JP6533789B2 - 画像解析によってレーザービームのエネルギー密度を監視する方法、および対応する装置 - Google Patents

Description

本発明は、選択的レーザー溶融法（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｍｅｌｔｉｎｇ：ＳＬＭ）によって、すなわち高出力レーザーによって漸進的かつ局所的に、つまり選択的に、制御された雰囲気中で金属粉末を溶融することによって金属部品を製作することが可能な積層造形の技術によって、部品を製造する分野に関する。

選択的レーザー溶融法は、粉末としての材料の層の堆積によって成形部品のモデルの三次元ＣＡＤデータにしたがって、たとえば製品または構成要素の試作品などの成形体の製造を可能にする方法である。次の層を堆積する前に、成形体のモデルの所定断面積に対応する粉末層の所定の領域に印加される高出力（２００Ｗから数ｋＷ）の集光レーザービームによって決められた温度まで各粉末層が加熱されるように、いくつかの粉末層が互いの上に連続して堆積される。レーザービームは、各粉末層が下の層に付着するように、モデルの所定の横断面のＣＡＤデータにしたがって、各粉末層の上に誘導される。粉末の供給およびレーザーによるその溶融を繰り返すことにより、部品を漸進的に厚肉化して所望の形状を獲得する可能性を付与する。

このようなレーザー選択溶融法の一例は、文献仏国特許出願公開第２９７０８８７号明細書および米国特許第６２１５０９３号明細書に明確に記載されている。

タービンエンジンの分野に明確に課された公差を遵守する冶金品質および寸法を有する部品を得るためには、製造平面（粉末床）内およびレーザーへの露光期間の間、レーザービームのエネルギー密度が一定のままであることが必要である。

エネルギー密度は、レーザービームのパワー、速度、およびサイズの３つのパラメータに依存する。

現在、レーザービームのエネルギー密度の監視は、これら３つのパラメータを個別に測定することによって、間接的に得られる。とは言うものの、この監視には、異なる装置によって連続的に実行される個別の測定を要するという不都合がある。長すぎて工業的に適用するのが困難であることに加えて、レーザービームのエネルギー密度のこの監視は堅牢ではなく、この測定は使用される装置のドリフトによって歪曲される。これらの装置はさらに独特であり、使用されるための訓練および特殊技能をしばしば必要とし、適用するにはさらに高額、脆弱、および長尺であり、定期的に検査されなければならない。最後に、製造空間全体が、これらの測定が可能であるようにはアクセス可能ではない。

欧州特許出願公開第１４６６７１８号明細書において、赤外線カメラなどの熱画像システムによって得られた標的領域の画像から、（粉末床などの）標的領域上の温度を制御する方法が、提案されている。これにより決定された温度はその後所望の温度と比較されるが、これは粉末床の全体的な温度の制御を改善する可能性を付与する。しかしながら、この方法は決して、レーザービームのエネルギー密度が安定しているか否か、またはこれが依存するパラメータのうちの１つが不安定であるか否かの決定を可能にするものではない。実際には、問題は、製造したい部品の品質に悪影響を及ぼすことになる粉末床での温度差を回避するように、レーザービームの温度を適応させることだけである。

文献独国特許第出願公開１０３２００８５号明細書はこれに関して、選択的溶融によって部品を製造する方法を記載しており、その間、光密度は部品の最終密度を改善するように適応されている。光密度の適応は具体的には、溶融させられる粉末の厚さを測定するＣＣＤカメラ、およびその温度を判定する高温計によって、適応させられる。したがってこの文献は、レーザービームのエネルギー密度の安定性の制御を扱うものではない。

最後に、文献独国特許出願公開第１０２０１００２７９１０号明細書は、レーザー溶融によって部品を製造する方法を扱っており、その間にレーザーのパワーは、期待されるパワー値に対して可能性のある逸脱を検出するために、定期的に測定されている。したがってこの文献は、レーザービームのエネルギー密度に関する役割を果たすパラメータのうちの１つの測定を提案するのみであって、その他のパラメータは決定されない。

