特表 2021-525898 レーザビームの位置を検出するための装置および方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】特表2021-525898(P2021-525898A)

(43)【公表日】2021年9月27日

(54)【発明の名称】レーザビームの位置を検出するための装置および方法

(51)【国際特許分類】

   G01J 1/02 20060101AFI20210830BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20210830BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20210830BHJP

   B23K 26/34 20140101ALI20210830BHJP

   B29C 64/268 20170101ALI20210830BHJP

   B29C 64/20 20170101ALI20210830BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20210830BHJP

【ＦＩ】

   G01J1/02 L

   B23K26/00 M

   B23K26/21 Z

   B23K26/34

   B29C64/268

   B29C64/20

   B33Y30/00

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2021-517534(P2021-517534)

(86)(22)【出願日】2019年5月23日

(85)【翻訳文提出日】2021年1月18日

(86)【国際出願番号】FR2019051183

(87)【国際公開番号】WO2019229335

(87)【国際公開日】20191205

(31)【優先権主張番号】1854501

(32)【優先日】2018年5月28日

(33)【優先権主張国】FR

(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JO,JP,KE,KG,KH,KN,KP,KR,KW,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT

(71)【出願人】

【識別番号】520467028

【氏名又は名称】ビーム

(71)【出願人】

【識別番号】520467039

【氏名又は名称】イペラ レーザー

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100095898

【弁理士】

【氏名又は名称】松下 満

(74)【代理人】

【識別番号】100098475

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 伊知郎

(74)【代理人】

【識別番号】100130937

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 泰史

(72)【発明者】

【氏名】フレチャード ジョナサン

(72)【発明者】

【氏名】シェール フランソワ

(72)【発明者】

【氏名】ボワシェリール フェリックス

(72)【発明者】

【氏名】ボワシェリール ディディエ

(72)【発明者】

【氏名】ベルナール エリック

【テーマコード（参考）】

2G065

4E168

4F213

【Ｆターム（参考）】

2G065AA18

2G065AB09

2G065BA09

2G065BA32

2G065BB11

2G065BB22

2G065BB23

2G065BB24

2G065BB48

2G065BB49

2G065BC04

2G065CA16

2G065DA20

4E168BA35

4E168BA81

4E168CA13

4F213AP20

4F213AQ01

4F213WA25

4F213WL12

4F213WL67

4F213WL85

(57)【要約】

本発明は、所定の径を備え、付加製造機によって放出されるレーザビーム（１５）の位置を検出するための装置（１００）であって、前記検出装置（１００）は、前記レーザビーム（１５）の走査帯域（１０８）を含む上側部分（１０２）を含み、前記走査帯域（１０８）は、該走査帯域（１０８）の中央に、前記レーザビームの径に本質的に等しい径、および、所定の位置を備える円形の穴（１１１）を含み、前記検出装置（１００）は、下側部分（１０３）を含み、前記下側部分（１０３）は、前記レーザビーム（１５）から伝達されるエネルギーの一部を捕獲するための少なくとも１つのセンサ（１１４）を含み、前記センサ（１１４）は、前記レーザビーム（１５）が複数の位置にしたがって前記走査帯域（１０８）を走査するときに、各位置に対する前記レーザビームによって伝達されるエネルギーの一部を捕獲し、前記伝達されるエネルギーの前記一部は、前記レーザビーム（１５）が前記円形の穴（１１１）と整合するときに最大である、検出装置に関する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の径を備え、付加製造機によって放出されるレーザビーム（１５）の位置を検出するための装置（１００）であって、前記検出装置（１００）は、前記レーザビーム（１５）の走査帯域（１０８）を含む上側部分（１０２）を含み、前記走査帯域（１０８）は、該走査帯域（１０８）の中央に、前記レーザビームの径に本質的に等しい径、および、所定の位置を備える円形の穴（１１１）を含み、
前記検出装置（１００）は、下側部分（１０３）を含み、前記下側部分（１０３）は、前記レーザビーム（１５）から伝達されるエネルギーの一部を捕獲するための少なくとも１つのセンサ（１１４）を含み、
前記センサ（１１４）は、前記レーザビーム（１５）が複数の位置にしたがって前記走査帯域（１０８）を走査するときに、各位置に対する前記レーザビームによって伝達されるエネルギーの一部を捕獲し、前記伝達されるエネルギーの前記一部は、前記レーザビーム（１５）が前記円形の穴（１１１）と整合するときに最大である、検出装置。

【請求項2】

前記走査帯域（１０８）は、前記上側部分（１０２）の上面（１０１）に設けられた円形の中央開口部（１０７）の下方に位置している、請求項１に記載の検出装置。

【請求項3】

前記下側部分（１０３）は、前記レーザビーム（１５）によって伝達される前記エネルギーの残りの部分を吸収するためのグラファイトマルチルプレート（５４）を含む、請求項１または２に記載の検出装置。

【請求項4】

前記センサ（１１４）は、１つのフォトダイオードを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の検出装置。

【請求項5】

前記センサ（１１４）は、３つのフォトダイオードを含む、請求項４に記載の検出装置。

【請求項6】

前記上側部分（１０２）は、第１の要素（１０４）および第２の要素（１０６）を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の検出装置。

【請求項7】

前記第１の要素（１０４）は、ベント（１１０）を含む、請求項６に記載の検出装置。

【請求項8】

前記第２の要素（１０６）は、前記円形の穴（１１１）を含む、請求項６または７に記載の検出装置。

【請求項9】

前記第１の要素（１０４）および前記第２の要素（１０６）は、前記第１の要素（１０４）と前記第２の要素（１０６）の間での前記レーザビーム（１５）の反射が、前記レーザビームのエネルギーを消散させるべく不定であるように構成されている、請求項６〜８のいずれか１項に記載の検出装置。

