JP2019504182A - アディティブ製造装置のためのモジュールおよび方法 - Google Patents

Abstract

複数の光トレインを備え、各光トレインは、レーザビーム（１１６）がモジュール（１５０）を通過するためのルートを提供し、層ごとのアディティブ製造プロセスの部分として圧密すべき材料（１０４）に対してレーザビーム（１１６）を操向するための操向オプティクスを備える、アディティブ製造装置のためのモジュール（１０５）。モジュール（１０５）は、複数の光トレインから、アディティブ製造装置の構築室（１０１）内の単一のウィンドウ（１０７）を通じて、レーザビーム（１１６）を送達するように構成される。

Description

本発明は、アディティブ（ａｄｄｉｔｉｖｅ）製造装置のためのモジュールに関し、詳細には、層ごとに物体を形成する際に使用するための複数の光トレイン（ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｉｎｓ）を備えるモジュールに関する。

物体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、レーザビームを用いる、金属粉体材料などの材料の層ごとの凝固を含む。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、構築中の物体の断面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。

４つのレーザビームを使用することが知られており、各レーザビームが粉体ベッドの異なる象限内の粉体を凝固させる（例えば、特許文献１参照。）。異なる象限内に位置する物体の異なる部分または異なる物体を異なるレーザビームで同時に構築することができるので、そのような配置は構築速度を向上させることができる。４つのｆシータレンズが、プロセスチャンバハウジングの上部壁内に配置されたウィンドウユニットとして設けられる。

物理的に間隔を置いて配置される４つの光モジュールのうちの１つにそれぞれ関連付けられる４つのレーザを有する配置が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。各レーザについての走査ゾーンは重複するが、すべてではないが１つのレーザビームをそれに対して誘導することのできる粉体ベッドの領域、およびすべての４つのレーザビームをそれに対して誘導することのできる中心領域とは隣接しない。スキャナの性能は、レーザビームの異なる位置について変動する傾向がある。例えば、スキャナが回転可能ミラーを備える場合、ミラーの精度が角度に応じて変動することがある。さらに、レーザビームが粉体ベッドに対して垂直である位置から離れるようにスポットが移動するとき、スポットはより楕円形となる。各レーザビームを個々に操向するためのオプティクスを物理的に間隔を置いて配置しなければならないので、各レーザビームについて特定の性能が達成される走査ゾーンは、他のレーザビームについての対応する走査ゾーンと一致しない可能性が高い。各走査ゾーンが粉体ベッドの全面積未満となるようにスキャナを配置することによって、スキャナが特定の性能でレーザビームを誘導することのできる、他のレーザビームについての対応するエリアと重複しないエリアを利用することができると共に、重複エリア内に包含される粉体ベッドの走査エリアについての柔軟性が保持される。

光モジュールが２つ以上の光トレイン（レーザ光が通過するモジュール内の配置）を備えることができることが示唆されている（例えば、特許文献３参照。）。したがって、モジュールは、２つ以上のレーザビームを同時に処理チャンバ内に送達することができる。本文書は、光トレインについての射出開口と、ほぼ光トレインのｆシータレンズのサイズである構築室内のウィンドウとを有する光モジュールを開示する。

構築中に、レーザビームがそれに対して操向される位置が、モジュールの温度変化のために所望の／命令された位置からドリフトすることがある。複数のレーザビームを操向するための複数の光トレインを備える装置では、光トレイン間の温度の差のために、２つの光トレイン間で異なる熱ドリフトが生じる。このことは、望み通りに位置合せされない、異なるレーザビームによって溶融された、構築物の隣接する凝固された区間という結果となる。

ＤＥ１０２００５０１４４８３ 国際公開第２０１４／１９９１３４号パンフレット 国際公開第２０１０／０２６３９７号パンフレット 国際公開第２０１０／００７３９６号パンフレット 出願ＧＢ１６０４７２８．４ ＧＢ１６０７１５２．４