したがって、これらの文献のいずれも、簡単な方法および妥当な費用でエネルギー密度のパラメータのドリフトを検出するための、確実で迅速な手段を提供するものではない。

仏国特許出願公開第２９７０８８７号明細書 米国特許第６２１５０９３号明細書 欧州特許出願公開第１４６６７１８号明細書 独国特許出願公開第１０３２００８５号明細書 独国特許出願公開第１０２０１００２７９１０号明細書

したがって本発明の目的は、レーザービームのエネルギー密度を制御する方法、および最新技術の不都合を克服する関連制御装置を提案することであり、これは従来技術と比較して妥当な費用でパラメータ（レーザービームのパワー、速度、サイズ）の一部のドリフトの迅速な検出を可能にし、産業化が可能で、これは全製造空間内のものである。

このために、本発明は、レーザービームの少なくとも２つのパラメータからレーザービームのエネルギー密度を制御する方法を提案し、方法は、
基準支持体上にレーザービームを定期的に印加し、使用のたびに、この基準支持体上で得られる光強度を測定する、ステップと、
少なくとも２つの測定の間で基準支持体上の光強度の変化を識別するステップと、
光強度のばらつきが所与の閾値よりも大きいときに、レーザービームのエネルギー密度の（１つまたは複数の）不安定なパラメータを決定するステップと、
を備える。

先に記載された制御方法の特定の好適だが非限定的な特徴は、以下のとおりである：
レーザービームのエネルギー密度は、特にレーザービームのパワー、速度、およびサイズを含む３つのパラメータから制御され、
基準支持体上で印加および光強度を定期的に測定するステップは：
（ｉ）基準画像を得るために、基準支持体上にレーザービームを印加し、前記基準支持体上のレーザービームの画像を取得するサブステップと、
（ｉｉ）基準画像内のレーザービームの印加ポイントでの光強度を決定するするサブステップと、
（ｉｉｉ）対照画像を得るため、および対照画像内のレーザービームの印加ポイントにおける基準支持体上の光強度を決定するために、基準支持体上にレーザービームを定期的に印加し、前記基準支持体上のレーザービームの画像を取得するサブステップと、
を備え、
光強度のばらつきを識別するステップは：
（ｉｖ）これにより得られた対照画像の光強度を基準画像の光強度と比較するサブステップと、
（ｖ）そこからレーザービームのエネルギー密度のばらつきを推測するサブステップと、
を備え、
光強度は、基準画像および対照画像のグレーレベルを測定することによって決定され、
基準画像および対照画像のグレーレベルは、各画像の各ポイントの強度プロファイルを平均化することによって光強度が決定されるように、いくつかのポイントで測定され、
方法は、基準画像を取得するために基準面上にレーザービームを印加する前に、パラメータの初期値が決定される初期ステップをさらに備え、光強度のばらつきが任意の閾値よりも大きいときには、方法は、レーザービームのパラメータの値が決定されて、（１つまたは複数の）不安定なパラメータを識別するために前記パラメータの初期値と比較される、サブステップをさらに備え、レーザーは、前記（１つまたは複数の）不安定なパラメータを再安定化するために修正され、
ステップ（ｉ）から（ｉｉｉ）は、新しい基準画像を定義するために、一旦修正されたらレーザービームで反復され、
初期ステップもまた反復される。

本発明はまた、レーザービームの少なくとも２つのパラメータからレーザービームのエネルギー密度を制御する装置も提案し、前記パラメータは、レーザービームのパワー、速度、および／またはサイズを含み、装置は上記に示されたようなレーザービームのエネルギー密度を制御することが可能であり、
基準支持体上のレーザービームの画像を取得するように構成された、画像取得システムと、
画像取得システムによって取得された異なる画像の光強度を比較し、少なくとも２つの測定の間で基準支持体上の光強度のばらつきを識別するように構成されている、画像処理システムと、
レーザービームのパラメータのうちの少なくとも１つが不安定であるか否かを、光強度のばらつきから決定するように構成されている、データ処理手段と、
を備える。

