラメータを受け取り、この少なくとも１つのパラメータに基づき製造すべき物体を作成するように構成されている。

実施形態によれば３Ｄプリンティング装置はさらに、製造中に測定値を取得してそれらの測定値を最適化プロセッサに供給するように構成された測定装置を含むことができ、この場合、最適化プロセッサは受け取った測定情報を使用して、形状誤差を最小化するために少なくとも１つのパラメータを再計算し、再計算された少なくとも１つのパラメータを３Ｄプリンティング装置に伝達する。

一部の実施形態によれば３Ｄプリンティング装置は、レーザ粉末堆積（ＬＰＤ）を実施するように構成されている。

少なくとも１つのプロセスパラメータにおける不確定性を表す情報を、不確定性に起因する製造誤差の確率分布の形態にあるものとすることができる。少なくとも１つの設計パラメータは、付加製造装置におけるレーザパワーと付加製造装置におけるレーザ移動速度のうち少なくとも一方を含み、少なくとも１つのプロセスパラメータの不確定性情報を、付加製造装置のレーザと製造すべき物体との距離により決定されるスタンドオフ距離とすることができる。最適化プロセッサをさらに、受け取った少なくとも１つの設計パラメータと不確定性情報とを用いて、付加製造プロセスのシミュレーションを実行し、付加製造プロセスのシミュレーション中に形状誤差を繰り返し計算するように構成することができる。最適化プロセッサはさらに、各反復中に不確定性情報に基づき不確定性を定量化することができる。最適化プロセッサは、形状誤差を求めるために不確定性情報からのサンプル数を選択することができ、シミュレーションセットを実施し、ただし各シミュレーションはそれぞれ異なるサンプル数に基づくものであり、各シミュレーションについて平均期待誤差と誤差範囲とを求め、誤差範囲が予め定められた閾値よりも小さい最小サンプル数を有するシミュレーションに対応するサンプル数を選択する。

以下の詳細な説明を添付の図面を参照しながら読めば、本発明の前述の態様およびその他の態様の理解が最も深まる。本発明を例示する目的で、図面には現時点で好ましい実施形態が示されているけれども、本発明は開示された特定の手段に限定されるものではないことを理解されたい。図面には以下の図が含まれている。
本開示の実施形態の態様に従いＡＭプロセスを最適化するためのプロセスを示すブロック図である。 本発明の実施形態の態様に従い形状誤差を確実に特定する目的でサンプル数を求めるためのグラフを示す図である。 本発明の実施形態の態様に従いＡＭプロセスを最適化するシステムを示す図である。 本開示の実施形態の態様に従いＡＭプロセスを最適化する方法を示すプロセスフローチャートである。 本開示の実施形態の態様に従いＡＭプロセスを最適化する方法を実施するコンピュータシステムを示す図である。

詳細な説明
寸法および形状の誤差、不所望な有孔率、層の剥離、ならびに不十分なまたは不定の材料特性を含む部品品質の問題によって、ＡＭの普及は困難な状況となっている。指向性レーザ堆積としても知られるレーザ粉末堆積（ＬＰＤ）は、学術研究および産業用途において注目度が増してきたＡＭプロセスである。一般的にＬＰＤは、新たな材料が被加工物に加えられる箇所で、レーザにより金属基板のごく一部を最初に溶融することによって動作する。次に、材料の粉末がノズルから溶融プールに噴射される。粉末は、ノズルを通して導かれる不活性ガス流を用いて案内される。堆積させられた粉末および溶融プールが凝固して、新たな基板が形成される。

ＬＰＤプロセスの場合、出力された物体の最終的な形状および特性は、他にもいろいろある中で、レーザパワー、レーザが移動する速度、粉末供給レート、ノズルと基板との距離、またはレーザと基板との距離（たとえばスタンドオフ距離）など、多くの要因によって影響を受ける可能性がある。たとえばレーザパワーによって、溶融プールの温度およびサイズを決定することができる。同様に材料供給レートおよびレーザ移動速度によって、目下のＡＭプロセスステップにおいてワークピースに加えられる新たな材料の量を決定することができる。

