KR20200024762A - 적층 가공 프로세스의 품질 보증 및 제어를 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

적층 가공 프로세스의 품질 보증 및 제어를 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

연속적인 재료 층들(14)로부터 3D 오브젝트들을 제작하기 위한 적층 가공 시스템 및 방법이 제공된다. 적층 가공 시스템(10)은 재료를 통합하기 위한 층(18) 내의 특정 영역으로 에너지(22)를 투입하기 위한 에너지 투사 조립체(20); 복수의 이미지 센서들(30, 32, 34)로서, 각각의 이미지 센서들은 재료 층(18)의 적어도 일부를 커버하는 상응하는 시야들(35, 40, 42)을 가져, 각각의 시야들이 이미지 센서들의 적어도 하나의 다른 센서의 시야와 적어도 부분적으로 오버랩되도록 하는, 상기 복수의 이미지 센서들; 및 각각의 이미지 센서들(30, 32, 34)로부터 이미지 데이터를 캡쳐하는 이미지 프로세서(56)를 가진다. 이미지 프로세서는 각각의 상기 이미지 센서들(30, 32, 34)에 대한 노출 시간을 제어하고, 특정 영역에서 잠재적인 통합 결함들의 위치를 찾도록 임계 데이터 값들에 대한 비교를 위해 각 재료 층에 대해 특정 영역을 통해 투입되는 에너지의 단일의 공간적으로 분해된 이미지를 제공하는 이미지 센서들로부터의 이미지 데이터를 결합한다.

Description

적층 가공 프로세스의 품질 보증 및 제어를 위한 방법 및 시스템
본 발명은 오브젝트 층들을 연속적으로 증착 및 통합함으로써 3차원 오브젝트들의 적층 가공에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 선택적 레이저 소결(selective laser sintering; SLS), 전자빔 용융(electron beam melting; EBM) 및 선택적 레이저 용융(selective laser melting; SLM)과 같은 파우더 베드 융합(powder bed fusion; PBF)에 관한 것이다.
선택적 레이저 소결(SLS), 선택적 레이저 용융(SLM), 전자빔 용융(EBM)은 파우더 베드 융합(PBF) 가공의 유형들이다. 파우더 형태의 원시 재료(raw material)의 연속적인 층들은 3차원 오브젝트가 완성될 때까지 (3차원 오브젝트의 층에 대응되는)특정 영역들에 증착(deposited) 및 응고(solidified)된다. 이는 주조(casting) 또는 몰딩(molding) 기술들을 사용하는 것이 가능하지 않은 복잡한 지오메트리를 갖는 오브젝트들을 제작할 수 있게 한다.
특정 영역들의 파우더 재료는 레이저 또는 전자빔과 같은 인가된 에너지 소스를 사용하여 소결되거나 용융된다. 레이저 또는 전자빔의 정밀도 및 속도는 미세한 공차(tolerance)를 갖는 복잡한 3차원 오브젝트를 비교적 빠르게 생산할 수 있게 한다. 일반적으로, 컴퓨터 제어식 레이저는 왕복 래스터 패턴으로 통합될 파우더 영역을 통해 스캔한다. SLM 및 EBM 프로세스들이 에너지 투입 지점에서 파우더 재료를 완전히 용융시키는 동안 SLS 시스템은 파우더를 융합시키기 위해 개별 입자들의 일부를 부분적으로 용융시킨다.
파우더 베드 융합은 많은 산업들에게 큰 관심을 받고 있지만, 품질 문제 및 새로 설계된 컴포넌트들에 대한 공정 반복성의 부족이 있을 수 있다. 에너지 투입의 변동은 용융 풀(melt pool)에서의 적절한 통합의 부족 및 3D 오브젝트의 융합 결함으로 이어질 수 있다. 마찬가지로, 재료의 층에 걸친 열 특성들(예컨대, 로컬 열 전도율)의 변동은 적절한 융합을 막을 수 있다. 이러한 변동은 에너지 소스의 동작 파라미터들(예컨대, 레이저 파워, 레이저 스폿 크기, 스캐닝 속도 등)에서 식별되고 설명되어야 한다.
이러한 측면에서, 제WO 2007/147221호에 설명된 것과 같은 품질 보증 시스템이 개발되었다. 이 방법은 파우더 재료와의 레이저 스폿 상호작용에 대한 이미지들을 캡쳐한다. 이미지 데이터를 사용하여, 레이저 용융 풀의 특성들은 레이저 동작 파라미터들의 피드백 제어를 통해 허용 가능한 공차 내에서 유지된다. 이러한 기술들은 빌드 프로세스들을 효과적으로 모니터링하지만, 이미지 센서들의 높은 샘플링 레이트는 방대한 양의 이미지 데이터를 생성한다. 이는 높은 프레임 속도(초당 수천 개의 데이터 포인트들)로 캡쳐되는 대량의 이미지 데이터를 처리하고, 빌드 프로세스의 실시간 피드 백제어를 제공하기에 충분한 전력을 가진 제어 프로세서를 필요로 한다.
제US2013/0314504호에 설명된 것과 같은 시스템은 통합 및 후속 냉각의 IR 방출을 이미징하기 위해 적외선(I)(파장<900 nm) 검출기를 사용한다. 이는 이미지 캡처에 대한 프레임 속도가 낮아져 이미지 데이터를 적게 생성하도록 할 수 있다. 통합된 파우더 층의 냉각의 프로파일은 각 레벨의 빌드 품질을 추정하는 데 사용된다. 그러나, 소결된 파우더의 냉각 특성들을 모니터링함으로써, 레이저에 대한 피드백 제어에 내재적인 지연이 존재한다.
선행 기술로 제공된 특허 문서 또는 기타 문제에 대한 본 출원의 참조는 해당 문서 또는 문제가 알려졌거나 포함된 정보가 임의의 청구 범위의 우선일에 따라 보통의 일반 지식의 일부라는 것을 인정하는 것으로 간주해서는 안된다.
상기 문제를 염두에 두고, 본 발명의 일 측면은 연속적인 재료층으로부터 3D 오브젝트를 제작하기 위한 적층 가공 시스템을 제공하며, 상기 적층 가공 시스템은:
상기 재료를 통합하기 위해 상기 층 내의 특정 영역으로 에너지를 투입하기 위한 에너지투사 조립체;
복수의 이미지센서들로서, 각각의 이미지 센서들은 상기 재료층의 적어도 일부를 커버하는 상응하는 시야(field of view)를 가지며, 각각의 상기 시야들은 상기 이미지 센서들 중 적어도 하나의 다른 센서의 시야와 적어도 부분적으로 오버랩되는, 상기 복수의 이미지 센서들; 및 각각의 상기 이미지 센서들로부터의 이미지 데이터를 캡쳐하는 이미지 프로세서를 포함하며,
사용하는 동안 상기 이미지 프로세서가 각각의 상기 이미지 센서들에 대한 노출 시간을 제어하고, 상기 특정 영역에 잠재적인 통합 결함들의 위치를 찾도록 임계 데이터 값들에 대한 비교를 위해 각 재료층에 대해 상기 특정 영역을 통해 투입되는 상기 에너지의 단일의 공간적으로 분해된 이미지를 제공하기 위해 상기 이미지 센서들로부터의 상기 이미지 데이터를 결합한다.
본 명세서의 설명 및 청구 범위 전체에서, "포함하는(comprising)" 및 "포함한다(comprises)"와 같은 "포함하다(comprise)"라는 단어의 변형은 다른 첨가, 성분, 정수 또는 단계를 배제하도록 의도되지 않는다.
본 발명의 적층 가공 시스템은 파우더의 해당 층에서 용융 또는 소결되는 영역의 단일 이미지를 캡쳐하기 위해 상대적으로 긴 노출 시간을 사용한다. 각각의 관련 이미지 센서로부터의 오버랩되는 이미지 데이터는 특정 영역 내의 모든 지점들에서의 에너지 투입에 대한 단일의, 공간적으로 분해된 이미지를 생성하기 위해 결합된다. 이러한 단일 이미지로부터의 픽셀 데이터는 기준 이미지와 비교되며 미리 설정된 변화량을 초과하는 차이가 재료의 해당 층에서의 잠재적인 결함으로 식별된다. 3D 오브젝트의 각 층 또는 '슬라이스(slice)'에는 해당 기준 이미지가 있으며 이미지 센서에서 생성된 단일 이미지는 해당 슬라이스의 기준 이미지와 비교된다.
높은 프레임 속도로 캡처된 대규모 이미지 세트가 아닌 단일 이미지에서 잠재적 결함을 찾아내면 데이터 처리량이 크게 줄어든다. 이는 결국 가공 프로세스의 실시간 피드백 제어가 훨씬 적은 처리 능력을 요구하도록 처리 시간을 단축시킨다. 아래에 더 논의되는 바와 같이, 복수의 이미지 센서들은 다른 것보다 훨씬 더 높은 이미지 해상도를 갖는 확장 가능한 시스템을 허용한다.
