特許 6959698 アディティブ製造装置内の複数のスキャナの較正方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6959698

(24)【登録日】2021年10月12日

(45)【発行日】2021年11月5日

(54)【発明の名称】アディティブ製造装置内の複数のスキャナの較正方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/25 20060101AFI20211025BHJP

   G01B 11/24 20060101ALI20211025BHJP

   B29C 64/153 20170101ALI20211025BHJP

   B29C 64/268 20170101ALI20211025BHJP

   B29C 64/386 20170101ALI20211025BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20211025BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20211025BHJP

   B33Y 50/00 20150101ALI20211025BHJP

   B22F 3/105 20060101ALI20211025BHJP

   B22F 3/16 20060101ALI20211025BHJP

【ＦＩ】

   G01B11/25 H

   G01B11/24 K

   B29C64/153

   B29C64/268

   B29C64/386

   B33Y10/00

   B33Y30/00

   B33Y50/00

   B22F3/105

   B22F3/16

【請求項の数】36

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2018-555904(P2018-555904)

(86)(22)【出願日】2017年4月25日

(65)【公表番号】特表2019-519760(P2019-519760A)

(43)【公表日】2019年7月11日

(86)【国際出願番号】GB2017051137

(87)【国際公開番号】WO2017187147

(87)【国際公開日】20171102

【審査請求日】2020年2月21日

(31)【優先権主張番号】1607152.4

(32)【優先日】2016年4月25日

(33)【優先権主張国】GB

(73)【特許権者】

【識別番号】391002306

【氏名又は名称】レニショウ パブリック リミテッド カンパニー

【氏名又は名称原語表記】ＲＥＮＩＳＨＡＷ ＰＵＢＬＩＣ ＬＩＭＩＴＥＤ ＣＯＭＰＡＮＹ

(74)【代理人】

【識別番号】110001243

【氏名又は名称】特許業務法人 谷・阿部特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】セリ ブラウン

【審査官】 仲野 一秀

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１５／０８３１０４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１６／００８２６６８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ １１／００−１１／３０

Ｂ２９Ｃ ６４／００−６４／４０

６７／００−６７／０８

６７／２４−６９／０２

７３／００−７３／３４

Ｂ２９Ｄ １／００−２９／１０

３３／００

９９／００

Ｂ３３Ｙ １０／００−９９／００

Ｂ２２Ｆ １／００−８／００

Ｃ２２Ｃ １／０４−／０５

３３／０２

Ｂ２３Ｋ ２６／００−２６／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のスキャナを備えるアディティブ製造装置の属性を決定するための方法であって、前記複数のスキャナの少なくとも第１のスキャナは、材料が層内に固化される作業面に、対応する放射ビームを誘導するためのビーム操向オプティクスを備える方法において、１対の前記スキャナを制御することであって、それによって、前記対のうちの前記第１のスキャナが前記作業面内に特徴を形成するように前記放射ビームを誘導し、前記特徴は、前記対のうちの第２のスキャナの検出器の視野内にあり、前記検出器は、前記第２のスキャナの前記ビーム操向オプティクスによって補正される前記作業面から来る放射を検出するためのものである、制御することと、前記視野について前記第２のスキャナの前記検出器で少なくとも１つの検出器値を記録することと、および前記検出器値と、前記特徴を形成するときの、前記対のうちの前記第１のスキャナの前記操向オプティクスの位置決めから決定される予想検出器値との比較から前記アディティブ製造装置の属性を決定することと、を含む方法。

【請求項2】

前記特徴は、前記作業面内の前記放射ビームによって形成された溶融プールである請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記特徴が、表面内に切除され、または前記放射ビームを使用して前記作業面内で材料を固化することによって形成される請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記特徴は、前記第２のスキャナの前記検出器の前記視野内の前記作業面内に形成された基準パターンを含む請求項３に記載の方法。

【請求項5】

前記放射ビームは、前記第１のスキャナによって前記作業面内の材料上に誘導される構造光を含む請求項１に記載の方法。

【請求項6】

複数のスキャナを備えるアディティブ製造装置の属性を決定するための方法であって、少なくとも１つの前記スキャナは、材料が層内に固化される作業面に、対応する放射ビームを誘導するためのものであり、各スキャナは、操向オプティクスと、前記操向オプティクスによって補正される前記作業面から来る放射を検出するための検出器とを備える方法において、１対の前記スキャナの第１のスキャナおよび第２のスキャナの前記操向オプティクスを制御することであって、それによって、前記第１のスキャナの前記検出器と前記第２のスキャナの前記検出器についての前記作業面の視野が少なくとも重畳するようにする、制御することと、対応する前記視野について前記第１のスキャナおよび前記第２のスキャナのそれぞれの前記検出器で少なくとも１つの検出器値を記録することと、および前記第１のスキャナおよび前記第２のスキャナによって記録される前記検出器値の比較から、前記アディティブ製造装置の属性を決定することと、を含む方法。

【請求項7】

前記視野は見かけ上範囲が一致する請求項６に記載の方法。

【請求項8】

放射ビームが前記複数のスキャナのうちの１つによって前記視野内の前記作業面内の材料上に誘導されるとき、検出器値を記録することを含む請求項６または７に記載の方法。

【請求項9】

前記放射ビームのうちの１つを使用して形成された前記視野内の特徴に基づいて検出器値を記録することを含む請求項６または７に記載の方法。

【請求項10】

前記視野内に位置する基準パターンに基づいて検出器値を記録することを含む請求項６または７に記載の方法。

【請求項11】

前記基準パターンが、前記少なくとも１つの放射ビームを使用して形成される請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

