JP6845353B2 - 付加製造方法及び装置 - Google Patents

Description

本出願は、工作物の付加製造のための方法及び装置に関する。このような付加製造はしばしば３Ｄ印刷と呼ばれる。

付加製造の場合、工作物の形状は、材料の被覆、すなわち付加によって実現される。特に多くの付加製造方法の場合、三次元工作物が層状に構築される。付加製造は、所望の形状の工作物を製造するために、ブランクから材料を切除する減法製造とは異なっている。付加方法は重要性を増している。というのは、比較的に複雑な工作物形状も、製造装置、例えばいわゆる３Ｄプリンタの適当なプログラミングによって実現可能となっているからである。

古典的な減法製造の場合には、使用される材料の品質と特に均質性は製造プロセスによってごくわずかしか影響を受けず、実質的に使用ブランクの材料の品質に依存するが、付加製造の場合には、工作物の材料、構造及び形状が同時に発生する。それによって、製造プロセス時に小さな材料欠陥が発生し得る。このような材料欠陥は工作物の内部に存在し、純然たる材料欠陥と言うことができる。材料欠陥はさらに、工作物の表面に形状欠陥を生じ得る。その例が図１Ａ、図１Ｂ及び図２に示してある。

図１Ａと図１Ｂはそれぞれ、付加製造方法によって多数の層状に製造された工作物１０を概略的に示している。図１Ａに示すように、付加製造プロセスの場合には、材料欠陥、例えば微小孔１１、大きな孔１２、亀裂１３又は層剥離１４が発生し得る。このような材料欠陥の場合、完成した層は互いに正しく付着しない。さらに、図１Ｂに示すように、（参照符号１５で象徴的に示した）材料応力が発生し得る。この材料応力は表面孔１７又は表面の窪み１６と形状欠陥をもたらし得る。

代表的な付加製造法は、材料粉末の個々の層を選択的に硬化する粉末床方法である。この場合にも、図２に略示するような材料欠陥が硬化時に発生し得る。図２の横断面図において、金属粉末２１は基板２０上にある。層状の選択的な硬化によって、工作物２２が形成される。この層状の選択的な硬化は例えばレーザー２４による焼結によって生じる（レーザー焼結）。図２のレーザー２４は、工作物２２の層を作成する場所で、金属粉末２１を局所的に溶融する働きをする。金属粉末２１は続いて凝固する。他の変形例では、結合剤が使用される。その際、孔２３又は図１Ａと図１Ｂを参照して既に説明した他の材料欠陥が形成され得る。

特に、安全性が重要視される用途の場合、例えば工作物の廃棄のような手段を場合によっては講じることができるようにするために、工作物のこのような材料欠陥を認識できるようにすることが重要である。

欧州特許第２２７７６８７Ｂ１号明細書と欧州特許第１４８６３１７Ｂ１号明細書から、レーザー焼結部材のための生産パラメータを決定するための方法が知られている。

この方法の場合には、付加製造がシミュレーションされ、そして例えば工作物の幾何学的な寸法や機械的な特性のような、製造された部材の物理的な特性が、シミュレーションされた製造プロセスから演算される。演算されたこの特性はそして、実際に製造された部材の特性と比較される。この実際に製造された部材の特性を検出するためには、用いられる分析方法や測定される特性に応じて、実際に製造された部材を部分的に破壊しなければならない。そして、比較に基づいて、生産パラメータを最適化することができる。

この方法は生産パラメータを最適化するために役立つがしかし、進行中の生産のチェックと、特に進行中の部材生産の材料欠陥を、破壊しないで検出することは不可能である。

特開第２０１７−０９４７２８Ａ１号公報から、超音波に基づく、プロセスチェックのための方法が知られている。このプロセスチェックは例えば図２の粉末床２１のような粉末床の音波放出を利用する。米国特許出願公開第２０１７／０１４４２５０Ａ１号明細書には、「リコーター」と呼ばれる、金属粉末からなる層を被覆するための装置の音波放出が記載されている。米国特許出願公開第２０１７／０１４６４８９Ａ１号明細書から、粉末床方法に基づく付加製造設備における、レーザーに基づく超音波検査の使用が知られている。

レーザーに基づく超音波検査は、レーザーを用いて、試料、例えば付加製造方法で製造された工作物内に、超音波を非接触で発生し、且つ非接触で検出する方法である。方法は自体は、例えば章「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ」 ｖｏｎ Ｊｅａｎ−Ｐｉｅｒｒｅ Ｍｏｎｃｈａｌｉｎ ｉｍ Ｂｕｃｈ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ、ｅｄｉｔｅｄ ｂｙ Ｏ．Ｌｅｒｏｙ ａｎｄ Ｍ．Ａ．Ｂｒｅａｚｅａｌｅ、Ｐｌｅｎｕｍ Ｐｒｅｓｓ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、１９９１に記載されている。レーザービームは試料の材料内に音波を発生する。この音波は音速で材料内に広がる。変調されたレーザービームによる熱弾性波の励起の原理は、例えばＷａｎｇ，Ｘ．；Ｘｕ，Ｘ．：「Ｔｈｅｒｍｏｅｌａｓｔｉｃ ｗａｖｅ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｐｕｌｓｅｄ ｌａｓｅｒ ｈｅａｔｉｎｇ」 Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ａ７３，２００１，１０７〜１１４頁に記載されている。

