JP2024508849A - 積層造形プロセスをモニタリングおよび制御する方法 - Google Patents

Abstract

三次元製品を製造するために連続的に形成される層内の粉末材料の選択的溶合が実施される、積層造形プロセスをモニタリングおよび制御する方法は、例えば電子ビーム積層造形装置(10)の真空チャンバ(12)内などの作業空間に、空間の構築ゾーン内に所与体積の層を形成するために必要な量を上回る粉末材料の量を配送するステップと、構築ゾーン内において層を形成するために、および構築ゾーンに隣接する蓄積ゾーン内において余剰粉末材料の蓄積物もさらに形成するために、スプレッダ(17)により作業空間内に粉末材料を展開するステップとを含む。展開するステップは、一連の該層および蓄積物を形成するために反復され、各蓄積物の体積は、蓄積物によるパターンの歪みを結果としてもたらすように、投影方向とは異なる撮像方向からそれぞれの蓄積物に対して光学経路(A)に沿って投影された構造化光パターンの光学経路(B)に沿った撮像によって判定される。次いで、撮像されたパターンは、歪みから蓄積物の体積を導き出すために評価されることが可能であり、蓄積物の判定された体積は、積層造形プロセスを制御するために利用される。

Description

本発明は、積層造形プロセスをモニタリングおよび制御する方法に、特にこのプロセスにおいて使用される粉末材料の消費量をモニタリングする方法に関する。

積層造形法は、三次元製品を製造するための十分に確立された手法である。この手法では、製品は、例えば電子ビームまたはレーザビームなどのエネルギービームの照射により可融性粉末材料を選択的に溶融することにより作製される。照射および溶合は、各層中の材料が、規定のパターンにしたがって溶融され、それ自体において溶合するだけでなくさらに基層の事前溶合された材料に対して溶着し、これにより製品形状が、層ごとにすなわち積層造形ベースにおいて作製されるように、連続形成されるこの粉末材料の層に関連して実施される。この手技を実施するための重要な設備要素は、粉末材料送給分配システムである。この粉末材料送給分配システムは、典型的には粉末材料供給源と、製造スペース内に一連の粉末材料層を展開するためのスプレッダと、各層の展開および硬性粉末材料の選択的溶合の後に製造スペースを下げるための機構とを備える。製品品質上の理由により、各層を形成する粉末材料が、この製造スペースの領域中にわたり均一に分配されることが重要であり、また層厚さが、明確に規定されたものとなり、所定の数値に一致することが重要となる。さらに、製造速度を可能な限り高く維持するために、各層を迅速に形成することが望ましい。

各層中において粉末材料の均一な展開を確保するために、通常は、各層ごとに消費される量を上回る材料の量をスプレッダに対して提供することが必要となる。しかし、粉末の原材料は、一般的に高価であるため、各層からの利用可能な余剰の粉末を再利用することが極めて望ましい。余剰粉末材料を用いたオペレーションの結果として、製品の製造が進行するにつれて、存在する余剰材料の量は、可変的になる傾向を有し、さらにこれは、製品作製サイクルの最中における変数に相当するものになり得るものとなり、その場合には積層造形プロセスの正確な制御および管理を損ねるものとなり得る。

米国特許第10406599B2号に記載されるような粉末材料計測のための既知の手法では、積層造形装置のスプレッダの正面において、まだ分配されていないすなわち層形成に寄与するように展開されていない大量の粉末材料の一部分または複数部分の形状の画像が、キャプチャされ、この部分の1つまたは複数の寸法が、この画像から導き出され、粉末材料量に関連する所望のパラメータ値と比較される。これらの比較結果は、供給される材料量の変更を含む、均一な粉末材料分配の実現を支援するために利用される。記載されるこの手法は、分配後に余剰粉末材料の存在を識別することが可能であるが、かかる余剰材料の量を具体的に判定するものも、かかる判定を行うことが可能な計測方法を開示していない。

米国特許第10406599B2号

したがって、本発明の主要な目的は、積層造形プロセスを、具体的には層必要分を超える粉末材料量が生じるプロセスをモニタリングおよび制御することを可能にすることであり、それにより、プロセス管理に悪影響を及ぼす変数の重要性が、解消され得るまたは少なくとも低下し得る、およびしたがってプロセスがより正確に実施され得ることである。

二次的な目的は、単純でありながら効果的な手法により、層形成の最中における粉末材料消費量に関するデータを取得し、プロセスの経済性とりわけ粉末材料の使用において利益を実現するために粉末材料の供給および補給を調製するために使用することができるように、モニタリングを可能にすることである。