前記基準パターンが、前記少なくとも１つの放射ビームを使用して、前記作業面内の表面を切除することによって、または前記作業面内で材料を固化することによって前記作業面内に形成される請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記基準パターンが構造光を使用して形成される請求項１０に記載の方法。

【請求項14】

前記基準パターンが前記視野内にあるように、前記基準パターンが、前記アディティブ製造装置内に配置される基準アーティファクト上でプリフォームされる請求項１０に記載の方法。

【請求項15】

前記基準パターンは少なくとも１つの周期的特徴を含み、前記方法は、前記第２のスキャナの前記検出器で前記基準パターンのイメージを取り込むこと、前記イメージから、前記基準パターンの測定された周期的特性を決定すること、および前記測定された周期的特性と基準周期的特性との比較に基づいて、前記第１のスキャナまたは前記第２のスキャナの制御のための補正を決定することを含む請求項１０乃至１４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項16】

前記基準周期的特性が、前記第１のスキャナの前記検出器によって取り込まれた前記基準パターンまたは前記基準パターンのイメージを形成するとき、前記第１のスキャナを駆動するために使用される命令から決定される請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記周期的特性が、基準位相または前記対のうちの他のスキャナの前記検出器から測定された位相に対する、前記基準パターンの測定された位相ずれである請求項１５または１６に記載の方法。

【請求項18】

前記位相ずれが、前記検出器によって記録された前記検出器値のフーリエ解析を通じて決定される請求項１７に記載の方法。

【請求項19】

前記属性が、前記第１のスキャナおよび前記第２のスキャナからの、前記検出器値を含むデータを相互参照することによって決定される請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項20】

前記属性が前記スキャナの属性である請求項１９に記載の方法。

【請求項21】

前記属性が、前記放射ビームのスポット、または前記放射ビームによって形成された特徴、および／または公称値からの前記検出器値から決定した作業面内の視野の、測定された位置またはサイズの違いである請求項１９に記載の方法。

【請求項22】

前記属性が、前記作業面内の材料／表面の属性である請求項１９に記載の方法。

【請求項23】

前記属性が、前記視野内の凝固された材料または未凝固の材料の高さ／位置、構築基体／構築プラットフォームの位置、または前記アディティブ製造プロセスを使用して構築すべきプリフォームされた部品の位置である請求項２２に記載の方法。

【請求項24】

公称値からの前記属性の違いを補正するように前記アディティブ製造装置を調節することを含む請求項１乃至２３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項25】

前記公称値からの前記属性の違いに基づいて、前記対のスキャナのうちの１つの前記操向オプティクスの少なくとも１つの位置を補正するための補正値、マップ、または関数を決定することを含む請求項２４に記載の方法。

【請求項26】

公称値からの前記属性の違いを補正するように前記アディティブ製造装置を調節することを含み、
前記公称値からの前記属性の違いに基づいて、前記対のスキャナのうちの１つの前記操向オプティクスの少なくとも１つの位置を補正するための補正値、マップ、または関数を決定することを含み、
前記補正マップまたは関数が、公称位置に対する、前記第２のスキャナの前記検出器値から導出された、前記放射ビームの前記作業面内の測定された位置、または前記放射ビームによって生成された特徴の違いに基づいて決定される請求項１に記載の方法。

【請求項27】

公称値からの前記属性の違いを補正するように前記アディティブ製造装置を調節することを含み、
前記公称値からの前記属性の違いに基づいて、前記対のスキャナのうちの１つの前記操向オプティクスの少なくとも１つの位置を補正するための補正値、マップ、または関数を決定することを含み、
前記補正値、マップ、または関数は、公称位置に対する、前記第１のスキャナおよび前記第２のスキャナの前記検出器値から導出された、前記視野の測定された相対位置の違いに基づいて決定される請求項６に記載の方法。

【請求項28】

前記アディティブ製造装置は３つ以上のスキャナを備え、前記方法は、前記３つ以上のスキャナのうちの複数の対のための前記方法を実施して、前記３つ以上のスキャナが共通の基準フレームに位置合せされるように各対の前記スキャナのうちの１つの前記操向オプティクスの前記少なくとも１つの位置を補正する補正値、マップ、または関数を生成することを含む請求項２５乃至２７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項29】

前記複数のスキャナのうちの第１のスキャナの前記操向オプティクスを較正して第１の較正済みスキャナを提供すること、前記複数のスキャナのうちの他のスキャナのうちの１つまたは複数についての前記補正値、マップ、または関数を生成して、前記１つまたは複数のスキャナの前記操向オプティクスの位置決めを前記第１の較正済みスキャナと位置合せすることを含む請求項２５乃至２８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項30】

前記検出器または各検出器は、少なくとも１つの次元の前記視野にわたる前記放射の強度の変動を測定するように配置された位置感応デバイス（ＰＳＤ）を備える請求項１乃至２９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項31】

前記ＰＳＤが、２次元の前記視野にわたる前記放射の強度の変動を測定するように配置される請求項３０に記載の方法。

【請求項32】

前記比較が、前記第２のスキャナの前記ＰＳＤに関する強度分布の位置と、前記第１のスキャナの前記ＰＳＤに関する強度分布の予想位置または位置との比較を含む請求項３０または３１に記載の方法。