試料内部の不均質性は音波を散乱する。それによって、音波の一部が再び物体表面に案内されて戻される。音波の一部は物体表面で、物体表面の一時的で局所的な高さ方向のずれ、横方向のずれ又はその両方をもたらす。この運動は第２光学系、例えばトポグラフィ測定及びレーザー振動計によって検出可能である。このレーザー振動計はドップラー効果によって生じる、移動した表面で反射する光の周波数ずれを利用する。表面で超音波を検出するためのいろいろな方法が例えばＲ．Ｊ．Ｄｅｗｈｕｒｓｔｄａｇ ａｎｄ Ｑ．Ｓｈａｎｄｄａｇ，「Ｏｐｔｉｃａｌ ｒｅｍｏｔｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ」，Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏlｏｇｙ，Ｖｏｌ．１０，Ｎｒ．１１に記載されている。

しかし、このような超音波方法は、特に図２に示すような粉末床内の付加製造される工作物に簡単に転用することはできない。破壊しないで材料を検査るためのこのような方法の普通の用途では、検査すべき物体は十分に均質であり、欠陥をわずかしか有していない。それと異なり、図２の粉末床２１は、音波が強く散乱させられる、工作物２２の非常に不均質な周辺地域である。散乱断面にとって重要なインピーダンスピークは金属粉末では非常に大きい。なぜなら、音速が空中では約３３０ｍ／ｓであり、鋼内では例えば６０００ｍ／ｓであるからである。これは２０のインピーダンス比に相当する。さらに、金属粉末の粒子が自由である（互いに結合されていない）ので、均質な結晶材料内のような結晶格子振動のほかに、金属粉末の金属体の巨視的な運動が可能である。粉末内での音波の広がりは例えばＸｉａｏ Ｐｉｎｇ Ｊｉａ，Ｊ．Ｌａｕｒｅｎｔ，Ｙ．Ｋｈｉｄａｓ ｕｎｄ Ｖ．Ｌａｎｇｌｏｉｓ， 「Ｓｏｕｎｄ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｉｎ ｄｅｎｓｅ ｇｒａｎｕｌａｒ ｍｅｄｉｕｍ」， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ Ｖｏｌ．５４ Ｎｒ．２３，Ｓ．４３２７〜４３３６，２００９又はＯ．Ｍｏｕｒａｉｌｌｅ ａｎｄ Ｓ．Ｌｕｄｉｎｇ： 「Ｓｏｕｎｄ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｉｎ ｄｅｎｓｅ，ｆｒｉｃｔｉｏｎａｌ ｇｒａｎｕｌａｒ ｍａｔｅｒｉａｌｓ」 ｉｎ Ｐｏｗｄｅｒｓ ａｎｄ Ｇｒａｉｎｓ ２００５，Ｅｄｉｔｏｒｓ Ｒ．Ｇａｒｃｉａ−Ｒｏｊｏ，Ｈ．Ｊ．Ｈｅｒｍａｎｎ ｕｎｄ Ｓ．ＭｃＮａｍａｒａ，Ｓ．３１９，Ｌｅｉｄｅｎ，２００５，Ａ．Ａ．Ｂａｌｋｅｒｍａ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓに記載されている。

その際、音波の広がりにとって重要なスケーリングパラメータは金属粉末の粒の大きさである。粒の大きさよりもはるかに大きな波長を粉末内に有する音波は、粉末内で均質な材料内と近似するように広がり一方、粒の大きさよりも小さな波長を有する音波は粒によって強く散乱させられる。

粉末内の強い散乱は、強い基礎によって、工作物の欠陥に起因する因業の重なりをもたらすことになる。さらに、付加製造によって作成された構造組織がしばしばフィリグラン（ｆｉｌｉｇｒａｎ）で複雑になる、すなわち構造組織がその容積と比べて、同様に音波を強く散乱させる、複雑に形成された大きな表面を有することになる。

従って、このような方法によって検出された音響散乱信号は複雑であり、そして粉末床からの大きな部分と、材料の表面からの中くらいの部分と、材料欠陥による比較的に小さな部分とからなっている。従って、このような信号に基づいて、従来の近似的なやり方で、材料欠陥を正しく検出することは困難である。さらに、分析の際、付加製造時に発生し得る欠陥の一部が積み重なること、すなわち一列の層が製造された後で初めて分析が効果を発揮することに留意すべきである。例えば、最も上の層の応力によって、その下の層が剥離するか又はその中に亀裂を形成する。形成される孔が重要であるかどうかは、どれ位多くの孔が付近に存在するかに依存する。さらに、材料内の応力はしばしば複数の層の後で初めて生じる。

破壊しないで工作物を検査するための公知の他の方法は、電子式スペックル−干渉計測（ＥＳＰＩ）である。独国特許第１０２０１４２０２０２０Ｂ４号明細書は、レーザー焼結時に粉末床内に発生する溶融浴から表面の下にある材料欠陥又は材料ひずみを逆推理せずに、この溶融浴の周りの範囲内の表面ひずみを検出するための電子式スペックル−干渉計測の使用を開示している。ＥＳＰＩは上述のように、歪みと表面に存在する孔形成部又は封入物を検出するための表面分析に限定される。

米国特許第６０４３８７０Ｂ号明細書は、熱刺激によって材料異常及び層分離を識別するために、工業用途のためのコンパクトな光ファイバを備えたＥＳＰＩ機器を開示している。材料特有の特性及び問題、例えば粉末床からの信号による問題は考慮されない。米国特許出願公開第６０４３８７０Ａ号明細書は、一般的に工業材料分析で使用するためのＥＳＰＩシステムを開示している。この場合、熱刺激が行われる。学問的な刊行物、例えばＨ．Ｇｅｒｈａｒｄ，Ｇ．Ｂｕｓｓｅ，ＷＣＵ２００３，Ｐａｒｉｓ，７．〜１０．９月、２００３は、ポリマーとセラミック工作物の分析時の音響刺激と熱刺激を用いたＥＳＰＩの変形を開示している。この刺激方法の検査はこの学問刊行物では合成樹脂に焦点を合わせられている。

