JP7097391B2 - 付加製造制御システム - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、その全体が参照により本明細書に明示的に組み込まれている２０１７年４月２８日に出願した「ＡＤＤＩＴＩＶＥ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ ＣＯＮＴＲＯＬ ＳＹＳＴＥＭＳ」と題する米国特許出願第１５／５８２，４５７号の利益を主張するものである。

本開示は一般的に付加製造システムに関し、より詳細には、付加製造における制御システムに関する。

３Ｄプリンタシステムとしても説明される付加製造（ＡＭ：Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）システムは、従来の製造プロセスでは作成することが困難または不可能ないくつかの形状を含む、幾何学的に複雑な形状を有する構造体（造形片と称される）を作成することができる。粉末床融合（ＰＢＦ：Ｐｏｗｄｅｒ－ｂｅｄ ｆｕｓｉｏｎ）システムなどのＡＭシステムは、レイヤごとに造形片を作成する。それぞれのレイヤまたは「スライス」は粉末のレイヤを堆積すること、および粉末の部分をエネルギービームに曝すことによって形成される。エネルギービームはレイヤにおける造形片の断面に一致する粉末レイヤのエリアを溶融するためにあてられる。溶融粉末は冷却し、造形片のスライスを形成するように融合する。造形片の次のスライスを形成するためにプロセスを次々と繰り返すことができる。それぞれのレイヤは前のレイヤの上部に堆積される。得られる構造は下から上までスライスごとに組み立てられた造形片である。

造形片は、所望の形状、所望の材料密度、所望の機械的特性などの所望の印刷パラメータに適合するよう期待される。しかしながら、造形片はしばしば、所望の印刷パラメータにぴったり適合しないことがある。場合によっては、適合性の欠如は、造形片の形状を訂正するためにサンディング（sanding）、やすり加工（filing）などの後処理の技法を必要とすることがあり、製造コストを上昇させることがある。場合によっては、造形片を直せ（fixed）ずに破棄しなければならないことがあり、それによって歩留まりが下がり、著しく製造コストを上昇させることがある。

ＡＭにおける制御システムのための装置および方法のいくつかの態様を、以降でより詳しく説明する。

様々な態様において、粉末床融合のための装置は、エネルギービームを発生させるエネルギービーム源と、物体モデルに基づいて三次元（３Ｄ）物体を作成するために粉末材料を融合させるためにエネルギービームをあてる偏向器とを含む粉末床融合システムと、粉末材料を融合させることに関する情報を取得するキャラクタライザと、情報に基づいて物体モデルからの変動を決定する比較器と、変動に基づいて粉末材料へのエネルギーの印加を修正する補償器とを含むことができる。

様々な態様において、粉末床融合のための装置は、３Ｄ物体を印刷するための命令を与える適応コントローラであって、命令は３Ｄ物体のデータモデルに基づいている、適応コントローラと、命令に基づいて３Ｄ物体を印刷する粉末床融合システムと、印刷された３Ｄ物体の少なくとも一部分の形状を感知し、変動パラメータを決定するために感知された形状を参照形状と比較し、変動パラメータに基づいて命令を更新するように構成されるフィードバックシステムとを含むことができる。

様々な態様において、粉末床融合のための方法は、エネルギービームを発生させることと、物体モデルに基づいて３Ｄ物体を作成するために粉末材料を融合させるためにエネルギービームをあてることと、粉末材料を融合させることに関する情報を取得することと、情報に基づいて物体モデルからの変動を決定することと、情報に基づいて粉末材料へのエネルギーの印加を修正することとを含むことができる。

様々な態様において、粉末床融合のための方法は、３Ｄ物体を印刷するための命令を与えることであって、命令は３Ｄ物体のデータモデルに基づいている、命令を与えることと、命令に基づいて３Ｄ物体を印刷することと、印刷された３Ｄ物体の少なくとも一部分の形状を感知することと、変動パラメータを決定するために感知された形状を参照形状と比較することと、変動パラメータに基づいて命令を更新することとを含むことができる。

例示としてほんのいくつかの実施形態を示し説明している以下の詳細な説明から、他の態様が当業者にとって容易に明らかとなろう。当業者によって理解されるように、本明細書の概念は、他のおよび異なる実施形態にも可能であり、様々な他の観点においてすべて本開示から逸脱することなく、いくつかの詳細が修正可能である。したがって、図面および詳細な説明は、性質において限定としてではなく例示として見なされるものである。

次に、様々な態様が、添付の図面において、限定ではなく例として詳細な説明において提示される。

動作の異なる工程の間の、例示のＰＢＦシステムを図示している。 動作の異なる工程の間の、例示のＰＢＦシステムを図示している。 動作の異なる工程の間の、例示のＰＢＦシステムを図示している。 動作の異なる工程の間の、例示のＰＢＦシステムを図示している。 ＰＢＦシステムにおいて張り出しエリアをもたらし得る例示のたわみ変形の側面図を示している。 閉ループ制御を含む例示のＰＢＦ装置を示している。 フィードフォワード制御を含む例示のＰＢＦ装置を示している。 比較器の例示の動作を示す。 修正された印刷命令を使用する粉末レイヤへの例示のエネルギーの印加を示している。 修正された印刷命令を使用する粉末レイヤへの例示のエネルギーの印加を示している。 修正された印刷命令を使用する粉末レイヤへの例示のエネルギーの印加を示している。 ＰＢＦシステムのための閉ループ補償の例示の方法を示すフローチャートである。 修正された印刷命令を使用する粉末レイヤへの別の例示のエネルギーの印加を示している。 修正された印刷命令を使用する粉末レイヤへの別の例示のエネルギーの印加を示している。 修正された印刷命令を使用する粉末レイヤへの別の例示のエネルギーの印加を示している。 ＰＢＦシステムのためのフィードフォワード補償の例示の方法を示すフローチャートである。 後処理閉ループ制御を含む例示のＰＢＦ装置を示している。 後処理閉ループ制御を含む例示のＰＢＦ装置を示している。 後処理閉ループ制御を含む例示のＰＢＦ装置を示している。 後処理閉ループ制御を含む例示のＰＢＦ装置を示している。 後処理閉ループ制御を含む例示のＰＢＦ装置を示している。 ＰＢＦシステムのための補償の別の例示の方法を示すフローチャートである。

