JP2021510226A - 金属粉末の状態を判定するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

積層造形プロセスにおいて使用する金属粉末の状態を判定する方法であって、粉末の画像を処理して例えば色、肌理あるいは粒子の形状のような粉末の表面特性を測定することを含む。所定の領域の外にある測定表面特性を有する粉末の割合が判定され、その粉末が再使用に適したものかどうかを決定するために使用することができる。割合は、測定表面特性を考慮して、画像中に示される全ての粒子の中で統計的な外れ値として識別された画像中の個々の粒子を識別することにより判定される。妥当な割合は統計学的に決定することができる。【選択図】 図１

Description

本発明は金属粉末の状態、特に、それだけには限らないが、積層造形（additive manufacturing(AM)）プロセスにおいて使用される金属粉末の状態を判定するための方法及び装置に関する。

既知の積層造形プロセスにおいては、積層造形機は粉末の金属または合金から物品(articles)を製造している。積層造形機は、造形プラットフォーム(build platform)上に粉末の層を積層し、次に粉末をレーザーまたは電子ビームで選択的に融解して、１個または複数の物品を形成する。このプロセスが繰り返されて、物品が一層ずつ形成される。

造形（build）が完成したら、未融解粉末は他の造形で再使用することができる。

造形作業の間に、未融解粉末が劣化することがある。金属粉末は、例えば徐々に酸化して特性が変化することがあり、よって粉末から製造された物品の特性も変化してしまう。粉末の酸化傾向は一般に温度と共に増加し、温度に曝されると他の粉末特性にも影響することがある。その結果、未融解の粉末が、造形中の物品またはヒートゾーンに近いほど、未融解の粉末が劣化しやすくなる。

また、粉末が融解する際に、このプロセスにより粉末の加熱された粒子が粉末ベッドから製造された物品の周囲に飛散して、物品の周囲の未融解粉末の品質が劣化することもある。

物品の適切な造形品質を担保するために、使用した粉末を分析し、ある程度劣化したら粉末のリサイクルを停止し、及び／またはリサイクル粉末に未使用の粉末を混合して混合粉末が連続使用に十分なバルク特性を持つようにすることが知られている。代替アプローチにおいては、粉末のバッチがリサイクルされる回数に一定の上限が課されている。

これらのアプローチには多くの問題がある。

粉末の状態は通常、バルク酸素含有量測定を行うことにより分析される。この測定プロセスには、粉末サンプルの酸化が伴い、このようなサンプルは再使用が不能である。さらに重要なことに、バルク酸素含有量（または他のバルク）測定は、粉末の再使用の適合性について、特にリサイクル粉末を未使用の粉末と混合して、全体のバルク酸素含有量が所望の閾値を下回る混合物を生成する場合に、誤った印象を与える可能性のあることが、発明者により今や認識されている。これは、バルク酸素含有量が所望の閾値未満だったとしても、造形に重大な悪影響を与えかねない、高度に酸化されたり他の方法で劣化している粒子の存在に敏感ではないからである。

粉末のリサイクル回数への一般的な制限の適用は比較的粗雑なアプローチであり、特定の造形により引き起こされる粉末劣化の推定量を考慮していない。劣化の性質及び程度は複数の造形物間でもかなり異なる。

既存の粉末試験方法は破壊試験なので、試験結果は実際に再使用される粉末とは関係なく、常にその粉末の平均状態の近似値になる。

本発明の実施形態の目的は、これらの課題の一部または全てを処理することにある。特に、本発明の実施形態の目的は、粉末を特定のビルドで再使用できるかどうかをより正確に判定できる非破壊的な手順で粉末の状態を判定する改善された方法及び装置を提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、積層造形プロセスにおいて使用する金属粉末の状態を判定する方法が提供され、この方法は粉末の画像を処理するステップを含む。

本発明の第２の態様によれば、積層造形プロセスにおいて使用する金属粉末の状態を判定する装置が提供され、この装置は粉末の画像を処理するように構成されたプロセッサを含む。

この方法は粉末の画像を取得するステップを含んでいてもよく、この装置は粉末の画像を取得するためのデバイスを含んでいてもよい。画像を取得するステップと画像を処理するステップは異なる場所で行われてもよい。

粉末の画像は単一の画像として、または複数の画像を組み合わせることによって、あるいは画像化されるべき粉末の表面を走査することによって取得されうる。

画像はデジタル画像であってもよい。これは、ピクセル等の複数の要素(elements)により形成され、または複数の要素に分割されていてもよい。要素は実質的に同一サイズであることが好ましい。撮像領域または粉末の表面における粒子の数に対する画像中の要素の比は、少なくとも１：１のオーダーであることが好ましいが、例えば少なくとも１０：１、または１００：１、または５００：１、または１０００：１のように、より高い方が好ましい。この手順では、特定の要素の色が単一の粒子の色のみにより影響を受けやすくなる。処理のための画像は通常２００万から６００万の要素を含んでいて、一般に４０−５０μｍの範囲の大きさの５０００個の粒子を表す。