さらに、熱データから工作物の３Ｄ再構成を可能にする方法が、文献、例えばＦｅｒｎａｎｄｏ Ｌｏｐｅｚ Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ，Ｖｉｃｅｎｔｅ ｄｅ Ｐａｕｌｏ Ｎｉｃｏｌａｕ，Ｉｎｖｅｒｓｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ ＩＲ ｉｍａｇｅ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ
ｔｈｅｒｍａｌ ｎｏｎ−ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．３３，２０１２，１０９〜１１８頁，ＩＳＳＮ １３５９−４３１１に開示されている。

そこで、本出願の課題は、付加方法によって製造された工作物の検査を製造中に可能にする方法と装置を提供することである。この場合特に、付加製造の特性、特に例えば粉末床に起因する高い基礎信号を考慮することができる。

そのために、請求項１又は１６に記載の方法と、請求項１３又は１８に記載の装置が提供される。従属請求項は他の実施形を定める。

本発明の第１態様では、工作物を付加製造するための方法が提供され、この方法は、
工作物の製造データの準備と、
工作物の製造のシミュレーションと、
シミュレーションされた製造に基づく、製造中の検査結果のシミュレーションと、
工作物への次の層グループの付加と、
測定された検査結果を得るための層グループの検査と、
シミュレーションされた検査結果と測定された検査結果に基づく検査の評価と、
評価が受け入れ可能な製造を示す場合の、付加、検査及び評価の繰り返しと、
評価が受け入れられない製造を示す場合に、手段を講じること
を含んでいる。

検査結果のシミュレーションと、製造すべき工作物の実際の検査、すなわち測定とのこのような組合せによって、複雑な状況でも、材料欠陥に基づく偏差を検出することができる。好ましくは、提供された製造データを用いて及び付加製造のためのモデルを用いて、工作物の製造がシミュレーションされる。付加製造のためのモデルが、重ねて配置され互いに連結された材料層を製造するためのモデルを含んでいるときわめて有利である。この場合、個々の材料層は例えば粉末床内に配置された粉末粒子の溶融及び／又は接着によって製造することできる。付加製造のためのモデルは例えば温度分布を作成することができる。この温度分布は、周囲温度に依存して及びレーザー光源のレーザー照射ような適切な局所的なエネルギ照射に依存して、粉末床内で生じる。モデルはさらに、好ましい実施の形態では、個々の材料層の形状及び位置、選択された材料層及び／又はその結合部の例えば長さ又は厚さのような寸法を表す。シミュレーションのステップは好ましくは、製造すべき工作物を表現する。この表現は、例えば粒子大きさ、粒子均質性、周囲温度、加工温度、工作物の送り速度のような、シミュレーションのために選択された製造パラメータに依存して変化する。

検査結果のシミュレーションは好ましくは、上記の表現を特徴づけるパラメータの計算による決定を含んでいる。検査結果は次の１つ又は複数のパラメータを含むことができる。１つ又は複数の表面の凹凸、１つ又は複数の表面の起伏、１つ又は複数の表面の形状、選択された工作物範囲の間隔、直径、外周のような寸法、選択された測定点の温度又は温度分布及び孔、亀裂、材料封入物等の存在及び場合によっては寸法。換言すると、シミュレーションされた測定は、シミュレーションされて製造される工作物の個々の特性を決定するために、シミュレーションされて製造される工作物で計算によって行われる。理解されるように、この個々の特性は、シミュレーションのために選択された製造パラメータに依存して変化する。他方では、シミュレーションされて製造される工作物の個々の特性は、実際に製造される工作物のための参照工作物を表現する。

次の層グループの付加は、付加製造方法の使用の下で、新しい工作物層が既に存在する工作物層上に「実際に」被覆されることを含んでいる。これは、有利な実施の形態では上述のように、既に存在する工作物層上に配置される粉末粒子の溶融及び／又は接着によって行われる。

検査のステップは個々のパラメータの決定を含んでいる。このパラメータは下にある工作物層と共に新しい工作物層を特徴づける。個々のパラメータは次の１つ又は複数のパラメータを含むことができる。１つ又は複数の表面の凹凸、１つ又は複数の表面の起伏、１つ又は複数の表面の形状、選択された工作物範囲の間隔、直径、外周のような寸法、選択された測定点の温度又は温度分布及び場合によっては孔、亀裂、材料封入物等の寸法。測定は、下にある工作物層と共に新しい工作物層の、エネルギ源による励起と、工作物でのエネルギ放射線の反射、透過又は散乱の測定を含むことができる。エネルギはレントゲン放射線、ＵＶ放射線、ＩＲ放射線、可視光線及び／又は超音波を含む音波によって、工作物層に供給することできる。

評価は、機械学習を用いて練習を行うシステムの使用の下での評価を含むことができる。その際、練習例を用いて学習を行うことができ、これは評価を容易にする。

評価は、シミュレーションされた検査結果と測定された検査結果の比較を含むことができる。例えば粉末床の部分を計算して求めることができる。特に、評価のステップは、上記の表現の個々のパラメータと、その都度下にある工作物層と共に新しい工作物層のその都度対応する個々のパラメータとの比較を含んでいる。これに応じて、新しい方法は若干の実施の形態では、シミュレーションによって決定されたパラメータと、測定によって決定されたパラメータの層毎の比較を含んでいる。付加製造によって製造された工作物は好ましくは、個々の工作物層の製作の間で、シミュレーションによって決定された予想工作物構造体と比較される。シミュレーションによって決定されたパラメータは、モデルのような理想的な条件の下で発生する工作物層を表す。検査のステップで決定された個々のパラメータは、実際の製造結果を表す。それぞれのパラメータを比較することにより、理想的な製造プロセスからの製造プロセスの偏差を、効率的に知ることができる。