本発明の他の目的および利点は、以下の説明から明らかになろう。

本発明によれば、三次元製品を製造するために連続的に形成される層内の粉末材料の選択的溶合が実施される、積層造形プロセスをモニタリングおよび制御する方法が提供される。この方法は、空間の構築ゾーン内に所与体積の層を形成するために必要な量を上回る粉末材料の量を作業空間に配送するステップと、構築ゾーン内において層を形成するために、および構築ゾーンに隣接する蓄積ゾーン内において余剰粉末材料の蓄積物追加的に形成するために、作業空間内に粉末材料を展開するステップと、一連の該層および蓄積物を形成するため展開するステップを反復するステップと、蓄積物による投影されるパターンの歪みが撮像されるパターン中に生成されるように、投影の方向とは異なる方向から、それぞれの蓄積物に対して投影される構造化光パターンを撮像することと、パターンの歪みから、歪みに関与する蓄積物の少なくとも大まかな体積を導き出すために、撮像されるパターンを評価することとにより、各蓄積物の少なくとも大まかな体積を判定するステップと、蓄積物の判定された体積に依拠して積層造形プロセスを制御するステップとを含む。

層に必要な余剰材料および専用蓄積ゾーン内に結果的に得られる余剰材料の堆積物に基づく、各粉末材料層の形成により、空部、層の薄化、または他の空乏のリスク軽減による所望の一定した厚さを有する層形成のための、および少なくとも1つの後続層の形成に寄与するように利用可能な余剰材料の再利用のための必須条件が確立される。このような粉末材料の再利用または再循環により、作製速度の加速化が可能になり、材料の無駄が削減され得る。これらのような条件において、余剰粉末のかような各蓄積物の大まかなまたは実際の体積の認識を用いて製品製造サイクルをモニタリングすることが可能であることは、大きな利点となる。この余剰粉末のかような各蓄積物の大まかなまたは実際の体積は、各層による粉末材料消費量のパラメータに相当し、このパラメータを認識することにより、とりわけ進行中の層形成の種々の点を制御することが可能になる。標的粉末材料蓄積物がパターン画像中のパターンの歪みをもたらすように、投影および撮像される構造化光パターンを利用し、次いでこの画像中のパターンの歪みを解析することにより、他の場合であれば正確な遂行が困難である、特に高さおよび底面積である、形状の容積測定を実現する単純な非接触手段がもたらされる。各蓄積物の大まかな体積は、例えば光投影方向などの既知のパラメータとの組合せにおいて、構造化光パターンの方向および歪み度合いから、困難を伴うことなく数学的に判定され得る。

好ましくは、制御するステップは、積層造形プロセスにおいて使用されるまたは使用するための粉末材料に関連して実施される。これにより、積層造形プロセスの直接的に関係のある点を用いた容積測定の補正が可能になる。その場合に、制御するステップは、作業空間への粉末材料配送制御および作業空間内における粉末材料の展開のうちの少なくとも一方を制御するステップを含み得る。制御するこのステップが、粉末材料の配送に対して適用される場合には、層形成のための材料供給は、余剰材料の各蓄積物の体積を考慮して設定または調節され得る。制御するステップが、粉末材料の展開に対して適用される場合には、展開パラメータは、体積測定値に基づき同様に設定または調節され得る。結果として、この方法の好ましい一例においては、制御するステップは、構築ゾーン内の粉末層形成のパラメータを調節するステップを含み、それにより各製品に対して適用されるような積層造形プロセスは、各層の形成後に残る余剰材料の体積の認識に基づく調整を用いて層ごとに実施され得る。粉末材料分配の自動調整の本質的に受動的なシステムを用いたプロセスの場合には、本方法により実現されるモニタリングによって、例えばシステムにおける変化の認識、および特に長期ドリフトの補正のための単一の製品構築または複数の製品構築の最中におけるシステムの調整という意味における結果としての制御などが可能になり得る。このパラメータは、例えば層を形成するための粉末材料分配速度、スプレッダが層形成のための展開を終える位置もしくは時間、または層形成を制御する別の因子などであることが可能である。

容積測定のより直接的または動的な利用において、この方法は、各層による粉末材料消費量測定値を取得するために、層の所与の体積と、各蓄積物の判定された少なくとも大まかな体積を比較するステップを含み、次いで積層造形プロセスは、取得された粉末材料消費量測定値に対応して制御される。これにより、各層による粉末材料消費量に基づく進行中の積層造形プロセスの正確な制御の余地がもたらされる。かかる消費量は、各層の体積の直接計測によって判定されるのではなく、各層からの粉末材料の残りに関連する単純な間接計測によって判定される。残りの材料の判定された体積、すなわち余剰材料の蓄積物は、一旦形成された層内の材料の実体積に関連するデータを取得するために、層形成のために供給される材料の例えば重量ベースにおける容積計算と単純に相関づけられ得る。

