JP7515519B2 - Metal powder analysis method and device - Google Patents

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Description

本発明は、金属粉末を分析するための方法及び装置に関し、限定するわけではないが、特に積層造形プロセス(additive manufacturing (AM))で使用される金属粉末を分析するための方法および装置に関する。 The present invention relates to methods and apparatus for analyzing metal powders, particularly but not exclusively, for analyzing metal powders used in additive manufacturing (AM) processes.

既知の積層造形プロセスでは、積層造形機によって粉末金属または合金から物品が製造される。積層造形機では、造形用プラットフォーム(build platform)上に粉末の層が堆積され、粉末がレーザーまたは電子ビームにより選択的に融解されて、1つまたは複数の物品が形成される。このプロセスが繰り返されることにより、物品が一層ずつ形成されていく。 In a known additive manufacturing process, articles are produced from powdered metals or alloys using an additive manufacturing machine. In the machine, layers of powder are deposited on a build platform and selectively melted with a laser or electron beam to form one or more articles. The process is repeated to build the article layer by layer.

造形が完了すると、未融解の粉末を別の造形に再利用することができる。 Once the build is complete, the unmelted powder can be reused for another build.

造形プロセスで使用される金属粉末の組成および状態によって、プロセスによって形成される物品の完全性が大きく影響される可能性がある。 The composition and condition of the metal powder used in the building process can significantly affect the integrity of the article formed by the process.

たとえば、造形工程中に、融解していない粉末が劣化することがある。金属粉末は徐々に酸化してその特性が変化することがあり、結果的に粉末から製造された物品の特性が変化してしまう。通常、粉末が酸化する傾向は温度とともに増加し、高温への暴露によって他の粉末特性も影響を受ける可能性がある。その結果、融解していない粉末が構築中の物品すなわちヒートゾーンに近いほど、劣化する可能性が高くなる。 For example, during the build process, unmelted powder can degrade. Metal powders can gradually oxidize and change their properties, which in turn changes the properties of the article produced from the powder. Typically, the tendency of powders to oxidize increases with temperature, and other powder properties can also be affected by exposure to high temperatures. As a result, the closer unmelted powder is to the article being built, i.e., the heat zone, the more likely it is to degrade.

また、粉末が融解する際に、このプロセスにより、加熱された粉末の粒子が粉末床から製造された物品の周囲に飛散し、物品の周囲の未融解粉末の品質が低下してしまうこともある。 Also, as the powder melts, the process can cause particles of the heated powder to fly out of the powder bed and into the surrounding area of the manufactured article, compromising the quality of the unmelted powder surrounding the article.

造形物の適切な品質を確保するために、使用済み粉末を分析し、ある程度まで劣化した粉末の再利用を停止すること、および/または未使用粉末を再利用粉末と混合することで、混合粉末が継続使用できるような適切なバルク特性を持つようにすることが知られている。別の手法では、粉末のバッチが再利用される回数に一定の上限を設けている。 To ensure adequate build quality, it is known to analyze used powder and stop reusing powder that has degraded to a certain extent, and/or to mix unused powder with recycled powder so that the mixed powder has adequate bulk properties for continued use. Another approach places a certain upper limit on the number of times a batch of powder may be reused.

これらの手法には多くの問題がある。 There are many problems with these methods.

粉末の状態は、通常、バルク酸素含有量の測定を行うことによって分析される。測定プロセスには、再利用できない粉末サンプルを検査することが含まれている。さらに重要なことには、再利用粉末と未使用の粉末とを混合して全体的なバルク酸素含有量が所望のしきい値を下回っている混合粉末を生成する際に、バルク酸素含有量(または他のバルク)測定では、再利用のための粉末の適合性に関して誤った結果を与える可能性があることが発明者によって認識されている。これは、バルク酸素含有量が望ましいしきい値を下回っていても、造形に重大な悪影響を与える可能性のある、高度に酸化またはその他の原因で劣化した粒子の存在に関する感度が高くないためである。 Powder condition is typically analyzed by making a bulk oxygen content measurement. The measurement process includes testing a powder sample that cannot be reused. More importantly, it has been recognized by the inventors that when recycled powder is mixed with virgin powder to produce a mixed powder with an overall bulk oxygen content below a desired threshold, the bulk oxygen content (or other bulk) measurement may give erroneous results regarding the suitability of the powder for reuse. This is because even if the bulk oxygen content is below the desired threshold, it is not sensitive to the presence of highly oxidized or otherwise degraded particles that may have a significant adverse effect on the build.

粉末を再利用する回数に概略の制限を設けることは、比較的粗雑な手法であり、特定の造形によって発生する可能性のある粉末の劣化量が考慮されていない。劣化の性質と程度は、造形によって大幅に異なる可能性がある。 Setting a rough limit on the number of times powder can be reused is a relatively crude approach and does not take into account the amount of powder degradation that may occur from a particular print. The nature and extent of degradation can vary significantly from print to print.

粉末の既存の検査方法は破壊検査であるため、その結果は実際に再利用される粉末とは関係がなく、通常はその粉末の平均的な状態の近似値である。 Existing testing methods for powders are destructive, so the results are not relevant to the powder that will actually be reused and are usually only an approximation of the average condition of the powder.

粉末の組成と状態の他の側面も、造形の品質に影響を与える可能性がある。 Other aspects of the powder composition and condition can also affect the quality of the print.

汚染粒子の存在は、高度に酸化された粒子の存在と同様の影響を与える可能性がある。積層造形機で粉末の層が形成される際の密集度と同様に、粒子のサイズと形状も造形に影響を与える可能性がある。 The presence of contaminating particles can have a similar effect to the presence of highly oxidized particles. The size and shape of the particles can also affect the build, as can the density with which the powder layer is formed in the AM machine.

本発明の実施形態の目的は、これらの問題のいくつかまたはすべてに対処することである。特に、本発明の実施形態の目的は、非破壊的な方法で粉末状態を分析するための改善された方法および装置を提供することである。 It is an object of embodiments of the present invention to address some or all of these problems. In particular, it is an object of embodiments of the present invention to provide improved methods and apparatus for analyzing powder conditions in a non-destructive manner.

本発明の第1の態様によれば、積層造形プロセスで使用する金属粉末を分析するための方法が提供され、この方法は、前記粉末を融解せずに、前記粉末の領域を電磁スペクトルの不可視部分における放射線を含む電磁放射線で照射する工程と、前記粉末の照射領域の別々の部分から戻った電磁スペクトルの不可視部分における放射線を含む照射放射線を別々に検出して、検出された放射線に基づいた出力を生成する工程と、前記出力を処理して、前記粉末の1つまたは複数の特性を特定する工程と、を備えている。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a method for analysing a metal powder for use in an additive manufacturing process, the method comprising irradiating a region of the powder with electromagnetic radiation, including radiation in the invisible portion of the electromagnetic spectrum, without melting the powder; separately detecting the irradiated radiation, including radiation in the invisible portion of the electromagnetic spectrum, returned from separate portions of the irradiated region of the powder to generate an output based on the detected radiation; and processing the output to identify one or more properties of the powder.

本発明の第2の態様によれば、積層造形プロセスで使用する金属粉末を分析するための装置が提供され、この装置は、前記粉末を融解せずに、前記粉末の領域を電磁スペクトルの不可視部分における放射線を含む電磁放射線で照射する照射装置と、前記粉末の照射領域の別々の部分から戻った電磁スペクトルの不可視部分における放射線を含む照射放射線を別々に検出して、検出された放射線に基づいた出力を生成する検出器と、前記出力を処理して、前記粉末の1つまたは複数の特性を特定するプロセッサと、を備えている。 According to a second aspect of the present invention, there is provided an apparatus for analysing a metal powder for use in an additive manufacturing process, the apparatus comprising: an illumination device for illuminating a region of the powder with electromagnetic radiation, including radiation in the invisible portion of the electromagnetic spectrum, without melting the powder; a detector for separately detecting the illumination radiation, including radiation in the invisible portion of the electromagnetic spectrum, returned from separate portions of the irradiated region of the powder to generate an output based on the detected radiation; and a processor for processing the output to identify one or more characteristics of the powder.

この方法は、任意の適切な環境で実行することができる。粉末は、検査容器に入れられた検査用粉末のサンプルであり得る。あるいは、積層造形機またはパイプまたは導管などの粉末搬送装置で分析を行うことができる。したがって、該装置は、検査装置、粉末搬送装置、または積層造形装置に含まれ得る。 The method may be carried out in any suitable environment. The powder may be a sample of test powder placed in a test container. Alternatively, the analysis may be carried out in an additive manufacturing machine or a powder delivery device such as a pipe or conduit. Thus, the device may be included in an inspection device, a powder delivery device, or an additive manufacturing device.

放射線は、紫外線および/または赤外光などのいくつかの不可視光を含む光であり、さらに可視光を含み得る。照射装置は、LEDを含むランプ、白熱灯および/または放電ランプなどの任意の適切な照射装置を含み得る。造形プロセスにおいて積層造形機で粉末を融解するように動作するレーザー形成部などのレーザーを使用して、(低電力モードで)、粉末を照射することも可能である。照射手段は、粉末のすべての領域を同時に、または領域の一部を別々に照射することができる。照射手段は、粉末の領域にわたって放射線のビームを走査することができる。 The radiation is light, including some invisible light, such as ultraviolet and/or infrared light, and may also include visible light. The irradiating device may include any suitable irradiating device, such as lamps, including LEDs, incandescent and/or discharge lamps. It is also possible to irradiate the powder (in low power mode) using a laser, such as a laser forming section that operates to melt the powder in an additive manufacturing machine in a modeling process. The irradiating means may irradiate all areas of the powder simultaneously or parts of the areas separately. The irradiating means may scan a beam of radiation over the area of the powder.

1つまたは複数の照射装置が設けられる場合、それらは、金属粉末が導入される筐体内に設けられるか、あるいは、障壁を介して粉末のサンプルに照射でき、さらには戻ってきた照射放射線を受け取ることができるように構成された開口部内に設けられることが好ましい。筐体は、対象の波長での金属粉末の制御された照射を可能にするために、対象の波長での電磁放射線の侵入を防止するか、または少なくとも制限することができる。筐体は、実質的に遮光性を有するか、あるいは実質的に遮光性を有するように構成することができる。筐体は、積層造形機、または粉末搬送、製造、加工、または処理装置に含まれ得る。 When one or more irradiation devices are provided, they are preferably provided in an enclosure into which the metal powder is introduced or in an opening configured to irradiate the powder sample through a barrier and also receive return irradiation radiation. The enclosure can prevent or at least limit the ingress of electromagnetic radiation at the wavelength of interest to allow controlled irradiation of the metal powder at the wavelength of interest. The enclosure can be substantially light-tight or configured to be substantially light-tight. The enclosure can be included in an additive manufacturing machine or a powder transport, manufacturing, processing, or handling device.

粉末の領域は、粉末の表面、特に平面であり得る。この方法は、積層造形機の適切な容器、造形用プラットフォーム、あるいは粉末用凹部に粉末を載置することを含むので、粉末が実質的に平面の上面を有し、その表面が照射される。あるいは、この方法は、粉末の製造、加工または搬送のための容器などの粉末収容構造の一部を形成する適切な透明な障壁を通して粉末を照射することを含み得る。そのような障壁は平面であり得るが、一般に円形の断面を有するパイプの壁部または窓部のように湾曲していてもよい。 The region of powder may be a surface of the powder, in particular a planar surface. The method may involve placing the powder in a suitable container, build platform or powder recess of an additive manufacturing machine, so that the powder has a substantially planar upper surface, which surface is irradiated. Alternatively, the method may involve irradiating the powder through a suitable transparent barrier forming part of a powder containment structure, such as a container for the manufacture, processing or transport of the powder. Such a barrier may be planar, but may also be curved, such as the wall or window of a pipe having a generally circular cross section.

粉末は密集した状態であり得る。粉末が密集される程度は、測定を行う前に所定の方法または回数で粉末を軽くたたくことによって、および/または測定の前に粉末を前処理漏斗に通すことなどよって制御することができる。粉末は、粉末が検出器に対して実質的に不透明であるように、照射された表面から十分な深さを有することが好ましい。 The powder may be dense. The degree to which the powder is dense may be controlled by tapping the powder in a predetermined manner or number of times before taking the measurement and/or by passing the powder through a pretreatment funnel before the measurement. The powder preferably has a sufficient depth from the illuminated surface so that the powder is substantially opaque to the detector.

