JP7024111B2 - 電子ビーム製造中にビルド品質を監視及び制御するシステム並びに方法 - Google Patents

Description

本開示は、電子ビーム製造システムに関する。より詳細には、本開示は、電子ビーム付加製造システムにおけるビルド品質の監視及び制御に関する。

最近、金属合金部品を作るための付加製造法が鋳造及び機械加工法の代替として出現した。基本的なレベルでは、付加製造技術は、３Ｄ部品を形成するために層ごとに断面フォーマットで材料をビルドするという概念に基づいている。付加製造技術は、「積層製造」、「リバースマシニング」、及び／または「３Ｄ印刷」とも呼ばれる。付加製造技術に共通するのは、３Ｄモデリングソフトウェア（コンピュータ支援設計、すなわちＣＡＤ）、機械装置、及び積層材料の使用である。ＣＡＤスケッチが生成されると、機械装置は、ＣＡＤファイルからデータを読み込み、所望の材料の連続する層を追加して、３Ｄ部品を製造する。

いくつかの特定の付加製造プロセスは、粉末床技術を使用して、金属合金粉末を連続工程で融合させて部品を製造する。例えば、いくつかの付加製造プロセスは、粉末床を横切って走査されるエネルギビームを利用して、付加的なステップで粉末床内の金属合金粉末の層を融合させる。このような粉末層付加製造プロセスのいくつかの例は、直接金属レーザ焼結／融合（ＤＭＬＳ）／（ＤＭＬＦ）、選択レーザ焼結／融合（ＳＬＳ）／（ＳＬＦ）、及び電子ビーム融解（ＥＢＭ）を含む。これらのプロセスでは、粉末床内の金属合金粉末の層が予熱され、次いで、下にある部分的に形成された部品（またはシードコンポーネント）に融合されて、部品に新しい層が追加される。新しい層の金属合金粉末が、粉末床内及び部分的に形成された部品の以前に形成された層の上に堆積され、金属合金粉末の新しい層が、同様に、部品に融合される。堆積－融着手順は、部分的に形成された部品上に複数の層を作製して、最終的に金属合金部品を形成するために、何度も繰り返される。

電子ビーム付加製造においては、困難なビルド環境において高品質の部品を得ることが望まれている。電子ビーム付加製造ビルドプロセスは、典型的には、２５０℃～９００℃の間の温度範囲に加熱されたビルドチャンバ内で、粉末原料の存在下で、１０^－３～１０^－６ミリバールの適度な高圧範囲で、ビルドタイムの長時間にわたって行われる。部品ビルド時間が長いため、各部品は高価であり、したがって、完成前に欠陥部品を発見し、リアルタイムかつ現場で欠陥を診断することが重要である。しかし、これらのビルドパラメータのために、品質をチェックするために定期的に部品を取り外すことは不可能である。したがって、ビルドプロセス中に、視覚光画像が、一般に、品質を評価するために部品記述と比較される。この技術は、全体的な寸法の一致を検知するだけである。特に重要な部品品質の他の尺度が、気孔率、ミクロ組織、合金組成、平均密度及び特徴サイズに関して残されている。複雑な金属部品のための長いビルド時間は、（ビルドが進行するにつれて）高い歩留まりを得るために品質管理を決定的に重要にする。ビルド中に欠陥が検出された場合、オペレータは現場修理の機会を有する。また、オペレータは、ビルドプロセスを部分的または完全に放棄することもできる。
このように、繰り返しの実行の費用を回避し、高価な組立後の検査及び特徴付けの必要性を回避するために、高歩留まりの部品組立を提供する付加製造システムが望まれている。システムは、現場での監視及び分析、層画像の測定、並びに発見された欠陥の現場での修復またはビルドの中止のための能力に応じて、リアルタイムかつ現場でのビルド品質の制御を提供する。

従来技術のこれら及び他の欠点は、金属粉末の複数の堆積層からの３次元部品の電子ビーム製造中のビルド品質を監視及び制御するシステム及び方法を提供する本開示によって対処される。

一実施形態では、ビルド部品の電子ビーム製造中にビルド品質を監視及び制御するシステムが提供される。このシステムは、ビルドチャンバと、ビルドチャンバ内のビルドプラットフォームを移動させるアクチュエータと、少なくとも１つの電子ビームをビルドチャンバ内に導き、かつビルドプラットフォーム上に配置された金属粉末の複数の堆積層上に導き、溶融プールを形成する少なくとも１つの電子ビーム源と、検出器と、制御装置とを含む。検出器は、ビルド部分内の少なくとも１つの欠陥を検出し、欠陥を表す検出信号を生成するために、少なくとも１つの溶融プール及び少なくとも１つの電子ビームに曝されている領域のうちの少なくとも１つから放出される後方散乱エネルギをリアルタイムで検出するように構成される。コントローラは、検出信号を受信して分析し、アクチュエータ及び少なくとも１つの電子ビーム源の少なくとも１つの制御のための補正信号を生成して、ビルドプラットフォーム上の金属粉末の複数の堆積層に少なくとも１つの電子ビームを向けて、複数の堆積された金属粉末層のパターン化された部分を順次固化させて、３次元ビルド部品を適応的に形成するように構成される。ビルドチャンバは、ハウジングと、ビルドチャンバ内に配置されたビルドプラットフォームと、ビルドチャンバ内のビルドプラットフォームを移動させるためのアクチュエータとを含む。

