JP7009706B2 - 熱及び歪みモデリングを用いて付加製造スキャンパスを生成する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、付加製造に関する。

付加製造の1つの公知の形成は、「DMLM」（直接金属レーザ溶融）として公知である。この製造形態では、部品または物体は、粉末金属から層ごとに形成される。所与の層のための粉末金属は、冷却時に溶融金属が、下の層と接合しながら、現在の層のための物体の形状を形成するように、1つまたは複数のレーザで加熱することによって溶融される。単数または複数のレーザは、必要な加熱を達成するために、粉末金属のフィールドにわたってスキャンするように駆動される。

DMLMのためのいくつかの従来の技術では、物体を形成するプロセス全体にわたって均一な層厚が使用される。また、平行直線、反復パターン、ヘリンボーンパターン及び／または平行曲線スキャンのような決まった幾何学的アルゴリズムを用いてレーザスキャンパスを規定することが典型的である。

本発明者らは、より細かいレーザスキャンパスを生成することによって、改善された製造速度、完成した物体における特定の材料特性、及び／または他の目的を達成する機会を認識した。

いくつかの実施形態では、本方法は、物体のCAD(computer-aided design）表現を取得することを含む。熱及び／または歪モデリングがCAD表現に適用される。スキャンパスデータが、熱及び／または歪みモデリングの結果に少なくとも部分的に基づいて生成される。スキャンパスデータを含むビルドファイルが生成される。ビルドファイルは、スキャンパスデータに従って物体を生成するように付加製造ツールを構成する命令を含む。

より細かいレーザスキャンパスを生成することによって、改善された製造速度、完成した物体における特定の材料特性、及び／または他の目的を達成する。

いくつかの実施形態による付加製造装置のブロック図である。 いくつかの実施形態に従って実行されるプロセスを高レベルで示す図である。 図2のプロセスの例示的な実施形態をより詳細に示す。 図2のプロセスの例示的な実施形態をより詳細に示す。 図５Ｂと共に図2のプロセスの実施形態をさらに詳細に示す流れ図を形成する。 図５Ａと共に図2のプロセスの実施形態をさらに詳細に示す流れ図を形成する。 図1の装置内に設けられた物体ビルドチャンバの態様の概略等角図である。 いくつかの実施形態に従ってビルドされるシミュレートされた物体の層状構成を示す図である。 図5A及び5Bのプロセスにおいてモデリング及び他の目的のために使用される体積セルを示す図である。 図5A及び5Bのプロセスのシミュレーションにおいて、セルごとに決定された目的のインジケータで占められる図8のセルを示す図である。 シミュレートされたセル熱損失特性推定値または関数で占められた図8のセルを示す図である。 シミュレートされたセルごとの推定温度レベルで占められた図8のセルを示す図である。 図5A及び5Bのプロセス中に形成され得る溶融プールの概略垂直断面図である。 図5A及び図5Bのプロセス中に各セルに対して決定されたシミュレートされたスキャン間隔で占められた図8のセルを示す図である。 図5Bのプロセス中に各セルについて決定されるシミュレートされた歪み方向で占められた図8のセルを示す図である。 類似している、シミュレートされた代替セットの細胞方向歪み方向を示す。 図5A及び図5Bのプロセス中にセルの層に対して決定された、シミュレートされたスキャンパスのセットを示す図である。 図16に類似している、シミュレートされた代替のスキャンパス設定を示す。 いくつかの実施形態による制御コンポーネントのブロック図である。

本発明のいくつかの実施形態は、付加製造に関する。DMLM制御構成要素の層ごとのプログラミングで使用されるセルごとのスキャンパスを生成するために、セルごとの熱及び／または歪みモデリングに関連して、1つまたは複数の目的が考慮される。物体は、DMLM制御コンポーネントのプログラミングに従って、付加製造によってビルドされる。

図1は、いくつかの実施形態による付加製造装置100のブロック図である。付加製造装置100は、付加製造ツール102（物体形成コンポーネントとも呼ばれる）と、付加製造ツール102に動作可能に結合された制御コンポーネント104とを含むことができる。付加製造ツール102は、例えば、ミシガン州ウィクソムのSLM Solutionsから入手可能なモデルSLM250またはSLM280；及びテキサス州グレイプバインのConcept Laser Inc.から入手可能なモデルM2、Mline、Mlab、またはM1（後者は、本願の譲受人であるGeneral Electric Companyの法人関連会社である）などの市販のDMLM機械に類似していてもよい。制御コンポーネント104は、DMLM装置のデジタル制御を提供するために典型的に使用されるような、プログラムメモリなどの典型的なデジタルプロセッサハードウェア及び関連装置（図18に関連して以下で説明する）を含むことができる。

図2は、いくつかの実施形態に従って実行されるプロセスを高レベルで示す図である。簡単に言えば、ビルドされる物体のCADモデル202が入力として提供される。スキャンパスジェネレータ204（例えば、一連の相互に関連するソフトウェアモジュール）は、この入力に対して動作する。スキャンパスジェネレータ204は、他の固有の特徴で、物体を形成するためにDMLMで使用される材料の特性の効果を具体化することができる。スキャンパスジェネレータ204の出力は、206で示されるスキャンパスのデータセットであってもよい。スキャンパスデータセットは、格納されたデータファイルの形態であってもよいが、そうである必要はない。