【請求項10】

付加製造機のレーザによって放出されるレーザビーム（１５）の位置を検出するための方法であって、該方法は、
−所定の径を備えるレーザビームを放出するステップと、
−前記レーザビームの径に本質的に等しい径、および、所定の位置を備える円形の穴（１１１）を含む所定の走査帯域（１０８）全体に亘って前記レーザビーム（１１５）を走査するステップと、を含み、前記走査は、複数の位置を含み、
−前記走査中前記レーザビーム（１１５）の各位置に対する前記レーザビーム（１１５）によって伝達されるエネルギーの一部を検出するステップと、
−前記走査中前記レーザビーム（１１５）の各位置に対して検出されるエネルギーの量に対応する電気信号を発するステップと、
最大の電気信号値を決定するステップと、
前記最大の電気信号値に対する製造ヘッドの位置に対応する時刻ｔを探し求めるステップと、
前記レーザビーム（１５）の位置を決定するステップと、を含む方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、付加製造の分野に関し、さらに詳しくは、レーザビームの位置を検出するための装置および方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来技術
今日、付加製造は、産業生産技術として考えられている。これに関して、付加製造は、多くを要求する分野に属する、宇宙または医学部門のような多くの産業分野で使用されている。かくして、最終顧客のために大変高品質の部品を生産することが必要である。その結果、製造方法のいかなる変遷も、急速に認識されなければならない。加えて、最終顧客は、製造方法の追跡可能性を確保することを可能にする部品の製造履歴にしばしば関心を有する。

【0003】

従来技術では、集中されたエネルギーの下で材料を堆積させるための方法は、固い基板上に溶融状態の金属粉末を堆積させる原理に基づいている。

【0004】

実際、初期の原理は、典型的には４５〜９０μｍのオーダーの所定の粒径を有する固体形態の金属粉末を送るためのツールを使用することにある。レーザビームを横断するときに、粉末は、加熱されて、溶け、層を形成するために、直ちに溶融状態で基板に達する。ツールは移動され、かくして、基板上で金属ビーズを形成することが可能である。次に、層は、体積部品を形成するように積み重ねられる。金属粉末は、この方法によって付加製造を使用して実行されるすべての構築の基礎であり、その結果、粉末ジェット、および、そのシェーピングを可能にするツール、すなわち、ノズルの適正な管理は、不可欠である。

【0005】

大変微細な粒径の粉末が、輸送ガス（キャリヤガスと呼ばれる）、および、金属粉末の粒子で構成されるジェットの形態で送られる。このジェットは、粉末をレーザビームまで運ぶことを可能にする。ガスの流量はリットル／秒で表現され、粉末の流量はグラム／秒で表現される。

【0006】

粉末ジェットは、粉末分配器から到来し、管内で、レーザビームになるべく近い堆積ツールまで移動し、レーザビーム中に射出される。金属粉末は、ノズルから数ミリメートル離れた基板上に堆積される。ノズルは、金属粉末が最良な仕方でレーザビームに到達するように、キャリヤガスを含む粉末ジェットを適正に管理された仕方で案内する役割を有する。ノズルは、幾つかの機械部品で構成されており、それらの機械部品のうちの同心状コーンは、粉末を案内する目的を有する。粉末ジェットの案内は、２つのコーン、すなわち、外側コーンおよび中間コーンに依存する。

【0007】

かくして、粉末は、環状円錐形状のジェットによってレーザビーム中に差し向けられる。粉末は、この円錐形ジェットの中心になければならないレーザビーム中にあたかも「焦点整合」される。

【0008】

しかしながら、レーザビームが非物質的である限り、レーザビームの位置を空間において正しく管理することは困難である。

【0009】

レーザビームの位置の検出を実行することを可能にする解決法が存在する。しかしながら、これらの解決法は、低いパワーのレーザビームに対してのみ有効である。

【0010】

上記の欠点を克服する検出装置および方法を提案することが必要であることがわかった。とりわけ、知られた位置に対してレーザビームの位置を得ることを可能にし、レーザビームの高いパワーのためにそうすることを可能にする、レーザビームの位置を検出するための装置および方法を提案する必要があることがわかった。

【発明の概要】

【0011】

第１の観点によれば、本発明の主題は、所定の径を備え、付加製造機によって放出されるレーザビームの位置を検出するための装置であって、前記検出装置は、前記レーザビームの走査帯域（１０８）を含む上側部分を含み、前記走査帯域は、該走査帯域の中央に、前記レーザビームの径に本質的に等しい径、および、所定の位置を備える円形の穴を含み、
前記検出装置は、下側部分を含み、前記下側部分は、前記レーザビームから伝達されるエネルギーの一部を捕獲するための少なくとも１つのセンサを含み、
前記センサは、前記レーザビームが複数の位置にしたがって前記走査帯域を走査するときに、各位置に対する前記レーザビームによって伝達されるエネルギーの一部を捕獲し、前記伝達されるエネルギーの前記一部は、前記レーザビームが前記円形の穴と整合するときに最大である、検出装置に関する。

【0012】

好ましい仕方では、前記走査帯域は、前記上側部分の上面に設けられた円形の中央開口部の下方に位置している。

【0013】

好ましい仕方では、前記下側部分は、前記レーザビームによって伝達される前記エネルギーの残りの部分を吸収するためのグラファイトマルチルプレートを含む。

【0014】

好ましい仕方では、前記センサは、１つのフォトダイオードを含む。

【0015】

好ましい仕方では、前記センサは、３つのフォトダイオードを含む。

【0016】

好ましい仕方では、前記上側部分は、第１の要素および第２の要素を含む。

【0017】

好ましい仕方では、前記第１の要素は、ベントを含む。

【0018】

好ましい仕方では、前記第２の要素は、前記円形の穴を含む。

【0019】

好ましい仕方では、前記第１の要素および前記第２の要素は、前記第１の要素と前記第２の要素の間での前記レーザビームの反射が、前記レーザビームのエネルギーを消散させるべく不定であるように構成されている。