添付の図面と併せて以下で説明される詳細な説明は、本明細書で開示される概念の様々な例示の実施形態の説明を提供するよう意図されており、本開示が実践され得る実施形態だけを表現することは意図されていない。本開示で使用される用語「例示の」は、「例、事例、または図示として機能する」ことを意味しており、必ずしも本開示で提示される他の実施形態より好ましい、または有利であると解釈されるべきではない。詳細な説明は当業者に概念の範囲をすべて伝達する徹底的かつ完全な開示を提供する目的のための具体的な詳細を含む。しかしながら、本開示はこれらの具体的な詳細なしに実践され得る。いくつかの事例において、本開示にわたって提示される様々な概念を曖昧にすることを避けるために、良く知られている構造および構成要素がブロック図の形態で示され得、または全体的に省略され得る。

本開示は粉末床融合（ＰＢＦ：Ｐｏｗｄｅｒ－Ｂｅｄ Ｆｕｓｉｏｎ）などのＡＭにおける制御システムを対象としている。現在のＰＢＦシステムは構成要素の幾何学的な正確さを±２０μｍと±１３０μｍとの間、Ｒ_ａ＝２５μｍの表面粗さで達成することができる。ＰＢＦによって達成可能な最小壁厚は１５０μｍである。一方、電子ビーム溶融（ＥＢＭ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｍｅｌｔｉｎｇ）システムはＲ_ａ＝４０μｍ、および最小壁厚７００μｍを達成することができる。このことは、滑らかな表面またはサブミリメートルの特徴が必要とされる場合に問題となる。さらには、一部の３Ｄ印刷された部品の内部的な特徴は不連続溶融ベクタ、「ボーリング」効果、偏りのある粉末分布、および不完全溶融などの現象のために均一でないことがある。これらの現象は寸法上の正確さ、速度、およびスループットを制限することがある。

非均一性の１つの理由としては、エネルギービームに曝される粉末材料のエリアが、材料が溶融して固まり固体の塊へ固化する際に、体積的な収縮を経ることを挙げることができる。この点において、溶融したエリアの高さが粉末床の残りの部分よりも低くなることがあり、次の粉末レイヤの堆積の間、粉末材料の厚みのあるレイヤがこれらのエリアの上部に堆積されることにつながる。様々な実施形態において、粉末の余分な厚みを決定することができ、粉末の余分な厚みを溶融するために必要とされるエネルギーの上昇分を補償するように粉末材料へのエネルギーの印加を上昇させることができる。この手法は、例えば、それぞれのレイヤを完全に溶融させて３Ｄ造形片の間隙（porosity）を減少させることを確実にする。

様々な実施形態において、造形片は物体モデルに基づいて造形することができ、物体モデルは造形片の所望の形状を指定することができる。物体モデルは、密度、内部応力、融合の完全性などの、造形片の他の所望の特性をやはり含むことができる。印刷処理の前、間、および／または後に、物体モデルからの変動を決定することができる。例えば、実際の造形片の収縮は、実際の造形片を造形片の物体モデルと比較することによって決定することができる。収縮は次の粉末レイヤに堆積される余分な厚みの粉末につながり得る。収縮のエリアの上の、粉末レイヤの余分な厚みは、例えば決定された収縮に基づいて決定することができる。いくつかの実施形態において、収縮は実際の造形片の形状を感知する（例えば、光学的な測定により）ことによってリアルタイムに決定することができる。いくつかの実施形態において、収縮は、例えば熱的要因、重力的要因などを考慮することにより実際の造形片の形状を予測することができる物理学ベースのモデルに基づいて、印刷処理に先立って決定することができる。

様々な実施形態において、３Ｄプリンタの正確さとスループットの改善は、環境の温度、湿度、材料の化学組成および粒度の変動、レーザ強度、レイヤ厚、ならびに近くの部品の幾何形状における変動を補償することによって達成され得る。

様々な実施形態において、３Ｄプリンタは標準化された試験部品／パターンを印刷することができ、次いで物体モデルとの比較のために走査され得る。幾何学的データからの偏差および分散が測定され計算され得る。次に、製造造形片の印刷を開始する前に、プリンタ性能の変動について補償が行われ得る。

様々な実施形態において、それぞれのレイヤを印刷する前後に、造形片の光学走査を実施することができる。粉末被覆処理の後、粉末床を走査し、粉末材料の分布を決定するために、監視システムをセットアップすることができる。粉末が覆われていないエリアがある場合、被覆メカニズムを再度アクティブ化させてレイヤを被覆することができる。それぞれのレイヤが走査された後、監視システムを利用することによって改善を行うことができる。エネルギービームの走査において見落とされたエリアがある場合、または粉末材料の部分的にしか溶融を経ていないエリアがある場合、これらのエリアを再走査するようにエネルギービームをアクティブ化することができる。

様々な実施形態において、自己較正による正確さのために、高解像度の熱画像システムを使用して閉フィードバックループを作成することができる。高解像度の熱画像デバイスはエネルギービーム照射の間、不連続性または転移について溶融ベクタの形成を監視することができる。フィードバックループは、幾何学的な正確さおよび印刷品質が維持されるように、溶融ベクタの横滑りおよび幅について補償することができる。較正試験片（Calibration coupons）は画像システムの正確さを保証するために恒久的に造形チャンバ内に取り付けられてもよい。

図１Ａ～Ｄは、動作の異なる工程の間の、例示のＰＢＦシステム１００のそれぞれの側面図を図示している。上述のように、図１Ａ～Ｄに図示した特定の実施形態は、本開示の原理を採用するＰＢＦシステムの多くの適切な例の１つである。本開示の図１Ａ～Ｄおよび他の図面の要素は必ずしも縮尺通りに描かれておらず、本明細書で説明される概念のより良い図示を目的として大きくまたは小さく描かれ得ることにも留意すべきである。ＰＢＦシステム１００は金属粉末のそれぞれのレイヤを堆積することができるデポジタ１０１、エネルギービームを発生させることができるエネルギービーム源１０３、粉末材料を融合させるためにエネルギービームをあてることができる偏向器１０５、および造形片１０９などの１つまたは複数の造形片を支持することができる造形プレート１０７を含むことができる。ＰＢＦシステム１００はまた粉末床収容部内に位置付けられた造形フロア１１１を含むこともできる。粉末床収容部１１２の壁は全体的に粉末床収容部の境界を画定しており、壁１１２の間で側方から挟まれて、下方で造形フロア１１１の部分に当接している。造形フロア１１１は、デポジタ１０１が次のレイヤを堆積することができるように次第に造形プレート１０７を下げる。全体のメカニズムを他の構成要素を囲い込むことができるチャンバ１１３に存在させることができ、それにより機器を保護しており、雰囲気および温度の調節を可能にし、汚染リスクを軽減している。デポジタ１０１は金属粉末などの粉末１１７を含むホッパ１１５、堆積した粉末のそれぞれのレイヤの上部をならすことができるレベラ１１９を含むことができる。