第１の態様によれば、アディティブ（ａｄｄｉｔｉｖｅ）製造装置のためのモジュールであって、複数の光トレイン（ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｉｎｓ）を備え、各光トレインは、レーザビームがモジュールを通過するためのルートを提供し、層ごとのアディティブ製造プロセスの部分として圧密すべき材料に対してレーザビームを操向（ｓｔｅｅｒｉｎｇ）するための操向オプティクスを備える、モジュールが提供され、
モジュールは、複数の光トレインから、アディティブ製造装置の構築室（ｂｕｉｌｄ ｃｈａｍｂｅｒ）内の単一のウィンドウ（ｗｉｎｄｏｗ）を通じて、レーザビームを送達するように構成される。

モジュールは、アディティブ製造装置の構築室にモジュールを取り付けるための１つ又は複数の固定点（ａ ｆｉｘｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｏｒ ｐｏｉｎｔｓ）を備えることができ、したがってモジュールは構築室ウィンドウをブリッジ（ｂｒｉｄｇｅ）する。

モジュールは、複数の光トレインに共通の単一の開口を備えることができる。

モジュールは、複数の光トレインのそれぞれを熱的に接続する共通熱回路を備えることができる。

共通熱回路は、冷却チャネル（ｃｈａｎｎｅｌｓ）を備える冷却回路でよい。

冷却回路は、複数の光トレインに対して共通の単一の開口（ａｐｅｒｔｕｒｅ）の近傍のモジュールを冷却することができる。

モジュールは、アディティブ（ａｄｄｉｔｉｖｅ）に構築されたハウジング（ｈｏｕｓｉｎｇ）を備えることができる。

モジュールは、単一式ハウジングおよび／または共通ハウジングおよび／または統合型ハウジングおよび／または一体型ハウジングおよび／またはワンピースハウジングおよび／または単一のハウジングおよび／または共有ハウジングおよび／または相互接続されたハウジングおよび／または一致するハウジングを備えることができる。

各光トレインは、関連する照射体積を有することができる。各照射体積は、１つまたは複数の他の照射体積と重複し、それによって照射体積重複を画定する。

モジュールは、使用の際に、構築室内のウィンドウの少なくとも部分を収容する照射体積重複を提供することができる。照射体積重複は、モジュールのウィンドウの少なくとも部分を収容することができる。

第２の態様によれば、層ごとのアディティブ製造プロセスの部分として材料がその中で圧密される、アディティブ製造装置のためのモジュールであって、
複数の光トレインを備え、各光トレインは、レーザビームがモジュールを通過し、圧密すべき材料に対して誘導されるためのルートを提供し、
複数の光トレインがシングルピースハウジング内に設けられる、モジュールが提供される。

ハウジングは、アディティブに構築されたハウジングでよい。

第３の態様によれば、第１の態様または第２の態様のモジュールを備えるアディティブ製造装置が提供される。

アディティブ製造装置は、アレイ（ａｒｒａｙ）として配置された第１の態様または第２の態様による複数のモジュールを備えることができる。アレイは１次元アレイでよい。アレイの複数のモジュールは細長いモジュールでよく、短軸に沿って互いに配置することができる。

アレイは２次元アレイでよい。２次元アレイは、第１の方向の３つ以上のモジュールを備えることができ、第２の方向の３つ以上のモジュールを備えることができ、第１の方向と第２の方向とは直交することができる。

アディティブ製造装置は構築室を備えることができ、モジュールを構築室に取り付けることができ、モジュールは、少なくとも１つのレーザビームを作業面に対して誘導することができ、各レーザビームは作業面上の走査ゾーンを画定する。

アディティブ製造装置は、構築室上のモジュールのフットプリントが作業面上でモジュールによって照射することのできる面積（ａｒｅａ）以下となるように配置されたモジュールを備えることができる。