에너지가 투입될 때 재료의 통합을 캡처하면 잠재적 결함들의 보다 정확한 표시를 제공한다. 반대로, 일부 알려진 기술들(예를 들어, 위에서 논의한 제US 2013/314504호)은 일부의 빌드 품질을 유추하기 위해 냉각 재료로부터 적외선 방출을 캡쳐한다. 이는 처리에 필요한 적절한 이미지 콘트라스트를 제공하기 위해 최대 5초의 노출 시간을 포함할 수 있다. 본 발명에 사용된 긴 노출 시간은 또한 통합 직후에 일부 이미지 데이터를 캡처할 수 있다. 그러나, 상대적으로 긴 노출 시간은 이미지 콘트라스트를 생성하기 위한 것이 아니라 데이터 압축을 위한 것이다. 캡처된 이미지의 각 픽셀은 그 지점에서 에너지 투입 동안 방출된 가시광선을 나타내는 휘도 값을 갖는다. 오버랩되는 시야는 전체 특정 영역이 커버되는 것을 보장하지만, 제어 프로세서는 배경 노이즈가 캡처된 데이터에 큰 영향을 미치지 않을 수 있도록 충분히 짧은 노출 시간을 유지하기 위해 관련 이미지 센서들 사이를 전환할 수 있다. 제어 프로세서는 단순히 각각의 관련 이미지 센서들 사이에서 특정 영역을 균등하게 분할하거나 레이저의 래스터 패턴을 고려한 센서들 사이의 전환을 위해 다른 기술을 사용할 수 있다.
여러 대의 카메라를 사용하면 대형 센서 어레이를 구비한 고가의 이미지 센서들을 사용하지 않고도 이미지의 이미지 해상도를 높일 수 있다. 이미지 센서를 더 추가하면 시야가 확장된다는 점에서 시스템이 스케일링될 수 있다. 게다가, 서로 다른 이미지 센서로부터 동일한 하위 영역의 오버랩되는 이미지 데이터는 노이즈 교정에도 유용하다. 반대로, 단일 카메라 시스템은 시야를 확장하기 위해 광각 렌즈 및/또는 더 높은 위치를 사용해야 할 것이다. 그러나, 파우더 베드 융합 기계와 광각 렌즈 또는 '어안(fish-eye)' 렌즈를 둘러싼 공간에는 제한적인 이미지 왜곡과 낮은 해상도가 있다.
각 이미지 센서가 캡처한 데이터는 특정 영역의 일부로 투입된 에너지의 공간적으로 분해된 이미지이다. 다른 이미지 센서들로부터의 이미지 데이터와 병합될 때, 상대적으로 적은 양의 공간적으로 분해된 이미지 데이터를 갖는 단일 이미지는 해당 재료층 내의 관심 영역 전체에 걸친 에너지 투입을 나타낸다. 이 단일 이미지와 기준 이미지간의 비교는 처리 능력이 거의 필요하지 않으며, 레이저 또는 전자 빔의 실시간 피드백 제어를 허용한다. 적은 양의 데이터는 더 쉽게 저장되거나, 컴포넌트의 3D 결함 맵을 개발하는 데 사용된다.
또 다른 측면에 따르면, 본 발명은 적층 가공에 의해 3차원 오브젝트를 제작하는 방법을 제공하며, 상기 방법은:
빌드 챔버에 통합되지 않는 형태로 재료층을 제공하는 단계;
에너지 투사 조립체를 사용하여 층의 특정 영역에서 재료를 통합하는 단계;
복수의 이미지 센서들을 사용하여 특정 영역의 복수의 이미지를 캡처하는 단계로서, 각각의 이미지 센서들은 재료층의 적어도 일부를 커버하는 상응하는 시야를 가지며, 이미지 센서들 중 적어도 하나의 다른 센서의 시야와 적어도 부분적으로 오버랩되는, 상기 단계;
에너지가 에너지 투사 조립체에 의해 재료에 투입될 때 이미지 센서들로부터의 이미지 데이터가 특정 영역에 대한 단일의 공간적으로 분해된 이미지를 집합적으로 제공하도록 이미지 캡쳐하기 위한 노출 시간을 설정하는 단계; 및
특정 영역에 잠재적 통합 결함을 배치하기 위해 단일의 공간적으로 분해된 이미지로부터의 이미지 데이터를 임계 데이터 값과 비교하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 노출 시간은 스태거되며 서로 적어도 부분적으로 오버랩된다. 바람직하게는, 에너지 투사 조립체는 왕복 래스터 패턴으로 작업 베드에서 재료층에 걸쳐 레이저 빔을 스캔하도록 구성된 적어도 하나의 스캐닝 레이저 헤드를 가지며, 제어 프로세서는 해당 층에 대한 관심 영역에 래스터 패턴을 한정하도록 구성된다. 그러나, 본 발명은 또한 전체 관심 영역이 해당 형상의 에너지 빔에 동시에 노출되는 스테레오리소그라피 시스템, 디지털 광투사 시스템 또는 마스킹된 에너지 소스 투사 시스템에 사용될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 단일의 공간적으로 분해된 이미지로부터의 이미지 데이터는 레이저 스캔 헤드를 따르는 개별 레이저 트랙에 대응되는 세기 값들과 관련된 스캔 벡터들로 분해된다. 각 스캔 트랙을 따라 에너지 투입 레벨을 평가하면 결함을 검출하면서 또한 이미지 데이터와 기준 데이터를 직접 비교하는 것 보다 더 많은 프로세스 정보를 제공한다.
특히 바람직한 형태에서, 재료는 파우더 금속이다. 다른 형태에서, 재료는 파우더 폴리머, 세라믹 또는 액상 폴리머이다.
바람직하게는, 상기 이미지 센서들은 CCD(charge-coupled device) 어레이, CMOS(complementary metal oxide semi-conductor) 어레이, 또는 sCMOS (scientific-CMOS) 어레이이다.
바람직하게는, 상기 이미지 프로세서는 에너지 투입의 지점이 상기 상응하는 시야들 사이의 오버랩 영역 내에 있을 때 상기 이미지 센서들을 선택적으로 활성화 및 비활성시키도록 구성된다.
선택적으로, 상기 에너지 투사 조립체는 미리 설정된 비활성화 기간 동안 연속적인 층들 사이를 비활성시키도록 구성되며, 상기 이미지 프로세서는 상기 이미지 프로세서가 각각의 상기 연속적인 층들에 대한 상기 에너지 투입 프로세스의 종료를 검출할 수 있도록 상기 미리 설정된 비활성화 기간의 절반 미만인 캡쳐 기간 내에 상기 단일의 공간적으로 분해된 이미지를 캡쳐하도록 상기 이미지 센서들을 활성화 및 비활성화시키도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 상기 재료층을 지지하는 빌드 플랫폼을 수용하기 위한 빌드 챔버를 더 포함하며, 상기 빌드 챔버는 빌드 프로세스를 관찰하기 위한 하나 이상의 뷰잉 윈도우들을 가지며, 상기 이미지 센서들은 상기 빌드 챔버 외부에 장착되고 상기 뷰잉 윈도우들 중 하나 이상을 통해 상기 빌드 플랫폼을 본다.
선택적으로, 상기 이미지 센서들은 상기 층의 법선에 대해 경사진 각도로 상기 빌드 플랫폼 상의 상기 재료층을 보도록 배치되며, 상기 이미지 프로세서는 각각의 상기 이미지 센서들로부터의 상기 이미지 데이터를 시야에 맞게 조작하도록 구성된다. 이는 이미지 센서가 빌드 챔버 측면의 뷰잉 윈도우를 통해 '볼' 필요가 있는 기존 PBF 장비에 시스템을 개조하는 데 매우 적합하다.
바람직하게는, 상기 이미지 센서들은 센서들의 광축들이 상기 재료 층에 수직하도록 상기 재료층 위에 직접 배치된다. 이 경우, 시스템은 조립 동안 PBF 장비에 통합된다. 파우더 층 바로 위에 있으면 시야를 수정할 필요성이 줄어든다.
바람직하게는, 상기 이미지 프로세서는 상기 에너지 투사 조립체의 피드백 제어를 위해 상기 특정 영역의 상기 단일의 공간적으로 분해된 이미지에 대한 상기 이미지 데이터를 사용하도록 구성된다.
바람직하게는, 적층 가공 시스템은 선택적 레이저 소결(SLS) 시스템, 선택적 레이저 용융(SLM) 시스템 또는 전자 빔 시스템이며, 이미지 센서들은 층 내의 관심 영역에 걸쳐 스캐닝되는 에너지 투입 지점에서의 용융 재료로부터의 광 방출을 기록하도록 구성된다. 숙련된 기술자는 "광(light)"이라는 용어가 적외선, 가시광 및 자외선을 포함하는 전자기 방사선을 지칭한다는 것을 이해할 것이다.