具体的に図１Ａを参照すると、この図面は、造形片１０９のスライスが融合された後ではあるが、粉末の次のレイヤが堆積されてしまう前のＰＢＦシステム１００を示している。実際には、図１ＡはＰＢＦシステム１００が、造形片１０９の現在の状態、例えば１５０のスライスから形成したものを形成するために、既に複数のレイヤ、例えば１５０のレイヤのスライスを堆積して融合してしまった時点を図示している。既に堆積された複数のレイヤが、堆積されたが融合はしていない粉末を含む粉末床１２１を形成している。

図１Ｂは造形フロア１１１が粉末レイヤ厚１２３の分下がることができる工程にあるＰＢＦシステム１００を示している。造形フロア１１１を下げることにより、造形片１０９および粉末床１２１を粉末レイヤ厚１２３の分降下させ、それによって造形片および粉末床の上部が、粉末床収容部壁１１２の上部よりも粉末レイヤ厚に等しい厚みの分低くなる。このやり方で、例えば、粉末レイヤ厚１２３と等しい一貫した厚みのある空間が造形片１０９および粉末床１２１の上部の上に作成され得る。

図１Ｃは、デポジタ１０１が粉末１１７を造形片１０９および粉末床１２１の上面に作成され、また粉末床収容部壁１１２によって境界画定された空間に堆積させるように位置付けられる工程にあるＰＢＦシステム１００を示している。この例において、デポジタ１０１はホッパ１１５から粉末１１７を放出しながら画定された空間の上を次第に移動する。レベラ１１９は放出された粉末をならして粉末レイヤ厚１２３に実質的に等しい厚み（図１Ｂ参照）を有する粉末レイヤ１２５を形成することができる。したがって、ＰＢＦシステム内の粉末は粉末材料支持構造によって支持することができ、例えば造形プレート１０７、造形フロア１１１、造形片１０９、壁１１２などを含むことができる。図示された粉末レイヤ１２５の厚み（すなわち、粉末レイヤ厚１２３（図１Ｂ））は、図１Ａを参照して上記で議論した１５０の先に堆積したレイヤを伴う例に使用される実際の厚みよりも厚いことに留意すべきである。

図１Ｄは、粉末レイヤ１２５の堆積に続いて（図１Ｃ）、エネルギービーム源１０３がエネルギービーム１２７を発生させ、偏向器１０５が造形片１０９の次のスライスを融合するためにエネルギービームをあてる工程にあるＰＢＦシステム１００を示している。様々な例示の実施形態において、エネルギービーム源１０３は電子ビーム源であり得、その場合エネルギービーム１２７は電子ビームを構成する。偏向器１０５は電子ビームを選択的に偏向させる電場または磁場を発生させることができる偏向板を含むことができ、電子ビームを融合されるよう指定されたエリアを横切って走査させる。様々な実施形態において、エネルギービーム源１０３はレーザであり得、その場合エネルギービーム１２７はレーザビームである。偏向器１０５は、反射および／または屈折を使用してレーザビームを操作して融合されるよう選択されたエリアを走査する、光学システムを含むことができる。

様々な実施形態において、偏向器１０５はエネルギービームを位置付けるためにエネルギービーム源を回転および／または並進させることができる１つまたは複数のジンバルおよびアクチュエータを含むことができる。様々な実施形態において、エネルギービーム源１０３および／または偏向器１０５はエネルギービームを調節することができ、例えばエネルギービームが粉末レイヤの適当なエリアだけにあてられるように、偏向器が走査するのに伴ってエネルギービームをオンおよびオフにすることができる。例えば、様々な実施形態において、エネルギービームはデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）によって調節することができる。

図２はＰＢＦシステムにおいて張り出しエリアにつながり得る例示のたわみ変形の側面図を示している。図２は造形プレート２０１および粉末床２０３を示している。粉末床２０３の中にあるものは造形片２０５である。比較のために物体モデル２０７が破線で図示されている。一実施形態において、物体モデル２０７は、造形片をレンダリングするように、使用のためにＡＭプロセッサへの入力としてＣＡＤで作成されたデータモデルからのデータを含んでいる。物体モデル２０７は、造形片の所望の形状を示している。造形片２０５は多くの場所で物体モデル２０７に重なっており、すなわちそれは変形のない場所である。したがって、張り出し境界２１０の右のエリアにおいて、造形片２０５を特徴づける実線は物体モデル２０７で定義される破線と重なっている。しかしながら、たわみ変形が張り出しエリア２０９で起こっている。この例において、張り出しエリア２０９は互いの上部に融合した複数のスライスから形成される。この場合、張り出しエリア２０９が造形片２０５の本体から延在するにつれ変形はひどくなっている。

変形、高い残留応力などのいくつかの問題は、融合が直接緩い粉末の上で起こらなくても、１つのレイヤの粉末が下にあるレイヤのスライスの縁部近くで融合するエリアに起こり得ることに留意すべきである。例えば、下にあるスライスの縁部近くで粉末を融合させる際、予期せず高温が起こることがあるが、それは熱を伝達して逃がすための融合した材料が下に少ないためである。下にあるスライスが鋭利な縁部を形成する場合これらの問題は特に重大なものとなり得る。