装置は、照射装置および検出器から検査される粉末を分離するために、対象の放射の波長を透過するかあるいは少なくとも部分的に透過する窓部などの障壁を含み得る。装置は、使用中に、密集した形態の粉末が障壁を通して観察可能となるように、粉末が障壁によって支持されるかまたは障壁によって収容されるように配置される。したがって、照射装置は、窓部に照射するように配置され、検出器は、窓から、窓の下の位置から、または窓が実質的に垂直である場合は窓の横に並んで放射を受け取るように配置される。 The apparatus may include a barrier, such as a window, transparent or at least partially transparent to the wavelength of radiation of interest to separate the powder being inspected from the illuminator and the detector. The apparatus is arranged such that, in use, the powder is supported or contained by the barrier such that a densely packed form of the powder is observable through the barrier. Thus, the illuminator is arranged to irradiate the window and the detector is arranged to receive radiation from the window, from a position below the window, or alongside the window if the window is substantially vertical.

障壁が水平または実質的に水平である場合、粉末は密集した形態で障壁に支持される。障壁が水平または実質的に水平でない場合、例えば、容器またはパイプの側壁または窓部である場合は、粉末が窓部に対して積み重なるように収容されるような配置となる。ここで、パイプまたは導管の場合、窓から離れる下流方向に、窓部に対して粉末が積み重なるように作用するバルブまたは流量制限器を含み得る。 If the barrier is horizontal or substantially horizontal, the powder is supported by the barrier in a compacted form. If the barrier is not horizontal or substantially horizontal, for example a side wall or window of a container or pipe, the arrangement is such that the powder is contained in a piled up position against the window. Here, in the case of a pipe or conduit, it may include a valve or flow restrictor that acts to pile the powder against the window in the downstream direction away from the window.

粉末は、粉末のバッチから採取された粉末のサンプルである。粉末は、未使用の粉末または積層造形プロセスですでに使用されている再利用粉末の場合がある。粉末は、プロセスのさまざまな段階で分析でき、プロセスの複数のポイントで分析できる。したがって、粉末を分析するための装置は、積層造形機および粉末搬送および処理装置の様々なポイントに配置される。たとえば、粉末は、以下のプロセスの段階の1つ以上または任意に組み合わされた段階において分析可能である。すなわち、積層造形機への搬送中、積層造形機の粉末用容器内、積層造形機のプラットフォーム上、積層造形機内の粉末床内、積層造形機内の造形用容器内、積層造形機から搬送される際、ふるい分け工程後、および別の粉末と混合した後などに分析可能である。 The powder is a sample of powder taken from a batch of powder. The powder may be virgin powder or recycled powder that has already been used in an additive manufacturing process. The powder may be analyzed at various stages of the process and may be analyzed at multiple points in the process. Thus, devices for analyzing the powder are located at various points in the additive manufacturing machine and in the powder transport and handling equipment. For example, the powder may be analyzed at one or more or any combination of the following stages of the process: during transport to the additive manufacturing machine, in the powder container of the additive manufacturing machine, on the additive manufacturing machine platform, in the powder bed in the additive manufacturing machine, in the build container in the additive manufacturing machine, during transport from the additive manufacturing machine, after a sieving step, and after mixing with another powder.

検出器はさまざまな形態を取り、任意の適切なセンサーを含むことができる。検出器は、粉末を照射するための手段として、粉末の領域の同じ側、特に照射面の同じ側で放射線を検出するように配置することができる。この方法には検出することが含まれ、検出器は粉末によって反射および/または散乱された放射線を検出するように配置される。検出器は、粉末のすべての領域から同時に、または領域の一部から別々に戻ってきた照射放射線を検出するように配置することができる。検出器は、粉末の領域を走査するように配置することができる。検出器と粉末との間の相対的な移動は、静止している粉末に対して検出器を移動させるか、または粉末搬送装置の場合のように、検出器を通過して粉末を移動させることによって実行することができる。 The detector may take a variety of forms and may include any suitable sensor. The detector may be arranged to detect radiation on the same side of the area of the powder, particularly the same side of the irradiation surface, as the means for irradiating the powder. The method includes detecting, the detector arranged to detect radiation reflected and/or scattered by the powder. The detector may be arranged to detect irradiating radiation returned from all areas of the powder simultaneously or separately from parts of the areas. The detector may be arranged to scan the area of the powder. Relative movement between the detector and the powder may be performed by moving the detector relative to a stationary powder or by moving the powder past the detector, as in the case of a powder conveying device.

検出器は、CCDまたはCMOSセンサーなどの検知要素の1次元または2次元アレイを含み得る。検出器は、1つまたは複数、あるいは一連のフォトダイオード、分光計または分光光度計を含み得る。検出器は、選択された波長の電磁放射を除外および/または許容するための1つまたは複数のフィルタを含み得る。 The detector may include a one- or two-dimensional array of sensing elements, such as a CCD or CMOS sensor. The detector may include one or more, or an array of, photodiodes, spectrometers, or spectrophotometers. The detector may include one or more filters to filter out and/or allow selected wavelengths of electromagnetic radiation.

検出器は、粉末から戻ってきた放射線を1つまたは複数のセンサーに集束させるための、レンズなどの1つまたは複数の集束要素を含み得る。1つまたは複数の集束要素は、粉末の領域の少なくとも一部の画像を、1つまたは複数のセンサーが配置されている画像平面に集束させることができる。検出器は、カメラまたは顕微鏡などの画像取込装置を含むことができる。検出器は、ハイパースペクトルカメラを含み得る。 The detector may include one or more focusing elements, such as lenses, to focus radiation returning from the powder onto one or more sensors. The one or more focusing elements may focus an image of at least a portion of the area of the powder onto an image plane where the one or more sensors are located. The detector may include an image capture device, such as a camera or microscope. The detector may include a hyperspectral camera.

これらの配置により、検出器が放射源を空間的に解像できるため、および/または検出器が領域の一部から反射された光を一度に検出するため、および/または領域の一部のみが一度に照射されるため、装置は、粉末の照射領域の異なる部分から戻ってきた照射放射線を別々に検出することができる。 These arrangements allow the device to separately detect the irradiated radiation returning from different parts of the irradiated area of the powder because the detector can spatially resolve the radiation source and/or because the detector detects light reflected from only a portion of the area at a time and/or because only a portion of the area is irradiated at a time.

出力を処理することで、以下の粉末のさまざまな異なる特性を特定することができる。すなわち、粉末の個々の粒子の状態、粉末および/または粉末の個々の粒子の表面特性、電磁放射との相互作用、特に特定の波長の放射を反射および/または散乱する能力に影響を与える粉末または粉末の個々の粒子の特性、粉末の個々の粒子の形状、粉末または粉末の個々の粒子の表面テクスチャー、汚染の有無、粉末の密集度、および粉末の展延性を特定することができる。 The output can be processed to determine a variety of different properties of the powder, including: the state of the individual particles of the powder, the surface properties of the powder and/or the individual particles of the powder, properties of the powder or individual particles of the powder that affect their interaction with electromagnetic radiation, particularly their ability to reflect and/or scatter radiation of particular wavelengths, the shape of the individual particles of the powder, the surface texture of the powder or individual particles of the powder, the presence or absence of contamination, the compactness of the powder, and the spreadability of the powder.

出力には、粉末の領域のそれぞれの区域から受けた放射線の波長または検知された波長に応じた値が含まれる。また、出力には、粉末の領域のそれぞれの区域から受けた放射線の強度に応じた値も含まれる。出力には、異なる波長での放射線の強度に応じた値が含まれ得る。出力には、連続的な波長範囲にわたる放射線の強度に応じた値が含まれ得る。および/または、値は、1つまたは複数の離散波長での放射の強度に依存し得る。出力は、検出された波長の関数であり得る。出力には、複数の区域のそれぞれに対する値が含まれる。区域は、実質的に同じサイズである。区域は隣接している場合もあれば、空間的に分離されている場合もある。これらの区域は、合わせて、領域のすべてまたはほとんどを網羅する。各区域は、平均サイズの粉末の単一粒子が占める粉末の表面の面積よりも小さい面積を有することが好ましく、それは、その面積の4分の1、10分の1、100分の1、500分の1、あるいは1000分の1など、非常に小さいことが好ましい。そのため、積層造形用の金属粉末で一般的な粒子サイズに関しては、各区域は1000μm未満または100μm未満であり得る。このように、出力に含まれる少なくとも1つの、好ましくは複数の値は、粉末の単一粒子の影響を受ける。もちろん、平均粒子サイズは粉末の種類によって異なるため、区域の最適なサイズは粉末の種類によって異なる。このようにして、個々の粒子の状態を特定可能である。 The output includes a value responsive to the wavelength of radiation received or detected from each section of the region of the powder. The output also includes a value responsive to the intensity of radiation received from each section of the region of the powder. The output may include a value responsive to the intensity of radiation at different wavelengths. The output may include a value responsive to the intensity of radiation over a continuous range of wavelengths. And/or the value may depend on the intensity of radiation at one or more discrete wavelengths. The output may be a function of the detected wavelength. The output includes a value for each of a plurality of sections. The sections are substantially the same size. The sections may be adjacent or spatially separated. The sections together cover all or most of the region. Each section preferably has an area smaller than the area of the surface of the powder occupied by a single particle of the powder of average size, preferably much smaller, such as a quarter, a tenth, a hundredth, a five hundredth or a thousandth of that area. Thus, for typical particle sizes in metal powders for additive manufacturing, each zone may be less than 1000 μm 2 or less than 100 μm 2. In this way, at least one, and preferably several, values contained in the output are influenced by a single particle of the powder. Of course, the optimal size of the zones varies from powder type to powder type, since the average particle size varies from powder type to powder type. In this way, the state of the individual particles can be identified.

粉末の領域を分析して得られた値によって、データセットが形成される。 The values obtained by analyzing the areas of powder form a data set.

放射線を検出し、出力を生成し、出力を処理するステップは、異なる箇所で実行できる。 The steps of detecting radiation, generating an output, and processing the output can be performed at different locations.

データセットには、粉末の照射領域の全部または一部の画像が実質的に含まれるが、少なくとも部分的には不可視波長の放射線を記録することによって取得されたものである。そのため、実際には、不可視波長を調べたときにのみ明らかになる特徴を認識できるようにするための人工着色を適用せずに、すべてのデータを人間の目に認識できるようにすることはできない。ではあるが、便宜上、本明細書で画像が参照される場合、画像は、少なくとも部分的には、不可視の電磁放射、特に不可視光を検出することによって得られたものを含んでいる。 The data set includes substantially an image of all or part of the irradiated area of the powder, but at least in part obtained by recording radiation of invisible wavelengths. As such, in practice, it is not possible to make all of the data perceptible to the human eye without applying artificial coloring to permit recognition of features that are only apparent when examining invisible wavelengths. However, for convenience, when reference is made herein to an image, the image includes one obtained, at least in part, by detecting invisible electromagnetic radiation, particularly invisible light.

データセットが実質的に画像を含む場合、画像はデジタル画像であり得る。デジタル画像は、ピクセルなどの複数の要素によって形成されるか、またはそれらに分割することができる。要素はそれぞれ粉末の区域に対応し、その区域から検出器が別々に放射線を受け、出力を生成することができる。要素は、実質的に同じサイズであることが好ましい。したがって、粉末の撮像された領域または表面における粒子の数に対する画像内の要素の比は、少なくとも1:1のオーダーであることが好ましく、少なくとも4:1、10:1、100:1、500:1、または1000:1など、より高いことがさらに好ましい。そうすれば、その要素によって表される検出された放射線の波長は、粉末の単一粒子の特性によってのみ影響を受けることになる。 Where the data set substantially comprises an image, the image may be a digital image. The digital image may be formed by or divided into a number of elements, such as pixels. Each element corresponds to an area of the powder from which the detector may separately receive radiation and generate an output. The elements are preferably of substantially the same size. Thus, the ratio of elements in the image to the number of particles in the imaged area or surface of the powder is preferably of the order of at least 1:1, and even more preferably higher, such as at least 4:1, 10:1, 100:1, 500:1 or 1000:1. The wavelength of detected radiation represented by that element will then be affected only by the properties of a single particle of the powder.

