KR20190026966A - 적층 제조에서의 z-높이 측정 및 조정을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

적층 제조에서의 z-높이 측정 및 조정을 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 개시의 일부 실시예에서, 재료 증착 기반 적층 제조 기술을 통해 부품을 적층식으로 제조하는 단계; 부품을 적층식으로 제조하는 것과 동시에, 비선형 수학 모델을 통해 증착의 z-높이를 측정해서 측정된 z-높이를 결정하고, 여기서 측정된 z-높이는 적층 제조 시스템 에너지원과 용융된 풀의 상단 표면 사이의 거리인, 단계; 측정된 z-높이를 목표 z-높이와 비교하여 측정된 z-높이와 목표 z-높이 사이의 차이를 식별하는 단계; 모션 컨트롤러를 조정하여 목표 z-높이 및 측정된 z-높이로, 보정된 z-높이를 설정하는 단계; 및 보정된 z-높이에 기초하여 적층 제조 공급 재료를 증착시키는 단계를 포함하는, 방법이 제공된다.

Description

적층 제조에서의 Z-높이 측정 및 조정을 위한 시스템 및 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2016년 9월 15일에 출원된 미국 가출원 번호 제62/395,032호의 이익을 주장하며, 그 전문은 본원에 참고로 원용된다.
기술분야
광범위하게, 본 발명은, 적층 제조(AM) 재료 증착 공정을 위한 z-높이 측정 및 제어를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 비선형 수학 모델을 생성하여 AM 증착의 z-높이를 측정하고 측정된 z-높이가 목표 z-높이와 상이한 경우 자동화된 조정 파라미터를 제공하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
정확한 기하학적 구조 및 일관된 특성(예: 미세구조)을 갖는 AM 부품 구축을 달성하기 위해서는 적층 제조(AM) 공급 재료의 정밀하고 정확한 증착이 필요하다.
본 개시의 일부 실시예에서, 다음을 포함하는 방법이 제공된다: 재료 증착 기반 적층 제조 기술을 통해 부품을 적층식으로 제조하는 단계; 부품을 적층식으로 제조하는 것과 동시에, 비선형 수학 모델을 통해 증착의 z-높이를 측정하여 측정된 z-높이를 결정하고, 여기서 측정된 z-높이는 적층 제조 시스템 에너지원과 용융된 풀의 상단 표면 사이의 거리인, 단계; 측정된 z-높이를 목표 z-높이와 비교하여 측정된 z-높이와 목표 z-높이 사이의 차이를 식별하는 단계; 모션 컨트롤러를 조정하여 보정된 z-높이를, 목표 z-높이 및 측정된 z-높이로 설정하는 단계; 및 보정된 z-높이에 기초하여 적층 제조 공급 재료를 증착시키는 단계.
전술한 실시예들 중 어느 하나에서, 추가적으로 및/또는 대안적으로 모션 컨트롤러를 조정하는 단계는, 상기 적층 제조 시스템 에너지원에 결합된 신호를 상기 모션 컨트롤러에 전송해서 보정된 z-높이를 설정하는 단계를 더 포함한다.
전술한 실시예들 중 어느 하나에서, 추가적으로 및/또는 대안적으로 비-선형 수학 계산은 다음과 같다:
Figure pct00001
여기서 SD는 상기 적층 제조 시스템 에너지원과 상기 용융된 풀 또는 이전 층 내의 증착된 재료의 표면 사이의 이격(stand-off) 거리이고, 여기서 h는 물리적 이미지 센서 유닛 상의 이미지 지점 a와 이미지 지점 b 사이의 거리이고, 여기서 L1은 렌즈 중심으로부터 용융된 풀까지 또는 상기 이전 층 내의 증착된 재료의 표면까지의 거리이고, 여기서 α는 선 Aa와 에너지 방향 사이의 각도이고, 여기서 β는 선 Aa와 이미지 센서 표면 사이의 각도이고, 여기서 f는 초점 길이이다.
전술한 실시예들 중 어느 하나에서, 추가적으로 및/또는 대안적으로 z-높이는 음의 값이다.
전술한 실시예들 중 어느 하나에서, 추가적으로 및/또는 대안적으로 적층 제조 시스템 에너지원은 용융된 풀을 향하는 수직 방향으로 하향으로 조정된다.
전술한 실시예들 중 어느 하나에서, 추가적으로 및/또는 대안적으로 z-높이는 양의 값이다.
전술한 실시예들 중 어느 하나에서, 추가적으로 및/또는 대안적으로 적층 제조 시스템 에너지원은 용융된 풀로부터 멀어지는 수직 방향으로 상향으로 조정된다.
전술한 실시예들 중 어느 하나에서, 추가적으로 및/또는 대안적으로 재료 증착 기반 적층 제조 기술은 와이어-공급 증착이다.
전술한 실시예들 중 어느 하나에서, 추가적으로 및/또는 대안적으로 재료 증착 기반 적층 제조 기술은 분사형 유동화 분말 기반 증착이다.
전술한 실시예들 중 어느 하나에서, 추가적으로 및/또는 대안적으로 측정된 z-높이는 목표 z-높이이다.
전술한 실시예들 중 어느 하나에서, 추가적으로 및/또는 대안적으로 z-높이를 측정하는 것은 다음을 포함한다: 이미징 장치를 통해 용융된 풀의 이미지를 취하는 단계; 좌표 시스템을 통해 상기 적층 제조 시스템 에너지원에 대해 상대적인 용융된 풀의 위치를 상관시키고 계산하는 단계; 측정된 z 높이를 목표 z 높이와 비교하는 단계; 측정된 z-높이와 목표 z-높이 사이의 편차를 계산하는 단계; 및 z-높이 컨트롤러를 통해, 용융된 풀의 상단 표면에 대해 상대적인 에너지원의 상단 높이를 조정하여, 측정된 Z-높이와 목표 z-높이 사이의 편차 (편차가 있는 경우)를 최소화하는 단계.
전술한 실시예들 중 어느 하나에서, 추가적으로 및/또는 대안적으로 이미징 장치는 에너지원의 최하부와 용융된 풀의 최상부면 사이의 거리를 측정하도록 구성된다.