画像はカラー画像でもよい。

画像は、例えばＲＧＢまたはＣＩＥＬＡＢなどの確立した色標準に準拠するような、各画像要素を記述するデータのセットにより表すことができる。

粉末の同一のボリューム(volume)またはサンプルの複数の画像を取得してもよい。画像は、粉末の領域が隣接していても離間していてもよい。実施形態においては、少なくとも２、３、４、５、１０、１００またはそれ以上の同一のサンプルの画像が取得され、サンプルの画像のセットを形成する。特定の実施形態に適合するセットのサイズは、セットを統計的に有意にするのに必要なサイズに依存する。複数の画像を取得すると、サンプルまたはボリュームがどれほどよく混合されているか評価するのに役立つ。

１つまたは複数の画像を処理して、画像によって表される粉末の表面特性及び／または粉末の一部または全ての粒子の表面特性を測定することができる。この表面特性は、色、肌理、または粒子の形状や充填密度等のその他の観察可能な表面特性であり得る。この表面特性は粉末の劣化により変化するものでもよい。

画像は選択したサイズ及び形状にクロップ(cropped)されてもよい。これにより歪みを多く含みがちな光学画像(oprical image)の外縁近くの(outlying)領域を除外することができる。また、異なる画像の間で、特に同一サンプルの画像のセットを形成する画像の間で、より容易且つ信頼性の高い比較が可能になる。例えば画像は２０００×２０００要素のサイズにクロップされる。

１つの画像、またはセットを形成する全ての画像が処理されて、その品質がさらなる処理を施すのに十分であるかどうかを判定し、及び／または特定のセット中の全ての画像が十分に類似しているかどうかを判定する。指定された品質基準を充足しない画像は不合格とし、さらなる処理が施されないようにしてもよい。これらは例えば、画像を定義するデータから統計値を判定し、統計値が所定の範囲に入らないか、画像が所定の閾値を超えて画像と異なる場合に不合格とすることを含んでいてもよい。一例では、画像を定義するために使用される特定の色チャネルの輝度の平均値(mean)は、全ての画像要素、または閾値輝度を超える全ての画像要素、ならびにその平均値からの偏差（deviation）について計算される。

所定の閾値未満の輝度を有する画像の要素を識別するようにしてもよい。粉末の画像化された粒子間の空間は粒子よりも暗く見える傾向にある。暗い画像要素を識別して、所望に応じ、後続の処理から除外することができる。暗い画像要素は背景要素と見なし、明るい要素は前景要素と見なすことができる。

また画像は、ウオーターシェッドセグメンテーション(watershed segmentation)等により、画像が表す粉末の粒子の数を判定し、あるいは少なくとも推定するために処理されてもよい。このステップが、存在する場合は、画像から背景要素を削除した後に実行することが好ましい。

代案として、またはこれに加えて、画像に表示された粒子の数は、画像に依らない他の適切な方法により、例えば画像が表している領域のサイズ、粉末粒子の平均サイズ、及び／または粉末の充填密度の知識により、推定することができる。

所定の範囲外にある測定表面特性(measured surface property)を有する粉末の粒子の数を判定してもよい。選択された範囲外にある測定表面特性を有する粉末の割合を判定してもよい。

これは、選択された範囲外にあるパラメータ、通常は色によって、画像化された粉末の表面特性を表す画像の要素、好ましくは前景要素を識別することにより達成することができる。

要素の選択は、画像要素の色の統計分析に基づくようにしてもよい。選択された要素は、全ての前景画像要素に渡る色分布における外れ値であると要素を定義する色を伴う要素であってもよい。例えば、要素は、全ての画像要素の平均色から、要素の色がどのように逸脱しているかを判定することによって選択することができる。好ましくは、選択された要素は、画像化された粒子の色分布の外れ(outlying)の５％未満、または１％未満、または０．１％未満を表す。

対象となる範囲内にある表面特性を反映する画像要素を識別すれば、その表面特性を有する個々の粒子を識別することができる。そのために、所定の数を超える連結要素(connected elements)のグループが識別される。その数は、粉末の単一の粒子によって占められると予想される画像化された領域を表すように選択される。従って画像要素の識別されたグループは、選択された基準を充足する表面特性を有する少なくとも１つの、しかし通常は１つの粒子を表すと仮定することができる。

画像化された粒子に対する画像要素の比率が１：１に近い場合、このステップを省略して、単一の画像要素が単一の粒子を表すと仮定してもよい。

次に、識別された粒子ごとにデータが保存される。このデータは粒子を表す１つまたは複数の画像要素を定義する。識別されたグループ中の画像要素の数は、グループが表す粒子のサイズを示す(indicative)。グループ中の画像要素の平均色は、グループが表す粒子の色を代表する。これにより識別された粒子の数を判定できるだけでなく、粒子の特性及びこのデータの分析により、粉末の状態に関する様々な情報を判定または推測することができる。このようにして識別された粒子は、色等の表面特性によりさらに分類して、特定の範囲に入る表面特性を有する粒子を識別することができる。これにより、対象となる粒子をより多数識別してこれらの粒子を分類するために、最初に識別される全ての画像要素または全ての前景画像要素の割合を増やすことが可能になる。次に他の技法を使用して、識別された粒子から対象となる粒子を選択する。