【請求項33】

前記作業面内の材料にわたって前記対のうちの前記第１のスキャナで前記放射ビームを誘導して溶融プールを形成すること、前記第２のスキャナの前記ＰＳＤに関する前記検出器値から、前記第２のスキャナの視野内の前記溶融プールの位置を決定すること、および前記視野内の前記溶融プールの前記位置に基づいて、前記第１のスキャナまたは前記第２のスキャナについての補正値、マップ、または関数を生成することを含む請求項３２に記載の方法。

【請求項34】

アディティブ製造装置を制御するためのコントローラであって、請求項１乃至３３のいずれか一項に記載の方法を実施するように配置されるコントローラ。

【請求項35】

層ごとに工作物を構築するためのアディティブ製造装置であって、
複数のスキャナであって、それぞれのスキャナが作業面内で材料を層内に固化するように放射ビームを誘導する、複数のスキャナと、請求項３４に記載のコントローラと
を備えるアディティブ製造装置。

【請求項36】

命令をその上に有するデータキャリアであって、前記命令は、アディティブ製造装置を制御するためのコントローラによって実行されるとき、請求項１乃至３３のいずれか一項に記載の方法を前記コントローラに実施させる、データキャリア。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、それぞれが作業面に放射ビームを誘導する複数のスキャナを備えるアディティブ製造装置内で測定を実施するための方法および装置に関する。限定はしないが、詳細には、本発明は、材料ベッド（例えば粉体または樹脂ベッド）を備えるアディティブ製造装置のスキャナを較正するための方法に関する。

【背景技術】

【0002】

部品を生成するためのアディティブ製造または急速プロトタイピング方法は、材料の層ごとの凝固を含む。選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）、電子ビーム溶融（ｅＢｅａｍ）などの粉体ベッドシステムと、光造形などの樹脂浴ベースのシステムと、ワイヤアークアディティブ製造（ＷＡＡＭ）を含む、溶融物堆積法などの非粉体ベッドシステムとを含む、様々なアディティブ製造方法がある。

【0003】

選択的レーザ溶融では、粉体層が構築室内の粉体ベッド上に堆積し、レーザビームが、構築中の工作物の断面（スライス）に対応する粉体層の各部分にわたって走査される。レーザビームは、粉体を溶融または焼結して凝固層を形成する。層の選択的凝固の後、粉体ベッドが、新しく凝固された層の厚さだけ低くされ、必要に応じて、粉体の別の層が表面にわたって拡散され、凝固される。

【0004】

工作物を正確に形成するために、スキャナを較正しなければならない。

【0005】

多数の正方形セルがその上に印刷されたマイラシートをターゲット表面上に配置し、レーザビームで各セルをマークすることが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。次いで、シートが、従来型デジタルスキャナでの走査によってデジタル形式に変換され、セルの重心に対するレーザマークの場所が使用され、そのセルについての補正係数が更新される。そのような較正が周期的に実施される。

【0006】

急速プロトタイピングシステムのためのレーザビームの偏向制御を較正するための方法が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。テストパターンを生成するために感光媒体が所定の位置でレーザビームに露出される。カメラでテストパターンの対応するパターン部分を生成するように、生成されたテストパターンにわたってビデオカメラが漸進的に移動する。全パターンに対するデジタル化パターン部分を構成するために評価プログラムが使用される。全パターンのピクチャ座標が、写真製版式に生成された基準パターンのデジタル化座標と比較される。レーザビームを偏向させるためのスキャナの制御のために必要とされる補正テーブルが、比較に基づいて修正される。

【0007】

急速プロトタイピングシステム内の放射デバイスの制御を較正するための方法が開示されており、較正プレートが急速プロトタイピングシステム内の定義済みの位置に配置される（例えば、特許文献３参照。）。較正プレートは、第１の領域と、第１の領域とは別の第２の領域とを有する上面を有する。第１の領域は、光学的に検出可能な基準クロスを備え、第２の領域は、放射デバイスの放射に感応する媒体を有する。位置座標データによって定義される所定の所望の位置で放射に媒体を露出することによって、クロスのテストパターンが生成される。第１の領域および第２の領域が、例えばピクセルスキャナ、ビデオカメラ、またはデジタルカメラによってデジタル化され、基準クロスとテストパターンのクロスとを比較することから、補正データが計算される。

【0008】

急速プロトタイピングシステム内で使用されるデジタル光プロジェクタの幾何学的ひずみを補正するための方法が開示されている（例えば、特許文献４参照。）。各デジタル光プロジェクタによって作成される未補償のテストパターンを閲覧するためにカメラが使用される。それぞれの未補償のテストパターンが理想的なテストパターンと比較され、パターン補正マップが生成される。

【0009】

第１のスキャナおよび第２のスキャナを備える、３次元工作物の生成生産のためのデバイスの自動較正の方法が開示されている（例えば、特許文献５参照。）。材料またはターゲットの適用される層上で、第１のテストパターンが第１のスキャナを使用して生成され、第２のテストパターンが第２のスキャナを使用して生成される。第１のテストパターンおよび第２のテストパターンは、特定の格子定数を有する特定の格子パターンまたはドットパターンでよい。第１のテストパターンおよび第２のテストパターンのイメージを取り込み、制御デバイスのメモリ内に記憶された基準パターンと、第１のテストパターンおよび第２のテストパターンとを比較するために、較正されたカメラが使用される。第１のスキャナおよび第２のスキャナは、対応するテストパターンの基準パターンからの逸脱が所望の値未満となるように較正される。較正方法は、自己相関方法またはマッチング方法を含むことができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】国際公開第９４／１５２６５号パンフレット