【0020】

第２の観点によれば、本発明は、付加製造機のレーザによって放出されるレーザビームの位置を検出するための方法であって、該方法は、
−所定の径を備えるレーザビームを放出するステップと、
−前記レーザビームの径に本質的に等しい径、および、所定の位置を備える円形の穴を含む所定の走査帯域全体に亘って前記レーザビームを走査するステップと、を含み、前記走査は、複数の位置を含み、
−前記走査中前記レーザビームの各位置に対する前記レーザビームによって伝達されるエネルギーの一部を検出するステップと、
−前記走査中前記レーザビームの各位置に対して検出されるエネルギーの量に対応する電気信号を発するステップと、
最大の電気信号値を決定するステップと、
前記最大の電気信号値に対する製造ヘッドの位置に対応する時刻ｔを探し求めるステップと、
前記レーザビームの位置を決定するステップと、を含む方法に関する。

【0021】

本発明の目的、主題、および、特徴は、図面を参照してなされる以下の説明を読むときに明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】従来技術による堆積ノズルの分解図である。

【図2】ノズル本体がなく、キャリヤガスおよび二次的ガスがある、図１の堆積ノズルの概略断面図である。

【図3】本発明の一実施形態によるレーザビームを検出するための装置の斜視図である。

【図4】図３によるレーザビームを検出するための装置の上側部分の斜視図である。

【図5】図４によるレーザビームを検出するための装置の第１の要素を示す図１である。

【図6】図４によるレーザビームを検出するための装置の第２の要素を示す図１である。

【図7】図４によるレーザビームを検出するための装置の部分断面図である。

【図8】本発明の一実施形態によるレーザビームを検出するための装置の概略断面図である

【図9a】本発明の一実施形態による、コーンセンタリング装置の概略図である。

【図9b】堆積ノズルの下面の映像図である。

【図9c】図９ｂの映像図のダイアグラムである。

【図10a】本発明の一実施形態によるコーンセンタリング装置の斜視図である。

【図10b】図１０ａによるコーンセンタリング装置の部分断面図である。

【図11】本発明による粉末ジェット分析システムの斜視図である。

【図12】本発明の一実施形態による、計量装置がない粉末ジェット分析システムのもう１つの斜視図である。

【図13】本発明の一実施形態による、４つの部分を含む分離装置および堆積ノズルの概略斜視図である。

【図14】本発明の一実施形態による６つの部分を含む分離装置の斜視図である。

【図15】本発明の一実施形態による分離装置の断面図である。

【図16】図５の分離装置の斜視図である。

【図17】本発明の一実施形態による分離装置の断面図である。

【図18】本発明の一実施形態による開放装置の斜視図である。

【図19】本発明の一実施形態による開放装置の一部の分解図である。

【図20】本発明の一実施形態による弁と開放装置の間の相互作用の部分断面図である。

【図21】本発明の一実施形態による漏斗の斜視図である。

【図22】本発明の一実施形態による吸引装置の斜視図である。

【図23】図２３ａ、図２３ｂ、および、図２３ｃは、本発明の一実施形態による、２つの部分を含み、ぞれぞれ、３つの異なる高さに位置する分離要素の正面図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

本発明は、ＤＥＤ（指向性エネルギー堆積）方法、すなわち、とりわけ、レーザビームを通して射出される金属粉末の融着による、層重合で、基板上で密部品を構築することにある付加製造方法に関する。この方法は、ノズル１０またはノズル本体１２を含む機械によって適用される。図１は、ノズル１０の分解図であり、ノズル１０は、ノズル本体１２、第１のコーンすなわち内側コーン１４、第２のコーンすなわち中間コーン１６、および、第３のコーンすなわち外側コーン１８を含む。第１のコーン１４、第２のコーン１６、および、第３のコーン１８は、銅で作られており、同心状に配置されている。

【0024】

レーザビーム１５が、レーザによって放出される。光ファイバが、レーザビームを光学ヘッド（図示せず）まで輸送することを可能にし、ノズル１０は、光学ヘッド上に固定されている。次に、レーザは、ノズルを基板（図示せず）まで横断する。

【0025】

概略的に、図２に示されているように、第１のコーン１４は、レーザビーム１５によって横断され、ノズル１０の外側からは見えない。第２のコーン１６は、ガスの流れを集中させるために粉末ジェットのシェーピングを可能にするアルゴンのような二次的ガスと呼ばれるガス１７によって横断される。第２のコーンの端は、ノズルの外側から見える。第３のコーン１８は、アルゴンのようなキャリヤガス２１によって基板上の溶融浴のレベルに粉末をもたらすことを可能にする。

【0026】

レーザビームの検出
図３は、上側部分１０２および下側部分１０３を含むレーザビーム１５を検出するための装置１００を示している。検出装置１００は、該検出装置１００に対するレーザビームの位置を精密に決定することを可能にする。

【0027】

図４に示されている上側部分１０２は、第１の要素１０４、および、金属プレート９９上に固定された第２の要素１０６を含む。第１の要素１０４および第２の要素１０６は、検出装置１００上でレーザビームを放出中に材料の過熱を回避するために銅で作られている。実際、銅材料は、丁度レーザビームのような赤色を有する。かくして、銅は、ミラーとして作動し、ほとんどエネルギーを吸収しない。その結果、銅は、他の材料と比較してほとんどヒートアップしない。