処理用のデータセットは、通常、200万から600万の区域のそれぞれの値を含み、一般に10から110μmあるいは40から50μmの範囲のサイズの約5000個の粒子を表している。しかしながら、データセットのサイズは用途によって大幅に異なる。 The data set for processing typically contains 2 to 6 million area values, typically representing about 5000 particles with sizes ranging from 10 to 110 μm or 40 to 50 μm. However, the size of the data set can vary significantly depending on the application.

画像が可視色で形成されているか、対象の不可視の電磁放射線を表現できる標準が用いられているか、あるいは検出された不可視波長がデータセット内において人工着色によって表されているのであれば、データセットは、確立された色標準、たとえばRGBまたはCIELABに従って、粉末の各区域または画像要素を表現するデータを含む。 If the image is produced in visible color, or a standard capable of representing the invisible electromagnetic radiation of interest is used, or the detected invisible wavelengths are represented in the dataset by artificial coloring, the dataset includes data representing each area or image element of the powder according to an established color standard, e.g., RGB or CIELAB.

同じ体積または粉末のサンプルの複数の領域を分析することができる。領域は隣接していても離れていてもよい。実施形態では、同じ粉末の少なくとも2、3、4、5、10、50、100またはそれ以上の領域が分析されて、粉末の複数のデータセットが形成される。データセットの数は、統計的有意性に関して必要とされるデータの量によって異なる。複数の領域を分析することにより、粉末がどの程度良好に混合されているかを評価するのに役立つ。 Multiple regions of the same volume or sample of powder can be analyzed. The regions can be adjacent or separate. In embodiments, at least 2, 3, 4, 5, 10, 50, 100 or more regions of the same powder are analyzed to form multiple data sets of the powder. The number of data sets depends on the amount of data required for statistical significance. Analyzing multiple regions helps assess how well the powder is mixed.

セット内のデータは、粉末の領域の1つの区域のデータ値を1つまたは複数の他の区域のデータ値および/または参照データと比較することによって処理される。 The data in the set is processed by comparing the data values of one area of the powder region with the data values of one or more other areas and/or reference data.

データセット内のデータを削除することで、画像のトリミングと同じように、残されたデータが粉末の選択されたサブ領域を表すようにすることができる。これは、歪みを排除できるようにすることで検出器に画像を生成する集束要素が検出器に含まれている場合に役立つ。また、異なるデータセット間、特に同じサンプルに関連するデータセット間の比較をより簡単で信頼性の高いものにできる。一例として、データセットのサイズを縮小することで、粉末の2000×2000の連続区域を画定し、2000×2000の画像要素で構成される画像を画定することができる。 Data in a dataset can be removed so that the data remaining represents a selected sub-region of the powder, similar to cropping an image. This is useful when the detector contains focusing elements that produce an image at the detector by allowing distortion to be eliminated. It can also make comparisons between different datasets, especially those relating to the same sample, easier and more reliable. As an example, reducing the size of the dataset can define a 2000 x 2000 contiguous area of powder, resulting in an image composed of 2000 x 2000 image elements.

データセットを処理することで、さらなる処理に用いるのに十分な品質を備えているかどうかを特定すること、および/または特定のセットにおいて個別に取得されたすべてのデータが十分に類似しているかどうかを特定することができる。所定の品質基準を満たさないデータは除外され、それ以上の処理は行われない。これには、例えば、データから統計を取得し、それらの統計が所定の範囲内にあるかどうか、またはデータセットとデータセットとが所定のしきい値以上に異なっているかどうかを特定することを含む。一例では、検出された放射線を定義するために使用される特定の検出された波長の平均強度、波長範囲、またはカラーチャネルが、放射線が検出された粉末のすべての区域について、あるいはしきい値輝度よりも大きいすべての区域について、その平均からの偏差と同様に計算される。 Data sets can be processed to determine whether they are of sufficient quality for further processing and/or whether all the individually acquired data in a particular set are sufficiently similar. Data that does not meet a predetermined quality standard is filtered out and not further processed. This can include, for example, obtaining statistics from the data and determining whether those statistics are within a predetermined range or whether the data sets differ by more than a predetermined threshold. In one example, the average intensity of a particular detected wavelength, wavelength range, or color channel used to define the detected radiation is calculated as well as the deviation from that average for all areas of the powder where radiation was detected, or for all areas above a threshold intensity.

粉末の粒子間の空間に関連するデータセット内のデータを特定することができる。これにより、そのデータを以降の処理から除外することができる。そのようなデータは、光度が所定のしきい値未満である粉末の領域の区域を定義するデータを特定することによって識別できる。粉末の粒子間の空間は、粒子よりも暗く見える傾向があるため、光度が低くなる。粉末のそのような区域は背景区域と見なすことができ、残りのより明るい領域は前景区域となる。データセットが画像を含む場合、このステップは、より暗い画像要素を識別することを含む。より暗い画像要素は背景要素と見なされ、より明るい要素は前景要素と見なされる。 Data in the dataset that relates to spaces between particles of powder can be identified, allowing that data to be excluded from further processing. Such data can be identified by identifying data that defines areas of the powder region where the luminosity is below a predefined threshold. The spaces between particles of powder tend to appear darker than the particles, and therefore have a lower luminosity. Such areas of powder can be considered background areas, while the remaining lighter areas are foreground areas. If the dataset includes images, this step includes identifying darker image elements. The darker image elements are considered background elements, and the lighter elements are considered foreground elements.

データセットを処理することで、それが表す粉末の粒子の数を特定するか、少なくとも推定することもできる。データセットが画像を含む場合、これは流域セグメンテーションによって実行できる。このステップは、存在する場合、画像から背景要素を除去した後に実行することが好ましい。 The dataset can also be processed to identify, or at least estimate, the number of powder particles it represents. If the dataset contains images, this can be done by watershed segmentation. This step is preferably performed after removing background elements from the images, if present.

あるいは、もしくはそれに加えて、データセットによって表される粒子の数は、データセットに依存しない別の適切な方法によって、例えば、データセットが表す区域のサイズ、粉末粒子の平均サイズ、および/または粉末の密集度といった情報によって推定され得る。 Alternatively, or in addition, the number of particles represented by the dataset may be estimated by another suitable method that is independent of the dataset, for example, by information such as the size of the area represented by the dataset, the average size of the powder particles, and/or the compactness of the powder.

粉末の前景区域を表すデータは、表面特性を含む、照射された放射線と粒子がどのように相互作用するかに影響を与える粉末の粒子の特性を表す。 The data representing the foreground area of the powder represents the properties of the powder particles, including surface properties, that affect how the particles interact with the applied radiation.

所定の範囲外にある表面特性を有するデータセットによって表される粉末の粒子の数を特定することができる。選択された範囲外にある測定された表面特性を有する粉末の割合が特定できる。 The number of powder particles represented by the data set that have surface properties that fall outside a predefined range can be determined. The percentage of powder that has measured surface properties that fall outside a selected range can be determined.

これは、検出された放射線の波長が選択された範囲外にあるデータによって定義された区域、好ましくは前景区域を識別することによって実行できる。 This can be done by identifying areas defined by the data where the wavelengths of the detected radiation fall outside a selected range, preferably foreground areas.

区域の選択は、検出された波長の統計分析に基づいて行われる。選択された区域は、検出された波長を、すべての前景区域にわたる波長分布の外れ値として定義する区域である。例えば、要素は、それらの波長がすべての区域の平均波長からどの程度偏差しているかを特定することによって選択され得る。選択された区域は、前景区域の波長分布の外側の5%以下、1%以下、または0.1%以下を表すことが好ましい。 The selection of the area is based on a statistical analysis of the detected wavelengths. The selected area is an area that defines the detected wavelengths as outliers in the wavelength distribution across all foreground areas. For example, elements may be selected by identifying how their wavelengths deviate from the average wavelength of all areas. The selected area preferably represents the outer 5% or less, 1% or less, or 0.1% or less of the wavelength distribution of the foreground areas.

対象の範囲内にある特性を反映するデータを特定すると、その特性を持つ個々の粒子を特定できる。そのために、所定の数を超える接続された区域のグループが識別される。その数は、粉末の単一粒子が占めると予想される合計面積を表す数になるように選択される。したがって、識別された区域のグループは、選択された基準を満たす特性を有する少なくとも1つの、ただし通常は1つの粒子を表すと見なすことができる。 Once data reflecting a property within the range of interest has been identified, individual particles having that property can be identified. To do this, groups of connected areas exceeding a predetermined number are identified, the number being selected to be representative of the total area expected to be occupied by a single particle of powder. The identified group of areas can then be considered to represent at least one, but typically one, particle having a property that meets the selected criteria.

粒子に対する区域の比率が1:1に近い場合、このステップは省略でき、単一の画像要素が単一の粒子を表すと見なされる。 If the ratio of area to particle is close to 1:1, this step can be omitted and a single image element is considered to represent a single particle.

次に、識別された粒子ごとにデータを保存することができ、これは、粒子が占める粉末の1つまたは複数の区域に関連するデータである。識別されたグループ内の区域の数は、そのグループが表す粒子のサイズを示している。グループ内の区域から検出された放射線の平均波長は、そのグループが表す粒子の色またはその他の特性を表している。これにより、粒子の特性と共に、識別された粒子の数を特定することができ、さらには、このデータを分析することによって、粉末に関連するさまざまな情報を特定または推測することができる。このようにして識別された粒子は、色などの表面特性によってさらに分類され、特定の範囲に入る表面特性を有する粒子が識別される。その際に、他の手法を使用して、識別された粒子から対象の粒子を選択することもできる。 Data can then be stored for each identified particle, the data relating to the area or areas of the powder that the particle occupies. The number of areas in an identified group is indicative of the size of the particle that the group represents. The average wavelength of radiation detected from the areas in a group is indicative of the color or other characteristic of the particle that the group represents. This allows the number of particles identified, along with the particle characteristics, to be determined, and furthermore, by analysing this data, various information relating to the powder can be determined or inferred. The particles thus identified can be further classified by surface characteristics, such as color, to identify particles having surface characteristics that fall within a particular range. Other techniques can then be used to select particles of interest from the identified particles.

前景区域に対する背景区域の比率は、粉末の粒子とそれらの粒子間の空間との間の比率に関する指標となり、したがって、粒子の密集度の指標となる。時間の経過とともに撮影された粉末のバッチの画像において観察された密集度の変化によって、粉末の流動特性に影響を与える変化を明らかにすることができる。 The ratio of background area to foreground area is an indication of the ratio between the powder particles and the space between them, and therefore of the compactness of the particles. Changes in compactness observed in images of a batch of powder taken over time can reveal changes that affect the flow properties of the powder.

金属粉末の酸化は通常それらの放射線に対する相互作用に影響を与えるため、粉末の領域または粉末のすべての前景区域から受ける波長の全体的な分布を特定することによって、粉末の化学的性質、特に粉末の酸化の程度が示される。酸化が特定種類の粉末の色にどのように影響するかについての情報を使用して、粉末のバルク酸素含有量を特定することができる。 Since oxidation of metal powders usually affects their interaction with radiation, determining the overall distribution of wavelengths received from a region of the powder or from all foreground areas of the powder indicates the chemical nature of the powder, and in particular the degree of oxidation of the powder. Information about how oxidation affects the color of a particular type of powder can be used to determine the bulk oxygen content of the powder.

選択された範囲外の放射線の波長を返したと識別された粒子の数によって、粉末が高度に酸化された粒子を含むか、または汚染されているかを明らかにすることができ、その結果、粉末は使用または再利用されないことが望ましい場合がある。その数は、撮像された粒子の計算または推定された総数とともに、選択された範囲外にある測定された特性を有する粒子の割合を計算するために使用され得る。 The number of particles identified as returning wavelengths of radiation outside the selected range can reveal whether the powder contains highly oxidized particles or is contaminated, so that it may be desirable not to use or reuse the powder. That number, along with a calculated or estimated total number of particles imaged, can be used to calculate the percentage of particles having a measured property that falls outside the selected range.

この情報は、分析された粉末または分析された粉末が取り出された粉末のその後の処理に関する情報を与えるため、あるいはその処理を制御するために使用され得る。 This information can be used to inform or control further processing of the analyzed powder or the powder from which it was extracted.