手段を講じることは、層グループの次の付加のためのプロセスパラメータの変更を含むことができる。これは、製造すべき次の工作物のための付加であってもよいし、同じ工作物のための付加であってもよい。プロセスを改善するために、評価を利用することができる。

手段を講じることは、例えば評価によって、工作物が材料欠陥のために品質要求を満たさないことが判明したときは、工作物の廃棄を含むことができる。

層グループは１つの層、複数の層又は層の一部を含むことができる。要求に応じて、検査と評価はいろいろな頻度で実施することができる。

評価は、部材特性についての測定された検査結果とシミュレーションされた検査結果の間の違いの設定された相関関係の使用を含むことができる。すなわち、例えば校正測定から、このような相関関係を決定し、評価に適用することができる。

検査はレーザー超音波方法の実施を含むことができる。粉末床方法の場合、ｆ_ｍａｘ＝ｖ_Ｍ／（ｄ_Ｍ＋ｓ_Ｍ）以下のパルス周波数を有するレーザービームを使用すると有利である。この場合、ｖ_Ｍは均質な粉末材料内の音速、ｄ_Ｍは粉末の平均粒子直径、そしてｓ_Ｍは粒子の大きさ分布の簡単な標準偏差である。

検査は電子的なレーザー−スペックル−干渉計測の実施を含むことができる。

検査は、赤外線−サーモグラフィ又はレントゲン検査、例えばレントゲン−スキャトロメトリの実施を含むことができる。

シミュレーションの使用によって、この方法から複雑な測定データを評価することができる。

第２態様では、工作物を付加製造するための装置が提供され、この装置は、
工作物の付加製造をシミュレーションするため及び製造中に検査結果をシミュレーションするためのシミュレーション装置と、
工作物を付加製造するための製造装置と、
測定された検査結果を得るために、付加製造中に工作物を検査するための検査装置とを含み、
検査装置は、次の層グループを付加した後でその都度工作物を検査するように形成され、シミュレーション装置は、シミュレーションされた検査結果と測定された検査結果に基づいて評価を実施しかつ評価が工作物の受け入れられない製造を示すときに手段を講じるように形成されている。

検査装置は特にレーザー超音波検査装置、電子式レーザー−スペックル−干渉検査装置、赤外線−サーモグラフィ検査装置及び／又はレントゲン−検査装置を含むことができる。

装置、特にシミュレーション装置は、上記の方法の１つを実施するように形成可能である。

第３の態様では、工作物の付加製造のための方法が提供され、この方法は、
付加製造方法による工作物の製造と、
赤外線−サーモグラフィと電子式レーザー−スペックル−干渉の組合せによる、製造中の工作物の分析とを含んでいる。

赤外線−サーモグラフィと電子式レーザー−スペックル−干渉の組合せによって、正確な分析が圧政可能である。

分析は機械学習を用いた評価を含むことができる。

第４の態様では、工作物を製造するための装置が提供され、この装置は、
工作物を付加製造するための製造装置と、
製造中に工作物を分析するための分析装置とを含み、この分析装置は電子式レーザー−スペックル−干渉のための装置と、赤外線−サーモグラフィのための装置を含んでいる。

次に、いろいろな実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。

付加製造時の材料欠陥の例を示す。 付加製造時の材料欠陥の例を示す。 粉末床式付加製造方法の場合の材料欠陥の例を示す。 実施の形態に係る方法を具体的に説明するためのフローチャートである。 多数の実施の形態でのシミュレーションの使用を具体的に説明するための図である。 実施の形態に係る、レーザー超音波に基づく工作物検査を実施するための装置を示す図である。 実施の形態に係る方法のフローチャートである。 実施の形態に係る工作物検査装置を示す図である。 他の実施の形態に係る工作物検査装置を示す図である。

次に、いろいろな実施の形態を詳細に説明する。この実施の形態は具体的に示すためにのみ役立つものであり、限定的なものとして解釈すべきではない。説明する多数の実施の形態は多数の特徴又は構成要素を有する。実施のためにこの特徴又は構成要素がすべて必要であると解釈すべきではない。他の実施の形態はより少ない構成要素又は特徴或いは代替的な特徴又は構成要素を有することができる。明確に図示及び説明した特徴又は構成要素に加えて、他の特徴又は構成要素、特に工作物を付加製造又は分析するための従来のシステムの特徴又は構成要素を用いることができる。

異なる実施の形態の特徴は、特別記載しないかぎり、互いに組合せ可能である。１つの実施の形態のために説明する変形及び変更は、他の実施の形態にも適用可能である。

図３は実施の形態に係る工作物を付加製造するための方法のフローチャートである。このような付加製造は以下において３Ｄ印刷又は短縮して印刷とも呼ぶ。その際、製造するための方法として、例えばレーザー焼結のような粉末床をベースとする方法或いは粉末、特に金属粉末を結合剤によって層状に凝固させる方法が使用可能である。しかし、この実施の形態と次の実施の形態は、粉末床をベースとする方法以外の製造方法にも適用可能である。

方法の場合、ステップ３０では、工作物のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ、英語でｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｉｄｅｄ ｄｅｓｉｇｎ）が供される。そして、ステップ３１では印刷被覆が準備される。これは、ステップ３０のコンピュータ支援設計を、所定の３Ｄ印刷装置、例えば図２を参照して冒頭で説明したような粉末床をベースとする装置のための指示に変換することによって行われる。

ステップ３２では、印刷被覆がシミュレーションされる。すなわち、工作物の製造が取り囲む粉末床を含めて層毎にシミュレーションされる。そしてステップ３３では、製作のその都度の状態についての検査結果、すなわち被覆された層のその都度の数の後の検査結果がシミュレーションされる。すなわち、工作物を検査するために用いられる測定方法の測定結果がシミュレーションされる。このような測定方法は後述するように、例えば超音波に基づく方法、サーモグラフィック方法、レントゲン−スキャトロメトリ及び／又は電子式レーザー−スペックル−干渉のような干渉方法を含むことができる。