【0028】

図５に示されているように、第１の要素１０４は、所定の高さを備える円形形状を有し、上側部品１０２の上面１０１に円形中央開口部１０７を有する。第１の要素１０４はまた、ベントのノッチ１１０を含む。これらのノッチ１１０は、各々、レーザビームの軸線に対して４５°で配向されている。図５は、検出装置１００の冷却を改善するように意図された２つのノッチ１１０を示している。実際、レーザビームが、以下に説明する走査帯域または面１０８を走査するときに、ノズルはまた、二次的ガス１７のジェットを放出する。ベント１１０により、二次的ガス１７は、円錐面の間で自由に循環することができ、次いで、ベント１１０を通って逃げることができる。次いで、検出装置１００は、対流により冷却される。４５°の所定の角度は、レーザビームの反射が、検出装置１００から出ていき、前記検出装置１１０の環境を損傷することを回避することを可能にする。

【0029】

第２の要素１０６が、図６に示されており、所定の厚さの円形形状を含む。第２の要素１０６の中央には、およそ８００μｍ〜５０μｍの径の円形開口部または較正済み穴１１１によって穿孔された尖端形状面が見られる。この径は、およそレーザビームの径に対応している。較正済み穴１１０は、円形中央開口部１０７の中心に位置している。

【0030】

第２の要素１０６はまた、Ｕ字形冷却チャンネルを含み、冷却流体、例えば水のためのＵ字形冷却チャンネルの入口オリフィス６２および出口オリフィス６４は、図４および図６で見える。図４はまた、急速取付配管連結部６６を示している。

【0031】

図７の部分断面図に示されているように、第１の要素１０４および第２の要素１０６の形状は、レーザビームの反射が、矢印で図７に示されているような２つの内側円錐面の間で不定であるように適合されている。かくして、レーザビームのエネルギーは、伝播するときに、消散される。ノズル１０上での有害な反射が回避される。面１０８または走査帯域がまた、図７に示されている。

【0032】

図３に示されているように、検出装置１００はまた、下側部分１０３を含み、下側部分１０３は、各々がフォトダイオード１１４（見えない）のようなセンサを含む３つの区画室５０を含む。２つの区画室５０だけが、図３に示されている。下側部分１０３はまた、リセプタクル５２を含み、リセプタクル５２は、該リセプタクル５２の底部にグラファイトマーチルプレート５４（見えない）のような吸収要素を含む。かくして、レーザビームは、較正済み穴１１１を通過し、グラファイトマーチルプレート５４に衝突する。エネルギーの一部または残留エネルギーが、グラファイトマーチルプレート５４によって反射される。図８は、第２の要素１０６の下に位置する２つのフォトダイオード１１４を、概略ダイアグラムで、かつ断面図により示している。フォトダイオード１１４は、グラファイトマーチルプレート５４によって反射されるレーザビーム１５の残留エネルギーを捕獲し、若しくは検出し、若しくは測定することができるようにグラファイトマーチルプレート５４に向いて配置されている。各フォトダイオード１１４のモデルは、例えば、OsiオプトエレクトロニクスブランドのPIN-5DPIである。フォトダイオードは、例えば、光電池モードで使用される。フォトダイオード１１４はまた、ブロッキングモードで使用されることができる。各フォトダイオード１１４は、発生された弱い電流を増幅し、マイクロコントローラによってより容易に読み取り可能な電圧信号に変換するために、例えばトランスインピーダンス増幅搭載器により電子回路内に結合されている。

【0033】

レーザビーム１１５は、較正済み穴１１１のまわりで円形中央開口部の中心に見える走査帯域または面１０８を走査し、較正済み穴１１１自身は、面１０８の全体を走査するように、この面１０８上での例えば前後の移動を可能にする。レーザビームが、較正済み穴１１１の上方かつ中心に正確に位置決めされるときに、グラファイトマーチルプレート５４に到達するレーザビームのエネルギーは、最大になる。かくして、検出モジュールの目的は、レーザビーム１５と較正済み穴１１１が完全に整合する瞬間を探し求めることである。較正済み穴１１１の位置が知られている限り、較正済み穴１１１の位置からレーザビーム１５の位置を演繹することが可能である。グラファイトマーチルプレート５４によって放出されるレーザビーム１５の残留エネルギーは、フォトダイオード１１４によって測定される。エネルギーが最大であるときに、これは、レーザビーム１５が較正済み穴１１１と整合していることを意味している。

【0034】

レーザビームを検出するための装置１００はまた、追加の構造手段を含む。これらの追加の構造手段は、レーザビームを検出するための装置１００を正確に配置することを可能にし、較正済み穴１１１の位置を精密に知るために、例えば、図１０ａに示されているベースプレート２０８上の短いセンタリングを可能にする第１の要素１０４上のショルダを含む。

【0035】

レーザビームを検出するための装置１００はまた、検出装置１００が所定位置に維持されることを可能にするためのベースプレート２０８中のねじおよびねじ山を備えたスペーサのような固定手段を含む。レーザビームを検出するための装置１００は、レーザビームが較正済み穴１１１と整合しているときに較正済み穴１１１の正確な位置からレーザビームの位置を後に演繹すべく較正済み穴１１１の正確な位置を知るために大変精密な仕方で位置決めされなければならない。