別の実施形態では、金属粉末の複数の堆積層から３次元ビルドを適応的に形成するシステムが提供される。システムは、ビルドチャンバと、少なくとも１つの電子ビームをビルドチャンバ内に導き、ビルドプラットフォーム上に配置された金属粉末の複数の堆積層上に導いて溶融プールを形成するための少なくとも１つの電子ビーム源と、溶融プールから排出され後方散乱されたエネルギをリアルタイムで検出し、微細構造、密度、欠陥を表すトポグラフィ及び化学的性質のうちの少なくとも１つの欠陥を示すように構成された検出器と、検出信号を受信して分析し、補正信号を生成するように構成されたプロセッサと、補正信号を受信して補正信号を生成するように構成されたプロセッサと、ビルドプラットフォーム上の複数の堆積された金属粉末層上に少なくとも１つの電子ビームを導くように、アクチュエータ及び少なくとも１つの電子ビーム源のうちの少なくとも１つの電子ビーム源の制御を行い、３次元ビルド部分を適応的に形成するように構成された複数の堆積された金属粉末層のパターン化された部分を順次圧密化するように構成されたコントローラとを含む。ビルドチャンバは、ハウジングと、ビルドチャンバ内に配置されたビルドプラットフォームと、ビルドチャンバ内のビルドプラットフォームを移動させるためのアクチュエータと、を含む。

さらに別の実施形態では、ビルド部品の電子ビーム製造中にビルド品質を監視及び制御する方法が提供される。本方法は、（ａ）少なくとも１つの電子ビーム源を提供し、（ｂ）少なくとも１つの電子ビーム源を制御して、少なくとも１つの電子ビームを金属粉末の堆積層上に向けて、溶融プールを形成し、（ｃ）溶融プール及び下にある粉末層のうちの１つまたは複数における欠陥の存在を判定するために、後方散乱エネルギ放射をリアルタイムで検出し、（ｄ）少なくとも１つの電子ビーム源及びアクチュエータを制御して、溶融プール内の検出された欠陥に応答して、少なくとも１つの電子ビーム及びビルドプレートを調整し、堆積された金属粉末層のパターン化された部分を統合し、（ｅ）３次元ビルド部分を形成する。

上述の特徴の様々な改良は、本開示の様々な態様に関連して存在する。さらなる特徴もまた、これらの様々な態様に組み込まれてもよい。これらの改良点及び追加の特徴は、個別に、または任意の組み合わせで存在してもよい。例えば、例示された実施形態のうちの１つまたは複数に関連して以下で説明される様々な特徴は、本開示の上記の態様のうちのいずれかに単独で、または任意の組合せで組み込まれ得る。再び、上記で提示された簡単な概要は、特許請求された主題に限定されることなく、本開示のある態様及び文脈を読者に理解させることのみを意図している。

金属粉末の複数の堆積層からの３次元部品の電子ビーム製造中のビルド品質を監視及び制御するシステム及び方法を提供する。

本明細書中に示されるかまたは記載される１つ以上の実施形態による、少なくとも１つの電子ビーム源を使用する付加製造システムを断面図で概略的に示す。 本明細書中に示されるかまたは記載される１つ以上の実施形態による、複数の電子ビーム源を使用する付加製造システムを断面図で概略的に示す。 図１の少なくとも１つの電子ビーム源の１つの実施形態を、本明細書に示されるかまたは記載される１つ以上の実施形態に従って、断面図で概略的に示す。 本明細書に示されるか又は記載される１つ以上の実施形態による、検出器に対する少なくとも１つの電子ビーム源を示す付加製造システムを直交図で概略的に示す。 本明細書に示され、または説明される１つまたは複数の実施形態による、３次元ビルドマップを適応的に形成するための方法のフローチャートを示す。 本明細書に示されるかまたは記載される１つ以上の実施形態による、３次元ビルド部品の電子ビーム製造中にビルド品質を監視及び制御するための方法のフローチャートを示す。 本明細書に示されるかまたは記載される１つ以上の実施形態による、図１の付加製造システムの一部のブロック図である。

本開示のこれら及び他の特徴、態様、及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めば、より良く理解されるであろう。

本開示の実施形態、並びにその特定の特徴、利点、及び詳細は、添付の図面に示される非限定的な例を参照して、以下でより完全に説明される。周知の材料、処理技術等の説明は、本開示を不必要に不明瞭にしないように、省略される。しかしながら、詳細な説明及び特定の実施例は、本開示の実施形態を示しているが、単に例示のために与えられたものであり、限定のために与えられたものではないことが理解されるべきである。基礎となる発明概念の思想及び／または範囲内の様々な置換、修正、追加、及び／または配置は、本開示から当業者には明らかであろう。

以下に詳細に説明するように、本開示の実施形態は、電子ビーム製造中にビルド品質を監視及び制御するためのシステム及び方法を提供する。そのような開示された構成を使用して、方法及びシステムは、歩留まりを改善し、欠陥の修理を可能にし、ビルド品質の管理及びビルドプロセスの最適化を可能にするために、改良を提供し得る。

「第１の」、「第２の」などの用語は、本明細書では、いかなる順序、量、または重要性も示さず、むしろ、１つの要素を別の要素から区別するために使用され、特定の部品部分に読者を導くことを目的としている。本明細書及び特許請求の範囲全体にわたって使用されるように、近似言語は、それが関連する基本機能に変化をもたらすことなく許容可能に変化することができるいかなる量的表現をも修正するために適用されてもよい。量に関連して使用される「約」という修飾語は、記載された値を含み、文脈によって指示される意味を有する（例えば、特定の量の測定に関連するある程度の誤差を含む）。したがって、「約」などの用語によって修正された値は、指定された正確な値に限定されない。いくつかの例で、このような近似用語は、値を測定する機器の精度に対応し得る。

以下の明細書及び特許請求の範囲において、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈が明確に指示しない限り、複数の指示対象を含む。文脈が明確に指示しない限り、用語「ｏｒ」は排他的であることを意味せず、参照される部品の少なくとも１つが存在し、文脈が明確に指示しない限り、参照される部品の組み合わせが存在する場合を含み、さらに、本明細書において、接尾辞「ｓ」は、通常、それが変更する単数形及び複数形の両方の用語を含むことを意図し、それによって、その用語の１つまたは複数（例えば、「欠陥」は、特に指定しない限り、１つまたは複数の欠陥を含むことができる）を含む。明細書全体を通して、「一実施形態」、「別の実施形態」、「実施形態」などへの言及は、実施形態に関連して説明される特定の要素（例えば、特徴、構造、及び／または特性）が少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。同様に、「特定の構成」への言及は、構成に関連して説明される特定の要素（例えば、特徴、構造、及び／または特性）が、本明細書で説明される少なくとも１つの構成に含まれ、他の構成に存在しても存在しなくてもよいことを意味する。さらに、記載された発明の特徴は、様々な実施形態及び構成において任意の適切な方法で組み合わされ得ることが理解されるべきである。