第４の態様によれば、層ごとのアディティブプロセスで物体を構築するためのアディティブ製造装置であって、モジュールのアレイを備え、少なくとも１つのモジュールは複数の光トレインを備え、各光トレインは、レーザビームがモジュールを通過するためのルートを提供し、圧密すべき材料に対してレーザビームを操向するための操向オプティクスを備える、アディティブ製造装置が提供され、アレイは２次元アレイであり、第１の方向の３つ以上のモジュールと、第２の方向の３つ以上のモジュールとを備え、第１の方向と第２の方向とは直交する方向であり、アレイが、連続する走査可能エリアを提供するようにアディティブ製造装置内に配置される。

アレイのモジュールは、作業面上の走査可能エリアの少なくとも部分が第１のモジュールと第２のモジュールの両方からのレーザによって走査可能であるように、間隔を置いて配置することができる。

第５の態様によれば、材料の層ごとのアディティブ圧密によってモジュールの少なくとも部分を形成することを含む、第１の態様または第２の態様のモジュールを製造する方法が提供される。

本発明をより良く理解するように、これから、添付の図面を参照しながら、単に例として本発明が説明される。

一実施形態によるレーザ凝固装置の概略図である。 別の側からの図１のレーザ凝固装置の概略図である。 本発明の一実施形態によるモジュールのためのハウジングの平面図である。 図３のモジュールのためのハウジングの側面図である。 図３のモジュールのためのハウジングの直線Ｖ−Ｖに沿って見たときの、使用時のモジュールの断面図である。 本発明によるモジュールの代替実施形態を示す図である。 本発明によるモジュールのためのハウジングの別の実施形態の平面図である。 アディティブ製造装置の構築室に取り付けられた、本発明によるモジュールのためのハウジングのさらに別の実施形態の平面図である。 アディティブ製造装置の構築室に取り付けられた図８の実施形態の平面図である。 アディティブ製造装置の作業面上の、図９ａのモジュールによって生成された走査ゾーンを示す図である。 アディティブ製造装置内に配置された光モジュールのアレイを示す図である。 イメージキャプチャデバイスを備える光モジュールを示す図である。 アディティブ製造装置の作業面上の、図１０ａのアレイによって生成された走査ゾーンを示す図である。 本発明によるモジュールの別の実施形態を示す図である。 本発明によるモジュールの別の代替実施形態の平面図である。 アディティブ製造装置内の２次元アレイに配置された図１２ａの複数のモジュールを示す図である。 アディティブ製造装置の作業面上の、図１２ｂのアレイによって生成された走査ゾーンを示す図である。

図１および２を参照すると、本発明の一実施形態による光モジュール１０５を備えるレーザ凝固装置が、選択的レーザ溶融粉体１０４によって構築された物体１０３を支持するための構築プラットフォーム１０２をさらに備える。物体１０３の連続する層が形成されるにつれて、チャンバ１０１内でプラットフォーム１０２を下げることができる。配量装置１０８およびワイパ１０９によって物体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１０９は特許文献４に記載されている装置でよい。Ｎｄ：ＹＡＧやファイバレーザなどの４つのレーザ１、２、３、および４がそれぞれ、粉体１０４を溶融させるためのレーザビームを生成する。各レーザビームは、コンピュータ１３０の制御下で、光モジュール１０５およびビームディレクタモジュール１０６によって必要とされる通りに誘導される。レーザビームは、ウィンドウ１０７を介して構築室１０１に入る。各レーザビームは、粉体ベッド１０４の別々のエリアを凝固させるように独立して操向することができる。

構築プラットフォーム１０２上に形成された粉体ベッドを横切るガスフローを生成するために、入口１１２および出口１１０が配置される。入口１１２および出口１１０は、矢印１１８によって示されるように、入口から出口へのフロー方向を有する層流を生み出すように配置される。ガスがガス再循環ループ１１１を通じて出口１１０から入口１１２に再循環される。ポンプ１１３は入口１１２での所望のガスフローを維持する。フィルタ１１４が再循環ループ１１１内に設けられ、フロー内に閉じ込められた凝縮粒子および他の粒子が濾過される。構築室１０１内に複数の入口１１２を設けることができることを理解されよう。さらに、構築室１０１の外部に延びるのではなく、再循環ループ１１１を構築室１０１内に収容することができる。

