JP2022163001A - 積層造形システムのための軸上温度センサを較正するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】積層造形システム用の温度センサを較正するための装置および方法に関する。【解決手段】温度センサの較正のための方法は、第１の波長および第１の波長から離間した第２の波長を選択するステップと、第１の波長で黒体ソースから放射されるエネルギー量を測定するステップと、第２の波長で黒体ソースから放射されるエネルギー量を測定するステップと、第２の波長で放射されたエネルギー量に対する第１の波長で放射されたエネルギー量の比の間の関係を生成するステップと、関係を使用して、第２の波長で放射されたエネルギーに対する第１の波長で放射されたエネルギーの比に基づいて、積層造形システムの構築面の温度の変動を決定するステップと、を含むことができる。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
[0001]本出願は、２０２１年４月１３日に出願された「Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｎｇ ａｎ Ｏｎ－ａｘｉｓ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ ａｎ Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国仮特許出願第６３／１７４，４３５号、および２０２２年２月１日に出願された「Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒａｔｉｏｍｅｔｒｉｃ Ｏｎ－ａｘｉｓ Ｍｅｌｔ Ｐｏｏｌ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ」という名称の米国仮特許出願第６３／３０５，５８３号の優先権を主張し、これらはすべての目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。

[0002]記載された実施形態は、概して積層造形システムに関し、より詳細には、本実施形態は、積層造形システム用の温度センサを較正するための装置および方法に関する。

[0003]積層造形法、または材料付加と印加エネルギーとの組み合わせによる部品の順次の組み立てもしくは構築は、多くの形態をとり、現在、多くの特定の実施態様および実施形態で存在している。積層造形法は、実質的に任意の形状の３次元部分の形成を含むいくつかの様々なプロセスのいずれかを使用して実行することができる。様々なプロセスは、一般に、液体、粉末または粒状の原料の焼結、硬化または溶融を、紫外線、高出力レーザ、または電子ビームをそれぞれ使用して層ごとに有する。残念ながら、このようにして製造された結果として得られる部品の品質を判定するための確立されたプロセスは限られている。従来の品質保証試験は、一般に、部品の機械的、幾何学的、または冶金的特性のプロセス後の測定を含み、これはしばしば部品の破壊をもたらす。破壊試験は、部品の様々な内部特徴の綿密な精査を可能にするので、部品の品質を検証する許容された方法であるが、そのような試験は明らかな理由で製造部品に適用することができない。したがって、積層造形法によって製造された製造部品の機械的、幾何学的、および冶金的特性を非破壊的かつ正確に検証する方法が望まれている。

[0004]いくつかの実施形態では、積層造形システムにおける較正方法が開示される。本方法は、第１の波長で黒体ソースから放射されるエネルギー量を測定するステップと、第２の波長で黒体ソースから放射されるエネルギー量を測定するステップであって、第２の波長は第１の波長から離間している、ステップと、第２の波長で放射されたエネルギー量に対する第１の波長で放射されたエネルギー量の比の間の関係を生成するステップと、を含む。

[0005]いくつかの実施形態では、第１の波長で黒体ソースから放射されるエネルギー量を測定するステップは、第１の光検出器によって実行され、第２の波長で黒体ソースから放射されるエネルギー量を測定するステップは、第２の光検出器によって実行される。

[0006]いくつかの実施形態では、第１の波長で黒体ソースから放射されたエネルギー量を測定するステップは、黒体ソースからの放射エネルギーを受け取ることに応答して第１の光検出器によって生成された第１の電圧を収集するステップを含む。

[0007]いくつかの実施形態では、第２の波長で黒体ソースから放射されたエネルギー量を測定するステップは、黒体ソースからの放射エネルギーを受け取ることに応答して第２の光検出器によって生成された第２の電圧を収集するステップを含む。

[0008]いくつかの実施形態では、関係を生成するステップは、第２の電圧に対する第１の電圧の比を生成するステップを含む。

[0009]いくつかの実施形態では、黒体ソースは、積層造形システムの構築面上の溶融プールが積層造形システムの動作中にある場所に配置される。

[0010]いくつかの実施形態では、黒体ソースはハロゲンランプを含む。

[0011]いくつかの実施形態では、積層造形システムにおける較正方法は、関係を使用して、第２の波長で放射されたエネルギーに対する第１の波長で放射されたエネルギーの比に基づいて、積層造形システムの構築面の温度の変動を決定するステップをさらに含む。

[0012]いくつかの実施形態では、積層造形システムにおける較正方法は、第１および第２の波長で溶融プールによって放射されるエネルギー量を測定し、第２の電圧に対する第１の電圧の比を使用して溶融プールの温度を決定することによって、積層造形システムの構築面上の溶融プールの温度を決定するステップをさらに含む。

[0013]いくつかの実施形態では、較正装置が開示される。較正装置は、第１の帯域幅および第２の帯域幅で積層造形システムの構築領域から放出される放射の強度をそれぞれ記録するように構成された第１および第２の光センサと、黒体ソースと、プロセッサと、プロセッサに結合され、プロセッサによって実行可能な命令を含むメモリと、を含み、命令は、プロセッサに、第１の光センサによって、第１の帯域幅で黒体ソースから放射された測定エネルギー量を収集し、第２の光センサによって、第２の帯域幅で黒体ソースから放射された測定エネルギー量を収集し、第２の帯域幅で放射された収集された測定エネルギー量に対する第１の帯域幅で放射された収集された測定エネルギー量の比に基づいて較正関係を生成するように命令する。

[0014]いくつかの実施形態では、第１および第２の光センサは、それぞれ第１および第２の光検出器である。

[0015]いくつかの実施形態では、較正関係を生成することは、既知の黒体ソース温度についての第２の光検出器による第２の発生電圧に対する既知の黒体ソース温度についての第１の光検出器による第１の発生電圧の比を生成することを含む。

[0016]いくつかの実施形態では、黒体ソースは、積層造形システムの構築面上の構築領域が積層造形システムの動作中にある場所に配置される。

[0017]いくつかの実施形態では、黒体ソースは、タングステンストリップランプを含む。

[0018]いくつかの実施形態では、命令は、プロセッサに、第２帯域幅で放射されたエネルギー量に対する第１帯域幅で放射されたエネルギー量の比に基づいて積層造形システムの構築面の温度の変動を決定するようにさらに命令する。

[0019]いくつかの実施形態では、命令は、プロセッサに、較正関係を使用することによって、積層造形システムの動作中に第２の帯域幅で放射されるエネルギー量に対する第１の帯域幅で構築領域によって放射されるエネルギー量の比に基づいて、積層造形システムの構築領域の温度を決定するようにさらに命令する。

[0020]いくつかの実施形態では、較正方法が開示される。較正方法は、第１の波長で黒体ソースから放射されたエネルギー量を受け取ることに応答して、第１の光検出器によって第１の電圧を生成するステップであって、黒体ソースは既知の温度である、ステップと、第２の波長で黒体ソースから放射されたエネルギー量を受け取ることに応答して、第２の光検出器によって第２の電圧を生成するステップであって、黒体ソースは既知の温度である、ステップと、第２の電圧に対する第１の電圧の比に基づいて較正関係を生成するステップと、を含む。

[0021]いくつかの実施形態では、較正方法は、較正関係を使用して、第２の波長で放射されたエネルギーに対する第１の波長で放射されたエネルギーの比に基づいて、積層造形システムの構築面の温度の変動を決定するステップをさらに含む。