本明細書で使用されるように、用語「としてもよい」及び「とされてもよい」は、ある状況セット内での発生の可能性を示し、特定の特性、特性または機能の保有を示し、及び／または適格動詞に関連する能力または可能性のうちの１つ以上を表現することによって別の動詞を適格化する。したがって、「としてもよい」及び「されてもよい」の使用は、修正された用語が表示された能力、機能、または使用に見かけ上適切、可能、または適切であることを示し、一方、状況によっては、修正された用語が適切でない、可能である、または適切でないことがあることを考慮する。例えば、状況によっては、イベントまたは能力が期待されることがあり、一方、他の状況では、イベントまたは能力が期待されない。この違いが「してもよい」及び「されてもよい」によって表される。

図を参照すると、図１は、本開示の一実施形態による、金属粉末の複数の堆積層からの３次元ビルド部品１２の電子ビーム製造中のビルド品質を監視及び制御するシステム１０を図式的に示す。システム１０は、一般に、ビルドチャンバ１４、少なくとも１つの電子ビーム源１６、少なくとも１つの検出器１８及びコントローラ２０を含む。ビルドチャンバ１２は、真空チャンバ２３を画定するハウジング２２と、ビルドチャンバ１４内に配置されたビルドプラットフォーム２４と、ビルドチャンバ１４内のビルドプラットフォーム２４を移動させるためのアクチュエータ２６と、１つまたは複数の粉末ホッパ２８と、粉末ディストリビュータ３０とを含んでもよい。一実施形態によると、少なくとも１つの電子ビーム源１６は、少なくとも１つの電子ビーム３２をビルドチャンバ１４内に向け、かつビルドプラットフォーム上に配置された金属粉末６０の複数の堆積層上に向けるための少なくとも１つのビーム銃または線源を含んでもよい。

ビルドプロセス中にビルド部品１２の監視を提供するために、システムは、ビルドプロセスを継続的に監視し、ビルド部品１２内に形成される１つまたは複数の欠陥をリアルタイムかつ現場で識別する手段を提供する。このような監視を提供するために、少なくとも１つの検出器１８は、特定の放射線検出器及び粒子検出器を含むように構成され、電子ビーム製造システム１０のメインビルドチャンバ１４内に設置される。さらに図１を参照すると、図示の実施形態では、検出器または代替タイプのプローブは、既存の装置に適合する。堆積中に、部品の特性評価を介して、品質管理を可能にするために使用することができる多数の信号が生成される。より具体的には、ビルドプロセス中に、電子数、光子数及びエネルギスペクトルを分析して、ビルド部分１２の品質を推定することができることが分かっている。前述したように、信号を監視する１つの例は、後方散乱放射線又は粒子の監視である。したがって、一実施形態では、少なくとも１つの検出器１８は、欠陥の位置を示すビルド部品１２の微細構造、トポグラフィ及び化学的性質をリアルタイムで監視するためのビルドプロセス中に、溶融プール（現在説明されている）内の放出された電子、イオン及び放射線を検出するように動作可能である。ビルドプロセス中の後方散乱エネルギ、より詳細には、後方散乱電子（ＢＳＥ）は、一般に、寄生的であると考えられ、固体ターゲットから散乱されたもののかなりの割合（数十パーセント）を示す。エネルギフィルタリングと連動するこの最小限の量の後方散乱は、ビルドプロセス中にビルド部分１２の品質指標として分析するために、少なくとも１つの検出器１８による検出のための十分な信号を提供する。一実施形態では、エネルギ選択または運動量分析装置は、粒子エネルギまたは運動量を識別するために静電場及び／または磁場を使用する。光子エネルギ分析検出器は、そのエネルギに比例する信号の振幅によって信号を識別する。したがって、図示のように、一実施形態では、少なくとも１つの検出器１８は、別個のコンポーネントとして構成され、部品ビルドステップとは別個に検出を行う。

図２に示す別の実施形態では、システム４０の第２の実施形態が示されている。特に断らない限り、第２の実施形態は、図１に示すように、システムの第１の実施形態の説明中に識別されたのと同じコンポーネントを含む。第１の実施形態とは対照的に、少なくとも１つの電子ビーム源１６は、複数の電子ビーム３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃをビルドチャンバ１４内に導き、かつ金属粉末の複数の堆積層上に導くための、複数の別々の電子銃または他の源１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃを含んでもよい。一実施形態によると、複数のビーム銃または線源１６のうちの少なくとも１つは、専用のビルド分析ビームである。さらに、システム４０は、ビルド部分１２のビルド品質を監視するための複数の検出器１８Ａ、１８Ｂを含んでもよい。複数の検出器１８Ａ、１８Ｂは、複数の電子ビーム３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃのうちの１つまたは複数を欠陥を有するビルド部品１２の領域に戻すように向けることによって、リアルタイムかつ現場での欠陥の再作業、または修正のためにコントローラに結合される。一実施形態では、複数の検出器１８Ａ、１８Ｂは、エネルギ及び／または波長分散Ｘ線分析を提供するように構成されたエネルギ感知光子計数検出器である。複数の検出器１８Ａ、１８Ｂは、ビルド部分１２の溶融プール内の欠陥の監視のために、後方散乱電子、二次電子、オージェ電子、後方散乱光子及び放射線を含む後方散乱エネルギの検出を含み、検出信号を生成するように構成することができる。また、複数の検出器１８Ａ、１８Ｂは、Ｘ線の検出（材料の実際の化学的性質をより明確に定義する、全Ｘ線歩留まりまたはエネルギ依存Ｘ線歩留まりのいずれか）を含むように構成されてもよい。