図3は、図2のプロセスの例示的な実施形態をより詳細に示す。図3の特定の実施形態では、スループット（即ち、ビルドスピード）を増加させる目的を果たすために、熱分析及びモデリングが採用される。

図3のブロック302では、スキャンパス生成の対象となる現在の層が、解析及びモデリングの目的でボクセルに分割される。

ブロック303では、付加製造ツール102内のビルドボリュームの少なくとも一部が、分析及びモデリング目的のために仮想ボクセルに分割される。ボクセルへの分割は、（伝統的な下降ベッドツールにおけるように）ビルド面だけがボクセル化される場合、2次元フォーマットであってもよい。あるいは、ボクセルへの分割は、可動光学系またはビルド空間の3次元性質を変化させる他の何らかの構成を有するツール内のボクセル空間のための3次元フォーマットであってもよい。

304において、ボクセルごとの熱モデルが構築される。

306において、再度ボクセルごとに、ビルド中に形成される溶融プールが、熱特性及び層を横切るレーザ加熱の予測される適用に従って推定される。

308では、306での推定値及び他のモデル化されたデータに基づいて、最適な溶融プール寸法を決定するために幾何学的計算が行われる。

310において、308で計算された最適な溶融プールに基づいて、また、レーザ出力、スキャン速度、スポットサイズ、入射角度、及び他の局所化されたビルドパラメータに基づいて、スキャン間隔パラメータが、ボクセルごとに設定される。

次に、312において、ビルド速度を最大にするために制約を適用する。

次に、314において、各ボクセルに対してスキャンパスが生成される。一実施形態では、隣接するボクセル内の経路は、スキャンパスがボクセルからボクセルへ滑らかに接続できるように考慮される。

説明の便宜上、図3のブロック310～314は、シリアルフォーマットで表されている。実際の実施形態では、図3のプロセスは、ブロック310～314に関連するように、材料特性に関連する制約を受けてビルド速度を向上させるなどの目的を達成するために、スキャン間隔及びパラメータの最適化を含むことができることに留意されたい。

図4は、図2のプロセスの代替の例示的な実施形態をより詳細に示す。

図4のブロック402は、図3のブロック302と同様である。

404では、ビルド中に物体内に生じると予測される歪みのボクセルごとのモデルが構築される。

406において、ビルド中にボクセル内でどのような歪みが起こることが望ましいかを決定するために、特定の基準に従って計算が行われる。

408において、406における計算に基づいて、各ボクセルに対してスキャン方向が設定される。

410では、ブロック312と同様に、408の結果に基づいて、ビルド速度を最大にするために制約が適用される。

412では、314と同様に、各ボクセルについてスキャンパスが生成される。

いくつかの実施形態では、図3及び図4のプロセスを組み合わせることができ、ブロック404、406及び408の処理は、ブロック304、306、308及び310の処理と並行して実行される。組み合わされたプロセスでは、最大ビルド速度（ブロック312または410）は、ブロック310及び408でのプロセスの出力に基づいて生成され、スキャンパスは、ブロック310及び408でのプロセスの出力に応答して同様に生成される。生成されるスキャンパスは、図4の406及び408で決定されるような歪み値及び方向を反映することができる。熱分析は、レーザスキャンのための電力、速度及び間隔を生成することができる。歪み解析はレーザスキャンの方向を生成してもよい。

図5A及び図5Bは、図2のプロセスの実施形態をさらに詳細に示す流れ図である。

プロセスの開始ブロック501（図5A）では、溶融プール特性モデル／テーブルが生成され、ビルドされる対象の各セルについて各々の熱損失特性（及び関連特性）を推定する。この文脈では、「セル」は、「ボクセル」の代替用語と考えることができる。いくつかの実施態様において、例えば、各セルは、1mm×1mm×1mmの寸法を有する長方形プリズムであってもよい。理解されるように、ビルド層の厚さは変化してもよく、本開示の教示に従って決定されてもよい。

溶融プールテーブルは、概念的なセルについて仮定された熱損失特性の第1の列を有する。ビルドされる物体をモデル化するための「熱損失特性」という用語は、ビルド動作中に、熱が問題の物体／ボクセルから離れるように流れるまたは放射される速度を指す。次の3つの列は、各々、概念的なセルに関連する溶融プールの長さ、幅、及び深さに対応する。これらの3つの値の各々は、適用可能なレーザパラメータのパワー、速度及び焦点の関数であり、また、歪み、粒子配向、熱対物レンズ、速度対物レンズのような制約の関数である。テーブルは、物体がビルドされる材料（固化した形態）を用いて、日常的な実験によって記入されてもよい。第1の列の値は、ある範囲の値にわたって変化してもよく、概念的なセルで生成される溶融プールの変化を可能にするために繰り返されてもよい。

熱損失特性モデルを構築する際の第一段階として、図5Aのブロック502において、物体のCAD表現が得られ、物体に対するビルド方向（すなわち、層が追加される方向）が垂直（すなわち、Z方向）に向けられるように方向付けられてもよい。