전술한 실시예들 중 어느 하나에서, 추가적으로 및/또는 대안적으로 재료 증착 기반 적층 제조 기술의 파라미터는 z-높이를 조정하기 위해 제어된다.
전술한 실시예들 중 어느 하나에서, 추가적으로 및/또는 대안적으로 z-높이는 E-빔 전력 파라미터의 값을 조정하는 것에 적어도 부분적으로 기초하여 조정된다.
전술한 실시예들 중 어느 하나에서, 추가적으로 및/또는 대안적으로 z-높이는 적층 제조 공급 재료의 공급 속도를 조정하는 것에 적어도 부분적으로 기초하여 조정된다.
전술한 실시예들 중 어느 하나에서, 추가적으로 및/또는 대안적으로 센서는 z-높이의 자동 모니터링 및/또는 제어를 가능하게 한다.
전술한 실시예들 중 어느 하나에서, 추가적으로 및/또는 대안적으로 측정된 z-높이는 부품을 적층식으로 제조하는 것과 동시에 목표 z-높이와 비교된다.
전술한 실시예들 중 임의의 실시예에서, 추가적으로 및/또는 대안적으로 모션 컨트롤러는, 부품을 적층식으로 제조하는 것과 동시에 목표 z-높이와 보정된 z-높이 사이의 차이를 감소시키기 위해 보정된 z-높이를 제공하도록 조정된다.
본 개시의 일부 실시예에서, 다음을 포함하는 방법이 제공된다: 적층식으로 제조된 부품을 보유하도록 구성된 제1 표면을 갖는 기판; 상기 기판과 대향하여 배치되고 에너지 빔을 상기 기판의 제1 표면 쪽으로 유도하도록 구성되는 에너지원; 상기 에너지원의 하우징에 결합된 제1 단부를 갖는 고정구; 상기 고정구의 제2 단부에 결합된 센서로, 여기서 상기 센서는 고온 적층 제조 재료에 의해 방출된 특정 파장에서 광을 이미지화하도록 구성되어 있는, 센서; 및 상기 에너지원에 결합되고 상기 에너지원으로부터 상기 적층식으로 제조된 부품의 상단 표면까지의 수직 거리를 조정하도록 구성된 모션 컨트롤러.
전술한 실시예들 중 어느 하나에서, 추가적으로 및/또는 대안적으로 모션 컨트롤러는 모션 모터 및 컨트롤러를 포함한다.
위에 간략하게 요약되고 이하에서 더욱 상세히 논의되는 본 발명의 실시예들은, 첨부된 도면에 도시된 본 발명의 예시적인 실시예들을 참조하여 이해될 수 있다. 그러나, 첨부된 도면들은 본 발명의 통상적인 실시예들만을 도시하고, 따라서 그 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 되며, 본 발명이 다른 동일한 효과적인 실시예를 인정할 수도 있음을 주목해야 한다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예에 따른 하드웨어 시스템의 실시예의 개략도를 도시한다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일부 실시예에 따른 적층 제조(AM) 부품에 대한 다양한 z 높이 및 결과적인 영향에 대한 세 가지 다른 예를 도시한다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 하나 이상의 실시예를 사용할 수 있는 2개의 상이한 공급 기반 AM 기술의 2개의 예시적인 개략도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일부 실시예에 따른 소프트웨어 시스템 측정 및 제어 루프의 실시예의 개략도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일부 실시예에 따른, 특정 AM 제작 층에서 z-높이 측정(예를 들어, 측정된 z-높이)을 생성하기 위해 도 1에 도시된 변수들 및 구성요소 설계들이 이용가능한 비선형 수학 모델의 일례를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일부 실시예에 따른 z-높이 센서의 실시예를 도시한다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일부 실시예에 따른, 시스템을 평가하기 위해 이용되는 z-높이 측정 장치 구성의 실시예의 개략도 및 사진을 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 도 7a 내지 도 7c에 제공된 구성의 실험 결과로서, 본 발명의 일부 실시예에 따른 z-높이 시스템 및 z-높이 방법의 실시예의 실험 평가를 통해 얻어진 z-높이 데이터를 보여준다.
도 9는 본 발명의 일부 실시예에 따라 테스트된 원 위치 센서의 실시예에 대한 2개의 상이한 패스(AM 비드 증착)의 연속 z-높이 측정 결과에 대한 실험 데이터를 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일부 실시예에 따라 시험된 상이한 z-높이 이미지 및 시험한 원 위치 센서의 실시예의 시험의 일부로서 얻어진 처리 결과를 도시한다.
이해를 용이하게 하기 위해, 동일한 참조 번호들은, 가능한 경우, 도면들에 공통된 동일한 요소를 지정하도록 사용되었다. 도면들은 실제 축적대로 도시되지 않으며 명확성을 위해 단순화될 수 있다. 일 실시예의 요소들 및 특징부들은 추가 언급없이 다른 실시예들에 유익하게 포함될 수 있는 것으로 고려된다.
본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 추가로 설명될 것이며, 여기서 유사한 구조들은 여러 보기 전체에 걸쳐 유사한 번호로 지칭된다. 도시된 도면들은 반드시 실제 축적대로 되어야 하지 않으며, 대신 본 발명의 원리를 예시할 때 강조된다. 또한, 일부 특징부는 특정 구성 요소의 상세를 나타내도록 과장될 수 있다.
도면들은 본 명세서의 일부를 구성하고, 본 발명의 예시적인 실시예를 포함하고, 다양한 물체 및 특징부를 예시한다. 또한, 도면들은 반드시 실제 축적대로 되어야 하지 않으며, 일부 특징부는 특정 구성 요소의 상세를 나타내도록 과장될 수 있다. 또한, 도면들에 도시된 임의의 측정, 사양 등은 예시하기 위한 것이며, 제한하기 위한 것으로 의도되지 않다. 따라서, 본원에 개시된 특정 구조적 및 기능적 세부사항은 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며, 단지 당업자가 본 발명을 다양하게 채택하도록 교시하기 위한 대표적인 기초로서만 해석되어야 한다.