【0036】

レーザビーム１５を検出するための装置１００の使用中、検出方法は、以下に説明するステップを含む。ノズル１０は、上側部分１０４の円形中央開口部１０７を通して見える穿孔尖端部１０８の面を覆う、およそ、例えば、２００〜３００Ｗ（ワット）、或いは、好ましくは５００〜７００Ｗ（ワット）のパワーのレーザビームを放出する。かくして、走査帯域１０８は、円形中央開口部１０７の下方に位置している。レーザビーム１１５は、いくつかの位置を占める間に面１０８を走査するように進行する。レーザビーム１５が較正済み穴の外側に位置する位置を占めるときに、レーザビーム１５のエネルギーは、図７で矢印によって見える不定な反射を通じて銅中で放散される。次いで、フォトダイオードは、ゼロ信号を提供する。レーザビームがセンタリングされていない仕方で穴の上方の位置を占めるときに、レーザビームのエネルギーは、円形穴１１１を経てグラファイトマーチルプレート５４に伝達される。フォトダイオード１１４は、残留エネルギーの量を捕獲し、次いで、非ゼロ電気信号を生成する。レーザビームが較正済み穴１１１の上方を総じて通過し、較正済み穴１１１と整合しているときには、レーザビームのエネルギーのすべてが較正済み穴１１１を通過し、グラファイトマーチルプレート５４に接触し、グラファイトマーチルプレート５４は、レーザビームのエネルギーのすべての大部分を吸収する。レーザビームの残留エネルギーは、フォトダイオード１１４によって測定され、次いで、電子回路によって濾過される。この状況で、フォトダイオードによって捕獲される残留エネルギーは、最大である。レーザビームによって占められる位置のすべてのために、ガウシアン形状を有する電気信号が生成される。較正済み穴１１１と整合するレーザビームの位置は、ガウシアンのピークに対応する。次に、機械位置のログが使用される。これは、付加製造機によって提供されるファイルであり、このファイルは、時刻ｔにおける製造ヘッドの正確な位置を知るために、レーザビームを放出する製造ヘッド、かくして、ノズルの位置を記録する。このファイルは、毎１５ｍｓ（ミリ秒）まわりの出力を発生させる。かくして、位置のログおよびフォトダイオードによって得られる信号が、焦点に対応するＸおよびＹ座標、すなわち、レーザビームを検出するための装置１００の位置に対するレーザビームの中心を得るために同期化され、或いは時間合わせされる。

【0037】

かくして、レーザビームの位置を検出するための方法は、較正済み穴１１１を含む面１０８の上方の基準フレーム（0,x,y）で規定される位置により移動されるノズルのために次のステップを含む：
−所定のパワーのレーザビームを放出し、レーザビームのエネルギーが第１の要素１０４と第２の要素１０６の間で消散されるように、面１０８を、すなわち、較正済み穴１１１のまわり、および、較正済み穴の中で走査するステップと、
−フォトダイオード１１４によって得られる信号を測定および濾過するステップと、を含み、前記信号は、較正済み穴１１１を通過し、グラファイトマーチルプレート５４によって反射されるレーザの光エネルギーの量を代表しており、
−付加製造機の堆積ノズル１０または製造ヘッドの位置データに、濾過された電気信号を一定時間スケールに亘り同期化させ、或いは時間合わせするステップと、堆積ノズル１０または製造ヘッドの基準フレームにおいて、レーザビームの焦点が較正済み穴の正確に上方にあり、かくして、較正済み穴１１１と整合している位置、すなわち、最大濾過信号値の位置を得るステップと、を含む。

【0038】

かくして、レーザビーム１５を検出するための装置１００は、およそ１〜１０００Ｗ（ワット）の範囲にあり、或いはさらに１５００Ｗを越えるレーザビームパワーのために５０μｍ（マイクロメータ）のオーダーの正確さをもってレーザビーム１５の焦点の位置を決定することを可能にする。

【0039】

コーンのセンタリングおよび状態
図９ａは、コーンセンタリング装置２００を、概略的に、かつ概略ダイアグラムにより示している。コーンセンタリング装置２００は、照明装置２０２およびカメラ２０４を含む。

【0040】

照明装置２０２は、赤色により照明する。実際、ノズルの銅コーンは、赤色を有し、この照明は、最も適している。照明装置２０２は、例えばエフィルックスブランドの、かつ例えば１００ｍｍ（ミリメータ）径の照明ドームを含み、この照明ドームは、該ドームの底面に穴を含む。

【0041】

カメラ２０４は、大変高い精細度を有し、黒および白センサを有する。かくして、カメラ２０４は、例えば、Basler ac2440-20gmブランドのものであり、例えば、2448×2048の解像度を有する。焦点距離は、例えば３５ｍｍ（ミリメータ）である。選択されるレンズは、例えばFujinon HF35HA1Bである。

【0042】

図１０ａに示されているように、コーンセンタリング装置２００はまた、カメラ２０４のための支持体２０６を含む。

【0043】

コーンセンタリング装置２００は、ポリカーボネートで作られているベースプレート２０８を含み、ベースプレート２０８の下方に、照明装置２０２およびカメラ２０４が位置している。ベースプレートは、レーザビームを検出するための装置１００、コーンセンタリング装置２００、および、以下に説明する粉末ジェット分析システムを一体化するために３つの穿孔部または３つの穴を含む。図１０ｂに示されているように、カメラ２０４は、ポリカーボネートで作られている窓５６によって、照明装置２０２の底の穴からコーンセンタリング装置２００内に導入されることがある埃および粉末ジェットから保護されている。

【0044】

コーンセンタリング装置２００の使用中、レーザビームを検出するための装置で測定されるようなレーザビームの中心は、カメラ２０４の知られた基準フレーム、例えば図９ｂに示されているようなカメラ２０４によって撮られた画像の中心と整合しなければならない。