図6は、（特に、付加製造ツール102の重要な態様として）図1の装置に設けられた物体ビルドチャンバの態様の概略等角図である。図6は、図5のプロセスの態様を説明するのに有用である。例えば、矢印602は、前の段落で言及したZ方向（ビルド方向）を示す。また、図6には、ビルドされる物体604の概略図が示されている。物体604は、（周知のように）物体が層ごとにビルドされるビルドチャンバの部分であるビルドプレート606上に載置される。

図5Aのブロック504では、モデル化のためのZ位置がビルドプレート606の上面の位置に設定される。Z高さは、図5A及び図5Bのプロセスのワークフロー中に上方に進む。

ブロック506では、ビルドプレート606の特性／条件がモデルに入力される。これらの特性は、付加製造ツール102の仕様から既知であってもよいし、測定によって決定されてもよい。これらの特性は、物体ビルド動作中のビルドプレート606の温度及びビルドプレート606の熱損失特性を含んでもよい。

ブロック508は、モデリングが実行される各層または隣接する層のグループに関して、後続のブロックが（（例示されたプロセスにおいて、後述される）ブレークポイントまで）連続的に実行されることを示す。

ブロック510において、Z位置は上方にインクリメントされる。

ブロック512において、現在のZ位置における物体の水平輪郭プロファイルが、物体のCAD表現から導出される。これは、現在のZ位置でCAD表現を切断することによって行うことができる。図7は、現在のZ位置における物体のシミュレートされた例示的なプロファイル702を示す。

ブロック514で、プロファイル702を含むように両方の水平方向に延在するセルの均一なグリッドが生成される。図8は、プロファイルから離れたグリッド802を示す。図7は、プロファイル上に重ね合わされた図8のグリッド802を示す。グリッドによって画定されるすべてのセルは、同じ寸法を有する。一実施形態では、各セルは、水平面において1mm正方形である。しかしながら、他のサイズのセルが使用されてもよく、及び／またはセルは正方形である必要はない。

ブロック516は、プロセスステップの次のシーケンス（以下の説明で述べるシーケンスの終わりまで）が、現在の層／Z位置内の各セルに対して連続的に実行されることを示す。

ブロック518において、現在のセルについて、制約特性のセットが、ビルドされる物体のための生産及び／または仕上げられた物体属性の目的に対処するために策定され得る。制約特性は、例えば、スキャン速度、レーザパワー、スポットサイズ、スキャンの方向、熱特性、歪み配向、及び密度の1つ以上を含み得る。前文に列挙されたものに加えて、またはその代わりに、他の制約特性を策定することができる。

図9は、図5A及び図5Bのプロセスのシミュレーションにおいて、且つブロック518の性能に従って、セルごとに決定された目的のインジケータを含むグリッド802のセルを示す図である。図9を参照すると、セル内の文字「S」は、歪み配向がそのセルに対して定義された制約であることを示し、セル内の文字「G」は、粒子配向がそのセルに対して定義された制約であることを示し、セル内の文字「T」は、熱特性がそのセルに対して定義された制約であることを示し、セル内の文字「V」は、スキャン速度がそのセルに対して定義された制約であることを示す。いくつかのセルは、そのために定義された2つ以上の制約を有することができる。例えば、902で示されるセルは、そのセルについて定義される制約として、歪み方向、粒子配向及びスキャン速度を有する。他の実施形態では、他のまたは追加のタイプの制約が、少なくともいくつかのセルに適用され得る。

図5Aのブロック520では、ビルドされる物体の対応する部分の熱損失特性に関して、現在のセルについての推定値が生成される。この推定値は、物体がビルドされる材料（凝固した状態）を用いた日常的な実験の結果に基づいて、推定機能によって策定されてもよい。熱損失特性は、ビルド中の物体内の周囲セルの熱損失特性と印加エネルギー量に依存する可能性がある。推定値は、定数または時間の関数（すなわち、経時的な熱損失特性の変化の記述）の形態とすることができる。

図10は、シミュレートされたセルごとの熱損失特性の推定値または関数が実装されたグリッド802のセルを示す図である。例えば、1002で示されるセルには、定値ではなく関数が投入されている。

ブロック520の代替として、推定熱時定数が、電流セルについて算出されてもよい。

図5Aのブロック522では、前の層内の対応するセルが処理されてからの時間を考慮し、また、隣接するセルの温度も考慮に入れて、現在のセル内の温度についての推定値が生成される。推定値は、単一の温度値、温度値のセット、または時間の関数（すなわち、経時的な温度変化の記述）の形態をとることができる。

図11は、シミュレートされたセルごとの推定温度レベルで占められたグリッド802のセルを示す図である。例えば、1102で示されるセルは、単一の値ではなく関数で埋められる。

ブロック522の代替として、関連する溶融プールのサイズを推定することができる。

ブロック524において、現在のセルについて、例えば、電力、速度、及び焦点を含むパラメータを用いて、セルを処理するレーザを駆動するためのパラメータが決定される。推定された温度及び熱損失特性が計算に使用され、計算の目標は、ブロック518でそのセルに適用された制約を満足する溶融プールをもたらすことである。また、計算に適用可能な制限は、得られる溶融プールが、現在の層または任意の隣接する層のプロファイル702を超えて延在しないことである。

