JP4473124B2 - 多層ｄｍｄプロセス用の形状によらないリアルタイムの閉ループウェルドプール温度制御システム - Google Patents

Description

本発明は下の基板に複数の比較的薄い層の直接金属堆積による金属パーツの製造に関し、特定的には前の層の成形中に発生するパラメータに基づいて層を形成するのに使用する堆積のための出力を制御するシステムに関する。

層ごとのレーザクラッディングによる３次元金属部品の製造は、最初にBrainanとKearにより1978年に報告された。1982年にBrownらに発行された米国特許第4,323,756号は、ネットシェープに近い大きい急速に固化した金属物品の生産を記述し、ディスクとナイフエッジエアシールを含むある種のガスタービンエンジン部品の製造に特別の有用性を見出した。この特許によれば、供給材料の複数の薄い層が、エネルギービームを使用して堆積され、基板上に各層を溶解する。使用するエネルギー源は、レーザ又は電子ビームでも良い。この発明で用いられる供給材料は、ワイヤー又は粉末材料のどちらでも良く、供給材料は、レーザビームを通過して、基板の溶融した部分に溶解するように基板に適用される。

直接金属堆積のこれらの方法は、３次元部品の製造のため、多軸の商業的に入手可能なＣＮＣ機械を使用してもよい。米国特許第5,837,960号は、材料から特定の形状の物品を形成する方法と装置に関する。材料はレーザビームにより溶融し、ツールの経路に沿った点で堆積され、所望の形状と寸法の物品を形成する。好ましくは、堆積プロセスのツールの経路と他のパラメータは、計算機援用設計と製造技術を使用して、確立される。デジタルコンピュータからなる制御器が、ツールの経路に沿った堆積ゾーンの移動を指示し、制御信号を出して、レーザビームと粉末を堆積ゾーンに届ける堆積ヘッドがツールの経路に沿って移動する速度等の装置の機能を調整する。

しかし、殆どの現存する技術は、開ループプロセスに基づき、精密な寸法公差のパーツを実現するために、かなりの量の最終機械加工が必要である。精密な公差で許容可能な残留応力のネットシェープの機能部品を製造するためには、製造プロセス中の連続的な修正手段が必要である。これらの目的を達成する閉ループシステムが、米国特許第6,122,564号に記述されている。この特許は、レーザ援用コンピュータ制御直接金属堆積（ＤＭＤ）システムを開示し、材料の連続する層が基板に適用されて、物体を製造する、又はクラッディング層を提供する。

前に述べた方法と異なり、このＤＭＤシステムは、フィードバックモニタリングを装備し、計算機援用設計（ＣＡＤ）に従って、作成される物品の寸法と全体の外形を制御する。堆積ツールの経路は、ＣＮＣ機械加工のための計算機援用製造（ＣＡＭ）システムにより生成され、従来のＣＮＣ機械の除去のためのソフトウェアの代わりに、堆積のための処理後ソフトウェアが使用される。このようなフィードバック制御システムは、中間の機械加工を完全に無くし、最終的な機械加工を減らす。

米国特許第6,518,541号は、オンオフデューティサイクルを有するレーザと、フィードバックによりプロセスパラメータを制御する手段とを用いて、デューティサイクルを所望の範囲内に保持する直接金属堆積システムを開示する。米国特許第6,459,951号は、システムパラメータのフィードバック制御を用いて、堆積が特定の層に進行するときに一定のウェルドプールを維持するＤＭＤシステムを開示する。

これらのフィードバック制御システムは、多層製造プロセスの各層の精度を高めるが、ＤＭＤプロセスが進行するとき、基板の加熱による層から層への変化の問題を取り扱わない。

本発明は、フィードバック制御と適応システムを用いて、以前の層の形成中に検知されたパラメータに基づいて、層の形成中に使用されるレーザの出力を制御する多層堆積プロセスに向けられる。

堆積中に、レーザにより届けられるエネルギーのある割合が基板に吸収され、そのため基板の温度が上がる。繰り返される堆積により、基板温度が次第に上がり、特定の値に安定する。この点で、基板からの熱の損失は最大になり、そのためレーザエネルギーの更なる吸収が、ウェルドプールの温度とサイズを増す。ウェルドプールのサイズが大きくなると、堆積の均一性に悪影響を及ぼす。

本発明は、適応性の閉ループシステムに向けられ、ビデオ画像又はパイロメーターを使用してウェルドプールのサイズ又は温度が検知され、検知された値が数値演算プロセッサに与えられ、それが各層のための処理レーザ出力を調整する。調整アルゴリズムが、各層の特定の点で、下の層のその点と同じプールのサイズ又は温度を保持するように作動する。