본 발명의 관련 측면에서, 연속적인 재료층들로부터 3D 오브젝트들을 제작하기 위한 적층 가공 시스템이 제공되며, 상기 적층 가공 시스템은:
상기 재료를 통합하기 위해 상기 층 내의 특정 영역으로 에너지를 투입하기 위한 에너지 투사 조립체;
상기 재료에 대한 에너지 투입을 나타내는 데이터를 수신함으로써, 충분하지 않는 에너지가 투입된 상기 특정 영역의 구역들을 미리 설정된 품질 메트릭을 충족하지 않는 결함 영역들로서 식별하도록 구성된 프로세서를 포함하며, 프로세서는 결함 영역들에 에너지를 선택적으로 공급하기 위해 에너지 투사 조립체를 동작 가능하게 제어한다.
상기 프로세서는 상기 결함 영역들에 에너지를 선택적으로 인가하도록 상기 에너지 투사 조립체를 동작 가능하게 제어한다.
바람직하게는, 상기 프로세서는 상기 재료에 대한 상기 에너지 투입을 조정하기 위해 상기 에너지 투사 조립체로의 투입 전력을 변경하도록 추가로 구성된다.
바람직하게는, 상기 결함 영역들에 선택적으로 인가된 상기 에너지는 상기 재료에 맞춤화된 미세 구조를 제공하도록 상기 프로세서에 의해 제어된다.
바람직하게는, 맞춤화된 미세 구조는 특정 영역의 나머지에 있는 재료의 미세 구조와 상이하다.
일부 실시예들에서, 에너지 투사 조립체는 스캐닝 에너지 빔(레이저 또는 전자 빔과 같은)을 가지며, 프로세서는 결함 영역들로의 에너지의 인가 동안 다음의 프로세서 파라미터들로서:
스캔 속도;
스캔 가속도;
스캔 방향;
(인접된 스캔 트랙들 사이의 간격인) 해치(hatch) 거리;
(레이저 스캔된 영역과 결함 영역 사이에 차이가 있는 경우, 그 차이인) 오프셋 거리;
(에너지 투입 스폿의 크기를 변경하는) 빔 포커스; 및
빔 투입 전력 변조 중 하나 이상을 선택적으로 제어하도록 구성된다.
선택적으로, 프로세서는 결함 영역들로의 에너지 인가 동안 다음의 빔 스캔 패턴들로서:
(빔 스캔 트랙들이 규칙적인 해칭 스타일패턴으로 앞뒤로 연장되는) 방향성 래스터링;
(빔 경로가 윤곽 방향(contour-wise)인 네스티드 윤곽 루프(nested contour loops)로서, 불연속 루프의 네스티드 래스터링은 결함 영역 형상에 대응되는) 네스티드 윤곽 루프;
(빔 경로가 윤곽 방향인 나선형 와인딩(spiral winding)으로서, 연속적인 루프의 네스티드 래스터링은 상기 결함 영역 형상에 대응되는) 나선형 와인딩 중 하나 이상을 선택한다.
선택적으로, 상기 프로세서는 상기 결함 영역을 다수의 하위 영역들로 분할하고, 상이한 프로세스 파라미터들을 사용하여 각각의 상기 하위 영역들에 상기 에너지를 인가하도록 구성된다.
선택적으로, 프로세서는 상기 결함 영역이 이전 재료층에서 검출된 결함 영역들에 충분히 근접하면 상기 결함 영역에 에너지를 인가하도록 구성된다. 바람직하게는, 프로세서는 이전 층의 결함 영역에서 통합이 발생하도록 에너지 투입 동안 프로세스 파라미터들 중 하나 이상을 제어하도록 구성된다.
바람직하게는, 프로세서는 특정 영역으로의 초과 에너지 투입을 검출하고, 후속 재료층의 특정 영역으로 에너지를 투입하기 위해 프로세스 파라미터들을 조정하도록 구성된다.
바람직하게는, 프로세서는 이전 통합 결함들의 수정 동안 사용된 상기 프로세스 파라미터들로 데이터베이스에 액세스하고, 상기 결함 영역으로의 에너지 인가를 위해 상기 프로세스 파라미터들을 선택하기 위해 상기 데이터베이스로부터의 정보를 사용하도록 구성된다.
바람직하게는, 복수의 유사 적층 가공 시스템들은 데이터베이스에 프로세스 파라미터를 기록한다.
바람직하게는, 프로세서는 결함 영역들의 위치들을 나타내는 2차원 슬라이스형태 또는 3차원 볼륨 형태로 각각의 제작된 3D 오브젝트들에 대한 빌드 품질의 기록(record)을 생성하도록 구성된다.
바람직하게는, 프로세서는 이전 빌드 컴포넌트들 또는 특정 구조들에 기록된 결함들로부터의 결함들에 대한 더 높은 경향을 갖는 영역들을 자동으로 식별하고, 결함 형성을 피하기 위해 상기 프로세스 파라미터들을 선제적으로(pre-emptively) 변경하기 위해 상기 데이터베이스로부터의 정보를 사용하도록 추가로 구성된다.
본 발명은 이제 다음과 같은 첨부 도면들에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 단지 예로서만 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 적층 가공 시스템의 개략도이다.
도 2a는 SLM 적층 가공 시스템의 빌드 영역 내에서 캡쳐된 단일 이미지를 도시한다.
도 2b는 빌드 영역 내의 결함에 대한 공간적으로 분해된 표시를 제공하기 위해 제어 프로세서에 의해 조작된 이미지 데이터를 도시한다.
도 3a는 마스크를 통해 에너지 투사 조립체에 노출된 한 층의 3D 오브젝트로부터 공간적으로 분해된 단일 이미지의 개략도이다.
도 3b는 잠재적인 결함들로 식별된 영역들을 다시 노출하기 위해 도 3a에 도시된 층에 대한 새로운 마스크의 개략도이다.
도 4a는 에너지 투사 조립체에 노출된 한 층의 다른 3D 오브젝트로부터 또 다른 공간적으로 분해된 이미지를 도시한다.
도 4b는 도 4a의 이미지의 픽셀 데이터로부터 생성된 광세기 맵을 도시한다.
도 5는 표시된 결함 영역들과 함께 도 4b의 광세기 맵을 도시한다.
도 6a는 식별된 결함 영역의 확대이다.
도 6b는 도 6a의 결함 영역에 생성된 층 마스크이다.
도 6c 및 6d는 결함 영역 내에서 사용될 수 있는 상이한 레이저 스캔 패턴들을 도시한다.
도 1을 참조하면, 선택적 레이저 용융 시스템(10)은 빌드 챔버(36) 내에서 층들(14) 이동 가능한 빌드 플랫폼(12)에 순차적으로 파우더 재료의 선택된 영역들을 응결시키는 것으로부터 층별로 3차원 컴포넌트(16) 층을 점진적으로 빌드한다. 빌드 챔버(36)는 빌드 프로세스들을 안전하게 관찰하기 위한 뷰잉 윈도우(viewing window)(28)(일반적으로 반투명 레이저 안전 윈도우)를 갖는다.
파우더 재료의 최상층(18)은 스캐닝 레이저 헤드(20)로부터의 레이저 빔(22)에 노출된다. 레이저 빔(22)은 미리 설정된 래스터 패턴으로 화살표(24)로 표시된 방향으로 파우더층(18)에 걸쳐 스캔한다. 레이저 용융 풀(46)은 레이저 빔(22)이 파우더 재료에 입사되는 곳에 형성된다. 용융 풀(46)은 냉각 및 응결하기 위해 용융된 재료를 뒤에 남기는 래스터 패턴을 통해 레이저 빔이 스캔할 때 레이저 빔(22)을 따라 이동된다. 일단 미리 설정된 래스터 패턴이 완성되면, 빌드 플랫폼(12)의 바닥(26)이 새로운 층의 두께에 의해 하향으로 인덱싱됨에 따라 파우더 재료의 새로운 층이 증착된다.