コンピュータ１３０は、プロセッサユニット１３１と、メモリ１３２と、ディスプレイ１３３と、キーボード、タッチスクリーンなどのユーザ入力装置１３５と、光モジュール１０５、ビームディレクタモジュール１０６、レーザモジュール１乃至４などのレーザ焼結ユニットのモジュールに対するデータ接続と、外部データ接続１３５とを備える。処理装置１３１に構築方法を実施するように命令するコンピュータプログラムが、メモリ１３２上に記憶される。

図３および４は、光モジュールのためのハウジングを示し、図５は光モジュール１０５をより詳細に示す。光モジュール１０５は、本体１１５と、レーザビーム源１、２、３、４に結合するための４つのレーザビーム受信機部分１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄと、ビームディレクタモジュール受信機部分１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、１２２ｄとを備えるハウジングを有する。４つのレーザビーム受信機部分１２０および４つのビームディレクタモジュール受信機部分１２２が示されているが、そうである必要はなく、光モジュール１０５の他の実施形態では、より少数（例えば、２つまたは３つ）または多数（例えば、５つ、６つ、７つ、８つ、またはそれ以上）のレーザビーム受信機部分１２０およびビームディレクタモジュール受信機部分１２２を設けることができることを理解されよう。図示される実施形態は、各レーザビーム受信機部分１２０がレーザまたはレーザモジュール１、２、３、４を受けるように適合されることを示すが、そうである必要はなく、光ファイバケーブルによって送達されるレーザビーム、またはスペースを通じて／ギャップを横切って送達されるレーザビームを含む、任意の他の適切な方式でレーザビームを受けるようにレーザビーム受信機部分１２０のうちのいくつか、多く、またはそれぞれ／すべてを適合することができることを理解されよう。そのようなケースでは、各レーザビーム受信機部分１２０は、異なるレーザからレーザビームを受けることができ、または単一のレーザが、複数のレーザビームに分割されるレーザビームを生成することができ、レーザビームのそれぞれが、対応するレーザビーム受信機部分１２０に供給される。さらに、図示される実施形態は、各レーザビーム受信機部分１２０が関連するビームディレクタモジュール受信機部分１２２を有するが、そうである必要はなく、１つまたは複数のレーザ源からの複数のレーザビームを誘導するためのビームディレクタモジュール１０６を受けるように単一のビームディレクタモジュール受信機部分１２２を適合することができ、いくつかの実施形態では、すべてのレーザビームを誘導するためのビームディレクタモジュール１０６を受けるための単一のビームディレクタモジュール受信機部分１２２が存在することができる。さらに別の実施形態では、ビームディレクタオプティクスは組込み式でよく、すなわちハウジング１１５／光モジュール１０５から容易に取外し可能ではなく、ビームディレクタモジュール受信機部分１２２を設ける必要がない。