[0022]いくつかの実施形態では、黒体ソースはハロゲンランプを含む。

[0023]いくつかの実施形態では、黒体ソースは、積層造形システムの構築面上の溶融領域が積層造形システムの動作中にある場所に配置される。

本開示の一実施形態による、複数の光センサを備え、光センサを較正するために使用される黒体ソースを示す例示的な積層造形システムを示す図である。 図１に示す積層造形システムを較正するために使用することができる黒体ソースの例示的な較正チャートを示す図である。 図１に示す黒体ソースによって生成することができる例示的な黒体較正スペクトルを示す図である。 図１に示す積層造形システムの２つの光センサから得られた読み取り値を使用して溶融プールの温度を識別するために使用できる例示的な較正関係を示す図である。 本開示の実施形態による、積層造形動作中に分光計によって取得されたセンサ読み取り値を示す例示的なグラフである。 バンドパスフィルタを分光計に配置した後に図５Ａで使用される分光計によって取得されたセンサ読み取り値の少なくとも一部を示す例示的なグラフを示す図である。 本開示の実施形態による、構築面の層の温度データを示す図である。 本開示の一実施形態による１つまたは複数の較正されたセンサを使用することができる積層造形装置の例示的な実施形態を示す図である。 本開示の一実施形態による、図７に示す較正設定の画像を示す。 本開示の一実施形態による、図７の較正設定の較正ランプの電源が投入された後の時間の関数としてのセンサ電圧信号を示すグラフである。 本開示の一実施形態による、図７に示すセンサのカーブフィットによる設定温度対平均信号比を示す図である。 本開示の一実施形態による、図７に示すシステムにおける中性密度フィルタを用いたカーブフィットによる設定温度対平均信号比を示す図である。 本開示の一実施形態による、完全な構築プレート構築の温度値の散布図である。 本開示の一実施形態による、完全な構築プレート構築のための較正された温度値の散布図である。

[0038]本開示では、積層造形システム用のプロセスモニタを較正するための装置および方法について説明する。より具体的には、積層造形システム用の軸上温度センサを較正するための装置および方法が説明される。いくつかの実施形態では、本開示は、積層造形システムで使用することができるフォトダイオードを説明する。様々な実施形態では、積層造形システムは、それぞれが異なる帯域幅を監視する一対の軸上フォトダイオードを介して粉末床の溶融領域から放射スペクトルを収集するように構成することができる。実際の温度でセンサ読み取り値を較正するために、粉末床の溶融領域がある場所に黒体較正ソース（例えば、ハロゲンランプ）を配置することができ、黒体ソースの既知の温度について各フォトダイオードからの電圧を収集することができる。

[0039]フォトダイオードの電圧の比を黒体の既知の温度と相関させて、システムの較正関係を作成することができる。したがって、動作中、フォトダイオードの電圧の比をリアルタイムで収集し、較正関係を用いて使用して溶融領域の実際の温度を導出することができる。溶融領域の実際の温度の知識を使用して、以下でより詳細に説明するように、溶融プールが冷たすぎたり、熱すぎたりして、部品に欠陥を生じさせる場合を検出することができる。

[0040]本開示の実施形態は、タングステンストリップランプを使用するレシオメトリック軸上溶融プール監視光検出器システムの熱較正を可能にすることができる。本開示は多種多様な構成に有用であり得るが、本開示のいくつかの実施形態は、以下でより詳細に説明するように、インプロセス品質保証システムを較正するのに特に有用である。

[0041]いくつかの実施形態は、積層造形システムのための軸上溶融プール監視システムに基づいて光検出器を較正するための参照標準として較正されたタングステンリボンランプを使用するための方法を開示する。本明細書に開示する較正方法は、測定された光検出器信号に基づく物理的温度値の参照を可能にすることができる。様々な実施形態において、二色性プランク温度測定理論に基づく回帰ベースのモデルを使用するための方法が開示される。いくつかの実施形態では、較正されたタングステンランプを積層造形システム内に配置することができ、異なるランプ温度設定点で測定された得られた光検出器信号を使用して、回帰ベースのモデルを較正することができる。

[0042]いくつかの実施形態では、タングステンランプの時間応答、空間特性、サンプリング時間の関数としての測定ノイズ、積層造形光学系の分光測定、および測定温度の精度を改善するための温度較正に対するそれらの潜在的な影響に関するいくつかの追加の特性評価試験結果が開示される。様々な実施形態では、構築プレート全体で温度読み取り値を正規化して、測定された温度の精度を高める位置依存性光学アーチファクトを除去する方法が開示される。方法、プロセス、システム、装置などを含む様々な本発明の実施形態が本明細書に記載されている。

[0043]ここで、いくつかの例示的な実施形態を、本明細書の一部を形成する添付の図面に関して説明する。以下の説明は、実施形態のみを提供し、本開示の範囲、適用性、または構成を限定することを意図するものではない。むしろ、実施形態の以下の説明は、１つまたは複数の実施形態を実施するための可能な説明を当業者に提供する。本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、要素の機能および配置に様々な変更を加えることができることが理解される。以下の説明では、説明の目的のために、特定の本発明の実施形態の完全な理解を提供するために特定の詳細が記載される。しかしながら、これらの特定の詳細なしに様々な実施形態を実施することができることは明らかであろう。図面および説明は、限定的なものではない。「例」または「例示的」という単語は、本明細書では「例、事例、または例示としての役割を果たす」を意味するために使用される。本明細書で「例示的」または「例」として説明される任意の実施形態または設計は、必ずしも他の実施形態または設計よりも好ましいまたは有利であると解釈されるべきではない。

[0044]図１は、本開示の一実施形態による複数の光センサを含むことができる例示的な積層造形システムを示す。図示の実施形態では、光センサを較正するために使用される黒体ソースも示されている。積層造形システムは、３つの光センサを含むことができ、光センサのうちの２つは、放射の離散波長を監視して、構築面で発生するリアルタイムの温度変化を特徴付け、第３の光センサは、熱エネルギー密度を測定するように構成される。熱エネルギー密度は、例えば、エネルギーソース電力、エネルギーソース速度、およびハッチ間隔などのプロセスパラメータの変化に敏感である。図１の積層造形システムは、エネルギーソースとしてレーザ２０１２を使用することができる。レーザ２０１２は、レーザビーム２００１を放射することができ、レーザビームは、部分反射ミラー２００２を通過し、次いで、ビームを構築面２００５上の領域２００４に投影する走査および集束システム２００３に入る。いくつかの実施形態では、構築面２００５は粉末床とすることができる。レーザビーム２００１によって照射される材料の高い材料温度および放射率特性のために、光エネルギー２００６を領域２００４から放出することができる。

[0045]図示の実施形態では、黒体ソース２０１４は、軸上光センサ２００９を較正するために使用することができる。黒体ソース２０１４は、軸上光センサ２００９の較正を容易にするために、所与の温度に対して特性放射を放射することができる。例えば、黒体ソース２０１４の代表的な較正チャート２００を図２に示す。所与の測定電流に対して、黒体ソース２０１４は、既知の黒体温度に対して特性放射を放出することができる。