前景に対する背景の画像要素の比率は、粉末の粒子と、これらの粒子の間の空間との間の比率の示唆となり、従って粒子の充填密度の示唆となることになる。経時的に取得された粉末のバッチの映像を観察した充填密度の変化は、粉末流動性に影響する変化を明らかにするだろう。

金属粉末の酸化は通常その色に影響するので、画像、特に前景画像要素の全体的な（例えば平均）の色を判定することは、粉末の化学的特性、特に粉末の酸化の程度を示す。酸化が特定の粉末タイプの色にどのように影響するかについての知識を利用すれば、画像化された粉末のバルク酸素含有量を判定することができる。

選択された範囲外の色で識別された粒子の数は、粉末が高度に酸化された粒子を含むか、汚染されていて、この粉末を再使用しないことが望ましいかどうかを明らかにすることができる。この数は、画像化された粒子の計算または推定された総数とともに、選択された範囲外にある測定表面特性を有する粒子の割合を計算するために使用することができる。

この情報は、分析された粉末または分析された粉末が取り出された粉末の後続の処理を通知または制御するために使用されてもよい。

この方法は、所定の範囲外の特性を有すると識別された粒子の数または割合が、所定の範囲を超えた場合、粉末が再使用に適さないことを指示するステップを含んでいてもよい。所定の範囲及び比率は、分析される特定の粉末及び意図した用途に応じて確立することができる。典型的ではあるが、著しく酸化または劣化した粒子の存在を識別することを目的とするので、好ましい範囲は、酸素及び低温への曝露によって通常引き起こされうるような、造形プロセスで使用された結果としての通常の劣化と見なされうるものを被った粉末を示した、測定表面特性の値を包含するように設定することができる。従ってこの範囲外の測定表面特性を有するそれらの粒子は外れ値となる。それらの測定表面特性は、それらが異常な劣化に曝されていたという事実を反映する。これは通常、高温に曝された結果である（但し融解して構成物品の一部を形成してはいない）。そのような外れ値の母集団(population)が粒子の母集団全体の一定の割合を超えると、粉末の再使用によりリスクが高まると考えられる。

またこの方法は、測定表面特性が所定の範囲内にある一定の割合の測定された粉末の平均測定表面特性を判定することを含んでいてもよい。この測定結果(measure)は、外側が著しく劣化した粒子を除いた、粉末の全体的な平均劣化を示している。従ってこの測定結果は、通常の劣化に起因する劣化のレベルを示す。

またこの方法は、一定の割合の粉末の平均測定特性、ひいては測定表面特性が所定の範囲内にある測定粒子のおおよその割合が、所定の閾値よりも大きい（または小さい）場合に、試験した粉末が再使用に適していないことを示すことを含むことができるができる。従って粉末は、通常の劣化の、累積的かもしれない影響の結果として、もはや再使用には適さないものとして示すことができる。

またこの方法は、全ての前景ピクセルのデータを処理することにより測定された全ての粉末、及びそれで測定された全ての粒子の平均測定表面特性を判定することを含んでいてもよい。このような測定結果は、全ての粒子の全体的な平均劣化を示し、そのためバルク酸素測定と同様の示唆を得ることができる。粒子の表面特性に影響する積層されたいずれかの酸化物外層の酸素のみならず、粒子の内部に存在する酸素である、粒子の「内部」酸素も測定するバルク酸素測定を省略することができる。

またこの方法は、全ての粉末の平均測定表面特性、及びそれによる測定された粒子が、所定の閾値よりも大きいか小さい場合、試験した粉末が再使用に適していないことを示すことを含んでいてもよい。この方法は、ＡＭ機または粉末のハンドリングあるいは搬送装置を制御する等、測定された粉末の状態に基づいて装置を制御することを含んでいてもよい。

粉末、よって対象となる粒子の平均測定表面特性が必要な場合、これは平均値でよく、対象となる粒子を示す画像のこれらの要素によって表される平均測定表面特性を判定することにより取得できる。

この測定は、粉末の表面上で行ってもよい。この測定は、粉末の実質的に平坦な表面上で行ってもよい。この方法は、粉末が実質的に平坦な上面を有するように粉末を適切な容器に入れ、続いてその表面上で測定を実行することを含んでいてもよい。別案として、この方法は、パイプ等の粉末の輸送、処理またはハンドリング装置にある間に、粉末の画像を取得することを含んでいてもよい。そのような画像は、適切な窓または開口を通じて装置に取り込まれる。別案として、この方法は、ＡＭ機中に形成された粉末ベッドの表面のように、ＡＭ機中で粉末の画像を取得することを含んでいてもよい。