【0045】

コーンセンタリング装置２００の作動の文脈内で実行される計算ステップのすべては、産業観察ソフトウェアによって実行される。カメラは、図９ｃに示されている同心円に対応するノズルの端に対する画像を獲得する。

【0046】

コーンセンタリング装置２００は、最初に、図９ｃに示されている外側コーン１８および中間コーン１６の異なる見える径に関連した中心を計算するステップを含む。次に、方法は、レーザビームの水平軸線ＯＸおよび鉛直軸線ＯＹに沿ったオフセット、並びに、コーンに対応し、前のステップで計算された円の異なる中心のオフセットを計算するステップを含む。

【0047】

これらのパラメータが、決定された基準値に比べて正確な値を有する場合には、方法は、以下のステップで継続する。かくして、方法は、最小二乗法によって異なる内側コーンおよび中間コーンの内側径および中間径を計算するステップを含む。レーザビームのまわりの最大許容不整合は、５０μｍ（マイクロメータ）のオーダーである。次いで、方法は、画像認識ソフトウェアによって２つの見えるコーン上の変形、障害物、材料欠損型欠陥を検出し、測定するステップを含む。

【0048】

欠陥が画像認識ソフトウェアによって検出された場合には、方法は、コーンの再整合或いは掃除、または、コーンが損傷されている場合にはコーンの完全な取り替えのようなコーンに関する必要な操作を実行するユーザーの介入により継続する。

【0049】

欠陥が検出されない場合には、方法は、測定されたデータをデータベースに保存するステップにより継続する。

【0050】

かくして、コーンセンタリング方法は、以下のステップ：
−所定の基準フレームでレーザビームを検出するためのモジュールにより測定された位置、すなわち、カメラによって撮られた画像の中心でレーザビームを配置するステップと、
−画像の獲得を発するステップと、
−コーンに関する欠陥の存在を検出し、必要ならば、コーンの取り換えのためにユーザーが介入するステップと、
−外側コーンおよび中間コーンの径を測定するステップと、
−基準値と比較し、必要ならば、コーンの取り換えのためにユーザーが介入するステップと、
−前記径に関連した中心を計算するステップと、
−レーザビーム、すなわち、カメラの中心に対するコーンの水平軸線ＯＸおよび鉛直軸線ＯＹに沿ったオフセットを計算するステップと、
−その結果に応じて、コーンの再整合のためにノズルに関し、ユーザーが介入するステップと、を含む。

【0051】

かくして、コーンセンタリング装置２００は、コーンがレーザビームのまわりで同心状であるのみならず、コーンが良好な状態にある、すなわち、丸く、清浄であることを確認することを可能にする。コーンセンタリング装置２００はまた、製造が進行するときにコーンの状態の履歴を保持することを可能にする。

【0052】

粉末ジェットの分析
図１１および図１２は、本発明による粉末ジェット分析システム３１０を示している。分析システム３１０は、分離装置３１０、開放装置３１４、計量装置またははかり３１６、および、吸引装置３４８を含む。

【0053】

本発明による分析システムは、レーザビームを検出するための装置１００およびコーンセンタリング装置２００と共に作動するのに適している。

【0054】

本発明による分析システム３１０はまた、従来技術で知られ、図２および図１３に示されているような付加製造機に一体化された堆積ノズルと共に作動するのに適している。堆積ノズル１０は、とりわけ、中間コーン１６および外側コーン１８を含む。粉末ジェット２１は、金属粉末およびキャリヤガスを含む。粉末ジェット２１は、中間コーン１６および外側コーン１８を通るジェットの形態を取る。本発明の文脈では、初期の、または、入射粉末ジェット２１は、およそ１０ｍｍのコーン出口における径、および、およそ５ｍｍのコーン出口からの焦点距離を有する。

【0055】

概略ダイアグラムにより図１３に示されているように、分離装置３１２は、シリンダを構成する円形横方向壁を備えた分離要素３２６を含む。分離要素３２６は、数センチメートルのオーダーのものである。分離要素３２６は、シリンダの中心対称軸線に対して対称な仕方で配置された１つまたはそれ以上の分離壁３３０を含む。かくして、分離壁３３０は、分離要素３２６の内側容積を、各々が同じ容積を有する複数の部分またはハニカムに分割する。図１３では、４つの分離壁３３０が、分離要素３２６の容積を、等しい容積の４つの部分に分割する。分離壁３３０の数は、例えば２〜１０の間の等しい容積の複数の部分を得るように変わり得る。等しい容積の多数の部分の存在は、粉末ジェットの均質性を最良に確認することを可能にする。分離壁の半径の長さは、分離要素の半径の長さまたは分離要素の直径の長さであることができる。

【0056】

もう１つの代替例により、図１４に示されているように、分離要素３２７は、等しい容積の６つの部分を得るために６つの分離壁を含むことができる。分離壁３３０の厚さは、粉末ジェット２１の流れをなるべく乱さず、分離ジェットの正常な分離を得るために、なるべく小さくなければならず、例えば０．１ｍｍのオーダーのものである。

【0057】

分離要素３２６、３２７は、粉末ジェットによる浸食に耐えることができるために金属で作られているのがよい。分離壁３２６は、例えば316Lステンレス鋼、または、H13型の総鋼（X40CrMoV5-1）を使用するＳＬＭ（選択的レーザ溶融）付加製造により製造されるのがよい。分離要素３２６、３２７の径は、およそ３ｃｍ（センチメートル）である。

【0058】

かくして、図１３に示されているように、分離要素３２６上に落ちる初期の粉末ジェット２１は、前記分離要素の部分を通して分割される。図１３の分割要素３２６は、分割ジェットを粉末ジェットの４つの部分に分割または分離することを可能にし、図１４の分割要素３２７は、分割ジェットを粉末ジェットの６つの部分に分割または分離することを可能にする。