[0046]いくつかの実施形態では、走査および集束システム２００３は、領域２００４から放出された光エネルギー２００６の一部を収集するように構成することができる。いくつかの実施形態では、溶融プールおよび発光プルームは、領域２００４内から黒体放射を協働して放出することができる。溶融プールは、レーザビーム２００１によって与えられるエネルギーによる粉末金属液化の結果であり、集束システム２００３に向かって反射される光エネルギー２００６の大部分の放射を担う。発光プルームは、粉末化された金属の一部の気化から生じる。部分反射ミラー２００２は、集束システム２００３によって受け取られた光エネルギー２００６の大部分を反射することができる。この反射エネルギーは、光エネルギー２００７として図１に示されている。光エネルギー２００７は、軸上光センサ２００９－１および２００９－２によって調べられ得る。軸上光センサ２００９の各々は、ミラー２００８－１および２００８－２を介して光エネルギー２００７の一部を受け取る。いくつかの実施形態では、ミラー２００８は、それぞれ波長λ_１およびλ_２のみを反射するように構成することができる。いくつかの実施形態では、光センサ２００９－１および２００９－２は、光学系を通って反射された光の合計８０～９０％を受光する。光センサ２００９－１および２００９－２はまた、それぞれの波長λ_１およびλ_２の外側の任意の光を遮断するように構成されたノッチフィルタを含むことができる。第３の光センサ２００９－３は、部分反射ミラー２００２からの光を受光するように構成され得る。図示するように、第３の光センサ２００９－３の設置を可能にする追加の取り付け点を含めることができる。いくつかの実施形態では、光センサ２００９－１および２００９－２はノッチフィルタで覆うことができ、第３の光センサ２００９－３ははるかに広い波長範囲を測定するように構成することができる。いくつかの実施形態では、光センサ２００９－１または２００９－２は、積層造形プロセスを実行するために使用されている粉末のバッチに関連する黒体放射曲線の初期特性評価を実行するように構成された分光計と置き換えることができる。次いで、この特徴付けを使用して、光センサ２００９－１および２００９－２の波長フィルタがどのようにオフセットされ、分光計によって特徴付けられる黒体曲線に関連するスペクトルピークを回避するように構成されるかを決定することができる。この特性評価は、完全な積層造形動作が実行される前に実行される。

[0047]いくつかの実施形態では、走査および集束システム２００３は、黒体ソース２０１４（例えば、積層造形システム内の溶融プール領域）から放出された光エネルギー２０１５の一部を収集するように構成することができる。より具体的には、溶融プールおよび発光プルームは、黒体ソース２０１４から放出される黒体放射と同様の黒体放射を協働して放出することができる。溶融プールは、レーザビーム２００１によって与えられるエネルギーによる粉末金属液化の結果であり、集束システム２００３に向かって反射される光エネルギー２００６の大部分の放射を担う。発光プルームは、粉末化された金属の一部の気化から生じる。

[0048]集光された光エネルギー２００７は、ビーム相互作用領域２００４から放出された光エネルギー２００６と同じスペクトルコンテンツを有さなくてもよいが、これは、光エネルギー２００７が、部分反射ミラー２００２、走査および集束システム２００３、ならびに部分反射ミラー２００８のうちの１つまたは複数などの複数の光学素子を通過した後にいくらかの減衰を受けているためであることに留意されたい。これらの光学素子はそれぞれ、それ自体の透過特性および吸収特性を有してもよく、その結果、減衰量が変化し、したがって、ビーム相互作用領域２００４から放射されるエネルギーのスペクトルの特定の部分が制限される。軸上光センサ２００９によって生成されるデータは、作業プラットフォームに与えられるエネルギー量に対応してもよい。これにより、ノッチ特徴波長は、光学素子の吸収特性によって過度に減衰される周波数を回避するように選択されることが可能になる。

[0049]較正は、軸上光センサ２００９からの読み取り値を記録しながら、既知の温度に対する黒体特性スペクトルを黒体ソース２０１４に放出させることによって実行することができる。例えば、図３は、１０００Ｃの黒体温度に対する第１の黒体スペクトル３０５を示す。第１の光センサ２００９－１（図１を参照）は、６８０ナノメートル＋－５ナノメートルの第１の帯域幅λ_１（３１５）で第１のスペクトル３０５の強度に応答するように構成されている。第２の光センサ２００９－２（図１参照）は、７００ナノメートル＋－５ナノメートルの第２の帯域幅λ_２（３２０）で第１のスペクトル３０５の強度に応答するように構成される。

[0050]図３はまた、１５００Ｃの黒体温度に対する第２の黒体スペクトル３５０を示す。第１の光センサ２００９－１（図１を参照）は、６８０ナノメートル＋－５ナノメートルの第１の帯域幅λ_１（３５５）で第２のスペクトル３５０の強度に応答するように構成されている。第２の光センサ２００９－２（図１を参照）は、７００ナノメートル＋－５ナノメートルの第２の帯域幅λ_２（３７０）で第２のスペクトル３５０の強度に応答するように構成される。いくつかの実施形態では、第１の帯域幅λ_１（３５５）は、放射率の変化の影響を低減するために、第２の帯域幅λ_２（３７０）に比較的近いように選択される。本開示の利益を有する当業者は、他の帯域幅および／または温度を使用することができることを理解するであろう。

[0051]図３に示すように、黒体ソース２０１４（図１参照）の温度が上昇するにつれて、特性放射曲線は左にシフトし、したがって、λ_２（３２０）における強度に対するλ_１（３１５）における強度の比が変化する。図４に示すように、この比は、既知の黒体較正温度に対してプロットされ、積層造形システムの較正関係４００を生成することができる。より具体的には、いくつかの実施形態では、各光センサ２００９は、センサの特定の帯域幅で受信強度に対応する電圧を生成することができる。これらの電圧の比は、既知の黒体較正温度（例えば、図２を参照）に対してプロットすることができる。コンピュータ２０１６（図１を参照）は、較正関係４００を使用して、積層造形動作中の溶融プールの実際の温度を報告することができる。実際の温度を使用して、部品に欠陥をもたらす可能性がある仕様外の状態を定量化および識別することができる。

[0052]軸上光センサ２００９の例は、これらに限られるわけではないが、パイロメータおよびフォトダイオードなどの光－電気信号変換器（すなわち、光検出器）を含む。光センサはまた、分光計、および可視、紫外線、または赤外線周波数スペクトルで動作する低速または高速カメラを含むことができる。軸上光センサ２００９は、ビームと共に移動する基準フレーム内にあり、すなわち、レーザビームによって接触されるすべての領域が見え、レーザビーム２００１が構築面２００５を横切って走査するときに接触される構築面２００５のすべての領域から光エネルギー２００７を収集することができる。走査および集束システム２００３によって収集された光エネルギー２００６は、レーザビームにほぼ平行な経路を進むので、センサ２００９は軸上センサと考えることができる。

[0053]いくつかの実施形態では、積層造形システムは、レーザビーム２００１に対して静止基準系にある軸外センサを含むことができる。さらに、金属粉末を構築面２００５にわたって広げるように構成されたリコータアーム上に接触センサが存在することができる。これらのセンサは、加速度計、振動センサなどであってもよい。最後に、マクロ熱場を測定するための熱電対などの他のタイプのセンサがあってもよく、または堆積物が構築されるときに堆積物に発生する亀裂および他の冶金現象を検出することができる音響放射センサを含んでもよい。

[0054]いくつかの実施形態では、プロセッサ２０１８、コンピュータ可読媒体２０２０、およびＩ／Ｏインターフェース２０２２を含むコンピュータ２０１６が提供され、様々なセンサからデータを収集するために積層造形システムの適切なシステム構成要素に結合される。コンピュータ２０１６によって受信されたデータは、インプロセス生センサデータおよび／または縮小された順序のセンサデータを含むことができる。プロセッサ２０１８は、インプロセス生センサデータおよび／または縮小された順序のセンサデータを使用して、構築面２００５に対する座標を含むレーザ２０００の出力および制御情報を決定することができる。他の実施形態では、プロセッサ２０１８、コンピュータ可読媒体２０２０、およびＩ／Ｏインターフェース２０２２を含むコンピュータ２０１６は、様々なシステム構成要素の制御を提供することができる。コンピュータ２０１６は、レーザ２０００、構築面２００５、ならびに他の関連する構成要素およびセンサに関連する制御情報を送信、受信、および監視することができる。