【特許文献2】米国特許第５８３２４１５号明細書

【特許文献3】米国特許第６４８３５９６号明細書

【特許文献4】ＥＰ第２１８６６２５号

【特許文献5】国際公開第２０１４／１８０９７１号

【特許文献6】ＧＢ特許出願第１６０４７２８．４号

【特許文献7】国際公開第２０１０／００７３９６号パンフレット

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

マルチビームアディティブ製造装置のスキャナを自動的に較正する方法を提供することが望ましい。構築中に生じることがある熱ドリフトについてスキャナを較正するための方法を提供することが望ましい。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明の第１の態様によれば、複数のスキャナを備えるアディティブ製造装置の属性を決定するための方法が提供され、複数のスキャナの少なくとも第１のスキャナは、材料が層内に固化される作業面に、対応する放射ビームを誘導するためのビーム操向オプティクスを備え、方法は、１対のスキャナを制御することであって、それによって、対のうちの第１のスキャナが作業面内に特徴を形成するように放射ビームを誘導し、特徴は、対のうちの第２のスキャナの検出器の視野内にあり、検出器は、第２のスキャナのビーム操向オプティクスによって補正される作業面から来る放射を検出するためのものである、制御することと、視野について第２のスキャナの検出器で少なくとも１つの検出器値を記録することと、および検出器値と、特徴を形成するときの、対のうちの第１のスキャナの操向オプティクスの位置決めから決定される予想検出器値との比較からアディティブ製造装置の属性を決定することと、を含む。

【0013】

特徴は、レーザスポットなどの放射プロファイル、または作業面内の放射ビームによって形成された溶融プールでよい。特徴は、作業面内の表面の材料を切除することによって、または放射ビームを使用して作業面で材料を固化することによって形成された特徴でよい。特徴は、第１のスキャナによって誘導された放射ビームを使用して、視野内の作業面内の表面上で形成された基準パターンでよい。放射ビームは、第１のスキャナによって作業面内の表面上に誘導された構造光でよい。

【0014】

本発明の第２の態様によれば、複数のスキャナを備えるアディティブ製造装置の属性を決定するための方法が提供され、少なくとも１つのスキャナは、材料が層内に個化される作業面に、対応する放射ビームを誘導するためのものであり、各スキャナは、操向オプティクスと、操向オプティクスによって補正される作業面から来る放射を検出するための検出器とを備え、方法は、１対のスキャナの第１のスキャナおよび第２のスキャナの操向オプティクスを制御することであって、それによって、第１のスキャナの検出器と第２のスキャナの検出器についての作業面の視野が少なくとも重畳し、好ましくは見かけ上範囲が一致するようにする、制御することと、対応する視野について第１のスキャナおよび第２のスキャナのそれぞれの検出器で少なくとも１つの検出器値を記録することと、および第１のスキャナおよび第２のスキャナによって記録される検出器値の比較から、アディティブ製造装置の属性を決定することと、を含む。

【0015】

第２の態様の方法は、放射ビームが複数のスキャナのうちの１つによって視野内の作業面内の材料上に誘導されるとき、検出器値を記録すること、および／または視野内の作業面内に配置された、基準パターンなどの特徴によって生成された検出器値を記録することを含むことができる。

【0016】

放射ビームのうちの１つを使用して、作業面内の表面上に特徴を形成することができる。材料を切除することによって、および／または作業面内で材料を固化することによって特徴を形成することができる。構造光パターンなどの検出可能な放射の、作業面内の材料に対する投射によって特徴を形成することができる。検出可能な放射の投射は、第１の向きの第１の波長の第１の構造光パターンと、第２の異なる方向に向く、第２の異なる波長の第２の構造光パターンとを含むことができる。第１のスキャナおよび第２のスキャナは、光の第１の波長と第２の波長の両方を検出することのできる検出器を備えることができる。

【0017】

方法は、基準パターンが視野内の作業面内に配置されるように、基準パターンを含む基準アーティファクトをアディティブ製造装置内に配置することを含むことができる。

【0018】

このようにして、対の２つのスキャナからのデータを相互参照することによって、アディティブ製造装置の属性を決定することができる。例えば、データを相互参照して、スキャナの一方を他方のスキャナに対して較正することができる。属性は、放射ビームのスポット、放射ビームによって形成された特徴、および／または公称値からの検出器値から決定した作業面内の視野の、測定された位置またはサイズの違いなどのスキャナの属性でよい。あるいは、例えば三角測量を使用してデータを相互参照して、視野内の凝固された材料または未凝固の材料の高さ／位置などの、作業面内の材料／表面の属性、構築基体／構築プラットフォームの位置、またはアディティブ製造プロセスを使用して構築すべきプリフォームされた部品の位置を決定することができる。

【0019】

方法は、公称値からの属性の違いを補正するようにアディティブ製造装置を調節することを含むことができる。例えば、公称値からの属性の違いに基づいて、対のスキャナのうちの１つの操向オプティクスの少なくとも１つの位置を補正するための補正値、関数、またはマップを決定することができる。補正値、関数、またはマップは、公称位置に対する、検出器値から導出された、放射ビームの作業面内の測定された位置、または放射ビームによって生成された特徴に基づくことができる。補正値、関数、またはマップは、公称位置と比較した、検出器値から導出された、視野の測定された相対位置に基づくことができる。