この方法は、所定の範囲外の特性を有すると識別された粒子の数または割合が所定の範囲を超える場合に、粉末が再利用に適していないことを指摘するステップを含み得る。所定の範囲および割合は、分析される特定の粉末やその使用目的に応じて決定される。ただし、通常は、著しく酸化、劣化または汚染された粒子の存在を特定することを目的としているため、その範囲は、造形プロセスにおいて用いられたことによる、酸素や低温に曝されたことで発生する通常の劣化であるとみなされる粉末を示す特性の値を含むように設定することが好ましい。したがって、測定された表面特性がこの範囲外となる粒子は外れ値となる。それらの測定された表面特性は、通常、高温にさらされた結果として(ただし、融解して構築物の一部を形成することなく)、それらが異常に劣化させらされたという事実を反映するものである。そのような外れ値の個体数が粒子の全個体数における所定の割合を超えた場合は、その粉末の再利用はリスクを高めることになると考えることができる。 The method may include indicating that the powder is not suitable for reuse if the number or percentage of particles identified as having properties outside a predefined range exceeds a predefined range. The predefined range and percentage will depend on the particular powder being analyzed and its intended use. However, since the aim is usually to identify the presence of significantly oxidized, degraded or contaminated particles, the range is preferably set to include values of properties indicative of powders that are considered to be normally degraded due to exposure to oxygen and low temperatures due to their use in the building process. Particles with measured surface properties outside this range are therefore outliers. Their measured surface properties reflect the fact that they have been abnormally degraded, usually as a result of exposure to high temperatures (but without melting to form part of the construct). If the population of such outliers exceeds a predefined percentage of the total population of particles, reuse of the powder may be considered to be risky.

この方法はまた、測定された特性が所定の範囲内にある粉末の割合の平均特性を特定することを含み得る。この測定によって、著しく劣化した外れ値の粒子を除いた粉末の全体的な平均劣化が示される。したがって、この測定は、通常の劣化に起因する劣化のレベルの指標となる。 The method may also include determining an average property of the percentage of powder whose measured property falls within a predetermined range. This measurement indicates the overall average degradation of the powder excluding outlier particles that are severely degraded. This measurement is therefore indicative of the level of degradation due to normal degradation.

この方法はまた、測定されたある割合の粉末の平均特性、つまり測定された表面特性が所定の範囲内にある粒子のおおよその割合が所定のしきい値より大きい(または小さい)場合に、検査された粉末が再利用に適していないことを示すことを含み得る。したがって、おそらくは累積的な通常の劣化の影響の結果、粉末が再利用に適するものではなくなっているということを示すことができる。 The method may also include indicating that the inspected powder is not suitable for reuse if the average property of a proportion of the measured powder, i.e. the approximate proportion of particles whose measured surface properties are within a predetermined range, is greater (or less) than a predetermined threshold. Thus, it may be possible to indicate that the powder is no longer suitable for reuse, possibly as a result of cumulative normal deterioration effects.

この方法はまた、すべての前景区域のデータを処理することによって、すべての粉末、したがって測定されたすべての粒子の平均特性を特定することを含み得る。このような測定により、すべての粒子の全体的な平均劣化が示され、バルク酸素測定ではそれが構築されることによって粒子の表面特性に影響を及ぼす外部酸化層の酸素だけでなく、粒子の「内部」酸素、つまり内部に存在する酸素も測定できることを除いて、バルク酸素測定と同様の指標を得ることが可能である。 The method may also include processing the data of all the foreground areas to determine the average properties of all the powders, and therefore of all the particles measured. Such a measurement will give an indication of the overall average degradation of all the particles, and it is possible to obtain a similar indication to the bulk oxygen measurement, except that the bulk oxygen measurement can measure not only the oxygen of the outer oxide layer that builds up and affects the surface properties of the particles, but also the "internal" oxygen of the particles, i.e. the oxygen present inside.

この方法はまた、すべての測定された粒子の平均特性が所定のしきい値よりも大きいかまたは小さい場合に、その粉末が再利用に適していないことを示すことを含み得る。この方法は、積層造形機または粉末加工、処理または搬送装置を制御することなどの、測定された粉末の特性に基づいた装置の制御を含み得る。 The method may also include indicating that the powder is not suitable for reuse if the average property of all measured particles is greater than or less than a predetermined threshold. The method may include controlling equipment based on the measured powder property, such as controlling an additive manufacturing machine or powder processing, handling or conveying equipment.

粉末、つまり対象の粒子の測定された平均特性が必要な場合、これは平均であり、対象の粒子が存在する粉末領域の区域によって表される平均測定表面特性を特定することによって得られる。 When a measured average property of a powder, i.e., the particles of interest, is required, this is an average and is obtained by identifying an average measured surface property represented by the area of the powder region in which the particles of interest reside.

この方法によって分析された粉末に関する情報は、積層造形装置および/または粉末処理、搬送および加工装置を含む装置を自動的に制御するために使用され得る。装置は、例えば、粉末の検出された状態に応じて、粉末を廃棄および/または加工させることができる。 The information about the powder analyzed by this method can be used to automatically control equipment, including additive manufacturing equipment and/or powder handling, transport and processing equipment. The equipment can, for example, cause the powder to be discarded and/or processed depending on the detected condition of the powder.

プロセッサは、プログラムされたコンピュータであり、装置に上記の方法ステップのいくつかまたはすべてを実行させるように構成され得る。 The processor may be a programmed computer and configured to cause the device to perform some or all of the method steps described above.

本発明のすべての態様において、特定の範囲内にある波長を含む放射線を返す粉末の粒子を特定することができ、これを使用して、関係する粉末タイプに関連する実験データを考慮して粒子の酸化の程度を推測することができる。 In all aspects of the invention, particles of powder that return radiation containing wavelengths within a particular range can be identified and this can be used to infer the degree of oxidation of the particles taking into account experimental data related to the powder type concerned.

本発明の態様の実施形態は、粉末の状態を特定し、粉末サンプルが特定の造形工程での再利用に適しているかどうかを決定するための非破壊的な方法および装置を提供する。外れ値の粒子の割合を調べることによって特定が行われる場合、現在のバルク粉末特性の測定よりも改善された意思決定、ひいては粉末の使用を可能にする、新規で有用な粉末状態の測定が提供される。 Embodiments of aspects of the present invention provide a non-destructive method and apparatus for identifying powder condition and determining whether a powder sample is suitable for reuse in a particular build process. When identification is performed by examining the percentage of outlier particles, a novel and useful measurement of powder condition is provided that allows for improved decision-making and therefore powder usage over current measurements of bulk powder properties.

この方法および装置は、対象の粒子の同様の特性とは異なる表面特性を有する汚染粒子の存在を特定するのにも有用である。 The method and apparatus are also useful for identifying the presence of contaminant particles that have surface characteristics that differ from similar characteristics of the target particle.

本発明の第3の態様によれば、積層造形プロセスで使用される金属粉末を分析するための方法が提供され、この方法は、障壁の近傍に密集状態の粉末を提供するステップと、障壁を通して粉末の領域を照射するステップと、障壁を通じて粉末の照射領域の別々の部分から戻ってきた照射放射線を別々に検出し、検出された放射線に従った出力を生成するステップと、出力を処理して、粉末の1つまたは複数の特性を特定するステップとを備えている。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for analysing a metal powder used in an additive manufacturing process, the method comprising the steps of providing a densely packed powder adjacent a barrier, irradiating an area of the powder through the barrier, separately detecting the irradiated radiation returned through the barrier from different portions of the irradiated area of the powder, generating an output according to the detected radiation, and processing the output to identify one or more properties of the powder.

本発明の第4の態様によれば、積層造形プロセスで使用される金属粉末を分析するための装置が提供され、この装置は、使用時に分析される粉末を密集した状態で収容する障壁を有する金属粉末用の容器または導管と、障壁を介して電磁放射線で粉末の領域を照射するための照射装置と、粉末の照射領域の異なる部分から障壁を介して戻ってきた照射放射線を別々に検出し、検出された放射線にしたがって出力を生成するための検出器と、出力を処理することによって粉末の1つまたは複数の特性を特定するように構成されたプロセッサとを備えている。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an apparatus for analysing a metal powder used in an additive manufacturing process, the apparatus comprising a container or conduit for the metal powder having a barrier for containing, in use, the powder to be analysed in a compacted state, an illumination device for illuminating an area of the powder with electromagnetic radiation through the barrier, a detector for separately detecting the illumination radiation returned through the barrier from different parts of the irradiated area of the powder and for generating an output in accordance with the detected radiation, and a processor configured to process the output to identify one or more properties of the powder.

障壁は、容器または導管の壁部であり得る。障壁は、容器または導管の壁部における窓部であり、窓部は、対象の電磁放射線に対して少なくとも部分的に透過性を有している。電磁放射線は、赤外線、可視光線、および紫外線を含む光であり得る。本発明の第3および第4の態様は、粉末が不可視電磁放射線で照射されることまたは不可視放射線が検出されることが必要でないこと以外は、望ましくはまたは必要に応じて、本発明の第1および第2の態様のいずれかまたはすべての特徴を含み得る。 The barrier may be a wall of a container or conduit. The barrier may be a window in the wall of the container or conduit, the window being at least partially transparent to the electromagnetic radiation of interest. The electromagnetic radiation may be light, including infrared, visible, and ultraviolet. The third and fourth aspects of the invention may include any or all of the features of the first and second aspects of the invention as desired or required, except that it is not necessary that the powder be irradiated with invisible electromagnetic radiation or that invisible radiation be detected.

本発明をより明確に理解するために、その実施形態を、例示のみを目的として、添付の図面を参照して説明する。
粉末の状態を分析するための装置の実施形態を示す概略図である。 粉末の状態を分析するための装置の実施形態を示す概略図である。 粉末の状態を分析するための装置の実施形態を示す概略図である。 粉末の状態を分析するための装置を含む粉末処理および搬送装置の実施形態を示す概略図である。 粉末の状態を分析するための装置を含む粉末処理および搬送装置の実施形態を示す概略図である。 粉末の状態を分析するための装置を含む粉末処理および搬送装置の実施形態を示す概略図である。 粉末の状態を分析するための様々な装置を含む積層造形機を示す概略側面図である。 図7の装置の概略平面図である。 粉末の画像を処理する工程に関連するステップを示すフローチャートである。 波長に対する粒子数を示すグラフである。
In order that the invention may be more clearly understood, embodiments thereof will now be described, by way of example only, with reference to the accompanying drawings, in which:
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an embodiment of an apparatus for analyzing the condition of a powder. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an embodiment of an apparatus for analyzing the condition of a powder. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an embodiment of an apparatus for analyzing the condition of a powder. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an embodiment of a powder processing and delivery apparatus including an apparatus for analyzing the condition of the powder. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an embodiment of a powder processing and delivery apparatus including an apparatus for analyzing the condition of the powder. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an embodiment of a powder processing and delivery apparatus including an apparatus for analyzing the condition of the powder. FIG. 1 is a schematic side view of an additive manufacturing machine including various devices for analyzing the condition of the powder. FIG. 8 is a schematic plan view of the device of FIG. 7. 1 is a flow chart showing the steps associated with processing an image of a powder. 1 is a graph showing particle count versus wavelength.

以下では、上、下、上部、底部などの用語を使用して、図に示されている向きで図示された装置を説明するが、その向きは、その向きで使用することを意図されたものであるものの、その向きに限定されるものではない。同様の参照番号は、全図において同様の構成要素を示すために使用される。それぞれの図面は同縮尺ではない。 Terms such as top, bottom, upper, and lower are used below to describe the device as depicted in the orientation shown in the figures, which orientation is intended for use but is not intended to be limited to that orientation. Like reference numbers are used to denote like components in all figures. The drawings are not to scale.