[0055]プロセッサ２０１８を使用して、様々なセンサによって収集されたデータを使用して計算を実行し、インプロセス品質メトリックを生成することができる。いくつかの実施形態では、軸上光センサ２００９によって生成されたデータを使用して、構築プロセス中の熱エネルギー密度を決定することができる。構築面を横切るエネルギーソースの移動に関連する制御情報は、プロセッサによって受信することができる。次いで、プロセッサは、制御情報を使用して、軸上光センサ２００９および／または軸外光センサからのデータを対応する位置と相関させることができる。次いで、この相関データを組み合わせて熱エネルギー密度を計算することができる。いくつかの実施形態では、熱エネルギー密度および／または他のメトリックをプロセッサ２０１８によって使用して、熱エネルギー密度または所望の範囲外にある他のメトリックに応答して、プロセスパラメータ、例えばレーザ出力、レーザ速度、ハッチ間隔、および他のプロセスパラメータの制御信号を生成することができる。このようにして、そうでなければ製造部品を損なう可能性がある問題を改善することができる。複数の部品が一度に生成されている実施形態では、メトリックが所望の範囲外にあることに応答してプロセスパラメータを迅速に補正することにより、隣接する部品がエネルギーソースから過度に多いまたは過度に少ないエネルギーを受け取ることを防止することができる。

[0056]いくつかの実施形態では、Ｉ／Ｏインターフェース２０２２は、収集されたデータを遠隔地に送信するように構成することができる。Ｉ／Ｏインターフェース２０２２は、遠隔地からデータを受信するように構成することができる。受信したデータは、ベースラインデータセット、履歴データ、プロセス後検査データ、および分類器データを含むことができる。リモートコンピューティングシステムは、積層造形システムによって送信されたデータを使用してインプロセス品質メトリックを計算することができる。リモートコンピューティングシステムは、特定のインプロセス品質メトリックに応答してＩ／Ｏインターフェース１２２に情報を送信することができる。図１に関連して説明したセンサは、連続的な材料の蓄積を含む任意の積層造形プロセスの性能を特徴付けるために説明した方法で使用することができることに留意されたい。上記の教示を考慮すると、多くの修正および変形が可能であることが当業者には明らかであろう。

[0057]本明細書に記載の実施形態は、熱エネルギー密度を決定するために光センサによって生成されたデータを使用しているが、本明細書に記載の実施形態は、インプロセス物理変数の他の発現を測定するセンサによって生成されたデータを使用して実施することができる。インプロセス物理変数の発現を測定するセンサは、例えば、力および振動センサ、接触熱センサ、非接触熱センサ、超音波センサ、および渦電流センサを含む。上記の教示を考慮すると、多くの修正および変形が可能であることが当業者には明らかであろう。

[0058]図５Ａは、粉末アルミニウム合金を使用するレーザ焼結積層造形プロセス中に分光計によって取得されたセンサ読み取り値を示す例示的なグラフ１８００を示す。いくつかの実施形態では、分光計は、可視および近赤外スペクトルの両方をカバーする０～１５００ｎｍの範囲を有することができる。１０６４ｎｍを中心とするピーク１８０２は、積層造形プロセスのためのエネルギーソースとして作用するイッテルビウムドープレーザの波長に対応する。バッフルがレーザ上に設置されている場合でも、ピーク１８０２の大きさは、レーザからの光が分光計によって検知される前に構築チャンバ内の他の表面から反射されるために人為的に増加させることができる。ピーク１８０２の大きさのために、分光計はこの波長からの光で飽和し、そうでなければ分光計によって捕捉され得る他の周波数の光が抑制されるか、場合によっては完全に不明瞭になる。例えば、ピーク１８０４は黒体放射曲線に対応し得るが、信号の振幅は、レーザ光による分光計の飽和に起因する特徴抽出には低すぎる。

[0059]図５Ｂは、ピーク１８０４を取り囲む周波数をブロックするバンドパスフィルタを分光計に追加した後に、前述のピーク１８０２に対応する分光計によって取得されたセンサ読み取り値の一部を示す例示的なグラフ１８５０を示す。例えば、バンドパスフィルタは、１０００～１１００ｎｍの周波数を有する光の周波数を除去するように構成することができる。分光計からこれらの周波数を除去すると、特定のスペクトル特徴ピーク１８５２を除いて、黒体放射曲線の一般的な形状に従うグラフ１８５０が得られる。スペクトルピーク１８５２は、レーザ照射を受けている粉末の材料特性に起因する。いくつかの実施形態では、これらのスペクトルピークは、粉末、イオン化粉末、およびイオン化からの電子を構成する中性原子の存在に起因して起こり得る。これらのスペクトルピーク１８５２は、一般に、固定波長のままである。これにより、波長１８５４および１８５６をスペクトルピーク１８５２からオフセットされた周波数で選択することができる。スペクトルピーク１８５２のサイズは温度によって変化し得るが、それらがカバーする波長範囲は、広い温度範囲にわたって実質的に同じままである。いくつかの実施形態では、黒体曲線の形状に続くトレンドラインを確立し、黒体曲線を定義するトレンドライン上に一貫して配置される波長を選択することも望ましい場合がある。これは、波長１８５４および１８５６を監視するセンサから導出された温度データの精度に悪影響を及ぼす可能性があるスペクトル特性上の選択された波長１８５４または１８５６の一方の配置を防止するのにさらに役立つ。

[0060]波長１８５４および１８５６を監視する光センサは、選択された波長を中心とする０．５ｎｍ～約１０ｎｍの比較的狭い帯域幅を監視するように構成することができる。帯域幅のサイズは、使用される粉末およびエネルギーソースの用途および特性に依存し得る。いくつかの実施形態では、波長１８５４および１８５６で放射された光を収集するために、２つの異なる光センサを使用することができる。光センサは、光検出器、より具体的には、フォトダイオードに到達する光をそれぞれ波長１８５４および１８５６を中心とする狭い波長範囲に制限する誘電体多層波長ノッチフィルタを有するフォトダイオードの形態をとることができる。波長１８５４および１８５６は黒体曲線の片側に配置されているが、波長が重複しない限り、波長は曲線の反対側に配置することもできることに留意されたい。

[0061]波長１８５６の光の強度に対する波長１８５４の光の強度の比を使用して、構築面上の温度の変化または変動を特徴付けることができる。これらの測定は、溶融プールからの熱放射、および金属粉末の小さな部分の気化によって引き起こされる溶融プールに近接する発光プルームによって駆動される。発光プルームは溶融プールからの黒体発光をマスクする傾向があるため、測定値の大部分は発光プルームに由来する。構築面から放出される非常に狭い範囲の光を監視するこの構成は、広域監視によって引き起こされる不正確さの大部分を防止する。例えば、この監視方法は、積層造形装置の壁で反射するレーザ光によって引き起こされる不正確さを大幅に低減する。黒体放射曲線は、使用される粉末金属の種類に応じて実質的に波長が変化し得ることに留意されたい。例えば、図５Ａおよび図５Ｂのグラフは、４００ｎｍ～９００ｎｍに延びる黒体放射曲線を有するアルミニウムに対応するが、チタンの黒体放射曲線は、約１４００ｎｍ～１７００ｎｍに位置することができる。このため、金属粉末合金に変化がある場合、波長１８５４および１８５６を再選択することができる。所望の動作温度が変更される場合、波長１８５４および１８５６の再選択も望ましい可能性がある。オペレータは、異なる材料粒子構造が所望される場合、同じタイプの金属合金を有する部品の動作温度を変更することができる。