結果として、積層造形プロセスが一連の層の形成において使用するためのさらなる粉末材料の作業空間への配送を含むかかる動的手法において、制御するステップは、取得された粉末材料消費量測定値に対応して配送を調整するステップを含み得る。その場合に、積層造形プロセスは、このプロセス前になされた評価ではなく、これらの層に関する実際のおよび進行中の材料要件を考慮して、特に周期的な粉末材料再供給に基づき実施され得る。この動的手法は、例えば粒子のサイズ、重量、流動性等の種々の特徴を有する粉末材料がサイクルの最中に導入される場合などに、製品の製造サイクルの最中における適合化に関する可能な必要性に関して特に有利となる。配送の調整は、例えば配送のタイミングに関しておよび/または配送におけるさらなる粉末材料の量に関してなど、様々な形態をとり得る。これらの両調整形態は、代替または組合せのいずれとして引き受けられる場合でも、積層造形プロセスの非常に正確な制御の余地をもたらす。したがって、有利には、本方法は、さらなるかかる層を形成するために必要とされる追加的な粉末材料量を、粉末材料消費量測定値から判定するステップを含む。その場合に、判定された追加的な粉末材料量は、好ましくはさらなるかかる蓄積物を形成するために必要とされる量をさらに含む。

積層造形プロセスをモニタリングする方法は、このプロセスのコンテクストにおいて完全に独立した手法として実施されることが可能であるが、この方法のステップの遂行との組合せにおいて、構造化光パターンが、粉末材料の形成された層の表面と、この層の形成後に残る余剰粉末材料の隣接する蓄積物との両方に対して同時に投影され、層表面および蓄積物の両方に対するパターンの画像が生成され、画像のパターンの歪みは、余剰粉末の蓄積物の体積を判定するためだけではなく、さらに層表面中の欠陥を識別するためにも評価される場合には、オペレーションの経済性が強化され得る。したがって、蓄積物に対する構造化光パターンの投影および蓄積物からの結果的に得られる歪みパターンの撮像が、2つの異なるタスク、したがって層表面における欠陥検出および蓄積物の容積測定に対する同時処理において利用され得る。取得された画像は、異なる所望の結果をもたらすために異なる処理および解析を受ける。別個の投影撮像装置が、これらの2つのタスクに対して使用されることが可能であるが、有利には、パターンは、共通の投影システムにより層表面および蓄積物に対して投影され、層表面および蓄積物に対する投影されたパターンは、共通の撮像システムにより撮像される。

この種の一方法は、粉末材料の連続堆積層から形成された材料ベッドのための昇降可能支持台を有する積層造形装置による遂行には特に適切なものとなる。この支持台は、層材料を選択的に溶融および溶合するためにエネルギーが導入される構築ゾーンに相当するエリアを有する。スプレッダが、規定の深さの一連の層の形成のために構築ゾーン内において粉末材料を展開するために、および構築ゾーンに隣接する蓄積ゾーン内へと各層から余剰粉末材料を案内するために、支持台中において可動である。支持台は、内部に収集された余剰粉末材料と衝突することなく、蓄積ゾーン上におけるスプレッダの移動を可能にするように下降されることが可能であり、その後に蓄積ゾーン上でのスプレッダの往復移動およびスプレッダによる構築ゾーンへの余剰粉末材料の返還、したがって余剰粉末材料の再循環を可能にするように上昇されることが可能である。蓄積ゾーンの面積は、構築ゾーンへの余剰粉末材料の返還の最中に所与面積および所与の規定深さの層を形成するのに十分な余剰粉末材料の収集を可能にするために十分なサイズのものであることが可能であり、したがって構築ゾーンの二次元面積および各層ごとに所定の深さの製品よりも大きな余剰粉末材料体積をこのゾーンが収容し得るようなサイズの蓄積ゾーン面積であることが可能である。積層造形法における層深さは、通常は約20～100ミクロンであり、その場合に、蓄積ゾーンの面積は、所要体積が収容されるために特に広い必要はない。したがって、返還可能余剰粉末材料の蓄積は、層全体の、場合によってはさらには複数の層の形成には十分なものとなり得るが、さらには層の一部のみも考えられる。最後に述べた例では、粉末材料の付加が、層の形成前または形成の最中に実施されることが可能である。

以下、添付の図面を参照として、本方法を実施することが可能な装置との組合せにおいて、本発明による一方法の好ましい一例をより具体的に説明する。

本発明を例示する一方法を実施することのできる積層造形装置の概略立面図である。 この装置による製品の積層造形における一連のステップの1つを示す概略図である。 この装置による製品の積層造形における一連のステップの1つを示す概略図である。 この装置による製品の積層造形における一連のステップの1つを示す概略図である。 この装置による製品の積層造形における一連のステップの1つを示す概略図である。 この装置による製品の積層造形における一連のステップの1つを示す概略図である。 本発明を例示する方法の一態様の一変形例を示す概略図である。 本発明を例示する方法の一態様の一変形例を示す概略図である。 本発明を例示する方法の一態様の一変形例を示す概略図である。

