KR102463958B1 - 열 이미징을 이용한 적층 제조시의 일관성을 보장하는 시스템 및 방법 - Google Patents

열 이미징을 이용한 적층 제조시의 일관성을 보장하는 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 출원에서 설명하는 실시형태는 적층 제조에 의해 생산된 부품을 원하는 사양에 적합한 품질을 가진 공지의 마스터 모델에 대한 적합성에 대하여 신뢰성 있게 평가할 수 있는 시스템 및 방법과 관련된다. 이러한 시스템 및 방법은 각 부품의 제조 공정의 열 이력을 기록하는 것을 수반한다. 기록된 열 이력은 그 다음에 마스터 모델의 사전 기록된 열 이력과 비교된다. 열 이력의 큰 편차는 제조하는 구축물의 불규칙성을 표시하고, 부품 품질이 그 다음에 상기 불규칙성을 고려하여 평가될 수 있다.

Description

열 이미징을 이용한 적층 제조시의 일관성을 보장하는 시스템 및 방법
관련 출원에 대한 교차 참조
이 출원은 2015년 6월 12일자 출원된 미국 가특허 출원 제62/174,840호의 이익을 주장하며, 그 전체 내용은 인용에 의해 본원에 통합된다.
발명의 분야
이 출원은 적층 제조(additive manufacturing)에 의해 생산된 부품들의 일관성을 유지하는 것에 관한 것이다. 특히, 이 출원은 예를 들면 부품 품질을 평가하기 위해 열 이미지와 같은 시간 동기 이미지를 이용하여 부품의 일관성을 보장하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
적층 제조 분야에서 기술적 진보가 이루어짐에 따라서, 이 기술은 맞춤형 부품의 대량 생산을 위한 존속 가능한 생산 방법이 되고 있다. 그 결과, 적층 제조시의 부품 적합성이 중요한 이슈이다. 많은 상황에서, 현재의 적층 제조 기술은 생산된 부품이 구조적 결함을 갖지 않는 것을 보장하는 신뢰성 있고 효율적인 방법을 제공하지 못한다. 부품 품질을 보장하는 한가지 현재의 기술은 부품이 제조된 후에 예를 들면 욱안 검사, 컴퓨터 단층촬영 또는 파괴 검사를 이용하여 부품을 검사하는 것이다. 그러나 이러한 검사 기술은 시간 소모적이고 비용이 많이 든다. 일부 경우에, 부품이 품질 보증 기준에 부합하는지 결정하기 위해 부품에 대하여 응력 테스트를 또한 수행할 수 있다. 응력 테스트도 또한 노동 집약적이고, 제조 공정에 더 많은 비효율성을 추가한다. 추가로, 응력 테스트는 파괴적이거나 제조된 제품의 신뢰성에 알지 못하는 영향을 줄 수 있다. 이러한 효과는 비용이 많이 들고 제조된 제품의 완전성을 보장하지 않을 뿐만 아니라 상기 완전성을 희생할 수 있으므로 피해야 한다. 따라서 부품 품질을 평가하는 개선된 기술이 적층 제조 환경에서 필요하다.
일 실시형태에서, 적층 제조 장치의 제조된 부품의 품질을 평가하기 위한 품질 제어 시스템이 제공된다. 품질 제어 시스템은 레이저 주사(scanning) 시스템, 열 이미징 장치 및 제어 컴퓨터를 포함할 수 있다. 제어 컴퓨터는 부품을 제조하기 위해 적층 제조 장치에서 구축 영역의 레이저 주사를 개시하고 열 이미징 장치가 구축 영역의 레이저 주사 중에 구축 영역의 적어도 일부의 이미지를 포착하게 하도록 구성될 수 있다. 포착된 이미지는 메모리에 열 데이터로서 저장될 수 있고, 구축 공정 데이터도 또한 메모리에 저장될 수 있다. 제어 컴퓨터는 저장되어 있는 포착 이미지 및 구축 공정 데이터로부터 부품의 열 이력을 도출하도록 또한 구성될 수 있다. 도출된 열 이력은 마스터 모델과 연관된 저장된 열 이력과 비교될 수 있다.
다른 실시형태에서, 적층 제조 장치에서 제조된 부품의 품질을 평가하기 위한 방법이 제공된다. 이 방법은 부품을 제조하기 위해 적층 제조 장치에서 구축 영역의 레이저 주사를 개시하는 단계와, 열 이미징 장치가 구축 영역의 레이저 주사 중에 상기 구축 영역의 적어도 일부의 이미지를 포착하게 하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 포착된 이미지를 메모리에 열 데이터로서 저장하는 단계와, 구축 공정 데이터를 메모리에 저장하는 단계를 또한 포함할 수 있다. 부품의 열 이력은 저장되어 있는 포착 이미지 및 상기 구축 공정 데이터로부터 도출될 수 있다. 도출된 열 이력은 그 다음에 마스터 모델과 연관된 저장된 열 이력과 비교될 수 있다.
도 1은 3D 물체를 설계 및 제조하는 시스템의 일 예를 보인 도이다.
도 2는 도 1에 도시된 컴퓨터의 일 예의 기능 블록도이다.
도 3은 레이저 주사 시스템을 이용하여 3D 물체를 제조하는 하이레벨 공정도이다.
도 4a는 여기에서 설명하는 각종 실시형태를 구현하기에 적합한 레이저 주사 시스템의 일 예를 보인 도이다.
도 4b는 여기에서 설명하는 각종 실시형태를 실시하기 위해 도 4a의 레이저 주사 시스템에 열 카메라를 추가하는 방법의 일 예를 보인 도이다.
도 5는 제조된 부품이 마스터 모델의 품질에 적합한지 결정하는 하이레벨 공정의 흐름도이다.
도 6a 및 도 6b는 제조된 부품의 열 이력을 결정하는 방법을 더 자세히 보인 흐름도이다.
도 7a 및 도 7b는 제조된 부품의 열 이력을 생성하기 위해 구축 공정 데이터 및 열 이미징을 이용하는 더 자세한 공정 흐름도이다.
도 8a는 제조된 부품의 열 이력 곡선의 일 예를 보인 도이다.
도 8b는 절대 시간 측정치에 기초하여 겹쳐진 마스터 모델로부터의 열 이력과 함께 도 8a의 열 이력 곡선을 보인 도이다.
이 출원에서 설명하는 각종 실시형태는 적층 제조에 의해 생산된 부품을 원하는 사양에 적합한 품질을 가진 공지의 "마스터" 부품(여기에서 "마스터 모델"이라고도 부름)에 대한 적합성에 대하여 신뢰성 있게 평가할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 적층 제조가 부품에 대한 전통적인 생산 방법에 비하여 갖는 한가지 장점은 실제 구축 공정 중에 미래의 부품들을 검사할 수 있다는 점이다. 특히, 부품이 구축되고 있을 때 그 부품의 내부를 보는 것이 물리적으로 가능하다. 이 방법으로 수집된 제조 데이터는 결과적인 부품의 품질에 대한 정보를 포함할 수 있다. 발명자들은 많은 적층 제조 기술에 있어서, 생산된 물체의 품질은 물체의 각 부품에 충격을 주는 열 효과에 크게 의존한다는 것을 알았다. 따라서 발명자들은 제조 품질에 대하여 물체를 평가하기 위해 물체의 각 지점의 열 이력을 이용하는 시스템 및 방법을 고안하였다.
