JP2023066391A - スペックル測光によってレーザー加工プロセスを監視する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、レーザー加工プロセスを監視する方法及び装置であって、少なくとも１つの加工レーザービームを加工対象表面にわたって１つ以上の経路に沿って誘導し、表面をその都度局所的に溶融する、方法及び装置に関する。【解決手段】本方法において、加工プロセス中、加工レーザービーム又は照明レーザーの表面からの反射された照射及び／又は散乱線を、高速度カメラによって空間分解及び時間分解方式で捕捉し、画像から、静的及び時間分解スペックル測光によって、自動的に、少なくとも、１つ以上の関心セクションにおける表面のトポグラフィー又は粗さと、それぞれの溶融池１４のサイズと、それぞれの関心セクションにおける表面上又は表面下の気孔率とを、状態変数として確定する。それにより、加工される表面の状態変数が、高分解能でリアルタイムに求められ、それらの状態変数を加工プロセスの調節に使用することもできる。【選択図】図４

Description

本発明は、特に粉末床を用いる付加製造のためのレーザー加工プロセスを監視する方法及び装置であって、少なくとも１つの加工レーザービームを加工対象表面にわたって１つ以上の経路に沿って誘導し、表面を溶融池の形成によってその都度局所的に溶融する、方法及び装置に関する。

付加製造又は積層造形は、略無制限の創造的及び構造的な自由を伴って、時間効率及びリソース効率の高い部材の製造を可能にする。この技法は、機能的な製造における長所のため、特に評価及び推進されている。特に、工具を使用した製造、航空宇宙、医療技術の分野、並びに軽量構造物及びプロトタイピング全般において、例えば、コンフォーマル冷却されるタービンブレード又は個人に合わせた医療用インプラントの製造に、高い革新及び応用可能性がもたらされる。

製造プロセスは継続的に開発されているものの、これらの製造プロセスは、品質保証のために適切に監視しなければならない。プロセスパラメーターの設定不良又はプロセス条件の変動により、結果として生じる部材の機械技術特性が悪化したり、プロセスが中断したりする場合がある。部材における事後的な不良処理は、部分的にしか可能でなく、付加製造の利点を帳消しにする。したがって、欠陥が発生すると即座に欠陥を検出し、更なる構築及びプロセスにかかり得る材料、時間、及びコストを節約するために部材の構築を停止することが可能である、機械統合型プロセス監視に対する解決策が必要とされることが明らかである。代替的には、異常の認識を利用することで、プロセスを中断する必要なく、製造プロセスを制御し、パラメーター調節を実行することができる。

選択的レーザー溶融（ＳＬＭ：Selektive Laser Melting）及び金属のレーザー粉末床溶融（ＬＰＢＦ－Ｍ：Laser Powder Bed Fusion of Metals）等の粉末床を用いる付加製造プロセスは、従来の製造プロセスに勝る一連の利点を伴う新たなクラスの製造プロセスとなる。したがって、このプロセスを用いて、例えば、通常の鋳造、鍛造、及びフライス加工プロセスでは製造可能でない大幅に重量削減された精細な金属部材を製造することができる。これらのプロセスは、特に、これによって少数のスペア部材を比較的迅速かつ経済的に製造することができるため、特に産業的に重要である。

ただし、ＳＬＭ又はＬＰＢＦ－Ｍ等の粉末床を用いるプロセスは、最適なプロセスパラメーターを選択したときにのみ、製造される部品の製造品質が高くなり、不良品の数が少なくなる。しかしながら、多くの場合、最適なプロセス過程は未知であり、プロセス中に生産される部材を単純な方法で全体的に試験することができる簡単な非破壊試験方法はない。プロセスに影響を与える既知の因子は最大５０あるが、これらは、ほとんどの場合、プロセス品質に未知の影響を与え、不良をもたらすおそれがある。これらは、総じて、例えば、結合不良、材料不純、粗悪な表面品質、気孔形成、又は更にはプロセス継続性の欠如である。これまで、プロセスに対して直接、材料、レーザー、及び溶融物の相互作用の原因を高分解能でリアルタイムに評価することは可能でなかった。これは、後にコストをかけて試験する必要なく、プロセスによって不良のない部材がどの程度製造されるかについて、プロセスパラメーター及び材料パラメーターを個別に評価することができる唯一の方法である。