全てのアプローチにおいて、画像化された粉末は、それが支持されまたは収容された容器の底面または他の表面が、粉末を通して見えないように、十分な深さを有すことが好ましい。粉末は、造形作業後にＡＭ機から回収された粉末のバッチのような、粉末のバッチから採取した粉末のサンプルであってもよい。

画像を取得するためのデバイスは、顕微鏡及び／またはカメラ及び／またはセンサを含むことができる。実際には、粉末の粒子の観察可能な表面特性を測定することができる適切な画像取込装置が使用できる。

測定及び／または画像は、包囲体(enclosure)内で取得することができる。包囲体は実質的に遮光性であり、あるいは実質的に遮光性にすることができる。包囲体の内側が照らされていてもよい。包囲体は、ＡＭ機または粉末の搬送、処理またはハンドリング装置の中に含まれていてもよい。

プロセッサはプログラムされたコンピュータでもよく、上述の方法ステップの一部または全てを装置に実行させるように構成されていてもよい。

本発明の第３の態様によれば、粉末の状態を判定する方法が提供され、この方法は粉末の色を測定することを含む。

粉末の粒子の酸化または他の劣化は色を変化させ得るので、粉末の色を測定することは、劣化を評価する簡便な手法である。粉末の色は、任意の適切な技術を使用して測定可能である。

この方法は、粉末の画像を取得することを含み得る。画像は光学画像でもよい。この方法はさらに、画像を処理して、粉末の色、好ましくは粉末の観察された粒子の色を測定することを含み得る。

粉末の平均色、または粉末の観察された粒子の平均色は、粉末の画像を処理する等により測定することができる。測定された色が所定の範囲内か範囲外かによって、試験した粉末が再使用に適するかどうかを判定することができる。またこの方法は本発明の第１の態様の特徴を含むことができる。

本発明の第４の態様によれば、粉末の状態を判定するための装置が提供され、この装置は粉末の色を測定するための測定デバイスを含む。

この測定デバイスは分光光度計、画像を取得するための画像デバイス、または他の何れかの適切なデバイスのような分光デバイス、またはセンサでもよい。測定デバイスが画像デバイスであれば、それは光学画像を取得するためのものであり、顕微鏡及び／またはカメラ及び／またはセンサを含み得る。実際には、粉末の粒子の観察可能な表面特性を測定することができる、任意の適切な画像取込デバイスを使用可能である。

プロセッサは、本発明の第３の態様の方法を実行するように構成されていてもよい。この装置は本発明の第２の態様の特徴を含むことができる。

本発明の全ての態様において、特定の色の領域内にある色を有する粉末の粒子を識別することができ、これを使用して、当該タイプの粉末に関する実験データに即して粒子の酸化度を推測することができる。

本発明の態様の実施形態は、粉末状態を判定し、粉末サンプルが特定の造形作業における再使用に適するかどうかを決定するための非破壊的な方法及び装置を提供する。外れ値の粒子の割合を考察することによって判定が行われるならば、これは粉末状態の新規且つ有用な測定結果を提供し、これにより現在行われているバルク粉末特性の測定よりも改善された決定を行うこと、すなわち改善された粉末の使用を可能にする。

またこの方法及び装置は、汚染された粒子が対象の粒子の同種の特性とは異なる表面特性を有する場合、それらの存在を識別するためにも有用である。

粉末状態を分析するための装置の実施形態の模式図である。 粉末状態を分析するための装置の他の実施形態の模式図である。 粉末状態を分析するための装置の他の実施形態の模式図である。 粉末の画像の処理に含まれるステップを示すフローチャートである。 色に対する粒子の数を示すグラフである。 ＣＩＥＬＡＢ色空間におけるａ及びｂパラメータを表す軸上の画像要素のプロットである。

本発明をより明確に理解するために、添付の図面を参照しつつ、単なる一例として、その実施形態について以下説明する。

図面を参照すると、図１は金属粉末を分析するための第１の装置を示す。これは実質的に遮光性の開閉可能な包囲体１を備える。包囲体は皿またはスライドの形態、または他の適切な形態でもよい粉末３用の容器２を収容する。容器は上面が開いており、一辺が約６ｍｍの実質的に正方形の開口を有し、表面積は約３６ｍｍ²である。容器は少なくとも２ｍｍの深さを有する。容器は包囲体から取り外し可能である。また包囲体はデジタルカメラ５に取り付けられた顕微鏡４とランプ６を収容する。カメラ４は、約４メガピクセルの、ＣＣＤセンサのような実質的に正方形のセンサを備えており、コンピュータ７に接続されている。コンピュータはキーボード及びマウスまたは他のユーザインターフェースを備え、ディスプレイ８及び／または他の出力デバイスに接続されている。ランプは拡散光を提供するように構成されている。これらはドームランプまたはフラットドームランプとして示される。代替の構成では（及び他の実施形態では）リングライトが使用できる。