一実施形態では、セルの上面を通って流れる熱が、所定の深さの材料を溶融し、その深さで所望の溶融プール幅をもたらすのに十分であるように、溶融プールを生成するためのパラメータを制約することができる。図12は、このような制約条件を示す図である。双方向矢印1202は、所定の深さを表す。双方向矢印1204は、その深さにおける所望の溶融プール幅を表す。点1206及び1208は、溶融プール1210と深さ1202との交点を表す。したがって、幅1204は、点1206と点1208との間の距離によって規定される。より太い下向きの矢印1212は、対応するセルの上面への熱（レーザ）の適用を表す。

代替的な制約では、各セル／ボクセルは、最小時間の間、（材料を溶融状態に維持するのに十分である）最小温度またはそれ以上に維持されるか、または時間の経過につれて予め指定された冷却プロファイルを維持すべきである。そのような制約は、完成した物体に望ましい粒子構造を生成することができる。

ブロック524でパラメータを決定する際に、考慮すべき要因は、所与の温度に対する材料冷却速度、熱勾配、及び／または冷却時間を含むことができる。

実施形態では、ブロック501に関連して上述したモデル／テーブルから必要なレーザ駆動パラメータを探索することができる。あるいは、これらのパラメータを決定するために計算が実行されてもよい。計算は、ブロック501のモデル／テーブルを生成するのに必要なデータのタイプから導出される推定関数によって実行されてもよい。

ブロック518～524が、現在の層内のすべてのセルについて実行されると、いくつかの実施形態では（上述のように、深さにおける最小溶融プール幅を達成するように制約されるものなど）、現在の層の層厚を決定することができる（ブロック526）。これらの実施形態によれば、層の厚さは、必要な溶融プール幅及び溶融状態の滞留時間を達成する（現在の層のセルを横切る）溶融プールの最も浅い深さに設定される。したがって、これらの実施形態では、層の厚さは、温度分析及びモデリングに基づいて層ごとに変化し得る。これにより、層の厚さを、ビルド目的を達成するのに必要な厚さ以下にすることができ、これにより、潜在的に電力消費を節約することができる。代替の実施形態では、層の厚さは、所与の層内で変化させることができる。例えば、物体のコアは、所与の層において、物体の表面に近い層の部分とは異なる層厚を有することができる。そのような実施形態では、層の厚さは、層内の最も浅い溶融プールに限定されなくてもよく、むしろ、厚さは、別個の層厚さのアイランドにグループ化されてもよい。このようなアイランドの数は、追加された再コーティング時間によるスループットの可能な減少とトレードオフされ得る。

ここで（ブロック526の層厚設定の代替として）現在の層内の各セルに対して実行することができるブロック528を参照すると、現在のセルに対して所望のレーザスキャン間隔パラメータを決定することができる。スキャン間隔は、セル内の最小の所望の溶融プール幅に設定することができる。これは、スキャン間のより広い間隔を可能にし、現在の層のより迅速な処理を可能にする。一例では、スループットを促進するために、より広く、より浅い溶融プールを目標として、スキャン間隔は、所与のセルについて、例えば、100ミクロンから110ミクロンに増加させることができる。

図13は、図5A及び図5Bのプロセス中に各セルについて決定されたシミュレートされたスキャン間隔で占められたグリッド802のセルを示す図である。

次に、図5Bを参照すると、ブロック519において、各セルについて、そのセルについての予測される歪みは、経験から、または有限要素モデルまたは別の工学的予測から学習されたように、予測される全体的な部品歪みまたは局所的な特徴歪みを使用して推定される。図14は、ブロック519に従った各セルについて決定されたシミュレートされた歪み方向で占められたグリッドのセルを示す図である。図15は、図14に類似しているが、細胞歪み方向のシミュレートされた代替セットを示す。

引き続き図5Bを参照すると、ブロック521において、各セルに対する所望の歪み寄与が計算される。所望の歪みは、予測される歪みを相殺または増大させるために生成され得る。

図5Bのブロック523では、スキャンパスによって付与された歪みが予測される歪みと組み合わされるときに、スキャンパス方向が、各セルからの所望の正味歪み寄与をもたらすように設定される。

ブロック519、521、523の処理は、ブロック520、522、524、528（図5A）の処理と少なくとも論理的に並列である。ブロック532（図5A）では、所望のスキャンパスパラメータセット（電力、速度、焦点、間隔）及びスキャン方向（所望の歪みから決定されるように）が、図17に見られるように、現在のセル／ボクセルに割り当てられ、正しいパラメータで正しい方向に進む一組のスキャンパスが生成される。更に、図16に見られるように、印刷を高速化するために、スキャンパスを接合する際に調整を行うことができる。

スキャン方向は、セル境界を横切る連続的な流れのために配置されてもよく、またはセル境界で終わってもよく、またはセル内で終わってもよい。得られる溶融プールが、現在の層または任意の隣接する層のプロファイル702を超えて延在しないというさらなる制約がある。