これに加え、スタンドオフ距離およびステップオーバー距離（堆積の各ライン間の距離）など他のパラメータも、プリントされる部品の形状および品質全体に作用を及ぼす。３Ｄプリンタにおいてプリンティングプロセス開始時に多数のパラメータを設定することができ、これらのパラメータはプリンティングプロセス中、一定であるとみなされる。実際にはこれらのパラメータは、ＡＭプロセス中に進行する基板の形状における変化に起因して、絶えず変動する。周囲環境要因には、温度および湿度の変化、材料特性の変化、または機器の公差、ならびに振動などのノイズが含まれ、これらの要因によって、設計されたものと実際に作成されたものとの間に重大な相違が引き起こされる可能性がある。このため、作成される部品の望ましい形状および品質を考えるならば、変動およびノイズにより不確定性が引き起こされることから、それらを考慮する目的で設計およびプロセスのパラメータにおいて最適化の必要性が生じる。ＡＭプリンティングプロセス中に入り込む不確定性という観点において、ＡＭプロセス中に最適化を実施することができる。

前述の困難な課題に鑑み、また、望ましい部品の形状および品質を保証してＬＰＤなどＡＭ技術の普及を促進するために、以下のことに対処するのが重要である。すなわち、
・ＡＭプロセスパラメータとプロセス／部品特性との間の相関関係を確立する。
・プリンティングプロセス開始前に不確定のプロセスパラメータの最適値を決定する。
・プリンティング進行中、センサ測定からのフィードバックに基づきプロセスパラメータを調節する。

本開示で説明する方法およびシステムは、ＡＭプリンティングプロセス開始に先立ち、プロセスパラメータにおける不確定性に対処する最適値を決定するために、第２および第３の項目に対処しようというものである。この問題に対する従来のアプローチは、オフライン段階中の決定論的最適化プロセスを含むことができる。プリンティングプロセス中、溶融プールの形状および温度など可視のプロセス痕跡、または溶融プールの深さおよび残留応力など分析的なモデリングまたはシミュレーションにより求められる導出されたプロセス痕跡の観察を通して、開ループ制御または閉ループ制御が実施される。

本開示の実施形態においては、所望のまたは設計された物体形状とプリントされた実際の形状との間の形状相違を最小化するための方法について説明する。実際の状況では、すべてではないにしてもほとんどのパラメータが、ある程度の不確定性を有する。ノイズの原因には、プリンティング機器稼働中の温度および湿度の変化など周囲環境の不確定性、ならびに限られた機器精度（たとえば公差）および基板振動など機器の不確定性が含まれる可能性がある。これらの不確定性によって、たとえ最適な処理パラメータを計算するために使用されるプロセスモデルが正確であるとみなされていても、出力された作成物と設計との間に不一致が引き起こされる。本開示の実施形態によれば、上述の困難な課題は、不確定性のもとでのオフライン最適化（offline optimization under uncertainties, OUU）を介して対処される。

実施形態によれば、ＯＵＵの出力を決定論的最適化と区別することができる。決定論的最適化は、すべての設計パラメータに対応する決定論的値セットを使用する。ＯＵＵの場合、少なくとも一部のパラメータが、決定論的最適化の場合のように一定に保持されているのではなく、確率分布の形態で不確定性を認識する。一部の実施形態によれば、１つの共通する前提は、所与のパラメータがガウスノイズ（たとえば正規分布）の影響を受けている、ということである。別の実施形態によれば、（たとえば過去の経験から）ノイズに関して十分な認識が得られる箇所で、もっと複雑な確率密度関数（ＰＤＦ）を考慮することができる。パラメータに関連する不確定性を、不確定性定量化（ＵＱ）のアプローチによって、最適化の目的関数に伝達することができる。よって、ＯＵＵの目的は、目的関数の期待値を最小化することである。

次に１つの例について説明する。この場合、レーザパワーおよびレーザ速度が設計パラメータとして想定されている一方、スタンドオフ距離は何らかのタイプの確率分布の特性を有する。このケースにおいてＯＵＵの目標は、スタンドオフ距離の不確定性に起因する予期される形状領域相違（ΔＡで表される形状誤差）が最小化されるように、レーザ速度およびレーザパワーを最適化することである。このシナリオは非制限的な例として与えられたものであるが、当業者であれば、１つまたは複数のプロセス設計パラメータあるいはそれらの組み合わせに関して、この方法を使用できることを理解するであろう。この方法を、種々の設計されたプロセスパラメータ、不確定なパラメータおよび目的関数と共に使用することができる。