프로세서(56)는 윈도우(28)를 통해 빌드 프로세스를 보기 위해 챔버(36) 외부에 위치된 세 개의 이미지 센서들(30, 32 및 34)을 제어한다. 프로세서(56)는 또한 스캐닝 레이저 헤드(20)를 동작시킬 수 있거나, 또는 스캐닝 레이저 헤드는 개별적으로 제어될 수 있다. 동일한 컨트롤러를 사용하거나 별도의 컨트롤러들을 연결하면 빌드 프로세서의 실시간 피드백 제어가 가능하다. 각각의 이미지 센서들(30, 32 및 34)은 각각 대응하는 시야들(30, 40 및 42)을 갖는다. 조합하여, 각 시야는 빌드 챔버(36)의 최상층(18)을 커버한다. 그러나, 각 시야는 적어도 하나의 인접 시야와 오버랩된다. 스캐닝 레이저 헤드(20)가 상부층(18)에서 특정 관심 영역에 걸쳐 스캔할 때, 각각의 이미지 센서들(30, 32 및 34)은 센서들이 대응되는 시야들(38, 40 및 20)을 통해 이동됨에 따라 레이저 용융 풀(46)의 이미지 데이터를 캡쳐한다. 시야(38)와 시야(40) 사이의 오버랩(50)에서, 레이저 용융 풀(46)은 이미지 센서들(30 및 32) 둘 다에 의해 캡쳐될 수 있다. 이는 오버랩의 일부 부분들에 대해 두 이미지 데이터 세트를 캡쳐할 것이며, 프로세서(56)는 단순히 하나의 세트를 폐기함으로써 단일 세트로 이를 줄이거나, 또는 픽셀 데이터에서 노이즈를 줄이기 위해 이미지 데이터 세트들 둘 모두를 사용할 수 있다.
대안적으로, 프로세서(56)는, 특히 센서들 중 어느 것도 백그라운드 노이즈가 반대로 이미지 데이터에 영향을 미칠 정도로 충분히 길게 노출되지 않도록 노출 시간을 배분하는 것이 필요한 경우, 하나의 이미지 센서를 비활성화시키고 다음 센서를 활성화시키기 위해 오버랩 내의 일부 지점을 선택한다.
필터들(예컨대, 중성 밀도(neutral density; ND) 필터)은 이미지 센서들에 대한 입사광을 줄이는 데 사용될 수 있다. 다른 경우, 대역 통과 필터는 이미지 품질을 향상시키기 위해 600-900nm(레드에서 거의 I)와 같은 선택된 파장들을 캡쳐하는 데 사용된다.
일단 스캐닝 레이저 헤드(20)가 최상층(18)에 대해 미리 설정된 래스터 패턴을 완성하면, 각각의 이미지 센서들(30, 32 및 34)로부터의 이미지 데이터는 오버랩 영역들에서 캡쳐된 듀얼 이미지 데이터를 폐기하거나 합침으로써 제어 프로세서(56)에 의해 단일 이미지로 병합된다.
단일의 층(또는 특정 영역)마다 공간적으로 분해된 이미지는, 일반적으로 10킬로바이트 내지 20메가바이트 사이의 데이터를 가질 것이지만, 부분의 크기, 이미지 센서들의 수 및 선택된 이미징 해상도에 따라 더 많은 이미지 데이터가 있을 수 있다. 그러나, 기존 기술들과 관련된 데이터 감소를 예시하기 위해, 10킬로바이트내지 20 메가바이트의 이미지 데이터는 10-1 내지 10-4Hz 범위의 샘플링 레이트로 변환된다. 이는 결국 종래의 고해상도 카메라들이 사용되도록 하고 실시간 처리 속도가 상당히 빨라지게 한다.
도 2a를 참조하면, 빌드층 또는 더 큰 빌드층 내의 특정 영역의 단일의 공간적으로 분해된 이미지(60)가 도시된다. 스캐닝 레이저 헤드의 래스터 방향은 이미지에 줄무늬로 표시된다. 프로세서(56)는 도 2b의 잠재적 결함 맵을 생성하기 위해 저장된 기준 이미지(도시되지 않음)에 대해 이 이미지를 보정한다. 여기서, 기준 픽셀 데이터의 수용 가능한 변동 내의 픽셀 데이터(62)는 참조 이미지로부터의 설정된 변화량을 넘어서 픽셀 데이터(64)와 뚜렷한 콘트라스트로 도시된다. 영역(64)은 파우더 재료의 통합의 잠재적 결함들의 인디케이션(indication)을 제공한다. 연속적인 층들을 결합하면 전체 빌드에 걸친 결함들의 크기, 분포 및 위치의 3차원 표현을 생성한다.
시스템은 기존 PBF 기계들에 장착(retro-fitted)될 수 있으며, 피드백 제어 시스템 또는 독립형(stand-alone) 품질 모니터링 장치로 구현될 수 있다.
파우더 전반에 걸친 레이저 또는 전자빔 스캔 추적은 투입 에너지를 나타내는 휘도 레벨과, 포컬 위치 및 재료/에너지 상호작용(즉, 반사율/흡수율)의 변화로 인한 변화량을 갖는 재료 방사율(백열, I 또는 UV 방사)을 갖는 이미지 픽셀 데이터로 캡쳐된다.
캡처에 이어서, 프로세는 세기 및 파장 임계치들을 인가하기 전에 콘트라스트 범위를 최대화하도록 이미지를 조정한다. 처리되고 있는 재료에 기초하여 적절한 세기 또는 파장으로 이미지 임계값의 인가를 통해, 방출된 에너지에서 기준 이미지에 대한 차이는 인가된 에너지 또는 스캔 패턴의 결함 또는 변화량의 존재를 나타낸다. 상기 방법은, 전체 베드 크기 결함 또는 차이에 이르는 기계 결함 또는 프로세스 변화량(의도적이든 아니든)의 기본적인 효과일 수 있는 투입 에너지 변화량을 검출할 수 있도록 한다.
층에 걸쳐 파우더의 고르지 않는 분포, 부분 지오메트리의 함몰 또는 상승, 또는 용융 불안정성(볼링(balling)과 같은)을 포함한 공정 변화량은 용융 프로세스 동안 광세기의 변화를 일으킨다. 이들과 같은 공정 변화량은 교정된 기준에 대한 광세기 및 파장의 변화로 나타나며, 잠재적인 결함으로 플래그(flagged)된다. 프로세스 결함들의 맵은 생산된 부분의 품질을 평가하거나, 또는 새로운 프로세스 파라미터나 지오메트리의 개발에 유용하다.
빌드 시 관심 있는 각 층에 대한 프로세스가 반복된 후, 컴퓨터 X선 단층 촬영 데이터(computer tomography data; CT)의 재구성과 유사한 빌드 지오메트리의 3차원 표현을 생성하기 위해 층 임계치 이미지들이 결합된다. 프로세스 오퍼레이터는 검출된 임의의 이상 현상(이메일, SMS, 디스플레이 장치 등)을 즉시 통보받거나 및/또는 기계 상태의 변경이 구현된다. 이는 단순히 오퍼레이터 개입을 허용하기 위해 빌드 프로세스를 중지하거나, 결함이 있는 층을 다시 스캐닝하거나, 기계 프로세스 파라미터들을 변경하는 사전 설정 응답 기능을 제정하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명은 많은 구성들에서 복수의 유형의 광학계를 가진 다양한 이미징 시스템들을 사용하여 적용될 수 있다. 장치는 자외선, 가시광선 또는 적외선 스펙트럼(또는 그들의 임의의 조합)에서 제어 가능한 노출 디지털 이미징 디바이스, 포커싱 가능한 광학계, 강성의(rigid) 고정 프레임 및 이미지 처리 컴퓨터를 가질 수 있다. 게다가, 시스템은 또한 많은 광학 필터, 시점 변경 광학 장치 및 데이터 관찰을 위한 모니터를 포함할 수 있다.
파우더 베드가 비교적 큰 경우, 전체 빌드 영역을 커버하기 위해 추가 카메라들이 사용될 수 있으며, 또는 빌드 영역 또는 국지화된 관심 영역에 걸쳐 더 큰 해상도를 제공할 수 있다. 복수의 스캔 헤드들을 갖는 레이저 스캐닝 시스템에서, 생산된 부분에서 스캔 패턴의 정렬을 확인하기 위해 이 방법이 사용될 수 있다.
도 3a 및 3b를 참조하면, PBF 시스템을 위한 피드백 제어 시스템이 예시된다. 3D 컴포넌트의 하나의 층(3)에 대한 단일의 공간적으로 분해된 이미지(1)는 에너지 투사 조립체에 의해 통합될 파우더 재료의 특정 영역(4)을 나타낸다. 특정 영역(4) 내에서, 이미지(1)는 대부분의 파우더(5)의 충분한 통합을 나타낸다. 그러나, 이미지(1)는 또한 이미지 데이터가 미리 설정된 기준 또는 교정 데이터와 지나치게 다른 결함 영역(6)을 포함한다.
잠재적인 결함 영역(6)을 식별하면, 컨트롤러(도시되지 않음)는 오리지널 노출 마스크 또는 래스터 패턴(7) 내에 제2 노출 마스크 또는 래스터 패턴(8)을 생성한다. 새로운 마스크 또는 래스터 패턴(8) 내의 파우더 재료는 재노출되어 파우더를 적절히 통합하고 다시 노출된 층의 공간적으로 분해된 이미지로부터의 결함을 제거한다.