[0062]図６は、部品の構築層６０５について生成された例示的なデータを示す。より具体的には、構築層６０５の各ピクセルは、その幾何学的位置の溶融プールについて記録された温度を表す。スケール６１０は、構築層６０５にわたる温度の範囲を示す。いくつかの実施形態では、温度について上限および／または下限を確立することができ、構築層６０５上の領域は範囲外であり、したがって欠陥がある可能性があると識別することができる。

[0063]図７は、本開示の一実施形態による１つまたは複数の較正されたセンサを使用することができる積層造形装置の例示的な実施形態を示す。図７の積層造形装置は、２つの軸上単一点光検出器を含むことができ、それぞれがλ_２およびλ_１の透過率を有するバンドパスフィルタの背後にある。いくつかの実施形態では、λ_１およびλ_２は、互いに波長が類似する２つの可視光波長である（両者の差＜５０ｎｍ、λ_１＜λ_２）。これらの波長を有する溶融プールから放出される光は、電子遷移によるものではなく、熱放射によるものであり得る。これらのセンサからの信号は、二色性プランク温度測定（例えば、比、デュアルバンドまたは２色高温測定）を使用して温度値を計算するために使用することができ、これは、本明細書でより詳細に説明する熱放射プランク（ＴＥＰ）と呼ばれるプロセス監視データメトリックの基礎を形成する。一実施形態では、光検出器のアナログ出力を２００ｋＨｚでデジタルサンプリングし、３２ビットの浮動小数点値として格納することができる。追加の光検出器をサンプリングして、熱エネルギー密度（ＴＥＤ）と呼ばれる別のメトリックを導出することができる。

[0064]本開示の実施形態は、溶融プール信号を温度に正規化するための空間較正方法を提供する。これは、溶融プールから同軸光検出器への光の経路長が位置によって変化する可能性があり、異なる機械間に変動が存在する可能性があるためである。いくつかの実施形態では、Ｐｙｒｏｍｅｔｒｙ ＬＬＣ Ｓ６－１００較正ランプを使用して、二色プランク温度測定の原理を使用して図７の積層造形装置を較正することができる。

[0065]プランクの法則は、温度の関数としての黒体ソースの波長依存性放射輝度が式１によって与えられ得ることを示している。

（１）
ここで、ｈはプランク定数であり、ｃは光速であり、εはソースの放射率であり、ｋ_Ｂはボルツマン定数であり、Ｉ（λ、Ｔ）の単位はＷ・ｓｒ^－１・ｍ^－３となる。同じ温度における２つの異なる波長での放出強度の比は、式２によって計算することができる。各波長における溶融プールの放射率が同じである限り、放射率値はそれ自体を相殺することに留意されたい。ここで、近傍の波長は、放射率差を最小にするように選択することができる。

（２）
典型的な処理値（Ｔ＝１，９００℃、λ～＝５００ｎｍ）では、指数項は１よりかなり大きく、

であり、この式は式３に簡約することができる。

（３）

[0066]２つの波長および記録された強度を考慮して温度を計算するためにこれを並べ替えると、式４が得られる。

（４）
物理定数は、２つの自由度を有する関数を生成するために因数分解することができ、これは、センサ信号の比が与えられた場合に温度を予測するために較正することができる（式５）。

（５）
この式はソースの放射輝度／放射率（Ｉ（λ、Ｔ））を記述するが、同じ光路を占める２つの同様の光検出器によって測定される信号Ｓについても成り立つ。比較的狭い波長帯域（Δλ＜＜λ_０）にフィルタリングされた線形光検出器の場合、測定された信号はソース放射率Ｓ_０（Ｔ）∝Ｉ（λ_０、Ｔ）に比例する。式６において、比例定数は回帰変数Ｂによって相殺または吸収される。

（６）
したがって、測定信号比Ｒ（Ｔ）＝Ｓ_１（Ｔ）／Ｓ_２（Ｔ）となる。いくつかの実施形態では、Ｔが特定の設定点Ｔ_ｉに設定された較正放射輝度ソースから既知である場合には、回帰モデルを次のように作成することができ、Ｔ_ｉ＝ｆ（Ｒ_ｉ，Ａ，Ｂ）、ここで、Ｔ_ｉは従属変数であり、Ｒ_ｉは独立変数であり、ＡおよびＢは未知の回帰パラメータである。様々な実施形態において、回帰関数を使用して、測定された信号比Ｒから相対温度Ｔを評価することができる。

[0067]較正測定
例示的な一実施形態では、図７の積層造形装置は、ＥＯＳ Ｍ２９０レーザ粉末床溶融結合装置に設置することができる。高波長センサおよび低波長センサの両方の利得は、記録された信号が典型的な処理条件の間に飽和電圧を下回り、ノイズフロアを上回ることを確実にするように設定することができる。これを確実にするために、Ｍ２９０が構築プレート全体にまたがる正方形を製造している間に利得を設定することができる。利得は、２つの信号のうちの高い方が構築プレートにわたる飽和電圧の７５％を平均するように設定することができる。構築の終わりに、レーザは、構築プレートの中心に向かうように指令されてもよく、その結果、ガルバノミラーは、較正のために中心ソースに集束される。

[0068]次に、較正されたランプを配置することができる。構築プレートは、ランプのフィラメントが加工中に溶融プールと同じ高さに配置されるように、４５ｍｍだけ下げることができる。ランプは、ブロックの上部の開口部と水平方向および垂直方向に整列するように、温度較正ブロック内に収容することができる。高波長光検出器は、光学チューブと共に取り外されてもよく、例えば、構築プレートの中心を照らすために使用することができるＴｈｏｒｌａｂｓ ＰＬ２０２ ＨｅＮｅ ＵＳＤレーザで置き換えられてもよく、較正ブロックは、ランプが構築プレートの中心になるように移動される。ＸＹブロックアライメント後に、ＨｅＮｅレーザを除去し、高波長光検出器および光学チューブを戻すことができる。較正設定の画像を図８に示す。

[0069]ランプに電力が供給される前に、図７の積層造形装置および部屋の内部でライトをオフにして測定を行うことができる。消灯した各高波長センサおよび低波長センサの中央値は、それらの対応する暗電圧であると測定することができる。これらの電圧は、温度を計算するために使用される前に、対応するセンサからのすべての測定値から差し引かれる。いくつかの実施形態では、ランプは、Ｒｏｈｄｅ＆Ｓｃｈｗａｒｚ ＨＭＰ４０４０プログラマブルＤＣ電源によって電流制御されてもよい。表１は、較正に使用された代表的な温度および現在の設定点を示しており、ランプは、ＮＩＳＴ追跡可能な転写高温計を使用してＰｙｒｏｍｅｔｒｙ ＬＬＣによって較正され、所定の温度設定点を達成した。

表１

[0070]温度を各設定点に設定し、１，３００℃から始めて１分間安定化させることができる。Ｈａｎｔｅｋ １００８Ｃオシロスコープを使用して、両方のセンサ電圧を監視して、それらが許容範囲内に留まることを確実にする。較正ソースが２，３００℃に設定されているとき、より高いセンサがその飽和電圧の８５％を読み取るように開口部を設定することができ、センサが飽和しないことを確実にする。