図１は、本開示の実施形態によるスタンドオフ距離の不確定性に関するレーザパワーおよびレーザ速度の最適化ワークフローを示すプロセスフローチャートである。１つまたは複数の設計パラメータ１０１が選択される。選択された設計パラメータ１０１に関して、レーザポジションまたはスタンドオフ距離などのパラメータ１０５における不確定性の観点で、不確定性定量化プロセス１０３が実施される。選択された設計パラメータ１０１およびパラメータ１０５における不確定性を用い、ＡＭプロセスのシミュレート１０７が行われる。ここで前提とするのは、パラメータ１０５における不確定性は確率分布関数に従う、ということである。シミュレーション１０７は、形状誤差ΔＡ １０９の値を計算するために実施される。形状誤差１０９に基づき不確定性の再定量化１０３が行われ、不確定パラメータ１０５が、不確定パラメータ１０５のＰＤＦを介してシミュレートされる。ＵＱ１０３のループは、ΔＡ １０９の信頼性のある値が見つけられるまで続けられる。期待形状誤差１１１が最適化関数１１３に供給される。最適化関数１１３は、入力として形状誤差ΔＡをとる次の設計パラメータ１０１のセットを選択する。設計パラメータ１０１のために最適化された出力が不確定パラメータ１０５に基づき生成されるまで、このプロセスの反復１１５が行われる。複数回実施された反復に基づき、または最適化された設計パラメータ１０１が収束するまで、最適化された出力を求めることができる。目下の反復と先行の反復との間における設計パラメータ１０１の変化が、予め定められた何らかの閾値よりも小さければ、収束と判断することができる。最適化１１３の目標は、形状誤差ΔＡ １０９を最小化することである。

形状相違領域の期待値を取得するために、不確定パラメータ１０５がその確率分布に基づきサンプリングされる。１つの例示的なサンプリング方法は、均一なサンプリングによるものである。例として挙げると、不確定性（ノイズ）がガウス状である不確定領域の標準偏差の−２倍から＋２倍までの範囲にわたって、不確定量を均一にサンプリングすることができる。このケースでは、形状相違領域の予期される関数値は

であり、ただしｐ_ｉは各サンプリングポイントの確率、ｆ_ｉはそのポイントに対する関数値、さらにＮはサンプリングポイント数である。

図２は、本開示の一部の実施形態の態様に従い、必要とされるサンプリングポイント数を決定するための分析について示す図である。水平軸２０１上に示されているサンプリングポイント数は、対数的に変化する。サンプリングポイント１０の種々の個数について、シミュレーション２０３ａ〜ｊのセットを実施して関数を求め、各セットについて期待誤差を求めることができる。期待誤差の平均２０５と誤差範囲２０７とが計算される。誤差のバーの長さが所与の閾値よりも短ければ、対応する個数のサンプル２０１で十分であると決定することができる。たとえば１つの実施形態によれば、シミュレーション２０３ｈに対応する２^８個のサンプルであれば、不確定性定量化を実施するために妥当なサンプル数がもたらされることになる。

本開示の実施形態による方法によれば、周囲環境要因または機器の変動に起因して不確定性の影響を受けるプロセスパラメータについて、確率分布に基づき形状または形態の誤差を低減するために、付加製造プロセスのパラメータの統計的最適化がもたらされる。

図３は、本開示の実施形態の態様に従い、ＡＭプロセスにおける形状誤差を低減するためのシステム３００を示す図である。このシステムは３Ｄプリンティング装置３０１を含む。３Ｄプリンティング装置３０１を、ＬＰＤ付加製造を実施するように構成することができる。設計プロセッサ３１１によって設計者は、設計パラメータ３１０を３Ｄプリンティング装置３０１に供給することができ、これらの設計パラメータによって、３Ｄプリンティング装置３０１が所望の物体３０５を生成できるようにする処理パラメータが提供される。たとえば設計パラメータ３１０は、レーザ移動速度３０７およびレーザパワー３０９など３Ｄプリンティング装置３０１の特性を指定することができる。設計プロセッサ３１１においては、すべての処理パラメータが一定であるとみなされている。ただし一部のパラメータに対し、周囲環境要因および／または機器の制約によって影響が及ぼされる可能性があり、これらによって処理パラメータの一部において非制御状態の変動に起因する不確定性が引き起こされる。たとえば、スタンドオフ距離３０３として知られるレーザと作成される物体３０５との距離が、レーザまたは物体３０５のいずれかを動かす周囲環境の力に基づき変動する可能性がある。通常の動作振動などの小さい振動によって、物体３０５が僅かに動かされる可能性があり、これにより製造プロセス全体にわたってスタンドオフ距離３０３が変動させられる。処理パラメータにおける不確定性によって、設計された物体３０５の所望の形状が実際に作成されたものとは異なったものにさせられてしまう可能性があり、その理由は、予期される処理パラメータが製造プロセス全体にわたって一定には保持されないからである。