개시된 이점 및 개선들 중에서, 본 발명의 다른 목적 및 이점들은 첨부된 도면들과 함께 취해진 다음의 설명으로부터 명백해질 것이다. 본 발명의 상세한 실시예가 본원에 개시된다; 그러나, 개시된 실시예는 다양한 형태로 실시될 수 있는 본 발명의 단지 예시적인 것임을 이해해야 한다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예와 관련하여 주어진 예들 각각은 예시하기 위한 것이며, 제한하기 위한 것으로 의도되지 않다.
명세서 및 청구범위 전체에 걸쳐, 다음의 용어들은 문맥상 달리 언급하지 않는 한, 본원에서 명시적으로 연관된 의미를 취한다. 본원에서 사용된 바와 같은 "일 실시예에서" 및 "일부 실시예에서"는 반드시 동일한 실시예(들)를 지칭하지는 않지만, 동일한 실시예(들)를 지칭할 수도 있다. 또한, 본원에서 사용된 바와 같은 "다른 실시예에서" 및 "일부 다른 실시예에서"는 반드시 다른 실시예를 지칭하지는 않지만, 다른 실시예를 지칭할 수도 있다. 따라서, 후술하는 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예는 본 발명의 범주 또는 사상을 벗어나지 않고 쉽게 조합될 수 있다.
일부 실시예에서, 정확한 기하학적 구조 및 일관된 품질, 신뢰성 있는 공정 모니터링 및 제어를 보유한 복잡한 적층 제조 (AM) 부품의 대량 생산을 달성하기 위해, 신뢰할 수 있는 공정 모니터링 및 제어가 중요하다. AM은 실현가능한 비즈니스 사례를 달성함에 있어서 주요 변수로서 구축할 수 있는 층상(layer-by-layer) 제작 공정이다. Sciaky®-타입 전자 빔 적층 제조(Electron Beam Additive Manufacturing) 및 Optomec®-타입 시스템과 같은, 재료 증착 기반 AM 공정은, 전자 빔 또는 레이저와 같은 고에너지원을 사용하여 증착된 필러 재료 또는 공급 분말을 용융시켜서 부품을 제작한다. 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 시스템 및 방법을 사용할 수 있는 2개의 상이한 예시적인 유형의 적층 제조 기계들을 도시한다. 도 3a는 Sciaky®-타입 AM 기계를 통해 이용 가능한, 와이어 기반 AM 증착 기술(즉, 전자 빔을 갖는 필러 와이어)의 예시적인 실시예를 도시하는 한편, 도 3b는 Optomec®-타입 AM 기계를 통해 이용 가능한, 분사형 유동화 분말 기반 AM 기계(즉, 레이저 빔을 갖는 공급 분말)의 예시적인 실시예를 도시한다.
Z-높이는 제작 중인 부분의 상단 표면(즉, 용융된 풀의 상단 표면) 및 AM 시스템 에너지원 사이의 거리이다. 유체 역학으로 인한 용융된 금속 풀의 모멘트 힘 및/또는 왜곡은 AM 부품 제작 동안 AM 장비 변형없이 AM 부품 제작 동안 일정하게 목표 z-높이를 달성하여 z-높이를 변화시키는 것을 어렵게 만든다. z-높이를 제어하는 것은 제품 품질을 달성하는 데 있어서 중요한 인자이다.
따라서, 본 발명의 일부 실시예에서, z-높이를 제어하기 위한 방법이 제공된다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 재료 증착 기반 적층 제조 기술을 통해 부품을 적층식으로 제조하는 단계; 부품을 적층식으로 제조하는 것과 동시에, 비선형 수학 모델을 통해 증착의 z-높이를 측정하여 측정된 z-높이를 결정하고, 여기서 측정된 z-높이는 적층 제조 시스템 에너지원 및 용융된 풀의 상단 표면 사이의 거리인, 단계; 측정된 z-높이를 목표 z-높이와 비교하여 측정된 z-높이와 목표 z-높이 사이의 차이를 식별하는 단계; 모션 컨트롤러를 조정하여 목표 z-높이와 측정된 z-높이로, 보정된 z-높이를 설정하는 단계; 및 보정된 z-높이에 기초하여 적층 제조 공급 재료를 증착시키는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 비선형 수학 계산을 통해 증착의 z-높이를 측정하는 단계는 다음 식에 따라 Z를 계산하는 단계를 더 포함한다:
Figure pct00002
이때, SD는 상기 에너지원과 상기 용융된 풀 또는 이전 층 내의 증착된 재료의 표면 사이의 이격 거리이고 (물체 지점 A), 여기서 h는 물리적 이미지 센서 유닛 상의 이미지 지점 a (물체 지점 A의 이미지)와 b (물체 지점 B의 이미지) 사이의 거리이고, 여기서 L1은 렌즈 중심으로부터 물체 지점 A까지의 거리이고, 여기서 α는 선 Aa와 에너지 방향 사이의 각도이고, 여기서 β는 선 Aa와 이미지 센서 표면 사이의 각도이고, 여기서 f는 초점 길이여서, z-높이가 음의 값 "Z-"인 경우에, 물체는 A 위에 있고 (모터가 e-빔을 아래로 이동하도록 조정/제어) z-높이가 양의 값 "Z+"인 경우에, 물체는 A 아래에 있다 (모터가 e-빔을 아래로 이동하도록 조정/제어).
일부 실시예에서, 목표 z 높이와 비교하는 단계는, 계산된 Z가 Z- 또는 Z+인지 여부를 평가하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, z-높이를 측정하는 단계는, 이미징 장치를 통해 용융된 풀의 이미지를 취하는 단계; 좌표 시스템을 통해 적층 제조 시스템 에너지원에 대해 상대적인 용융된 풀의 위치를 상관시키고 계산하는 단계; 측정된 z 높이를 목표 z 높이와 비교하는 단계; 측정된 z-높이와 목표 z-높이 사이의 편차를 계산하는 단계; 및 z-높이 컨트롤러를 통해, 상기 용융된 풀의 상단 표면에 대해 상대적인 에너지원의 높이를 조정하여, 측정된 Z-높이와 목표 z-높이 사이의 편차(편차가 있는 경우)를 최소화하는 단계를 포함한다.