次に図を参照すると、図1では、構築ゾーン内の連続堆積される層中の粉末材料、特に金属材料を選択的に溶融および溶合することにより、規定の形状の三次元製品を製造するための積層造形装置10が極めて概略的な形態で図示される。この装置の構成は、本発明を例示する一方法が、製品製造プロセスの最中にこの装置により実施されることが可能になるようなものである。装置10の場合に、溶融は、電子ビームの作用によるものであるが、エネルギーは、例えばレーザまたは他の適切なエネルギー源などによって供給されることも可能である。また、粉末材料は、プラスチックまたは他の可溶性材料であることも可能である。電子ビームを用いたオペレーションのための環境は、真空チャンバ12を画成するハウジング11によって提供され、この真空チャンバ12内において、電子ビーム13の伝播のための必須条件としての真空が確立され得る。ビーム13は、電子ガン14により発生され、この電子ガン14は、ハウジング11の頂部に位置し、鉛直方向ニュートラル軸に沿って標的領域に向かって下方に発生したビームを送るように配向される。ビーム13は、例えば図2DにおいてX方向への偏向範囲の対向側端部が破線矢印により例示されるように、X方向およびY方向へと例えば電磁動作ディフレクタ(図示せず)などによりこの軸に対して偏向されることが可能である。適切に制御されたビーム偏向により、標的に対するビームの入射点の移動によって、製造中の製品の個々の断面層に対応する所定形状のエリアに対応することが可能となる。

電子ガン14の下方の真空チャンバ12内の間隙におよび発生したビームの標的領域内には、一連の粉末材料堆積層から形成されるベッドのための昇降可能支持台15が、したがって図1で随伴する両矢印によりおよび図2Cおよび図2Dで個々の矢印により示されるようにZ方向に可動である支持台が、設けられる。この支持台15は、ポスト上に取り付けられた、およびシャフト16内で鉛直方向移動するように案内される、テーブルの形態を有し、このシャフト16の壁部は、材料ベッドが存在する場合にはこの材料ベッドをテーブルへとほぼ画定する。これらの壁部の上方において、テーブルは、平坦表面を有する周囲部により囲まれ、テーブルの頂部またはテーブル上の材料ベッドの頂部は、この平坦表面との共有面内に位置するようにほぼ整列可能である。支持台15の移動は、駆動部(図示せず)により実現され、この駆動部は、ピストンシリンダユニット、スピンドルドライブ、ラックアンドピニオンドライブ、線形モータ、または周期的な往復線形移動をもたらす任意の他の適切な手段であることが可能である。

従来の手法における積層造形コンテクストにおける支持台15の移動サイクルは、粉末材料層の規定の深さまたは厚さの程度まで周囲部の表面の面の下方にテーブルの頂部を位置決めし、周囲部の表面のほぼ面内に頂部表面を有する層を形成するようにテーブル上に粉末材料を展開させることと、この層内で粉末材料を選択的に溶融ししたがって溶合することで開始される。その後、この手法は、別のかかる層の形成が可能な状態になるように規定の層深さの程度まで支持台15を下げ、やはり周囲部の表面の面内に頂部表面を有する次の層を形成するようにテーブル上に粉末材料を展開させ、この層内で粉末材料を選択的に溶融して、この層内で材料を共に溶合するだけでなくさらに粉末材料の下方に位置する層の予め溶合された材料に対しても粉末材料を溶着することにより続けられる。この手法は、電子ビーム13による材料ベッドのスキャニングによる一連の粉末材料層の選択的溶融が、支持台15の段階的下降と組み合わされることにより、X方向、Y方向、およびZ方向における所望形状の製品の連続断面層が形成されるように、反復される。

各層を形成するための粉末材料の展開は、スプレッダ17によるものであり、このスプレッダ17は、周囲部の表面の面と実質的に同一平面になるように粉末材料を平坦に分配するように、支持台15上において可動である。図2Aおよび図2Eで付随する矢印により示すような、支持台上でのX方向における往復移動のためのスプレッダ17の移動は、ドライブ(図示せず)により実現される。このドライブは、制御ユニット18により制御され、例えばコグドベルトおよびピニオンドライブ、スピンドルドライブ、ラックアンドピニオンドライブ、線形モータ、または周期的な往復線形移動をもたらす任意の他の適切な手段などであることが可能である。制御ユニット18は、あくまで象徴的な意味において独立ユニットとして示されるが、実際には、例えば製造サイクルを実行するように装置の動作を制御することに関与するソフトウェアによって適切な命令が発せられるシステムなどの、装置の全体制御システムまたは上位制御システムの一体部分であってもよい。かかる種類のスプレッダは、先行技術の装置において様々な構造形態において使用される。