最適化プロセッサ３２０は、形状誤差３２１を特定するように構成されている。最適化プロセッサ３２０は、レーザのパワーおよび移動３０７、３０９を含む設計パラメータを受け取る。これに加え最適化プロセッサ３２０は、一部のパラメータたとえばスタンドオフ距離３０３の不確定性に関する情報を受け取る。例として挙げると、不確定性情報を確率分布として受け取ることができる。最適化プロセッサは、受け取った設計パラメータ３０７、３０９および不確定性パラメータ３０３を用いたシミュレーションによって求められた形状誤差の不確定性定量化を実施する。信頼性のある形状誤差が求められるまで、シミュレーションおよび不確定性定量化の反復３２１が行われる。信頼性のある形状誤差に基づき、最適化された設計パラメータ３２３のセットが設計プロセッサ３１１に供給される。設計プロセッサは、更新された設計パラメータ３１０ａのセットを生成し、これら更新された設計パラメータ３１０ａを３Ｄプリンティング装置３０１に供給する。

図４は、本開示の実施形態の態様に従い、ＡＭプロセスにおける設計パラメータを最適化するためのプロセスフローチャートである。複数の設計パラメータ４０１および製造プロセスにおける不確定性を表す少なくとも１つのプロセスパラメータ４０３が、最適化シミュレーション４０５を実施するように構成されたプロセッサによって受け取られる。例として挙げると、設計者はコンピュータ支援設計ツールを用いて、設計パラメータ４０１を生成することができる。実施形態によれば不確定性パラメータ４０３を、関連づけられたプロセスパラメータにおける非制御状態の変動に起因して発生する形状誤差の確率分布の形態にあるものとすることができる。信頼性のある形状誤差が求められるまで、製造プロセスおよび不確定性定量化のシミュレーションを実施するため、受け取られた設計パラメータ４０１および不確定性パラメータ４０３を用いることによって、最適化シミュレーション４０５が実施される。最適化シミュレーション４０５に基づき、期待形状誤差の計算４０７が行われる。作成された物体の形状誤差として現れた不確定性誤差の大きさを表すため、期待形状誤差と閾値との比較４０９が行われる。形状誤差が閾値よりも小さいケース４１３であれば、製造プロセスが続けられ、最適化プロセス４０５により新たな期待形状誤差が計算される。

期待形状誤差が閾値を超えているケース４１１であれば、期待形状誤差を最小化する最適化に基づき、設計パラメータが更新される。更新された設計パラメータ４１５による元の設計パラメータ４０１の置き換え４１７が行われ、更新され最適化された設計パラメータに基づき、更新された最適化シミュレーションが実施される。

図５には、本発明の実施形態を具現化可能な例示的なコンピューティング環境５００が示されている。コンピュータシステム５１０およびコンピューティング環境５００などのコンピュータおよびコンピューティング環境は、当業者には周知であり、よって、これらについては本明細書では手短に説明する。

図５に示されているように、コンピュータシステム５１０は、システムバス５２１などの通信メカニズムを含むことができるし、またはコンピュータシステム５１０内の情報を通信するための他の通信メカニズムを含むことができる。さらにコンピュータシステム５１０は情報を処理するために、システムバス５２１と接続された１つまたは複数のプロセッサ５２０を含んでいる。

プロセッサ５２０は、１つまたは複数の中央処理ユニット（ＣＰＵ）、グラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）、または当技術分野において周知の他の任意のプロセッサを含むことができる。より一般的に述べると、本明細書で用いられるプロセッサは、タスクを実施するためにコンピュータ可読媒体に記憶された機械可読命令を実行するデバイスであり、ハードウェアおよびファームウェアのうち任意の１つまたはこれらの組み合わせを含むことができる。プロセッサは、タスクを実施するために実行可能な機械可読命令を記憶するメモリも含むことができる。プロセッサは情報に応答して動作し、その際、実行可能なプロシージャまたは情報デバイスによって使用するために、情報を操作、解析、変更、変換または伝送し、かつ／またはこの情報を出力デバイスにルーティングする。プロセッサはたとえば、コンピュータ、コントローラまたはマイクロプロセッサの能力を使用することができ、または含むことができ、汎用のコンピュータによって実施されない特別な目的のファンクションを実施するために実行可能な命令を用いて、コンディショニング可能である。プロセッサを、他の任意のプロセッサと（電気的にかつ／または実行可能なコンポーネントを含むように）接続することができ、これによってそれらの間のインタラクションおよび／またはコミュニケーションが可能になる。ユーザインタフェースプロセッサまたはユーザインタフェースジェネレータは周知の要素であり、ディスプレイイメージまたはその一部分を生成するために、これには電子回路またはソフトウェアまたは両者の組み合わせが含まれている。ユーザインタフェースは、プロセッサまたは他のデバイスとのユーザインタラクションを可能にする１つまたは複数のディスプレイイメージを有する。