さらに図１及び図２を参照すると、コントローラ２０は、アクチュエータ２６及び少なくとも１つの電子ビーム源１６を同時に制御して、ビルドプラットフォーム２４上の金属粉末６０の複数の堆積層に少なくとも１つの電子ビーム３２を向けて、複数の堆積金属粉末層６０のパターン化された部分を順次圧密化して、３次元ビルド部品１２を適応的に形成するように動作可能である。コントローラ２０はさらに、ビルド部分１２の欠陥を表す受信信号に応答して、少なくとも１つの検出器１８から制御パラメータを出力するように動作可能である。コントローラ２０は、複数の堆積された金属粉末層６０のパターン化された部分を圧密化する速度を最適化し、複数の堆積された金属粉末層６０のパターン化された部分を圧密化して単結晶構造を有する３次元ビルド部品１２を形成する際の熱勾配を最小化するように構成することができる。ビルドパラメータを記録し、データに対して分析を実行することによって、分析の前に欠陥を予測することができる。

以下の説明から理解されるように、本開示の技法は、ビルドプロセス中に、リアルタイムかつ現場で、ビルド欠陥を監視及び検出することによって、ビルド品質を改善する。

さらに図１及び図２を参照すると、粉末ホッパ２８は、開始プレート３４上に設けられた粉末材料を保持することができる。粉末材料は、純金属またはチタン、チタン合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、Ｃｏ－Ｃｒ－Ｗ合金などの金属合金であってもよい。第１の粉末層は、開始プレート３４上に粉末を均等に分配することによって、または凝固したパターン化層によって提供されてもよい。例えば、ホッパ２８から堆積された材料は、レーキシステムのような粉末ディストリビュータ３０によって分配されてもよい。レーキは、粉末を開始プレート３４または凝固したパターン化層の上に分散させるように移動させることができる。ディストリビュータ３０の下部と開始プレート３４の上部または凝固したパターン化層との間の距離は、分配された粉末層の厚さを決定することができる。粉末層の厚さは、アクチュエータ２６を介してビルドプラットフォーム２４の高さを調節することによって容易に調節することができる。

少なくとも１つの電子ビーム銃または源１６のうちの少なくとも１つは、ビルドチャンバ１４内の真空システム３６内に設けられてもよく、またはこれと流体連通してもよい。ビルドチャンバ１４は、真空システム３６によって真空環境を維持するように動作可能であり得、この真空システムは、ターボ分子ポンプ、スクロールポンプ、及び／またはイオンポンプ、並びに当業者に周知の１つ以上の弁を備え得る。真空システム３６は、制御ユニット２０によって制御することができる。プロセスガスの注入、圧力及び流量を制御することもできる。

３次元ビルド部品１２は、３次元ビルド部品１２の連続した断面に対応する粉末床の部品の連続した融合を通して形成されてもよく、３次元ビルド部品１２のモデルを提供するステップを含んでいてもよい。モデルは、ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）ツールを介して生成することができる。

図３は、少なくとも１つの電子ビーム３２を生成するための電子ビーム銃又は源１６の１つの実施形態を示す。例えば、電子ビーム銃又は電子源１６は、一般に、カソード５０、グリッド５２、及びアノード５４を含むことができ、これらは、一次電子ビームを生成し、加速するために使用される。電磁集束コイル５６及び／又は偏向／走査コイル５８を用いて、電子ビーム３２が処理中の粉末層６０に衝突する方法を制御することができる。動作中、カソード５０は、グリッド５２及びアノード５４によって確立された静電場幾何学によって加速され、平行ビームに成形される熱放出電子源であってもよい。次いで、電子ビーム３２は、例えば、カソード５０に印加されている負の高電圧の値に等しいエネルギで、アノード５４の出口孔６２を通って出て行く。アノード５４を出た後、電子ビーム３２は、電磁集束コイル５６及び偏向コイル５８を通過する。電磁収束コイル５６は、粉末層６０上に収束または偏向ビームスポットのいずれかを生成するために使用されるが、偏向コイル５８は、静止位置上にビームスポットを配置するか、または粉末層６０の領域上にスポットを移動させるために使用される。当然のことながら、他のタイプの電子ビーム銃または電子ビーム源及び／または追加のコンポーネントを適切に使用することができる。

再び図１及び図２を参照すると、少なくとも１つの電子ビーム銃または電子源１６は、粉末材料または粉末層６０を溶融または融合させるために使用される少なくとも１つの電子ビーム３２を生成する。作業サイクルまたは付加ビルドの間、ビルドプラットフォーム２４は、粉末材料の各付加層の後に、少なくとも１つの電子ビーム源１６に対して連続的に下降される。例えば、ビルドプラットフォーム２４は、垂直方向、すなわち両頭矢印Ｐの方向に移動可能であってもよい。ビルドプラットフォーム２４は、所望の厚さの第１の粉末材料層が開始プレート３４上に敷設された初期位置に配置されてもよい。その後、ビルドプラットフォーム２４は、３次元コンポーネント、より詳細にはビルド部品１４の新たな断面を形成するために、新たな粉末材料層６０を敷設することに関連して下降される。アクチュエータ２６又はビルドプラットフォーム２４を下げるための手段は、ギア、調整ねじを備えたサーボモータを含んでいてもよい。

コントローラ２０は、とりわけ、少なくとも１つの電子ビーム源１６、アクチュエータ２６、粉末ディストリビュータ３０、及びビルドチャンバ１４内の真空圧力を制御するために使用されてもよい。例えば、制御ユニット２０は、粉末層を加熱するための時間の間、パターン化された層に衝突する少なくとも１つの電子ビーム３２の位置または位置を制御及び管理するために作動可能であってもよい。制御ユニット２０は、形成されるべき３次元ビルド部品１４の各層に対して少なくとも１つの電子ビーム３２の各々を制御するための命令を含むことができる。