정확하게 통합된 재료(5)가 영향을 받지 않도록 제2 노출마스크(8) 내의 재료만 재노출된다. 게다가, 결함(6)의 재노출을 위한 스캐닝 파라미터들은 에너지 투사 조립체에 이미 노출된 재료의 과도한 용융을 피하기 위해 가장 가능성 큰 낮은 전력 설정으로 변경될 수 있다. 스캔 파라미터들의 제어 및 수정은 임의로 선택된 영역들 내에서 컴포넌트 미세 구조를 더 잘 제어하도록한다는 것이 이해될 것이다. 이는 컴포넌트의 각 층에 걸친 재료 특성의 맞춤화(customisation) 및 변경(variation)을 허용한다. 도 4a, 4b, 5 및 6a 내지 6d는 3D 오브제트의 한 층 내의 결함을 식별 및 복구하는 단계들을 예시한다. 도 4a는 층에 노출 후 스캔층의 캡쳐된 이미지를 도시한다. 픽셀 데이터의 휘도 값(luminosity values)은 도 4b에 도시된 광세기 맵을 생성하는 데 생성된다. 광세기 맵은 도 5에 도시된 바와 같이 임의의 잠재적 결함을 식별하기 위해 해당 스캔 레벨에 대한 기준 이미지 데이터와 비교된다. 3D 부분 윤곽 경계(3) 내에는 스캔된 영역에 걸쳐 연장되는 광범위한 스케일의 결함(4)이 있다. 더 작은 결함들(5, 6 및 7)은 층의 한 엣지를 향해 위치된다.
스캔층에서 결함이 식별되면, 결함을 복구하기 위해 중재 단계가 수행될 수 있다. 층 노출이 완료되었지만, 파우더 재코팅 전에, 결함 영역(4)을 덮는 새로운 층 마스크(8)가 생성된다. 일부 특정 경우, 결함은 표면 함몰이며, 파우더 재코팅은 함몰된 영역을 채우기 위해 결함 복구 전에 발생할 것이다. 적절한 레이저 스캔 파라미터들이 선택되며, 제정될 제어 프로세서로 전달된다. 복구되는 동안, 이미징 장치 및 프로세서는 복구 스캔의 효과를 평가하고, 추후 검토를 위해 빌드 로그에 제정된 복구의 세부 사항들을 기록한다. 완성되면, 정상적인 빌드 프로세스는 3D 부분의 다음 층에 대한 파우더 재코팅을 재개한다. 시스템은 복구 전략의 유형 및 범위가 다양한 처리 옵션들로 선택되도록 구성될 수 있다. 이는 중재 유형인, 단지 모니터 및 기록, 설정된 임계치보다 큰 검출된 결함들에 대한 모니터 및 보고, 설정된 임계치보다 큰 검출된 결함에 대한 빌드 프로세스를 모니터 및 일시 중지, 설정된 임계치보다 큰 결함에 대한 복구 전략 모니터 및 제정, 또는 이러한 전략들의 임의의 조합을 포함한다. 임계값은 결함 영역의 크기, 상대 광세기, 미리 정의된 관심 영역 이외의 에너지 투입 경로 편차, 특정 결함 유형의 발생(앞서 논의된 바와 같은), 또는 이들 값들의 임의의 조합에 대해 상한 및 하한으로 설정될 수 있다.
사용자가 피드백 전략을 제정하도록 선택되는 경우, 결함 복구를 위한 많은 옵션들이 있다. 이러한 옵션들로는 복구 유형, 투입 전력, 스캔 속도, 해치 거리, 오프셋 거리, 포커스 레벨의 변화(에너지 투입 스폿의 크기를 변경), 스캔 방향, 가속 제어 또는 등속 스캔 패스, 및 다양한 스캔 영역들의 투입 전력 변조를 포함한다. 복구 유형에 대한 옵션들로는 투입 에너지빔이 규칙적인 해칭 스타일 패턴으로 앞뒤로 이동하는 길이 방향 래스터링(9)(도 6c 참조), 투입 에너지 경로의 나선형 와인딩(10)(도 6d 참조), 투입 에너지빔이 지정된 결함 영역을 채우기 위해 결함 형상(8) 오프셋 주위에 불연속 루프를 생성하는 윤곽-방향 래스터링, 또는 상기의 임의의 조합을 포함한다. 작은 고립된 스폿 결함(예컨대, 도 3a에 도시된 결함(6))은 직경이 300마이크론 미만일 수 있다. 이 경우, 복구 프로토콜은 작은 다각형, 나선형 레스터 또는 심지어 점 입력만을 필요로 할 것이다. 식별된 결함의 크기 및 종횡비에 따라 일련의 다각형, 나선형 또는 점들이 결함들을 재통합하기 위해 함께 사용될 수 있을 것이다.
복구 영역은, 일단 결함(8)이 검출되면, 실제 결함 크기(4)보다 더 크거나 작거나 또는 동일한 크기가 되도록 선택될 수 있으며, 복구 전략들이 개별적으로 선택 및 제정되는 임의의 수의 개별 영역들로 분리될 수 있다. 이러한 방식으로, 적절한 합금 시스템의 미세 구조는 결함을 보상하기 위해 손상 동작, 강도 또는 연성과 같은 향상된 특성들을 얻도록 국지화된 영역들에서 수정될 수 있다. 사용 중인 합금 시스템에 따라, 변경된 특성들은 에너지 투입 소스의 전력 및 체류 시간을 변경함으로써 달성될 수 있다.
스캔 파라미터들은 영역들이 후속 층들에서 다시 용융되도록 하는 것일 수 있으므로, 한 특정 층에서 작은 결함의 존재는 중요하지 않을 수 있다. 이 경우, 시스템은, 복구 전력이 제정되는, 미리 설정된 수의 층들(예컨대, 2 또는 3) 이상의 오버랩 또는 인접 영역에서 결함들이 검출되는 지 여부를 모니터링한다. 이 경우, 아래의 층들을 통합하기 위해 큰 에너지 투입이 선택될 수 있을 것이다.
초과 에너지 투입 또는 부분 변형의 영역들은 특정 영역의 광세기의 증가에 의해 검출될 수 있다. 이 경우, 제2 복구 스캔은 바람직하지 않을 수 있으며, 다른 접근 방법이 적용될 수 있다. 초과 에너지 투입의 검출 시, 시스템은 해당 특정 층에 대한 국지화된 영역의 에너지 투입을 줄이기 위해 빌드 파일의 후속 층의 스캔 전략을 수정한다. 이후 전력이 감소될 수 있는 층들의 수는 각각의 후속 층들에 대한 다른 스캔 파라미터들과 함께 가변적이다.
보다 정교한 버전의 피드백 시스템은 이전에 제정된 응답 설정(즉, 학습 설정)에 기초하여, 피드백 전략을 결정하기 위해 기계 학습 알고리즘의 사용에 의해 자율적으로 동작한다. 기계 학습 설정은 공통 데이터베이스에 네트워크로 연결된 많은 기계들 및 사용자들에 걸쳐 사용자 응답을 추적함으로써 발전된다.
시스템은 결함이 있거나 복구된 영역의 위치를 2차원 슬라이스 형태로든 또는 3차원 볼륨 뷰로든 빌드 품질의 기록(record)으로 로그(log)한다. 이러한 정보는 오퍼레이터가 설계를 개선하도록 하거나 유지 및 복구가 필요한 기계 문제를 검출하도록 한다. 로그 및 빌드 이미지는 부분적 합성의 영구적인 기록 또는 향후 진단 평가를 위해 보존될 수 있다.
빌드 로그 및 학습 설정은 또한 결함들에 대한 경향이 높은 영역들을 자동으로 식별하는 데 사용된다. 이전의 빌드 컴포넌트 또는 컴포넌트 내의 특정 구조(예를 들어, 경사진 표면, 특정 각도, 두께 등)에 기록된 결함들은 결함 수정에 대한 관련 로그를 가질 것이다. 동일하거나 유사한 컴포넌트들 또는 구조들이 현재 빌드에서 식별되면, 프로세서는 결함 형성을 피하기 위해 프로세서 파라미터들을 선제적으로(pre-emptively) 변경한다. 본 발명의 다양한 측면들 및 특징들은 이제 다음 번호의 단락들에서 광범위하게 설명될 것이다. 연속적인 재료층으로부터 3D 오브젝트를 제작하는 적층 가공 시스템에 있어서, 적층 가공시스템은,
[0067] 재료를 통합하기 위해 층 내의 특정 영역으로 에너지를 투입하기 위한 에너지 투사 조립체;
연속되는 재료층들로부터 3D 오브젝트를 제작하기 위한 적층 가공 시스템으로서, 상기 적층 가공 시스템은:
상기 재료를 통합하기 위해 상기 층내의 특정 영역으로 에너지를 투입하기 위한 에너지 투사 조립체;
복수의 이미지 센서들로서, 각각의 이미지 센서는 재료의 층이 적어도 일부를 커버하는 상응하는 시야를 가지며, 각각의 시야들이 이미지 센서들 중 적어도 다른 하나의 시야와 적어도 부분적으로 오버랩되도록 하는, 복수의 이미지 센서들; 및
각각의 이미지 센서들로부터 이미지 데이터를 캡쳐하는 이미지 프로세서를 포함하며,
사용하는 동안 이미지 프로세서는 각각의 이미지 센서들에 대한 노출 시간들을 제어하고, 특정 영역에서 잠재적인 통합 결함의 위치를 찾도록 임계 데이터 값에 대한 비교를 위해 각각의 재료층에 대해 특정 영역에 걸쳐 투입되는 단일의 공간적으로 분해된 이미지를 제공하기 위해 이미지 센서들로부터의 이미지 데이터를 결합한다.