引き続き図５を参照すると、コンピュータシステム５１０は、情報とプロセッサ５２０によって実行すべき命令とを記憶するために、システムバス５２１と接続されたシステムメモリ５３０も含む。システムメモリ５３０は、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）５３１および／またはランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）５３２など、揮発性メモリおよび／または不揮発性メモリの形態のコンピュータ可読ストレージ媒体を含むことができる。ＲＡＭ５３２は、（１つまたは複数の）他のダイナミックストレージデバイス（たとえばダイナミックＲＡＭ、スタティックＲＡＭ、およびシンクロナスＤＲＡＭ）を含むことができる。ＲＯＭ５３１は、（１つまたは複数の）他のスタティックストレージデバイス（たとえばプログラマブルＲＯＭ、消去可能なＰＲＯＭ、および電気的に消去可能なＰＲＯＭ）を含むことができる。これらに加えシステムメモリ５３０を、プロセッサ５２０による命令実行中、一時的な変数または他の中間段階の情報を記憶するために用いることができる。スタートアップ中などに、コンピュータシステム５１０内部の各要素間での情報伝送を支援する基本ルーチンを含む基本入／出力システム５３３（ＢＩＯＳ）を、ＲＯＭ５３１内に記憶することができる。ＲＡＭ５３２には、プロセッサ５２０により即座にアクセス可能な、かつ／またはプロセッサ５２０により目下実行されているデータモジュールおよび／またはプログラムモジュールを含めることができる。これらに加えシステムメモリ５３０は、たとえばオペレーティングシステム５３４、アプリケーションプログラム５３５、他のプログラムモジュール５３６、およびプログラムデータ５３７を含むことができる。

コンピュータシステム５１０には、磁気ハードディスク５４１およびリムーバブル媒体ドライブ５４２（たとえばフロッピーディスクドライブ、コンパクトディスクドライブ、テープドライブ、および／またはソリッドステートドライブ）など、情報および命令を記憶するための１つまたは複数のストレージデバイスを制御するために、システムバス５２１と接続されたディスクコントローラ５４０も含まれている。ストレージデバイスを、適切なデバイスインタフェース（たとえばｓｍａｌｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ（ＳＣＳＩ）、ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｄｅｖｉｃｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ（ＩＤＥ）、Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ（ＵＳＢ）またはＦｉｒｅＷｉｒｅ）を用いて、コンピュータシステム５１０に追加することができる。

コンピュータシステム５１０には、コンピュータユーザに情報を表示するためのブラウン管（ＣＲＴ）または液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）など、ディスプレイまたはモニタ５６６を制御するために、システムバス５２１と接続されたディスプレイコントローラ５６５も含めることができる。コンピュータシステムには、コンピュータユーザとのインタラクションおよびプロセッサ５２０への情報の供給のために、入力インタフェース５６０と、キーボード５６２およびポインティングデバイス５６１など１つまたは複数の入力デバイスが含まれている。方向情報およびコマンド選択をプロセッサ５２０に伝達するために、かつディスプレイ５６６上でのカーソルの動きを制御するために、ポインティングデバイス５６１を、たとえばマウス、ライトペン、トラックボール、またはポインティングスティックとすることができる。ディスプレイ５６６によって、タッチスクリーンインタフェースを提供することができ、このインタフェースによって、ポインティングデバイス５６１による方向情報およびコマンド選択の伝達を補足または置き換えるための入力が可能となる。一部の実施形態によれば、ユーザによって着用可能な拡張現実デバイス５６７によって、ユーザが物理的世界と仮想世界の両方とインタラクトできるようにする機能の入／出力を提供することができる。拡張現実デバイス５６７は、ディスプレイコントローラ５６５およびユーザ入力インタフェース５６０と通信し、これによってユーザは、ディスプレイコントローラ５６５により拡張現実デバイス５６７において生成された仮想アイテムとインタラクトすることができる。ユーザはジェスチャを与えることもでき、このジェスチャは拡張現実デバイス５６７によって検出され、入力信号としてユーザ入力インタフェース５６０に伝達される。