図３は閉ループ制御を含む例示のＰＢＦ装置３００を示している。図３は造形プレート３０１、粉末床３０３、および造形片３０５を示している。エネルギー印加システム３０９は堆積した粉末レイヤにおいて粉末材料を融合させるためにエネルギーをあてることができる。図示のために、この図面では粉末デポジタは示されていない。エネルギー印加システム３０９はエネルギーアプリケータ３１０を含むことができ、エネルギーアプリケータ３１０はエネルギービーム源３１１および偏向器３１３を含むことができる。エネルギー印加システムはまた、プロセッサ３１４、およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、コンピュータ記憶ディスク（例えば、ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブ）などのコンピュータメモリ３１５を含むことができる。メモリ３１５は物体モデル３１６および印刷命令３１７を記憶することができる。印刷命令３１７は印刷処理においてそれぞれの粉末レイヤのための命令を含むことができ、また命令はエネルギービーム源３１１および偏向器３１３がそれぞれの粉末レイヤをどのように走査するかを制御することができる。例えば、印刷命令３１７は走査速度、ビーム出力、ビーム融合の場所など印刷パラメータを制御することができる。印刷命令３１７は物体モデル３１６に基づいてプロセッサ３１４によって決定することができる。換言すると、プロセッサ３１４は走査速度、ビーム出力、ビーム融合の場所などを決定することにより印刷命令３１７を生成し、物体モデル３１６に基づいて造形片３０５のそれぞれのスライスを形成することができる。エネルギーアプリケータ３１０はメモリ３１５から印刷命令３１７を受信することができ、印刷命令に基づいて造形片３０５を作成するために粉末材料を融合させるためにエネルギービームをあてることができる。

ＰＢＦ装置３００は粉末材料を融合させることに関する情報を取得するキャラクタライザ３１９を含むことができる。この例において、キャラクタライザ３１９は造形片３０５の形状についての情報を感知することができるセンサ３２１であることができる。例えば、センサ３２１はカメラなどの光学センサを含むことができる。センサ３２１は形状情報３２３、例えば、造形片３０５の寸法上の測定値、を感知することができ、形状情報を比較器３２５に送信することができる。例えば、造形片３０５のそれぞれのスライスがエネルギー印加システム３０９によって融合された後、粉末材料の次のレイヤが堆積され感知された形状を形状情報３２３として比較器３２５に送信する前にセンサ３２１は造形片の形状を感知することができる。

比較器３２５はメモリ３１５から物体モデル３１６を取得することができ、また物体モデルと形状情報３２３の比較を実施して物体モデルからの変動を決定することができる。例えば、造形片３０５のいくつかの部分は物体モデル３１６にくらべてたわんでいる。比較器３２５は補償器３２７にその変動の情報を送信することができる。補償器３２７はその変動に基づいて印刷命令３１７を修正することができる。例えば、変動に基づいて、補償器３２７はレイヤの残りの部分よりも厚くなる次の粉末レイヤのエリアを決定することができる。補償器３２７は、厚みのあるエリアにある粉末材料が適当に融合されることを確実にするために、印刷命令３１７を修正して次の走査において厚みのある粉末エリアでエネルギーの印加を上昇させることができる。例えば、補償器３２７は印刷命令３１７を修正して厚みのあるエリアでビーム出力を上昇させることができ、かつ／またはこれらのエリアへより多くのエネルギーをあてるために厚みのあるエリアでの走査速度を減少させることができる。

様々な実施形態において、キャラクタライザ３１９は融合粉末材料の縁部の情報を感知する縁部センサを含むことができる。例えば、スライスの縁部において、または縁部の近くでは、融合に伴う問題がしばしば起きることがある。これらの場合において、縁部センサはスライスの縁部の形状についての有益な情報を与えることができる。様々な実施形態において、縁部センサは融合した粉末材料の縁部の形状、場所、高さなどの情報を感知することができる。

様々な実施形態において、キャラクタライザは熱情報を感知する熱センサ、例えば熱電対、赤外センサなどを含むことができる。様々な実施形態において、キャラクタライザはカメラなどの光学センサを含むことができる。

図４はフィードフォワード制御を含む例示のＰＢＦ装置４００を示している。図４は造形プレート４０１、粉末床４０３、および造形片４０５を示している。エネルギー印加システム４０９は堆積した粉末レイヤにおいて粉末材料を融合させるためにエネルギーをあてることができる。図示のために、この図面では粉末デポジタは示されていない。エネルギー印加システム４０９はエネルギーアプリケータ４１０を含むことができ、エネルギーアプリケータ４１０はエネルギービーム源４１１および偏向器４１３を含むことができる。エネルギー印加システムはまた、プロセッサ４１４、およびＲＡＭ、コンピュータ記憶ディスクなどのコンピュータメモリ４１５を含むことができる。メモリ４１５は物体モデル４１６および印刷命令４１７を記憶することができる。印刷命令４１７は印刷処理においてそれぞれの粉末レイヤのための命令を含むことができ、また命令はエネルギービーム源４１１および偏向器４１３がそれぞれの粉末レイヤをどのように走査するかを制御することができる。例えば、印刷命令４１７は走査速度、ビーム出力、ビーム融合の場所など印刷パラメータを制御することができる。

この例において、印刷命令４１７は物体モデル４１６および物理学ベースのモデル４１８に基づいてプロセッサ４１４によって決定することができる。特に、プロセッサ４１４は粉末材料を融合させることに関する情報を取得することができるキャラクタライザ４１９を含むことができる。より具体的に、キャラクタライザ４１９はメモリ４１５から印刷命令４１７を受信することができ、物理学的なモデリングを印刷命令に適用することにより造形片４０５の物理学ベースのモデル４１８を決定することができる。例えば、キャラクタライザ４１９は物理学的なモデリングを使用して印刷命令４１７に基づいて造形片の形状を予測することができるメモリ４１５に記憶されるソフトウェアを実行することができる。造形片の予測された形状が物理学ベースのモデル４１８であり、メモリ４１５に記憶される。この例において、図４は、物理学ベースのモデル４１８の形状が造形片の縁部エリアでのたわみを含んでいることを図示している。たわみは、流体力学的なモデリングに基づいて加熱された粉末材料の挙動をモデリングすること、熱力学的なモデリングに基づいてビーム加熱の有効性を決定すること、物理的な構造モデリングに基づいて粉末材料の堆積による力を決定すること、などにより決定されていてもよい。