532において、スキャンパスのセットが、データセットまたはサブファイルとしてアセンブルされ、分析されている現在の層を処理する際の付加製造ツール102の動作をガイドする。スキャンパス動作は、物体がビルドされているプロセスの後の段階において、付加製造ツール102を制御するために使用される。スキャンパスデータセットまたはサブファイルは、現在分析されている層を処理するときに、付加製造ツール102のレーザ（別個には図示せず）またはレーザのスキャンがどこで行われるべきかを示す。スキャンパスデータセットまたはサブファイルを生成する際に、セルごとのスキャンパワー、スキャン速度、間隔、レーザスポットサイズ、及び方向が使用され、スキャンパスデータセットまたはサブファイルに組み込まれる。連続的なスキャンパスが可能でない場合には、必要に応じて急激な変化を使用することができる。

図16は、図5のプロセス中にセルの層に対して決定されたスキャンパスのシミュレートされたセットを示す図であり、図17は、図16と同様であるが、スキャンパスのシミュレートされた代替セットを示す。

ブロック508に関して上述した点に注目すると、ブロック510～532に示すプロセスは、ビルドされる物体の各層について繰り返され、Z方向に連続的に上方に移動する。結果として得られる層スキャンパスデータセットまたはサブファイルは、集合的に、制御コンポーネント104によって、累積スキャンデータとして、または、物体をビルドするために付加製造ツール102を制御するためのスキャンパスファイルとして格納される。

各層において、蓄積された熱は、ボクセルの各々と合うように設計された熱量を反映するように、基礎となる熱ボクセル化熱モデルを調整するために使用されてもよい。同様に、予測される歪みを使用して、基礎となる歪みモデルを調整することができる。両方の基礎となるモデルの調整を使用して、後続の層の結果を改善することができる。

この時点で、図5A及び図5Bのプロセスは、ブロック534に進むことができる。ブロック534では、ブロック508～532で生成されたスキャンパスデータが、制御コンポーネント104によって使用されて、付加製造ツール102を制御し、物体をビルドする。

図5A及び図5Bに関連して説明したプロセスでは、各層内の各セルについて、そのセルをビルドするためのレーザスキャンを1つまたは複数の特性について最適化することができる場合がある。特性は、スキャン速度、溶融プールサイズ、温度における材料時間、凝固の方向、または冷却中の材料歪みの方向であり得る。特性はまた、または代替として、多孔性、亀裂の最小化または防止、所望の表面仕上げの取得、及び／またはその幾何学的変形または防止を含んでもよい。図5A及び5Bのプロセスは、制約を管理し、制約を満たすためにパラメータを適用するための統一されたアプローチを可能にする。図5A及び5Bのプロセスは、さらに、自動化された態様で、ビルドされる対象の幾何学的特徴を考慮し、それらの特徴を、システム／プロセスに組み込まれた熱損失／伝達、歪み及び他のモデルの理解と統合する。

いくつかの実施形態では、制御構成要素104及び付加製造ツール102は、同じ場所に配置されてもよく、ステップ534は、ステップ532の完了後、直ちに、または最小限の遅延で（すなわち、実質的にリアルタイムで）実行されてもよい。他の実施形態または他の状況では、制御構成要素104及び付加製造ツール102は、同じ場所に配置されてもよいが、ステップ534は、ステップ532の完了に続いてかなりの時間が経過した後に実行されてもよい。さらに他の実施形態では、制御構成要素104及び付加製造ツール102は、互いに離れていてもよい。このような実施形態では、リアルタイム操作が起こるか、あるいは、代替的に、制御部104がステップ532の完了時にスキャンパスを記憶することがあり、スキャンパスは、その後、ステップ534が実行されることを許可するために付加製造ツール102に転送される、または他の方法で利用可能にすることができる。

本明細書に記載される実施形態では、DMLMは、付加製造の一種の例として提示された。しかしながら、本明細書に記載の分析及びツールガイダンス技術は、DMLM以外のタイプの付加製造にも適用可能であり、これに限定されるものではない。本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用されるように、用語「付加製造ツール」は、本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用されるように、本明細書で定義される任意のタイプの付加製造を実施するデバイスを指し、「付加製造」は、例えば、バット光重合、粉末床溶融、バインダ噴射、材料噴射、シート積層、材料押出、指向性エネルギー堆積、及びハイブリッドシステムを含むが、これらに限定されない、システム及び方法を指す。これらのシステム及び方法は、例えば、限定するものではないが、ステレオリソグラフィー、デジタル光処理、スキャン、スピン、及び選択的光硬化、連続液体界面生成、選択的レーザ焼結、直接金属レーザ焼結、選択的レーザ溶融、電子ビーム溶融、選択的熱堆積積層、超音波付加製造、溶融フィラメント製造、溶融堆積モデリング、レーザ金属堆積、レーザエンジニアリングネットシェーピング、直接金属堆積、ハイブリッドシステム、ならびにこれらの方法及びシステムの組合せを含むことができる。これらの方法及びシステムは、例えば、限定するものではないが、全ての形態の電磁放射、加熱、焼結、溶融、硬化、結合、圧密、プレス、埋め込み、及びこれらの組み合わせを使用することができる。