이러한 시스템 및 방법은 각 부품의 제조 공정의 열 이력을 기록하는 것을 수반한다. 기록된 열 이력은 그 다음에 마스터 모델의 사전 기록된 열 이력과 비교된다. 열 이력의 큰 편차는 제조하는 구축물의 불규칙성을 표시하고, 부품 품질이 그 다음에 상기 불규칙성을 고려하여 평가될 수 있다. 부품의 열 이력을 마스터 모델과 비교함으로써, 비확인 부품들이 구체적이고 시간 소모적인 육안 검사를 할 필요 없이 검출될 수 있다. 구체적인 구현예에 따라서, 마스터 모델의 열 이력은 하나의 단일 부품의 프린팅 중에 기록된 데이터일 수 있다. 대안적으로, 상기 열 이력은 소정의 원하는 사양에 적합한 품질을 가진 수 개의 부품들의 제조 중에 포착된 데이터와 관련된 값(예를 들면, 평균치 또는 중간치)일 수 있다.
본 발명의 각종 실시형태는 3D 물체를 설계 및 제조하는 시스템 내에서 실시될 수 있다. 도 1을 참조하면, 3D 물체 설계 및 제조의 구현에 적합한 컴퓨터 환경의 일 예가 도시되어 있다. 이 환경은 시스템(100)을 포함한다. 시스템(100)은 예를 들면 정보 처리가 가능한 임의의 워크스테이션, 서버 또는 다른 컴퓨팅 장치일 수 있는 하나 이상의 컴퓨터(102a-102d)를 포함한다. 일부 양태에서, 각각의 컴퓨터(102a-102d)는 임의의 적당한 통신 기술(예를 들면, 인터넷 프로토콜)에 의해 네트워크(105)(예를 들면, 인터넷)에 접속될 수 있다. 따라서 컴퓨터(102a-102d)는 네트워크(105)를 통해 서로 간에 정보(예를 들면, 적층 제조 장치를 동작시키는 소프트웨어, 3-D 물체의 디지털 표시, 커맨드 또는 명령어(instruction) 등)를 송신 및 수신할 수 있다.
시스템(100)은 또한 하나 이상의 적층 제조 장치(예를 들면, 3-D 프린터)(106a-106b)를 포함한다. 도시된 것처럼, 적층 제조 장치(106a)는 컴퓨터(102d)에 직접 접속되고(및 컴퓨터(102d)를 통해 네트워크(105)를 거쳐 컴퓨터(102a-102c)에 접속됨), 적층 제조 장치(106b)는 네트워크(105)를 거쳐 컴퓨터(102a-102d)에 접속된다. 따라서 당업자라면 적층 제조 장치(106)는 컴퓨터(102)에 직접 접속되거나, 네트워크(105)를 거쳐 컴퓨터(102)에 접속되거나, 및/또는 다른 컴퓨터(102) 및 네트워크(105)를 거쳐 컴퓨터(102)에 접속될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 비록 시스템(100)이 네트워크 및 하나 이상의 컴퓨터와 관련하여 설명되지만, 여기에서 설명하는 기술은 적층 제조 장치(106)에 직접 접속되는 단일 컴퓨터(102)에 또한 적용할 수 있다는 점에 주목해야 한다.
도 2는 도 1에 도시한 컴퓨터의 일 예의 기능 블록도이다. 컴퓨터(102a)는 메모리(220), 입력 장치(230) 및 출력 장치(240)와 데이터 통신하는 프로세서(210)를 포함한다. 일부 실시형태에서, 프로세서는 또한 선택사항인 네트워크 인터페이스 카드(260)와 데이터 통신한다. 비록 별도로 설명하지만, 컴퓨터(102a)와 관련하여 설명하는 기능 블록들은 구조적 요소들을 분리할 필요가 없다는 점을 이해하여야 한다. 예를 들면, 프로세서(210)와 메모리(220)는 단일 칩으로 구현될 수 있다.
프로세서(210)는 여기에서 설명하는 기능들을 수행하도록 설계된 범용 컴퓨터, 디지털 신호 프로세서(DSP), 특정 용도 집적회로(ASIC), 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA) 또는 다른 프로그래머블 논리 장치, 이산 게이트 또는 트랜지스터 로직, 이산 하드웨어 컴포넌트, 또는 이들의 임의의 적당한 조합일 수 있다. 프로세서는 또한 컴퓨팅 장치들의 조합, 예를 들면, DSP와 마이크로프로세서의 조합, 복수의 마이크로프로세서, DSP 코어와 협력하는 하나 이상의 마이크로프로세서, 또는 임의의 다른 구성으로서 구현될 수 있다.
프로세서(210)는 메모리(220)로부터 정보를 읽거나 메모리(220)에 정보를 기록하도록 하나 이상의 버스를 통해 결합될 수 있다. 프로세서는 추가로 또는 대안적으로 프로세서 레지스터와 같은 메모리를 포함할 수 있다. 메모리(220)는 다른 레벨이 다른 용량 및 접근 속도를 가지는 멀티레벨 계층 캐시와 같은 프로세서 캐시를 포함할 수 있다. 메모리(220)는 또한 랜덤 액세스 메모리(RAM), 다른 휘발성 스토리지 장치 또는 비휘발성 스토리지 장치를 포함할 수 있다. 스토리지는 하드 드라이브, 콤팩트 디스크(CD) 또는 디지털 비디오 디스크(DVD)와 같은 광디스크, 플래시 메모리, 플로피 디스크, 자기 테이프 및 집(Zip) 드라이브를 포함할 수 있다.
프로세서(210)는 또한 각각 컴퓨터(102a)의 사용자로부터 입력을 수신하고 컴퓨터(102a)의 사용자에게 출력을 제공하는 입력 장치(230) 및 출력 장치(240)에 결합될 수 있다. 적당한 입력 장치는, 비제한적으로, 키보드, 버튼, 키, 스위치, 포인팅 장치, 마우스, 조이스틱, 리모콘, 적외선 검출기, 바코드 리더, 스캐너, 비디오 카메라(예를 들면, 손 동작 또는 얼굴 동작을 검출하기 위해 비디오 처리 소프트웨어와 결합될 수 있음), 움직임 검출기, 또는 마이크로폰(예를 들면, 음성 명령을 검출하기 위해 오디오 처리 소프트웨어에 결합될 수 있음)을 포함한다. 적당한 출력 장치는, 비제한적으로, 디스플레이 및 프린터를 포함한 비주얼 출력 장치, 스피커, 헤드폰, 이어폰 및 알람을 포함한 오디오 출력 장치, 적층 제조 장치, 및 촉각 출력 장치를 포함한다.
프로세서(210)는 네트워크 인터페이스 카드(260)에 또한 결합될 수 있다. 네트워크 인터페이스 카드(260)는 하나 이상의 데이터 전송 프로토콜에 따라 네트워크를 통해 전송하기 위해 프로세서(210)에 의해 발생되는 데이터를 준비한다. 네트워크 인터페이스 카드(260)는 하나 이상의 데이터 전송 프로토콜에 따라 네트워크를 통해 수신된 데이터를 또한 디코드한다. 네트워크 인터페이스 카드(260)는 송신기 또는 수신기 또는 둘 다를 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, 송신기와 수신기는 2개의 별도의 컴포넌트일 수 있다. 네트워크 인터페이스 카드(260)는 여기에서 설명하는 기능들을 수행하도록 설계된 범용 컴퓨터, 디지털 신호 프로세서(DSP), 특정 용도 집적회로(ASIC), 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA) 또는 다른 프로그래머블 논리 장치, 이산 게이트 또는 트랜지스터 로직, 이산 하드웨어 컴포넌트, 또는 이들의 임의의 적당한 조합으로서 구현될 수 있다.