したがって、物理的なモデル４１８によると、造形片が現在メモリ４１５に記憶されている印刷命令４１７を使用して印刷される場合、造形片はたわみ部分を有するであろう。しかしながら、印刷命令４１７は、たわみを消滅または減少させるために印刷処理に先立って修正することができる。特に、プロセッサ４１４の比較器４２５はメモリ４１５から物体モデル４１６および物理学ベースのモデル４１８を受信することができ、また物体モデルと物理学ベースのモデルの比較を実施して物体モデルからの変動を決定することができる。このやり方で、比較器４２５は物理学ベースのモデル４１８の一部が物体モデル４１６と比較するとたわんでいると決定することができる。比較器４２５はプロセッサ４１４の補償器４２７にその変動の情報を送信することができる。補償器４２７はその変動に基づいて印刷命令４１７を修正することができる。例えば、変動に基づいて、補償器４２７は物理学ベースのモデル４１８によるとたわむであろうエリアにより少ないエネルギーをあてるべきであると決定することができる。補償器４２７はたわみを防ぐ、または減らすために印刷命令４１７を修正してこれらのエリアにおけるエネルギーの印加を減少させることができる。例えば、補償器４２７は印刷命令４１７を修正して、これらのエリアにおけるビーム出力を減少させることにより、および／またはこれらのエリアにおける走査速度を上昇させることにより、たわむであろうエリアにあてるエネルギーを少なくさせることができる。このやり方で、例えば、物理学ベースのモデルに基づいて印刷動作に先立って、印刷命令４１７を修正することができる。

様々な実施形態において、上記処理の複数回の繰り返しを実施することができる。例えば、修正された印刷命令４１７はキャラクタライザ４１９にフィードバックされることができ、キャラクタライザは更新された物理学ベースのモデルを決定することができ、比較器４２５は更新された物理学ベースのモデルを物体モデル４１６と比較して更新された変動を補償器４２７に送信することができ、また補償器は修正された印刷命令を更新することができる。繰り返しは、例えば変動が閾値公差より小さくなるまで続けることができる。この時点で、修正された印刷命令４１７を印刷に使用することができる。

エネルギーアプリケータ４１０はメモリ４１５から修正された印刷命令４１７を受信することができ、修正された印刷命令に基づいて造形片４０５を作成するために粉末材料を融合させるためにエネルギービームをあてることができる。フィードフォワード制御のこの例において、印刷命令が印刷に先立って修正されているため、造形片４０５は正しい形状を有している。

したがって、物理学ベースのモデルを利用する様々な実施形態において、印刷命令のセットを印刷処理に先立って作成することができる。キャラクタライザは印刷処理が始まる前に、もともとの印刷命令のセットに基づいて物理学ベースのモデルを決定することができる。比較器は物理学ベースのモデルを物体モデルと比較してモデル同士の間の変動を決定することができる。補償器は、実際の造形片が物体モデルにしたがって印刷されるように、印刷命令を修正して変動について補償することができる。さらには、様々な実施形態において、印刷命令を修正する処理は、印刷命令の第１の修正されたセットを生成することができ、物理学ベースのモデルが印刷命令の第１の修正されたセットに基づいて更新されることができ、更新された物理学ベースのモデルが物体モデルと比較されることができ、あらゆる変動が閾値公差よりも大きい場合は印刷命令の第２の修正されたセットを決定することができる、繰り返し処理であることができ、この処理はいかなる変動も閾値公差より大きくならなくなるまで繰り返すことができる。

図５は比較器５００の例示の動作を示している。比較器５００はメモリ５０２から物体モデル５０１を受信することができる。比較器５００はまたメモリ、センサなどの造形情報源５０４から造形情報５０３を受信することができる。造形情報５０３は、例えば、図３のセンサ３２１からの形状情報３２３などの、センサによって取得される造形片の情報であることができる。造形情報５０３は例えば、図４の物理学ベースのモデル４１８などの、物理学ベースのモデルの情報であることができる。比較器５００は比較動作５０５を実施して物体モデル５０１と造形情報５０３との間の変動を決定することができる。この例において、比較動作５０５は変動５０７および変動５０９を決定する。変動５０７は造形片の欠落している部分である空間であり、すなわち造形片の一部分を含むべき空間であるのにも関わらず、造形片の部分を含んでいない空間である。変動５０９は余分の造形片の部分を含む空間であり、すなわち造形片の部分を含むべきではない空間であるのにも関わらず、造形片の部分を含んでいる空間である。変動５０７および５０９は補償器５１１に送信され、印刷命令への修正を決定することができる。

様々な実施形態において、変動はサイズ、形状（例えば、変形）、融合の完全性、場所などを含むことができる。様々な実施形態において、キャラクタライザは、エネルギービームがエリアにある粉末材料に所定の時間あてられた後、粉末レイヤのエリアにある粉末材料の融合が完全であるかどうかを感知することができ、所定の時間の後粉末材料の融合が不完全である場合、補償器は印刷命令を修正して追加のエネルギーをエリアにある粉末材料にあてることができる。例えば、修正された印刷命令はエネルギーの余分な印加を含むことができ、例えばエネルギービームはスライスが走査されてしまった後不完全な融合のエリアに引き返すことができる。

様々な実施形態において、造形情報は例えばたわんでいるレイヤのうち１つにおける融合した粉末材料の場所のセンサ情報を含むことができる。この場合、粉末の次のレイヤが堆積する時、たわみエリアの上の粉末レイヤは、粉末レイヤの他のエリアよりも厚くなる。補償器は、厚みのある粉末のレイヤが完全に融合されることを確実にするために、前のレイヤにおけるたわみエリアの上に堆積した粉末材料のエリアにあてるエネルギーを上昇させることができる。このやり方で、例えば、所望の高さまでの高さを造形するために、たわみエリアを融合粉末で埋めることができる。

様々な実施形態において、造形情報は物理学ベースのモデルの情報を含むことができ、その情報は例えば、たわみが起こる前にたわみのエリアを予測できる。この場合、たわみを防ぐため、または減らすために、印刷命令を修正することができる。例えば、補償器は、高エネルギーがあてられればたわむであろう粉末材料のエリアにあてられるエネルギーを減少させることができる。このやり方で、例えば、たわみのための補償を、たわみが起こる前に実施することができる。