これらの方法及びシステムは、例えば、これらに限定されないが、ポリマー、プラスチック、金属、セラミック、砂、ガラス、ワックス、繊維、生物学的物質、複合材料、及びこれらの材料のハイブリッドを含む材料を使用する。これらの材料は、例えば、液体、固体、粉末、シート、箔、テープ、フィラメント、ペレット、液体、スラリー、ワイヤ、噴霧、ペースト、及びこれらの形態の組み合わせを含むが、これらに限定されない、所与の材料及び方法またはシステムに適した様々な形態で、これらの方法及びシステムにおいて使用されてもよい。

本開示及び添付の特許請求の範囲で使用されるように、用語「ツールガイダンスデータ」は、上述のようなスキャンパスデータを含むが、これに限定されず、物体を層ごとに、または別の方法でビルドするために追加の製造ツールを駆動するために使用される任意のデータを指す。

図18に示されるシステム1800は、図1に示される制御コンポーネント104の例示的なハードウェア指向表現である。引き続き図18を参照すると、システム1800は、通信装置1820、データ記憶装置1830、1つまたは複数の入力装置1840、1つまたは複数の出力装置1850、及びメモリ1860に動作可能に結合された1つまたは複数のプロセッサ1810を含む。通信装置1820は、報告クライアントまたはデータ記憶装置などの外部装置との通信を容易にすることができる。入力装置1840は、例えば、キーボード、キーパッド、マウスまたは他のポインティング装置、マイクロフォン、ノブまたはスイッチ、赤外線（IR）ポート、ドッキングステーション、及び／またはタッチスクリーンを含むことができる。入力装置1840は、例えば、システム1800に情報を入力するために使用されてもよい。出力装置1850は、例えば、ディスプレイ（例えば、ディスプレイスクリーン）、スピーカ、及び／またはプリンタを含むことができ、及び／または付加製造ツール102（図1）の動作を制御するための制御信号を出力することができる。

引き続き図18を参照すると、データ記憶装置1830は、磁気記憶装置（例えば、磁気テープ、ハードディスクドライブ、及びフラッシュメモリ）、光記憶装置、読出し専用メモリ（ROM）装置などの組合せを含む任意の適切な永続記憶装置を含むことができ、一方、メモリ1860は、ランダムアクセスメモリ（RAM）を含むことができる。

データ記憶装置1830は、プロセッサ1810によって実行されるプログラムコードを含むソフトウェアプログラムを記憶し、システム1800に本明細書に記載するプロセスのいずれか1つ以上を実行させることができる。なお、本実施形態は、これらの処理を1つの装置で実行することに限定されるものではない。例えば、データ記憶装置1830は、図5に関連して上述したようなモデリング機能を提供するモデリングソフトウェアプログラム1832を記憶することができる。

データ記憶装置1830はまた、図5A及び図5Bに関連して上述したようにスキャンパスデータを生成する機能を提供することができるスキャンパス決定ソフトウェアプログラム1834を記憶することができる。さらに、データ記憶装置1830は、システム1800が、付加製造ツール102を制御するためのコマンド／制御信号を発行することを可能にするソフトウェアモジュール1836を記憶することができる。さらに、データ記憶装置1830は、図5A及び5Bのプロセスを介して生成され得るようなスキャンパスデータ1138を記憶し得る。データ記憶装置1830は、追加の機能を提供するための、及び／またはデバイスドライバ、オペレーティングシステムファイルなどのシステム1800の動作に必要な他のデータ及び他のプログラムコード、ならびにスキャンパスデータとは別の1つまたは複数の種類のデータを記憶することができる。

技術的効果は、付加製造装置の制御のための改善された技術を提供することである。

前述の図は、いくつかの実施形態によるプロセスを説明するための論理アーキテクチャを表し、実際の実装は、他の方法で配置されたより多くのまたは異なるコンポーネントを含むことができる。他の実施形態に関連して他のトポロジを使用することができる。さらに、本明細書で説明される各システムは、任意の数の他の公衆ネットワーク及び／またはプライベートネットワークを介して通信する任意の数のデバイスによって実装され得る。そのようなコンピューティングデバイスのうちの2つ以上は、互いに離れて配置されてもよく、任意の既知の方法のネットワーク及び／または専用接続を介して互いに通信してもよい。各デバイスは、本明細書で説明される機能ならびに任意の他の機能を提供するのに適した任意の数のハードウェア及び／またはソフトウェア要素を含み得る。例えば、ある実施形態の実装で使用される任意の計算装置は、本明細書に記載するように計算装置が動作するようなプログラムコードを実行するプロセッサを含んでもよい。

本明細書で論じるすべてのシステム及びプロセスは、1つ以上の非一時的コンピュータ可読媒体上に記憶されたプログラムコードで具体化することができる。このような媒体は、例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、CD－ROM、DVD－ROM、フラッシュドライブ、磁気テープ、及びソリッドステートランダムアクセスメモリまたはリードオンリーメモリを含むことができる。したがって、実施形態は、ハードウェア及びソフトウェアの任意の特定の組合せに限定されない。