図面を参照すると、図1は、金属粉末を分析するための第1の装置を示している。装置は、開閉可能な実質的に光を通さない筐体1を含む。筐体は、皿またはスライドあるいはその他の任意の適切な形態をとることができる粉末3用の容器2を収容する。容器は上部が開いており、一辺が約10mmのほぼ正方形の開口部を有し、その断面積は約100mmである。また、その深さは少なくとも2mmである。図示されている容器は浅いが、容器が長くなるように深くすることも可能である。容器は筐体から取り外し可能である。筐体は、さらに、可視光線に加えて紫外線および赤外線を感知するデジタルカメラ5に取り付けられる(または含まれる)レンズ(または顕微鏡)4と、紫外線、赤外線および可視光線を放射するランプ6とを収容する。カメラ4は、約6メガピクセル(別の実施形態では12メガピクセル)を有するCCDセンサーなどの実質的に正方形のセンサーを含み、キーボードおよびマウスまたはその他のユーザーインターフェースを含み、ディスプレイ8および/または他の出力装置に接続されたコンピュータ7に接続されている。ランプは拡散光を提供するように配置されている。それらランプはドームまたはフラットドームランプとして示されている。別の構成(および他の実施形態)では、リングライトを使用することができる。 Referring to the drawings, FIG. 1 shows a first apparatus for analyzing metal powders. The apparatus includes a substantially light-tight housing 1 that can be opened and closed. The housing contains a container 2 for the powder 3, which can be a dish or slide or any other suitable form. The container is open at the top and has a generally square opening of about 10 mm on a side, with a cross-sectional area of about 100 mm2. It also has a depth of at least 2 mm. The container shown is shallow, but it can be made deeper so that the container is longer. The container is removable from the housing. The housing further contains a lens (or microscope) 4 attached to (or contained within) a digital camera 5 that is sensitive to ultraviolet and infrared light in addition to visible light, and a lamp 6 that emits ultraviolet, infrared and visible light. The camera 4 includes a substantially square sensor, such as a CCD sensor having about 6 megapixels (12 megapixels in another embodiment), and is connected to a computer 7 that includes a keyboard and mouse or other user interface and is connected to a display 8 and/or other output device. The lamps are arranged to provide diffuse light. They are shown as dome or flat dome lamps. In another configuration (and in other embodiments), a ring light can be used.

使用に際して、分析される粉末のバッチから取得された粉末3のサンプルが、筐体1の内あるいは外のいずれかにおいて容器2に導入される。粉末は、上から見たときに容器2の底部が完全に覆い隠されるだけの、密集した状態の粉末の深さが得られるのに十分な量で導入される。したがって、粉末の深さは、通常、少なくとも2つ、好ましくは2つ以上の粒子の層を含む。粉末は、容器を軽くたたくことなどによって容器内で平らにされ、その結果、実質的に平坦な上面を有している。筐体の外側で粉末が容器に導入された場合は、容器は筐体内において顕微鏡の下に配置され、筐体が閉じられる。 In use, a sample of powder 3 taken from a batch of powder to be analysed is introduced into the container 2, either inside or outside the housing 1. The powder is introduced in an amount sufficient to provide a dense powder depth such that the bottom of the container 2 is completely obscured when viewed from above. The powder depth will therefore typically comprise at least two, and preferably more than two layers of particles. The powder is levelled in the container, such as by tapping the container, so that it has a substantially flat upper surface. If the powder was introduced into the container outside the housing, the container is placed under the microscope in the housing and the housing is closed.

次に、ランプ6が作動する。ランプは、コンピュータ7によって制御することができる。ランプは、容器2内の粉末3の上面を照射するように配置される。実質的に遮光性を有している筐体内においてランプで粉末を照射することにより、制御可能で再現性のある光の条件で粉末を分析することができる。なお、本実施形態および他の説明される実施形態では、ランプは異なる配置で設けられ、カメラおよび/またはレンズの前に配置され得る。 Next, the lamp 6 is activated. The lamp may be controlled by the computer 7. The lamp is positioned to illuminate the top surface of the powder 3 in the container 2. By illuminating the powder with the lamp in a substantially light-tight enclosure, the powder can be analyzed under controllable and reproducible light conditions. Note that in this and other described embodiments, the lamp may be provided in different positions and placed in front of the camera and/or lens.

次に、カメラ5は、容器内の照射された粉末の表面のデジタル画像を撮影し、それをコンピュータ7に送信する。デジタル画像は、カメラによって検出された光のすべての波長に関連する情報を含んでいる。カメラと顕微鏡は、容器内の粉末の表面の約12mmの画像を撮影するように配置されている。粉末の表面の実質的にすべてが撮像されるまで、粉末の表面の複数の画像が撮影される。別の実施形態では、カメラとレンズは、異なる視野を有している。したがって、粉末の表面を単一の画像で取り込むことができる。 The camera 5 then takes a digital image of the illuminated powder surface in the container and transmits it to the computer 7. The digital image contains information relating to all wavelengths of light detected by the camera. The camera and microscope are positioned to take an image of approximately 12 mm2 of the powder surface in the container. Multiple images of the powder surface are taken until substantially all of the powder surface has been imaged. In another embodiment, the camera and lens have different fields of view. Thus, the powder surface can be captured in a single image.

積層造形プロセスで使用される金属粉末は、通常、平均直径が数十ミクロンのオーダーである。そして、カメラによって撮像される粉末の表面に見える粒子の数は数千のオーダーであり、よってセンサーのピクセル数よりも約3桁少なくなる。したがって、カメラは、画像に示されている粉末の粒子の数の約1000倍のピクセルが存在する、粉末表面のデジタル画像を生成することができる。 Metal powders used in additive manufacturing processes typically have an average diameter of the order of tens of microns. The number of particles visible on the surface of the powder imaged by the camera is then on the order of a few thousand, and thus about three orders of magnitude less than the number of pixels on the sensor. The camera can therefore generate a digital image of the powder surface in which there are about 1000 times as many pixels as there are particles of powder shown in the image.

次に、カメラによって撮影された画像は、コンピュータ7に送信され、処理される。 The images captured by the camera are then sent to computer 7 for processing.

図2は、金属粉末を分析するための第2の装置を示している。この場合、粉末3を収容するための容器2の下側に、遮光性の筐体1が設けられている。筐体は、図1の実施形態のものと同様のカメラ5およびレンズ4ならびにランプ6を上向きに収容している。容器の基部は、ランプによって生成され、カメラが感知できる光の波長に対して透過性を有するかまたは少なくとも部分的に透過性を有している。したがって、カメラは、容器2内の粉末3の表面の画像を、容器の基部を通して撮影することができる。粉末が支持されている容器の基部の上面は実質的に平面であるため、カメラには撮像される粉末の平坦な表面が向けられている。容器の基部の底面は、その上面と実質的に平行である。 Figure 2 shows a second device for analyzing metal powders. In this case, a light-tight housing 1 is provided under a container 2 for containing powder 3. The housing contains a camera 5 and lens 4 similar to those of the embodiment of Figure 1 and a lamp 6 facing upwards. The base of the container is transparent or at least partially transparent to the wavelengths of light generated by the lamp and that the camera is sensitive to. The camera can therefore take an image of the surface of the powder 3 in the container 2 through the base of the container. The top surface of the container base on which the powder is supported is substantially flat, so that the camera is faced with the flat surface of the powder to be imaged. The bottom surface of the container base is substantially parallel to its top surface.

図3は、粉末3を分析するための別の装置を示している。この装置は、粉末を収容するための一端が閉じた細長い管2を含んでいる。管2は、1つの平らな側壁2aを有する。便宜上、管は正方形または長方形の断面を有するが、D字型の断面など、他の断面も可能である。カメラ5およびレンズ4の組立体が、図1および2の装置と同様に、ランプ6とともに実質的に遮光性を有する筐体1内に設けられている。カメラは容器の平坦な側壁に向けられている。この側壁は、ランプによって生成され、カメラが感知できる光の波長に対して少なくとも部分的に透過性を有しており、図2の容器2の基部と同様に、実質的に互いに平行で対向した平坦な側面を有している。カメラは、容器に含まれる密集した状態の粉末を、側壁を通して撮像するように配置されている。容器は、筐体とカメラとに対して移動するように取り付けられており、カメラが容器に含まれる粉末のサンプルの表面のさまざまな部分を撮像できるようになっている。 Figure 3 shows another apparatus for analysing a powder 3. This apparatus includes an elongated tube 2 closed at one end for containing the powder. The tube 2 has one flat side wall 2a. Conveniently, the tube has a square or rectangular cross section, although other cross sections are possible, such as a D-shaped cross section. An assembly of a camera 5 and a lens 4 is provided in a substantially light-tight housing 1 together with a lamp 6, similar to the apparatus of Figures 1 and 2. The camera is directed towards the flat side wall of the container, which is at least partially transparent to the wavelengths of light generated by the lamp and which the camera is sensitive to, and which has substantially parallel and opposed flat sides, similar to the base of the container 2 of Figure 2. The camera is arranged to image the densely packed powder contained in the container through the side wall. The container is mounted for movement relative to the housing and the camera, such that the camera can image different portions of the surface of a sample of the powder contained in the container.

図4は、粉末ふるいに導入及び導出され、さらには粉末混合装置につながるパイプ10を含む粉末搬送装置を示している。各パイプ10は、平坦または実質的に平坦な透明な窓部11を含み、窓部11上に、パイプ10内の粉末の画像を窓部11を通して撮影するための適切なレンズ4が取り付けられたデジタルカメラ5を収容する遮光性を有する筐体1が取り付けられている。ランプ6は、窓部11を通して粉末を照射するために、筐体内におけるレンズ4の周囲に設けられている。カメラは、カメラによって検出された光のすべての波長に関連する情報を含むその画像を、出力装置8を備えたコンピュータ7に出力する。あるいは、またはそれに加えて、出力は、粉末搬送装置またはその関連機器を制御するコンピュータまたはプロセッサに送られ得る。混合装置の下流のパイプ10には、パイプを通る粉末を流したり停止したりするためのバルブ12(バタフライバルブなど)が設けられている。これにより、パイプに粉末を満たすことができ、ランプによって生成され、カメラが感知できる光の波長に対して透過性を有するパイプの窓部11に密集した状態の粉末が向けられる。 4 shows a powder delivery apparatus including pipes 10 leading to and from the powder sieve and further to the powder mixer. Each pipe 10 includes a flat or substantially flat transparent window 11 on which is mounted a light-tight housing 1 housing a digital camera 5 fitted with a suitable lens 4 for taking an image of the powder in the pipe 10 through the window 11. A lamp 6 is provided in the housing around the lens 4 for illuminating the powder through the window 11. The camera outputs its image, including information relating to all wavelengths of light detected by the camera, to a computer 7 with an output device 8. Alternatively, or in addition, the output may be sent to a computer or processor controlling the powder delivery apparatus or its associated equipment. The pipe 10 downstream of the mixer is provided with a valve 12 (such as a butterfly valve) for allowing or stopping the flow of powder through the pipe. This allows the pipe to be filled with powder and the powder in a dense state is directed to the window 11 of the pipe, which is transparent to the wavelengths of light generated by the lamp and sensed by the camera.

図1に示される装置と同様に、デジタルカメラ5は、パイプが分析対象の密集状態の粉末で満たされているときにカメラによって撮像されるウィンドウ11の区域に見える粉末粒子の予想数の約1000倍のピクセル数を有するセンサーを備えている。同様に、ランプ6が発光し、カメラ4が、紫外線、可視光線、および赤外線を含む広域スペクトルの光を感知する。ウィンドウ11は、この広域スペクトルの光に対して実質的に透過性を有している。 Similar to the device shown in FIG. 1, the digital camera 5 has a sensor with a pixel count approximately 1000 times the expected number of powder particles visible in the area of the window 11 imaged by the camera when the pipe is filled with dense powder to be analyzed. Similarly, the lamp 6 emits light and the camera 4 senses a broad spectrum of light including ultraviolet, visible, and infrared light. The window 11 is substantially transparent to this broad spectrum of light.

ふるいに導入及び導出するパイプ10の両方に、窓部11とカメラ5を備えた関連する筐体1とが設けられ、ふるいの前後での粉末の状態を分析することができる。カメラはまた、粉末混合装置への両方の入口に入る粉末の状態を分析することができる。 Both pipes 10 leading to and leading from the sieve are provided with windows 11 and associated housings 1 with cameras 5, allowing the powder condition before and after the sieve to be analysed. The cameras also allow the powder condition entering both inlets to the powder mixer to be analysed.

窓部は、例えば積層造形機などの他の種類の装置の粉末搬送導管または粉末貯蔵容器に設けることができる。 The window can be provided in a powder delivery conduit or powder storage container in other types of equipment, such as an additive manufacturing machine.