使用時には、分析される粉末のバッチから採取されたサンプルの粉末３が、包囲体１の中または外のいずれかで、容器２内に導入される。粉末は、上方から見たときに、容器２の底を完全に覆い尽くす粉末の深さを形成するのに十分な量が導入される。従って粉末の深さは、通常少なくとも２層、好ましくは２を超える粒子の層で形成される。粉末は、実質的に平坦な上側平面を有するように容器内で均される。粉末を包囲体の外側で容器に導入したら、容器を包囲体中の顕微鏡の下に配置して、包囲体を閉じる。

次にランプ６が点灯される。ランプはコンピュータ７により制御できる。ランプは容器２内の粉末３を照らすように配置されている。実質的に遮光性の包囲体内のランプで粉末を照らせば、制御可能且つ反復可能な光条件で粉末を分析することができる。

次にカメラ５に容器内の粉末の上面の画像を取得させ、コンピュータ７に送信させる。カメラ及び顕微鏡は、容器内の粉末の実質的に全ての表面の画像を取得するように構成されている。従ってカメラ及び顕微鏡の視野は、約３６ｍｍ²の領域を撮影する。ＡＭプロセスにおいて使用される金属粉末は通常、数十ミクロンのオーダー（order）の平均直径を有する。そのためカメラによって画像化された粉末の表面に見える粒子の数は数千のオーダーになり、よってセンサのピクセル数よりも約３桁分低くなる(about three orders of magnitude less than)。従ってカメラは、画像中に示される粉末の粒子の数の約１０００倍の数のピクセルが存在する粉末の表面のデジタル画像を生成することができる。

次に、カメラによって取得された画像は、処理のためにコンピュータ７に送信される。

図２は金属粉末を分析するための第２の装置を示し、この例では、粉ふるいに導出・導入され、粉末混合デバイスに接続された粉末輸送パイプ１０に組み込まれている。各パイプは透明な窓１１を含み、その上に包囲体１２が取り付けられている。包囲体１２は、窓１１を通じてパイプ１０中の粉末の画像を取得するのに適切なレンズ４が取り付けられたデジタルカメラ５を収容する。１つまたは複数のランプ６が包囲体中のレンズ４の周囲に備えられ、窓１１を通じて粉末を照らす。カメラは出力デバイス８なしで画像をコンピュータ７に出力する。

図１に示した装置と同様に、デジタルカメラ５は、分析される粉末でパイプが満たされている場合にカメラによって映像化される窓１１の領域内に見えると予想される粉末粒子数の約１０００倍のピクセル数を備えたセンサを有する。

窓１１と、カメラ５を備えた随伴する包囲体１２とは、ふるいに通じ、及びふるいから延びる、両方のパイプ１０に備えられており、これによりふるい以前と以後の両方の粉末の状態を分析することができる。またカメラは、粉末混合装置の両方に入る粉末の状態を可能にする。

窓は、例えば積層造形機のような、他のタイプの装置の粉末輸送導管や粉末貯蔵容器の中に備えることができる。

図３は金属粉末を分析するための第３の装置を示し、この例では、積層造形機１３に組み込まれている。この機械は、実質的に遮光性または実質的に遮光性にすることのできる包囲体１４を備える。包囲体は、粉末送出ピストン１５を備えた粉末送出容器と、造形プラットフォーム１６を備えた造形容器と、粉末を粉末送出容器から造形容器に移送するために可動支持体に取り付けられたワイパーブレード１７とを収容する。また包囲体は、造形プラットフォーム１６上で粉末を選択的に熔解するためのレーザーの出力光学系１８を収容している。これらの特徴は全て、既知の選択層熔解積層造形機に共通する。

包囲体１４はさらに、粉体送出容器及び造形容器中の粉体の上面の領域の画像を取得するのに適切なレンズ４を備えた２台のカメラ５、及び各カメラの周囲に配置されたランプ６を収容する。また画像センサ１９及びランプ２０がワイパーブレードの可動支持体に取り付けられており、ワイパーブレードが容器を横切って往復する際に、粉末送出容器または造形容器中の粉体の表面の画像を走査するように構成されている。

カメラ５及びセンサ１９は、出力装置８を伴うコンピュータ７に画像を出力するように構成されている。図１及び２に示した装置と同様に、デジタルカメラ５及びセンサ１９は、粉末の画像領域中に表示される粒子数の約１０００倍のピクセル数を有する粉末の画像を生成するように構成されている。

図３に示される機械は、単一の画像装置のみを有する必要があることは理解されるだろう。

使用時には、装置の各実施形態は、装置内の粉末の表面のデジタル画像を生成する。デジタル画像は、画像要素の特性を定義するデータのセットを含む。画像中に示される粉末の粒子数に対する画像要素の比率は、約１０００である。画像データはコンピュータに送信されて、画像の各要素の色及び輝度が、ＣＩＥＬＡＢ色空間において変数Ｌ、ａ及びｂにより定義された方式で保存される。

コンピュータは、図４に示されるステップの少なくともいくつかを実行することにより、画像中に示される粉末の状態に関する情報を判定するために、画像データを処理するように構成されている。