粉末材料ベッドを形成する層のための粉末材料は、例えば支持台のテーブル15の一方の側になど、支持台15に対して適切に位置決めされたフィーダまたはディスペンサ19によって供給される。また、ディスペンサは、先行技術において様々な形態で知られており、例えば個別の製品または所与個数の製品を製造するのに十分な粉末材料充填量を収容するホッパなどを備えることが可能である。スプレッダ17自体は、ディスペンサを備えてもよく、かかるホッパからまたは周期的にハウジング11外部の粉末リザーブから送給される。ディスペンサ19からの粉末材料の供給は、制御ユニット20の制御下において実施され、この制御ユニット20は、分散のために供給される粉末材料の量および供給時間を決定する。制御ユニット18と同様の様式で、制御ユニット20は、象徴的な意味において独立ユニットとして示されるが、やはり全体制御システムの一体部分であってもよい。

製造サイクルすなわち製品の各断面層の作製の最中における、支持台15およびスプレッダ17の移動は、先述のことから明らかになるように、および図2A～図2Eを参照として以下で説明されるように、相関関係にある。具体的には、支持台のドライブおよびスプレッダのドライブは、各サイクルの最中に特定の時点および特定の方向に支持台およびスプレッダを移動させるように制御され、かかる制御は、制御ユニット18および20により象徴的に示される制御手段によって実現される。

導入部において示したようなこの装置の1つの特徴は、各層が実際に必要とする量よりも多い粉末材料を、したがってこの層の体積を上回る粉末材料供給体積を各層の作製の最中に展開する動作である。粉末材料の集中的な供給過多により、空部、くぼみ、または粉末不足に起因する他の欠陥が可能な限り存在しない層の、スプレッダ17による形成が確保される。供給過多により、各層の形成の終了時に粉末材料余剰が結果的に発生し、その結果としてとりわけ経済的な理由からこの再利用のために余剰を返還する必要性が生じる。この返還は、電子ビームの熱作用に曝された後に、さらなる層の一部またはすべてを形成するためのスプレッダ17の復帰移動により、直近で形成された層の上に余剰粉末を展開することによって実現される。粉末再循環は、余剰粉末蓄積の一方の側から他方の側へスプレッダを送るような操作を含む、様々な方法により実現することが可能である。本明細書において説明および図示される装置10において利用されるもう1つの可能性は、図2A～図2Eに関連して以降で論じるように、支持台15に余剰粉末材料を限定し、支持台15およびスプレッダ17の相関移動により粉末返還を行うことによって、実現される。

支持台15に余剰粉末材料を限定するために、支持台は、製品製造が電子ビーム作用により実施される構築ゾーンのためのエリアだけでなく、さらに各粉末材料層からの余剰粉末材料が収集され蓄積物を形成する余剰粉末材料蓄積ゾーンのための直に隣接する具体的には連続するエリアを画定する。このために、支持台のテーブルの頂部は、可変高さの2つの体積部底部を形成する2つのエリアに概念上において区分される。これらの体積部は、テーブルの頂部の面に対して垂直を成す2つのエリアの突出部により画定され、それぞれが構築ゾーンおよび蓄積ゾーンに相当する。これらのゾーンは、粉末材料ベッドの形成の最中に支持台15が漸増的に下降されるにつれて、およびこのベッドの高さが漸増的に上昇するにつれて、支持台15に対して上方に移動する。したがって、製造の開始時においては、これらのゾーンは、テーブルの頂部の上に直接的に重なり、その後に材料ベッドの頂部にて各先行する層の上に重なる。テーブルの頂部の総面積に対して、その大部分は、構築ゾーンに関連するエリアにより占められ、比較的小さいストリップ形状領域が、余剰粉末材料蓄積ゾーンに関連するエリアとして確保される。後者のエリアは、テーブルの境界部に沿って延在し、図2Aおよび図2Eで付随する矢印により示されるスプレッダ17の往復移動方向に対して横軸方向に延在するストリップの、したがってY軸方向に沿って延在するストリップの形態を有する。

電子ビーム13の作用範囲は、具体的には構築ゾーンに限定される。ビーム作用範囲の限定は、単に上述のビームディフレクタにより可能となるビーム偏向範囲を制御することによって実現される。

各粉末材料層の形成および余剰材料再循環に伴う作用シーケンスは、図2A～図2Eとの組合せにおいて以降で説明される。これらの図はそれぞれ、テーブルおよびポストから構成される支持台15と、周囲部の一部を有するシャフト16と、スプレッダ17とを断面において示す。各図は、部分溶融されたまたは溶融されていない粉末材料により囲まれ、テーブルの頂部上に支持された、製品21の製造における1段階を示す。粉末材料溶融および溶合による製品の製造は、周囲部の材料、特にシャフト16の壁部に対する製品の付着リスクがないように、周囲部から最大で小さな間隔まで構築ゾーン内において実施される。図2A～図2Eの極めて概略的な性質はさておき、粉末材料層深さおよび余剰粉末材料蓄積物は、理解を促すために大幅に誇張されたサイズで図示されている点に留意されたい。