본 개시의 다양한 실시예는, 적층 제조 증착 공정에 대한 z-높이 측정 및 제어(예를 들어, 조정)의 시스템 및 방법을 포함한다. 이들 실시예는, 하드웨어 시스템(예를 들어, 몇 가지 예로 들면, 센서, 고정구, AM 기계를 포함한 구성 요소) 및 소프트웨어 시스템/관련 공정(예를 들어, 측정 모듈 및 피드백 제어 모듈 포함)을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예에 따른 하드웨어 시스템의 예시적인 실시예의 개략도를 도시한다. 도 1은 z-높이 센서가 고정구를 통해 AM 에너지원에 장착되는 (고정되는) 하드웨어 시스템의 실시예를 도시한다. 도 1은 AM 에너지원, z-높이 센서, 증착 재료 (예컨대, 공급 재고가 AM 기계 내로 공급되는 경우) 및 AM 제작(예를 들어, 기판/플랫폼 상단 상에, 제작중인 부품)의 상대적인 위치설정에 대한 실시예를 도시한다. 일부 실시예에서, 하드웨어 시스템은 z-높이 측정 센서(20)(예를 들어, 이미징 장치 및/또는 카메라) 및 AM 기계의 에너지원(12)의 하우징에 대해 소정의 고정 위치에서 에너지원(12)의 하우징에 센서(20)를 부착하도록 구성된 아암(예를 들어, 고정구(14))을 포함한다. 일부 실시예에서, 하드웨어 시스템은 기판(28)(예를 들어, 플랫폼) 상에 제작중인 AM 부품(30)의 반대편에 (예를 들어, 위에) 배치된다. 일부 실시예에서, 하드웨어 시스템은 에너지원(12)(예를 들어, 에너지원의 하우징)에 결합되어 에너지원과 AM 부품(30)의 상단 표면 사이의 수직 거리를 조정하는 모션 컨트롤러를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 모션 컨트롤러는 모션 모터(42) 및 컨트롤러(16)를 포함한다.
일부 실시예에서, 센서(20)는, 이미징 장치(예를 들어, 디지털 CCD 기가비트 이더넷 카메라), 광학 렌즈 시스템, 및 카메라와 렌즈 시스템을 보유하도록 구성된 고정구로 구성된다. 본원에 기술된 바와 같이, 이미징 장치(카메라) 및 렌즈 시스템은 이미징 장치 및 광학 렌즈 구성 요소들의 기하학적 위치, 각도, 및 배향이 고정구 내부에 정확하게 배열되고/되거나 정렬되도록 비선형 수학 모델에 기초하여 구성된다.
센서(20)는 고온 재료(즉, AM 제작물 상의 AM 증착)에 의해 방출된 특정 파장들에서 광을 이미지 생성하여, 공급 재료(26)를 AM 부품(30) 상으로 증착하도록 구성된 에너지원을 생성하는 장비도 높이 측정 시스템 내로 감안되도록 구성된다. 따라서, 본 발명의 하나 이상의 실시예는 삼각측량에 의해 치수 측정을 이용하기 위해, 추가 광원이 아닌 용융된 풀을 이용한다. 더욱 구체적으로, 본 발명의 실시예들 중 하나 이상은 에너지원(20)에 대해 상대적인 증착된 재료의 요구되는 z-높이를 측정하기 위해 기하학적 삼각측량의 원리를 이용한다.
소프트웨어 시스템은 측정 모듈 및 피드백 제어 모듈을 포함한다. 일부 실시예에서, 측정 모듈은 이미지 획득, 이미지 가공 및 분석, 및 Z-높이 계산과 같은 기능을 포함한다. 피드백 제어 모듈은, 에너지원(예를 들어, 전자 빔 또는 레이저 빔), 증착된 재료(예를 들어, 와이어 공급 재료 또는 분말 공급 재료), 및 부품 표면(예를 들어, AM 부품 제작물의 표면) 간에 원하는 교차점을 달성하기 위해 Z 축 위치결정 모터(예를 들어, 모션 모터)의 폐쇄 루프 피드백 제어에서 측정된 Z-높이를 이용하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 고온 용융된 풀은 전자 빔 에너지원 또는 레이저 에너지원의 결과이다. 어느 경우이든지, 고온 용융된 풀에 의해 방출된 가시광이 이미지화되고 삼각측량의 원리에 의해 z-높이를 계산하는데 사용된다. 본 발명의 하나 이상의 실시예에서, 삼각측량 치수 측정은 측정 계획의 일부로서 AM 기계로부터의 고유한 에너지원을 이용한다. 일부 실시예에서, 삼각측량 치수 측정시 고유한 에너지원을 이용하는 대신, 카메라/센서는 삼각측량 측정 체계의 목적을 위해 고온 용융된 풀에 의해 방출된 적외선 광을 이미지화하도록 구성된다. 본 발명의 하나 이상의 실시예에서, 이미지 가공 방법은 고유한 광원 및/또는 용융된 풀의 불규칙한 분포(즉, 동시 AM 제작물의 함수로서 본질적으로 불규칙함)를 극복하도록 구성된다.
본 발명의 하나 이상의 실시예에서, 정확한 z-높이 측정 및 제어 결과 AM 증착 공정 동안 개선된 재료 높이 제어(예를 들어, 자동화된 모니터링, 자동화된 조정, 및/또는 자동화된 AM 제어)를 초래한다.