概略的な直交図で図４に最もよく示されているように、少なくとも１つの検出器１８は、少なくとも１つの電子ビーム３２及びビルド部分１２に対して位置決めされ、作業サイクル中にビルド部分１２のリアルタイムかつ現場での監視を提供する。より具体的には、動作中、少なくとも１つの電子ビーム源１６は、溶融プール６６を形成する選択的な溶融プロセスで溶融するように粉末層６０を走査する。一実施形態では、溶融プロセス中に、溶融プール６６及び／または下にある層からの後方散乱エネルギ、より詳細には後方散乱電子６４、より詳細には少なくとも１つの電子ビーム３２と粉末層６０との間の相互作用からの後方散乱エネルギが、リアルタイムで検出され、検出器１８によるエネルギフィルタリングの有無にかかわらず、溶融プール６６及びサブ表面層６８内のあらゆる欠陥を分析することなどによって、後続の分析のために現場で検出され、その後、後続の粉末層の選択的溶融の前に識別及び修理することができる。開示されたシステム及び方法では、溶融ビームとも呼ばれる少なくとも１つの一次電子ビーム３２が検査プローブとして利用される。少なくとも１つの一次電子ビーム３２の使用は、二次走査を利用する層ごとの前溶融または後溶融検査戦略を改善し、これは、必要とされる追加の走査時間のために、かなりのプロセス時間ペナルティをもたらす。検出器２０は、溶融プール６６及びサブ表面層６８の分析を可能にすることにより、ビルド部分１４内のボイド、低密度ゾーン、異なる化学的性質を有するゾーン、汚染ゾーン等の検出をリアルタイムで且つ現場で提供する。

検出器１８は、入射する少なくとも１つの電子ビーム３２に対する散乱幾何学に基づいてビルドチャンバ１４内のビルド部分１２の上方に配置される。一実施形態によると、最適な検出器角度αは、４０°～８０°の範囲内にある。この角度に検出器１８を配置することにより、欠陥の最適な検出が得られる。検出器１８は、ビルド部品１４の微細構造、トポグラフィ、及び化学的性質の関数として、後方散乱エネルギ、より詳細には後方散乱電子６４、及び／または放射線を収集する。後方散乱電子６４は、ビルド部分１２の微細構造、トポグラフィ及び化学的性質によってその量及び方向が変化するであろう。

本明細書に記載されるようなビルド品質のリアルタイムかつ現場での監視及び分析は、少なくとも１つの電子ビーム１６によるエネルギ堆積中に瞬間的に発生するＸ線の検出に基づくこともできる。このタイプの検出は、表面欠陥（１００ｎｍ未満）のみを感知する光学的方法による熱シグネチャの位置合わせとは基本的に異なる。本明細書に記載される検出器２０は、層及び欠陥の形態を検知するために、かなり大きな深さ（数ミクロンから数十ミクロン）での探知を提供する。加えて、検出器２０のようなＸ線センサは、常にビルドチャンバ１４内に存在するバックグラウンド信号（散乱光、熱放射など）に敏感ではなく、通常、信号対雑音の低減により測定忠実度を劣化させる。

１つまたは複数の実施形態では、電子ビーム製造（ＥＢＭ）中のビルド品質を監視及び制御するためのシステム１０は、約２５ミリメートル（約１インチ）の幅及び約２５ミリメートル（約１インチ）の長さを有する２次元粉末層を処理するように動作可能な少なくとも１つの電子ビーム源１６を含むことができる。少なくとも１つの電子ビーム銃または電子源１６は、約０．１ミリメートルの幅及び約０．１ミリメートルの長さを有する２次元電子ビーム熱スポットを提供することができる。各２次元領域（例えば、約２５ミリメートル×約２５ミリメートルの領域）は、約６２，５００のサブ領域（例えば、異なる約０．１ミリメートル×約０．１ミリメートルのサブ領域）を含むことができる。

再び図１～図４を参照すると、第１の粉末層６０を開始プレート３２上に配置することができる。少なくとも１つの電子ビーム３２は、開始プレート３４の上に向けられ、第１の粉末層６０を選択された位置で融着させて、３次元ビルド部品１２の第１の層を形成することができる。例えば、制御ユニット２０は、第１の粉末層６０と係合する少なくとも１つの電子ビーム３２の位置を指示するように動作可能である。この第１の層の形成中に、少なくとも１つの検出器１８は、溶融プールまたは凝固層６６（図４）内の後方散乱電子６４（図４）を検出して、溶融プール６６または凝固層内の欠陥の存在を監視する。

先に示したように、検出器１８は、後方散乱電子６４を受け取るように構成され、制御ユニット２０の分析ソフトウェアと通信して、パターン化部分の固結速度を調整すること、電子ビーム３２の出力を調整すること、溶融プール６６のサイズを調整することなどによって、溶融プール６６または下にある粉末層４２の欠陥を検出したときにアクチュエータ２０及び／または少なくとも１つの電子ビーム源１６に調整を提供する。

存在する欠陥が対処され、第１の層が形成された後、第２の粉末層６０が第１の凝固層６８の上に設けられる。第２の粉末層６０の分配後、少なくとも１つの電子ビーム３２は、第２の粉末層６０を溶融する第２の粉末層６０上に向けられ、溶融プール６６を形成する。少なくとも１つの検出器１８は、欠陥の検出のために、第２の粉末層６０の溶融プール６６の後方散乱電子６４をリアルタイムで、かつ現場で継続的に監視する一方、少なくとも１つの電子ビーム３２は、第２の粉末層６０を選択された位置で融着させて、３次元ビルド部品１４の第２の断面を形成する。第２の層の溶融部分は、第１の層の溶融部分に結合されてもよい。第１及び第２の層の溶融部分は、最上層の粉末を溶融するだけでなく、最上層の直下の層の厚さの少なくとも一部を再溶融することによって、一緒に溶融することができる。

本開示の１つ以上の実施形態では、少なくとも１つの電子ビーム源１６は、約６０ｋＶ～１２０ｋＶの加速電圧を有し、約０ｋＷ～約１０ｋＷ、約２ｋＷ～約８ｋＷ、約５ｋＷ～約７ｋＷ、又は約６．５ｋＷの範囲のビームパワーを有する少なくとも１つの収束可能な電子ビーム３２を生成することができる。