すなわち、ステップ３２、３３は欠陥のない工作物の製作のシミュレーションであり、ステップ３３で得られた検査結果は、欠陥のない工作物についてのシミュレーションされた検査結果に相当する。

ステップ３４では、本来の付加製造プロセスが次に来る層の印刷によって始まる（第１層のステップ３４の最初の進行の際）。そしてステップ３５では、ステップ３４で印刷された層が、ステップ３３でシミュレーションを行った方法と同じ測定方法で検査される。ステップ３６では、ステップ３５の検査結果がステップ３３のシミュレーションされた検査結果と比較される。ここで、欠陥のない印刷のシミュレーションと実際の検査の双方を行い、結果を比較することにより、例えば冒頭で説明したような粉末床によって同じように生じる基礎の作用と、材料欠陥に起因する信号成分を容易に識別することができる。すなわち、多量の情報量の場合にも、付加製造のプロセスから生じる外乱を、検査測定からろ波することができる。

その際、ステップ３６の比較はそれぞれの信号の簡単な引き算を含んでいてもよい。しかし、分析システムが先ず最初に練習を行い、そして存在する欠陥に関する次の情報を得るために、比較を行うと有利である。そのために特に、例えば人工的な神経ネットワークの練習のために、機械学習の方法を用いることができる。機械学習の方法はウィキペディア項目「機械学習、２７．０９．２０１７の状況」に記載されている。学習プロセスでは、完成した工作物が他の測定方法で分析される。この測定方法は破壊方法であってもよい。いろいろな材料欠陥を識別するために、例えば製造された工作物の断面を、電子顕微鏡を含む顕微鏡で検査することができる。この識別の特徴は、ステップ３５で得られ実際の測定の結果及びステップ３３でシミュレーションされた検査結果と共に、機械学習のための練習例として使用される。実際の製造中に、練習をするシステムはステップ３６において、ステップ３５の検査結果と、ステップ３３のシミュレーションした検査結果に基づいて、存在する材料欠陥についてより正確に言い表すことができる。機械学習のために、例えば強化学習（Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ Ｌｅａｒｎｉｎｇ）の方法又は他の学習方法を用いることができる。他の実施の形態では、付加的に又は代替的に、ステップ３５の結果とステップ３３のシミュレーション結果の間で、相関分析を行うことができる。

ステップ３６の比較において、容認できない欠陥、例えば数の多すぎる材料欠陥又は大きすぎる材料欠陥が存在すると（ステップ３６で良くない；容認できない製造）、ステップ３７において適切な手段を講じることができる。このような手段は例えば製造された工作物の廃棄であってもよいがしかし、付加的に又は代替的に、次の層でより小さな材料欠陥を発生するために、プロセスパラメータの適合を含むことができる。プロセス中にステップ３９でプロセスパラメータを適合させることにより、欠陥を１つの層に限定できることで、部材を場合によっては「救助」することができる。これは、工作物の要件に応じて、まだ容認できる工作物になり得る。製造方法に応じて、多すぎる材料欠陥が発生している層の処理を繰り返すこともできる。そのために、欠陥のある層が除去され、修正したプロセスパラメータで層が新たに被覆される。すなわち、製造プロセス中の修正及び／又は次の製造プロセスについて修正が可能である。修正時にこのように近づけるやり方は自然治癒的とも称される。というのは、外乱の原因が必ずしも除去されず、作用（例えば材料欠陥）が認識され、反作用、例えばプロセスパラメータの変更によって相殺されるからである。修正のために、シミュレーションの際に決定された他の数値的な相関分析を行うことができる。その際特に、測定された機械パラメータと他のセンサの情報を、例えば環境の諸条件を監視するために考慮することができる。これは、例えば測定結果とセンサ情報の間の相関を実施することによって行われる。さらに、本来の付加製造プロセスの前に、例えば修正の作用をシミュレーションすることができる。このシミュレーションは、最適な修正プロセスを決めるために、最適化アルゴリズムの一部であってもよい。

ステップ３６での比較のために、予め定めた「変換表」を用いることができる。この変換表はその前の校正（工作物の分析、例えば破壊の影響を受けた分析）に基づいて、シミュレーションと工作物の実際の検査及び構造特性の間の違いの相関性を記載している。

これに対して、３６での比較の結果、層が品質必要条件の点で正常である（例えば十分に少ない材料欠陥が存在する；容認できる製造）ときには、次の層を印刷するためにステップ３４に戻されるかるいは他の層を印刷しないとき、すなわち印刷を終了するときは、ステップ３８において必要になるかもしれない工作物の後加工（例えば付着粉末の洗浄、研磨等）を行うことができる。ステップ３９では、製造された工作物の最終チェックを行うことができる。

すなわち、図３の方法によって、印刷された層を監視し、シミュレーションに基づいて複雑な測定シグネチャを検査時に分析することができる。

他の実施の形態では、検査と、検査結果とシミュレーションされた検査結果の比較は、各層の後ではなく、複数の層の間隔で（例えば２つの層毎に、３つの層毎に等）又は層の一部に行うことができる。さらに、シミュレーションは図３に示すように印刷前に行わないで、印刷と同時に行うことができ、それによってステップ３４では例えば各層の印刷の前又は後で、それぞれの層の印刷がシミュレーションされ、対応する検査結果がシミュレーションされる。従って、図３に示した順序は具体例を説明するために役立ち、限定的なものとして解釈すべきではない。