[0071]較正計算
いくつかの実施形態では、両方の検出器チャネルを同期して取得することができ、したがって各要素は同じ時点での測定に対応する。各温度設定点Ｔ_ｉについて、比

は、暗電流減算後の時系列の高波長および低波長光検出器信号の要素分割によって計算され、Ｒ_ｉ（ｔ）＝Ｓ_１（ｔ）／Ｓ_２（ｔ）である。時系列比Ｒ_ｉ（ｔ）の中央値は、各温度設定点について記録され、式６から続く式７のＡおよびＢの値に回帰するために使用される。

（７）
Ｒ_ｉ（ｔ）の各５秒間のデータキャプチャ内で、時間的に中央の４００個の値の標準偏差を計算して、温度の関数としての信号変動の傾向を識別した。ノイズの一定のランダム分布

を仮定すると、それ以外は一定の温度でのセンサ信号Ｓ_１（Ｔ）およびＳ_２（Ｔ）において、比

の分散は温度の低下と共に増加する可能性があり、これはセンサ信号と共に減少する。

[0072]空間正規化方法
いくつかの用途では、構築プレート上の高波長信号と低波長信号との比を空間的に変化させる可能性がある多くの効果があり、それには以下が含まれるが、これらに限定されない。
１）経路長変動
２）光学系を介した角度に依存する透過
３）球面収差
変動は、各高波長および低波長における透過率の比例変化として別々に説明することができ、これは時間ではなく位置の関数として変化する。いくつかの実施形態では、透過率の比例的減少を定量化するために、温度、したがって低／高波長信号の比は構築プレートにわたって一定であると仮定することができる。

[0073]完全な構築プレートを製造することができる。プロセスが定常状態に達すると、４つの層を記録することができる。これらの層の各々からの高信号および低信号の生データは、５０ミクロン解像度の画像にラスター処理される。各層について、低波長信号画像を高波長信号画像によって要素ごとに分割して、単一比信号画像を生成することができる。次いで、４つの比率画像を平均化することができる。平均化された画像は、構築プレート上の２ｍｍ×２ｍｍの正方形の中心における平均値が１に等しくなるように正規化することができる。この画像は、入ってくる温度データを補正するために使用されるすべての値を含む。すべての生の時間データについて、補正値画像内の最も近い画素が位置し、生の比データの値をその補正値で除算して、空間的に補正された温度を計算するために使用される補正された比を生成した。

[0074]回帰および変動
較正の前に、室温から１，７００℃までランプの電源を入れた。低波長光検出器からの信号を、ランプに電力を印加しながら経時的に測定して、定常状態温度に達するまでの時間を決定した。信号対時間の結果が図９に示されており、ランプの電源がオンになっているときの低いセンサ電圧対時間がプロットされている。図９に示すように、２秒以内に定常状態に達したことが確認された。温度が安定するための１分間の滞留時間は、使用される滞留時間を十分に満たすことができる。この測定が行われた後に、較正を進める前に、ランプがもはや目に見えるように発光しなくなるまで、ランプの電源をオフにすることができる。

[0075]各温度の（中央の４００個の点にわたる）Ｒ_ｉ（ｔ）の中央値を設定点に対して回帰すると、図１０に示すように、Ａ＝６１８．７５およびＢ＝０．６８１を有する式が得られ、Ｒ^２値は０．９９６である。図１０は、カーブフィット（青色線）による設定温度対平均信号比（青色ドット）を示す。図１０のエラーバーは予測の不確実性を示すものではなく、所与の設定点における回帰モデルを使用した測定温度の＋／－１σ標準偏差を示すことに留意されたい。

[0076]開示されたモデルは、１９．４２℃のＲＭＳＥで設定点を推定することができる。各温度設定点におけるＲ_ｉ（ｔ）の４００個の時間的中央値の各々について、温度Ｔ（ｔ）を、式７で展開された較正回帰モデルに基づいて計算した。これらの４００個の温度値の標準偏差を記録して、測定された温度に関してセンサノイズを定量化した。これらの標準偏差を表２に示し、図１０にエラーバーとしてプロットしている。収集されたデータの標準偏差は、温度が両方ともノイズを含む２つの信号の比から計算されるので、温度が低下するにつれて増加する。温度が低下するにつれて信号が減少するため、ノイズは比率の分散の大部分を占める。温度設定点の関数としての測定された温度標準偏差を表２に示す。

表２

[0077]サンプリングされたデータの標準偏差は、センサの不確実性の良好なメトリックではない場合があることに留意されたい。異常信号は１つを超える時間データサンプル（５μｓ）に及ぶので、図７の積層造形装置におけるセンサの不確実性は、信号が取得される時間の長さの関数とすることができる。標準誤差を計算するための式

は、標準誤差をＳＥの定義されたしきい値未満に低減するために使用されるサンプル数を計算するために再構成することができる。

（８）
この式を様々な値に適用した結果を表３に示す。１，９００℃と同じ標準誤差を達成するが、他の設定点温度では、使用されるサンプリング時間は、１，７００℃で約２倍であり、１，３００℃で約６０倍である。

表３

[0078]光検出器は固有のノイズを有し得るが、標準偏差は、ソースサイズ（例えば、較正ランプまたは溶融プール）ならびにセンサゲイン設定の関数である。したがって、同軸溶融プール監視センサの応答の標準偏差は、溶融プールおよびセンサの視野内の領域に関係する複数の要因に依存し得る。例えば、センサ信号の標準偏差の変化は、
１）溶融プールの表面積
２）センサゲイン／材料処理ウィンドウ
３）溶融プール放射率
４）スパッタまたはプルームなどの他の白熱ソース
例えば、仮定の溶融プールが均一な１，３００℃であり、較正ランプの２ｍｍ×８ｍｍのタングステンフィラメントよりも大きい場合、より多くの光子がセンサに到達し、より高い信号対雑音比をもたらす可能性がある。読み取り値は、経時的により小さいデータの標準偏差を有し得る。溶融プールがタングステンフィラメントよりも小さい場合には、反対のことが当てはまる。

[0079]いくつかの実施形態では、より低い相対溶融プールサイズまたは温度で処理するために異なる材料が選択される場合、より高いゲイン値が選択されてもよい。経時的なセンサデータの標準偏差は減少し、測定値は低温で記録することができる。しかしながら、センサが飽和しやすくなるため、検出可能な最大温度も低下する。センサゲインを低下させると、反対の傾向が観察される。溶融プール放射率の変化は、溶融プールサイズの変化と同様の効果を有する。他のすべては一定に保たれ、溶融プール放射率の低下は、放出される光子の数を減らすことができる。センサの信号を減らすことができ、計算される温度の標準偏差が増加する。

[0080]様々な実施形態では、測定された温度の不確実性は、信号強度または溶融プール／フィラメント長の関数を測定結果で実証することができる。信号強度を減衰させるために使用される光学濃度ＯＤ１の中性濃度（ＮＤ）フィルタを追加して、前の手順が繰り返される。タングステンランプソースの開口部は、ＮＤフィルタが開口部の上方に配置されている間、２つの信号のうちの高い方がその飽和電圧の８５％になるように設定することができる。別の測定では、ＮＤフィルタは、高フォトダイオードの信号をそのフィルタリングされていない信号の１３．７１％に低減し、低フォトダイオードの信号をそのフィルタリングされていない信号の１０．５７％に低減するように測定される。これらの値は、フィルタの欠陥を説明するために、ＮＤフィルタが開口部の上に配置されたときに測定された信号を正規化するために使用することができる。この測定は、より低い温度で信号強度を増加させるために、最初に開口部にわたってＮＤフィルタなしで繰り返すことができる。