図5は、下部円錐台壁部と円筒形側壁とを有するホッパーを備えた粉末貯蔵装置を示している。直立パイプ10は、パイプ10を通りホッパーに送られる粉末を流したり停止したりするためのバルブ12を介して、ホッパー上部の入口に接続されている。ホッパーの底部には出口が設けられており、粉末をホッパーから流出させたりそれを停止したりするためのバルブ12も取り付けられている。ホッパーは金属粉末を保管するためのものであり、金属粉末を製造するために使用される噴霧器と共に使用するか、あるいはその一部を形成することができる。ホッパーの円錐台形の基部には2つの窓部11が設けられ、それぞれの窓部には、窓部に対して密集状態にされたホッパー内の粉末を撮像するためのランプ6と(図4に示すタイプの)レンズ4を有するカメラ5とを収容する筐体が取り付けられている。図4の装置と同様に、窓部は、ランプによって生成され、カメラが感知できる光の波長に対して透過性を有し、実質的に平行で互いに対向した平面を有している。 5 shows a powder storage device with a hopper having a lower frusto-conical wall and a cylindrical side wall. An upright pipe 10 is connected to an inlet at the top of the hopper through a valve 12 for allowing and stopping the powder passing through the pipe 10 to the hopper. An outlet is provided at the bottom of the hopper, also fitted with a valve 12 for allowing and stopping the powder to flow out of the hopper. The hopper is for storing metal powder and may be used with or form part of an atomizer used to produce metal powder. The hopper has two windows 11 at its frusto-conical base, each fitted with a housing containing a lamp 6 and a camera 5 with a lens 4 (of the type shown in FIG. 4) for imaging the powder in the hopper against the windows. As with the device of FIG. 4, the windows are transparent to the wavelengths of light produced by the lamps and sensitive to the camera, and have substantially parallel, opposing planar faces.

ホッパー12aに通じるパイプ10は、ホッパーへの入口におけるバルブの上方のパイプの部分に沿って等間隔に配置された5対の窓部を備えている。各窓部には、ホッパー12aの下部における筐体1と同じように、レンズ4を有するカメラ5およびランプ6を収容するそれぞれの筐体1が取り付けられている。これらのカメラによって、パイプ内において密集された状態の金属粉末をパイプの長さ方向に沿ったさまざまな位置で撮像できる。これは、例えば、パイプ10に送られた粉末が、例えば製造工程中に、経時的に変化したかどうかを特定可能とする場合に有用である。 The pipe 10 leading to the hopper 12a has five pairs of windows evenly spaced along the section of the pipe above the valve at the entrance to the hopper. Each window is fitted with a respective housing 1 housing a camera 5 with a lens 4 and a lamp 6, similar to the housing 1 at the bottom of the hopper 12a. These cameras allow images of the densely packed metal powder in the pipe to be taken at various positions along the length of the pipe. This is useful, for example, to be able to determine whether the powder fed into the pipe 10 has changed over time, for example during a manufacturing process.

各カメラは、コンピュータまたはプロセッサ7に出力を提供し、コンピュータまたはプロセッサ7は、適切なユーザーインターフェース8を介してユーザーに、あるいはこの出力によって制御される機器に出力を提供する。パイプ10の長さ方向に沿って複数の筐体1およびカメラ4を設ける代わりに、単一のカメラ(あるいはより少数のカメラ)をパイプに対して移動可能に取り付け、パイプの長さ方向に沿った異なる位置で粉末を撮像するように配置することもできる。 Each camera provides an output to a computer or processor 7 which in turn provides an output to a user via a suitable user interface 8, or to equipment controlled by the output. Instead of providing multiple housings 1 and cameras 4 along the length of the pipe 10, a single camera (or a smaller number of cameras) could be movably mounted relative to the pipe and positioned to image the powder at different positions along the length of the pipe.

ホッパーへの入口にあるバルブ12を閉じることで、撮像対象の粉末を密集させた状態でパイプに充填させることができる。 By closing the valve 12 at the entrance to the hopper, the powder to be imaged can be filled into the pipe in a dense state.

図6は、粉末を搬送するためのパイプの一部を示している。パイプには、バイパス導管10aが取り付けられ、バイパス導管10aには、バイパスに出入りする粉末の流れを制御できるバルブ12が設けられている。バイパス導管との接続部の間におけるパイプ内に、さらなるバルブ12が設けられている。バイパス導管は、図4および5の筐体と同じように、レンズを有するカメラおよびランプが収容されている筐体1が取り付けられた実質的に平面の窓部11を備えている。カメラの出力は、コンピュータまたはプロセッサ7、ディスプレイまたはその他の出力装置8、あるいは、カメラの出力に応じて制御される装置に接続される。バイパス導管は、 パイプ10よりも断面が小さいパイプによって形成される。バルブが制御されることで、パイプ10内を流れる粉末が導管に流入して導管を満たし、筐体1内のカメラ4によって密集された状態の粉末を撮像することが可能になる。バイパスにより、導管内を流れる粉末から分析のためのサンプルを効率的に採取できるため、粉末が密集した状態でパイプ内を移動していない場合でも、密集した状態の粉末を撮像することができる。 Figure 6 shows a part of a pipe for conveying powder. The pipe is fitted with a bypass conduit 10a, which is provided with a valve 12 that allows the flow of powder into and out of the bypass to be controlled. A further valve 12 is provided in the pipe between the connections with the bypass conduit. The bypass conduit, like the housings of figures 4 and 5, is provided with a substantially planar window 11 in which is fitted a housing 1 in which a camera with a lens and a lamp are housed. The output of the camera is connected to a computer or processor 7, a display or other output device 8, or a device controlled according to the output of the camera. The bypass conduit is formed by a pipe of smaller cross section than the pipe 10. The valve is controlled so that the powder flowing in the pipe 10 flows into the conduit, filling it and allowing the camera 4 in the housing 1 to image the powder in a compacted state. The bypass allows efficient collection of samples for analysis from the powder flowing in the conduit, so that the powder can be imaged in a compacted state even if it is not moving in a compacted state through the pipe.

図7と図8は、積層造形機13を示している。積層造形機は、実質的に遮光性を有するか、有するように構成された筐体1を備えている。筐体は、粉末送出ピストン15を備えた粉末送出容器14、造形用プラットフォーム16を備えた造形容器14a、および粉末送出容器から造形容器に粉末を搬送するための、可動支持体に取り付けられたワイパーブレード17を収容している。筐体はまた、造形用プラットフォーム16上で粉末を選択的に融解するためのレーザーの出力光学系18を収容している。 これらの機能はすべて、既知の選択的層融解積層造形機に共通している。 7 and 8 show an additive manufacturing machine 13. The additive manufacturing machine comprises a housing 1 that is substantially light-tight or configured to be light-tight. The housing houses a powder delivery container 14 with a powder delivery piston 15, a build container 14a with a build platform 16, and a wiper blade 17 mounted on a movable support for transporting powder from the powder delivery container to the build container. The housing also houses output optics 18 of a laser for selectively melting powder on the build platform 16. All these features are common to known selective layer fusion additive manufacturing machines.

筐体1はさらに、粉末送出容器および造形容器内の粉末の上面の区域の画像を撮影するための適切なレンズ4を備えた2台のカメラ5、および各カメラの周りに配置されたランプ6を収容している。また、画像センサー19およびランプ20が、ワイパーブレード17の可動支持体に取り付けられ、ワイパーブレードが容器を行き来する際に、粉末送出容器または造形容器内の粉末の表面の画像をスキャンするように配置されている。他の実施形態と同様に、ランプ6、20は発光し、カメラ5およびセンサー19は、紫外線、可視光線、および赤外線を含む広域スペクトルの光を感知する。 The housing 1 further houses two cameras 5 with suitable lenses 4 for taking images of the areas of the top surface of the powder in the powder delivery container and the modeling container, and lamps 6 arranged around each camera. Also, an image sensor 19 and lamps 20 are attached to the movable support of the wiper blade 17 and are arranged to scan images of the surface of the powder in the powder delivery container or modeling container as the wiper blade moves to and from the container. As in the other embodiments, the lamps 6, 20 emit light and the camera 5 and sensor 19 sense light in a broad spectrum including ultraviolet, visible, and infrared.

レンズ4を備えたカメラ5および関連するランプ6もまた、粉末容器および造形容器の側壁を介して窓部の裏側に配置された筐体1に取り付けられ、それら窓部を通して容器内において密集した状態の粉末を撮像することができる。 A camera 5 with a lens 4 and associated lamp 6 are also attached to the housing 1, which is located behind the window through the side wall of the powder container and the modeling container, and can image the powder in its dense state inside the container through the window.

さらに、レンズ4を備えたカメラ5および関連するランプ6が、粉末容器と造形容器との間に延在するプラットフォームに形成された窓の下側に配置された筐体1にも取り付けられており、そのプラットフォーム上の粉末を撮像することができる。 Additionally, a camera 5 with a lens 4 and associated lamp 6 is also attached to the housing 1, positioned below a window formed in the platform extending between the powder container and the build container, to image the powder on the platform.

3つの窓部はすべて、ランプによって生成され、カメラが感知できる光の波長に対して透過性を有している。プラットフォームの窓部は、実質的に平行で互いに対向した平面を有している。粉末容器および造形容器への窓部もそのような表面を有するか、これが平坦でない場合には、容器の内壁の形状に一致するように成形され得る。 All three windows are transparent to the wavelengths of light produced by the lamp and that the camera can sense. The platform windows have substantially parallel, opposing planar surfaces. The windows to the powder container and build container may also have such surfaces or, if they are not flat, may be shaped to match the shape of the container's inner walls.

カメラ5およびセンサー19は、出力装置8を備えた接続されたコンピュータまたはプロセッサ7に画像を出力するように配置されるか、または出力に応じて積層造形機を制御するように配置される。図1および2に示される装置と同様に、デジタルカメラ5およびセンサー19は、粉末の撮像される区域に示される粒子の数の約1000倍のピクセル数を有する粉末の画像を生成するように配置される。 The camera 5 and sensor 19 are arranged to output the image to a connected computer or processor 7 with an output device 8 or to control the additive manufacturing machine in response to the output. As with the apparatus shown in Figures 1 and 2, the digital camera 5 and sensor 19 are arranged to generate an image of the powder having a pixel count of about 1000 times the number of particles shown in the imaged area of the powder.

図7および8に示される積層造形機は、図示された撮像装置のすべてを備えている必要はないことは当然である。ただし、複数のデバイスを使用して、その使用のさまざまな段階で粉末を撮像することができる。 It will be appreciated that the additive manufacturing machine shown in Figures 7 and 8 need not include all of the imaging devices shown. However, multiple devices can be used to image the powder at various stages of its use.

使用時、装置の各実施形態では、装置内の粉末の表面のデジタル画像を生成する。デジタル画像は、カメラによって検出された光のすべての波長、すなわち、画像の要素に相当する粉末の表面の各区域からカメラによって受け取られる光の波長、に関連する情報を含む画像要素の特性を定義するデータのセットを含んでいる。画像に示されている粉末の粒子数に対する画像要素の比率は約1000である。画像データはコンピュータに送信され、変数L、aおよびbを用いたCIELAB色空間内などのように、光の波長または波長の組み合わせ、あるいは画像の各要素の光度によって表される検知された波長が定義される方法で、コンピュータに保存される。 In use, each embodiment of the device generates a digital image of the surface of the powder within the device. The digital image includes a set of data defining characteristics of the image elements, including information related to all wavelengths of light detected by the camera, i.e., the wavelengths of light received by the camera from each area of the powder surface that corresponds to an element of the image. The ratio of image elements to the number of particles of powder shown in the image is approximately 1000. The image data is transmitted to a computer and stored in the computer in a manner that defines the detected wavelengths represented by the wavelengths or combinations of wavelengths of light, or the luminous intensity of each element of the image, such as in the CIELAB color space with the variables L, a, and b.

コンピュータは、図9に示されるステップの少なくともいくつかを実行することによって、画像に示される粉末の状態に関する情報を特定するために、画像データを処理するように構成されている。 The computer is configured to process the image data to determine information about the condition of the powder shown in the image by performing at least some of the steps shown in FIG. 9.

任意の第1のステップ21として、画像は、元の画像の境界(または他の選択された領域)の外側の要素を取り除いて、所定のサイズにトリミングされる。この任意のステップにより、画像の歪んだ領域を除外したり、異なるカメラやセンサーで撮影した画像をまとめて同じ領域を表したり、同じピクセル数にしたりすることができる。 As an optional first step 21, the image is cropped to a predetermined size, removing elements outside the original image boundary (or other selected region). This optional step allows for the elimination of distorted areas of the image, or for images captured by different cameras or sensors to be merged to represent the same area or have the same number of pixels.