図2Aでは、テーブルの頂部が、形成されることとなる粉末材料層の所定深さに好ましくは等しい量だけ、例えば0.07ミリメートルの深さだけ、周囲部の表面の面の下方に位置するように、支持台15がシャフト16内に位置決めされた一段階における、前段落において参照した構成要素が図示される。この支持台の説明および図示する位置において、ここでは右へと移動しているスプレッダ17は、ディスペンサ19からテーブルの上に供給粉末材料を展開することによって、周囲部の表面と実質的に同一平面内に位置するおよび結果として所望の深さの第1の層22を平坦かつ均一に形成する。図2Aは、部分的に形成された状態にある層22を示す。スプレッダ17により引きずられ、まだ展開されていない粉末材料が、右への移動方向におけるスプレッダの正面においてサイズが漸減しつつある塊として存在する。

図2Bは、第1の層22の最終形成を示す。この第1の層22は、ここでは構築ゾーン内のテーブルの頂部を完全に覆う。一貫性のある層深さおよび平坦表面の実現という観点における層形成の重要な点は、既述のように、各層の形成にとって実際に必要な量の超過する粉末材料の供給である。例えば次の層の一部、次の層の全部、または複数の後続層の形成にとって十分な量などになり得る余剰粉末は、スプレッダ17により蓄積ゾーンに案内される。

その後、図2Cに示すように、支持台15は、収集された余剰粉末材料がスプレッダから離れ、周囲部の表面の面の下方にある離間距離をおいて位置するまで、制御ユニット18の制御下において下げられる。この最中に、左側においてスプレッダ17によりもはや囲まれておらず、右側においてシャフト16の壁部により囲まれている余剰材料は、重力下においてより広いベースエリアにわたり、しかし依然として蓄積ゾーン内において再分配されて、ほぼリッジ形状の蓄積物23を形成する。Y方向において300ミリメートル幅の蓄積ゾーンの場合に、この蓄積物は、典型的には3ミリメートルの高さであり、X方向において17ミリメートルのベース寸法を有する。制御ユニット18の制御下において、スプレッダ17は、周囲部の上方に位置決めされるまで、蓄積物23と衝突することなく次に蓄積ゾーンを越えて右へとさらに移動される。

完全に形成された層22が構築ゾーン内にあり、支持台15が好ましくは図2Dに示すように引き上げられた状態にあるこの段階において、電子ガン14は、層22の方向に電子ビーム13を発するように通電される。発せられたビームは、偏向の最大範囲を示す図2Dで破線矢印により示すように偏向されて、製品の規定の形状特徴に依存するエリアである溶融される層の所定のエリアをスキャニングすることにより、層の粉末を共に溶合し、それにより製品21の第1の断面を形成する。

次のステップにおいて、および図2Eに示すように、製品21のおよび第1の層22の残留粉末の新規形成された断面の頂部が、粉末材料層の所定深さ量だけ周囲部の表面の面の下方に再度位置するように、支持台15が位置決めされた状態において、スプレッダ17は、次に逆方向にしたがって左へ移動されて、余剰粉末材料の蓄積物23を引きずり、この材料を展開することにより、次の(第2の)層24の一部またはすべてを形成する。図2A～図2Eを参照として説明するステップのサイクルが反復されるが、製品が所定の形状を実現し完全に製造されるまでは、後続するすべての層が、構築ゾーン内の部分的に製造された製品および中心から離れた残留粉末の頂部の上に、常に部分的に展開している点のみが異なる。これらのサイクルの最中に、したがって積層造形プロセスの最中に、電子ビーム13の作用は、最上層の標的粉末材料を共に溶合するだけでなく、下に位置する既に溶合された材料に対してこの粉末材料を溶着する。

層厚さの既述の例示の寸法および層形成後の余剰粉末材料の蓄積物23の既述の例示の寸法は、2つ以上の連続層を形成する場合に、例えばX軸およびY軸のそれぞれにおいて約300ミリメートル幅などの層面積の場合に、十分なものとなり得る。しかし、各層形成後に残る余剰粉末材料の蓄積物の実際の体積は、通常は可変的である。この体積について知り得る情報は、進捗のモニタリングおよび積層造形プロセスの調整にとって有用な複数のパラメータの中の1つとなり、したがって装置10は、単純な非接触的手法による各蓄積物体積の判定を可能にするために設けられ、したがって本発明を例示する一方法を実施するために設けられる。

これを目的として、この装置は、非接触計測システムを内蔵し、この非接触計測システムは、第1に、蓄積ゾーン内の余剰粉末材料の各蓄積物23の対向面上にフリンジパターンを画定するために、窓(図示せず)を経由して真空チャンバ12を通過する図1および図2Cで一点鎖線により示すような光学投影経路A上において構造化光を投影するための光学投影機25を備える。このパターンは、スプレッダ17の往復移動方向に対して横軸方向または横方向に、蓄積物23の全長にわたって形成される。任意には、フリンジパターンを画定する構造化光は、それぞれ形成された粉末材料層22、24上の構築ゾーン内においてより大きな光学経路(図1でさらなる一点鎖線により左側から画定される)の上にさらに投影され得る。投影は、構成要素粉末材料を溶融するために層に対するビーム作用前に、またはかかるビーム作用の後に、しかしいずれにおいても蓄積物を構成する材料を展開するためにスプレッダ17の復帰前に、実施される。コンピュータソフトウェアにより生成されるフリンジパターンは、様々な形状をとり得るが、対照的なトーン（フリンジ）の一定間隔で離間されたストリップ26のアレイから便宜上構成され、かかる投影フリンジパターンの一部の一例が、以降でさらに論じられるように図3A～図3Cに示される。