一つ以上の実施形態では、３次元ビルド部品１２は、タービン翼又はブレードのようなタービン部品であってもよい。１つ以上の実施形態では、３次元ビルド部品１２は、タービン部品修理であってもよい。タービンブレードの修理のために、電子ビーム源のアレイは、１×１０個の電子ビーム源１６の直線アレイを含むことができる。

図５は、本開示による３次元ビルドマップ７０を適応的に形成するための方法のフローチャートを示す。ビルドマップ７０は、３Ｄ空間にマッピングされた複数のプロセスパラメータ及び検出された信号値の関数である。複数のプロセスパラメータは、電子源１６からの電子ビーム電流（Ｉ）と、集束コイル５６の１つ以上の集束コイル設定（Ｆ）とを含む。ビルドマップ７０の各ボクセルは、ビルドプラットフォーム２４の平行移動ビームプラットフォーム位置（Ｚ）及び各層内のスキャンコイル５８のスキャンコイル値（Ｘ、Ｙ）に対応する層識別によって識別される。

図６は、本開示による電子ビーム製造中にビルド品質を監視及び制御するための方法１００のフローチャートを示す。例えば、方法１００は、ステップ１１０において、少なくとも１つの電子ビーム源を提供することを含むことができる。次に、少なくとも１つの電子ビーム源は、ステップ１２０において、少なくとも１つの電子ビームを金属粉末の堆積層上に導いて溶融プールを形成するように、制御装置によって制御される。溶融プールの形成と同時に、検出器は、ステップ１３０において、ビルド部品の微細構造、トポグラフィ、及び化学的性質の関数として、後方散乱エネルギ、より詳細には後方散乱電子及び／または後方散乱放射線を監視して、溶融プールまたは下にある層における欠陥の存在を決定する。検出器は、検出された後方散乱エネルギを分析して欠陥が存在するかどうかを判定し、補正ステップを提供するために、コントローラに提出するために、後方散乱粒子及び／または放射線を現場でかつリアルタイムに監視するように構成される。次に、ステップ１４０において、制御装置は、溶融プール内の検出された欠陥に応答して少なくとも１つの電子ビーム及び／又はビルドプレートを調整するように、及び／又は堆積された金属粉末層又は下層のパターン化された部分を固めるように、少なくとも１つの電子ビーム源及び／又はアクチュエータに制御パラメータを提供する。このプロセスは、ステップ１５０で繰り返され、複数の堆積金属粉末層のパターン化された部分を順次圧密化して、３次元ビルド部分を適応的に形成する。

図７は、本開示の一実施形態による、少なくとも１つの電子ビーム源１６、少なくとも１つの検出器１８及びアクチュエータ２６に結合された、コントローラ２０のブロック図である。一実施形態では、コントローラ２０は、上述のプロセスを実行するためのプログラムコードなどのプログラムコードを格納及び／または実行するのに適しており、バス２２０を介してメモリ２０４に直接または間接的に結合された少なくとも１つのプロセッサ２０２を含む。動作中、プロセッサ２０２は、欠陥の存在に関する検出器１８からのデータに応答して、プロセッサによって実行される１つまたは複数の命令をメモリ２０４から取得する。メモリ２０４は、プログラムコードの実際の実行中に使用されるローカルメモリ、バルクストレージ、及びプログラムコード実行中にバルクストレージからコードを検索しなければならない回数を減らすために少なくとも何らかのプログラムコードの一時的なストレージを提供するキャッシュメモリを含むことができる。メモリ２０４の例の非限定的なリストは、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ、リードオンリーメモリ、消去可能プログラマブルリードオンリーメモリ、光ファイバ、ポータブルコンパクトディスクリードオンリーメモリ、光記憶装置、磁気記憶装置、または上記の任意の適切な組み合わせを含む。メモリ２０４は、オペレーティングシステム２０５及び１つまたは複数のコンピュータプログラム２０６を含み、付加製造システムに関連して上述したプロセスを実行し、欠陥についてビルド部品をリアルタイムで監視する。

一実施形態によると、少なくとも１つの検出器１８は、入力２１２を介してコントローラ２０に結合される。少なくとも１つの電子ビーム源１６及びアクチュエータ２６は、出力２１４を介してコントローラ２１４に結合される。入力／出力（Ｉ／Ｏ）装置２１２及び２１４を介したコントローラ２０への結合は、直接的に、またはＩ／Ｏコントローラ２１０を介してのいずれかであり得る。

ネットワークアダプタ２０８はまた、データ処理システムが、介在するプライベートまたは公衆ネットワークを介して他のデータ処理システムに結合されることを可能にするために、システムに結合されてもよい。モデム、ケーブルモデム及びイーサネット（登録商標）カードは、現在利用可能なタイプのネットワークアダプタ２０８のほんの一部である。一例では、ネットワークアダプタ２０８及び／または入力デバイス２１２は、３次元ビルド部品１４が形成されるビルドプロセスの少なくとも１つの検出器１８からデータを取得することを容易にする。

コントローラ２０は、１つまたは複数のデータベースを有する記憶装置２１６（例えば、磁気ディスクドライブ、光ディスクドライブ、テープドライブなどの不揮発性記憶領域）に結合することができる。記憶装置２１６は、内部記憶装置または接続されたまたはネットワークアクセス可能な記憶装置を含むことができる。記憶装置２１６内のコンピュータプログラムは、メモリ２０４にロードされ、当技術分野で公知の方法でプロセッサ２０２によって実行されてもよい。

コントローラ２０は、図示されているよりも少ないコンポーネント、本明細書に図示されていない追加のコンポーネント、または図示されているコンポーネントと追加のコンポーネントとの何らかの組合せを含むことができる。さらに、一実施形態では、少なくとも１つの検出器１８は、粒子後方散乱及び／または放射線を検出し、制御パラメータをコントローラ２０に送るために検出信号を分析するように構成することができる。コントローラ２０は、メインフレーム、サーバ、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、ラップトップ、ハンドヘルドコンピュータ、テレフォンデバイス、ネットワーク機器、仮想化デバイス、ストレージコントローラなど、当技術分野で公知の任意の計算装置を含むことができる。さらに、上述のプロセスは、クラスタ化されたコンピューティング環境の一部として働く複数のコントローラ２０によって実行されてもよい。