本明細書に記載される実施形態は、単に例示の目的のためのものである。当業者は、他の実施形態が、上述のものに対する修正及び変更を伴って実施され得ることを認識し得る。
（付記１）
物体のCAD (computer-aided design）表現を取得し、
前記CAD表現に熱及び／または歪みモデリングを適用し、
前記熱及び／または歪みモデリングの結果に少なくとも部分的に基づいてスキャンパスデータを生成し、
前記スキャンパスデータを含むビルドファイルを生成し、
前記ビルドファイルは、前記スキャンパスデータに従って前記物体を生成するように付加製造ツールを構成する命令を含む、
方法。
（付記２）
前記スキャンパスデータは、複数の層スキャンパスデータセットを含み、
前記層スキャンパスデータセットの各々は、前記物体の各々の層を形成するために前記付加製造ツールを制御する、付記１の方法。
（付記３）
前記熱及び／または歪みモデリングの結果に少なくとも部分的に基づいて、前記物体の前記層の少なくとも1つの厚さを決定する、
ことをさらに含む、付記２の方法。
（付記４）
前記層の少なくとも1つの厚さが、前記少なくとも1つの層の熱及び／または歪みモデリングの結果の溶融プール分析によって決定される、
付記３の方法。
（付記５）
前記溶融プール分析が、前記物体を形成するために使用される材料の溶融プール挙動を予測する、付記４の方法。
（付記６）
前記材料が粉末金属合金である、付記５の方法。
（付記７）
前記付加製造ツールは、前記熱及び／または歪みモデリングの結果に少なくとも部分的に基づいて、前記物体の層の各々の厚さを変化させるように制御される、
付記４の方法。
（付記８）
前記スキャンパスデータが、（a）製造速度、（b）溶融プールサイズ、（c）温度での材料時間、（d）凝固方向、（e）冷却中の材料歪みの方向、（f）多孔度、（g）亀裂を最小限に抑えるかまたは防止すること、（h）所望の表面仕上げを得ること、及び（i）幾何学的変形またはその防止、の少なくとも1つについて最適化される、付記１の方法。
（付記９）
前記スキャンパスデータは、前記熱及び／または歪みモデリングの結果に基づく溶融プール分析に少なくとも部分的に基づいてスキャン間隔を規定する、付記１の方法。
（付記１０）
前記スキャンパスデータは、前記スキャンパスデータが前記付加製造ツールによって実行されるときに、前記付加製造ツールのレーザコンポーネントの出力パワーを変更するための変化するパワーレベル設定データを含む、付記１の方法。
（付記１１）
前記スキャンパスデータは、前記スキャンパスデータが前記付加製造ツールによって実行されるときに、前記付加製造ツールの複数のレーザコンポーネントの各々の出力パワーレベルの各々を変更するための変化するパワーレベル設定データを含む、付記１０の方法。
（付記１２）
プロセッサと、
前記プロセッサと通信するメモリと、
を含み、
前記メモリはプログラム命令を記憶し、
前記プロセッサは、
物体のCAD (computer-aided design）表現を取得し、
前記CAD表現に熱及び／または歪みモデリングを適用し、
前記熱及び／または歪みモデリングの結果に少なくとも部分的に基づいてスキャンパスデータを生成し、
前記スキャンパスデータを含むビルドファイルを生成する、
機能を実行する前記プログラム命令で動作し、
前記ビルドファイルは、前記スキャンパスデータに従って前記物体を生成するように付加製造ツールを構成する命令を含む、
装置。
（付記１３）
前記スキャンパスデータは、複数の層スキャンパスデータセットを含み、
前記層スキャンパスデータセットの各々は、前記物体の各々の層を形成するために、物体形成コンポーネントを制御する、付記１２の装置。
（付記１４）
前記プロセッサは、前記熱及び／または歪みモデリングの結果に少なくとも部分的に基づいて、前記物体の前記層の少なくとも1つの厚さを決定するようにさらにプログラムされる、付記１３の装置。
（付記１５）
前記層の少なくとも1つの厚さが、前記少なくとも1つの層の前記熱及び／または歪みモデリングの結果の溶融プール分析によって決定される、付記１４の装置。
（付記１６）
前記溶融プール分析が、前記物体を形成するために使用される材料の溶融プール挙動を予測する、付記１５の装置。
（付記１７）
前記材料が粉末金属合金である、付記１６の装置。
（付記１８）
物体のCAD(computer-aided design）表現を取得し、
前記CAD表現に熱及び／または歪みモデリングを適用し、
複数の層スキャンパスデータセットを生成し、
前記層スキャンパスデータセットの各々は、前記物体の各々の層に対応し、
前記層の各々は、所定の厚さを各々有し、
前記所定の厚さは、前記層のすべてについて同一ではなく、
各々の前記所定の厚さは、前記熱及び／または歪みモデリングの結果に少なくとも部分的に基づいて各々が決定され、
前記層スキャンパスデータセットを含むビルドファイルを生成し、
前記ビルドファイルは、前記層スキャンパスデータセットに従って前記物体を生成するように付加製造ツールを構成する命令を含む、
方法。
（付記１９）
前記所定の層の厚さは、前記熱及び／または歪みモデリングの結果の溶融プール分析によって決定される、付記１８の方法。
（付記２０）
前記層スキャンパスデータセットは、（a）製造速度、（b）溶融プールサイズ、（c）温度での材料時間、（d）凝固方向、及び（e）冷却中の材料歪み方向の少なくとも1つについて最適化される、付記１９の方法。
（付記２１）
物体のCAD(computer-aided design）表現を取得し、
前記CAD表現に熱及び／または歪みモデリングを適用し、
前記熱及び／または歪みモデリングの結果に少なくとも部分的に基づいてツールガイダンスデータを生成し、
前記ツールガイダンスデータを含むビルドファイルを生成し、
前記ツールガイダンスデータは、前記ツールガイダンスデータに従って前記物体を生成するように付加製造ツールを構成する命令を含む、
方法。
（付記２２）
前記ツールガイダンスデータは、複数の層ツールガイダンスデータセットを含み、
前記層ツールガイダンスデータセットの各々は、前記物体の各々の層を形成するように前記付加製造ツールを制御する、付記２１の方法。
（付記２３）
前記熱及び／または歪みモデリングの結果に少なくとも部分的に基づいて、前記物体の前記層の少なくとも1つの厚さを決定する、
ことをさらに含む、付記２２の方法。