[0068] 단락 [0067]에 따른 적층 가공 시스템에 있어서, 노출 시간은 스태거(staggered)되고 서로 적어도 부분적으로 오버랩된다.
[0069] 단락 [0067] 또는 단락 [0068]에 따른 적층 가공 시스템에 있어서, 에너지 투사 조립체는 왕복 래스터 패턴으로 빌드 챔버에서 재료층에 걸쳐 스캔하도록 구성된 적어도 하나의 스캐닝 레이저 헤드 또는 스캐닝 전자빔을 가지며, 제어 프로세서는 해당 층에 대해 관심 영역들로 래스터 패턴을 국한시키도록 구성된다.
단락 [0069]에 따른 적층 가공 시스템에 있어서, 단일의, 공간적으로 분해된 이미지로부터의 이미지 데이터는 레이저 스캔 헤드를 따르는 개별 레이저 트랙에 대응되는 세기 값들과 관련된 스캔 벡터로 분해된다.
단락 [0067]에 따른 적층 가공 시스템에 있어서, 파우더 재료는 파우더 금속, 파우더 폴리머, 파우더 세라믹 또는 이들의 조합이다.
단락 [0067]에 따 른적층 가공 시스템에 있어서, 이미지 센서들은 CCD(charge-coupled device) 어레이, CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 어레이, 또는 sCMOS(scientific-CMOS) 어레이이다.
단락 [0067]에 따른 적층 가공 시스템에 있어서, 이미지 프로세서는 에너지 투입의 지점이 상응하는 시야들 사이의 오버랩 영역 내에 있을 때 이미지 센서들을 선택적으로 활성화 및 비활성화시키도록 구성된다.
[0074] 단락 [0067]에 따른 적층 가공 시스템에 있어서, 에너지 투사 조립체는 미리 설정된 비활성화 기간 동안 연속적인 층들 사이를 비활성화되도록 구성되며, 이미지 프로세서는 이미지 프로세서가 각각의 연속적인 층들에 대한 에너지 투입 프로세스의 종료를 검출할 수 있도록 미리 설정된 비활성화 기간의 절반 미만인 캡쳐 기간 내에 단일의 공간적으로 분해된 이미지를 캡쳐하도록 이미지 센서들을 활성화 및 비활성화시키도록 구성된다.
단락 [0067]에 따른 적층 가공 시스템은 재료층을 지지하는 빌드 플랫폼을 수용하기 위한 빌드 챔버를 더 포함하며, 빌드 챔버는 빌드 프로세스를 관찰하기 위한 하나 이상의 뷰잉 윈도우들을 가지며, 이미지 센서들은 빌드 챔버 외부에 장착되며 뷰잉 윈도우들 중 하나 이상을 통해 빌드 플랫폼을 본다.
단락 [0074]에 따른 적층 가공 시스템에 있어서, 이미지 센서들은 층의 법선에 대해 경사진 각도로 빌드 플랫폼 상의 재료층을 보도록 배치되며, 이미지 프로세서는 각각의 이미지 센서들로부터의 이미지 데이터를 시야에 맞게 조작하도록 구성된다.
단락 [0069]에 따른 적층 가공 시스템에 있어서, 이미지 센서들은 센서들의 광축들이 재료층에 수직하도록 재료층 위에 직접 배치된다.
단락 [0067]에 따른 적층 가공 시스템에 있어서, 이미지 프로세서는 에너지 투사 조립체의 피드백 제어를 위해 특정 영역의 단일의 공간적으로 분해된 이미지에 대한 이미지 데이터를 사용하도록 구성된다.
단락 [0067]에 따른 적층 가공 시스템에 있어서, 시스템은 선택적 레이저 소결(SLS) 시스템, 선택적 레이저 용융(SLM) 시스템 또는 레이더 파우더 베드 융합(L-PBF) 시스템이며, 이미지 센서들은 층 내의 관심 영역에 걸쳐 스캐닝되는 에너지 투입의 지점에서 용융된 재료로부터의 광방출을 기록하도록 구성된다.
단락 [0067]에 따른 적층 가공 시스템에 있어서, 시스템은 전자빔 용융 시스템이다.
[0081] 단락 [0067]에 따른 적층 가공 시스템에 있어서, 시스템은 마스킹된 관심 영역 전체가 상응하는 형태의 전자빔에 동시에 노출되는 에너지 투사 시스템이다.
단락 [0081]에 따른 적층 가공시스템에 있어서, 시스템은 스테레오리소그라피(stereolithography; STL) 시스템 또는 디지털 투사(DFP) 시스템이다.
[0083] 적층 가공에 의해 3차원 오브젝트를 제작하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
빌드 챔버에 통합되지 않는 형태로 재료층을 제공하는 단계;
에너지 투사 조립체를 사용하여 층의 특정 영역에서 재료를 통합하는 단계;
복수의 이미지 센서들을 사용하여 특정 영역에 대한 복수의 캡쳐하는 단계로서, 각각의 이미지 센서들은 재료층의 적어도 일부를 커버하는 상응하는 시야를 가지며, 이미지 센서들의 적어도 하나의 다른 시야와 적어도 부분적으로 오버랩되는 단계;
에너지가 에너지 투사 조립체에 의해 재료에 투입될 때 이미지 센서들로부터의 이미지 데이터가 특정 영역에 대한 단일의 공간적으로 분해된 이미지를 집합적으로 제공하도록 이미지 캡쳐하기 위한 노출 시간을 설정하는 단계;그리고
특정 영역에 잠재적 통합 결함을 배치하기 위해 단일의 공간적으로 분해된 이미지로부터의 이미지 데이터를 임계 데이터 값과 비교하는 단계를 포함한다.
[0084] 단락 [0083]에 따른 방법에 있어서, 에너지 투사 조립체는 해당 층에 대한 관심 영역에 한정된 왕복 래스터 패턴으로 빌드 챔버 내의 재료층에 걸쳐 스캔하도록 구성된 적어도 하나의 스캐닝 레이저 헤드 또는 스캐닝 전자빔을갖는다.
[0085] 단락 [0083] 또는 단락 [0084]에 따른 방법은 단일의 공간적으로 분해된 이미지로부터 이미지 데이터를 레이저 스캔 헤드를 따르는 개별 레이저 트랙들에 대응되는 세기 값들과 관련된 스캔 벡터로 분해하는 단계를 더 포함한다.
[0086] 단락 [0083] 내지 [0085] 중 어느 하나에 따른 방법에 있어서, 파우더 재료는 파우더 금속, 파우더 폴리머, 파우더 세라믹 또는 그 조합이다.
[0087] 단락 [0083] 내지 [0086] 중 어느 하나에 따른 방법에 있어서, 이미지 센서들은 CCD(charge-coupled device) 어레이, CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 어레이 또는 sCMOS(scientific-CMOS)이다.
[0088] 단락 [0083]에 따른 방법에 있어서, 이미지 센서들은 에너지 투입의 지점이 각각의 이미지 센서들에 각각 해당되는 시야들 사이의 오버랩 영역 내에 있을 때 선택적으로 활성화 및 비활성화된다.
[0089] 단락 [0083] 내지 [0088] 중 어느 하나에 따른 방법에 있어서, 에너지 투사 조립체는 미리 설정된 비활성화 기간 동안 연속적인 층들 사이를 비활성화시키도록 하고, 이미지 센서들은 각각의 연속적인 층들에 대한 에너지 투입 프로세서의 종료를 검출하기 위해 미리 설정된 비활성화 기간의 절반 미만인 캡쳐 기간 내에 단일의 공간적으로 분해된 이미지를 캡쳐하도록 활성 및 비활성된다.
[0090] 단락 [0083] 내지 [0089] 중 어느 하나에 따른 방법에 있어서, 재료층은 빌드 챔버에 수용된 빌드 플랫폼에 지지되며, 빌드 챔버는 빌드 프로세스를 관찰하기 위해 하나 이상의 뷰잉 윈도우들을 가지며, 이미지 센서들은 뷰잉 윈도우들 중 하나 이상을 통해 빌드 플랫품을 보기 위해 빌드 챔버 외부에 장착된다.