図５は、図３のモジュールのハウジング１１５の直線Ｖ−Ｖに沿って取られた光モジュール１０５の断面図を示し、レーザ１および３を示す。図５はまた、２つのビームディレクタモジュール１０６ｂ、１０６ｃを示す。第１のビームディレクタモジュール１０６ｃ（図の右側）が、レーザ３に関連付けられて示されており、すなわち、第１のビームディレクタモジュール１０６ｃが、レーザ３がその中で受け取られるレーザビーム受信機部分１２０ｃに関連付けられるビームディレクタモジュール受信機部分１２２ｃ内で受けられる。第２のビームディレクタモジュール１０６ｂ（図の左側）が、レーザ２がその中で受け取られていることを図１が示すレーザビーム受信機部分１２０ｂに関連付けられるビームディレクタモジュール受信機部分１２２ｂ内で受けられる。図５で示されるように、レーザ３がレーザビーム１１６ｃを生成し、レーザビーム１１６ｃは、光トレインによって画定されるビーム経路に沿って誘導され、ビームディレクタモジュール１０６内に進み、ビームディレクタモジュール１０６は、ウィンドウ１０７を通じて構築室１０１内に進み、粉体１０４上の所望の場所に到達するように、レーザビーム１１６を光モジュール１０５の外に誘導する。レーザビーム１１６が開口１２３を通じて光モジュール１０５から出ることが示されており、この実施形態では、開口１２３は、光モジュール１０５によって設けられる、すべての光トレインに共通の単一の開口１２３である。光モジュール１０５の他の実施形態では、すべての光トレインではなく、いくつかの光トレインについての共通射出開口を設けることができる。光トレインの部分を形成するビームディレクタモジュール１０６によってビーム経路を制御することができることを理解されよう。この実施形態の光モジュール１０５が４つの光トレインを有し、各光トレインがレーザビーム受信機部分１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、およびビームディレクタモジュール受信機部分１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、１２２ｄに関連付けられることを理解されよう。１対の集束レンズおよびミラーを含むビームディレクタモジュール１０６ｃが概略的に示されているが、ビームディレクタモジュールが構築室内の所望の場所の上にレーザビーム１１６を誘導するための光学素子の任意の適切な配置を含むことができることを理解されよう。好ましくは、ビームディレクタモジュール１０６は、構築室１０１内の粉体１０４の上に２次元にレーザビーム１１６を誘導するための１対のミラー（例えば、ガルバノ駆動ミラー）を備える。ビームディレクタモジュール１０６は、レーザビームを誘導、反射、屈折、回折、集束、または形成するための、集束（デフォーカスを含む）用の素子、反射素子、屈折素子、回折素子、または誘導素子の任意の適切な配置を含むことができる。各ビームディレクタモジュール１０６は、レーザビームを誘導、反射、屈折、回折、集束、または形成するための同一の配置を含むことができるが、そうである必要はなく、各レーザビームを異なる方式で誘導、反射、屈折、回折、集束、または形成するように各ビームディレクタモジュール１０６を適合することができる。光モジュール１０５の下面（すなわち、使用時に構築室１０１のウィンドウ１０７に向けるべき面）を、それを通じてレーザビーム１１６を誘導することのできる開口１２３を有するように見ることができる。開口１２３内にモジュールウィンドウ１１７を設けることができる。モジュールウィンドウ１１７は、ビームディレクタモジュール１０６または光モジュール１０５の／内の他の素子を汚染から保護する働きをすることができる。

図１、２、および５は、選択的レーザ凝固装置内に取り付けられた光モジュール１０５を示す。各図は、光モジュール１０５がウィンドウ１０７の縁部を越えて延びることを示し、このことは、ウィンドウ１０７の周りの複数の位置で光モジュール１０５を定位置に固定する（すなわち、保持する）ことを可能にし、他の実施形態では、ウィンドウ１０７の周りに少なくとも部分的に延び、他の実施形態ではウィンドウ１０７を完全に取り囲むことのできる単一の接続によって光モジュール１０５を定位置に固定することができる。ウィンドウ１０７を通じて構築室１０１内に操向すべき複数のレーザビームを受け取ることのできる単一の光モジュール１０５を設けることによって、各光トレインに関連付けられる光モジュール１０５の部品間の物理的および熱的接続が達成され、各レーザビーム受信機部分１２０間の位置関係が確立される。

図５は、この実施形態では光モジュール１０５の下面（すなわち、構築室に面して配置すべき光モジュール１０５の面）に近接して配置される冷却チャネル１２８を示す。光モジュール１０５の部分を形成するハウジングが、ハウジングがシングルピースハウジングとなるようにアディティブに構築される。冷却チャネル１２８は、光モジュール１０５全体にわたって一様な温度を維持し、または少なくとも光モジュール１０５の下面近傍の体積にわたって一様な温度を維持し、または少なくとも光モジュール１０５の開口１２３近傍の体積にわたって一様な温度を維持するための共通冷却回路（すなわち、共通熱回路）を形成することができる。冷却チャネル１２８は、特定の光トレインに関連付けられる光モジュール１０５の部分を、他の光トレインに関連付けられる光モジュール１０５の部分に熱的に接続することを可能にする。いくつかの実施形態では、冷却チャネル１２８および共通冷却回路は設けられないことがあり、そのような実施形態では、異なる光トレインに関連付けられる光モジュール１０５の部分間の共通熱回路が、光モジュール１０５のハウジングを介する熱の伝導によってやはり設けられることを理解されよう。