도 2는 본 발명의 실시예들 중 하나 이상으로 모니터링되고 제어되는 예시를 도시한다. 예를 들어, 도 2a는 너무 높은 측정된 z-높이를 나타내며, 이때 증착 재료 및 에너지 빔은 AM 부품 제작물 위로 교차한다(예를 들어 AM 증착물이 AM 부품 제작물의 표면 상으로 떨어지도록). 본 실시예에서, 본 실시예들로부터 얻어진 측정된 z-높이는 목표 z-높이와 상이할 것이다. 따라서, 본원에 기술된 시스템 및 방법은 모터에 의해 작동되는 z-높이의 변화를 포함할 것이다. 예를 들어, 본원에 기술된 시스템 및 방법은 에너지원(12)을 낮춰서 목표 z-높이를 달성할 것이다. 도 2b를 참조하면, 측정된 z-높이는 목표 z-높이의 미리 정해진/허용 가능한 범위 내에 있어서, 시스템 및 방법이 z-높이를 모니터링하고 조정이 필요하지 않음을 확인한다(예를 들어, z-높이의 변화 없음). 도 2c를 참조하면, 측정된 z-높이는 너무 낮아서, e-빔 및 증착 재료가 용융된 금속 풀에서 끌리고, 불량한 제작물 품질 또는 불안정한 공정이 초래될 수 있다. 본 실시예에서, 본 실시예들로부터 얻어진 측정된 z-높이는 목표 z-높이와 다를 것이며, 이에 시스템 및 방법은 모터에 의해 작동되는 z-높이의 변화를 포함할 것이다. 예를 들어, 본원에 기술된 시스템 및 방법은 에너지원(12)을 상승시켜서 목표 z-높이를 달성할 것이다.
도 4는 본 발명의 일부 실시예에 따른 피드백 제어 모듈의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 4는 z-높이 측정을 도시하고, 또한 소프트웨어 시스템이 z-높이 측정 모듈(44) 및 피드백 제어 모듈(16)을 포함하는 것을 제공한다. 측정 모듈(44)(즉, z-높이 측정)은 이미지 획득, 이미지 가공 및 분석, 및 z-높이 계산과 같은 기능을 포함한다. z-높이 계산 모듈은 비선형 수학 모델로부터 개발되었고, 이는 미리 정의된 범위, 정확도 및 해상도 내로 측정을 제공하기 위해 다수의 기하학적 및 광학 렌즈 파라미터를 포함한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 피드백 제어 모듈(16)은, 에너지 빔의 목표 z-높이 또는 에너지 빔과 증착된 재료 사이의 교차점과 (또는 미리 결정된 임계값 이내에) 부합하는 실제/측정된 높이를 달성하기 위해, z 축 위치(즉, 조정이 필요한 경우)를 제어하기 위한 폐쇄 루프 피드백으로서 실시간으로 측정된 z-높이를 사용하도록 구성된다. 즉, 실제 z-높이(측정된 z-높이)는 설정된 z-높이(목표 z-높이)와 비교되며, 2개의 값이 (1) 같지 않거나, (2) 미리 결정된 임계값 또는 범위 밖에 있는 양 만큼 상이하다면, 측정된 z-높이 및 목표 z-높이 사이의 갭/차를 폐쇄하는 모션 모터에 의해, AM 부품 제작물에 대하여 상대적으로, 에너지원(예컨대, E-빔 총 또는 레이저 헤드)이 이동/조정된다.
일부 예시적인 실시예에서, 목표 z-높이는 11 인치로 설정된다. 일부 예시적인 실시예에서, 목표 z-높이는 10.5 인치로 설정된다. 일부 예시적인 실시예에서, 목표 z-높이는 10 인치로 설정된다. 일부 예시적인 실시예에서, 목표 z-높이는 11.5 인치로 설정된다. 일부 예시적인 실시예에서, 목표 z-높이는 12 인치로 설정된다.
일부 예시적인 실시예에서, 미리 결정된 임계값 또는 범위는 목표 z-높이의 0.125 인치 이내이다. 일부 예시적인 실시예에서, 미리 결정된 임계값 또는 범위는 목표 z-높이의 0.120 인치 이내이다. 일부 예시적인 실시예에서, 미리 결정된 임계값 또는 범위는 목표 z-높이의 0.115 인치 이내이다. 일부 예시적인 실시예에서, 미리 결정된 임계값 또는 범위는 목표 z-높이의 0.110 인치 이내이다.
일부 예시적인 실시예에서, 미리 결정된 임계값 또는 범위는 목표 z-높이의 0.130 인치 이내이다. 일부 예시적인 실시예에서, 미리 결정된 임계값 또는 범위는 목표 z-높이의 0.135 인치 이내이다. 일부 예시적인 실시예에서, 미리 결정된 임계값 또는 범위는 목표 z-높이의 0.140 인치 이내이다. 일부 예시적인 실시예에서, 미리 결정된 임계값 또는 범위는 목표 z-높이의 0.145 인치 이내이다.
도 5를 참조하면, 본 개시에 따라, (예를 들어, AM 기계와 함께 이용되는 센서) 시스템의 하나 이상의 실시예와 함께 이용되는 디자인 파라미터와 함께, 비선형 식이 제공된다. 비선형 식은 다음과 같다:
Figure pct00003
이때, SD는 에너지원과 용융된 풀 또는 이전 층 내의 증착된 재료의 표면 사이의 이격 거리이고 (물체 지점 A), h는 물리적 이미지 센서 유닛 상의 이미지 지점 a (물체 지점 A의 이미지)와 b (물체 지점 B의 이미지) 사이의 거리이고, L1은 렌즈 중심으로부터 물체 지점 A까지의 거리이고, α는 선 Aa와 에너지 방향 사이의 각도이고, β는 선 Aa와 이미지 센서 표면 사이의 각도이고, f는 초점 길이여서, z-높이가 Z-인 경우에, 물체는 A 위에 있고 z-높이가 Z+인 경우에, 물체는 A 아래에 있다.
비제한적인 예로서, 에너지원과 부품 표면 상의 용융된 풀 사이의 z-높이가 변경됨에 따라, 이미지 내의 용융된 풀의 위치가 또한 변화한다. 용융된 풀의 이미지 위치에 기초하여, 파라미터 h는 얻어질 수 있고, 그런 다음 z-높이는 상기 비선형 수학 식에 기초하여 계산될 수 있다.