【0020】

アディティブ製造装置は３つ以上のスキャナを備えることができ、方法は、３つ以上のスキャナのうちの複数の対について方法を実施して、３つ以上のスキャナが共通の基準フレームに位置合せされるように各対のスキャナのうちの１つについての補正値、関数、またはマップを生成することを含む。

【0021】

方法は、複数のスキャナのうちの第１のスキャナの操向オプティクスを較正して第１の較正済みスキャナを提供すること、（前述の方法で）複数のスキャナのうちの他のスキャナのうちの１つまたは複数についての補正値、関数、またはマップを生成し、１つまたは複数のスキャナの操向オプティクスの位置決めを第１の較正済みスキャナと位置合せすることを含むことができる。異なる方法を使用して、例えば、参照により本明細書に組み込まれる未公開の特許文献６に記載の方法を使用して、第１の較正済みスキャナを較正することができる。

【0022】

検出器は、１次元、または好ましくは２次元の視野にわたる放射の強度の変動を測定することのできる位置感応デバイス（ＰＳＤ）を備えることができる。ＰＳＤは、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）や相補型金属酸化物半導体デバイス（ＣＭＯＳ）などの、放射に感応する等方性センサまたはディスクリート素子の２次元アレイを備えることができる。比較は、第２のスキャナのＰＳＤにわたる放射強度と、第１のスキャナのＰＳＤにわたる予想位置または放射強度との比較を含むことができる。

【0023】

方法は、作業面内の材料にわたって対のうちの第１のスキャナで放射ビームを誘導して溶融プールを形成すること、第２のスキャナのＰＳＤに関する検出器値から、第２のスキャナの視野内の溶融プールの位置を決定すること、および視野内の溶融プールの位置に基づいて、第１のスキャナまたは第２のスキャナについての補正値、関数、またはマップを生成することを含むことができる。溶融プールは、周囲の未溶融材料と容易に区別することのできる特有の特徴を提供し、放射ビームの光の波長とは異なる波長の放射を放射する。したがって、フィルタを使用して、放射ビームの後方反射光が検出器に入射しないように、溶融プールから放射された放射を後方反射光から分離することができる。スキャナの補正の基となる特徴としての溶融プールの使用は、構築中のスキャナの補正を可能にし、例えば、スキャナの温度が変化するときの熱効果による、スキャナによって誘導される放射ビームの位置のドリフティングを補正することができる。構築の開始時に、スキャナは、比較的冷たいことがあるが、高出力レーザビームなどの放射ビームがそこを通過して作業面内の材料を溶融する際に加熱することがある。

【0024】

方法は、第２のスキャナのＰＳＤに関する検出器値から、第２のスキャナの視野内の特徴の位置を決定すること、および視野内の特徴の位置に基づいて、第１のスキャナまたは第２のスキャナについての補正値、関数、またはマップを生成することを含むことができる。

【0025】

基準パターンは、第２のスキャナの検出器で基準パターンのイメージを取り込む、少なくとも１つの周期的特徴を含むことができ、方法は、イメージから、基準パターンの測定された周期的特性を決定すること、および測定された周期的特性と基準周期的特性との比較に基づいて、第１のスキャナまたは第２のスキャナの制御のための補正値、関数、またはマップを決定することを含む。対のうちの他のスキャナの検出器によって取り込まれた基準パターンまたは基準パターンのイメージを形成するとき、対のうちの他のスキャナを駆動するために使用される命令から、基準周期的特性を決定することができる。

【0026】

基準パターンの周期的特性に基づく補正によって、より正確な補正データを決定することができる。具体的には、周期的特性が、検出器に関する幾何学的特徴のうちの単一の特徴の解像度に依存するのではなく、複数の幾何学的特徴から決定された情報（例えば、幾何学的特徴のうちの複数の特徴にわたって平均された情報）に基づくので、幾何学的特徴または溶融プールの位置よりも高い精度で周期的特性を決定することができる。

【0027】

周期的特性は、基準位相または対のうちの他のスキャナの検出器から測定された位相に対する、基準パターンの測定された位相ずれでよい。基準パターンの位相は、基準パターンを形成するときの放射ビームの位置の誤差、および／または視野を位置決めする際の誤差を示すことができ、補正値、関数、またはマップを位相ずれから決定し、第１のスキャナまたは第２のスキャナの操向オプティクスの位置決めを補正することができる。

【0028】

イメージのフーリエ解析を通じて位相ずれを決定することができる。基準周波数での基準パターンのイメージの離散フーリエ変換を実施し、基準位相から得られる周波数成分の位相ずれを決定することによって、位相ずれを決定することができる。基準パターンに対する視野の複数の異なる位置のそれぞれについて、位相ずれについての値を決定することができる。

【0029】

基準パターンは、第１の方向に反復される第１の幾何学的特徴を含む第１のパターンと、第１の方向と垂直な第２の方向に反復される第２の幾何学的特徴を含む第２のパターンとを含むことができる。第１の幾何学的特徴と第２の幾何学的特徴とは同一でよく（しかし、対応する第１の方向および第２の方向に回転される）、または異なるものでよい。第１の方向および第２の方向のそれぞれは、スキャナの異なる操向オプティクスによって放射ビームが移動される空間方向に対応することができる。各パターンの幾何学的特徴の間の重複なしに、第１のパターンおよび第２のパターンを散在させることができる。