次に、残りの画像データを22において検査し、それがさらなる処理のために十分な品質であることを確認する。そうでない場合は、23で不適格とされ、新しい画像が取得される。 The remaining image data is then inspected at 22 to ensure it is of sufficient quality for further processing. If not, it is rejected at 23 and a new image is acquired.

画像データが十分な品質であることを示している場合、コンピュータは次に、輝度が所定のしきい値未満である要素を識別し、画像内の粉末の粒子間の空間(または他の背景材料)を表す要素を削除する目的で、24において画像データからこれらを削除する。実際のしきい値は、使用されている特定の装置の特性と検査されている粉末の種類によって異なる。しきい値の外側にある画像の要素が削除されると、残りの画像要素は、画像の前景にある粉末の粒子を表していることになる。 If the image data indicates that it is of sufficient quality, the computer then identifies elements whose brightness is below a predetermined threshold and removes these from the image data at 24 with the aim of removing elements that represent spaces between powder particles (or other background material) in the image. The actual threshold will vary depending on the characteristics of the particular apparatus being used and the type of powder being inspected. Once the elements of the image that are outside the threshold have been removed, the remaining image elements represent powder particles that are in the foreground of the image.

次に、残りの画像要素のデータを25において処理することで、流域セグメンテーションなどの適切な手法を使用して、それらが表す粒子の数を推定することができる。表わされた粒子の総数は、別の方法で推定することも可能である。所与の粉末および装置について、画像データによって表される数に対応する粉末の表面の区域に見えると予想される粒子の数は、予想される粉末の粒子サイズおよび予想される粉末の密集度の情報を用いて計算することができる。 The data for the remaining image elements can then be processed at 25 to estimate the number of particles they represent using a suitable technique such as watershed segmentation. The total number of particles represented can also be estimated in other ways. For a given powder and device, the number of particles expected to be visible in an area of the powder surface corresponding to the number represented by the image data can be calculated using information about the expected powder particle size and the expected powder compactness.

次に、残りの画像要素のデータを26において統計的に分析して、各画像要素によって表される波長または検知された波長が残りのすべての要素の対応する平均値を中心にどのように分布しているか特定し、要素の全個体数のうちのしきい値の割合を外れている波長または検知された波長を表す外れ値要素を検出する。これは、外れ値検出のカイ二乗検定を用いて実行することができる。機械学習の使用などを含め、他の手法を使用することも可能である。分析対象の粉末の種類に応じて全個体数に対する適切な割合を選択できるが、その一般的な割合は対象の要素の0.1%であり、つまり、外れ値の個体数が占めるのは、要素の全個体数の0.1%である。 The remaining image element data is then statistically analyzed at 26 to determine how the wavelengths represented or detected by each image element are distributed around the corresponding mean value of all remaining elements, and to detect outlier elements that represent wavelengths or detected wavelengths outside a threshold percentage of the total element population. This can be performed using a chi-square test for outlier detection. Other techniques can also be used, including the use of machine learning. A suitable percentage of the total population can be selected depending on the type of powder being analyzed, but a typical percentage is 0.1% of the elements of interest, i.e., the outlier population represents 0.1% of the total element population.

このステップを可視化すると図10に示すようになり、横軸の検知された波長(または色)の測定値に対して、縦軸に画像要素の数が表されている。ここでは、27で示す平均値を中心にした概してベル型の分布曲線と、低しきい値28および高しきい値29とが示されており、両しきい値の外側であって曲線の下側に相当する領域によって、外れ値となる全個体数の0.1%が示されている。 A visualization of this step is shown in Figure 10, with the number of image elements on the vertical axis versus the measured wavelength (or color) detected on the horizontal axis. A generally bell-shaped distribution curve is shown, centered around a mean value at 27, with low and high thresholds at 28 and 29, with the area outside both thresholds and below the curve representing the 0.1% of the total population that are outliers.

次に、外れ値要素は30において連結成分フィルタにかけられ、それらが定義する画像で空間的に接続されているかどうかが判断される。所定の数の要素を超える接続された画像要素の任意のグループが、単一の粒子を表すと見なされる。そのような識別された各グループを表すデータは、一意の粒子識別子に関連付けられ、最初の識別子は最大の接続された要素のグループを識別し、2番目の識別子は次に大きい接続された要素のグループを識別し、3番目以降も同様である。 The outlier elements are then subjected to a connected component filter at 30 to determine whether they are spatially connected in the image they define. Any group of connected image elements that exceeds a predetermined number of elements is deemed to represent a single particle. The data representing each such identified group is associated with a unique particle identifier, the first identifier identifying the largest group of connected elements, the second identifier identifying the next largest group of connected elements, the third, and so on.

この段階で、コンピュータは、粒子に照射される様々な光の波長との相互作用に影響を及ぼし、粉末内の統計的外れ値を明らかにさせる個々の粒子のサイズと表面特性とを定義する一連の画像データを生成している。その表面特性には、可視光に関する限り色が含まれるが、紫外光および赤外光との相互作用を変化させる特性が含まれるという点でより広い特性である。これらの不可視波長を含めることにより、特に粒子組成に関連して、装置で検出できる粒子特性の範囲が広がる。 At this stage, the computer has generated a set of image data that defines the size and surface properties of individual particles that affect their interaction with the various wavelengths of light shone on them and reveal statistical outliers within the powder. The surface properties include color as far as visible light is concerned, but are broader in that they include properties that change their interaction with ultraviolet and infrared light. The inclusion of these non-visible wavelengths increases the range of particle properties that can be detected by the instrument, especially as it relates to particle composition.

次に、このデータは31において分析され、分析された粉末の状態に関連する有用なデータが抽出される。 This data is then analyzed at 31 to extract useful data related to the condition of the powder analyzed.

そのデータには、
所定の範囲外にある表面特性を有する粒子の数および割合と、
所定の範囲内にある粒子から受けた光の平均波長と、
すべての画像要素から受けた平均波長と、が含まれる。
The data includes:
the number and percentage of particles having surface properties outside of a predetermined range;
the average wavelength of light received from particles within a given range; and
and the average wavelength received from all image elements.

金属粒子が光に対してどのように作用するかは、粒子が劣化するにつれて変化することが分かっている。特に、粒子が酸化したり、熱にさらされたりすると変化する。粒子が酸化されるほど、または粒子がさらされる温度が高くなるほど、作用が大きく変化する。したがって、変化の量は、粒子が受けた劣化の程度に関連し、したがって、再利用への適合性にも関連している。一部の種類の粒子に関しては、このような特性の変化は粒子の色の変化として観察者が視認することができるが、さらに不可視波長を使用して粒子を調べることによって、より広い範囲の種類の粒子における変化を検出できる可能性が高くなる。 It has been found that the way metal particles behave in relation to light changes as the particles age, in particular if they are oxidized or exposed to heat. The more the particle is oxidized or the higher the temperature it is exposed to, the more the behavior changes. The amount of change is therefore related to the degree of degradation the particle has undergone, and therefore to its suitability for reuse. For some types of particles, this change in properties is visible to an observer as a change in the color of the particle, but by examining the particles using more invisible wavelengths, it is more likely that changes in a wider range of particle types can be detected.

さらに、粉末のバッチの状態が通常であるにもかかわらず、高度に劣化した粒子が存在することによって、そのバッチを再利用に不適切であると特定できることが分かっている。これは、高度に劣化した粒子が造形物に1つでも含まれていると、造形物の特性に大きな影響を与える可能性があるためである。高度に劣化した粒子が物品に組み込まれた場合、特に粒子が使用に際して応力集中が発生する物品の箇所に組み込まれた場合に、物品が安全でなくなる可能性がある。 Furthermore, it has been found that the presence of highly degraded particles can identify a powder batch as unsuitable for reuse, even if the batch is in normal condition, as the presence of even a single highly degraded particle in a built object can significantly affect the properties of the built object. Highly degraded particles, when incorporated into an article, can render the article unsafe, especially if the particles are incorporated in locations of the article where stress concentrations occur during use.

上述の第1の測定値は、サンプルが採取される粉末のバッチが十分に混合され、または粉末の撮像された区域が粉末の全体としての典型的な構成を表していると仮定すると、サンプル全体および検査された粉末のバッチ全体における著しく劣化した粒子の割合を表している。特定のバッチから複数のサンプルを取り出し別々に分析するか、粉末のバッチに対して複数の検査を行うことで、粉末の表面の画像を複数枚撮影するなどして精度を向上させることができる。および/または特定のサンプルを分析し、混合してから、再分析してもよい。特定の粉末と造形物について、適切な波長範囲とそのしきい値の範囲外の最小割合を決めることができ、しきい値外の粒子の割合が選択した限度を超える場合、その粉末のバッチは、少なくとも対象の造形物については再利用に適さないと見なすことができる。 The first measurement above represents the percentage of severely degraded particles in the entire sample and the entire batch of powder examined, assuming that the batch of powder from which the sample is taken is well mixed or that the imaged area of the powder represents a representative composition of the powder as a whole. Accuracy can be improved by taking multiple samples from a particular batch and analyzing them separately, or by performing multiple tests on a batch of powder, such as taking multiple images of the powder surface, and/or by analyzing, mixing, and then reanalyzing a particular sample. For a particular powder and build, a suitable wavelength range and a minimum percentage outside that threshold can be determined, and if the percentage of particles outside the threshold exceeds a selected limit, the batch of powder can be considered unsuitable for reuse, at least for the build of interest.

したがって、この測定値により、バルク量に関係なく粉末の状態を特定することができる。 This measurement therefore allows the powder state to be identified regardless of the bulk amount.

第2の測定値は、しきい値の外側にある粒子を考慮に入れない場合の、残りの粉末の平均劣化の指標を示す。このような測定値は、従来のバルク酸素測定の結果に似ているが、大幅に劣化した粒子(または内部酸素)の影響を排除することを除けば、より便利で非破壊的な方法で取得される。所定の範囲外にある粒子を考慮に入れない場合に、残りの粒子から受けた平均波長が別の所定の範囲外にあるとき、粉末は再利用に不適切であると見なされる。 The second measurement gives an indication of the average degradation of the remaining powder, without taking into account particles that are outside the threshold. Such a measurement resembles the results of a conventional bulk oxygen measurement, but is obtained in a more convenient and non-destructive manner, except that it excludes the influence of significantly degraded particles (or internal oxygen). The powder is considered unsuitable for reuse when the average wavelength received from the remaining particles, without taking into account particles that are outside the predetermined range, is outside another predetermined range.

第3の測定値は第2の測定値と似ているが、著しく劣化した粒子を考慮に入れている。粒子から受けた光の平均波長が別の所定の範囲外にある場合、粉末は再利用には不適切であると見なされる。 The third measurement is similar to the second, but takes into account particles that have deteriorated significantly. If the average wavelength of light received from the particles falls outside another predetermined range, the powder is deemed unsuitable for reuse.

粉末を再利用するかどうかの決定は、上記の3つの測定値の1つ以上に基づいて行うことができる。通常、いずれかの測定値に基づいて、粉末を再利用すべきではないと判断された場合、粉末は再利用されない。一実施形態では、第1および第2の測定値が計算され、いずれかの測定値が再利用に適さないと示している場合、粉末は再利用に不適切であると見なされる。 The decision to reuse the powder can be based on one or more of the three measurements above. Typically, if it is determined based on any of the measurements that the powder should not be reused, the powder is not reused. In one embodiment, the first and second measurements are calculated and if either measurement indicates that the powder is not suitable for reuse, the powder is deemed unsuitable for reuse.

新しい粉末を使用する前に分析し、その後、造形プロセスおよびそれ以降の造形プロセスで使用した後に分析することが有用である。新しい粉末の分析により、その後の分析のデータと比較するための有用な制御データを得ることができる。 It is useful to analyze new powder before it is used and then after its use in the build process and any subsequent build processes. Analysis of the new powder can provide useful control data for comparison with data from subsequent analyses.