도 3은 3-D 물체 또는 장치를 제조하는 공정(300)을 보인 것이다. 도시된 것처럼, 블록 305에서, 물체의 디지털 표시가 컴퓨터(102a)와 같은 컴퓨터를 이용하여 설계된다. 예를 들면, 2-D 또는 3-D 데이터가 3-D 물체의 디지털 표시의 설계를 보조하기 위해 컴퓨터(102a)에 입력될 수 있다. 블록 310에서, 정보가 컴퓨터(102a)로부터 적층 제조 장치(106)와 같은 적층 제조 장치에 보내지고, 장치(106)는 수신된 정보에 따라 제조 공정을 시작한다. 블록 315에서, 적층 제조 장치(106)는 분말 또는 액체 수지와 같은 적당한 물질을 이용하여 3-D 물체의 제조를 계속한다. 또한, 블록 320에서, 3-D 물체가 생성된다.
이제, 도 4a를 참조하면, 적층 제조 장치의 일 예가 제공된다. 이 예에서, 적층 제조 장치는 레이저 소결 장치(410)이다. 그러나 당업자라면 여기에서 설명하는 방법이 스테레오리소그래피, 레이저 용융(금속), 또는 다른 전자빔 용융(EBM)과 관련하여 또한 구현될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 레이저 소결 장치(410)는 3D 물체가 층마다 구축될 수 있게 한다. 층들은 도 4a에 도시된 분말 표면(414)과 같은 분말로 형성된다. 연속적인 분말 층이 예를 들면 레벨링 드럼(422)을 이용하여 서로의 상부에 펼쳐진다. 퇴적 후에, CO2 레이저 빔과 같은 컴퓨터 제어형 레이저 빔이 상기 표면을 주사하고 제품의 대응하는 단면의 분말 입자들을 선택적으로 함께 결합할 수 있다. 이 예에서, 레이저 소스(412)는 X-Y 이동 가능(X-Y moveable) 적외선 레이저 소스이다.
이와 같이, 레이저 소스는 그 빔을 분말의 최상층의 특정 위치에 지향시키기 위해 X축 및 Y축을 따라 이동할 수 있다. 일부 실시형태에서, 레이저 소결 장치는 고정 레이저 소스(412)로부터 레이저 빔을 수신하고 빔을 장치의 작업 영역 내 특정 위치에 지향시키기 위해 빔을 이동 가능 미러를 통해 편향시키는 레이저 스캐너(도 4a에는 도시 생략됨)를 또한 포함할 수 있다. 레이저 노출 중에, 분말 온도는 유리 전이점 이상으로 상승하고, 그 후 인근 입자들이 3D 물체를 생성하기 위해 함께 유동한다. 장치(410)는 또한 복사 히터 및 대기 제어 장치(416)를 포함할 수 있다. 복사 히터는 분말 층의 주사시에 새로운 분말의 리코딩과 나중의 분말 층 사이에 분말을 예열하기 위해 사용될 수 있다. 대기 제어 장치는 예를 들면 분말 산화와 같은 원치않는 시나리오를 피하기 위해 공정 전반에서 사용될 수 있다.
일부 실시형태에서, 분말은 분말을 분말 용기(428(a), 428(b))로부터 피형성 물체(424)를 보유하는 저장고(426)로 밀어내는 하나 이상의 이동 가능 피스톤(418(a), 418(b))을 이용하여 배분될 수 있다. 저장고의 깊이는 이동 가능 피스톤(420)에 의해 또한 제어되고, 이동 가능 피스톤(420)은 추가의 분말이 분말 용기(428(a), 428(b))로부터 저장고(426)로 이동될 때 아래로 이동함으로써 저장고(426)의 깊이를 증가시킨다.
도 4b는 발명의 각종 실시형태에 따라 열 이미징 장치를 포함하도록 수정된 적층 제조 장치(410)의 일 예를 보인 블록도이다. 열 이미징 장치는 근적외선(NIR) 및/또는 적외선(IR) 범위에서 분말 베드(powder bed)의 표면으로부터 복사선을 포착하도록 구성될 수 있다. 도시된 것처럼, 적층 제조 장치(410)(도 4a에 세부적으로 도시됨)는 제어 컴퓨터(434)와 통신하도록 적응된다. 제어 컴퓨터(434)는 도 1 및 도 2와 관련하여 위에서 설명한 컴퓨터들 중의 하나와 같은 컴퓨터일 수 있다. 제어 컴퓨터(434)는 적층 제조 장치(410) 내에서의 적층 제조 처리를 제어하도록 하드웨어 및/또는 소프트웨어로 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 제어 컴퓨터는 적층 제조 제어 프로세서를 포함할 수 있다. 소프트웨어는 예를 들면 벨기에 루벤에 소재하는 머티어리얼라이즈 엔브이(Materialise NV)사 제품의 소프트웨어일 수 있다.
적층 제조 장치(410)는 레이저 주사 시스템(444)과 열 이미징 장치(436) 둘 다를 포함하도록 적응된다. 소정의 대안적인 실시형태에서, 이미지 장치는 또한 구축 공정 중에 구축 영역의 픽셀화 이미지를 포착하는 더 일반적인 이미징 장치일 수 있다. 뒤에서 자세히 설명하는 바와 같이, 열 이미징 장치(436)는 구축 공정 내내 구축 영역(450)의 이미지를 포착하도록 구성될 수 있다. 열 카메라에 익숙한 사람에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 카메라에 의해 포착된 이미지는 구축 영역 내 표면 온도를 직접적으로 또는 간접적으로 표시하거나 표면 온도를 직접적으로 측정하도록 교정될 수 있는 데이터를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 열 이미징 장치(436)는 FLIR에서 제조한 머신 비전 카메라와 같은 열 카메라일 수 있다. 머신 비전 카메라는 제어 컴퓨터(434)에 통합된 머신 비전 시스템과 함께 동작하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 열 이미징 장치(436)는 0.5Hz 내지 50Hz 사이의 속도로 이미지를 포착하도록 구성될 수 있다. 더욱이, 열 이미징 장치(436)는 레이저 주사 시스템(444)이 구축 영역(450) 내 퇴적된 분말 층을 주사하는 동안 이미지를 포착할 수 있다.
예를 들면, 일부 실시형태에서, 전형적인 층은 주사 및 리코팅하는데 약 20초가 걸릴 수 있다. 이 시간 동안에, 10Hz의 속도로 이미지를 포착하도록 구성된 열 이미징 장치(436)가 각 층마다 약 200개의 이미지를 포착할 것이고, 이 이미지들은 뒤에서 설명하는 바와 같이 부품 품질을 평가하기 위해 활용될 수 있다. 이 이미지들은 제어 컴퓨터(434)의 메모리에 저장되거나, 네트워크 접근가능 장소의 일부 다른 메모리에, 또는 적층 제조 장치(410)에 포함된 전용 메모리에 저장될 수 있다. 포착된 이미지는 제조된 부품의 열 이력을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 이 열 이력은 제조되고 테스트되고 승인된 공지의 마스터 모델의 열 이력과 비교될 수 있다. 일반적으로, 열 이력은 주사 및 리코팅 공정 중에 각 층의 온도 변동으로서 표현될 수 있다.
도 5를 참조하면, 적층 제조시 부품 품질을 평가하는 하이레벨 공정의 흐름도가 도시되어 있다. 공정은 블록 502에서 시작한다. 여기에서, 제조된 부품의 열 이력이 예를 들면 열 이미징 장치(436)에 의해 포착된 열 이미징 데이터를 이용하여 결정된다. 제조된 부품의 열 이력이 획득된 때, 이 열 이력은 블록 504에 도시된 것처럼 마스터 모델의 열 이력과 비교된다. 다음에, 공정은 결정 블록 506으로 이동한다. 여기에서, 제조된 부품의 열 이력이 특정 공차 내에 있는지를 결정할 수 있다. 예를 들어서 만일 제조된 부품의 특정 위치의 열 이력이 마스터 모델의 열 이력으로부터 크게 벗어나면, 이것은 부품 품질이 차선일 수 있다는 것을 표시한다.