また、この計測システムは、第2に、さらなる窓(やはり図示せず)を経由して真空チャンバ12を通過する光学撮像経路B上において投影されたフリンジパターンを撮像するための光学撮像カメラ27を備える。この撮像されるパターンは、図1Aとの比較により、図1Bでは光学投影経路Aに対する光学撮像経路Bの角度を拡大する傾斜度を有して示される。この投影と同様に、撮像は、スプレッダの往復移動方向に対して横軸方向において蓄積物23の全長に対応する。比較的角度をつけられた光学経路AおよびBにより表されるように、この撮像が、投影の視野とは異なる視野から行われるため、例えば過剰粉末のリッジ形状蓄積物23などの高所の形態のトポグラフィ特徴は、撮像されるフリンジパターンの個々のストリップ26の歪みをもたらす。この歪みの大きさおよびベクトルは、フリンジパターンが投影された蓄積物の面の勾配および高さに左右され、さらにこれらの勾配および高さは、蓄積物の幾何学的断面形状の相関的要素であり、これは、蓄積物の長さすなわちY軸に沿った層および関連する蓄積物の計測される寸法との組合せにおいて蓄積物の体積を表す。図3Aは、関連する粉末材料層の頂部表面の光学的付加オーバーレイを伴った蓄積物の標的面上に投影されるフリンジパターンの小部分を示す。蓄積物23の全長にわたり延在するフリンジパターンストリップは、誇張された幅および間隔を伴って図示される。実際には、これらのストリップは、非常に幅狭であり小さい間隔を有するため、撮像および解析が行われた場合に蓄積物、すなわち蓄積ゾーンの各X位置およびY位置における蓄積物の高さの断面表面マップの構築を可能にするように、蓄積物23の長さにわたり高密度でパッケージングされる。図3Bおよび図3Cは、蓄積物23の標的面のそれぞれ異なる勾配およびしたがって蓄積物のそれぞれ異なる体積の結果としての撮像されたフリンジパターンストリップ26のそれぞれ異なる歪みを、大幅に誇張された縮尺で示す。これらの撮像される歪みは、撮像される歪みを表すデジタルデータを受領するように撮像カメラ27に接続された、および積層造形プロセスの制御において利用するための出力を生成するように入力データを処理する処理ユニット28において、適切なアルゴリズムを利用して処理および解析を受ける。一連の蓄積物23の一連の容積測定値に相当するこの出力は、例えばドリフト補正のためのおよび粉末材料特徴もしくは他の変数における変化の調節のための基準を提供するために積層造形プロセスのモニタリングにおいてなどの、受動的な意味で、または、例えばスプレッダ17により展開されることとなる蓄積物を形成する材料の量を増加させるための粉末材料の付加量の算出などにおける、例えば構築ゾーンへの粉末材料供給のパラメータの周期的もしくは定期的な調節において、ならびにスプレッダの往復移動による層形成のために供給される粉末材料量、スプレッダの移動速度、および他の因子の調節においてなどの、動的な意味で、利用され得る。図1は、積層造形プロセスの重要な面における直接的な動的制御の可能性を例示するために、スプレッダ制御ユニット18およびディスペンサ制御ユニット20との処理ユニット28の出力の接続をもっぱら例として示す。

図1では、投影機25およびカメラ27の位置が、光学投影経路Aおよび光学撮像経路Bのそれぞれ異なる配向を明確にするために、図面の二次元性を考慮しつつ完全に任意の位置において示される。投影機およびカメラは、例えば図の平面に対して直角を成す投影において電子ガン14に重畳するように位置決めされる。この位置決めは、いずれの場合でも既知の因子であり、取得された画像に対する任意の影響の関する補正は、処理ユニット28による処理の最中に行われ得る。

既述のように、構造化光投影において具現化されるフリンジパターンは、さらに層全体に対しても投影され、層全体から撮像されることが可能であり、この場合には、例えば高所およびくぼみなどのトポグラフィ特徴部が、パターンの個々のストリップの外乱または歪みとして表れる。高所は、層内の波形部の波頭部、粉末材料粒子の集塊、および基層からの突出部および他の欠陥により生じる変位により形成され、くぼみは、かかる波形部の谷部、空部、粉末欠損エリア、スプレッダによる粒子の引きずりまたは損傷に起因するひっかき傷、および他の結果により形成され得る。これらの種類の欠陥の認識は、粉末材料層中の欠陥を特徴づけるデータを生成するために適した解析技術による層からの撮像された各フリンジパターン解析によって実現されることが可能であり、これを基礎として、適切な補正アクションを決定することが可能となる。この種のアクションは、とりわけ粉末供給、展開、およびビーム動作のパラメータに関係し得る。欠陥の判定が構造化光投影および撮像により実施される場合に、特に余剰粉末材料の蓄積物の容量測定のために利用される同一の投影機25およびカメラ27の使用を伴いつつ、単一の光学投影撮像システムを利用することが可能である。