【0030】

基準パターンは一連の平行線を含むことができる。基準パターンは、第１の方向に反復する平行線の少なくとも１つの第１のセットと、第２の方向に反復する平行線の少なくとも１つの第２のセットとを含むことができる。平行線の第１のセットは、第１の方向と第２の方向の両方に作業面にわたって第２のセットの平行線と交互となることができる。

【0031】

本発明の第３の態様によれば、アディティブ製造装置を制御するためのコントローラが提供され、コントローラは、本発明の第１の態様または第２の態様の方法を実施するように配置される。

【0032】

本発明の第４の態様によれば、作業面内で材料を固化するように放射ビームをそれぞれ誘導する複数のスキャナと、本発明の第３の態様によるコントローラとを備える、層ごとに工作物を構築するためのアディティブ製造装置が提供される。

【0033】

本発明の第５の態様によれば、命令をその上に有するデータキャリアが提供され、命令は、アディティブ製造装置を制御するためのコントローラによって実行されるとき、本発明の第１の態様または第２の態様の方法をコントローラに実施させる。

【0034】

データキャリアは、非一時的データキャリア、例えばフロッピィディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ ＲＯＭ／ＲＡＭ（−Ｒ／−ＲＷおよび＋Ｒ／＋ＲＷを含む）、ＨＤ ＤＶＤ、Ｂｌｕ−ｒａｙ（商標）ディスク、メモリ（メモリスティック（商標）、ＳＤカード、コンパクトフラッシュカードなど）、ディスクドライブ（ハードディスクドライブなど）、テープ、任意の磁気／光ストレージ、またはワイヤもしくは光ファイバ上の信号、または無線信号などの一時的データキャリア、例えばワイヤードまたは無線ネットワークを介して送られる信号（インターネットダウンロード、ＦＴＰ転送など）などの、機械に命令を提供するための適切な媒体でよい。

【0035】

本発明の第６の態様によれば、複数のスキャナを備えるアディティブ製造装置の属性を決定するための方法が提供され、複数のスキャナの各スキャナは、作業面にエネルギー源を誘導して、その上に材料を固化するための位置決め要素を備え、方法は、１対のスキャナの位置決め要素を制御することであって、それによって、対のうちの第１のスキャナが、対応するエネルギー源を、対のうちの第２のスキャナの検出器の視野内の作業面上に誘導し、検出器は、作業面から来る放射を検出するためのものであり、エネルギー源を配置するために使用される第２のスキャナの位置決め要素を使用して、作業面に対して位置決めされるように配置される、制御することと、視野について第２のスキャナの検出器で少なくとも１つの検出器値を記録することと、および検出器値と、対のうちの第１のスキャナによるエネルギー源の位置決めから決定される予想検出器値との比較からアディティブ製造装置の属性を決定することと、を含む。

【0036】

エネルギー源はプラズマアークでよく、スキャナは、ワイヤアークアディティブ製造装置の堆積ヘッドでよい。位置決め要素は、作業面に対して堆積ヘッドを位置決めするためのロボットまたはガントリーシステムを備えることができる。

【0037】

本発明の第７の態様によれば、アディティブ製造装置を制御するためのコントローラが提供され、コントローラは、本発明の第６の態様の方法を実施するように配置される。

【0038】

本発明の第８の態様によれば、作業面上に材料を固化するためにエネルギー源をそれぞれが誘導するための複数のスキャナと、本発明の第７の態様によるコントローラとを備える、層ごとに工作物を構築するためのアディティブ製造装置が提供される。

【0039】

本発明の第９の態様によれば、命令をその上に有するデータキャリアが提供され、命令は、アディティブ製造装置を制御するためのコントローラによって実行されるとき、本発明の第６の態様の方法をコントローラに実施させる。

【図面の簡単な説明】

【0040】

【図1】本発明の一実施形態によるアディティブ製造装置を示す図である。

【図2】図１に示されるアディティブ製造装置の平面図である。

【図3】本発明によるアディティブ製造装置の１対のスキャナに関するデータを取り込むための実施形態を示す図である。

【図4】スキャナの操向オプティクスを較正するための、本発明の一実施形態による基準パターンである。

【図5】本発明の別の実施形態による基準パターンである。

【発明を実施するための形態】

【0041】

図１および２を参照すると、本発明の一実施形態によるアディティブ製造装置が、構築体積１１７を画定するパーティション１１５、１１６をその中に有する構築室１０１を備える。構築プラットフォーム１０２は構築体積１１７内で下降可能である。工作物が粉体の選択的レーザ溶融によって構築されるとき、構築プラットフォーム１０２は、粉体ベッド１０４および工作物１０３を支持する。工作物１０３の連続する層が形成されるにつれて、プラットフォーム１０２は、構築体積１１７内でモータの制御下で下げられる。

【0042】

配量装置１０８およびワイパ１０９によって工作物１０３が構築されるにつれて、粉体１０４の層が形成される。例えば、配量装置１０８は、特許文献７に記載されている装置でよい。配量装置１０８は、パーティション１１５によって画定される上面１１５ａ上に粉体を配量し、ワイパ１０９によって粉体ベッドにわたって拡散される。ワイパ１０９の下縁部の位置が、粉体が固化される作業面１１０を画定する。