制御装置の特定の好適だが非限定的な特徴は、以下のとおりである：
基準支持体は均質な被膜を備え、
基準支持体はアルミニウム合金のプレートを備え、
アルミニウム合金のプレートは、陽極酸化されて陽極酸化層を備え、
陽極酸化層は黒色であり、
陽極酸化層は、アルミニウム合金のプレートの厚さの０．５％から３％の間、好ましくは１％程度の厚さを有し、
アルミニウム合金のプレートの厚さは１ｍｍ程度であり、陽極酸化層の厚さは０．０１ｍｍ程度である。

本発明のその他の特徴、目的、および利点は、以下の詳細な説明を読み、非限定例を提示する以下の添付図面を参照すると、より明確になるだろう。

本発明によるレーザービームのエネルギー密度を制御する方法の例示的実施形態の様々なステップを示す、フローチャートである。 画像の強度プロファイル、すなわちグレーレベル対距離（画素単位）の例を示すグラフである。 レーザービームのエネルギー密度の劣化の例を示す図である。 本発明によるレーザービームのエネルギー密度を制御する装置の例を示す概略図である。

製造平面内の、およびレーザーに対するパワー露光期間の間のレーザービーム３のエネルギー密度の不変性を制御するために、本発明は、レーザービーム３の少なくとも２つのパラメータからエネルギー密度を制御する方法Ｓであって、
基準支持体７上にレーザービーム３を定期的に印加し、この基準支持体上で得られた光強度を印加ごとに測定するステップＳ４と、
少なくとも２つの測定の間で基準支持体７上の光強度のばらつきを識別するステップＳ６、Ｓ７、Ｓ８と、
光強度のばらつきが所与の閾値よりも大きいときに、レーザービーム３のエネルギー密度の（１つまたは複数の）不安定なパラメータを決定するステップＳ８と、
を備える方法を、提案する。

本発明は、任意の支持体上にレーザービーム３を印加することによって得られる光強度がこのレーザー２のエネルギー密度を表すという事実に基づいている。このため、測定の数およびこれらを測定する難しさが従来技術と比較して大きく減少するように、測定されるパラメータの数を基準支持体７上で得られた光強度のみに限定し、そこからレーザー３のエネルギー密度のばらつきを、したがってそのパラメータのうちの少なくとも１つの不安定性を推測することが、可能である。したがって方法Ｓは、より迅速かつ容易に適用される。

また、方法Ｓは、一般的な装置を備える、エネルギー密度を制御する装置１によって適用されてもよく、これは訓練または特殊技能を全くまたはほとんど必要とせず、たとえば：
基準支持体７上のレーザービーム３の画像を取得するように構成された、画像取得システム４と、
画像取得システム４によって取得された異なる画像の光強度を比較し、少なくとも２つの測定の間で基準支持体７上の光強度のばらつきを識別するように構成されている、画像処理システム５と、
レーザービーム３のパラメータのうちの少なくとも１つが不安定であるか否かを、光強度のばらつきから決定するように構成されている、データ処理手段６と、
などを備える。

たとえば、画像取得システム４は、スキャナ、カメラ、またはさらにビデオカメラであってもよく、その一方で画像処理システム５は画像処理ソフトウェアパッケージを備えてもよく、データ処理手段６は、方法Ｓの結果を表示するように構成されているインターフェース手段６に任意選択で接続された、中央装置を備えてもよい。

また、そこからレーザービーム３のエネルギー密度を制御することが可能なレーザービーム３のパラメータは、レーザービーム３のパワー、速度、およびサイズから選択される。好ましくは、制御方法Ｓの間に３つのパラメータが吟味される。