Claims (12)

1. プロセッサが、
   物体のＣＡＤ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ－ａｉｄｅｄ ｄｅｓｉｇｎ）表現を取得し、
   前記ＣＡＤ表現に熱及び／または歪みモデリングを適用し、
   前記熱及び／または歪みモデリングの結果に少なくとも部分的に基づいてスキャンパスデータを生成し、
   前記スキャンパスデータを含むビルドファイルを生成し、
   前記ビルドファイルは、前記スキャンパスデータに従って前記物体を生成するように付加製造ツールを構成する命令を含み、
   前記スキャンパスデータは、複数の層スキャンパスデータセットを含み、
   前記層スキャンパスデータセットの各々は、前記物体の各々の層を形成するために前記付加製造ツールを制御する、
   方法。
2. 前記熱及び／または歪みモデリングの結果に少なくとも部分的に基づいて、前記物体の前記層の少なくとも１つの厚さを決定する、
   ことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記層の少なくとも１つの厚さが、前記少なくとも１つの層の熱及び／または歪みモデリングの結果の溶融プール分析によって決定される、
   請求項２に記載の方法。
4. 前記溶融プール分析が、前記物体を形成するために使用される材料の溶融プール挙動を予測する、請求項３に記載の方法。
5. 前記材料が粉末金属合金である、請求項４に記載の方法。
6. 前記付加製造ツールは、前記熱及び／または歪みモデリングの結果に少なくとも部分的に基づいて、前記物体の層の各々の厚さを変化させるように制御される、
   請求項３～請求項５の何れか１項に記載の方法。
7. 前記スキャンパスデータが、（ａ）製造速度、（ｂ）溶融プールサイズ、（ｃ）温度での材料時間、（ｄ）凝固方向、（ｅ）冷却中の材料歪みの方向、（ｆ）多孔度、（ｇ）亀裂を最小限に抑えるかまたは防止すること、（ｈ）所望の表面仕上げを得ること、及び（ｉ）幾何学的変形またはその防止、の少なくとも１つについて最適化される、請求項１～請求項６の何れか１項に記載の方法。
8. 前記スキャンパスデータは、前記熱及び／または歪みモデリングの結果に基づく溶融プール分析に少なくとも部分的に基づいてスキャン間隔を規定する、請求項１～請求項７の何れか１項に記載の方法。
9. 前記スキャンパスデータは、前記スキャンパスデータが前記付加製造ツールによって実行されるときに、前記付加製造ツールのレーザコンポーネントの出力パワーを変更するための変化するパワーレベル設定データを含む、請求項１～請求項８の何れか１項に記載の方法。
10. 前記スキャンパスデータは、前記スキャンパスデータが前記付加製造ツールによって実行されるときに、前記付加製造ツールの複数のレーザコンポーネントの各々の出力パワーレベルの各々を変更するための変化するパワーレベル設定データを含む、請求項９に記載の方法。
11. スキャンパスデータを生成することは、
    複数のスキャンパスデータセットを生成し、
    前記スキャンパスデータセットの各々は、前記物体の各々の層に対応し、
    前記層の各々は、所定の厚さを各々有し、
    前記所定の厚さは、前記層のすべてについて同一ではなく、
    各々の前記厚さは、前記熱及び／または歪みモデリングの前記結果に少なくとも部分的に基づいて各々が決定され、
    前記ビルドファイルは、前記スキャンパスデータセットを含む、
    請求項１～請求項１０の何れか１項に記載の方法。
12. プロセッサと、
    前記プロセッサと通信するメモリと、
    を含み、
    前記メモリはプログラム命令を記憶し、
    前記プロセッサは、請求項１～請求項１１の何れか１項に記載の方法を実行するように前記プログラム命令によって動作可能である、
    装置。

Images