図３に示すような製造プロセスの監視に加えて、成長プロセスと測定のシミュレーションを他の目的のために使用することができる。これは図４に概略的に示してある。

図４のステップ３２と３３のシミュレーションを含むことができる製造プロセスのシミュレーションから出発して、他のいろいろな過程を制御、文書化又は実施することできる。その際、４０のシミュレーションには、付加製造のために使用される装置と粉末床の校正データが、印刷のために処理された既述のＣＡＤデータと同様に入力可能である。

４１では、プロセス制御が図３を参照して説明したように行われる。すなわち、プロセス中の検査結果がシミュレーションと比較され、相応する出力が行われる。さらに４２では、図３のステップ３８の後加工のための指示がシミュレーションに基づいて与えられる。４３では、シミュレーションに基づいて、例えば製造された部材のＣＡＤデータの形の文書化を、場合によっては後加工を考慮して、行うことができる。最後に４４では、既に説明したように及びそれ自体知られているように、印刷パラメータを最適化することができる。

図３の方法で用いることができる検査方法の一例は、レーザー−超音波測定である。このような測定について図５を参照して説明する。図５の装置は工作物５７を層毎に検査するために役立つ。この工作物は付加方法、例えば粉末床方法によって製造可能である。付加方法として、付加製造のための慣用の技術を使用することができる。この製造は図５において、図２を参照して説明したレーザー焼結のためのレーザー２４によって示唆されている。製造と検査は制御装置５９、特にコンピュータ又は他の適切な制御装置によって監視される。制御装置５９は図５の実施の形態ではシミュレーション（図３のステップ３２と３３）を実施し、検査結果をシミュレーションされた検査結果（図３のステップ３６）と比較する。しかし、制御とシミュレーションのために別々の装置、例えば別々のコンピュータを用いることができる。

図５の実施の形態の場合、１つ又は複数の層或いはその一部を検査するために、短パルスレーザー５０を用いてパルス化されたレーザービーム５１が工作物５７の表面に照射される。このレーザービームは１０００兆分の１秒の範囲乃至１兆分の１秒の範囲でパルス化される。その際、レーザービーム５１は（図示せず）適当な光学系によって工作物上に集束され、そして走査ユニット（同様に図示せず）によって工作物５７の表面を走査する。レーザービーム５１は音波を発生する。この音波は矢印５８によって示すように材料欠陥で反射させられ、工作物の表面の変化（特に変形）を生じる。この変化は検出システム、例えばホモダイン干渉計又はヘテロダイン干渉計によって検出される。これは試料に当たる検出ビーム５４によって概略的に示してある。前方へ反射したビーム５２は検出器５３によって検出される。その代わりに又はそれに追加して、ビームスプリッタ５６を介して放出された後方へ反射したビームは、検出器４５を介して検出される。レーザー−超音波装置で使用される従来のすべての検出機構をここで使用することができる。これについては、冒頭で引用した、レーザー−超音波に関する文書を参照されたし。

テフロンで例えば１４００ｍ／ｓ、チタンで６１００ｍ／ｓである標準的な音速の場合、０．５ｍｍの最大描写可能な構造体深さに関して、０．２〜１μｓのパルス立ち上がり時間Δｔ＝２ｄ／ｃ_{ｓｏｕｎｄ}が生じる。この場合、ｄは構造体深さ、ｃ_{ｓｏｕｎｄ}は音速である。これは、メガヘルツ範囲で作動する走査システムによって、標準的な面積にわたって１０００・１０００ピクセルが描写可能であることを意味する。走査範囲が関与するより小さな範囲に制限されるときには、全体面積は大きくてもよい。１μｍの深度分解能にとって、ギガヘルツ範囲の検出器の時間分解能が必要である。これは今日使用されるレーザー−ドップラー−振動計によって可能である。

検出された（検出器５３及び／又は５５によって検出された）測定結果は、上述のように層毎に、対応するシミュレーションと比較されて評価される。これを、図６の粉末床製造の場合についてもう一度説明する。図６は粉末床製造への図３の方法の適用と、レーザー−超音波の使用を示している。

ステップ６０では、金属粉末の新しい層が被覆、特に凝固される。そして、レーザー−超音波測定が行われ、測定結果がステップ６１において、粉末床内の工作物の理想的な（欠陥のない）状態での測定プロセスの数値的なシミュレーションが実施される。これから、例えばシミュレーションに基づいて粉末床に起因する基礎を計算することにより、浄化された測定データセットが得られる。ステップ６３では、評価に基づいて、手段を講じるべきであるかどうかが決定される。手段が必要でないときは、ステップ６０において方法が次の層で継続される。手段を講じるべきである場合には、これはステップ６４で行われる。その際、図３のステップ３７を参照して既に説明した手段を講じることができる。

測定のために、（短パルスレーザーによって発生する）音波長が使用されると有利である。粉末を製造する材料の波長は、平均の粉末粒直径よりもはるかに大きい。それによって、特に粒直径よりも大きな欠陥を検出することができ、工作物の幾何学的な寸法も検出することができる。均質な材料の音速ｖ_Ｍと、ｄ_Ｍの平均粒子直径（粉末粒直径）によって表される粒子大きさ分布と、ｓ_Ｍの粉末粒の大きさ分布の簡単な標準偏差とを有する材料Ｍからなる粉末のために、最大周波数ｆ_ｍａｘ＜ｖ_Ｍ／（ｄ_Ｍ＋ｓ_Ｍ）を有する短パルスレーザーが使用されると有利である。これは例えば２０μｍの粒の大きさと５μｍの標準偏差を有するチタン粉末にとって、６１００ｍ／ｓの音速であるので２４４ＭＨｚの最大周波数を意味する。