만일 결정 블록 506에서, 열 이력이 특정 공차 내에 없으면, 공정은 블록 510으로 이동하고, 여기에서, 제조된 부품은 부적합이라고 결정된다. 그러나 만일 제조된 부품의 열 이력이 특정 공차 내에 있으면, 공정은 블록 508로 이동하고, 여기에서, 상기 제조된 부품은 적합이라고 결정된다. 일부 실시형태에서, 부적합 부품은 거절되고 더 넓은 품질 보증 공정의 부품으로서 버려진다. 도 5에 도시된 공정을 이용해서, 부품 품질은 제1 사례에서 시간 소모적인 수작업의 노동 집약적 처리를 할 필요 없이 평가될 수 있다. 일부 실시형태에서, 열 이력 또는 더 일반적인 이력 데이터도 또한 품질과 관련한 제품 비닝(binning)을 위해 사용될 수 있다. 마스터 제품과 관련하여 우수한 적합성을 가진 구축물의 제품들은 그 약간 비적합적인 대응물보다 더 높은 가격에 판매될 수 있다.
도 6a는 제조된 부품의 열 이력을 도 5의 블록 502에서 결정하는 방법에 대한 더 구체적인 예를 제공하는 흐름도이다. 공정은 블록 601에서 시작하고, 여기에서, 부품의 구축 공정을 시작한다. 공정은 그 다음에 2개의 블록 603과 605로 동시에 이동한다. 블록 603에서, 열 이미징 장치(436)가 구축 공정 전반의 분말 베드의 이미지를 포착한다. 전술한 바와 같이, 일부 실시형태에서, 열 이미징 장치(436)는 0.5 - 50Hz의 속도로 이미지를 포착하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 어떤 열 이미징 장치를 사용하는가에 따라서, 이미지 포착 속도는 3000Hz만큼 높거나 0.5Hz만큼 낮을 수 있다. 또한, 열 이미징 기술이 진보함에 따라서, 더 높은 이미지 포착 속도도 가능하다.
열 이미징 장치(436)가 작업 영역 내 분말 베드의 최상층의 이미지를 포착하는 동안, 제어 컴퓨터(434)는, 제어 컴퓨터(434)에서 실행하는 제어 소프트웨어 및 적층 제조 장치와 협력하여, 구축 공정의 각종 양태에 관한 데이터의 로깅(logging)을 수행하도록 구성될 수 있다. 이 파라미터들은 히터 온도, 레이저 출력, 주사 속도, 레이저가 방문한 분말 베드상의 위치, 및 각종 유형의 타이밍 데이터와 같은 파라미터들을 포함할 수 있다. 타이밍 데이터는 구축물 내의 각각의 새로운 층이 작업 영역에 퇴적되기 시작한 정밀 시간을 나타내는 데이터를 포함할 수 있다. 타이밍 데이터는 또한 각각의 분말 층의 퇴적이 공정에서 완료된 정밀 시간을 포함할 수 있다. 타이밍 데이터는 또한 층의 주사가 시작된 정밀 시간, 및 층의 주사가 완료된 시간을 포함할 수 있다. 물론, 이것들은 단순히 예시적인 파라미터들이고, 제조된 부품의 구축 공정과 연관된 다른 유형의 유사한 데이터가 물체의 열 이력을 결정할 때 사용하기 위해 또한 포착될 수 있다.
공정은 블록 607로 진행하고, 여기에서 제조 부품에 대한 구축 공정이 완료된다. 그 다음에 공정은 블록 609로 이동하고, 여기에서 블록 603에서의 구축 공정 전반에 걸쳐 포착된 열 이미지가 메모리에 저장될 수 있다. 전술한 바와 같이, 메모리는 적층 제조 장치(410), 제어 컴퓨터(434), 네트워크 스토리지 장치와 같은 어떤 다른 컴퓨터 스토리지 영역, 또는 열 이미징 장치(436) 자체 내의 메모리일 수 있다. 다음에, 공정은 블록 611로 이동한다. 여기에서, 제조된 부품의 열 이력이 획득된 이미지 및 로그된 구축 데이터에 기초하여 계산된다. 일부 실시형태에서, 열 이력은 구축과 동시에 계산될 수 있고, 열 이력은 마스터 모델의 열 이력과 비교될 수 있다. 그 결과, 구축은 마스터 모델의 열 이력과 물체의 열 이력 사이에 큰 편차가 있을 때 중지될 수 있다.
블록 611에서 설명한 제조된 부품의 열 이력을 구축하는 공정은 각종 방법으로 수행될 수 있다. 전형적으로, 열 이력은 열 이미징 장치(436)에 저장된 데이터로부터 추출된다. 일 실시형태에서, 열 이력은 물체의 특정 지점 또는 영역의 시간 함수로서 온도 행동을 각 순간에 반영하는 수학적 함수에 기초를 둔다.
다른 실시형태에서, 열 이력은 물체 내의 특정 영역의 온도 또는 온도 변화를 어느 순간에 또는 소정의 시간 간격에서 반영하는 전술한 수학적 함수로부터 사용자가 규정한 지점 또는 사용자가 규정한 간격일 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 열 이력은 물체의 특정 영역의 온도 또는 하나 이상의 열 시상수를 반영하는 수학적 함수로부터 추출된 상수들을 포함할 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 열 이력은 미리 정해진 시간 간격, 또는 대안적으로 소정의 온도 감소량에 도달하는데 필요한 시간 간격 내에서의 온도 감소를 반영할 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 열 이력은 시간의 함수로서 열 이미징 장치(436)로부터 추출된 미가공(raw) 온도 데이터일 수 있다. 열 이미징 장치로부터 추출된 데이터는 온도, 그레이 값(grey value)을 포함할 수 있고, 당업자라면 그레이 값 또는 다른 감시 카메라로부터의 입력과 같은 다른 다른 파라미터들을 사용할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 7a는 제조된 부품의 열 이력을 계산하는데 사용할 수 있는 하위 공정의 일 예를 보인 것이다. 제조된 부품의 열 이력이 마스터 모델의 열 이력과 비교하기 위한 기초로서 사용될 수 있기 때문에, 마스터 모델과 제조된 부품을 비교하기 위해 사용하는 데이터는 각 구축의 가장 근접한 가능한 시간에서 구축 공정의 조건들을 반영하는 것이 바람직하다. 그러나 적응적 제어 시스템, 레이저의 속도, 부품들의 상대적인 주사 순서, 분말 내 습도에 기인하는 층의 예열 시간의 변동 등 때문에, 열 이미징 장치(436)에 의해 포착되는 이미지는 복수의 구축 공정에 걸친 정확한 상대적 시간에 포착되지 않을 수 있다. 전술한 바와 같이, 열 이미징 장치(436)는 10Hz 내지 50Hz 사이의 속도로만 이미지를 포착하도록 구성될 수 있다. 그러나 레이저 스캐너는 이것보다 더 빨리 동작하고, 이미지 포착들 사이에 물체 층의 많은 지점을 방문할 수 있다. 그 결과, 열 이미징 장치(436)에 의해 취해진 이미지로부터의 데이터를 단순히 비교하는 것은 제조된 물체 및 마스터 물체로부터 획득된 데이터가 의미있는 결과를 줄 것이라고 보장하지 않는다. 그보다, "대등한"(apples-to-apples) 비교를 보장하기 위해, 열 이미징 장치(436)에 의해 포착된 이미지는 이들이 효과적으로 비교될 수 있도록 동기화될 수 있다.