本発明の好適な実施形態では、基板に重なる第１層の堆積中は、このレーザ出力フィードバック機構は用いられない。この層の熱伝導条件と従ってプールの温度は、次に堆積さえる層の値とはかなり異なるからである。第２層又は設計パラメータによってそれより上の層では、層の表面に沿って、多数の試験ポイント座標が選択される。考えられる試験ポイントの数は、堆積する面積、パーツの外形、アルゴリズムを走らせるＣＰＵの処理速度による。第２層又は他の選択した層が堆積されるとき、各試験ポイントのプールのサイズと温度が検知され、記憶される。この層の堆積中に各試験ポイントで測定したプールのサイズと温度は、引き続く堆積層の対応する試験ポイント座標における堆積パラメータのターゲット値と考えられるので、この層は「ゴールデン層」と呼んでも良い。

好適な実施形態では、ゴールデン層の堆積中、ＣＣＤカメラを使用して、異なる試験ポイントでウェルドプールの画像が捕らえられ、画像に解析により各試験ポイントのウェルドプールのサイズが求められる。次に、それぞれのプールのサイズの差に従って、各試験ポイントに記憶された値が、低、中、高ポイントとして分類される。次に、高と低ポイントの画像サイズの差を使用して、各試験ポイントの値について２次元の「範囲マトリックス(Range Matrix)」が作成される。次に、レーザ出力を変化させずに、後続の層を堆積し、試験ポイントのウェルドプールの画像が捕らえられる。この層の画像サイズマトリックスが計算され、前の層のマトリックスと比較され、「層ウェイト (Layer Weight)」(層加重)マトリックスを計算する。次に、その層の画像サイズマトリックスが、ゴールデン層の画像サイズマトリックスと比較され、差が計算される。サイズの違いを使用し、範囲マトリックスと、各試験ポイントについての層ウェイトマトリックスから選択された対応するウェイト値を用いて、層修正試験ポイントウェイトマトリックスが確立される。そのマトリックスをゴールデン層のレーザ出力に適用することにより、次の堆積層のための新しいレーザ出力値が計算される。

このプロセスの結果、層の上の特定のＸ−Ｙポイントのプールのサイズが、ゴールデン層上のそのポイントのプールのサイズを最も良く近似するように制御される。

本発明の他の目的及び特色は、以下の詳細な説明、特許請求の範囲、及び添付図面から明白になるであろう。

図１に示す本発明の好適な実施形態では、パワーレーザとガス推進金属粉末ディスペンサーからなるヘッド10を用いて、基板12のポイントにウェルドプールを作る。この装置は、米国特許第6,122,564号に開示されている先行技術に用いられる種類のものである。レーザビームに粉末を供給するのに代えてワイヤを供給しても良く、またレーザビームに代えて電子ビームを使用しても良い。以下の説明では、「レーザ」と「粉末」という言葉は、これらの代替を含むものとする。

基板12は、ＣＮＣ制御器16によりプログラムされた経路上をヘッド10に対して移動し、ウェルドプールは基板に沿った経路に従い、基板上に金属層を生じる。一対のＣＣＤカメラ18,20が、機械のワークテーブル上に支持され、２つの反対側からのウェルドプール14の画像を生じる。一方のカメラからの視野をブロックするようにウェルドプールが形成される場合、こうすることが必要である。

本発明の他の実施形態では、ウェルドプールのサイズを求めるのに画像作成するのでなく、１つ又はそれ以上の高温計によりウェルドプールの温度を測定することができる。ウェルドプールのサイズと温度は、相互に密接に関連している。

カメラ18,20の出力はビデオ処理カード22に供給され、これはビデオ処理ソフトウェア24を使用して、後述する動作を実行する。インターフェースドライバー26がビデオ処理ソフトウェア24をＣＮＣソフトウェア28に結合し、それは駆動信号をＣＮＣ制御器16に供給し、ライン30を通って出力制御信号をヘッド内のレーザに送る。

図２は典型的な加工物（全体を32で示す）を示し、下の金属基板34と、その上面上の複数の層で形成されたＤＭＤ堆積部分36を有する。堆積される体積36の初期の層が形成されるとき、レーザの多くの熱エネルギーは下の金属基板34を加熱する。堆積が継続すると、基板は最高温度に達し、それ以後は追加のレーザ出力は、前に堆積された領域の粉末金属を溶融する。もし、一定のレーザ出力が各領域に加えられると、基板34が加熱され、ウェルドプールのサイズが大きくなり、不規則な堆積パターンを生じる。本発明はこの現象を補償する。