好適な監視解決策及び製品ドキュメンテーションに対する需要の高まりを背景に、近年、様々な手法が行われている。したがって、レーザー溶接の分野において既に使用されているものと同様の、溶融池寸法を求める方法が存在する。ここでは、ビームスプリッターを利用して、溶融池の出射された照射光がフォトダイオードによって検出され、デジタルヒストグラムのグレー値に基づいて評価される。照射強度に基づいて、更なるＣＭＯＳカメラを使用して溶融池の特徴を記録し、それを評価することができる。

特許文献１は、高解像度カメラ及びフォトダイオードを用いて溶融池の同軸監視を行う方法を記載している。このシステムにおけるサーモグラフィー検出器を利用する更なる発展形態が、特許文献２に記載されている。ここでは、溶融池の照射強度が、マッピングアルゴリズムによって、ｘ座標及びｙ座標におけるレーザービーム位置の関数として示される。この手順により、画像記録のイメージを生成する溶融池温度の合成画像の作成が可能になる。画像内の暗い箇所は、ここでは、逸脱したプロセス熱流の兆候を意味し、したがって、オーバーハング幾何形状における内部応力及び熱の蓄積に起因した局所的な部材の膨隆が示される場合がある。

ビーム溶融プロセスにおける熱影響ゾーンの空間的及び時間的な発展を検査するために、例えば、特許文献３におけるような赤外線パイロメーター又はサーモグラフィー技術も使用される。

特許文献４は、レーザー加工方法において空間分解温度測定を行う装置を開示している。この装置において、光学検出器が、加工レーザービームの波長を遮断する光学フィルターとともに加工レーザービームに対して同軸に配置され、温度を確定するために加工領域から発せられる熱放射線を検出する。

特許文献５では、３Ｄプリント中の押出ノズルからの構築材料の出口速度が、レーザースペックル測光によって監視される。特許文献６は、加工プロセスを監視するために、レーザースペックル測光を含む様々な方法を複数の光源と組み合わせて使用する。ここでは、レーザースペックル測光により、微小空洞及び溶融していない金属が検出される。しかしながら、評価の詳細については記載されていない。

サーモグラフィー又は画像支援方法による溶融池の監視、構築プロセスの監視等のこれまでの品質保証手法は、最小スペースでの高速プロセスの制御に適していない。記載の全ての手法は、製造時の個々のプロセス特性若しくは不良の監視に限定され、又はいくつかの方法を組み合わせて利用する。生成される大量のデータは、サーモグラフィー及び画像支援監視の手法において更なる問題領域を提示する。なぜなら、測定データのリアルタイム評価が可能でなく、産業環境における製品ドキュメンテーション用にかなりの記録容量を生成しなければならないためである。例えば、航空宇宙産業では、全ての品質関連データを最大５年の期間にわたって追跡しなければならない。赤外線温度計は、例えば粉末層の高さ等のプロセスパラメーターを導出するのに適している。しかしながら、プロセス中のノイズの影響が大きいため、実際の温度に対する具体的な断定が可能でない。さらに、５００μｍ^２の小さな対象領域では、５０ｍｓ（２０Ｈｚ）という低い記録速度しか達成可能でない。

これまでの方法は、部材層全体を評価しており、個々のレーザー点（約３０μｍ～８０μｍ）に対しては非常に粗く遅い。溶融池の領域に注目するこの方法は、特に、溶融の結果及び膨張に焦点を当てているが、データ量に起因して、個々のレーザー点に対するリアルタイム評価又は適切な詳細分解能は可能でない。特に、溶融池の熱的な詳細分解能（細位相）は、現在、いずれの方法にも存在しない。

米国特許出願公開第２００９／０２０６０６５号 欧州特許第２５９８３１３号 独国特許第１０２０１４２１２２４６号 欧州特許第１６９３１４１号 米国特許第９５２７２４０号 米国特許出願公開第２０２０／１１００２５号

本発明の課題は、特に粉末床を用いる付加製造のためのレーザー加工プロセスを監視する方法及び装置であって、製造プロセスのインライン監視を高い詳細分解能でリアルタイムに可能にする、方法及び装置を提供することである。

上記課題は、請求項１に記載の方法及び請求項１３に記載の装置によって解決される。本方法及び装置の有利な構成は、従属請求項の主題であり、又は以下の記載及び実施例に見て取ることができる。