その際、記載したすべての数値は具体的に説明するためにのみ記載しており、特に使用される材料と測定方法に応じて変更可能である。

図３のステップ３５で使用可能な粉末方法のための他の例は、電子式スペックル−干渉（ＥＳＰＩ）と赤外線サーモグラフィの組合せである。ＥＳＰＩは、検査すべき工作物の表面トポグラフィを検出することができる。赤外線サーモグラフィを用いて組み合わせて励起することにより、孔、亀裂、空洞、層分離（層剥離）及び表面の下にある工作物の他の欠陥を分析することができる。それによって、両粉末方法の組合せは、製造中の層の迅速な平面的分析を可能にする。ＥＳＰＩによって特に、レーザー焼結の使用時の溶融浴のトポグラフィが特徴づけられ一方、赤外線−サーモグラフィによって現在印刷されている層又は層のグループの欠陥が分析される。分析は図３の方法の使用時に、シミュレーションとの照合によって行われる。この場合特に、説明したように、分析を可能にするために、機械学習方法を用いることができる。層の一部だけが印刷された後に検査することもできる。ＥＳ−ＰＩは、印刷プロセス中にＥＳＰＩによって、粉末床の変化を平行して監視することができるという利点を有する。

図７は、付加製造法によって製造された工作物７８の赤外線−サーモグラフィと組合せられたＥＳＰＩを実施するための装置を具体的に示している。工作物７８は、図２を参照して説明したように及び図５に示唆したように、例えばレーザー焼結のような粉末床方法によって製造することができる。

従来の他の付加製造方法も使用可能である。従って、図７には、付加製造自体のために使用される構成要素ははっきりと示していない。

ＥＳＰＩのために、図７の装置はＥＳＰＩカメラ７１を備えている。このＥＳＰＩカメラはレーザー７５を含んでいる。レーザー７５によって発生したレーザービームの一部は光学系７６を経て広げられ、工作物７８の表面に案内される。

表面、特に表面の凸凹から散乱した光は、絞り７４によって制限可能な結像光学系７３を経て、画像センサ７２に達する。画像センサ７２は例えばＣＣＤセンサ又はＣＭＯＳセンサである。

さらに、レーザー７５によって発生したレーザー光の一部が基準として画像センサ１７に案内され、そこで工作物７８の表面から散乱した光と干渉する。画像センサ７２は発生する干渉パターンを撮影し、プロセスユニット７０に供給する。このプロセスユニットは撮影された干渉画像を分析する。特に、シミュレーションと比較して、場合によってはその前の機械学習に基づいて分析する。

特に、干渉によって、特徴的なスペックルパターンが発生する。このスペックルパターンは工作物７８の表面の操作による変形、粒子、欠陥等によって元の形状から逸脱する。工作物の制御操作の間、工作物７８とＥＳＰＩカメラ７１の相対位置を変更しないで、連続する画像が撮影される。その際、操作は特に、次に説明するような平行なＩＲサーモグラフィによって行うことができる。この操作は物体の小さな変形をもたらし、その際撮影された干渉パターン上でスペックル点を移動させることができる。プロセッサユニット７０による分析は操作によって引き起こされる変形を分析し、特に工作物７８の表面欠陥を識別することができる。

ＩＲサーモグラフィのために、熱源７９、例えば赤外線ランプによって、熱が工作物７８に照射され、表面における赤外線ビーム分布が赤外線カメラ７１０によって撮影される。赤外線カメラ７１０の画像は同様に上記の方法で、すなわちシミュレーションと比較して、プロセッサユニット７０によって評価される。赤外線サーモグラフィによって、表面近くの欠陥を迅速に検出することができる。矢印７１１によって示唆するように、孔、亀裂、空洞、層分離等によって、工作物７８内で不均一な熱の流れが生じる。これは矢印７１２によって示すように、赤外線ビームの放射を変更することになる。その際、欠陥は製造中にある程度の時間ウインドウ内でのみ見ることができる。所定の時点ｔｍａｘで、最大温度コントラストｄＴｍａｘ＝Ｔ２−Ｔ１が発生する。この場合、Ｔ２とＴ１は温度である。時間ウインドウは観察される表面要素のための冷却時間によって決定される。表面要素の温度を高めることになる供給された熱は、残りの工作物、粉末床、保護ガスの熱伝導によって及び熱放射によって流れ去る。このようにして発生する熱排出は材料特有の特性量である。

この温度差、すなわち熱排出は、赤外線カメラ７１０によって検出されて評価される。検出された熱排出から、材料特有の排出パラメータ（この排出パラメータは孔、封入物、金属酸化物等の間で大きく変化する）が差し引かれる。この差から、欠陥の種類と位置を求めることができる。

励起源７９として、例えばレーザー、発光ダイオード装置、フラッシュ、赤外線放射器が役立つ。多くの実施の形態では、励起源７９がパルス状に作動する（パルスサーモグラフィ）。すなわち、熱が表面にパルス状に加えられ、同時に表面の赤外線画像が測定される。

赤外線サーモグラフィによって、工作物７８は、矢印７７で示すように、例えば深さｄまで、欠陥を確実に検査することができる。図示した他の粉末方法の場合のように、検査は各層で又は各層の後で、複数の層で又は複数の層の後で或いは部分層で行うことができる。