[0081]いずれかの信号が飽和電圧の７５％を超えることを示す温度に達すると、試験の残りの部分のために開口部にＮＤフィルタを配置することができる。ＮＤフィルタは、両方の個々の検出器の測定信号に影響を及ぼし得るが、前述のように透過率を考慮した後に、信号の比率には影響を及ぼさない。相対的なセンサノイズは、信号が低いときは常に高いため、ＮＤフィルタが追加された温度を除いて、測定された温度の標準偏差は温度の上昇と共に減少することが予想される。各温度設定点について（中央の４００個の点にわたる）Ｒ_ｉ（ｔ）の中央値を回帰した結果を図１１に示す。図１１は、ＮＤ試験のカーブフィット（青色線）による設定温度対平均信号比（青色ドット）を示す。図１１では、エラーバーは予測の不確実性を示すのではなく、所与の設定点で回帰モデルを使用した測定温度の＋／－１σ標準偏差を示す。

[0082]いくつかの実施形態では、ＮＤフィルタを１８００℃の設定点で追加することができる。モデルは、０．９９６のＲ^２値、Ａ＝４４７．５２およびＢ＝１．０５２３でこのデータに適合する。このモデルは、１９．７０℃のＲＭＳＥで設定点を推定する。このモデルの標準偏差は、特に低温では全体的に低く、ＮＤフィルタが追加されたデータポイントで偏差が増加する。このモデルは、設定温度の１．３～６．１％である標準偏差で温度を予測することができる。回帰モデルの予測および温度予測の標準偏差は、表４に見出すことができる。

表４

[0083]以前のデータセットと同様の構成において、表５に示すように、所与の標準誤差を有するサンプルを生成するために使用されるサンプリング時間をこのデータセットについて計算した。このデータセットまたは以前のデータセットの標準誤差の標準偏差も持続時間も、積層造形処理中の標準偏差およびサンプリング期間の特徴ではないことに留意されたい。これらの値に影響を及ぼし得る他の入力がある。

表５

[0084]空間正規化
様々な実施形態では、完全な構築プレート測定の場合、データを２００ｋＨｚでサンプリングすることができ、較正式を個々のデータ点に適用してその位置の温度を予測することができる。完全な構築プレート構築からの温度値の散布図を図１２に示す。前述のように、すべてのデータ点について、信号の比率を空間的に最も近い補正値で除算することができ、これを使用して調整温度を計算することができる。補正温度の散布図を図１３に示す。

[0085]図１３において、開示された較正方法は、元のデータにおける空間変動を低減することができることが分かる。補正されていないデータセットの温度の標準偏差は１０９℃である。図１３の較正されたデータセットでは、標準偏差は３２．８℃である。この方法は、温度が構築プレート上の位置の関数として変化しない可能性があると仮定することができる。この仮定により、実際の位置依存プロセス効果をマスクすることができる。いくつかの実施形態では、位置変動パターンのソースの知識を使用して、位置に依存する光透過を低減できるように、光学ハードウェアを改善する方法が使用される。

[0086]パターンの存在は、溶融プール／プルームの組み合わせから発する部分的にコヒーレントな光によって生成される光学干渉パターンに起因する可能性がある。光のソースは、粉末床を溶融するための出力を提供するレーザのソースに関連する。赤外線放射は、様々なプロセスによって溶融プール内および溶融プール付近で可視放射に変換され、可視放射はプリンタの光学系を通って伝播して戻る。いくつかの実施形態では、高出力集束近赤外放射の変換手順は以下のように進行する。溶融プールは、印刷された合金成分のかなりの蒸気圧を有する集束放射によって確立することができる。これらの金属蒸気原子種は、集束レーザの高電界によって駆動される光電効果によって部分的にイオン化される。電子および金属イオンは、レーザの電界によって加速され、中性物質を幾分過熱された溶融プールの熱誘起ボルツマン分布特性によって確立される上記の状態に衝突励起することができる。

[0087]衝突励起によるこれらの励起状態は、ナノ秒範囲の寿命を有する放射の高い確率を有し得る。競合するプロセスである、より低温種との衝突による脱励起は、システム密度が低いため、より低い確率を有する可能性がある。金属量子状態の熱励起ボルツマン分布は、それぞれの材料に特徴的な波長でより少ない量のバックグラウンド放射に寄与し得る。様々な実施形態において、非線形光学媒質として作用する金属蒸気成分を用いて近赤外高出力溶融レーザの高調波を非線形光学的に生成する方法が開示される。非線形の非平衡条件の存在により、出現する光スペクトル（プルームの分光法で見える）は、溶融レーザによって駆動される部分コヒーレンスを有する可能性があり、干渉パターンを引き起こす可能性がある。いくつかの実施形態では、これは、光学トレインに入る光を偏光解除することによって排除することができる。

[0088]様々な実施形態では、較正方法は、異なるレーザ角度で、または構築面上の異なる位置で測定すること、または積層造形処理中に光学系が熱くなったときに較正／試験することを含むことができる。

[0089]本開示の実施形態は、二色性プランク温度測定のための装置および方法、ならびに二色性プランク温度測定較正のための回帰フレームワークを提供する。いくつかの実施形態では、黒体ソースとしてタングステンランプを使用して、回帰フレームワークが検証される。上述の例示的な設定では、較正に使用される利得値は、任意の変動を説明するために機械によって変化し得る。これにより、異なる機械からのセンサが同じ較正読み取り値をもたらすことが可能になる。この方法の結果として、１．３～６．１％の精度の温度較正を、二色性プランク温度測定を用いて実現することができる。さらに、温度の関数としてのデータ変動の傾向を分析することができ、一定のセンサゲインでは、温度の上昇と共にセンサ読み取り値の標準偏差が減少することを示している。様々な実施形態では、予測温度の標準偏差のこの変化は、ソース温度だけでなく、より低いソース温度で低下する信号の量にも起因することが示されている。いくつかの実施形態では、信号を増加させることによって、より低い温度で低い標準偏差の読み取り値を達成することができる。様々な実施形態において、測定された温度の空間偏差を低減するための方法が開示される。

[0090]本開示の恩恵を受ける当業者は、開示されたシステムおよび較正方法がレーザベースの積層造形プロセスに限定されないことを理解するであろう。他の積層造形プロセスは、電子ビームベースのシステムおよびＵＶ硬化ベースのシステムを含むがこれらに限定されない監視センサの較正を改善するために同様の技術を使用することができる。

[0091]記載された実施形態の様々な態様、実施形態、実装形態または特徴は、別々にまたは任意の組み合わせで使用することができる。記載された実施形態の様々な態様は、ソフトウェア、ハードウェア、またはハードウェアとソフトウェアとの組み合わせによって実施することができる。記載された実施形態はまた、製造作業を制御するためのコンピュータ可読媒体上のコンピュータ可読コードとして、または製造ラインを制御するためのコンピュータ可読媒体上のコンピュータ可読コードとして実施することもできる。コンピュータ可読媒体は、その後にコンピュータシステムによって読み取ることができるデータを格納することができる任意のデータ記憶装置である。コンピュータ可読媒体の例は、読み出し専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、ＣＤ－ＲＯＭ、ＨＤＤ、ＤＶＤ、磁気テープ、および光学データ記憶装置を含む。コンピュータ可読媒体はまた、コンピュータ可読コードが分散して格納および実行されるように、ネットワーク結合コンピュータシステム上に分散させることもできる。