光強度は基準光強度と比較されるが、これはそのパラメータが安定しているときのレーザービーム３のエネルギー密度を表す基準支持体７上の光強度に対応し、これらは同一または類似の条件下で測定される。

基準光強度は、以下のように測定される。

第一ステップＳ１の間、パラメータ（光ビームのパワー、速度、および／またはサイズ）は、特殊装置を用いて従来の方法で測定される。得られた測定値が適合しない場合には、レーザー２が修理され、修理後のパラメータの整合性を確認するために、再度測定が実行される。

得られた測定値はその後、たとえばデータ処理手段６に、記録される。

次に基準光強度が決定される。

このために、レーザービーム３が基準支持体７上に印加され、基準支持体７上の光ビームの画像が、たとえばスキャナ等の画像取得システム４によって取得され（ステップＳ２）、すると基準画像が得られる。

基準画像はその後、画像処理システム５によってグレーレベルに変換されてもよい。画像処理システム５はたとえば、とりわけ各ポイントにおける強度プロファイル（図２）を作成することによって、いくつかのポイントにおいてこの基準画像内でレーザービーム３に露光された表面のグレーレベルを測定してもよい。最後に、基準光強度は、露光面のポイントのすべてでグレーレベルの平均値Ｍｘを生成することによって、決定されてもよい（ステップＳ３）。

データ処理手段６はその後、基準光ビームのパラメータの測定と関連付けて、基準光強度を記録してもよい。

レーザービーム３のエネルギー密度の制御はその後、基準支持体７上にレーザービーム３を定期的に印加することによって、およびこの基準支持体７上のレーザービーム３の衝突点での、基準光強度と同じ条件下で測定および決定される光強度の時間依存変化を監視することによって、定期的に、迅速に、容易に、そしてあまり費用をかけずに実行されてもよい。実際、光強度の測定は例えば定期的に繰り返されれば十分である。

このために、所定期間の後、レーザーの光ビームは、同じ基準支持体７上に、または少なくとも同一かまたは類似の基準支持体７上に、印加される。好ましくは、レーザービームは、基準画像を生成するのと同じ条件（基準支持体７に対する高さ、位置、および傾斜など）の下で印加される。

基準支持体７上の光ビームの画像は、たとえばスキャナなどの画像取得システム４によって取得され（ステップＳ４）、すると対照画像が得られる。

対照画像はその後、容易に比較可能なデータを得るために、基準画像と類似の方法で処理される。このため、対照画像は画像処理システム５によってグレーレベルに変換されてもよく、これは特に、各ポイントにおける強度プロファイルを生成することによっていくつかのポイントでこの画像内でレーザービーム３に露光される表面のグレーレベルを測定することができる。最後に、対照画像の光強度は、露光面のポイントのすべてでグレーレベルを平均化Ｍｘすることによって、決定されてもよい（ステップＳ５）。

対照画像の光強度はその後基準光強度と比較されるが、これはこのレーザービーム３について事前に決定され、データ処理手段６に記録されている（ステップＳ６）。

対照画像の光強度と基準光強度との間の差が所定の閾値未満であるとき、エネルギー密度は安定していると見なされる。したがってレーザー２は修正されず、レーザービーム３のエネルギー密度の制御のために選択された周期性にしたがって、次の制御がプログラムされてもよい（ステップＳ７）。

所定の閾値はたとえば、許容限度まで光ビームのエネルギー密度の劣化をシミュレートすることによって、および基準支持体７上の光ビームのエネルギー密度について得られた光強度を測定することによって、実験的に設定されてもよい。

したがって次の制御の間、ステップＳ４からステップＳ６は、基準光強度およびデータ処理手段６に記録されたパラメータの値を用いて繰り返される。

その一方で、対照画像の光強度と基準光強度との間の差が所定の閾値に到達またはこれを超過するとき、エネルギー密度は劣化している（図３）。この場合、特殊装置を用いる従来の方法でパラメータの各々を測定することによって、不安定なエネルギー密度のパラメータを探すことになる（ステップＳ８）。