光モジュール１０５のハウジングを通じた伝導、および任意選択で冷却チャネル１２８によって設けることのできる共通冷却回路によって熱的接続を設けることによって、特定の光トレインに関連付けられる光モジュール１０５の部分間の熱伝達を、使用時にウィンドウ１０７にわたって、すなわち構築室１０１内のウィンドウ１０７の上のエリア内に配置された光モジュール１０５の部分にわたって、特定の光トレインに関連付けられる光モジュール１０５の部分と、異なる光トレインに関連付けられる光モジュール１０５の部分との間で行なうことができる。各光トレインは、少なくとも１つの他の光トレインに直接的に熱的に接続される。図１、２、および５は、ウィンドウ１０７のどちらかの側の構築室に取り付けられた光モジュール１０５を示す。光モジュール１０５の光トレイン間の熱的接続を設けることによって、構築室１０１のウィンドウ１０７にわたって熱ブリッジが設けられる。

図５は、照射体積１２９ｂ、１２９ｃを概略的に示す。照射体積１２９ｃは、（例えばビームディレクタモジュール１０６ｃによって課されることのある物理的制約、および／またはユーザ定義することのできるコンピュータ１３０によるシステムの制御によって課される制約のために）レーザビーム１１６ｃをそれに沿って操向することのできる軌跡を表す。照射体積１２９ａ、１２９ｄは、照射体積１２９ｂ、１２９ｃと同様であり、図５の照射体積１２９ｂ、１２９ｃの後ろに配置される。この実施形態の照射体積はほぼ多角形であり、ほぼ五角形でよく、別の実施形態では、照射体積１２９はほぼ円錐形でよい。同様に、照射体積１２９ｂは、レーザ２からのレーザビーム１１６ｂ（図５には図示せず）をそれに沿って操向することのできる軌跡を表す。図示されるように、照射体積１２９ｂと照射体積１２９ｃとが重複して、本明細書で照射体積重複と呼ばれる３次元重複空間を生み出す。照射体積重複は、構築室１０１内のウィンドウ１０７と一致する平面を通過し、照射体積重複は、前記平面のレベルでウィンドウ１０７の少なくとも部分にわたって延びる。照射体積のそのような重複は、各レーザビームを粉体ベッド上で誘導することのできるエリアの重複を可能にする。図示される実施形態では、各光トレインに関連付けられる各照射体積１２９ａ、１２９ｂ、１２９ｃ、１２９ｄは、それぞれの他の照射体積１２９ａ、１２９ｂ、１２９ｃ、１２９ｄと重複するが、そうである必要はない。レーザビーム１１６が照射体積重複で互いに望ましくない方式で相互作用しないようにレーザビーム１１６を操向するように各ビームディレクタモジュール１０６が制御されることを理解されよう。ウィンドウ１０７が照射体積重複内に延びるとき、２つ以上の別々のウィンドウへのウィンドウの分割は望ましくない。照射体積がそのような任意の分離されたウィンドウ間のディバイダと交差することになるからである。使用時に、各照射体積１２９ａ、１２９ｂ、１２９ｃ、１２９ｄは、作業面（すなわち、関連するレーザビーム１１６をそれに対して誘導することのできる粉体ベッドを含む平面）上の走査ゾーン１１９（図９ｂ参照）を画定する。