本発明の広い方法は、従来の経験的考察に基づいて初期のレーザ粉末を選択し、部分36の少なくとも最初の２層を堆積することである。第１層の堆積中は、プールのサイズの測定は行わない。第１層の基板34との接触が、後続の層の堆積で遭遇するのとは異なる熱特性を生じるからである。第２層（又は、堆積された部分36内の基板34の冶金学により第３層等のより上の層）の堆積中、堆積が進行するにつれ、選択した座標でウェルドプールのサイズの測定が行われる。これらの値は、ビデオ処理ソフトウェア24内に記憶される。広く、後続の層が形成されるとき、同じ選択した座標でウェルドプールのサイズの測定が行われ、特定の層のウェルドプールのサイズの測定は、以前の層のウェルドプールのサイズを表す記憶されたマトリックスに関連して処理され、次の層の堆積で使用する好適なレーザ出力を求める。広くみれば、層から層へのこれらの出力の調整は、ウェルドプールのサイズへの基板の加熱の影響を補償することを意図している。

ウェルドプールの画像は、制御システムの基本的な入力であり、ウェルドプールに関する温度情報を含む。ウェルドプールの温度情報は、画像の輝度レベルとその面積を求めることにより、ウェルドプールの画像から取り出され、「ウェルドプールのサイズ」と呼ばれる。レーザ出力を制御することにより、ウェルドプールのサイズ、従ってウェルドプールの温度が制御され、閉ループフィードバックシステムを作る。システムは、以前の層の画像情報を将来のレーザ出力の修正に適用することにより、自己学習即ち適応するようにされる。

各層の堆積物の外形の各選択した座標は、別の試験ポイントと考えられる。各試験ポイント座標は、外形の制約によっては異なる画像サイズを有する場合がある。平らな表面上の点でのウェルドプールの画像サイズは、傾いた表面上のポイントと異なる場合がある。また、平らな表面上でも、圧縮されたツールの経路部分でのウェルドプールの画像サイズは、縁部の座標のウェルドプールの画像サイズと異なる場合がある。適応性閉ループウェルドプール温度制御システム設計は、上述した状況の全てを考慮に入れ、頑強性がある。

図３は、適応性閉ループウェルドプール温度制御システムの好適な実施形態の制御フローである。ボックス50で、オペレーターは初期化情報を入力する。これらは、パーツの外形上の試験ポイントの座標を含む。考慮する試験ポイントの数は、堆積の面積と、アルゴリズムを走らせるＣＰＵの処理速度による。比較的大きい平らなパーツでは、試験ポイントの座標はかなり広い間隔をあけてもよく、一方パーツの輪郭が変化するときは、座標のより狭い間隔が必要である。

MINとMAXは、初めと終わりの試験ポイントを表す。INCは、試験ポイント間の増分を表す。KCONは、マトリックス値に関連する制御システム定数である。PWR1は、初期のレーザ出力である。

これらの初期値を選択して、ボックス52で第１層が堆積される。これは基板34と直接接触する層であり、その堆積中プールのサイズの測定は行わない。次にボックス54で、第２層が堆積され、この堆積中に試験ポイントの座標でウェルドプールの画像が計算される。この層の間に収集される情報は、将来の層での対応する試験ポイント座標への対応する最適な解と考えられるので、この層は「ゴールデン層」と呼ばれる。ゴールデン層の堆積中の基板の温度は、将来の層のときの基板温度と比較して最小であると考えられる。そのため、この層はベストの堆積層と考えられる。ウェルドプールの画像は、異なる試験ポイントでＣＣＤカメラ18,20を使用して捕らえられ、ビデオ処理ソフトウェア24により、各ポイントのウェルドプールのサイズが求められる。

ゴールデン層の試験ポイントのウェルドプールの画像サイズが相互に比較され、試験ポイントは、それぞれのサイズの差に従って、LOW、MEDIUM、HIGH（低、中、高）ポイントに分類される。これは、ボックス54と56で行われる。ブロック58で、層１、ゴールデン層について範囲マトリックスが作成される。範囲マトリックスは、HIGHとLOWポイントの画像サイズの差を使用して、LOW、MEDIUM、HIGHポイントについて作成される。LOWポイントの範囲マトリックスは、HIGHポイントの範囲マトリックスの分布と比較して短い値の分布を有する。いったん、範囲マトリックスが作成されると、初期即ちゴールデンの計算のための計算は終了する。この計算と他の計算のために使用される式と、アルゴリズムを図４に例示する。