예: z-높이 센서의 실시예
도 6을 참조하면, 장착 고정구는 카메라와 광학 렌즈 구성 요소를 고정한다. 카메라의 기하학적 위치, 각도 및 배향과 광학 렌즈 구성 요소는 z-높이 측정을 위한 개발된 비선형 수학 모델에 따라 조정 가능하고 정확하게 위치된다. 이 실시예에서, 카메라는 C-마운트 렌즈 어댑터가 제거된 디지털 CCD 카메라로, 광학 렌즈 구성 요소가 원하는 거리와 각도로 CCD 센서 유닛 앞에 위치될 수 있도록 한다. 광학 렌즈 시스템용 고정구는, 이중 볼록 광학 렌즈, 좁은 밴드 광학 필터, 중성 밀도 필터, 광학 보호 필터, 및 핀홀 중 하나 이상을 포함할 수 있는, 상이한 광학 렌즈 구성 요소를 고정한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 인클로저가 위에서 참조한 구성 요소를 커버한다. 일부 실시예에서, 센서는 냉각 시스템(예, 액체(물 같은) 및/또는 기체)으로 구성된다. 일부 실시예에서, 냉각 시스템은, 고온 환경으로 인해 AM 제작 공정 동안 카메라 전자 장치를 냉각시키도록 인클로저 내에 통합된다.
일부 실시예에서, 센서는 인클로저에 통합되는 가스 퍼지 시스템(예를 들어, 질소)으로 구성되며 가압된 가스가 광학 핀홀을 통해 빠져나갈 수 있도록 구성되어, 재료 증착 공정 증기가 광학 렌즈 구성 요소를 오염시키거나 손상시키는 것을 감소시키고, 방지하고 그리고/또는 제거하게 된다. 일부 실시예에서, 핀홀 크기는, 너무 많은 가스가 챔버로 유입될 수 없게 하고 진공의 품질을 손상시키지 못하게 하면서, 광학장치를 보호할 수 있는 적절한 가스 흐름을 허용하도록 선택된다. 일부 실시예에서, 핀홀은 과도한 간섭 없이 광학 시스템이 광원(충돌하는 레이저 또는 전자 총으로부터 광)을 모아 이미지화할 수 있도록 구성된다.
예: 실험실 스케일 z-높이 센서의 평가
실험실 스케일 z-높이 센서는 본원에서 상세히 설명된 시스템 및 방법에 기초하여 구성되었고 도 7a 내지 도 7c에 도시된 설정으로 평가하였다. 계산된 z-높이 및 부품 높이는 대표적인 차가운 AM 부품 제작물(예: 활성 AM/재료 증착이 진행 중이지 않음)에서 10개 위치 사이에서 좌측에서 우측으로 AM 부품(30)에 측정되었다. 도 7b 및 도 7c에 도시된 바와 같이, 평가된 AM 부품 제작물은, AM 증착이 일어나고 있다면 z-높이가 가변되는 치수 표면을 가졌다. 에너지원을 교체하기 위해 레이저 포인트 생성기를 이용하였다.
부품 표면 상의 레이저 스폿(46)의 이미지가 도 8a에 도시되어 있으며, 이원 이미지로서 도시된다(이미지는 픽셀 단위로 흑백으로 변환됨). 10개의 다른 위치에 걸친 부품 높이의 측정은 도 8b에 도시되어 있으며, 이는 이미지 센서(카메라)의 실시예를 통해 얻어진 z-높이 측정값들이 대조군, 종래의 측정 기술, 캘리퍼를 통해 얻어진 것들과 매우 잘 비교된다는 것을 나타낸다. 측정 정확도는 0.5mm 이상이며, 이는 어떠한 메커니즘 또는 이론에 구속되지 않고, AM-기반 증착 응용예에 충분한 것으로 여겨진다.
예: 목표 z-높이 계산:
일부 실시예에서, 분말 베드 기반의 시스템이 이용되므로, AM 부품의 3D CAD 모델이 생성되고, 층마다 2D 윤곽으로 연산 슬라이싱되며, 그 지점에서 목표 높이는 각 제작물 층에 대해 계산될 수 있다.
적층 제작물이 층상 층을 포함해서 AM 부품을 형성할 때, 증착 층 높이에 대한 표준 값을 사용하여, 개별적인 AM 층 또는 비드의 제작 높이를 계산할 수 있다. 적층 제조 작업의 변수들 (예컨대, 에너지원이 공급 재료와 상호 작용하는 시간)은 온도와 이에 따라 용융된 금속 풀의 폭과 깊이(예를 들어, 둘 이상의 AM 제작물 관통 층일 수 있음)에 영향을 줄 수 있음을 유의한다.
예: 용융된 풀 식별:
용융된 금속 풀의 x-좌표는 에너지원(예를 들어, E-빔 총)과 부품 사이의 상대적인 위치로 구성되어 있다 (즉, 금속 풀의 x-좌표는 E-빔의 위치로부터 아래로 곧게 될 것임).
이 실시예에서, 센서/이미징 장치(예를 들어, 카메라)는 와이어-공급 기반 AM 기계의 E-빔 총에 부착되어, 이미징 장치는 E-빔 총에 대해 고정된 위치에 있고 둘 다 AM 동안 동시에 움직인다. E-빔 위치는 전자 빔의 중심이 x 축으로부터 용융된 풀의 중심인 것으로 가정되도록, E-빔 총으로부터의 그의 위치를 통해 결정된다.
예: 용융된 풀의 y-좌표 식별 (yD):
용융된 풀의 질량 중심에 대한 y-좌표를 결정하기 위해, 용융된 풀에 맞춰진 원의 중심에 대한 y-좌표가 계산되는데, 원의 반경에 기초하여, 그리고 x-좌표에 상대적인 위치에 기초하여 계산된다.
이미징 장치/센서로부터 얻어진 흑백 원본 이미지는 이진 이미지로 변환된다. 광역 임계값을 모든 이미지에 적용함으로써, 광역 임계값이 픽셀들이 0-255의 범위가 되게 하는데, 임계값 미만일 경우 0으로 광역 임계값 초과인 경우에 1로 된다. 용융된 풀(백색)과 주변 배경(흑색)은 극명한 대비로 가시적/식별가능하다는 점에 유의한다.