따라서, 일부 실시형태에서, 열 이미징 장치(436)에 의해 포착된 비동기 이미지들은 마스터 모델의 구축 공정 중에 포착된 이미지들과 직접 비교되지 않는다. 그보다, 로그된 구축 데이터, 타이밍 데이터 및/또는 획득된 이미지에 기초하여 열 이력 곡선이 발생될 수 있다. 일부 특수한 실시형태에서, 열 이력 곡선은 획득된 이미지와 기준 시간에 기초하여 발생될 수 있다. 기준 시간을 사용하는 것은 전술한 수학적 모델을 열 데이터에 맞춤 또는 적용할 수 있게 하고 상기 맞춤으로부터 야기하는 상수와 함께 작용할 수 있게 한다. 열 데이터는 수학적 모델 또는 열 모델과 맞추어질 수 있다. 일 실시형태에서, 사용할 수 있는 모델은 T(t) = A*exp(-λ*t)+B로 설명되고, 여기에서 A는 지점에 대하여 도달되는 최대 온도를 표시하고 λ는 레이저가 멀리 이동한 후에 온도가 얼마나 빨리 감소하는지를 표시하는 지수 감쇠 계수이며, B는 상수이다. 상수 B는 시간 경과에 따라 도달되는 주변/평형 온도를 표시한다. 추가적인 지수 계수 또는 다른 계수들도 적당한 경우에 또한 사용할 수 있다.
일부 실시형태에서, 수학적 모델은 또한 과거에 좋은 구축을 야기하는 것으로 입증된 파라미터들을 포함한 일반 모델일 수 있다. 수학식으로부터의 상수와 함께 작용함으로써, 타임스탬프로부터 분리된 새로운 유형의 이미지가 구성될 수 있다. 이렇게 하는 것은 타이밍 파라미터가 제거되게 하고, "대등한(apples-to-apples)" 비교가 이루어지게 한다. 상수들은 그 다음에 마스터 모델로부터의 상수들과 비교될 수 있다. 이 접근법은 열 이미지, 대응하는 타임스탬프(기준에 대해) 및 열 행동 모델(즉, 1 지수 이상)로부터의 온도를 이용하여 또한 활용될 수 있다. 종합하면, 적층 제조 장치(410)의 적응적 제어 시스템을 이용함으로써, 수 개의 상이한 데이터 파라미터가 측정되고 구축 공정의 모든 부품에 대한 온도치를 보간 및/또는 시뮬레이트하는데 활용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 일 실시형태에서, 열 이력은 물체의 특정 영역의 시간 함수로서 온도 행동을 각 순간마다 반영하는 수학적 함수로서 설명 또는 표현할 수 있다. 다른 실시형태에서, 열 이력은 물체 내의 특정 영역의 온도 또는 온도 변화를 어느 순간에 또는 소정의 시간 간격에서 반영하는 전술한 수학적 함수로부터 사용자가 규정한 지점 또는 사용자가 규정한 간격일 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 열 이력은 물체의 특정 영역의 온도 및 하나 이상의 열 시상수를 반영하는 수학적 함수로부터 추출된 상수들을 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 열 이력은 미리 정해진 시간 간격, 또는 대안적으로 소정의 온도 강하에 도달하는데 필요한 시간 간격 내에서의 온도 강하를 반영한다. 추가로, 열 이력과 함께 작용하는 것은 이미징 장치(436)로부터의 열 데이터와 함께 작용하는 것에 비하여 강한 데이터 감소를 가능하게 한다.
도 7a는 제조된 부품의 열 이력을 규정하고 그 다음에 상기 규정된 열 이력을 이용하여 부품 품질을 마스터 모델의 품질과 비교하는 공정의 일 예를 제공하는 흐름도이다. 하이레벨로, 이 공정은 부품의 각 지점에 대하여 구축 공정 전반의 각 순간에 온도를 표시하는 열 이력 곡선을 생성하는 공정을 수반한다. 공정은 블록 702에서 시작하고, 여기에서 부품의 소정 지점이 분석을 위해 선택된다. 상기 지점은 부품의 전자 모델로부터 특정 위치를 선택함으로써 결정될 수 있다. 다음에, 공정은 블록 704로 이동하고, 여기에서 구축 공정으로부터의 특정 층이 분석을 위해 선택된다. 따라서 블록 702와 704에서 제조되는 부품의 특정 위치와 특정 층이 분석을 위해 선택된다. 다음에, 구축 공정 중에 포착된 데이터를 이용하여 메모리로부터 검색된다. 예를 들면, 블록 706에서, 고려되는 지점 및 층과 연관된 열 데이터가 메모리로부터 검색된다. 블록 708에서, 부품 제조 중에 로그되고 고려되는 층과 연관된 구축 데이터가 또한 메모리로부터 검색된다.
전술한 바와 같이, 열 이미징 장치(436)는 전형적으로 레이저 스캐너가 방문한 각각의 지점에 대하여 이미지가 취해지는 것을 보장하는 속도로 이미지를 포착할 수 없다. 그 결과, 열 이미징 장치(436)에 의해 취해지는 이미지들은 각 구축물에서 동일한 상대적 순간에 정확히 취해지지 않는다. 예를 들면, 마스터 모델을 생산한 구축 공정에서, 이미지들은 구축 공정의 하나의 상대적 시점에서 포착되었을 수 있고, 한편 나중에 생산된 부품에서 이미지들은 다른 상대적 시간에 포착될 수 있다. 이러한 상이한 상대적 시간 때문에, 마스터 모델과 후속적으로 생산된 부품들 간의 이미지들의 비교는 부품 품질의 신뢰할만한 평가를 이끌지 않을 것이다. 상이한 부품들 간에 이미지 데이터와 구축 공정 데이터가 의미 있게 비교되는 것을 보장하기 위해, 포착 데이터가 "대등한" 비교에서 사용될 수 있도록 포착 데이터를 조정하는 열 이력이 발생될 수 있다.
이러한 비교를 달성하기 위해, 공정은 그 다음에 블록 710으로 이동하고, 여기에서, 상기 검색된 데이터에 기초해서 열 이력이 결정된다. 일부 실시형태에서, 열 이력 곡선은 도 8a에 도시된 그래프(800)와 같은 그래프로 표시될 수 있다. 도시된 것처럼, 열 이력 곡선은 x축이 시간(초)을 표시하고 y축이 온도(섭씨)를 표시하는 xy 그래프상에 표시된다. 비록 이 예에서는 온도와 시간을 사용하지만, 당업자라면 그레이 값 또는 다른 감시 카메라로부터의 입력과 같은 다른 파라미터를 사용할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이 예에서, 그래프에 도시된 시간은 고려되는 층을 주사하는데 걸리는 적층 제조 장치(410)의 총 시간을 반영한다. 온도치는 고려되는 지점의 온도를 반영한다. 따라서 xy 그래프(800)상의 도시된 선은 고려되는 지점의 국부화 온도를 시간의 함수로서 제공한다. 이 도시된 선은 일반적으로 고려되는 층의 주사 주기 중의 상이한 상태를 표시한다.