本方法により、レーザー加工プロセスが監視され、ここでは、少なくとも１つの加工レーザービームを加工対象表面にわたって１つ以上の経路に沿って誘導し、表面を溶融池の形成によってその都度局所的に溶融する。これは、例えば、溶接プロセス、平滑化プロセス、又は（好ましい用途では）粉末床を用いる付加製造プロセスとすることができ、ここでは、製造される部材の断面積に対応して粉末層がその都度溶融され、こうして、部材が層ごとに構築される。

提案される方法において、加工プロセス中、加工レーザービームの表面からの反射及び／又は散乱されたレーザー照射を、高い時間及び空間解像度のカメラによって、空間分解及び時間分解方式で捕捉（検出）し、レーザースペックル測光に適した時間分解及び空間分解画像を得る。代替的な形態において、表面を照明する追加のレーザーを使用し、表面からの反射及び／又は散乱されたレーザー照射を、カメラによって空間分解及び時間分解方式で捕捉し、レーザースペックル測光に適した時間及び空間分解画像を得る。この場合、カメラの前には、それぞれのレーザー照射のみを通過させる、すなわち、対応する小さな透過帯域幅を有する好適な光学フィルターがそれぞれ使用されることが好ましい。カメラは、例えば、ＣＭＯＳカメラ又はＣＣＤカメラとすることができ、好ましくは、このカメラの上流には、加工表面の結像を行うレンズ又は対物レンズが配置される。この場合、カメラは、３２ｋＨｚまでの記録周波数を可能にすることが好ましい。提案される方法において、加工プロセス中、カメラによって取得される画像から、静的及び時間分解レーザースペックル測光の評価方法又はアルゴリズムによって、自動的に、それぞれの現在加工されている表面領域のいくつかの状態変数が確定され、好適に表示され、目標変数と比較され、又は更には加工プロセスの調節のために使用される。状態変数は、少なくとも、表面に対する加工レーザービームの入射位置の領域内の１つ以上のセクションにおける表面のトポグラフィー又は粗さ、それぞれの溶融池のサイズ、及び表面に対する加工レーザービームの入射位置の領域内の１つ以上のセクションにおける表面上又は表面下の気孔率である。ここでは、カメラによる反射された照射及び／又は散乱線の捕捉は、好ましい形態において、加工レーザービームに対して同軸に行われる。

したがって、提案される方法及び関連する装置において、プロセス監視を行うレーザースペックル測光方法が使用される。この光学的方法は、加工プロセス又は製造プロセス中に生成される熱を利用し、進行中の溶融プロセス又は焼結プロセスに不良がある場合、表面粗さ及び熱輸送に基づく干渉パターンの変化から、材料不良の発生を推定し、その後、必要に応じて、プロセスを中断するか又は求められた状態変数に基づいて調節する。レーザースペックル測光用の画像データは、加工プロセス中にその都度取得される。（加工レーザー又は追加の照明レーザーの）レーザー照射の反射及び／又は散乱によって生成されるスペックルパターンは、カメラによって記録され、好適なコンピューターアルゴリズムによって評価される。ここでは、例えば、スペックルパターンから統計的に求められるサイズと、レーザー出力、レーザー速度、及び／又はプロセスエネルギー密度等のプロセスパラメーターとの間の相関、並びに、粉末床を用いる製造プロセスの場合は、必要に応じて、粉末の汚染も検出することができる。

多数のレーザー加工プロセスにおいて、加工レーザービームは、１つ以上のスキャナーミラー、例えば検流計スキャナーによって、加工対象表面にわたって誘導される。また、カメラによる反射された照射及び／又は散乱線の捕捉（検出）も、これらのスキャナーミラーを介して、加工レーザービームに対して同軸に行われることが好ましい。したがって、カメラによって取得される画像における表面に対する加工レーザービームの入射位置は、それぞれ画像内の同じ位置にあり、それにより、時間的に連続した画像の評価のために選択されるセクションも、それぞれ画像内の同じ位置にある。