粉末に関するその他の情報は、粉末によって戻される光を検出することによって特定することができる。粉末以外の人工物が粉末中に検出されることもあり得る。異常な粉末粒子、例えば、意図されたものとは異なる材料で作られた粒子も検出される可能性があり、異常な粒子は、観察可能な特性によって識別され得る。粉末が受ける総入射エネルギーの推定を行うこともできる。粉末のサンプルまたは粉末のバッチの複数の画像が作成および分析される場合、画像間の結果を比較することにより、粉末がどれだけよく混合されているかを特定することができる。積層造形機などの別々の機械で処理された粉末の画像を使用して、機械の性能を比較したり機械の状態を判断したりすることができる。装置内の別々の期間および/または別々の位置で撮影された画像は、装置を通過する粉末を追跡するのに有用である。 Other information about the powder can be determined by detecting the light returned by the powder. Non-powder artifacts may also be detected in the powder. Abnormal powder particles, for example particles made of a different material than intended, may also be detected and the abnormal particles may be identified by observable characteristics. An estimate of the total incident energy received by the powder may also be made. If multiple images of a sample of powder or a batch of powder are made and analyzed, comparing the results between images can determine how well the powder is mixed. Images of powder processed in separate machines, such as additive manufacturing machines, can be used to compare machine performance or determine machine condition. Images taken at separate time periods and/or separate locations within the machine are useful for tracking powder as it passes through the machine.

装置が粉末処理装置または積層造形機に組み込まれている場合、検査結果の出力に基づいて、装置に特定の機能を自動的に実行させることができる。例えば、粉末を継続使用には不適格とみなすことができ、あるいは他の粉末と組み合わせることでリフレッシュし、継続使用に供することもできる。積層造形機を停止するか、ワイパーブレードを使用して粉末の層を除去し、粉末が融解する前に交換することもできる。 If the device is integrated into a powder processing system or additive manufacturing machine, the device can automatically perform certain functions based on the output of the test results. For example, the powder can be deemed unfit for continued use or it can be refreshed by combining it with other powder and made available for continued use. The additive manufacturing machine can also be shut down or wiper blades can be used to remove a layer of powder and replace it before it melts.

粉末を使用した造形物を検証するために、粉末の分析に関連するデータを保存することができる。特に、造形プロセス中に堆積された粉末の層の表面の少なくとも一部の分析を保存することで、造形プロセス全体で使用される粉末の一貫性またはその他の事実を提供することができる。また、タイムスタンプ付きのデータを、粉末搬送システム全体のさまざまな箇所で撮影された粉末の複数の画像から比較して、たとえば、酸化または汚染された粉末がシステム内をどの程度効率的に移動するかなど、そのシステムの性能を審査できる。 Data relating to the analysis of the powder can be stored to verify the build using the powder. In particular, an analysis of at least a portion of the surface of a layer of powder deposited during the build process can be stored to provide consistency or other facts about the powder used throughout the build process. Additionally, time-stamped data can be compared from multiple images of the powder taken at various points throughout the powder delivery system to assess the performance of the system, for example, how efficiently oxidized or contaminated powder moves through the system.

各例において、コンピュータは適切なソフトウェアを備えており、そのソフトウェアによって、カメラに画像を撮影させ、画像を処理して画像要素間の色分布を特定し、ユーザーが範囲、割合またはその他の値を入力することができ、3つの測定値の1つまたは複数を計算し、ユーザーが指定した範囲と割合を考慮して特定のサンプルが再利用可能かどうかを判断し、この結果をディスプレイ8などを介してユーザーに出力することができる。 In each example, the computer is equipped with appropriate software which causes the camera to take images, processes the images to determine colour distribution between image elements, allows a user to input ranges, percentages or other values, calculates one or more of the three measurements, determines whether a particular sample can be reused given the user specified ranges and percentages, and outputs this result to a user via a display 8 or the like.

上記の実施形態は、単なる例として説明されている。添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲から逸脱しない範囲において、多くの変形例が可能である。 The above embodiments have been described by way of example only. Many variations are possible without departing from the scope of the invention as defined in the appended claims.

Claims (21)

積層造形プロセスにおいて用いられる金属粉末を分析する方法であって、
前記粉末を融解せずに、前記粉末の領域を電磁スペクトルの不可視部分における放射線を含む電磁放射線で照射する工程と、
前記粉末の照射領域の別々の部分から戻った電磁スペクトルの不可視部分における放射線を含む照射放射線を別々に検出して、検出された放射線に基づいた出力を生成する工程と、
前記出力を処理して、前記粉末の個々の粒子の特性を決定し、その後、粒子の傘下の程度を推測し、前記特性が、特定の波長の放射線を反射および/または散乱する粒子の能力である工程と、
を備える方法。
1. A method for analyzing metal powders used in an additive manufacturing process, comprising:
irradiating a region of the powder with electromagnetic radiation, including radiation in the non-visible portion of the electromagnetic spectrum, without melting the powder;
separately detecting the illumination radiation, including radiation in the non-visible portion of the electromagnetic spectrum, returned from separate portions of the illuminated area of the powder and generating an output based on the detected radiation;
processing the output to determine a property of individual particles of the powder and thereafter infer the degree of umbrellaing of the particles, the property being the ability of the particle to reflect and/or scatter radiation of a particular wavelength ;
A method for providing the same.
前記粉末の領域が紫外線および/または赤外線を含む光で照射され、少なくとも、戻された紫外線および/または赤外線が検出されることを特徴とする、
請求項1に記載の方法。
The powder region is irradiated with light including ultraviolet and/or infrared light, and at least the returned ultraviolet and/or infrared light is detected.
The method of claim 1.
前記粉末が密集された状態であり、前記粉末の表面が照射されることを特徴とする、
請求項1または2のいずれかに記載の方法。
The powder is in a dense state, and the surface of the powder is irradiated.
3. The method according to claim 1 or 2.
前記出力が、前記粉末の領域のそれぞれの区域から受けた放射線の1つまたは複数の波長あるいは検知された波長に基づいた値を含んでいることを特徴とする、
請求項1からのいずれか1項に記載の方法。
the output includes a value based on one or more wavelengths of radiation received or detected from each area of the powder region.
4. The method according to any one of claims 1 to 3 .
前記区域が実質的に同じサイズであることを特徴とする、
請求項に記載の方法。
the areas being substantially the same size,
The method according to claim 4 .
各区域が、平均サイズの粉末の単一粒子によって占められる粉末の表面の面積よりも小さい面積を有していることを特徴とする、
請求項またはのいずれかに記載の方法。
each region having an area smaller than the area of the surface of the powder occupied by a single particle of the powder of average size;
6. The method according to claim 4 or 5 .
各区域の面積が、平均サイズの粉末の単一粒子によって占められる粉末の表面の面積の10分の1、500分の1、あるいは1000分の1以下であることを特徴とする、
請求項に記載の方法。
the area of each region being less than one tenth, one five-hundredth, or one thousandth of the area of the surface of the powder occupied by a single particle of the powder of average size;
The method according to claim 6 .
前記値をデータセットとして格納する工程をさらに含む、
請求項からのいずれか1項に記載の方法。
storing said values as a data set.
8. The method according to any one of claims 4 to 7 .
前記データセットを処理することで、所定のしきい値未満の光度を有する粉末の領域の区域に関連する値を識別することによって、粒子間の空間に関連する値が識別されることを特徴とする、請求項に記載の方法。 9. The method of claim 8, wherein the data set is processed to identify values associated with areas of powder regions having a light intensity below a predetermined threshold, thereby identifying values associated with spaces between particles. 前記識別された値以外の値を処理することで、所定の範囲外にある特性を有する粒子を表す値が識別されることを特徴とする、
請求項に記載の方法。
and processing values other than the identified values to identify values representative of particles having properties outside a predetermined range.
The method according to claim 9 .
処理を行うことで、検出された波長をすべての処理された値の波長分布における外れ値として定義する区域を表す値が識別されることを特徴とする、
請求項10に記載の方法。
The processing identifies values that represent areas that define the detected wavelengths as outliers in the wavelength distribution of all processed values.
The method of claim 10 .
所定数より多くの識別された区域が接続されているグループを識別することで、対象の粒子または粒子のグループが識別されることを特徴とする、
請求項11に記載の方法。
By identifying a group having more than a predetermined number of identified areas connected, a particle or group of particles of interest is identified.
The method of claim 11 .
積層造形プロセスにおいて用いられる金属粉末を分析するための装置であって、
前記粉末を融解せずに、前記粉末の領域を電磁スペクトルの不可視部分における放射線を含む電磁放射線で照射する手段と、
前記粉末の照射領域の別々の部分から戻った電磁スペクトルの不可視部分における放射線を含む照射放射線を別々に検出して、検出された放射線に基づいた出力を生成する検出器と、
前記出力を処理して、前記粉末の個々の粒子の特性を決定し、その後、粒子の傘下の程度を推測し、前記特性が、特定の波長の放射線を反射および/または散乱する粒子の能力であるプロセッサと、
を備える装置。
1. An apparatus for analyzing metal powders used in an additive manufacturing process, comprising:
means for irradiating a region of said powder with electromagnetic radiation, including radiation in the non-visible portion of the electromagnetic spectrum, without melting said powder;
a detector that separately detects the illumination radiation, including radiation in the non-visible portion of the electromagnetic spectrum, returned from separate portions of the illuminated area of the powder and generates an output based on the detected radiation;
a processor for processing the output to determine a property of individual particles of the powder and thereafter infer the degree of umbrellaing of the particles, the property being the ability of the particle to reflect and/or scatter radiation of a particular wavelength ;
An apparatus comprising:
粉末搬送装置または積層造形装置に設けられた請求項13に記載の装置。 14. The apparatus according to claim 13 , provided in a powder delivery apparatus or an additive manufacturing apparatus. 前記粉末の領域の表面を紫外線および/または赤外線を含む光で照射するように構成された照射装置をさらに備え、
前記検出器が、前記照射装置の照射面と同じ側への放射線を検出できるように配置されていることを特徴とする、
請求項13または14のいずれかに記載の装置。
Further comprising an irradiation device configured to irradiate a surface of the powder region with light including ultraviolet and/or infrared light;
The detector is arranged so as to detect radiation on the same side as the irradiation surface of the irradiation device.
15. Apparatus according to any of claims 13 or 14 .
前記照射装置および検出器が、前記金属粉末が導入され得る筐体内に収容され、前記筐体が、対象の波長での前記金属粉末の制御された照射を可能にするために、その波長での電磁放射線の侵入を防止するか、または少なくとも制限することができることを特徴とする、
請求項15に記載の装置。
characterised in that the illumination device and the detector are housed in an enclosure into which the metal powder can be introduced, the enclosure being capable of preventing or at least limiting the ingress of electromagnetic radiation at a wavelength of interest in order to allow controlled illumination of the metal powder at that wavelength.
16. The apparatus of claim 15 .
前記検出器が、粉末の領域の少なくとも一部の画像を1つまたは複数のセンサーが配置されている画像平面に集束させる集束要素を備えていることを特徴とする、
請求項13から16のいずれか1項に記載の装置。
the detector comprises a focusing element for focusing an image of at least a portion of the area of powder onto an image plane in which one or more sensors are disposed,
17. Apparatus according to any one of claims 13 to 16 .
前記検出器が、前記粉末の領域から戻った放射線の位置を空間的に解像できることを特徴とする、
請求項13から17のいずれか1項に記載の装置。
the detector being capable of spatially resolving the position of radiation returned from the region of powder;
18. Apparatus according to any one of claims 13 to 17 .
前記検出器が、前記粉末の領域の一部から戻った放射線を一度に検出することを特徴とする、
請求項13から17のいずれか1項に記載の装置。
the detector detects radiation returned from only a portion of the powder area at a time.
18. Apparatus according to any one of claims 13 to 17 .
前記粉末の領域のそれぞれの区域から受けた放射線の波長または検知された波長に応じた値を含むデータセットとして、前記出力を格納するように構成されていることを特徴とする、
請求項13から17のいずれか1項に記載の装置。
and storing the output as a data set including values responsive to wavelengths of radiation received or detected from each area of the powder region.
18. Apparatus according to any one of claims 13 to 17 .
前記プロセッサが、請求項1から12のいずれか1項に記載の方法を前記装置に実行させるように構成されていることを特徴とする、
請求項13から20のいずれか1項に記載の装置。
The processor is configured to cause the device to carry out a method according to any one of claims 1 to 12 .
21. Apparatus according to any one of claims 13 to 20 .
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