그래프에서 801로서 표시된 제1 상태는 층이 리코팅되는 시간을 반영하지만, 스캐너는 아직 그 지점에 도달하지 않았다. 그 결과, 온도는 비교적 낮고, 일반적으로 분말 베드 내 퇴적된 분말의 온도에 또는 그 부근에 있다. 레이저 스캐너가 고려되는 지점 쪽으로 이동함에 따라, 온도는 지점에 대한 빔의 점차적인 근접에 기인하여 약간 증가할 수 있다(도시된 것처럼). 고려되는 지점이 레이저에 의해 주사될 때, 온도는 도시된 선에서처럼 급격하게 증가한다(섹션 803에 도시된 것처럼). 온도 증가는 분말의 융점(805로 표시한 점선)을 지나고 위치 807에서 정점을 갖는다. 스캐너가 물체의 다른 지점으로 이동한 때, 온도는 선의 섹션 809로 도시된 것처럼 (그 열 확산 특성에 기인하여) 하강하기 시작한다. 이 선은 고려되는 지점의 열 이력으로 고려될 수 있다. 전술한 바와 같이, 소정의 실시형태에서, 고려되는 지점의 열 이력은 물체의 특정 영역의 시간 함수로서 온도 행동을 각 순간마다 반영하는 수학적 함수를 또한 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, 열 이력은 물체 내의 특정 영역의 온도 또는 온도 변화를 어느 순간에 또는 소정의 시간 간격에서 반영하는 전술한 수학적 함수로부터 사용자가 규정한 지점 또는 사용자가 규정한 간격일 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 열 이력은 물체의 특정 영역의 온도 및 하나 이상의 열 시상수를 반영하는 수학적 함수로부터 추출된 상수들을 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 열 이력은 미리 정해진 시간 간격, 또는 대안적으로 소정의 온도 강하에 도달하는데 필요한 시간 간격 내에서의 온도 강하를 반영한다. 또 다른 실시형태에서, 도 8a의 그래프에서 가파른 상승 에지의 절단에 의해 비동기성이 상승된다.
도 8a로부터의 열 이력은 구축 공정 중에 취해진 실제 열 측정치를 이용하여 초기에 생성될 수 있다. 그러나 구축 공정 중에 로그된 저장된 데이터는 특히 이 데이터가 이벤트의 타이밍과 관련된 때 추가의 정보를 또한 제공한다. 예를 들면, 시스템에 의해 로그된 구축 공정 정보는 고려되는 층 또는 지점과 관련된 각종 이벤트의 정밀 타이밍을 포함할 수 있다. 도 8a는 이 시간을 점선 817로 도시하고 있다. 이 정보는 층에서 시작된 모멘트 레이저 주사를 또한 포함할 수 있다. 도 8a는 이 시간을 점선 819로 도시하고 있다. 이 정보는 레이저가 고려되는 지점을 주사한 정밀 시간을 또한 포함할 수 있다. 이 특정 시간은 도 8a에서 점선 815로 도시되어 있다. 다른 이벤트의 타이밍이 또한 기록되고 적절히 동기화되는 열 이력을 결정하기 위해 활용될 수 있다.
상기 및 다른 기록된 정보뿐만 아니라 발생하는 열 확산 뒤의 물리학을 이용해서, 도 8a의 열 이력 곡선은 실제 열 측정이 공정 중의 매 순간마다 이루어지지 않는다 하더라도 외삽(extrapolate) 및 시뮬레이트될 수 있다. 설명을 위하여, 일부 경우에, 열 이미징 장치(434)는 레이저가 고려되는 지점을 주사하는 정확한 시간에 이미지를 포착하지 않을 수 있다. 이것은 일반적으로 그 지점의 온도가 그 최고치에 있는 이 지점에서이다. 도 8a에 도시된 예에서, 열 이미징 장치는 레이저가 고려되는 지점을 주사한 정확한 순간(점선 815로 표시됨)에 이미지를 포착하지 않았다.
그보다, 열 이미징 장치는 스캐너가 고려되는 지점을 지나가기 바로 전 및 바로 후에 열 이미지를 포착하였다. 따라서 스캐너가 고려되는 지점을 지나가는 정확한 시간을 알게 되고, 그 지점에서 물질의 열적 행동이 추정 열 모델을 이용하여 맞추어질 수 있으며, 레이저가 고려되는 지점을 주사하는 정확한 시간의 온도를 상기 정보에 기초하여 추정 및/또는 외삽하고 그 다음에 상기 곡선에 기입하기 위해 XY 값으로서 추가될 수 있다. 열 이력 곡선상의 다른 값들은 포착되고 로그된 데이터를 이용하여 유사하게 추정 및/또는 외삽될 수 있다.
다시, 도 7a에 도시된 흐름도로 돌아가서, 고려되는 지점/층에 대하여 열 이력이 계산된 때, 공정은 결정 블록 712로 이동한다. 여기에서는 고려되는 지점에 대하여 분석될 수 있는 추가의 층이 있는지에 대한 결정이 이루어진다. 만일 있으면, 공정은 블록 704로 되돌아가고 다음 층이 분석을 위해 선택된다. 만일 상기 결정 블록 712에서 고려되는 지점에 대하여 분석될 수 있는 추가의 층이 없으면, 공정은 결정 블록 714로 이동한다. 결정 블록 714에서는 열 이력 곡선을 발생할 물체 내의 추가 지점이 있는지에 대한 결정이 이루어진다. 만일 있으면, 공정은 블록 702로 되돌아가고, 여기에서 물체 내의 새로운 지점이 분석을 위해 선택된다. 그러나 만일 상기 결정 블록 714에서 고려할 물체 내의 추가 지점이 없으면, 공정은 블록 716으로 이동한다.
블록 716에서, 제조 부품에 대하여 발생된 열 이력을 마스터 모델의 열 이력과 비교할 수 있다. 도 8b는 임의의 동기화 없이 겹쳐진 마스터 모델의 절대 열 이력과 함께 도 8a의 열 이력을 보인 것이다. 마스터 모델의 열 이력은 점선 811로 도시되어 있고, 이것은 도 8a와 관련하여 생산된 부품의 열 이력으로부터 시간적으로 치우친다. 그러나 2개의 열 이력은 수학 모델과의 맞춤 및 적합 상수(fit constant)의 추출에 의해 동기화될 수 있다. 이러한 적합 상수는 시간 독립적이다. 이와 같이, 각각의 지점에 대하여, 적합 상수들이 비교될 수 있다. 적합 상수의 예로는, 비제한적으로, 최대 온도 또는 지수 감쇠 시간이 있다. 따라서, 이러한 조정은 조정들이 동등한 순간을 반영하도록 열 이력들을 정렬하기 위해 구축 공정 중에 포착 및 로그된 정보를 활용함으로써 달성될 수 있다. 마지막으로, 공정은 블록 718로 이동하고, 여기에서는 부품과 마스터 모델 간의 열 이력의 유사성에 기초하여 부품이 마스터 모델에 적합한지에 대한 결정이 이루어진다.
일부 실시형태에서, 구축물의 적합성은 구축 공정 중에 거의 실시간으로 체크될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 이미지가 포착되고 구축 공정 데이터가 저장된 때, 열 이력이 실시간으로 발생되고 마스터 모델과 비교될 수 있다. 만일 중대한 편차가 있으면, 구축은 그 특수한 아이템에 대하여 추가의 낭비 시간 및 노력을 일으키지 않고 중단될 수 있다. 일부 실시형태에서, 구축은 검출된 결함을 치유하도록 조정될 수 있다.