【0043】

複数のレーザモジュール１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、および１０５ｄが、粉体１０４を溶融させるためのレーザビーム１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃ、１１８ｄを生成し、レーザビーム１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃ、１８８ｄは、対応する光モジュール１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄによって必要とされる通りに誘導される。レーザビーム１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃ、１１８ｄは、共通レーザウィンドウ１０７を通じて進入する。各光モジュールは、作業面にわたって垂直方向にレーザビーム１１８を操向するための、ガルバノメータ上に取り付けられた２つのミラーなどの操向オプティクス１２１と、レーザビーム１１８の焦点を変更するための、２つの可動レンズなどの集束オプティクス１２０とを備える。スキャナは、レーザビーム１１８が作業面にわたって移動するとき、レーザビーム１１８の焦点位置が同一平面内にとどまるように制御される。動的集束素子を使用してレーザビームの焦点位置を平面内に維持するのではなく、ｆシータレンズを使用することができる。

【0044】

各光モジュール１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄは、レーザビーム１１８を反射し、粉体ベッド１０４の作業面から来る放射の波長を透過するビームスプリッタ１２２を備える。レーザビームの波長とは異なる波長を透過するようにビームスプリッタ１２２を構成することができる。ビームスプリッタ１２２を通過する放射は、光検出器素子の２次元アレイの形の検出器１２３によって撮像される。光学系は、放射が検出器１２３に入射する前に、注目していない波長を除去する別のフィルタを備えることができる。例えば、可視光だけが、注目の対象、またはベッド１０４／溶融プールからの熱放射から生じる赤外線スペクトル内の光であり得る。

【0045】

粉体ベッド１０４の作業面１１０を照射するための適切な照明（図示せず）を設けることができる。

【0046】

プロセッサ１６１およびメモリ１６２を備えるコントローラ１４０が、アディティブ製造装置のモジュール、すなわちレーザモジュール１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄ、光モジュール１０６ａ、１０６ｂ、１６ｃ、１０６ｄ、構築プラットフォーム１０２、配量装置１０８、ワイパ１０９、および検出器１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃ、１２３ｄと通信する。コントローラ１４０は、以下で説明するように、メモリ１６２内に記憶されたソフトウェアに基づいてこれらのモジュールを制御する。

【0047】

図３および４を参照すると、周知の方法、または、例えば、参照により本明細書に組み込まれる特許文献６に記載の方法を使用して、光モジュール１０６のうちの第１のものを較正することができる。次いで、残りの複数の光モジュール１０６の較正が、既に較正されている光モジュール１０６に対する比較を通じて実施される。図３は、これを行なうことのできる４つの方式を示す。

【0048】

第１の方法では、光モジュール１０６のうちの較正済みのものが、対応するレーザビーム１１８を作業面１１０上の定義済みのｘ、ｙ位置に誘導し、溶融プール２０３を形成する。未較正の光モジュール１０６のうちの少なくとも１つ、恐らくはすべてが、同一の位置に誘導される。このようにして、溶融プール２０２は、未較正のモジュールの検出器１２３または各検出器１２３の視野２０１内にある。較正済み光モジュールおよび未較正の光モジュールが、見かけ上は同一の位置に誘導されるので、光モジュール１０６が位置合せされた場合、溶融プール２０２は視野の中心に現れるはずである。しかしながら、光モジュール１０６の間の位置合せ不良がある場合、溶融プール２０２は、中心から外れて現れることがある。

【0049】

溶融プール２０２のイメージが、未較正の光モジュール１０６またはそれぞれの未較正の光モジュール１０６の検出器１２３上で取り込まれ、代表的信号がコントローラ１４０に送られる。コントローラ１４０は、検出器１２３の２次元アレイ上の溶融プール２０２の中心の場所を決定し、較正済み光モジュール１０６と未較正の光モジュール１０６との位置合せ不良を補正するための補正値を決定する。このプロセスを作業面１１０にわたる複数の場所について反復して、補正マップを構築し、または作業面１１０上のレーザビーム１１８の異なる位置についての操向オプティクス１２１の位置の補正を決定することのできる補正関数を決定することができる。構築前および／または構築中にプロセスを実施することができる。具体的には、光モジュール１０６の相対的位置精度が、光モジュール１０６の加熱（恐らくは示差加熱）のために構築中にドリフトすることがある。構築中に行われる調節は、構築中のこの熱ドリフトを補正することができる。

【0050】

別の実施形態では、較正済み光モジュール１０６が使用され、例えば作業面内の基体の表面を切除することによって、または粉体を固化することによって基体を構築することによって、作業面１１０上の特徴が形成される。この実施形態では、特徴は、等間隔に配置された平行線の複数の正方形を含む基準パターン２０５を含み、正方形のうちのいくつかは、ｘ方向に間隔を置いて配置された線を有し、正方形のうちの他のものは、ｙ方向に間隔を置いて配置された線を有する。視野２０４が基準パターン２０４を包含し、見かけ上は基準パターン２０５の中心に置かれるように、未較正の光モジュール１０６が配置される。未較正の光モジュール１０６の検出器１２３上に記録される基準パターン２０５のイメージが使用され、公称位置に対する視野の実際の位置が決定される。未較正の光モジュール１０６についての補正値が、実際の位置と公称位置との間の差に基づいて決定され、前と同様に、作業面１１０上の複数の位置について決定された補正値に基づいて、補正マップまたは補正関数を決定することができる。