【0059】

分離装置３１２は、分割ジェットの各部分中の粉末の量を検出するための手段を含む。これらの手段は、一方では、以下で説明する膨張室３３２、および、以下で説明する貯蔵室３４０を含む。

【0060】

かくして、図１５に示されているように、分離装置３１２はまた、円筒形端を有する第１のリセプタクすなわち膨張室３３２を含む。実際、第１のリセプタクル３３２は、粉末ジェット２１に含まれているキャリヤガスのための膨張室として役立つように意図されており、粉末が第２のリセプタクル３４０内に流れ込むことを可能にしながら、キャリヤガスが、矢印３３８によって示されているようにシケイン３３６を通って逃げることを可能にする。

【0061】

図１５に示されている第２のリセプタクルすなわち貯蔵室３４０は、流れ込んだ粉末を貯蔵するための貯蔵管３４２を含む。貯蔵室３４０は、図１６に示されているように以下で説明する開放装置の固定を可能にする線形端２０を有する。

【0062】

図１６は、図１５の分離装置３１２の斜視図を示している。

【0063】

分離要素３１７によって、すなわち、円形横方向壁３２８および分離壁３３０、並びに、膨張室３３２によって形成される構造は、導管を形成し、これらの導管中で、粉末ジェットの各々の部分が所定のそれぞれの導管３０中を流れる。貯蔵管３４２が、導管の端部を形成する。

【0064】

各貯蔵管３４２は、各導管を開放し、閉鎖することを可能にする弁３４４を含む。弁３４４の開放および閉鎖運動が、２方向矢印によって、概略ダイアグラムにより、図１７に示されている。各弁３４４は、戻しばね６０を含む。

【0065】

弁３４４は、開放装置３１４により作動する。

【0066】

弁開放装置３１４は、例えば図１８に示されているように、調節可能なカムによって自動化される。かくして、各弁３４４は、互いに独立に制御されることができる。カムの数は、分離要素３２７の部分の数に自分自身等しい弁の数に等しい。実際、図１９に示されているように、開放装置３１４は、スペーサによって間隔を隔てて配置され、弾性リング３２３によって閉鎖された、７角形部分を備えた軸３１７上のショルダに当接して取り付けられた６つのカム３１５を含む。軸３１７の端に位置するカム３１５は、磁石３２１を含む。軸３１７は、PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）軸受け上に取り付けられており、なるべく回転速度を減らすために２の減速比を有するプーリおよびベルトシステムを備えるモータによって駆動される。開放装置３１４は、軸３１７の端に位置するカム３１５がリードセンサの正面を通過する瞬間を検知するために横方向に位置決めされた可撓性ブレードを備え、または、リード効果を備えるセンサを含む。図２０は、弁３４４を備えた開放装置３１４の断面図を示している。図２０に示されているように、以下で説明する漏斗３４６が、弁が戻しばね３４６の作用の下で閉鎖するときに、粉末の量が漏斗３４６の外側で射出されることを回避するために、スカート３２３と関連している。スカート３２３は、分離装置の正面に向かって射出された粉末の粒を漏斗に再差し向けすることを可能にする。分離要素３２７から漏斗までの分析システムの長さは、およそ２０ｃｍ（センチメートル）である。

【0067】

本発明の実施形態によれば、分離装置は、６つの弁３４４を含む。

【0068】

図１６に示されているように、膨張室３３２および貯蔵室３４０はまた、粉末を弁３４４に案内するための導管を形成する。粉末が最小の摩擦で導管に滑り込むことを可能にするために、使用される材料は、滑らかでなければならず、静電気現象を回避するために好ましくは導電性でなければならない。かくして、膨張室３２２、貯蔵室３４０、および、弁３４４によって形成される組立体は、ステレオリソグラフィによって作られる。３Ｄプリンティング技術は、ABS（アクリロニトリルブタジエンスチレン）およびPBT（ポリブチレンテレフタレート）と同様な機械的特性を有する透明な材料、TuskXC2700Tを使用することを可能にする。実際、ABSで作られて部品は、機械的システムの作動を中断することなく機械的システムで同じ幾何学的形状のTuskXC2700Tで作られる部品によって置き換えられることができる。

【0069】

分析システム３１０はまた、図２１に示されている漏斗３４６を含む。かくして、弁３４４の開放中、粉末は、漏斗３４６に向かって逃げることができる。漏斗３４６は、以下に示すように粉末を吸引するために漏斗の出口に同軸管３４７を含む。図２０に示されているように、漏斗３４６はまた、開放装置３１４の戻しばね６０のための維持用乳頭部５８、および、維持用乳頭部５８を補剛するための補強部を含む。漏斗３４６はまた、異なる固定タブおよびねじ穴を含み、その軸線通路は、分離装置３１２および弁３４４に対する漏斗の位置決めを可能にする。

【0070】

分析システム３１０はまた、図１１に示されている計量装置またははかり３１６を含む。かくして、漏斗３４６の形状は、決定された導管中を流れた粉末の重量を決定することを可能にする。

【0071】

分析システムはまた、図１１および図２２に示されており、測定後にはかり３１６上に存在する粉末を排出することができる吸引装置３４８を含む。吸引装置３１６は、図２２に示されている１部品ベンチュリ吸引管を含み、粉末の吸引を実行するために、アルゴンが１部品ベンチュリ吸引管中に射出される。