도 6b와 도 7b는 열 이력의 실시간 처리의 예를 제공한다. 도 6b를 참조하면, 실시간 처리는 블록 621에서 시작하고, 여기에서 층이 구축 영역 내에 퇴적되고 적층 제조 장치(410)에 의해 주사된다. 다음에, 공정은 블록 623 및 625로 동시에 이동한다. 블록 623에서, 층이 주사될 때 열 이미지가 획득된다. 이와 동시에, 블록 625에 도시된 것처럼 구축 공정 데이터가 또한 로그된다. 다음에, 블록 627로 이동하고, 여기에서 열 이미지들이 메모리에 저장된다. 공정은 그 다음에 블록 629로 이동하고, 여기에서 층의 열 이력이 저장된 이미지 및 구축 데이터에 기초하여 실시간으로 계산되며, 그 다음에 상기 계산된 열 이력이 마스터 부품의 열 이력과 비교된다. 공정은 다음에 결정 블록 631로 이동하고, 여기에서는 블록 629에서 발생한 비교 결과에 기초하여 구축 공정에 대한 수정이 이루어져야 하는지 결정한다. 만일 수정이 필요 없으면, 예컨대 새로운 부품의 열 이력이 마스터 부품의 열 이력과 일치하면, 공정은 블록 621로 되돌아가고, 여기에서 다음 층이 퇴적 및 주사된다. 그러나 만일 수정이 필요하면, 공정은 블록 633으로 이동하고, 여기에서 구축 공정이 마스터 부품으로부터의 편차 유형에 기초하여 조정된다. 이러한 조정은 스캐너 속도, 스캐너 출력, 층 두께, 또는 적층 제조 장치(410)에 의해 조정이 가능한 어떤 다른 적층 제조 파라미터에 대한 조정을 포함할 수 있다.
도 7b는 도 6b의 블록 629의 하위 공정이고, 열 이력을 실시간 환경에서 계산하는 공정을 더 자세히 보인 흐름도이다. 공정은 블록 722에서 시작한다. 블록 722에서는 현재 프린트된 층이 분석을 위해 선택된다. 다음에, 공정은 블록 724로 이동하고, 여기에서 층 내의 특정 지점이 분석을 위해 식별된다. 공정은 그 다음에 블록 726으로 이동하고, 여기에서, 식별된 지점/층에 대한 저장된 열 데이터가 메모리로부터 검색되며, 블록 728에서, 로그된 구축 데이터가 또한 검색된다. 다음에, 공정은 블록 730으로 이동하고, 여기에서, 상기 검색된 데이터에 기초해서 열 이력 곡선이 계산된다. 열 이력 곡선이 계산된 때, 이 열 이력은 블록 732에서 마스터 부품의 필적하는 열 이력과 비교된다. 블록 734에서, 블록 732에서 수행된 비교에 기초하여 마스터 부품과의 적합성이 결정된다. 이 실시간 관계에 있어서, 지적하는 바와 같이, 각 층이 주사되고, 각 지점에 대한 열 이력이 마스터 부품과 관련하여 발생되고 평가될 수 있다. 기준으로부터의 편차가 식별된 때, 다른 경우에는 결함 부품으로 되는 프린터 자원들의 낭비를 피하기 위해 제조 공정을 조정할 기회가 주어질 수 있다. 또한, 기준으로부터의 편차가 충분히 크면, 프린팅 공정이 종료되어 자원 및 시간을 또한 절약할 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 열 이미지 데이터는 층당 1개 또는 2개의 이미지까지 열 이미지 데이터를 줄이기 위해 수학적 압축 함수를 이용하여 압축될 수 있다.
비록 전술한 실시형태들이 선택적인 레이저 소결(SLS)에 관련되지만, 당업자라면 여기에서 개시된 시스템 및 방법들은 SLA, EBM, 금속 소결 등을 포함한 다른 유형의 적층 제조에 사용할 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다.
일부 실시형태에서, 여기에서 설명한 시스템 및 방법은 제조 부품 내의 각 지점이 용융 온도 이상에서 얼마나 오랫동안 머무르는지에 기초하여 부품 품질을 체크하기 위해 사용될 수 있다. 만일 부품 내 지점과 연관된 열 이력이 불충분한 시간 동안 융점 이상에서 있었던 것으로 나타나면, 부품은 너무 많은 유공성을 갖는 것을 나타낼 수 있다. 유사하게, 만일 온도가 너무 오랜 시간 동안 융점 이상에서 있었으면, 이것은 과도한 용융에 의해 부품에 왜곡이 있을 수 있다는 표시를 제공할 수 있다.
일부 실시형태에서, 여기에서 설명한 시스템 및 방법은 추정된 열 모델이 그 지점에 대한 측정된 실험 데이터 내에서 얼마나 잘 맞을 수 있는지를 반영하는 '적합 계수'에 기초하여 부품 품질을 체크하기 위해 사용될 수 있다. 만일, 예를 들어서, 적합 계수가 높으면 추정된 열 모델은 측정된 열 행동을 잘 묘사하지만, 만일 적합 계수가 낮으면 비록 파라미터들이 적합되더라도 이것은 실 상황을 정확하게 묘사하지 않는다. 통계에서 '적합 계수'의 예로는 나쁜 적합일 때 0에 가깝고 좋은 적합일 때 1에 가까운 결정계수(R-squared) 값이 있다.
여기에서 개시된 시스템 및 방법을 활용해서, 제조된 부품은 구축 공정이 마스터 구축 동안에 행하여진 것과 동일한 방법으로 샘플링되지 않았다 하더라도 마스터 모델과 신뢰성 있게 비교될 수 있다. 여기에서 개시된 기술을 적용해서, 열 이력은 마스터 모델에 대하여 규정된 것과 동등한 파라미터들에 기초하여 각각의 제조 부품에 대하여 생성될 수 있다. 더욱이, 비록 여기에서 개시된 시스템 및 방법이 일반적으로 열 이미징 장치의 사용과 관련이 있지만, 당업자라면 더 일반적인 이미징 장치를 또한 사용할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이 구현예에서, 부품 품질을 결정하기 위해 열 판독치를 이용하기보다, 미가공(raw) 이미지의 픽셀 값들을 마스터 모델과 제조된 부품 사이에 비교하여 적합성을 또한 결정할 수 있다.
여기에서 개시된 각종 실시형태는 컴퓨터 제어 시스템의 사용을 제공한다. 당업자라면 이러한 실시형태가 범용 및/또는 특수 용도 컴퓨팅 시스템 환경 또는 구성 둘 다를 포함한 많은 다른 유형의 컴퓨팅 장치를 이용하여 구현될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 여기에서 개시된 실시형태와 관련하여 사용하기에 적합한 공지된 컴퓨팅 시스템, 환경 및/또는 구성의 비제한적인 예를 들자면 퍼스널 컴퓨터, 서버 컴퓨터, 핸드헬드 또는 랩톱 장치, 마이크로프로세서 시스템, 마이크로프로세서 기반 시스템, 프로그램 가능한 가전제품, 네트워크 PC, 미니 컴퓨터, 메인프레임 컴퓨터, 임의의 상기 시스템 또는 장치를 포함한 분산형 컴퓨팅 환경 등이 있다. 상기 장치들은 컴퓨팅 장치의 마이크로프로세서에 의해 실행된 때 컴퓨터 장치가 명렁어를 실행하기 위한 특정 동작을 수행하게 하는 저장된 명령어를 포함할 수 있다. 여기에서 사용하는 용어 명령어는 시스템에서 정보를 처리하는 컴퓨터 구현 단계들을 말한다. 명령어는 소프트웨어, 펌웨어 또는 하드웨어로 구현될 수 있고, 시스템의 각종 컴포넌트에 의해 수행되는 임의 유형의 프로그램된 단계를 포함할 수 있다.
마이크로프로세서는 펜티엄® 프로세서, 펜티엄® 프로 프로세서, 8051 프로세서, 밉스(MIPS®) 프로세서, 파워 PC® 프로세서 또는 알파® 프로세서와 같은 임의의 관습적인 범용 단일 칩 또는 다중 칩 마이크로프로세서일 수 있다. 또한, 마이크로프로세서는 디지털 신호 프로세서 또는 그래픽 프로세서와 같은 임의의 관습적 특수 용도 마이크로프로세서일 수 있다. 마이크로프로세서는 전형적으로 관습적 어드레스 선, 관습적 데이터 선, 및 하나 이상의 관습적 제어 선을 갖는다.