特許文献２で開示されているような以前の選択的レーザ凝固デバイスでは、４つのレーザモジュールが、構築室内のウィンドウの周りの位置に取り付けられており、各レーザモジュールが光モジュールを支持し、各レーザモジュール／光モジュール配置の自由端がウィンドウの上に突き出る。このことは、いくつかの課題を提示し、まず、各レーザビームが粉体ベッド上の正しい位置に誘導されることを保証するために、各レーザモジュール／光モジュール配置を構築室に関して正確に取り付けなければならない。レーザ数が増加するにつれて、選択的レーザ凝固デバイスのアセンブリの複雑さも増大する。複数のレーザビームを受け取ることのできる単一の光モジュール１０５を設けることによって、光モジュール１０５は、選択的レーザ凝固デバイスを組み立てるプロセスの複雑さを低減する。特許文献２のデバイスが直面する第２の課題は、デバイスの動作中に生じ、レーザビームが粉体を溶融または焼結して物体を形成するとき、レーザビームのエネルギーの一部が光トレイン（すなわちミラー）の構成要素によって吸収され、さらにエネルギーが粉体および／または溶融プールによって反射されることがあり、次いでレーザモジュール／光モジュール配置によって吸収されることがある。このことは、レーザモジュール／光モジュール配置の示差加熱に至り、構築室の遠位の配置の部分と比較したとき、構築室に面する配置の部分が、より高い加熱効果を受ける。このことは、レーザモジュール／光モジュールアセンブリのひずみ（すなわち、曲げ）に至ることがあり、ひずみは、公称位置／指令された位置と比較して、レーザビームが誘導される実際の位置を変更する。各レーザモジュール／光モジュール配置が分離されるので、各アセンブリは、異なる量だけ、かつ／または異なる方式で変形することがある。各レーザモジュール／光モジュール配置を装置の部分（構築室など）を介して接続することができるが、正確な構築物を達成するために必要とされる時間尺度で、熱的接続は光トレイン間で直接的には設けられない。したがって、光モジュールは熱的に接続されず、各レーザモジュール／光モジュール配置のひずみは、他のレーザモジュール／光モジュール配置のひずみとは無関係である。

複数のレーザを受け取ることのできる光モジュール１０５を設けることによって、光モジュール１０５は、いくつかの方式で問題に対処する。第１に、各光トレインに関連付けられる光モジュール１０５の各部分間に熱回路を設けることによって、光モジュール１０５はヒートシンクとして働き、レーザから吸収されたエネルギー、または粉体および／または溶融プールによるレーザエネルギーの反射のために吸収されたエネルギーを光モジュールにわたってより均等に分散させ、したがってあるレーザビームの、別のレーザビームと比較した経路に影響を及ぼす、局在化されたひずみを低減することができる。光トレインは、ウィンドウ１０７にわたって熱的にリンクされる。光モジュール１０５にわたる光モジュール１０５の変形に至ることのある任意の熱エネルギーを非局在化することによって、光モジュール１０５が受ける、局在化された応力が低下し、加熱して光モジュール１０５を変形する（レーザビームが光モジュール１０５によって受け取られる位置を移動することを含む）傾向が低減される。第２に、光モジュール１０５が構築室１０１のウィンドウ１０７をブリッジするように、ウィンドウ１０７の周りの複数の位置で光モジュール１０５を固定することによって、またはウィンドウ１０７の周りに少なくとも部分的に延び、もしくはウィンドウ１０７を取り囲むことのできる単一の接続によって光モジュール１０５を定位置に固定することによって、光モジュール１０５は自由端を有さず、示差加熱によって引き起こされる曲げによる光モジュール１０５のひずみ（すなわち、光モジュール１０５の下側の加熱による膨張）が阻止される。

すべての光トレインに共通の開口１２３を光モジュール１０５に設けることによって、レーザビーム１１６は光モジュール１０５を退出することができ、構築室１０１内の単一のウィンドウ１０７を通じて構築室１０１内にレーザビーム１１６を誘導することができる。例えばウィンドウ上の凝縮物沈降からウィンドウ１０７を保護することは重要であり、ウィンドウを横切るガスの層流を設けることなどによってウィンドウを保護するように設計される多くのシステムが存在する。光モジュール１０５内に単一の開口１２３を設けることによって、複数のウィンドウを設けることによって必要とされる等価な全ウィンドウ面積（ａｒｅａ）よりも小さくなるようにウィンドウ１０７の全面積を削減することが可能となる。