용융된 풀의 높이 또는 y-좌표를 얻기 위해, 이진 이미지에서의 입자들의 에지가 맞춤-원에 결합되도록 이진 이미지에서 입자들에 끼워맞춰진다. 이진 이미지에는 몇 개 내지 여러 개의 입자가 있을 수 있다. 이진 이미지에서의 각 입자의 면적을 계산함으로써 이진 이미지에 대응하는 단일 후보 입자로 줄여서 선택하는 것이 가능하다 (예를 들어, 그리고 용융된 풀과 함께 혼합된 와이어 공급의 크기가 너무 작은 것을 제거하는 것).
후보 입자에 몇 개 내지 여러 개 내지 다수의 원이 끼워질 수 있는데, 이때, (예를 들어, (E-빔 위치에 해당하는) x 축 및 x 좌표에 대해 상대적인) 관심 구역 외부에 위치하는 원 위치에 기초하여 비교되고 거부된다. 예를 들어, 후보 원의 질량 중심의 x-좌표가 (즉, 전자 빔 및 AM 제작 방향에 대해 상대적인) 영역 외부에 있는 경우, 전체 원을 후보로서 제거할 수 있다.
일단 용융된 풀의 중심을 위해 최적의 후보가 식별되면, 맞춤-원의 직경을 사용하여 추가로 줄여서 선택하는 것을 또한 완료할 수 있다. 최대 직경을 갖는 후보 맞춤-원이 최고의 후보여야 한다. 나머지 원은 용융된 풀 이미지일 것이고, 맞춤-원의 질량 중심의 y-좌표는 z-높이 측정을 삼각측량하는데 필요한 변수이다.
여러 번, 공급 재료와 에너지원(예, E-빔 또는 레이저) 사이의 상호 작용은 공급 재료로부터 용융된 풀 상으로 음영을 캐스팅하여 용융된 풀의 선두 에지의 이미지가 원이 쉽게 끼워질 수 있는 형상이 아니며, 이 경우 용융된 풀의 y-좌표는 결정될 수 없다. 이 경우, y-좌표를 결정하는 몇 가지 단계가 있다:
1. 이진 이미지를 재샘플링해서, 이진 이미지에서 선택된 픽셀들의 열만이 다음으로 분석될 것이다. 선택된 픽셀들의 열의 시작 지수는 (x-반경)일 것이며, 선택된 픽셀들의 열의 종료 지수는 (x+ 반경)일 것이다. X는 상기 예에서 식별된 x-좌표이며 (예를 들어, 단락 [0075]-[0076] 및 반경은 위에서 식별된 반경이다 (2로 나눈 직경) (예를 들어, 단락 [0063]에서와 같음.
2. 재샘플링된 이진 이미지에서, 용융된 풀에 대응하는 입자의 경계 사각형의 하단의 y-좌표(yB)를 식별한다.
3. 용융된 풀 이미지의 y-좌표를 (yB-반경)로서 계산한다. yB는 단계 2에서 식별되고, 반경 (2로 나눈 직경) (예를 들어, 단락 [0083]에서 식별됨.
4. 계산된 y-좌표는 z-높이 측정을 삼각측량하는데 필요한 변수이다.
예: 원위치 AM이 있는 z-높이 센서의 평가
온라인 시험 실행을 수행하여, 적층 제조 공정 동안 원위치 z-높이 측정 센서의 실시예를 시험하였다. z 높이 센서를 Sciaky 시스템 상에 장착하였다. 따라서, 용융된 풀의 이미지들을 z-높이 센서에 의해 20f/s의 프레임 속도로 연속적으로 캡처하였다. 직사각형의 블록부의 제작 공정의 두 가지 서로 다른 패스에서 z-높이 측정을 위한 본 방법의 실시예(예를 들어, 개략된 접근법 및 대응하는 알고리즘을 채용함)로 이미지들을 실시간으로 가공하였다. 도 9는 시험한 원위치 센서에 대한 두 가지의 상이한 패스(AM 비드 증착)의 연속 z-높이 측정 결과를 도시한다. 도 9는 두 가지 패스 모두에 대한 모든 이미지에 대한 실험 데이터를 제공한다 (즉, 프레임 #1 - 프레임 400).
이미지 프레임 #1 내지 #200 (패스 1)으로부터의 z-높이 측정 결과는, 한 가지의 패스에 대해 상대적으로 높은 z-높이가 있음을 나타내며, 추출된 용융된 풀로부터의 거리가 E-빔 총 상의 기준점으로부터 멀어진다. 이 경우, 공급 와이어는 바람직하지 않은 높은 높이에서 용융되고 용융된 풀의 표면 상에 떨어졌다. 특정 메커니즘 또는 이론에 구속되지 않고, 이는 불안정한 제작 공정 및/또는 생성된 AM 부품의 불량한 제작 품질(즉, 일관성이 없는 미세구조 및/또는 특성)을 초래하는 것으로 여겨진다.
대조적으로, 이미지 프레임 #201 내지 #400 (패스 2)의 측정 결과는, 수용 가능한 z-높이를 나타내며, 공급 와이어는 용융된 풀의 표면에서 맞게 용융되었다. 특정 메커니즘 및/또는 이론에 구속되지 않고, 공정(즉, 허용 가능한 z-높이)은 더욱 안정적이었으며, 이에 따라 AM 부품의 제작 품질이 더 양호하게 될 것으로 기대된다(즉, 보다 일관된 미세구조 및/또는 특성).
도 10a 및 도 10b는 상이한 z-높이 이미지들과 원위치 센서 시험의 처리 결과를 도시한다. 패스 1(10a) 및 패스 2(10b)로부터의 예시 이미지들이 나란히 도시되어 있고, 생성된 용융된 풀 판정은 대응하는 이미지에서 해시 원으로 도시된 것이다. 도 10a는 너무 높은 z-높이에 대해 결정된 용융된 풀을 나타낸 반면, 대조적으로, 도 10b는 허용 가능한 높이에 있는 (즉, 너무 높거나 너무 낮지 않은) z-높이에 대해 결정된 용융된 풀을 나타낸다.