様々な実施形態において、物理学ベースのモデルは例えば気化による融合した粉末材料の損失を特徴づけることができる。様々な実施形態において、物理学ベースのモデルは融合した粉末材料の溶融プール粘度を特徴づけることができる。

様々な実施形態において、上の変動５０９などの造形片の余分な部分である変動だけ補償するように、印刷命令を修正することができる。例えば、造形片の一部分が、造形片を含むようには意図されていない空間に向かって上向きに膨らんでいる場合、印刷命令は次のスライスを形成する際にその膨らみの上では少ない粉末を融合させるよう修正することができる。

様々な実施形態において、上記の変動５０７などの造形片が欠落している部分である変動だけ補償するように、印刷命令を修正することができる。例えば、たわみが起こってリアルタイムの補償が使用される場合、造形片を含むように意図されていない空間へのたわんでしまった造形片の部分を訂正することは可能ではないことがある。この場合、下記の図６の例に図示するように、印刷命令が修正されて、次のスライスを形成する際にたわみエリアの上の空間ではより多くの粉末を融合させることができる。このやり方で、例えば、造形片の欠落した部分を訂正することができるが、その下にあるたわみ部分は残る。たわみ部分は印刷処理の後、例えばやすり加工、サンディングなどによって除去することができる。

図６Ａ～Ｃは修正された印刷命令を使用する粉末レイヤへの例示のエネルギーの印加を示している。図６Ａに示されるように、ＰＢＦ装置６００は、粉末床６０５内で造形片６０３がその上で形成される造形プレート６０１を含む。粉末床６０５は所望の粉末レイヤ厚み６０９を有する粉末レイヤ６０７を含む。粉末レイヤ６０７の一部分は、造形片６０３のたわみ部分の上に厚みのある粉末レイヤ厚み６１１を有しており、したがって、所望の粉末レイヤの厚み６０９よりも厚い。ＰＢＦ装置６００はまたエネルギービーム源６１３および偏向器６１５を含む。造形片６０３のたわみ部分の上の粉末レイヤ６０７の厚くなった厚みを補償するために修正された印刷命令６１７が生成されている。この例において、修正された印刷命令６１７はエネルギービーム源６１３のビーム出力を修正している。

図６Ｂは厚みのある粉末レイヤ厚み６１１を有する粉末レイヤ６０７の一部分において、修正されたビーム出力を使用して粉末を融合させることを図示している。具体的に、厚みのある粉末レイヤ厚み６１１を有する粉末レイヤ６０７の一部分を融合させるために、修正された印刷命令６１７は、粉末レイヤの厚みのある部分の上を走査する際高出力エネルギービーム６１９を達成できるよう、エネルギービーム源６１３にビーム出力を上昇させるよう指示する。このやり方で、例えば、粉末が完全に融合され得るように、より多くのエネルギーを厚みのある粉末レイヤ厚み６１１を有する粉末レイヤ６０７の一部分にあてることができる。

図６Ｃは所望の粉末レイヤ厚み６０９を有する粉末レイヤ６０７の一部分で粉末を融合させることを図示している。この場合、修正された印刷命令６１７は、エネルギービーム源６１３に低出力エネルギービーム６２１を達成するよう、ビーム出力を下げるよう指示することができ、それは所望の粉末レイヤ厚み６０９を有する粉末を完全に融合させるために使用されるビーム出力であることができる。

図７はＰＢＦシステムのための閉ループ補償の例示の方法を示すフローチャートである。ＰＢＦシステムはエネルギービームを発生させることができ（７０１）、物体モデルを有する三次元（３Ｄ）物体を作成するために粉末材料を融合させるためにエネルギービームをあてることができる（７０２）。ＰＢＦシステムは粉末材料を融合させることに関する情報を取得することができる（７０３）。例えば、情報は造形片の形状（例えば、変形、たわみなど）、融合の完全性などのセンサ情報を含むことができる。ＰＢＦシステムは情報に基づいて物体モデルからの変動を決定することができる（７０４）。例えば、情報が特定のエリアにおけるたわみを示す場合、システムはたわみの量を決定することができる。ＰＢＦシステムは情報に基づいて粉末材料へのエネルギーの印加を修正することができる（７０５）。例えば、システムはたわみの量の情報に基づいて厚みのある粉末のエリアを完全に融合させるためにエネルギービームのビーム出力を上昇させることができる。様々な実施形態において、エネルギーの印加を修正することは印刷命令を修正することを含むことができる。様々な実施形態において、エネルギーの印加を修正することは、１つまたは複数のセンサからのフィードバックに基づくビーム出力、走査速度などのリアルタイムの修正を含むことができる。例えば、温度センサは粉末を溶融するためには低すぎるビームの場所の温度を感知することができ、ビーム出力を感知された温度に基づいて上昇させることができる。様々な実施形態において、エネルギーの印加を修正することは次のレイヤについての印刷命令を修正することによって実現され得、例えば前のレイヤにおけるたわみが検出される場合、前のレイヤのたわみ部分の上にある次のレイヤにおいて粉末を融合させるためにビーム出力を上昇させることができる。

図８Ａ～Ｃは修正された印刷命令を使用する粉末レイヤへの別の例示のエネルギーの印加を示している。図８Ａに示されるように、ＰＢＦ装置８００は、粉末床８０５内で造形片８０３がその上で形成される造形プレート８０１を含む。粉末床８０５は粉末レイヤ８０７を含む。粉末レイヤ８０７の一部分は張り出しエリア８０９にある。ＰＢＦ装置８００はまたエネルギービーム源８１３および偏向器８１５を含む。

この例において、フィードフォワード処理（図４を参照して上述のように）が実施されており、張り出しエリア８０９において粉末レイヤ８０７を融合させる際に起こるであろうたわみを補償するように修正される印刷命令８１７を決定する。この例において、修正された印刷命令８１７は偏向器８１５のビーム走査速度を修正している。

図８Ｂは張り出しエリア８０９内の粉末レイヤ８０７の一部分において、修正されたビーム走査速度を使用して粉末を融合させることを図示している。具体的に、たわみを引き起こすことなく張り出しエリア８０９において粉末レイヤ８０７の一部分を融合させるために、修正された印刷命令８１７は偏向器８１５にビーム走査速度を上昇させるように指示し、張り出しエリア８０９で走査する際高速走査エネルギービーム８１９を達成する。このやり方で、例えば、融合粉末がたわむことがないように、より少ないエネルギーを張り出しエリア８０９において粉末レイヤ８０７の一部分にあてることができる。