[0091] 단락 [0089]에 따른 방법에 있어서, 이미지 센서들은 층의 법선에 대해 경사진 각도로 빌드 플랫폼 상의 재료층을 보도록 배치되며, 이미지 프로세서는 각각의 이미지 센서들로부터의 이미지 데이터를 시야에 맞게 조작하도록 구성된다.
[0092] 단락 [0083]에 따른 방법에 있어서, 이미지 센서들은 센서들의 광축들이 재료층에 수직하도록 재료층 위에 직접 배치된다.
[0093] 단락 [0083] 내지 [0092] 중 어느 하나에 따른 방법에 있어서, 특정 영역의 단일의 공간적으로 분해된 이미지에 대한 이미지 데이터는 에너지 투사 조립체의 피드백 제어에 사용된다.
[0094] 프로세서에 의해 선택적 레이저 소결(SLS) 시스템 또는 선택적 레이저 용융(SLM) 시스템을 동작하도록 구현된 단락 [0083] 내지 [0093] 중 어느 하나에 따른 방법에 있어서, 이미지 센서들은 층 내 관심 영역에 걸쳐 스캐닝되는 에너지 투입 지점에서 용융 재료로부터의 광방출을 기록하도록 구성된다.
단락 [0083] 내지 [0094] 중 어느 하나에 따른 방법은 프로세서에 의해 전자빔 용융 시스템을 동작하도록 구현된다.
단락 [0083] 내지 [0094] 중 어느 하나에 따른 방법은 프로세서에 의해 전체 관심 영역이 해당 형상의 에너지 빔에 동시에 노출되는 마스킹된 에너지 투사 시스템을 동작시키도록 구현된다.
단락 [0083] 내지 [0092] 중 어느 하나에 따른 방법은 프로세서에 의해 스테레오리소그래피(STL_ 시스템 또는 디지털 광투사(DLP) 시스템을 동작시키도록 구현된다.
[0098] 연속되는 재료층들로부터 3D 오브젝트를 제작하기 위한 적층 가공 시스템으로서, 상기 적층 가공 시스템은:
재료를 통합하기 위해 층 내의 특정 영역으로 에너지를 투입하기 위한 에너지 투사 조립체;
재료에 대한 에너지 투입을 나타내는 데이터를 수신함으로써, 충분하지 않는 에너지가 투입된 특정 영역의 구역들을 미리 설정된 품질 메트릭을 충족하지 않는 결함 영역으로서 식별하도록 구성된 프로세서를 포함하며, 프로세서는 결함 영역들에 에너지를 선택적으로 공급하기 위해 에너지 투사 조립체를 동작 가능하게 제어한다.
[0099] 단락 [0098]에 따른 적층 가공 시스템에 있어서, 프로세서는 재료에 대한 에너지 투입을 조정하기 위해 에너지 투사 조립체로의 투입 전력을 변경하도록 추가로 구성된다.
[0100] 단락 [0099]에 따른 적층 가공 시스템에 있어서, 결함 영역들에 선택적으로 인가된 에너지는 재료에 맞춤화된 미세 구조를 제공하기 위해 프로세서에 의해 제어된다.
단락 [0100]에 따른 적층 가공 시스템에 있어서, 맞춤화된 미세 구조는 특정 영역의 나머지에 있는 재료의 미세 구조와 상이하다.
단락 [0098]에 따른 적층 가공 시스템에 있어서, 에너지 투사 조립체는 스캐닝 에너지빔을 가지며, 프로세서는 결함 영역들로의 에너지 인가 동안 다음의 프로세스 파라미터들로서:
스캔 속도;
스캔 가속도;
스캔 방향;
인접된 스캔 트랙들 사이의 간격인 해치 거리;
에너지 빔에 의해 스캔된 영역과 결함 영역 사이에 차이가 있는 경우, 그 차이인 오프셋 거리;
에너지 빔 투입 스폿 크기가 변경되는 빔 포커스; 및
에너지 빔 파워를 변경하는 빔 투입 전력 변조 중 하나 이상을 선택적으로 제어하도록 구성된다.
단락 [0098]에 따른 적층 가공 시스템에 있어서, 프로세서는 결함 영역들에 대한 에너지의 인가 동안 다음의 스캔 패턴들로서:
에너지 빔 스캔 트랙들이 규칙적인 해칭 스타일 패턴으로 앞뒤로 연장되는 방향성 래스터링;
에너지 빔이 특정 시간 기간 동안 결함 영역에 근접한 고정 위치에서 고정되는 지점 노출;
에너지 빔 경로가 윤곽 방향인 네스티드 윤곽 루프(nested contour loops)로서, 결함 영역 형상에 대응되는 불연속 루프의 네스티드 래스터링; 및
에너지 빔 경로가 윤곽 방향인 나선형 와인딩(spiral winding)으로서, 결함 영역 형상에 대응되는 연속적인 루프의 네스티드 래스터링 중 하나 이상을 선택한다.
단락 [0098]에 따른 적층 가공 시스템에 있어서, 프로세서는 결함 영역을 다수의 하위 영역들로 분할하고 상이한 프로세스 파라미터들을 사용하여 각각의 하위 영역들에 에너지를 인가하도록 구성된다.
[0105]단락 [0098]에 따른 적층 가공 시스템에 있어서, 프로세서는 결함 영역이 적어도 하나의 이전 재료층에서 검출된 결함 영역에 충분히 근접한 경우 결함 영역에 에너지를 인가하도록 구성된다.
단락 [0105]에 따른 적층 가공 시스템에 있어서, 프로세서는 이전 층들에서도 통합이 발행하도록 에너지 투입 동안 프로세스 파라미터들 중 하나 이상을 제어하도록 구성된다.
단락 [0098]에 따른 적층 가공 시스템에 있어서, 프로세서는 특정 영역으로의 초과 에너지 투입을 검출하고 후속 재료층의 특정 영역에 에너지를 투입하기 위해 프로세스 파라미터들을 조정하도록 구성된다.
[0108] 단락 [0098]에 따른 적층 가공 시스템에 있어서, 프로세서는 이전 통합 결함의 수정 동안 사용된 프로세스 파라미터들로 데이터베이스에 액세스하고, 결함 영역으로의 에너지 인가를 위해 프로세스 파라미터들을 선택하기 위해 데이터베이스로부터의 정보를 사용하도록 구성된다.
[0109] 단락 [0108]에 따른 적층 가공 시스템에 있어서, 복수의 유사한 적층 가공 시스템들은 데이터베이스에 프로세스 파라미터 데이터를 기록한다.
[0110] 단락 [0098]에 따른 적층 가공 시스템에 있어서, 프로세서는 결함 영역의 위치를 나타내는 2차원 슬라이스 형태 또는 3차원 볼륨 형태로 각각의 제작된 3D 오브젝트들에 대한 빌드 품질의 기록을 생성하도록 구성된다.
단락 [0108] 내지 [0110] 중 어느 하나에 따른 적층 가공 시스템에 있어서, 프로세서는 이전 빌드 컴포넌트들 또는 특정 구조들의 기록된 결함들로부터의 결함에 대해 더 높은 경향을 갖는 영역들을 자동으로 식별하고, 결함 형성을 피하기 위해 프로세스 파라미터들을 선제적으로 변경하기 위해 데이터베이스로부터의 정보를 사용하도록 추가로 구성된다.