最初の任意のステップ２１として、オリジナル画像の境界（または他の選択された領域）の外側の要素を除外して、画像を所定のサイズにクロップしてもよい。この任意のステップにより、画像の歪んだ領域を除外することができるほか、異なるカメラやセンサで取得した画像を縮小して同じ領域を表示するようにし、及び／または同じピクセル数を有するようにすることができる。

次に画像データ、あるいは残りの画像データはテストされて（ステップ２２）、その後の処理に十分な品質であることを確認する。確認されない場合には、２３にて不合格とされ、新規な画像が取得される。

画像データが十分な品質の場合、次にコンピュータは、画像中の粉末の粒子の間の空間(または他の背景材)を表示する要素を削除する目的で、ステップ２４にて所定の閾値未満の輝度を伴う要素を識別して画像データから削除する。実際の閾値は、使用される特定の装置の特性及びテストされる粉末のタイプに応じて定まる。閾値の外側にある画像の要素が削除された状態で、残りの画像要素は画像の前景にある粉体の粒子を表示するものと見なされる。

次に、残りの画像要素のデータをステップ２５にて処理し、ウオーターシェッドセグメンテーションのような適切な技法を使用して、それらが表示する粒子数を推定する。表示される粒子の総数は他の方法でも推定可能である。所与の粉末及び装置について、画像データによって表示されたものに相応する粉末の表面の領域に見えると予想される粒子数は、粉末の予想される粒径及び予想される充填密度の知識より計算することができる。

次に、残りの画像要素のデータは、ステップ２６にて統計的に分析され、各画像要素の色が残りの全ての要素の平均色に対してどのように分布しているか判定し、要素の母集団全体の閾値割合の外側に要素を配置する色を伴う外れ値要素を検出する。これは外れ値検出のためのカイ二乗検定（Chi-squared test）を利用して実行することができる。母集団の妥当な割合(relevant proportion)は分析する粉末のタイプに応じ選択できるが、通常の割合は０．１％であり、すなわち対象となる要素である外れ値母集団は、要素の母集団全体のうちの０．１％を占める。

このステップの視覚的表現を図５及び６に示す。図５は、水平軸の色の測定値に対する垂直軸の画像要素数をプロットしている。これは、ステップ２７の平均値と、ステップ２８の下限及びステップ２９の上限閾値についての色分布の一般的な釣り鐘型曲線を示し、曲線の下且つ閾値の外側の領域で表される母集団の外れの０．１％を識別する。図５はＣＩＥＬＡＢ色空間における各画像要素のａとｂの値がそれぞれ水平軸と垂直軸にプロットされている同じデータを示しており、閾値は円(または楕円)３０である。円３０内に収まる要素は削除され、残りの0.1％の外れ値の母集団が残されている。

次に、ステップ３１にて、外れ値要素に連結成分フィルタを適用して、それらが定義する画像中で空間的に連結されているかどうか判定する。所定の要素数を超える連結画像要素のグループは、単一の粒子を表すものと見なされる。そのような識別された各グループを表すデータは固有粒子識別子に関連付けられ、第１の識別子は連結要素の最大のグループを識別し、第２の識別子は連結要素の次に大きいグループを識別し、以下同様に続く。

この段階で、コンピュータは、画像中の個々の粒子のサイズ及び色を定義する画像データのセットを生成しており、粉末内の統計的な外れ値であることを表す色が得られる。

これにより、画像内の粒子の統計的外れ値を表す色が得られます。

次に、このデータを分析して、分析した粉末の状態に関する以下のような有用なデータを抽出する。
・所定の範囲外にある色を有する粒子の数及び割合
・所定の範囲内にある画像要素の平均色
・全ての画像要素の平均色
金属粒子の色は、粒子が劣化するにつれて変化することは判明している。特に、粒子が酸化し及び／または熱に曝されると変化する。粒子が酸化するほど、あるいは曝される温度が高いほど、色の変化は大きくなる。従って色の変化の量は、粒子が受けた劣化の程度、よって再使用の適合性にも関連付けられる。

さらに、バッチの平均の粉末の状態に拘わらず、高度に劣化した粒子の存在は、バッチの再使用を不適合にし得ることが判明している。これは、造形中にただ１個でも高度に劣化した粒子を含むと、造形の性質が著しい影響を被る可能性があるからである。高度に劣化した１つまたは複数の粒子が物品中に組み込まれると、特に１つまたは複数の粒子が使用中に応力集中が起きうる場所で物品に組み込まれた場合には、これが物品を安全性に欠くものにすることがある。