コンピュータシステム５１０は、システムメモリ５３０などのメモリ内に含まれている１つまたは複数の命令の１つまたは複数のシーケンスを実行する、プロセッサ５２０に応答して、本発明の実施形態の処理ステップの一部分またはすべてを実施することができる。かかる命令を、磁気ハードディスク５４１またはリムーバブル媒体ドライブ５４２など他のコンピュータ可読媒体から、システムメモリ５３０に読み込むことができる。磁気ハードディスク５４１は、本発明の実施形態により使用される１つまたは複数のデータストアおよびデータファイルを含むことができる。セキュリティ改善のため、データストアのコンテンツおよびデータファイルを暗号化することができる。システムメモリ５３０内に含まれている１つまたは複数の命令シーケンスを実行するために、複数のプロセッサ５２０を多重処理構成で使用することもできる。択一的な実施形態によれば、ソフトウェア命令の代わりに、またはソフトウェア命令と組み合わせて、ハードワイヤード回路を使用することができる。したがって実施形態は、ハードウェア回路とソフトウェアの何らかの特定の組み合わせに限定されるものではない。

上述のようにコンピュータシステム５１０は、本発明の実施形態に従ってプログラミングされた命令を保持するための、およびデータ構造、テーブル、レコードまたは本明細書で述べられている他のデータを入れるための、少なくとも１つのコンピュータ可読媒体またはメモリを含むことができる。本明細書で用いられている用語「コンピュータ可読媒体」とは、実行のためにプロセッサ５２０に命令を供給することに関与する任意の媒体のことを指す。コンピュータ可読媒体は、以下に限定されるものではないが、非一時的媒体、不揮発性媒体、揮発性媒体および伝送媒体を含む数多くの形態をとることができる。不揮発性媒体の非限定的な例には、光ディスク、ソリッドステートドライブ、磁気ディスク、および光磁気ディスクが含まれ、たとえば磁気ハードディスク５４１またはリムーバブル媒体ドライブ５４２などである。揮発性媒体の非限定的な例には、システムメモリ５３０などのダイナミックメモリが含まれる。伝送媒体の非限定的な例には、同軸ケーブル、銅線、および光ファイバが含まれ、これにはシステムバス５２１を構築するワイヤが含まれる。伝送媒体は、電波や赤外線によるデータ通信中に発せられるような、音響波または光波の形態をとることもできる。

コンピューティング環境５００にはさらに、リモートコンピューティングデバイス５８０など、１つまたは複数のリモートコンピュータとの論理的コネクションを用いてネットワークが構築された環境で動作するコンピュータシステム５１０を含めることができる。リモートコンピューティングデバイス５８０を、パーソナルコンピュータ（ラップトップまたはデスクトップ）、モバイルデバイス、サーバ、ルータ、ネットワークＰＣ、ピアデバイス、または他の一般的なネットワークノードとすることができ、このリモートコンピューティングデバイス５８０には一般に、コンピュータシステム５１０に関連して述べた上述の要素のうちの多数またはすべてが含まれている。ネットワーキング環境で用いられる場合、コンピュータシステム５１０は、インターネットなどのネットワーク５７１を介して通信を確立するために、モデム５７２を含むことができる。モデム５７２を、ユーザネットワークインタフェース５７０を介して、または他の適切なメカニズムを介して、システムバス５２１と接続することができる。

ネットワーク５７１を、当技術分野において一般的に知られている任意のネットワークまたはシステムとすることができ、これにはインターネット、イントラネット、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）、メトロポリタンエリアネットワーク（ＭＡＮ）、１つのダイレクトコネクションまたは一連のダイレクトコネクション、セルラ電話回線網、またはコンピュータシステム５１０と他のコンピュータ（たとえばリモートコンピューティングデバイス５８０）との間の通信を容易にすることのできる他の任意のネットワークまたは媒体が含まれる。ネットワーク５７１を有線、ワイヤレス、またはそれらの組み合わせとすることができる。有線コネクションを、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ、Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ（ＵＳＢ）、ＲＪ−６、または当技術分野で一般的に知られている他の任意の有線コネクションを用いて、具現化することができる。ワイヤレスコネクションを、Ｗｉ−Ｆｉ、ＷｉＭＡＸおよびＢｌｕｅｔｏｏｔｈ、赤外線ネットワーク、セルラネットワーク、衛星、または当技術分野で一般的に知られている他の任意のワイヤレスコネクションを用いて、具現化することができる。これらに加え、複数のネットワークを単独で動作させてもよいし、または互いに通信し合う状態で動作させてもよく、これによってネットワーク５７１における通信が容易になる。