【0051】

基準パターン２０５内の平行線の既知の基準周波数で基準パターン２０５のイメージの離散フーリエ変換（ＤＦＴ）を実施することによって、視野内の基準パターンの位置を決定することができる。この実施形態では、検出器１２３上に記録された基準パターンのイメージに、検出器１２３からのイメージの中心点に中心が置かれる、デジタルに生成された正弦表現および余弦表現を掛けることによってＤＦＴが実施される。平行線の各領域について、イメージ内の基準パターンの位相が決定される。ｘ方向に繰り返される特徴を有するパターンを有する領域について、ｘ方向の位相ずれが決定され、ｙ方向に繰り返される特徴を有するパターンを有する領域について、ｙ方向の位相ずれが決定される。

【0052】

位相ずれは、イメージに正弦表現および余弦表現を掛けることによって得られる２つの値の商のａｒｃｔａｎから決定される。

【0053】

ｘおよびｙの位相ずれは、未較正の光モジュールを較正済み光モジュールと位置合せするための補正値を与える。

【0054】

図５は、ｘとｙの両方の、相互接続された周期的特徴を含む代替基準パターンを示す。

【0055】

別の実施形態では、その上に基準パターンを有する基準アーティファクト２０７がアディティブ製造装置内に配置され、作業面１１０内に基準パターンが配置される。基準パターンは、等間隔に配置された平行線の複数の領域、この実施形態では正方形２０８ａ、２０８ｂを含み、正方形２０８ａのうちのいくつかは、ｘ方向に間隔を置いて配置される線を有し、正方形２０８ｂのうちの他のものは、ｙ方向に間隔を置いて配置される線を有する。較正済み光モジュール１０６および未較正の光モジュール１０６が、基準パターンを含む、作業面１１０上の見かけ上は同一の場所に駆動される。そうする際に、２つの光モジュール１０６の視野２０８、２０９が重畳する。光モジュールの検出器１２３によって取り込まれる基準パターンのイメージが比較され、未較正の光モジュール１０６を較正済み光モジュール１０６と位置合せするために補正値が決定される。（例えば、前述と同様に計算された）２つのイメージ間の基準パターンの位相ずれを計算することによって補正値を決定することができ、補正は、計算された位相ずれに基づく。

【0056】

さらに別の実施形態では、基準パターン２１３などの特徴が、光モジュール１０６のうちの別のもの、または構造光パターンを作業面１１０上に投射するためのデバイス１２４などの別のデバイスを使用して、作業面１１０上に形成される。視野２１１、２１２が特徴／基準パターンを含むように、較正済み光モジュールおよび未較正の光モジュール１０６は、作業面１１０上の見かけ上は同一の場所に移動するように前と同様に制御され、検出器１２３によって取り込まれたイメージが比較されて、未較正の光モジュール１２３についての補正値がそれから決定されるところの２つのイメージ間の基準パターン２１３の位相ずれが決定される。

【0057】

まず第１の基準パターン２１３を、視野２１１、２１２内の作業レーン１１０上に投射することができ、第１の基準パターン２１３は、第１の方向ｘに反復される特徴を有し、次いで、第２の基準パターンを視野２１１、２１２内の作業レーン１１０上に投射することができ、第２の基準パターン２１３は、第１の方向と垂直な第２の方向ｙに反復する特徴を有する。

【0058】

あるいは、第１の基準パターンおよび第２の基準パターンを視野２１１、２１２内に並べて投射することができる。さらに別の実施形態では、光モジュール１０６の検出器１２３は、複数の波長を検出することができ、第１の基準パターンおよび第２の基準パターンが、光の異なる波長を使用して、視野２１１、２１２内の作業面１１０上の同一の（または少なくとも重畳する）位置上に投射される。このようにして、同時に複数の軸で、視野２１１、２１１の位置決めに関する情報を取り込むことが可能である。

【0059】

別の実施形態では、基準アーティファクトなどの特徴は、アディティブ製造装置の永続的な特徴でよい。

【0060】

構造光が別々のデバイス１２４によって投射されるのではなく、光モジュール自体が作業面１１０内の構造光パターンを生成することができるように、光モジュール１０６のうちの少なくとも１つの中に光学素子を設けることができる。材料を固化するために使用されるレーザビーム１１８を使用して、構造光パターンを形成することができ、または光モジュール１０６内に別々の光源を設けることができる。

【0061】

光モジュール１０６ａ、１６０ｂ、１０６ｃ、１０６ｄが較正された後に、光モジュールを使用して、三角測量を通じて作業面１１０上の特徴の位置を決定することができる。例えば、構築プラットフォーム１０２上に配置された構築プレートまたは構築プラットフォーム１０２の位置を、作業面にわたって複数の場所で測定することができ、測定された位置に基づいて、構築プレート／構築プラットフォームの高さを合わせることができる。光モジュールを使用して、アディティブ製造装置を使用して構築すべき１つまたは複数のプリフォームされた部品の位置を測定することができ、位置を、測定値に基づいて所望の向きに調節することができる。較正済み光モジュール１０６を使用して、粉体ベッドの高さを測定することができる。

【0062】

本明細書で定義される本発明の範囲から逸脱することなく、前述の実施形態に対する修正および変更を行なうことができることを理解されよう。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】