10 積層造形装置
11 ハウジング
12 真空チャンバ
13 電子ビーム
14 電子ガン
15 昇降可能支持台、テーブル
16 シャフト
17 スプレッダ
18 制御ユニット、スプレッダ制御ユニット
19 ディスペンサ
20 制御ユニット、ディスペンサ制御ユニット
21 製品
22 第1の層、粉末材料層
23 リッジ形状蓄積物
24 第2の層、粉末材料層
25 光学投影機
26 ストリップ、フリンジパターンストリップ
27 光学撮像カメラ
28 処理ユニット

Claims (13)

1. 三次元製品を製造するために連続的に形成される層内の粉末材料の選択的溶合が実施される、積層造形プロセスをモニタリングおよび制御する方法であって、
   作業空間の構築ゾーン内に所与体積の層を形成するために必要な量を上回る前記粉末材料の量を前記空間に配送するステップと、
   前記構築ゾーン内において前記層を形成するために、および前記構築ゾーンに隣接する蓄積ゾーン内において余剰粉末材料の蓄積物を追加的に形成するために、前記作業空間内に前記粉末材料を展開するステップと、
   一連の前記層および前記蓄積物を形成するため展開する前記ステップを反復するステップと、
   前記蓄積物による投影されるパターンの歪みが撮像されるパターン中に生成されるように、前記投影の方向とは異なる方向から、前記それぞれの蓄積物に対して投影される構造化光パターンを撮像することと、前記パターンの歪みから、前記歪みに関与する前記蓄積物の少なくとも大まかな体積を導き出すために、前記撮像されるパターンを評価することとにより、各蓄積物の前記少なくとも大まかな体積を判定するステップと、
   前記蓄積物の前記判定された体積に依拠して前記積層造形プロセスを制御するステップと
   を含む、方法。
2. 制御する前記ステップは、前記積層造形プロセスにおいて使用されるまたは使用するための粉末材料に関連して実施される、請求項1に記載の方法。
3. 制御する前記ステップは、前記作業空間への粉末材料の配送および前記作業空間内における粉末材料の展開のうちの少なくとも一方を制御するステップを含む、請求項2に記載の方法。
4. 制御する前記ステップは、前記構築ゾーン内の粉末層形成のパラメータを調節するステップを含む、請求項3に記載の方法。
5. 前記パラメータは、前記層を形成するための粉末材料分配速度である、請求項4に記載の方法。
6. 各層による粉末材料消費量測定値を取得するために、前記層の所与の体積と、各蓄積物の前記判定された少なくとも大まかな体積を比較するステップを含み、前記積層造形プロセスは、前記取得された粉末材料消費量測定値に対応して制御される、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記積層造形プロセスは、前記一連の層の形成において使用するためのさらなる粉末材料を前記作業空間に配送するステップを含み、制御する前記ステップは、前記取得された粉末材料消費量測定値に対応して配送する前記ステップを調整するステップを含む、請求項6に記載の方法。
8. さらなる粉末材料を配送する前記ステップは、配送する前記ステップのタイミングに関して調整される、請求項7に記載の方法。
9. さらなる粉末材料を配送する前記ステップは、前記配送におけるさらなる粉末材料の量に関して調整される、請求項7または8に記載の方法。
10. さらなる前記層を形成するために必要とされる追加的な粉末材料量を、前記粉末材料消費量測定値から判定するステップを含む、請求項9に記載の方法。
11. 前記判定された追加的な粉末材料量は、さらなる前記蓄積物を形成するために必要とされる量でもある、請求項10に記載の方法。
12. 積層造形プロセスをモニタリングする方法であって、請求項1から11に記載のいずれか一項に記載の方法の前記ステップを実施するステップを含み、前記構造化光パターンは、前記粉末材料の形成された層の表面と、前記層の形成後に残る余剰粉末材料の隣接する蓄積物との両方に対して同時に投影され、前記層表面および前記蓄積物の両方に対する前記パターンの画像が生成され、前記画像の前記パターンの歪みは、余剰粉末の前記蓄積物の前記体積を判定するためだけではなく、さらに前記層表面中の欠陥を識別するためにも評価される、方法。
13. 前記パターンは、共通の投影システムにより前記層表面および前記蓄積物に対して投影され、前記層表面および前記蓄積物に対する前記投影されたパターンは、共通の撮像システムにより撮像される、請求項12に記載の方法。

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