【0072】

分析システムは、ケーシング（図示せず）のようなボックス中に組み立てられることができる。

【0073】

作動中、分析システム３１０は、従来技術による付加製造機の作業エンクロージャに配置される。分析システム３１０は、可動であるノズル１０の範囲内になければならない。さらに詳しくは、ノズル１０は、センタリングされた仕方で、分析システム３１０の上方に位置しなければならない。かくして、分析システム３１０は、分析システムの作動前に、レーザビームを検出するための装置１００およびコーンセンタリング装置２００と共に作動するのに適している。かくして、金属粉末ジェットの分析の開始前に、レーザビームは、センタリングされた仕方で、コーンもセンタリングされて、分析システムの上方に位置する。次いで、以下に説明する分析システムの作動は、コーンのセンタリングが、均質な粉末ジェットを得るために十分かどうかを決定することを可能にする。

【0074】

分析中、ノズル１０は、分析システムの上方に、かつ、概略ダイアグラムを示す図１３に示されているように、分離要素３２６の上方に位置決めされる。次いで、ノズル１０から到来する初期の粉末ジェット２１は、初期の粉末ジェットを不定の数の粉末ジェットの部分に分割する役割を有する分離要素３２６の上側部分を通して、分析システム３１０内に侵入する。初期の粉末ジェット２１は、所定の時間、注ぎ出る。

【0075】

初期の粉末ジェット２１が分割されたときに、粉末ジェットの各部分は、流れを好ましく乱れのない状態にする決定された寸法形状特性を持った特定の導管中においてその軌道を継続する。各導管において、粉末ジェットの部分は、粉末ジェット２１に含まれたガスが逃げることを可能にするために、膨張室３３２を覆う。

【0076】

次いで、粉末の量は、貯蔵室３４０に貯蔵されるために、弁３４４の機械的システムによって停止される。これらの機械的弁３４４の下方に、図１１に示されているように粉末の各部分を計量することを可能にするはかり３１６が見出される。

【0077】

はかり３１６上で計量するステップ前にシステムを初期化するために、すべての弁を、粉末ジェットの存在下で数秒間同時に開放する。次いで、すべての弁を同時に閉鎖する。次に、粉末は、調節された流量に応じて、２〜５分のオーダーの所定時間で貯蔵管を充填する。

【0078】

第１の弁３４４の開放により計量サイクルが始まり、第１の弁３４４の開放は、粉末を解放し、粉末は、計量のためにはかり３１６に達する。その値は、データベースに記録され、粉末ジェットをサンプリングするための第１の帯域に対応する導管に関係付けられる。

【0079】

今度は、第２の機械的弁３４４が開放し、第２の計量が実行される。かくして記録される値は、第１の部分と第２の部分の総和に対応する。２つの差は、第２のサンプリングに特有の値を得ることを可能にする。

【0080】

このサイクルは、粉末分離部分がある回数繰り返される。最後には、粉末の各部分が計量され、かくして、粉末ジェットの各部分中の粉末の量を比較することができる。加えて、各部分の総和は、所定時間中にサンプリングされた粉末の量の総重量を得ることを可能にする。次いで、粉末の流量が得られる。

【0081】

サイクルが終了した後に、はかり上に配置されている粉末は、吸引装置３４８によって排出される。

【0082】

図２３ａ、図２３ｂ、および、図２３ｃは、分離要素３２８に流入する粉末ジェットの流れの正面図を、概略ダイアグラムにより示しており、分離要素３２８は、もう１つの実施形態によれば、初期の粉末ジェットを２つの粉末ジェットに分離するために、２つの分離壁１０を含む。分離要素３２８は、初期の粉末ジェットの流れに対して異なる高さｚに位置しており、図２３ａでは、分離要素３２８は、粉末ジェットの２つの部分３５０、３５２の形成をもたらすノズル１０から距離ｚ１に位置する。図２３ｂでは、分離要素３２８は、粉末ジェットの２つの部分３５４、３５６の形成をもたらすノズル１０から距離ｚ２に位置する。図２３ｃでは、分離要素３２８は、粉末ジェットの２つの部分３５８、３６０の形成をもたらすノズル１０から距離ｚ３に位置する。

【0083】

かくして、本発明による分析システム３１０の技術的効果は、異なる高さに応じて粉末ジェットの特徴化を顕著に可能にすることである。

【0084】

本発明による分析システム３１０の技術的効果はまた、ノズルのコーンの正しいセンタリングを有効にするために、粉末ジェットの均質性を制御することである。均質性の測定は、各導管に流入した粉末の量を測定することによって実行される。

【0085】

最後に、分析システム３１０はまた、粉末ジェットの質量流量を決定することを可能にする。

【0086】

分析システムはまた、弁３４４を開放することを可能にするモータを制御し、異なる計量作業の計算を実行するためにはかり３１６のデータを獲得するために電子制御装置（図示せず）を含む。

【0087】

レーザビームを検出するための装置、コーンセンタリング装置、および、粉末ジェット分析システムによって形成される組立体は、かくして、付加製造機内に配置され、レーザビームを検出するプロセスを開始するためにレーザビームを検出するための装置の上方に配置することを必要とさせるだけである。次に、コーンセンタリング装置を、コーンセンタリング装置２００の中心と較正済み穴１１１の間の知られた距離により使用することができ、次いで、今度は、粉末ジェット分析システムを使用する。

【0088】

図８、図９ａ、図１３、図１７、並びに、図２３ａ、図２３ｂ、および、図２３ｃは、概略ダイアグラムを示しており、問題の本発明の可能な実施形態を示すその他の図と比較して簡単化される。

【0089】

前に記載した実施形態は、例としてのみ示されている。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9a】

【図9b】

【図9c】

【図10a】

【図10b】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23a-23c】

【国際調査報告】