本明細書で用いられる実行可能なアプリケーションは、たとえばユーザのコマンドまたは入力に応答して、オペレーティングシステム、コンテキストデータ取得システムまたは他の情報処理システムのファンクションなど、予め定められたファンクションを具現化するために、プロセッサをコンディショニングするためのコードまたは機械可読命令を含む。１つの実行可能なプロシージャは、１つまたは複数の特定のプロセスを実施するために実行可能なアプリケーションの、コードまたは機械可読命令の１つのセグメント、サブルーチン、またはコードまたは一部分の他の別個のセクションである。これらのプロセスには、入力データおよび／または入力パラメータの受け取り、受け取った入力データに基づくオペレーションの実施、および／または受け取った入力パラメータに応答したファンクションの実施、および結果として生じた出力データおよび／または出力パラメータの供給、を含めることができる。

本明細書で用いられるグラフィックユーザインタフェース（ＧＵＩ）は、ディスプレイプロセッサにより生成される１つまたは複数のディスプレイイメージを含み、これによってプロセッサまたは他のデバイスおよび関連づけられたデータ取得および処理ファンクションとのユーザインタラクションが可能になる。ＧＵＩは、実行可能なプロシージャまたは実行可能なアプリケーションも含む。実行可能なプロシージャまたは実行可能なアプリケーションは、ＧＵＩディスプレイイメージを表現する信号を生成するよう、ディスプレイプロセッサをコンディショニングする。これらの信号は、ユーザが見るためのイメージを表示するディスプレイデバイスに供給される。プロセッサは、実行可能なプロシージャまたは実行可能なアプリケーションの制御のもとで、入力デバイスから受け取った信号に応答して、ＧＵＩディスプレイイメージを操作する。このようにしてユーザは、プロセッサまたは他のデバイスとのユーザインタラクションを可能にする入力デバイスを用いることで、ディスプレイイメージとインタラクトすることができる。

本明細書におけるファンクションおよびプロセスステップを、自動的にまたはユーザコマンドに応答して全体的にまたは部分的に、実施させることができる。自動的に実施される（１つのステップを含む）１つのアクティビティは、そのアクティビティをユーザがじかに開始させることなく、１つまたは複数の実行可能な命令またはデバイスオペレーションに応答して実施される。

図面のシステムおよびプロセスは、他を排除するものではない。同じ目的を達成するために、本発明の原理に従い他のシステム、プロセスおよびメニューを導き出すことができる。特定の実施形態を参照しながら本発明について説明してきたけれども、本明細書で示し説明した実施形態および変形は例示目的であるにすぎない、ということを理解されたい。当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、現行の設計に対する変更を具現化することができる。本明細書で述べたように、様々なシステム、サブシステム、エージェント、マネージャおよびプロセスを、ハードウェアコンポーネント、ソフトウェアコンポーネント、および／またはそれらの組み合わせを用いて具現化することができる。本願の特許請求の範囲の構成要件を「〜のための手段」というフレーズを用いて特別に挙げない限り、その構成要件は米国特許法第１１２条第６項の条項に従って解釈されるものではない。

Claims (20)