一旦（１つまたは複数の）不安定なパラメータが決定されると、レーザー２は修理されてもよい（Ｓ９）。

そして基準光強度の新しい測定が行われ、上記のステップＳ１からＳ３にしたがってパラメータの新しい値とともに記録され、その後方法Ｓは、レーザービーム３のエネルギー密度の監視を継続することによって、反復されてもよい。当然ながら、この監視は、レーザー２の修正を考慮に入れるために、対照画像の光強度を新しい基準強度と比較することによって実行されることは、理解されるだろう。

あるいは、新しい測定を再度行うことなく基準光強度を維持することもまた可能であり、この場合、監視は、対照画像の光強度を最初に決定された基準光強度との間と比較することによって、実行される。

基準支持体７は好ましくは、受け取ったエネルギーを感知できる、均質な被膜を有する表面を備える。これは特に陽極酸化アルミニウム合金のプレートであってもよく、陽極酸化層は特に黒色であってもよい。このような陽極酸化アルミニウム合金プレート７はこうして、その均質な被膜によって監視の品質の改良を可能にする。実際、陽極酸化層を備えるアルミニウム合金のプレート７にレーザーが印加されるとき、これは陽極酸化層を局所的に溶融する。レーザービームのエネルギー密度が十分であるときには、金属光沢が得られ、したがって画像を取得すると最大光強度となる（Ｓ２、Ｓ４）。他方では、ビームのエネルギー密度が減少すると、灰色の色調が得られる。

一実施形態において、アルミニウム合金のプレート７の厚さは約０．５ｍｍから約２ｍｍの間、通常は１ｍｍ程度であり、所定の陽極酸化厚を有する陽極酸化層で覆われている。たとえば、陽極酸化層の厚さは、アルミニウムプレートの厚さの０．５％から３％の間、好ましくは１％から２％程度、通常は１％であってもよい。必要であれば、陽極酸化厚の値およびその品質もまた、基準支持体７の堅牢性を保証するために、経時的監視を受けてもよい。

当然ながら、十分な精度をもって光強度ばらつきの検出を可能にする限りにおいて、その他の基準支持体７が使用されてもよい。

また、それにしたがってエネルギー密度の制御が実行される頻度は一定であってもよく、あるいは対照画像の光強度と基準光強度との間の差に応じて異なってもよい。

Claims (15)