いくつかの実施形態では、本発明の態様は、１つまたは複数のコンピュータ可読媒体で実施されるコンピュータプログラム製品の形態をとることができる。１つ以上のコンピュータ可読媒体上にコンピュータ可読プログラムコードを具現化してもよい。様々なコンピュータ可読媒体（単数または複数）またはそれらの組合せを利用することができる。例えば、コンピュータ可読媒体は、コンピュータ可読記憶媒体を備えることができ、コンピュータ可読記憶媒体の例は、１つまたは複数の電子、磁気、光学、または半導体システム、装置、またはデバイス、あるいは前述のものの任意の適切な組合せを含む（ただし、これらに限定されない）。例えば、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、例えば、１つ以上のワイヤ、ポータブルコンピュータディスケット、ハードディスクまたは大容量記憶装置、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、及び／またはＥＰＲＯＭまたはフラッシュメモリなどの消去可能プログラマブル読み取り専用メモリ、光ファイバ、ポータブルコンパクトディスク読み取り専用メモリ（ＣＤ－ＲＯＭ）、光記憶装置、磁気記憶装置（テープ装置を含む）、または上記の任意の適切な組み合わせを有する電気的接続を含む。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、プロセッサのような命令実行システム、機器、または装置によって、またはそれに関連して使用するためのプログラムコードを含むか、または記憶することができる有形の媒体を含むように定義される。したがって、コンピュータ可読媒体上に格納されたプログラムコードは、プログラムコードを含む製造品（「コンピュータプログラム製品」など）を生成する。現場の監視からのものを含むすべてのビルドパラメータを記録することによって、偏りのないフォーマットで、欠陥を識別することができ、及び／または機器が仕様外にドリフトしているときに、ケモメトリックスまたは多変量統計分析などの高度なデータ分析アルゴリズムの使用が可能になる。

上記の説明は、例示的であり限定的ではないことを意図されていることを理解されたい。以下の特許請求の範囲及びその均等物によって定義される開示の一般的な思想及び範囲から逸脱することなく、当業者によって、本明細書において多数の変更及び修正を行うことができる。例えば、上記の実施形態（及び／またはその態様）は、互いに組み合わせて使用されてもよい。さらに、その範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を様々な実施形態の教示に適合させるために、多くの修正を行うことができる。本明細書に記載される材料の寸法及びタイプは、様々な実施形態のパラメータを定義することを意図しているが、それらは決して限定するものではなく、単に例示的なものである。多くの他の実施形態は、上記の説明により当業者には明白となるであろう。したがって、様々な実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲と、そのような特許請求の範囲が権利を有する均等物の全範囲とを参照して決定されるべきである。添付の特許請求の範囲において、用語「含む」は、用語「備える」の簡潔な用語の均等物として使用される。さらに、以下の特許請求の範囲において、用語「第１の」、「第２の」及び「第３の」などは、単にラベルとして使用され、それらの目的に数値的要件を課すことを意図していない。また、用語「動作可能に」は、結合された、接続された、接合された、密封されたなどの用語と併せて、本明細書では、別個の区別可能なコンポーネントが直接的または間接的に結合され、コンポーネントが一体的に形成された（すなわち、ワンピース、一体型、またはモノリシック）両方の接続を指すために使用される。さらに、以下の特許請求の範囲の限定は、ミーンズプラスファンクションフォーマットで書かれておらず、更なる構造の機能的な間隙の記述が続く用語「手段」を明示的に使用していない限り、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１２の第６段落に基づいて解釈されることを意図していない。上記のそのような目的または利点のすべてが、任意の特定の実施形態に従って達成され得るわけではないことを理解されたい。したがって、例えば、当業者は、本明細書で説明されるシステム及び技法が、本明細書で教示または示唆され得るような他の目的または利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示されるような１つの利点または利点のグループを達成または最適化する方法で実施または実行され得ることを認識するであろう。

本開示は、限定された数の実施形態のみに関連して詳細に説明されてきたが、本開示は、そのような開示された実施形態に限定されないことが容易に理解されるべきである。むしろ、本開示は、これまでに記載されていないが、本開示の思想及び範囲に相応する、任意の数の変形、変更、置換、または同等の構成を組み込むように修正することができる。さらに、様々な実施形態を説明してきたが、本開示の態様は、説明した実施形態のうちのいくつかのみを含むことができることを理解されたい。したがって、本開示は、前述の説明によって限定されるものと見なされるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

本明細書は、最良の形態を含む例を使用し、また、任意のデバイスまたはシステムを作製及び使用すること、並びに任意の組み込まれた方法を実行することを含めて、任意の当業者が本開示を実施することを可能にする。本開示の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者に想起される他の例を含むことができる。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの言語と異なる構造要素を有する場合、またはそれらが特許請求の範囲の文字通りの言語と実質的に異なる同等の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることが意図される。

Claims (18)