原則として、反射された照射及び／又は後方散乱線は、加工レーザービームの現在位置とは無関係に、すなわち、加工レーザービームに対して非同軸に捕捉（検出）することも可能である。表面に対する加工レーザービームの入射位置は、個々の画像内で検出しなければならない。なぜなら、画像内の入射位置は、画像ごとに異なるためである。このために、レーザービームトラッキングのためのアルゴリズムが使用されることが好ましい。このアルゴリズムは、画像内の加工レーザービームの入射位置を、スペックルパターンにおけるスペックル動態の存在に基づいて認識し、また、画像ごとの僅かな位置変化のみが考慮される。ここでは、使用されるフィルターは、可能な位置のリストを提供し、そこから、プロセスパラメーターから導出された情報を用いて、取得された各画像に最も一致するものが選択される。次いで、これらの位置は、それぞれの走査線を確定するために対応して平滑化される経路へと組み合わせることができる。次に、画像におけるレーザービームのそれぞれの現在位置に関連して、評価のためのセクション、すなわち、トポグラフィー又は粗さ、溶融池のサイズ、及び気孔率、並びに場合によっては更なる状態変数を確定するセクションが選択される。ここでは、方法に応じて、加熱ゾーン若しくはレーザービームがこれらのセクションをちょうど通過している間、又は加熱ゾーン若しくはレーザービームがこれらのセクションを既に横断した後、これらのセクションのそれぞれの評価を行うことができる。これは、同軸照明の場合の評価されるセクションの選択にも当てはまる。双方の代替形態において、それぞれ、加工される面全体の加熱ゾーン特性の合成画像を作成することもできる。

提案される方法において、取得した画像の評価のために、静的レーザースペックル測光のアルゴリズムと、時間分解レーザースペックル測光のアルゴリズムとが使用される。そのため、評価されるそれぞれのセクション内の表面のトポグラフィー又は粗さは、静的分析、すなわち、個々の画像内のそれぞれの分析によって確定される。このために、画像のグレー値分布を評価し、このグレー値分布からトポグラフィーを推定する。溶融池のサイズは、動的分析によって求められる。ここでは、画素の数は、加熱ゾーンのサイズ、したがって溶融池のサイズに相関するため、スペックルパターンによって認識可能なそれぞれの対象セクションの熱膨張の影響を受ける画素が計数される。それぞれの対象セクションにおける表面上又は表面下の気孔率を確定するために、差分相関関数（ＤＫＦ：Differenz-Korrelationsfunktion）による動的分析が行われる。この差分相関関数により、表面上又は表面下に存在し得る異質性も認識することができる。この評価アルゴリズムについての詳細は、以下の実施例に見て取ることができる。

本方法に使用される装置は、これに応じて、好ましくは光学フィルター及びレンズ又は対物レンズを備える高解像度の高速度カメラを備える。レンズ又は対物レンズは、レーザー加工プロセス用の加工機構に統合され、表面からの反射された照射及び／又は散乱線を加工レーザービームに対して同軸に空間分解及び時間分解方式で捕捉（検出）し、スペックル測光に適した時間分解及び空間分解画像を記録する。このために、２０００フレーム／秒を超えるフレームレートで画像を記録することができるカメラ、特に好ましくは３２ｋＨｚまでの記録周波数が可能なカメラが使用されることが好ましい。提案される装置において、カメラは、評価装置に接続され、評価装置は、画像から、静的及び時間分解レーザースペックル測光の評価方法によって、自動的に、少なくとも、表面に対する加工レーザービームの入射位置の領域内の１つ以上のセクションにおける表面のトポグラフィー又は粗さと、それぞれの溶融池のサイズと、表面に対する加工レーザービームの入射位置の領域内の１つ以上のセクションにおける表面上又は表面下の気孔率とを、状態変数として求め、提供する。評価装置は、カメラのすぐ隣に配置され、少なくとも１つのＧＰＵモジュールを含むことが好ましい。また、求められる状態変数は、様々な方法で、例えば、１つ以上の画像の形態で又はパラメーターリストとして提供することができる。求められた状態変数を目標変数と比較することも可能であり、また、それぞれの状態変数が目標変数から閾値を超えて逸脱した場合、信号を発することができる。一致又は逸脱は、例えば、信号灯表示の形態で視覚化することもできる。

提案される方法及び関連する装置は、多くの異なる特徴に基づいてレーザー加工プロセス又はそれにより加工される表面のインライン監視を可能にする。本方法及び装置は、高い空間分解能及び従来の方法よりも高い記録速度を提供するとともに、求められた状態変数に基づいて加工プロセスの調節も可能にする。