여기에서 개시된 발명의 각종 양태 및 실시형태는 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어 또는 이들의 임의 조합을 생산하는 표준 프로그래밍 또는 엔지니어링 기술을 이용하여 방법, 장치 또는 제조 물품으로서 구현될 수 있다. 여기에서 사용하는 용어 "제조 물품"은 광학 스토리지 장치와 같은 하드웨어 또는 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체, 및 신호, 반송파 등과 같은 휘발성 또는 비휘발성 메모리 장치 또는 일시적 컴퓨터 판독가능 매체로 구현되는 코드 또는 로직을 말한다. 그러한 하드웨어는, 비제한적으로, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA), 특정 용도 집적회로(ASIC), 복합 프로그래머블 논리 장치(CPLD), 프로그래머블 로직 어레이(PLA), 마이크로프로세서 또는 다른 유사한 처리 장치를 포함할 수 있다.

Claims (16)

  1. 적층 제조 장치(additive manufacturing apparatus)에서 제조되는 부품의 품질을 평가하기 위한 품질 제어 시스템에 있어서,
    레이저 주사(scanning) 시스템;
    열 이미징 장치; 및
    제어 컴퓨터
    를 포함하고,
    상기 제어 컴퓨터는,
    상기 부품을 제조하기 위해 상기 레이저 주사 시스템에 의해 상기 적층 제조 장치에서 구축 영역의 레이저 주사를 개시하고;
    상기 열 이미징 장치가 상기 구축 영역의 상기 레이저 주사 중에 상기 구축 영역의 적어도 일부의 이미지를 포착하게 하고;
    상기 포착된 이미지를 메모리에 열 데이터로서 저장하고;
    상기 레이저 주사 시스템에 의한 상기 레이저 주사와 상기 구축 영역 상의 구축 물질의 리코팅(recoating)에 대응하는 구축 공정 데이터를 상기 메모리에 저장하고;
    상기 열 데이터 및 상기 구축 공정 데이터로부터 상기 부품의 적어도 일부에 대한 열 이력을 도출하며, - 상기 열 이력은 레이저 주사 및 리코팅 동안 상기 부품의 상기 적어도 일부에 대한 온도 변동을 포함하고, 상기 부품의 상기 적어도 일부에 대한 열 이력을 도출하는 것은:
    상기 부품의 상기 적어도 일부의 지점(point)을 선택하는 것; 및
    실시간으로 상기 열 데이터 및 상기 구축 공정 데이터에 기초해 상기 부품의 상기 적어도 일부의 상기 지점에 대해 열 이력 곡선을 계산하는 것을 포함함 - ;
    상기 부품이 마스터 모델에 적합한지(conformal) 여부를 표시하기 위해 상기 도출된 열 이력을 상기 부품의 마스터 모델과 연관된 저장된 열 이력과 비교하고; 그리고
    상기 계산된 열 이력 곡선에 기초해 상기 부품의 구축 공정에서 하나 이상의 후속 층과 연관된 파라미터를 수정하도록
    구성되는, 품질 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 컴퓨터는 상기 부품의 상기 도출된 열 이력이 상기 저장된 열 이력의 미리 규정된 공차 내에 있는지의 여부에 기초해, 상기 부품이 상기 마스터 모델에 적합하다고 결정하도록 구성된 것인, 품질 제어 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 지점에 대해 열 이력 곡선을 계산하는 것은 상기 제조되는 부품의 층의 주사 내내 상기 지점의 위치에서의 온도를 표시하는 온도치를 외삽(extrapolate)하는 것을 포함하는 것인, 품질 제어 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 도출된 열 이력과 상기 저장된 열 이력의 비교는 상기 지점의 상기 위치에서의 온도가 상기 도출된 열 이력과 상기 저장된 열 이력 각각에서 미리 규정된 기준 온도를 초과한 시간량들의 비교를 포함하는 것인, 품질 제어 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 미리 규정된 기준 온도는 상기 제조되는 부품과 상기 마스터 모델 중의 적어도 하나를 제조하는데 사용되는 구축 물질의 융점인 것인, 품질 제어 시스템.
  7. 삭제
  8. 적층 제조 장치에서 제조되는 부품의 품질을 평가하는 방법에 있어서,
    상기 부품을 제조하기 위해 레이저 주사 시스템에 의해 상기 적층 제조 장치에서 구축 영역의 레이저 주사를 개시하는 단계;
    열 이미징 장치가 상기 구축 영역의 상기 레이저 주사 중에 상기 구축 영역의 적어도 일부의 이미지를 포착하게 하는 단계;
    상기 포착된 이미지를 메모리에 열 데이터로서 저장하는 단계;
    상기 레이저 주사 시스템에 의한 상기 레이저 주사와 상기 구축 영역 상의 구축 물질의 리코팅에 대응하는 구축 공정 데이터를 상기 메모리에 저장하는 단계;
    상기 열 데이터 및 상기 구축 공정 데이터로부터 상기 부품의 적어도 일부에 대한 열 이력을 도출하는 단계 - 상기 열 이력은 레이저 주사 및 리코팅 동안 상기 부품의 상기 적어도 일부에 대한 온도 변동을 포함하고, 상기 부품의 상기 적어도 일부에 대한 열 이력을 도출하는 단계는:
    상기 부품의 상기 적어도 일부의 지점(point)을 선택하는 단계; 및
    실시간으로 상기 열 데이터 및 상기 구축 공정 데이터에 기초해 상기 부품의 상기 적어도 일부의 상기 지점에 대해 열 이력 곡선을 계산하는 단계를 포함함 - ;
    상기 부품이 마스터 모델에 적합한지의 여부를 표시하기 위해 상기 도출된 열 이력을 상기 부품의 마스터 모델과 연관된 저장된 열 이력과 비교하는 단계; 및
    상기 계산된 열 이력 곡선에 기초해 상기 부품의 구축 공정에서 하나 이상의 후속 층과 연관된 파라미터를 수정하는 단계
    를 포함하는, 적층 제조 장치에서 제조되는 부품의 품질을 평가하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 부품의 상기 도출된 열 이력이 상기 저장된 열 이력의 미리 규정된 공차 내에 있는지의 여부에 기초해 상기 부품이 상기 마스터 모델에 적합하다고 결정하는 단계를 더 포함하는, 적층 제조 장치에서 제조되는 부품의 품질을 평가하는 방법.
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서,
    상기 지점에 대해 열 이력 곡선을 계산하는 단계는 상기 제조되는 부품의 층의 주사 내내 상기 지점의 위치에서의 온도를 표시하는 온도치를 외삽하는 단계를 포함한 것인, 적층 제조 장치에서 제조되는 부품의 품질을 평가하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 도출된 열 이력과 상기 저장된 열 이력을 비교하는 단계는 상기 지점의 상기 위치에서의 온도가 상기 도출된 열 이력과 상기 저장된 열 이력 각각에서 미리 규정된 기준 온도를 초과한 시간량들을 비교하는 단계를 포함한 것인, 적층 제조 장치에서 제조되는 부품의 품질을 평가하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 미리 규정된 기준 온도는 상기 제조되는 부품과 상기 마스터 모델 중의 적어도 하나를 제조하는데 사용되는 구축 물질의 융점인 것인, 적층 제조 장치에서 제조되는 부품의 품질을 평가하는 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
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