３Ｄ印刷中の粉末方法の他の例は、レントゲン放射線の利用である。慣用のコンピュータ−断層撮影法（ＣＲＴ）では、工作物に完全に貫通放射され、投影と呼ばれる影内に画像が作成され、そして複数の投影の組合せから、ラドン変換のような数学的な方法によって、検査物体の三次元モデルが再現される。この方法は、合成樹脂のような軽い材料のための３Ｄ印刷中の本来の位置でのチェックのために使用可能である。鋼のような密な材料のためには一般的に、レントゲン放射線の浸透可能性は不十分である。ここで、方法は反射で使用可能であり、例えばレントゲン−スキャトロメトリが使用可能である。その一例が図８に示してある。図８には、工作物８０を製造するための要素（例えば図２と図５のレーザー２４）は図示していない。従来の付加製造方法を使用することができる。工作物８０にはレントゲン源８１からレントゲン放射線が照射され、工作物８０で散乱した放射線（例えば弾性的な散乱又はコンプトン散乱によって散乱した放射線）は平面状の検出器８２によって検出される。前の実施の形態の場合のように、さらに測定結果がシミュレーションされ、そしてシミュレーションされた測定結果と実際の測定結果に基づいて、材料欠陥が検出される。

この測定技術の限定的な態様は、部材の大きさと画像分解能からなる必要な補正である。大きな部材のためには、低下する空間分解能をもたらすことになる大きなエネルギのレントゲン放射線が必要である。それに対して、小さな部材は、小さなエネルギのレントゲン放射線によって高い分解能で結像可能である。ここで、大きなエネルギは例えば１００ｅＶ光子エネルギを有するレントゲン放射線である。小さなエネルギは例えば約１０ｅＶ光子エネルギである。

評価のために、測定結果が上記の方法、特にシミュレーションとの比較によって及び／又は機械学習方法によって分析される。これにより特に、付加製造のプロセスから生じた妨害因子をろ波除去するために、この測定方法で発生する大きなデータ量を調整することができる。機械学習のこのような方法は、測定されたデータから直接的な再構成を可能にする他のアルゴリズム方法と組み合わせることができる。複数の評価方法からなるこのような組合せは、改善された分解能及び／又は改善された信号雑音比を生じる。

さらに、サーモグラフィとＥＳＰＩからなる上記の組合せは、評価がより困難であっても、シミュレーションなしに、付加製造された工作物の分析及び評価のために製造中に用いられる。この従来の評価についての詳細は、上述の文献から読み取ることができる。

図示した検査方法は具体的に説明するためにのみ役立ち、限定するものとして解釈すべきではない。

Claims (18)

1. 工作物（１０；２２；５７；７８）の製造データの準備（３０、３１）と、
   前記工作物（１０；２２；５７；７８）の製造のシミュレーション（３２）と、
   シミュレーションされた製造に基づく、製造中の検査結果のシミュレーション（３３）と、
   前記工作物（１０；２２；５７；７８）への次の層グループの付加（３４）と、
   測定された検査結果を得るための層グループの検査（３５）と、
   シミュレーションされた検査結果と測定された検査結果に基づく検査の評価（３６）と、
   前記評価が受け入れ可能な製造を示す場合の、付加、検査及び評価の繰り返しと、
   前記評価が受け入れられない製造を示す場合に、手段を講じること
   を含む、工作物（１０；２２；５７；７８）を付加製造するための方法。
2. 前記評価が、機械学習によって練習を行うシステムを用いた評価を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記評価が、シミュレーションされた検査結果と測定された検査結果の比較を含んでいることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 手段を講じることが、層グループの次の付加のためのプロセスパラメータの変更を含んでいることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 手段を講じることが、工作物の廃棄を含んでいることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記層グループが１つの層、複数の層又は層の一部を含んでいることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記評価が、部材特性に関する測定された検査結果とシミュレーションされた検査結果間の違いの予め定めた相関関係の使用を含んでいることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記検査（３５）がレーザー超音波方法の実施を含んでいることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記付加が粉末床で行われ、レーザー超音波方法の際、ｆ_ｍａｘ＝ｖ_Ｍ（ｄ_Ｍ＋ｓ_Ｍ）よりも小さなパルス周波数を有するレーザービームが使用され、この場合ｖ_Ｍは均質な粉末材料内の音速、ｄ_Ｍは粉末床の粉末の平均粒子直径、そしてｓ_Ｍは粉末の粒子の大きさ分布の簡単な標準偏差であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記検査が電子的なレーザー−スペックル−干渉の実施を含んでいることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記検査が赤外線−サーモグラフィの実施を含んでいることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記検査がレントゲン検査の実施を含んでいることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
13. 工作物（１０；２２；５７；７８）の付加製造をシミュレーションするため及び製造中に検査結果をシミュレーションするためのシミュレーション装置（５９；７０）と、
    工作物を付加製造するための製造装置（２４）と、
    測定された検査結果を得るために、付加製造中に工作物を検査するための検査装置（５０、５３、５５；７１；７９；７１０）とを含み、
    前記検査装置が、次の層グループを付加した後でその都度工作物を検査するように形成され、前記シミュレーション装置が、シミュレーションされた検査結果と測定された検査結果に基づいて評価を実施しかつ評価が工作物の受け入れられない製造を示すときに手段を講じるように形成されている、
    工作物（１０；２２；５７；７８）を付加製造するための装置。
14. 前記検査装置がレーザー超音波検査装置、電子式レーザー−スペックル−干渉検査装置、赤外線−サーモグラフィ検査装置又はレントゲン−検査装置を含んでいることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 装置が請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法を実施するように形成されている、請求項１３又は１４に記載の装置。
16. 付加製造方法による工作物の製造と、
    赤外線−サーモグラフィと電子式レーザー−スペックル−干渉の組合せによる、製造中の工作物の分析と
    を含んでいる、工作物を付加製造するための方法。
17. 前記分析が機械学習を用いた評価を含んでいることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 工作物を付加製造するための製造装置（２４）と、
    製造中に工作物を分析するための分析装置とを含み、この分析装置が電子式レーザー−スペックル−干渉（７１）のための装置と、赤外線−サーモグラフィ（７９；７１０）のための装置を含んでいる、
    工作物を製造するための装置。