以下、提案される方法及び関連する装置を、図面に関連して実施例に基づいて更により詳細に説明する。

異なる状態変数を確定する提案される方法において使用されるアルゴリズムの概要を示す図である。 レーザー加工機の加工機構における提案される装置の使用の概略図である。 提案される装置の構造及びレーザー加工機に対する接続の一例を示す図である。 カメラによって記録される画像内の評価のためのセクションの選択の例示的な図である。

以下、提案される方法及び関連する装置を、粉末床を用いる付加製造プロセスを監視する用途に基づいて更により詳細に説明する。ここではカメラによって記録されるスペックル画像が、本方法及び装置において、静的にも動的にも評価される。ここで、動的評価は、加熱ゾーン又は溶融池のサイズ、開放したキャビティ、気孔率、及び更には部材の構築に使用される粉末の汚染を評価することが可能である。それぞれの状態を評価するために、粉末の選択的溶融後の熱励起を評価するアルゴリズムを使用する。これは、加熱ゾーン又は溶融池の面積に関連し、必要に応じて、溶融領域の付近の冷却動態にも関連する。ここで、図１は、提案される方法において使用可能なアルゴリズムのうちのいくつかの概要を例示的に示している。

部材表面の定量分析は、取得された画像におけるスペックルパターンの粒状化を評価することに基づく。付加製造の場合、トポグラフィー特性は、粉末状態から開始して、新たに製造される層を経て、完成部材の粗さに至るまで重要となる。そのため、例えば、ＬＰＢＦ－Ｍの際、レーザーと金属粉末との間の相互作用時間が短く、金属溶融物の粘度が低いことにより、プロセス制御に対する要求が高くなり、また、溶融池が複数の球状の溶融ビードに分かれる、いわゆる「ボーリング」現象の発生につながることがよくある。これは、望ましくない表面トポグラフィーをもたらし、更なる製造プロセスに影響を与える。

レーザースペックル測光（ＬＳＰ）は、測定領域における較正により、静止画像を通じてトポグラフィー状態を評価することができる。粉末分布の差異は、グレー値分布の違いの例として確認することができる。さらに、粉末塗布の目視検査を別途行うことができる。また、粉末層の画像を使用して、例えば、粉末内に存在し得る縞状の条痕、コーター（スキージー）の摩耗及び損傷を認識することができる。これは、時間的及び空間的に高い分解能で実現することができる。

ＬＳＰの静止画像から表面トポグラフィー又は表面粗さを評価するための本質的なパラメーターは、スペックルサイズ、グレー値分布の統計的評価（画像のヒストグラムのエントロピー）に基づいて、又はグレー値遷移行列の画像処理アルゴリズムによって求めることができる。次いで、求められたパラメーターを、例えば、基準値と比較することもできる。

スペックルサイズは、正規化された自己相関関数（式１）の半値幅によって計算される。この式は、検出平面において観察されるスペックルパターンの強度によって定義される。

式中、
Ｃｏｒｒは、相関性を意味し、
Ｉは、画素の強度を意味し、
ｘ、ｙは、全画素のｘ値又はｙ値を意味し、
τは、時間差を意味し、
Ｎ、Ｍは、スペックル画像の画素の列又は行の数を意味する。

信号の自己相関関数は、信号のパワー密度のフーリエ変換である。この事象は、ウィーナー＝ヒンチンの定理と呼ばれる。それにより、スペックル画像のパワースペクトル及び反対の（逆）パワースペクトルを計算し、その後、自己相関を得ることができる。

静止画像のヒストグラムのエントロピーは、式（２）に従って、以下のように評価される。

式中、ｈ（ｉ）は、周波数であり、ｇは、グレー値である。

グレー値遷移行列（グレーレベル同時生起行列（ＧＬＣＭ：gray level co-occurrence matrix））の評価は、テクスチャー解析のための画像処理方法に基づく。この評価の典型的な特徴量は、

である。ここで、位置ｉ及びｊにおけるＧＬＣＭのエントリ／値は、Ｃ（ｉ，ｊ）であり、ＧＬＣＭの幅は、Ｑである。

気孔率を評価するために、差分相関関数（ＤＫＦ）が使用される。この動的パラメーターは、個々の画素の時間依存性のグレー値変化を伴うグレー値分布の評価に基づく。このパラメーターは、以下のように定義される。