1. レーザービーム（３）の少なくとも２つのパラメータからレーザービーム（３）のエネルギー密度を制御する方法（Ｓ）であって、
   基準支持体（７）上にレーザービーム（３）を定期的に印加し、使用のたびに、この基準支持体上で得られる光強度を測定する、ステップ（Ｓ４）と、
   少なくとも２つの測定の間で基準支持体（７）上の光強度のばらつきを識別するステップ（Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８）と、
   光強度のばらつきが所与の閾値よりも大きいときに、レーザービーム（３）のエネルギー密度の不安定なパラメータを決定するステップ（Ｓ８）と、
   を備える、方法（Ｓ）。
2. レーザービーム（３）のエネルギー密度は、レーザービーム（３）のパワー、速度、およびサイズを含む３つのパラメータから制御される、請求項１に記載の制御方法（Ｓ）。
3. 基準支持体（７）上で印加および光強度を定期的に測定するステップは、
   （ｉ）基準画像を得るために、基準支持体上にレーザービーム（３）を印加し、前記基準支持体上のレーザービーム（３）の画像を取得するサブステップ（Ｓ２）と、
   （ｉｉ）基準画像内のレーザービーム（３）の印加ポイントでの光強度を決定するサブステップ（Ｓ３）と、
   （ｉｉｉ）対照画像を得るため（Ｓ４）、および対照画像内のレーザービーム（３）の印加ポイントにおける基準支持体（７）上の光強度を決定するために（Ｓ５）、基準支持体（７）上にレーザービーム（３）を定期的に印加し、前記基準支持体（７）上のレーザービーム（３）の画像を取得する、サブステップと、
   を備え、
   光強度のばらつきを識別するステップは、
   （ｉｖ）これにより得られた対照画像の光強度を基準画像の光強度と比較するサブステップ（Ｓ６）と、
   （ｖ）そこからレーザービーム（３）のエネルギー密度のばらつきを推測するサブステップ（Ｓ７、Ｓ８）と、
   を備える、請求項１または２に記載の制御方法（Ｓ）。
4. 光強度は、基準画像および対照画像のグレーレベルを測定することによって決定される（Ｓ３、Ｓ５）、請求項３に記載の制御方法（Ｓ）。
5. 基準画像および対照画像のグレーレベルは、各画像の各ポイントの強度プロファイルを平均化することによって光強度が決定されるように、いくつかのポイントで測定される、請求項４に記載の制御方法（Ｓ）。
6. 基準画像を取得するために基準面上にレーザービーム（３）を印加する（Ｓ２）前に、パラメータの初期値が決定される初期ステップ（Ｓ１）をさらに備え、光強度のばらつきが任意の閾値よりも大きいときには、方法（Ｓ）は、
   レーザービーム（３）のパラメータの値を決定し、不安定なパラメータを識別するために前記パラメータの初期値とこれを比較する、サブステップと、
   前記不安定なパラメータを再安定化するためにレーザー（２）を修正するサブステップ（Ｓ９）と、
   をさらに備える、請求項３から５のいずれか一項に記載の制御方法（Ｓ）。
7. ステップ（ｉ）から（ｉｉｉ）は、新しい基準画像を定義するために、一旦修正されたらレーザービーム（３）で反復される、請求項６に記載の制御方法（Ｓ）。
8. 初期ステップ（Ｓ１）もまた反復される、請求項７に記載の制御方法（Ｓ）。
9. レーザービーム（３）の少なくとも２つのパラメータからレーザービーム（３）のエネルギー密度を制御する装置（１）であって、前記パラメータはレーザービーム（３）のパワー、速度、および／またはサイズを含み、装置は、請求項１から８のいずれか一項にしたがってレーザービーム（３）のエネルギー密度を制御することが可能であること、および
   基準支持体（７）上のレーザービーム（３）の画像を取得するように構成された、画像取得システム（４）と、
   画像取得システム（５）によって取得された異なる画像の光強度を比較し、少なくとも２つの測定の間で基準支持体（７）上の光強度のばらつきを識別するように構成されている、画像処理システム（５）と、
   レーザービーム（３）のパラメータのうちの少なくとも１つが不安定であるか否かを、光強度のばらつきから決定するように構成されている、データ処理手段（６）と、
   を備えることを特徴とする、装置（１）。
10. 基準支持体（７）は均質な被膜を備える、請求項９に記載の制御装置（１）。
11. 基準支持体（７）はアルミニウム合金のプレートを備える、請求項９または１０に記載の制御装置（１）。
12. アルミニウム合金のプレートは、陽極酸化されて陽極酸化層を備える、請求項１１に記載の制御装置（１）。
13. 陽極酸化層は黒色である、請求項１２に記載の制御装置（１）。
14. 陽極酸化層は、アルミニウム合金のプレート（７）の厚さの０．５％から３％の間の厚さを有する、請求項１２または１３に記載の制御装置（１）。
15. アルミニウム合金のプレート（７）の厚さは、０．５ｍｍから２ｍｍの間の厚さであり、陽極酸化層の厚さは、アルミニウム合金のプレート（７）の厚さの０．５％から３％の間の厚さである、請求項１４に記載の制御装置（１）。

Images