[0092]前述の説明は、説明の目的のために、記載された実施形態の完全な理解を提供するために特定の命名法を使用した。しかしながら、記載された実施形態を実施するために特定の詳細が必要とされないことは、当業者には明らかであろう。したがって、特定の実施形態の前述の説明は、例示および説明の目的で提示されている。それらは、網羅的であること、または記載された実施形態を開示された正確な形態に限定することを意図するものではない。上記の教示を考慮すると、多くの修正および変形が可能であることが当業者には明らかであろう。

[0093]さらに、例えば図に示すように、要素および／または特徴と別の要素および／または特徴との関係を記述するために、「底部」または「頂部」などの空間的に相対的な用語を使用することができる。空間的に相対的な用語は、図に示す向きに加えて、使用および／または動作中のデバイスの異なる向きを包含することが意図されていることが理解されよう。例えば、図中の装置がひっくり返された場合、「底部」表面として記載された要素は、他の要素または特徴の「上方」に向けることができる。装置は、他の方向に向ける（例えば、９０度または他の向きに回転する）ことができ、本明細書で使用される空間的に相対的な記述子はそれに応じて解釈される。

１２２ Ｉ／Ｏインターフェース
２００ 較正チャート
３０５ 第１の黒体スペクトル
３５０ 第２の黒体スペクトル
４００ 較正関係
６０５ 構築層
６１０ スケール
１８００ グラフ
１８０２ ピーク
１８０４ ピーク
１８５０ グラフ
１８５２ スペクトル特徴ピーク
１８５４ 波長
１８５６ 波長
２０００ レーザ
２００１ レーザビーム
２００２ 部分反射ミラー
２００３ 走査および集束システム
２００４ ビーム相互作用領域
２００５ 構築面
２００６ 光エネルギー
２００７ 光エネルギー
２００８－１ 部分反射ミラー
２００８－２ 部分反射ミラー
２００９ 軸上光センサ
２００９－１ 第１の光センサ
２００９－２ 第２の光センサ
２００９－３ 第３の光センサ
２０１２ レーザ
２０１４ 黒体ソース
２０１５ 光エネルギー
２０１６ コンピュータ
２０１８ プロセッサ
２０２０ コンピュータ可読媒体
２０２２ Ｉ／Ｏインターフェース

Claims (20)

1. 積層造形システムにおける較正方法であって、
   第１の波長で黒体ソースから放射されるエネルギー量を測定するステップと、
   第２の波長で前記黒体ソースから放射されるエネルギー量を測定するステップであって、前記第２の波長は前記第１の波長から離間している、ステップと、
   前記第２の波長で放射された前記エネルギー量に対する前記第１の波長で放射された前記エネルギー量の比の間の関係を生成するステップと、
   を含む方法。
2. 前記第１の波長で前記黒体ソースから放射されるエネルギー量を測定する前記ステップは、第１の光検出器によって実行され、前記第２の波長で前記黒体ソースから放射されるエネルギー量を測定する前記ステップは、第２の光検出器によって実行される、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の波長で前記黒体ソースから放射されたエネルギー量を測定する前記ステップは、前記黒体ソースからの前記放射エネルギーを受け取ることに応答して前記第１の光検出器によって生成された第１の電圧を収集するステップを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記第２の波長で前記黒体ソースから放射されたエネルギー量を測定する前記ステップは、前記黒体ソースからの前記放射エネルギーを受け取ることに応答して前記第２の光検出器によって生成された第２の電圧を収集するステップを含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記関係を生成するステップは、第２の電圧に対する第１の電圧の比を生成するステップを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記黒体ソースは、積層造形システムの構築面上の溶融プールが前記積層造形システムの動作中にある場所に配置される、請求項１に記載の方法。
7. 前記黒体ソースはハロゲンランプを含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記関係を使用して、前記第２の波長で放射されたエネルギーに対する前記第１の波長で放射されたエネルギーの比に基づいて、積層造形システムの構築面の温度の変動を決定するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記第１の波長および前記第２の波長で溶融プールによって放射されるエネルギー量を測定し、前記第２の電圧に対する前記第１の電圧の前記比を使用して前記溶融プールの温度を決定することによって、積層造形システムの構築面上の前記溶融プールの前記温度を決定するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
10. 較正装置であって、
    第１の帯域幅および第２の帯域幅で積層造形システムの構築領域から放出される放射の強度をそれぞれ記録するように構成された第１の光センサおよび第２の光センサと、
    黒体ソースと、
    プロセッサと、
    前記プロセッサに結合され、前記プロセッサによって実行可能な命令を含むメモリと、
    を含み、前記命令は、前記プロセッサに、
    前記第１の光センサによって、前記第１の帯域幅で前記黒体ソースから放射された測定エネルギー量を収集し、
    前記第２の光センサによって、前記第２の帯域幅で前記黒体ソースから放射された測定エネルギー量を収集し、
    前記第２の帯域幅で放射された前記収集された測定エネルギー量に対する前記第１の帯域幅で放射された前記収集された測定エネルギー量の比に基づいて較正関係を生成する
    ように命令する、較正装置。
11. 前記第１の光センサおよび前記第２の光センサは、それぞれ第１の光検出器および第２の光検出器である、請求項１０に記載の較正装置。
12. 前記較正関係を生成することは、既知の黒体ソース温度についての前記第２の光検出器による第２の発生電圧に対する既知の黒体ソース温度についての前記第１の光検出器による第１の発生電圧の比を生成することを含む、請求項１１に記載の較正装置。
13. 前記黒体ソースは、前記積層造形システムの構築面上の前記構築領域が前記積層造形システムの動作中にある場所に配置される、請求項１２に記載の較正装置。
14. 前記黒体ソースは、タングステンストリップランプを含む、請求項１３に記載の較正装置。
15. 前記命令は、前記プロセッサに、前記第２帯域幅で放射されたエネルギー量に対する前記第１帯域幅で放射されたエネルギー量の比に基づいて前記積層造形システムの構築面の温度の変動を決定するようにさらに命令する、請求項１０に記載の較正装置。
16. 前記命令は、前記プロセッサに、前記較正関係を使用することによって、前記積層造形システムの動作中に前記第２の帯域幅で放射されるエネルギー量に対する前記第１の帯域幅で前記構築領域によって放射されるエネルギー量の比に基づいて、前記積層造形システムの前記構築領域の温度を決定するようにさらに命令する、請求項１２に記載の較正装置。
17. 較正方法であって、
    第１の波長で黒体ソースから放射されたエネルギー量を受け取ることに応答して、第１の光検出器によって第１の電圧を生成するステップであって、前記黒体ソースは既知の温度である、ステップと、
    第２の波長で黒体ソースから放射されたエネルギー量を受け取ることに応答して、第２の光検出器によって第２の電圧を生成するステップであって、前記黒体ソースは前記既知の温度である、ステップと、
    前記第２の電圧に対する前記第１の電圧の比に基づいて較正関係を生成するステップと、
    を含む方法。
18. 前記較正関係を使用して、前記第２の波長で放射されたエネルギーに対する前記第１の波長で放射されたエネルギーの比に基づいて、積層造形システムの構築面の温度の変動を決定するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記黒体ソースはハロゲンランプを含む、請求項１７に記載の方法。
20. 前記黒体ソースは、積層造形システムの構築面上の溶融領域が前記積層造形システムの動作中にある場所に配置される、請求項１７に記載の方法。
    

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