式中、
Ａ及びＢは、同じ表面セクションの連続する２つのスペックル画像の強度を示し、
／Ａ（「／」は上付きバーを示す。）及び／Ｂは、画像内の全画素の強度Ａ又はＢの平均値を示し、
ｉ及びｊは、画像内の画素の位置を示している。この評価において、Ａは、動的測定の第１の画像の強度として使用する。

この評価では、材料の熱機械特性が、目標の熱膨張によって生じる動的スペックルパターンの光学画像によって特徴付けられることを前提とする。付加製造の場合、製造プロセスからは局所的な加熱が生じる。このため、ＬＳＰ技法は、加熱された領域をインラインで検出し、歪みの変化を局所的に評価することができる。この分析の結果、相関関数値の傾向を見て取ることができる。

したがって、例えば、欠陥の上の局所的に加熱される表面は、同じ光吸収特性及び表面トポロジーであるにもかかわらず、それぞれの表面領域の相対密度が小さいことに伴い、欠陥のない表面よりも高温となる。この挙動は、空洞内では熱伝導率が低下することに基づく。境界層も欠陥も熱の蓄積をもたらし、絶縁層とみなされる。温度上昇の結果、特に処理表面の領域において材料が膨張する。スペックルパターンを生成する散乱点がシフトし、その結果、スペックルの移動及び変化が可視化される。これは、検出されるＤＫＦ曲線の傾きをもたらす。

ＬＳＰ方法の更なる用途は、ＤＫＦに基づく異質性（不均質性）の検出である。これは、局所温度の時間信号の分類、又はＤＫＦの個別の値を用いた欠陥検出に関する。時間及び空間を通した離散的な物理信号の表現は、ＬＳＰの場合では画像又は動画（４ｋＨｚまで）の急速な時間シーケンス等であり、ＤＫＦによる表現と同等である。

構築プロセス中、レーザー照射の作用により粉末を完全に溶融し、急速に固化した後、その下にある材料層とともに強固な結合を形成する。この工程は、部材全体が層状に製造されるまで繰り返される。溶融物の硬化メカニズムは、表面張力、粘度、濡れ、蒸発、酸化、及び熱毛細管効果によって本質的に影響を受ける。このプロセスにおける典型的に高い冷却速度は、特に金属材料の場合、合金システム及びプロセス戦略によっては、高い内部応力、高温割れ、ガス混入、及び部材変形が発生する場合があることから問題となる。このため、内部応力、部材変形、及びガス混入の形成を調整する本質的なパラメーターを生成するために、構築プロセス中の加熱ゾーンのインライン測定を使用することができる。

スペックルパターンは、溶融池の領域における材料の局所的な膨張を検出する。そこでは、スペックルパターンは、固化した材料のものとは異なる特徴的なスペックル動態を示す。したがって、スペックル画像における熱膨張の影響を受ける画素の計数は、加熱ゾーンのサイズと相関する。そして、これは、溶接レーザーのエネルギー入力及び溶融物の特性と更に相関する。膨張領域の面積は、レーザービームの位置において、すなわち、表面に対するレーザービームの入射位置において、加熱ゾーンの画素数を確定することによってその都度評価される。画素数は、メートル単位に変換することができる。

ＤＫＦのアルゴリズムを使用することにより、加熱ゾーン内の材料表面の熱伝導及び吸収挙動を更に評価することができる。このために、ＤＫＦは、加工レーザービームの入射位置に関連する或る特定の加熱ゾーンに対して局所的に計算することができる。特別なソフトウェアにより、局所的に図又は表形式で評価を行う。また、ソフトウェアは、画像内のレーザービームの位置を知得又は認識し、表面状態の評価に関連するパラメーターを自動的に求める。

アルゴリズムの速度は、インライン対応の測定を可能にするものである。これにより、レーザースポットによる局所的な溶融の直後に、評価結果に基づく調節を続けて行うことが可能になる。これにより、溶融物が完全に固化する前に不良を除去し、又は現在のビーム誘導において不良を調整することが可能になる。したがって、本明細書に記載の方法は、粉末床を用いる付加製造方法において、部材の幾何形状とビーム経路内の変化する熱挙動とに、幾何形状に適合した様式で応じることに適している。