1. ビルド部品の電子ビーム製造中のビルド品質を監視及び制御するシステムであって、
   ハウジングと、
   ビルドチャンバ内に配置されたビルドプラットフォームと、
   前記ビルドチャンバ内の前記ビルドプラットフォームを移動させるアクチュエータと、
   を含む、前記ビルドチャンバと、
   溶融プールを形成するため、前記ビルドチャンバ内、かつ、前記ビルドプラットフォーム上に配置された金属粉末の層上に、少なくとも１つの電子ビームを向ける少なくとも１つの電子ビーム源と、
   前記ビルド部品の少なくとも１つの欠陥を検出するために前記少なくとも１つの電子ビームに曝されている領域及び前記溶融プールから放出された後方散乱エネルギをリアルタイムで検出し、前記欠陥を表す検出信号を生成するように構成されている検出器と、
   前記検出信号を受信し、分析し、前記ビルドプラットフォーム上の前記金属粉末の層上に前記少なくとも１つの電子ビームを向け、３次元ビルド部品を適応的に形成するように前記金属粉末の層のパターン化された部分を連続的に固化させるように、少なくとも１つの電子ビーム源及び少なくとも１つの前記アクチュエータを制御する補正信号を生成するように構成されているコントローラと、
   を含み、
   溶融プールを形成するために、前記ビルドプラットフォーム上に配置された金属粉末の複数の堆積層上及び前記ビルドチャンバ内に複数の電子ビームを向ける複数の電子ビーム源を含み、
   前記複数の電子ビームの少なくとも１つは、専用のビルド分析ビームである、
   システム。
2. 前記ビルド部品の前記欠陥は、前記ビルド部品の微細構造、密度、トポグラフィ、及び化学的性質の少なくとも１つである、
   請求項１に記載のシステム。
3. 前記検出器は、前記ビルド部品の密度、トポグラフィ、微細構造、及び化学的性質の少なくとも１つをリアルタイムかつ現場での検出を提供するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
4. 前記後方散乱エネルギは、前記金属粉末及び前記溶融プールの少なくとも１つから放出される後方散乱電子、二次電子、オージェ電子、後方散乱光子、及び放射線の少なくとも１つである、請求項１に記載のシステム。
5. 前記検出器は、エネルギ感知光子計数検出器である、請求項１に記載のシステム。
6. 前記検出器が、少なくとも１つのエネルギ及び波長分散コンポーネントを含む、請求項１に記載のシステム。
7. 前記検出器は、前記ビルドチャンバ内の既存のポートに後付けされた後付け検出器である、請求項１に記載のシステム。
8. 前記ビルド部品は、タービン部品及びタービン部品修理の１つを含む、請求項１に記載のシステム。
9. 金属粉末の複数の堆積層から３次元ビルドを適応的に形成するシステムであって、
   ハウジングと、
   ビルドチャンバ内に配置されたビルドプラットフォームと、
   前記ビルドチャンバ内の前記ビルドプラットフォームを移動させるアクチュエータと、
   を含む、前記ビルドチャンバと、
   溶融プールを形成するため、前記ビルドチャンバ内、かつ、前記ビルドプラットフォーム上に配置された金属粉末の堆積層上に、少なくとも１つの電子ビームを向ける少なくとも１つの電子ビーム源と、
   前記少なくとも１つの電子ビームに曝されている領域及び前記溶融プールから放出された後方散乱エネルギをリアルタイムに検出し、検出は、微細構造、密度、トポグラフィ、及び化学的性質の少なくとも１つにおける欠陥を示し、前記欠陥を表す検出信号を生成するように構成されている検出器と、
   前記検出信号を受信し、分析し、補正信号を生成するプロセッサと、
   前記補正信号を受信し、前記ビルドプラットフォーム上の前記金属粉末の堆積層上に前記少なくとも１つの電子ビームを向け、３次元ビルド部品を適応的に形成するように複数の前記金属粉末の堆積層のパターン化された部分を連続的に固化させるように、少なくとも１つの電子ビーム源及び少なくとも１つの前記アクチュエータの制御を提供するように構成されているコントローラと、
   専用のビルド分析ビームと、
   を含むシステム。
10. 前記後方散乱エネルギは、前記溶融プール及び下にある粉末層の少なくとも１つから放射される後方散乱電子、二次電子、オージェ電子、後方散乱光子、及び放射線の少なくとも１つである、請求項９に記載のシステム。
11. 前記検出器は、エネルギ感知光子計数検出器である、請求項９に記載のシステム。
12. 前記検出器が、少なくとも１つのエネルギ及び波長分散型Ｘ線分析器を含む、請求項９に記載のシステム。
13. 前記検出器は、前記ビルドチャンバ内の既存のポートに後付けされた後付け検出器である、請求項９に記載のシステム。
14. 前記少なくとも１つの電子ビーム源は、前記複数の堆積層に対して固定され、
    前記コントローラは、前記金属粉末の複数の堆積層上に前記少なくとも１つの電子ビーム源を個々に向けるように動作可能である、
    請求項９に記載のシステム。
15. 前記コントローラは、単結晶構造を有する３次元部品を形成するために、前記補正信号に応じて、前記複数の金属粉末の堆積層の前記パターン化された部分を固化する速度を最適化するように動作可能である、請求項９に記載のシステム。
16. ビルド部品の電子ビーム製造中のビルド品質を監視及び制御する方法であって、
    （ａ）少なくとも１つの電子ビーム源を提供し、
    （ｂ）溶融プールを形成するために、金属粉末の堆積層に少なくとも１つの電子ビームを向けるために、前記少なくとも１つの電子ビーム源を制御し、
    （ｃ）前記溶融プール及び表面層の少なくとも１つの欠陥の存在を判定するために、少なくとも１つの前記溶融プールから後方散乱エネルギをリアルタイムで検出し、
    （ｄ）前記溶融プール内の検出された欠陥に応じて、少なくとも１つの電子ビーム及びビルドプレートを調整し、前記金属粉末の堆積層のパターン化された部分を固化するために、アクチュエータ及び前記電子ビーム源の少なくとも１つを制御する、
    （ｅ）３次元ビルド部品を形成するために、（ａ）～（ｄ）を繰り返し、
    溶融プールを形成するために、ビルドプラットフォーム上に配置された金属粉末の複数の堆積層上及びビルドチャンバ内に複数の電子ビームを向ける複数の電子ビーム源を含み、
    前記複数の電子ビームの少なくとも１つは、専用のビルド分析ビームである、
    方法。
17. 前記制御することが、単結晶構造を有する前記３次元ビルド部品を形成するために、前記溶融プール内の検出された欠陥に応じて、複数の前記金属粉末の堆積層の前記パターン化された部分を固化する速度を最適化する、ことを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記３次元ビルド部品が、タービン部品またはタービン部品修理である、請求項１６に記載の方法。

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