図８Ｃは張り出しエリア８０９の外側の粉末レイヤ８０７の一部分で粉末を融合させることを図示している。この場合、修正された印刷命令８１７は偏向器８１５に低速走査エネルギービーム８２１を達成するよう、ビーム走査速度を下げるよう指示することができ、それは張り出しエリアにない粉末を融合させるために使用されるビーム走査速度であることができる。

図９はＰＢＦシステムのためのフィードフォワード補償の例示の方法を示すフローチャートである。ＰＢＦシステムは粉末材料を融合させることに関する情報を取得することができる（９０１）。例えば、情報は造形片の形状（例えば、変形、たわみなど）、融合の完全性などを予測する物理学ベースのモデルを含むことができる。ＰＢＦシステムは情報に基づいて物体モデルからの変動を決定することができる（９０２）。例えば、情報が特定のエリアにおけるたわみを予測する場合、システムはたわみの量を決定することができる。ＰＢＦシステムは情報に基づいて粉末材料へのエネルギーの印加を修正することができる（９０３）。例えば、システムは予測されたたわみの量の情報に基づいてたわみを防ぐためにエネルギービームの走査速度を上昇させることができる。様々な実施形態において、エネルギーの印加を修正することは印刷命令を修正することを含むことができる。ＰＢＦシステムはエネルギービームを発生させることができ（９０４）、物体モデルを有する三次元（３Ｄ）物体を作成するために粉末材料を融合させるためにエネルギービームをあてることができる（９０５）。

図１０Ａ～Ｅは後処理閉ループ制御を含む例示のＰＢＦ装置１０００を示している。図１０Ａは印刷が完了した後のＰＢＦ装置１０００を図示している。ＰＢＦ装置１０００は造形プレート１００１を含む。粉末床１００３および第１の完成された造形片１００５が造形プレート１００１の上にある。ＰＢＦ装置はまた、エネルギービーム源１０１１および偏向器１０１３を伴うエネルギービームアプリケータ１００９を含むエネルギー印加システム１００７、物体モデル１０１７を含むメモリ１０１５、印刷命令１０１９、比較器１０２１、ならびに補償器１０２３を含む。ＰＢＦ装置１０００はまた物体スキャナ１０２５を含む。

この例において、第１の完成された造形片１００５は物体モデル１０１７に基づいて印刷された第１の造形片である。図１０Ａに示されるように、印刷命令１０１９はメモリ１０１５から物体モデル１０１７を取得し、印刷命令は物体モデルに基づいている。しかしながら、第１の完成された造形片１００５は物体モデル１０１７と比較すると正しい形状ではない部分を有する。したがって、ＰＢＦ装置１０００は図１０Ｂ～Ｅに示されるような補償手順を実施する。

図１０ＢはＰＢＦ装置１０００の物体走査手順を示している。具体的に、第１の完成された造形片１００５は物体スキャナ１０２５によって走査され、第１の完成された造形片の形状の寸法情報を取得する。寸法情報は走査情報１０２７として比較器１０２１に送信される。加えて、比較器１０２１はメモリ１０１５から物体モデル１０１７を受信する。比較器１０２１は図１０Ｃに示される比較動作を実施して物体モデル１０１７と走査情報１０２７との間の変動を決定することができる。

図１０Ｃは比較器１０２１の動作を示している。比較器１０２１はメモリ１０１５から物体モデル１０１７を受信し、物体スキャナ１０２５から走査情報１０２７を受信する。比較器１０２１は比較動作１０２９を実施して物体モデル１０１７と走査情報１０２７との間の変動１０３１を決定し、変動を補償器１０２３に送信する。

図１０Ｄは補償器１０２３の動作を示している。補償器１０２３はメモリ１０１５から物体モデル１０１７を受信し、比較器１０２１から変動１０３１を受信する。補償器１０２３は補償動作１０３３を実施し、補償された物体モデル１０３５を決定する。補償された物体モデル１０３５から生成された印刷命令は物体モデル１０１７と一致する造形片の印刷をもたらすことになる。換言すると、補償された物体モデル１０３５は第１の完成された造形片１００５を印刷する際発生した誤差を補償する。補償器１０２３は補償された物体モデル１０３５をメモリ１０１５に記憶されるように送信する。

図１０Ｅは、補償された物体モデル１０３５を使用して印刷することによって得られる、第２の完成された造形片１０３７を図示している。第２の完成された造形片１０３７を印刷する際、印刷命令１０１９は補償された物体モデル１０３５に基づいている。このやり方で、例えば、第２の完成された造形片１０３７の形状は物体モデル１０１７の形状に一致することができる。実際、補償された物体モデル１０３５がいったん決定されていると、すべての後続の造形片は物体モデル１０１７の形状に一致することができる。

図１１はＰＢＦシステムのための補償の別の例示の方法を示すフローチャートである。ＰＢＦシステムは３Ｄ物体を印刷するための印刷命令を与えることができ（１１０１）、その印刷命令に基づいて３Ｄ物体を印刷することができる（１１０２）。例えば、システムは図１０Ａの第１の完成された造形片１００５などの第１の造形片を印刷することができる。ＰＢＦシステムは印刷された３Ｄ物体の少なくとも一部分の形状を感知することができる（１１０３）。例えば、第１の造形片は物体スキャナ１０２５などの物体スキャナによって走査することができる。ＰＢＦシステムは印刷された３Ｄ物体の形状を物体モデル１０１７などの参照形状と比較し、形状における寸法上の差異などの変動パラメータを決定することができる（１１０４）。ＰＢＦシステムは変動パラメータに基づいて印刷命令を更新することができる（１１０５）。例えば、印刷命令は、変動パラメータによって決定することができる補償された物体モデル１０３５などの補償された物体モデルに基づいて更新することができる。