図２は、提案される装置（以下、ＬＳＰ測定システム１と呼ぶ）が統合されるレーザー加工機の一例を概略的に示している。レーザー加工機は、加工レーザー６を備え、加工レーザー６のレーザービームは、この図ではスキャナー５によって部材１３の加工対象表面に誘導される。この例では、照明レーザー（ＬＳＰレーザー７とも呼ぶ）によって表面が更に照明され、スペックル測光を行うＬＳＰ測定システム１を用いて、ＬＳＰレーザー７の反射された照射及び／又は散乱線から表面の好適な画像を取得する。照明レーザービームの結合及びＬＳＰ測定システム１を用いた画像の取得は、それぞれ加工レーザービームに対して同軸に半透過ミラー１２を介して行われる。

ＬＳＰ測定システム１の構成例が、図３に概略的に示されている。本例において、測定システム１は、上流にある光学フィルター３及びレンズ／対物レンズ４を備える高解像度の画像コンバーター（ＣＭＯＳ／ＣＣＤ）２の他に、測定形態（レジーム）の制御及びセンサー関連の画像処理を行うエネルギー効率の高いチップセット／エレクトロニクス（図示せず）を備える。図示のモジュールは、１つ以上の好適なインターフェース８と、電源ユニット９と、評価ユニット１０とを更に備える。評価ユニット１０は、計算用のＧＰＵを含むことが好ましい。この図には、スペックルパターンを励起する加工レーザー６に加えて又はその代わりに利用することができる、任意選択の照明レーザー７、例えば、レーザーダイオードが更に示されている。

粉末床を用いる構築プロセスにおいて、加工レーザービームが、ＡＭ装置（ＡＭ：Additive Manufacturing（付加製造））によって規定されるスキャンシーケンスに基づいて粉末を加熱する。例えば図２におけるように、ＬＳＰ測定システム１によって同軸に取得（捕捉）する場合、単数又は複数の評価領域１１が、提案される装置のソフトウェアによって、画像内でレーザービームの入射位置に対して決定される。図４は、図示の画像に基づいて手順を説明する。ここでは、レーザースポット１５の形態のレーザービームの入射位置、溶融池１４、粉末粒子１６、及び評価領域１１が概略的に示されている。スキャン方向も、左向きの矢印によって示されている。例えば飛び火及び溶融ビード形成等の障害は、干渉信号の影響を低減するために特別に開発されたフィルターによって除去される。この手順により、層又はレイヤー全体の加熱ゾーン特性の合成画像を作成及び評価することも可能になる。

評価の際、例えば、ＤＫＦに基づいて気孔率の状態を確定するために、評価領域１１は、新たに溶融された材料の加熱ゾーンに局所的に近付くように、点ごとに決定されるか、又は画像にわたって走査される。トポグラフィーの性質は、例えば、局所的に又はレイヤー全体にわたって確定することができる。加熱ゾーンの面積の計算は、加工レーザービーム又はレーザースポット１４の周りで連続的に行われる。気孔率、異質性、及び汚染の確定は、この例では、図示の矩形の評価領域１１内で行われる。計算は、上述のアルゴリズムによって行われ、材料の状態、粗さ、異質性、気孔率、汚染、又は加熱ゾーンのサイズに対する相関が確立される。

画像を非同軸に取得（捕捉）する場合、スペックルパターン内のレーザースポット１４の位置を検出するために、既に上述したレーザービームトラッキングが実行される。このために、スペックルパターン内のスペックル動態の存在に基づいてレーザー位置又は加熱ゾーン位置が認識される。その後、図４の記載におけるように、評価領域１１の位置がレーザースポット１４の検出位置に対して選択される。

１ ＬＳＰ測定システム
２ カメラ
３ フィルター
４ レンズ／対物レンズ
５ スキャナー
６ 加工レーザー
７ ＬＳＰレーザー
８ インターフェース
９ 電源ユニット
１０ 評価ユニット／ＧＰＵ
１１ 画像内のセクション又は評価領域
１２ 部分透過ミラー
１３ 部材
１４ 溶融池
１５ レーザースポット
１６ 粉末

Claims (14)