上述の第１の測定結果は、サンプルが採取される粉末のバッチが十分に混合され、または粉末の画像領域が全体としての粉末の構成の典型となっていると仮定すれば、サンプル全体の、及びテストされた粉末、またはテストされた粉末のバッチ全体の、著しく劣化した粒子の割合を普遍的に反映する。所定のバッチから複数のサンプルを採取して個別に分析してもよく、あるいは粉末の表面の複数の画像を取得する等により精度を改善するために、粉末のバッチについて複数回のテストを実行してもよい。及び／または、特定のサンプルを分析し、混合し、その後に再分析することもできる。所定の粉末及び造形のために、適切な色の範囲及びその範囲外の閾値の最小割合を判定することができ、閾値外の粒子の割合が選択した限度を超えた場合には、粉末のバッチは、少なくとも当該造形用としては、再使用に不適合と判断される。

従ってこの測定結果により、バルク量とは独立して、粉末状態を判定することができる。

第２の測定結果は、閾値外の色を有する粒子を計算に入れない場合の、残りの粉末の平均劣化を示す。この測定結果は、従来のバルク酸素測定の結果と類似しているが、より簡便で非破壊的な方法で得られ、著しく劣化した粒子（またはいずれかの内部酸素）の影響を除外するのを省略させる。所定の範囲外の色を有する粒子を計算に入れない場合に、残りの粒子の平均色が別の色の所定の範囲外にあれば、粉末は再使用に不適合と判断できる。

第３の測定結果は、第２の測定結果と似ているが、著しく劣化した粒子を考慮に入れている。粒子の平均色が別の色の所定の範囲外にある場合に、粉末は再使用に不適合と判断することができる。

粉末を再使用するかどうかの決定は、上記の３つの測定結果の１つ以上に基づくことができる。通常、いずれかの測定結果により粉末を再使用しないと判定した場合、粉末は再使用されない。１つの実施形態においては第１及び第２の測定結果が計算され、どちらかの測定結果がこれを示す場合、粉末は再使用に不適合と判断される。

使用の前に新品の粉末を分析し、造形プロセス及びさらに複数の造形プロセスで使用してから、その後で分析することは有用である。未使用の粉末の分析は、その後の分析のデータと比較するための有用な対照データを提供する。

粉末に関する他の情報は、粉末の画像から判定することができる。非粉末のアーチファクトが粉末中から検出されることがある。例えば意図されたものとは異なる材料で作られた粒子など、異常な粉末粒子も検出することができる。異常な粒子は観察可能な特性により識別可能である。粉末の受けた総入射エネルギーの推定が行われてもよい。粉末のサンプルまたはバッチの複数の画像が作成され分析される場合、画像の間の結果を比較することにより、粉末がどれほどよく混合されているか判定することが可能である。ＡＭ機等の種々の機械で処理された粉末から取得された画像を使用して、機械のパフォーマンスを比較し及び／または機械の調子を判定することができる。装置内における異なる時期及び／または異なる位置で取得された画像は、装置を通る粉末の経過を追跡するために役立てることができる。

装置が粉末取扱装置または積層造形機に組み込まれている場合、テスト結果の出力により、その装置に特定の機能を自動的に実行させることができる。例えば、粉末をさらなる使用には不合格とし、あるいはさらなる使用の前に他の粉末と混合して再生することができる。積層造形機は、停止するか、ワイパーブレードで粉末の層を取り除き、粉末が融解する前に交換するようにしてもよい。

粉末の分析に関するデータは、粉末を使用する造形を検証するために保存されてもよい。特に、造形プロセスの間に堆積した粉末の層の表面の少なくとも一部の分析を保存して、造形プロセス全体で使用された粉末の堅牢性(constency)やその他の証拠を提供することができる。また、タイムスタンプされたデータは、粉末輸送システム全体における異なるポイントで取得された複数の粉末の画像から比較して、例えば酸化または汚染された粉末がシステムを通していかに効率的に(effectively)移動するかを示すなど、システムのパフォーマンスを監査することができる。

各例において、カメラに画像を取得させ、画像を処理して画像要素の中での色分布を判定し、ユーザが範囲、割合または他の値を入力できるようにし、３つの評価基準の１つ以上を計算し、ユーザにより指定された範囲及び割合に即して特定のサンプルが再使用できるかどうか判定し、及びこの結果をディプレイ８等を介してユーザに出力する適切なソフトウェアがコンピュータに提供されている。

一例において、使用済みのＴｉ６４合金粉末のサンプルを、記載した装置を利用して分析した。生成した粉末の画像は、大多数の粉末が未使用の粉末の色にほとんど類似した銀／灰色を有し、ごくわずかな割合が緑、茶色、青、紫または黒色を有していることを示した。これらの色は酸化または他の劣化の増加を示す。従って所定の色の範囲が選択されて、銀／灰色の粒子を包含し、且つ画像要素の母集団全体の０．１％を表す他の色を除外する。この範囲は、酸化を受けずまたは限定的に受け、及び低温にしか曝露されていない粒子を効率的に包含する。次に、この範囲の外の色を有する粒子の割合、効率的には高温に曝されて著しい酸化または劣化を受けた粒子の割合を、粉末を再使用してはならない限度として選択することができる。観察した粒子の色を図５に示す方法でプロットすると、銀／灰褐色以外の色の粒子が、粒子の一般的な分布の外れ値を効率的に表すことが判明している。