次に、レーザ出力を変化させずに、後続の層が堆積され、試験ポイントのウェルドプール画像が捕らえられる。ウェルドプールのサイズマトリックスが、以前のように計算され、この層の画像サイズマトリックスが、以前の層の画像サイズマトリックスと比較され、図４に示す式を使用して、wl_2aが計算される。これは、図３のブロック60と62に示される。次に、ブロック64で、層番号２の画像サイズマトリックスが、ゴールデン層の画像サイズマトリックスと比較され、差が計算される。サイズの差を使用して、範囲マトリックスと、各試験ポイントについてのwl_2aから選択された対応するウェイト値を用い、図４に示したステップ３の式を使用してwt_2pが作成される。最後に、wt_2pをゴールデン層のレーザ出力pwr₁に適用することにより、新しいレーザ出力値が計算される。アルゴリズム信号リンクを通じて、レーザ発生器10で、新しいレーザ出力がセットされる。これはブロック66に示される。最後の層が終わるまで、後続の層のためにブロック60、62、64、66のプロセスが繰り返され、パーツが完成する。

他の特定の式を使用して、ここに記述し特許請求の範囲に記載した広い目的を達成することができる。
また、直接温度測定を行い、ウェルドプールのサイズに基づかずに、ウェルドプールの温度を求めても良い。

本発明を実施するための直接金属堆積システムの概略図である。 本発明の方法と装置で形成される典型的なパーツの図である。 本発明の好適な方法のフローチャートである。 本発明の好適な実施形態で使用するアルゴリズムの図である。

Claims (13)

1. 金属基板上に金属部分を形成する方法で、加熱ビームを発生するレーザと、金属粉末をビーム内へ供給するように動作する粉末金属源とを使用して複数の重ね合わせた層を堆積し、前記ビームに対して前記基板を数値制御によりプログラムされた経路に移動させ、溶融プールを提供する方法であって、
   １つの金属層を堆積する間に、複数の選択した座標で前記溶融プールのパラメータを検知し、
   前記選択した座標の各々において、前記プールの前記検知したパラメータを記憶し、
   前記記憶したパラメータを処理して、後続の層の堆積中に使用するのに適正なレーザ出力を求めるステップを備えることを特徴とする方法。
2. 前記記憶したパラメータを処理することは、最後に堆積した層の形成中に記憶した前記検知したパラメータを、それ以前に堆積した層の検知したパラメータのマトリックスと比較して、次の層の堆積中に使用するのに適正なレーザ出力を求める請求項１に記載の方法。
3. 前記それ以前に堆積した層は、前記基板上に堆積された第２層である請求項２に記載の方法。
4. 前記プールの前記検知したパラメータは、前記プールの寸法である請求項１に記載の方法。
5. 前記プールの前記検知したパラメータは、前記プールの光学的強度である請求項１に記載の方法。
6. 前記プールの前記検知したパラメータは、前記プールの寸法と光学的強度である請求項１に記載の方法。
7. 前記プールの前記検知したパラメータは、前記プールの温度である請求項１に記載の方法。
8. 金属基板上に金属部分を形成する方法で、加熱ビームと、金属粉末をビーム内へ供給するように動作する金属粉末源とを使用して複数の重ね合わせた層を堆積し、前記ビームに対して前記基板を数値制御によりプログラムされた経路に移動させ、溶融プールを提供する方法であって、
   １つの金属層を堆積する間に、複数の選択した座標で前記溶融プールのパラメータを検知し、
   前記選択した座標の各々における前記プールの前記検知したパラメータを記憶し、
   前記記憶したパラメータを処理して、後続の層の堆積中に使用するため、前記加熱ビームにかける適正な出力レベルを求めるステップを備えることを特徴とする方法。
9. 前記出力源はレーザである請求項８に記載の方法。
10. 前記出力源は電子ビームである請求項８に記載の方法。
11. 前記出力ビームのレベルは、各層の生成中一定に保持される請求項８に記載の方法。
12. 金属基板上に金属部分を形成する方法で、加熱ビームと、金属粉末をビーム内へ供給するように動作する粉末金属源とを使用して複数の重ね合わせた層を堆積し、前記ビームに対して前記基板を数値制御によりプログラムされた経路に移動させ、溶融プールを提供する方法であって、
    第１加熱ビーム出力を使用して、前記基板と接触する第１層を堆積し、
    前記第１層に使用したのと同じ加熱ビーム出力を使用して、前記第１層の上に第２層を堆積し、前記第２層の生成中に、複数の選択した座標において前記溶融プールのパラメータを検知し、
    前記第１、第２層に使用したのと同じ加熱ビーム出力を使用して、第３層を堆積し、前記第３層の生成中に、複数の選択した座標において前記溶融プールのパラメータを検知し、
    前記第２、第３層の生成中の前記溶融プールの前記記憶したパラメータを使用して、後続の層の堆積中に使用するのに適正な加熱ビーム出力を求めるステップを備えることを特徴とする方法。
13. 各後続の層が堆積されるとき、以前に記憶した検知したパラメータと共に、前記複数の選択した座標において前記溶融プールのパラメータが検知されて使用され、前記後続の層のための加熱ビーム出力を求める請求項１２に記載の方法。

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