1. 特に粉末床を用いる付加製造のためのレーザー加工プロセスを監視する方法であって、少なくとも１つの加工レーザービームを加工対象表面にわたって１つ以上の経路に沿って誘導し、前記表面を溶融池（１４）の形成によってその都度局所的に溶融し、
   該方法において、前記加工プロセス中、
   前記加工レーザービーム又は前記表面を照明するのに使用される追加のレーザー（７）の前記表面からの反射された照射及び／又は散乱線を、高速度カメラ（２）によって、時間分解及び空間分解方式で捕捉し、レーザースペックル測光に適した時間分解及び空間分解画像を得て、
   前記画像から、静的及び時間分解レーザースペックル測光の評価方法により、自動的に、少なくとも、
   前記表面に対する前記加工レーザービームの入射位置（１５）の領域内の１つ以上のセクションにおける前記表面のトポグラフィー又は粗さと、
   それぞれの前記溶融池（１４）のサイズと、
   前記表面に対する前記加工レーザービームの前記入射位置（１５）の領域内の１つ以上のセクションにおける前記表面上又は前記表面下の気孔率と、
   を状態変数として確定する、方法。
2. 前記反射された照射及び／又は散乱線の前記捕捉は、前記カメラ（２）によって、前記加工レーザービームに対して同軸に行われることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記加工レーザービームは、１つ以上のスキャナーミラーによって前記加工対象表面にわたって誘導され、前記カメラ（２）による前記反射された照射及び／又は散乱線の前記捕捉も、これらのスキャナーミラーを介して行われることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記画像内における前記表面に対する前記加工レーザービームの前記入射位置（１５）は、トラッキングアルゴリズムによって確定されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記表面の前記トポグラフィー又は粗さは、それぞれの前記画像におけるグレー値分布によって確定されることを特徴とする、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記表面上又は前記表面下の前記気孔率は、時間的に連続したそれぞれの画像の差分相関関数によって確定されることを特徴とする、請求項１～５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記差分相関関数に基づいて、前記表面上又は前記表面下の異質性も更なる状態変数として求められることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. それぞれの前記溶融池（１４）の前記サイズは、それぞれの前記画像内で前記表面における熱膨張による影響を受ける画素の計数によって確定されることを特徴とする、請求項１～７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記カメラ（２）の前に、５ｎｍ以下の透過帯域幅を有するフィルター（３）が使用されることを特徴とする、請求項１～８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記画像は、２０００フレーム／秒を超えるフレームレートを有する前記カメラ（２）によって記録されることを特徴とする、請求項１～９のいずれか１項に記載の方法。
11. カメラ（２）として、３２ｋＨｚまでの記録周波数が可能であるカメラが使用されることを特徴とする、請求項１～１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記レーザー加工プロセスは、前記状態変数のうちの１つ以上に基づいて調節されることを特徴とする、請求項１～１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 特に粉末床を用いる付加製造のためのレーザー加工プロセスを監視する装置であって、加工機構が、少なくとも１つの加工レーザービームを加工対象表面にわたって１つ以上の経路に沿って誘導し、前記表面を溶融池（１４）の形成によってその都度局所的に溶融し、
    該装置は、少なくとも、
    前記加工プロセス中、前記加工レーザービーム又は前記表面を照明するのに使用される追加のレーザー（７）の前記表面からの反射された照射及び／又は散乱線を、時間分解及び空間分解方式で捕捉し、レーザースペックル測光に適した時間分解及び空間分解画像を得る、高速度カメラ（２）と、
    前記カメラ（２）に接続される評価装置（１０）と、
    を備え、前記評価装置（１０）は、前記画像から、静的及び時間分解スペックル測光の評価方法により、自動的に、少なくとも、
    前記表面に対する前記加工レーザービームの入射位置の領域内の１つ以上のセクションにおける前記表面のトポグラフィー又は粗さと、
    それぞれの前記溶融池のサイズと、
    前記表面に対する前記加工レーザービームの前記入射位置の領域内の１つ以上のセクションにおける前記表面上又は前記表面下の気孔率と、
    を状態変数として確定し、
    前記カメラ（２）は、前記表面からの前記反射された照射及び／又は散乱線を前記加工レーザービームに対して同軸に捕捉するように、前記レーザー加工プロセス用の前記加工機構に統合される、装置。
14. 前記カメラ（２）は、３２ｋＨｚまでの記録周波数を可能にすることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。

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