前述の説明はあらゆる当業者が本明細書で説明される様々な態様を実践できるようにするために提供される。本開示を通して提示されるこれらの例示の実施形態に対する様々な修正は、当業者にとって容易に明らかになるであろう。したがって、特許請求の範囲は本開示を通して提示されるこれらの例示の実施形態に限定されるよう意図されていないが、文言通りの特許請求の範囲と一貫する完全な範囲に与えられるものである。既知の、または後に当業者に知られることになる、本開示を通して説明されるこれらの例示の実施形態の要素に対するすべての構造的な、および機能的な等価物は、特許請求の範囲によって包含されるよう意図されている。さらに、本明細書で開示されているものは、そのような開示が特許請求の範囲に明示的に述べられているかどうかに関わらず、公共に捧げられることを意図されていない。要素が語句「ｍｅａｎｓ ｆｏｒ」を使用して明示的に述べられない限り、または方法クレームの場合、要素が語句「ｓｔｅｐ ｆｏｒ」を使用して述べられない限り、クレーム要素は、米国特許法第１１２条（ｆ）の既定、または該当する管轄権にある類似の法の下で解釈されない。

Claims (20)

1. エネルギービームを発生させるエネルギービーム源と、物体モデルに基づいて三次元（３Ｄ）物体を作成するために粉末材料を融合させるために前記エネルギービームをあてる偏向器とを含む粉末床融合システムと、
   前記粉末材料を融合させることに関する情報であって、融合した粉末材料の損失を特徴づける情報を取得するキャラクタライザと、
   前記情報に基づいて前記物体モデルからの変動を決定する比較器と、
   前記融合した材料の損失を補償するために、前記変動に基づいて前記粉末材料への前記エネルギービームの印加を修正する補償器と
   を備える、粉末床融合のための装置。
2. 前記補償器が、前記エネルギービームの印加を修正するために、前記エネルギービームの出力を調節するようにさらに構成される、請求項１に記載の装置。
3. 前記補償器が、前記エネルギービームの印加を修正するために、前記偏向器の速度を調節するようにさらに構成される、請求項１に記載の装置。
4. 前記キャラクタライザが熱情報を感知するように構成される熱センサを含み、前記情報が前記熱情報を含む、請求項１に記載の装置。
5. 前記情報が、複数のレイヤのうち第１のレイヤにおいて融合した粉末材料の場所を含み、前記補償器が、前記複数のレイヤのうち第２のレイヤにおいて前記場所のすぐ上に堆積した粉末材料にあてられる前記エネルギービームの出力を上昇させることによって前記エネルギービームの印加を修正するようにさらに構成される、請求項１に記載の装置。
6. 前記キャラクタライザが、前記エネルギービームがエリアにある前記粉末材料に所定の時間あてられた後、複数のレイヤのうち第１のレイヤにおいて前記エリアにある前記粉末材料を融合させることが完全であるかどうかを感知するように構成され、前記所定の時間の後前記粉末材料を融合させることが不完全である場合、前記補償器が、前記エリアにある前記粉末材料への前記エネルギービームの出力を上昇させることによって前記エネルギービームの印加を変化させるように構成される、請求項１に記載の装置。
7. 前記キャラクタライザが光学センサを含み、前記情報が前記光学センサから取得した光学情報を含む、請求項１に記載の装置。
8. 前記情報が物理学ベースのモデルを含む、請求項１に記載の装置。
9. 前記融合した粉末材料の前記損失が気化によって引き起こされる、請求項１に記載の装置。
10. エネルギービームを発生させるステップと、
    物体モデルに基づいて三次元（３Ｄ）物体を作成するために粉末材料を融合させるために前記エネルギービームをあてるステップと、
    前記粉末材料を融合させることに関する情報であって、融合した粉末材料の損失を特徴づける情報を取得するステップと、
    前記情報に基づいて前記物体モデルからの変動を決定するステップと、
    前記融合した材料の損失を補償するために、前記情報に基づいて前記粉末材料への前記エネルギービームの印加を修正するステップと
    を含む、粉末床融合のための方法。
11. 前記粉末材料への前記エネルギービームの印加を修正するステップが、前記エネルギービームの出力を調節するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記粉末材料への前記エネルギービームの印加を修正するステップが、前記エネルギービームがあてられる速度を調節するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
13. 前記情報が熱情報を含む、請求項１０に記載の方法。
14. 前記情報が、複数のレイヤのうち第１のレイヤにおいて融合した粉末材料の場所を含み、前記エネルギービームの印加を修正するステップが、前記複数のレイヤのうち第２のレイヤにおいて前記場所のすぐ上に堆積した粉末材料にあてられる前記エネルギービームの出力を上昇させるステップを含む、請求項１０に記載の方法。
15. 前記エネルギービームがエリアにある前記粉末材料に所定の時間あてられた後、複数のレイヤのうち第１のレイヤにおいて前記エリアにある前記粉末材料を融合させることが完全であるどうかを感知するステップをさらに含み、補償器が、前記エリアにある前記粉末材料への前記エネルギービームの出力を上昇させることによって前記粉末材料への前記エネルギービームの印加を変化させるように構成される、請求項１０に記載の方法。
16. 前記情報が光学情報を含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記情報が物理学ベースのモデルを含む、請求項１０に記載の方法。
18. 前記融合した粉末材料の損失が気化によって引き起こされる、請求項１７に記載の方法。
19. エネルギービームを発生させるエネルギービーム源と、物体モデルに基づいて三次元（３Ｄ）物体を作成するために粉末材料を融合させるために前記エネルギービームをあてる偏向器とを含む粉末床融合システムと、
    前記粉末材料を融合させることに関する情報であって、融合した粉末材料の溶融プール粘度を特徴づける情報を取得するキャラクタライザと、
    前記情報に基づいて前記物体モデルからの変動を決定する比較器と、
    前記溶融プール粘度を補償するために、前記変動に基づいて前記粉末材料へのエネルギーの印加を修正する補償器と
    を備える、粉末床融合のための装置。
20. エネルギービームを発生させるステップと、
    物体モデルに基づいて三次元（３Ｄ）物体を作成するために粉末材料を融合させるために前記エネルギービームをあてるステップと、
    前記粉末材料を融合させることに関する情報であって、融合した粉末材料の溶融プール粘度を特徴づける情報を取得するステップと、
    前記情報に基づいて前記物体モデルからの変動を決定するステップと、
    前記溶融プール粘度を補償するために、前記情報に基づいて前記粉末材料へのエネルギーの印加を修正するステップと
    を含む、粉末床融合のための方法。

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