AM 기계 10
에너지원 (전자 빔) 12
고정구 14
컨트롤러 16
E-빔 18
Z-높이 센서 20
센서 내 광학장치 22
Z-높이 24
공급 재료 (와이어 공급 - Sciaky, 또는 분말 전달 노즐 - Optomec) 26
기판 28
제작중인 AM 부품 (이전 증착물) 30
AM 부품 (최종) 32
용융된 합금 퍼들 34
재고형화된 합금 (단일 증착 경로 내) 36
교차점 E-빔 및 공급 재료 38
공급 장치 40
모션 모터 (에너지원과 z-높이 센서 이동/조정) 42
z-높이 측정 모듈 44
레이저 스폿 46

Claims (20)

  1. 재료 증착 기반 적층 제조 기술을 통해 부품을 적층식으로 제조하는 단계;
    상기 부품을 적층식으로 제조하는 것과 동시에, 비선형 수학 모델을 통해 상기 증착의 z-높이를 측정해서 측정된 z-높이를 결정하며, 여기서 상기 측정된 z-높이는 적층 제조 시스템 에너지원과 용융된 풀의 상단 표면 사이의 거리인, 단계;
    상기 측정된 z-높이를 목표 z-높이와 비교하여 상기 측정된 z-높이와 상기 목표 z-높이 사이의 차이를 식별하는 단계;
    모션 컨트롤러를 조정하여 상기 목표 z-높이 및 상기 측정된 z-높이로, 보정된 z-높이를 설정하는 단계; 및
    상기 보정된 z-높이에 기초하여 적층 제조 공급 재료를 증착시키는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 모션 컨트롤러를 조정하는 단계는 상기 적층 제조 시스템 에너지원에 결합된 모션 컨트롤러에 신호를 전송해서 상기 보정된 z-높이를 설정하는 것을 더 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 비선형 수학 계산은 하기이고:
    Figure pct00004

    여기서 SD는 상기 적층 제조 시스템 에너지원과 상기 용융된 풀 또는 이전 층 내의 증착된 재료의 표면 사이의 이격 거리이고,
    여기서 h는 물리적 이미지 센서 유닛 상의 이미지 지점 a와 이미지 지점 b 사이의 거리이고,
    여기서 L1은 렌즈 중심으로부터 상기 용융된 풀까지 또는 상기 이전 층 내의 증착된 재료의 표면까지의 거리이고,
    여기서 α는 선 Aa와 에너지 방향 사이의 각도이고,
    여기서 β는 상기 선 Aa와 이미지 센서 표면 사이의 각도이고, 그리고
    여기서 f는 초점 길이인, 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 z-높이는 음의 값인, 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 적층 제조 시스템 에너지원은 상기 용융된 풀을 향해 수직 방향으로 하향으로 조정되는, 방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 z-높이는 양의 값인, 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 적층 제조 시스템 에너지원은 상기 용융된 풀로부터 멀어지는 수직 방향으로 상향으로 조정되는, 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 재료 증착 기반 적층 제조 기술은 와이어-공급 증착인, 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 재료 증착 기반 적층 제조 기술은 분사식 유동화 분말 기반 증착인, 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 측정된 z-높이는 상기 목표 z-높이인, 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 z-높이를 측정하는 단계는,
    이미징 장치를 통해 상기 용융된 풀의 이미지를 취하는 단계;
    설계된 비선형 수학 모델을 통해 상기 적층 제조 시스템 에너지원에 대해 상대적인 상기 용융된 풀의 위치를 상관시키고 계산하는 단계;
    상기 측정된 z 높이를 상기 목표 z 높이와 비교하는 단계;
    상기 측정된 z-높이와 상기 목표 z-높이 사이의 편차를 계산하는 단계; 및
    상기 z-높이 컨트롤러를 통해, 상기 용융된 풀의 상기 상단 표면에 대해 상대적인 상기 에너지원의 높이를 조정해서, 상기 측정된 Z-높이와 상기 목표 z-높이 사이의 편차 (편차가 있는 경우)를 최소화하는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 이미징 장치는 상기 에너지원의 최하부와 상기 용융된 풀의 상단 표면 사이의 거리를 측정하도록 구성되는, 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 재료 증착 기반 적층 제조 기술의 파라미터는 상기 z-높이를 조정하기 위해 제어되는, 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 z-높이는 E-빔 전력 파라미터의 값을 조정하는 것에 적어도 부분적으로 기초하여 조정되는, 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 z-높이는 상기 적층 제조 공급 재료의 공급 속도를 조정하는 것에 적어도 부분적으로 기초하여 조정되는, 방법.
  16. 제10항에 있어서, 상기 센서는 상기 z-높이의 자동 모니터링 및/또는 제어를 가능하게 하는, 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 측정된 z-높이는 상기 부품을 적층식으로 제조하면서 상기 목표 z-높이와 비교되는, 방법.
  18. 제1항에 있어서, 상기 모션 컨트롤러는 상기 부품을 적층식으로 제조하면서, 상기 목표 z-높이 및 상기 보정된 z-높이 사이의 차이를 감소시키도록 보정된 z-높이를 제공하도록 조정되는, 방법.
  19. 적층식으로 제조된 부품을 유지하도록 구성된 제1 표면을 갖는 기판;
    상기 기판과 대향하여 배치되고 에너지 빔을 상기 기판의 제1 표면을 향해 유도하도록 구성된 에너지원;
    상기 에너지원의 하우징에 결합된 제1 단부를 갖는 고정구;
    상기 고정구의 제2 단부에 결합된 센서로, 여기서 고온 적층 제조 재료에 의해 방출된 특정 파장에서 광을 이미지화하도록 구성되는, 상기 센서; 및
    상기 에너지원에 결합되고 상기 에너지원으로부터 적층식으로 제조된 부품의 상단 표면까지의 수직 거리를 조정하도록 구성된 모션 컨트롤러를 포함하는, 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 모션 컨트롤러는 모션 모터(42) 및 컨트롤러를 포함하는, 장치.
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