1. 付加製造（ＡＭ）プロセスを最適化する方法であって、
   最適化プロセッサにおいて、前記付加製造プロセスの少なくとも１つの設計パラメータを受け取るステップと、
   前記最適化プロセッサにおいて、前記付加製造プロセスの少なくとも１つの別のパラメータにおける不確定性に関連する情報を受け取るステップと、
   前記少なくとも１つの設計パラメータと不確定性に関連する前記情報とに基づき、前記最適化プロセッサにおいて不確定性定量化を実施して、前記付加製造プロセスにおいて作成される物体における形状誤差を特定するステップと、
   前記付加製造プロセスの前記少なくとも１つの設計パラメータを更新するステップと、
   前記更新された少なくとも１つの設計パラメータを前記付加製造プロセスにおいて使用するステップと、
   を含む、付加製造（ＡＭ）プロセスを最適化する方法。
2. 当該方法はさらに、前記付加製造プロセスの前記少なくとも１つの別のパラメータにおける不確定性に関連する前記情報を確率データとして受け取るステップを含む、請求項１記載の方法。
3. 前記確率データは確率分布を含む、請求項２記載の方法。
4. 前記確率分布は、ガウスノイズに基づく正規分布をとる、請求項３記載の方法。
5. 前記確率分布は、観察された認識に基づく確率分布関数から導出される、請求項３記載の方法。
6. 作成される物体における形状誤差を特定するステップは、
   受け取った前記少なくとも１つの設計パラメータと不確定性に関連する前記情報とに基づき、前記付加製造プロセスのシミュレーションを繰り返し実行して、計算された形状誤差を生成するステップと、
   反復のたびに前記形状誤差を定量化するステップと、
   信頼性のある形状誤差が得られたならば、反復を停止するステップと、
   を含む、請求項１記載の方法。
7. 当該方法はさらに、前記付加製造プロセスを３次元（３Ｄ）プリンティング装置において実施することを含む、請求項１記載の方法。
8. 前記３Ｄプリンティング装置は、レーザ粉末堆積を実施するように構成されている、請求項７記載の方法。
9. 不確定性定量化の実施および前記少なくとも１つの設計パラメータの更新するステップを、前記付加製造プロセスの開始に先立ち行う、請求項１記載の方法。
10. 付加製造（ＡＭ）プロセスを最適化するシステムであって、
    当該システムは、前記付加製造プロセスによって製造すべき物体のために少なくとも１つの設計パラメータを生成するように構成された設計プロセッサと、
    最適化プロセッサと、
    を含み、
    前記最適化プロセッサは、
    前記少なくとも１つの設計パラメータを受け取り、
    前記付加製造プロセスの少なくとも１つのプロセスパラメータにおける不確定性を表す情報を受け取り、
    製造すべき前記物体における形状誤差を特定し、
    特定された前記形状誤差に基づき前記少なくとも１つの設計パラメータを更新する
    ように構成されている、
    システム。
11. 当該システムはさらに３次元（３Ｄ）プリンティング装置を含み、
    該３次元（３Ｄ）プリンティング装置は、前記少なくとも１つの設計パラメータを受け取り、該少なくとも１つのパラメータに基づき製造すべき前記物体を作成するように構成されている、
    請求項１０記載のシステム。
12. 当該システムはさらに、製造中に測定値を取得して、該測定値を前記最適化プロセッサに供給するように構成された測定装置を含み、
    前記最適化プロセッサは、受け取った測定情報を使用して、前記形状誤差を最小化するために前記少なくとも１つのパラメータを再計算し、再計算された該少なくとも１つのパラメータを前記３Ｄプリンティング装置に伝達する、
    請求項１１記載のシステム。
13. 前記３Ｄプリンティング装置は、レーザ粉末堆積（ＬＰＤ）を実施するように構成されている、請求項１１記載のシステム。
14. 少なくとも１つのプロセスパラメータにおける不確定性を表す前記情報は、前記不確定性に起因する製造誤差の確率分布を含む、請求項１０記載のシステム。
15. 前記少なくとも１つの設計パラメータは、付加製造装置におけるレーザパワーと該付加製造装置におけるレーザ移動速度のうち少なくとも一方を含む、請求項１０記載のシステム。
16. 少なくとも１つのプロセスパラメータにおける前記不確定性は、付加製造装置のレーザと製造すべき前記物体との距離により決定されるスタンドオフ距離を含む、請求項１０記載のシステム。
17. 前記最適化プロセッサは、受け取った前記少なくとも１つの設計パラメータと前記不確定性情報とを用いて、前記付加製造プロセスのシミュレーションを実行し、前記付加製造プロセスのシミュレーション中に前記形状誤差を繰り返し計算するように構成されている、請求項１０記載のシステム。
18. 前記最適化プロセッサはさらに、各反復中に前記不確定性情報に基づき前記不確定性を定量化するように構成されている、請求項１７記載のシステム。
19. 前記最適化プロセッサは、形状誤差を求めるために前記不確定性情報からのサンプル数を選択するように構成されている、請求項１７記載のシステム。
20. 前記最適化プロセッサは、
    シミュレーションセットを実施し、ただし各シミュレーションはそれぞれ異なるサンプル数に基づくものであり、
    各シミュレーションについて平均期待誤差と誤差範囲とを求め、
    前記誤差範囲が予め定められた閾値よりも小さい最小サンプル数を有するシミュレーションに対応するサンプル数を選択する
    ように構成されている、
    請求項１９記載のシステム。

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