본 발명의 단지 예시로서 본 출원에 설명되었다. 본 발명의 기술 분야의 숙련자들은 광범위한 발명 개념의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 한 많은 변형 및 수정을 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (28)

  1. 연속되는 재료층들로부터 3D 오브젝트를 제작하기 위한 적층 가공 시스템으로서, 상기 적층 가공 시스템은,
    상기 재료를 통합하기 위해 상기 층 내의 특정 영역으로 에너지를 투입하기 위한 에너지 투사 조립체;
    복수의 이미지 센서들로서, 각각의 이미지 센서들은 상기 재료층의 적어도 일부를 커버하는 상응하는 시야(field of view)를 가지며, 각각의 상기 시야들은 상기 이미지 센서들 중 적어도 하나의 다른 센서의 시야와 적어도 부분적으로 오버랩되는 상기 복수의 이미지 센서들; 및
    각각의 상기 이미지 센서들로부터의 이미지 데이터를 캡쳐하는 이미지 프로세서를 포함하며,
    사용하는 동안 상기 이미지 프로세서는 각각의 상기 이미지 센서들에 대한 노출 시간을 제어하고, 상기 특정 영역에 잠재적인 통합 결함들의 위치를 찾도록 임계 데이터 값들에 대한 비교를 위해 각 재료층에 대해 상기 특정 영역을 통해 투입되는 상기 에너지의 단일의 공간적으로 분해된 이미지를 제공하기 위해 상기 이미지 센서들로부터의 상기 이미지 데이터를 결합하는 것을 특징으로 하는 적층 가공 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 노출 시간은 스태거(staggered)되며, 서로 적어도 부분적으로 오버랩되는 것을 특징으로 하는 적층 가공 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 단일의 공간적으로 분해된 이미지로부터의 상기 이미지 데이터는 레이저 스캔 헤드를 따르는 개별 레이저 트랙들에 대응되는 세기 값들과 관련된 스캔 벡터들로 분해되는 것을 특징으로 하는 적층 가공 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 이미지 센서들은 CCD(charge-coupled device) 어레이, CMOS(complementary metal oxide semi-conductor) 어레이, 또는 sCMOS (scientific-CMOS) 어레이인 것을 특징으로 하는 적층 가공 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 이미지 프로세서는 에너지 투입 지점이 상기 상응하는 시야들 사이의 오버랩 영역 내에 있을 때 상기 이미지 센서들을 선택적으로 활성화 및 비활성화시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 적층 가공 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 에너지 투사 조립체는 미리 설정된 비활성화 기간 동안 연속적인 층들 사이를 비활성화시키도록 구성되며, 상기 이미지 프로세서는 상기 이미지 프로세서가 각각의 상기 연속적인 층들에 대한 상기 에너지 투입 프로세스의 종료를 검출할 수 있도록 상기 미리 설정된 비활성화 기간의 절반 미만인 캡쳐 기간 내에 상기 단일의 공간적으로 분해된 이미지를 캡쳐하도록 상기 이미지 센서들을 활성화 및 비활성시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 적층 가공 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 재료층을 지지하는 빌드 플랫폼을 수용하기 위한 빌드 챔버를 더 포함하며, 상기 빌드 챔버는 빌드 프로세스를 관찰하기 위한 하나 이상의 뷰잉 윈도우들을 가지며, 상기 이미지 센서들은 상기 빌드 챔버 외부에 장착되고 상기 뷰잉 윈도우들 중 하나 이상을 통해 상기 빌드 플랫폼을 보는 것을 특징으로 하는 적층 가공 시스템.
  8. 제8항에 있어서, 상기 이미지 센서들은 상기 층의 법선에 대해 경사진 각도로 상기 빌드 플랫폼 상의 상기 재료층을 보도록 배치되며, 상기 이미지 프로세서는 각각의 상기 이미지 센서들로부터의 상기 이미지 데이터를 시야에 맞게 조작하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 적층 가공 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 이미지 센서들은 센서들의 광축들이 상기 재료층에 수직하도록 상기 재료층 위에 직접 배치되는 것을 특징으로 하는 적층 가공 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 이미지 프로세서는 상기 에너지 투사 조립체의 피드백 제어를 위해 상기 특정 영역의 상기 단일의 공간적으로 분해된 이미지에 대한 상기 이미지 데이터를 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 적층 가공 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 선택적 레이저 소결(SLS) 시스템, 선택적 레이저 용융(SLM) 시스템 또는 레이저 파우더 베드 융합(L-PBF) 시스템이며, 상기 이미지 센서들은 상기 층 내의 관심 영역에 걸쳐 스캐닝되는 에너지 투입 지점에서 용융된 재료로부터의 광 방출을 기록하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 적층 가공 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 전자빔 용융 시스템인 것을 특징으로 하는 적층 가공 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 시스템은, 상기 관심 영역 전체가 상응하는 형상의 에너지 빔에 동시에 노출되는 마스킹된 에너지 투사 시스템인 것을 특징으로 하는 적층 가공 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 시스템은 스테레오리소그라피(STL) 시스템 또는 디지털 광투사(DLP) 시스템인 것을 특징으로 하는 적층 가공시스템.
  15. 연속되는 재료층들로부터 3D 오브젝트를 제작하기 위한 적층 가공 시스템으로서, 상기 적층 가공 시스템은,
    상기 재료를 통합하기 위해 상기 층 내의 특정 영역으로 에너지를 투입하기 위한 에너지 투사 조립체;
    상기 재료에 대한 에너지 투입을 나타내는 데이터를 수신함으로써, 충분하지 않는 에너지가 투입된 상기 특정 영역의 구역들을 미리 설정된 품질 메트릭을 충족하지 않는 결함 영역들로서 식별하도록 구성된 프로세서를 포함하며,
    상기 프로세서는 상기 결함 영역들에 에너지를 선택적으로 인가하도록 상기 에너지 투사 조립체를 동작 가능하게 제어하는 것을 특징으로 하는 적층 가공 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 재료에 대한 상기 에너지 투입을 조정하기 위해 상기 에너지 투사 조립체로의 투입 전력을 변경하도록 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는 적층 가공 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 결함 영역들에 선택적으로 인가된 상기 에너지는 상기 재료에 맞춤화된 미세 구조를 제공하기 위해 상기 프로세서에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 적층 가공 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 맞춤화된 미세 구조는 상기 특정 영역의 나머지에 있는 상기 재료의 미세 구조와 상이한 것을 특징으로 하는 적층 가공 시스템.
  19. 제15항에 있어서, 상기 에너지 투사 조립체는 스캐닝 에너지 빔을 가지며, 상기 프로세서는 상기 결함 영역들로의 에너지 인가 동안 다음의 프로세스 파라미터들로서:
    스캔 속도;
    스캔 가속도;
    스캔 방향;
    인접된 스캔 트랙들 사이의 간격인 해치(hatch) 거리;
    상기 에너지 빔에 의해 스캔된 영역과 상기 결함 영역 사이에 차이가 있는 경우, 그 차이인 오프셋 거리;
    상기 에너지 빔 투입 스폿 크기가 변경되는 빔 포커스; 및
    상기 에너지 빔 전력을 변경하는 빔 투입 전력 변조 중 하나 이상을 선택적으로 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 적층 가공 시스템.
  20. 제17항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 결함 영역들에 대한 에너지의 인가 동안 다음의 스캔 패턴들로서:
    에너지 빔 스캔 트랙들이 규칙적인 해칭 스타일 패턴으로 앞뒤로 연장되는 방향성 래스터링(rastering);
    상기 에너지 빔이 특정 시간 기간 동안 상기 결함 영역에 근접하고 정위치에서 고정되는 지점 노출(point exposure);
    상기 에너지 빔 경로가 윤곽 방향(contour-wise)인 네스티드 윤곽 루프(nested contour loops)로서, 불연속 루프의 네스티드 래스터링은 상기 결함 영역 형상에 대응되는 상기 네스티드 윤곽 루프; 및
    상기 에너지 빔 경로가 윤곽 방향인 나선형 와인딩(spiral winding)으로서, 연속적인 루프의 네스티드 래스터링은 상기 결함 영역 형상에 대응되는 상기 나선형 와인딩 중 하나 이상을 선택하는 것을 특징으로 하는 적층 가공 시스템.
  21. 제17항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 결함 영역을 다수의 하위 영역들로 분할하고, 상이한 프로세스 파라미터들을 사용하여 각각의 상기 하위 영역들에 상기 에너지를 인가하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 적층 가공 시스템.
  22. 제17항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 결함 영역이 적어도 하나의 이전 재료층에서 검출된 결함 영역들에 충분히 근접한 경우 상기 결함 영역에 상기 에너지를 인가하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 적층 가공 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 이전층들에서도 통합이 발생하도록 상기 에너지 투입 동안 상기 프로세스 파라미터들 중 하나 이상을 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 적층 가공 시스템.
  24. 제17항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 특정 영역으로의 초과 에너지 투입을 검출하고, 후속 재료층의 특정 영역으로 에너지를 투입하기 위해 프로세스 파라미터들을 조정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 적층 가공 시스템.
  25. 제17항에 있어서, 상기 프로세서는 이전 통합 결함들의 수정 동안 사용된 상기 프로세스 파라미터들로 데이터베이스에 액세스하고, 상기 결함 영역으로의 에너지 인가를 위해 상기 프로세스 파라미터들을 선택하기 위해 상기 데이터베이스로부터의 정보를 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 적층 가공 시스템.
  26. 제25항에 있어서, 복수의 유사 적층 가공 시스템들은 상기 데이터베이스에 프로세스 파라미터 데이터를 기록하는 것을 특징으로 하는 적층 가공 시스템.
  27. 제15항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 결함 영역들의 위치들을 나타내는 2차원 슬라이스 형태 또는 3차원 볼륨 형태로 각각의 상기 제작된 3D 오브젝트들에 대한 빌드 품질의 기록을 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 적층 가공 시스템.
  28. 제25항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세서는 이전 빌드 컴포넌트들 또는 특정 구조들에 기록된 결함들로부터의 결함들에 대한 더 높은 경향을 갖는 영역들을 자동으로 식별하고, 결함 형성을 피하기 위해 상기 프로세스 파라미터들을 선제적으로(pre-emptively) 변경하기 위해 상기 데이터베이스로부터의 정보를 사용하도록 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는 적층 가공 시스템.
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