上記の実施形態は一例としてのみ説明されている。添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲から逸脱することなく、多くの変形が可能である。

Claims (34)

1. 積層造形プロセスで用いる金属粉末の状態の判定方法であって、前記金属粉末の画像を処理するステップを含む判定方法。
2. 前記金属粉末の前記画像を取得するステップを含む請求項１の判定方法。
3. 前記画像は光学画像である請求項１または２に記載の判定方法。
4. 前記画像を処理して、色または肌理（きめ）のような前記金属粉末の表面特性を測定する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の判定方法。
5. 前記画像をクロッピングするステップを含む請求項１乃至４のいずれか１項に記載の判定方法。
6. 前記画像の品質をチェックするステップを含む請求項１乃至５のいずれか１項に記載の判定方法。
7. 前記画像は複数の画像要素により形成され、または複数の画像要素に分割される請求項１乃至６のいずれか１項に記載の判定方法。
8. 前記画像化した粉末中の粒子の数に対する前記画像中の画像要素の比は少なくとも１００：１または１０００：１である請求項７に記載の判定方法。
9. 閾値未満の輝度を有する複数の画像要素を識別して後続の処理から除外する請求項７または８に記載の判定方法。
10. 前記閾値の上下の画像要素の比を計算するステップを含む請求項９に記載の判定方法。
11. 前記画像を処理して、それが表す粉末の粒子の総数を推定する請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の判定方法。
12. 前記画像を処理して、選択された範囲の外にある画像化された粉末の表面特性を表す複数の画像要素を識別する請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の判定方法。
13. 前記複数の画像要素は、考慮した複数の画像要素全ての表された表面特性の分布の所定の範囲の外の割合を表す画像要素を選択することにより識別される請求項１２に記載の判定方法。
14. 前記範囲の外の割合は、５％または１％である請求項１３に記載の判定方法。
15. 所定のサイズを超える識別された連結画像要素のグループが識別されて、それにより前記選択された範囲の外の表面特性を有する粉末の粒子を識別する請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の判定方法。
16. 識別された粒子ごとに、各画像要素に関連する、前記粒子及び固有識別子を表すデータを格納するステップを含む請求項１５に記載の判定方法。
17. 選択された範囲の外の表面特性を有する前記画像中における粒子の数を判定するステップを含む請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の判定方法。
18. 測定表面特性が前記選択された範囲の外にある測定された粉末の割合が所定の値を超えていた場合に、前記粉末は再使用に適していないことを示すステップを含む請求項１２乃至１７のいずれか１項に記載の判定方法。
19. 前記測定表面特性が前記選択された範囲の内にある前記測定された粉末の粒子の平均測定表面特性を判定することを含む請求項１２乃至１８のいずれか１項に記載の判定方法。
20. 前記選択された範囲内の測定表面特性の前記粉末の平均測定表面特性が、所定の閾値よりも大きいまたは小さい場合に、前記試験された粉末は再使用に適していないことを示すステップを含む請求項１９に記載の判定方法。
21. 前記画像を処理して個々の粒子を分析し、個々の粒子それぞれの表面特性を測定するステップを含む請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の判定方法。
22. 包囲体内に前記粉末を配置して前記包囲体内の前記粉末を照らすステップを含む請求項１乃至２１のいずれか１項に記載の判定方法。
23. 積層造形プロセスにおいて使用する金属粉末の状態を判定する装置であって、前記装置は前記粉末の画像を処理するように構成されたプロセッサを含む装置。
24. 前記粉末の画像を取得して前記プロセッサに送信するデバイスを含む請求項２３に記載の装置。
25. 前記粉末の画像を取得するための前記デバイスはカメラ、センサまたはスキャナである請求項２４に記載の装置。
26. 前記装置は、その中で前記画像が取得できる包囲体を画定する請求項２４または２５に記載の装置。
27. 前記粉末を照らす１つまたは複数のランプを含む請求項２３乃至２６のいずれか１項に記載の装置。
28. 前記包囲体は、前記粉末を照らす１つまたは複数のランプ以外の光源を実質的に遮断するように構成されている請求項２６に従属する請求項２７に記載の装置。
29. 前記装置は、金属粉末の処理及び／または搬送のための装置中に含まれている請求項２３乃至２８のいずれか１項に記載の装置。
30. 前記装置は、積層造形機の中に含まれている請求項２３乃至２９のいずれか１項に記載の装置。
31. 前記装置の出力は、金属粉末の処理及び／または搬送のための前記装置、及び／または前記積層造形機械を制御するために使用される請求項２９または３０に記載の装置。
32. 造形作業中に粉末を分析し、前記分析結果を保存するように構成された請求項３１に記載の装置。
33. 請求項１乃至２１のいずれか１項に記載の判定方法を実行するように前記プロセッサが構成された請求項２３乃至３２のいずれか１項に記載の装置。
34. 前記プロセッサはプログラムされたコンピュータである請求項２３乃至３３のいずれか１項に記載の装置。

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