図示され、上記で説明された実施形態が単一の単一式（シングルピース）光モジュール１０５に関するものであるが、他の実施形態では、光モジュール１０５は、光モジュール１０５の光トレイン間の共通熱回路を設けるように熱的にリンクされた複数の光モジュール配置を備え、使用時の熱的接続が、構築室１０１内に配置されたウィンドウ１０７にわたって延びることを理解されよう。光モジュール１０５の光トレイン間の熱的接続を設けることによって、構築室１０１のウィンドウ１０７にわたって熱ブリッジが設けられる。

図６は、ウィンドウ１０７をブリッジするモジュールを示し、モジュールは、計量フレーム１２４内に取り付けられた光モジュール１０５を備える。図６では、レーザビーム１１６ａ、１１６ｃが、光ファイバでよいファイバ１２１ａ、１２１ｃに沿って光モジュール１０５のレーザビーム受信機部分１２０に送達されることが示されているが、そうである必要はなく、図１、２、および５に示される実施形態でのレーザ源１、２、３、４などの、レーザビーム受信機部分１２０内で受けられるレーザ源によって、レーザビームを生成することができることを理解されよう。図６の実施形態からわかるように、光モジュール１０５は構築室に直接的に取り付けられず、むしろ光モジュール１０５が計量フレーム１２４内に取り付けられる。計量フレーム１２４は、下側プレート１２５（すなわち、使用時に構築室１０１近傍に取り付けられるプレート）および上側プレート１２７（すなわち、使用時に構築室１０１の遠位に取り付けられるプレート）を備える。下側プレート１２５は、粉体および／または溶融プールによって反射された任意のレーザ光を反射するように設計された反射プレートでよい。下側プレート１２５は、反射型でよく、レーザビーム１１６の通過を可能にするために光モジュール１０５の下面の開口に対応するウィンドウまたは開口を備えることのできるプレートでよい。図示される実施形態での下側プレート１２５と上側プレート１２７とは、側面１２６によって接合される。側面１２６は、計量フレーム１２４の１対の対向する側面上に設けることができ、または計量フレーム１２４のすべての側面に設けることができる。図６に示される実施形態のように、レーザビームが計量フレーム１２４の外部で生成される場合、側面１２６はレーザビームを透過することができ、レーザビームを光モジュール１０５内に誘導することができ、それは、図６に示される光ファイバ１２１によるものでよい。そうである必要はなく、レーザビーム１１６が計量フレーム１２４および光モジュール１０５に入ることを可能にし、反射素子、屈折素子、回折素子などを使用して光学通路に沿ってレーザビーム１１６を誘導するために、計量フレーム１２４は開口を備えることができる。図６は、ファイバ１２１ａ、１２１ｃが光フレーム１２４を通過し、レーザビーム受信機部分１２０ａ、１２０ｃに結合されることを示し、他の実施形態では、ファイバを計量フレーム１２４に結合することができ、計量フレーム１２４は、反射素子、屈折素子、回折素子などを使用してレーザビーム１１６をレーザビーム受信部分１２０内に誘導する光学通路を提供することができる。下側プレート１２５を、上面および下面の示差加熱による曲げに対するその抵抗について選ばれた材料から作成することができ、これは、剛性および／または比熱容量および／または熱伝導率などの要素を含むことができ、下側プレート１２５を、アルミニウムまたは鋼または任意の他の適切な金属または材料から作成することができる。上側プレート１２７を、曲げに対するその抵抗について選ぶことができ、これは、剛性および／または熱伝導率および／または比熱容量などの要素を含むことができ、上側プレート１２７を、アルミニウムまたは鋼または任意の他の適切な金属または材料から作成することができる。計量フレーム１２４は、曲げに抵抗するために補強要素（図示せず）をさらに含むことができ、下側プレート１２５の部分または全体にわたる熱回路を形成することのできる冷却チャネル（図示せず）をも含むことができる。図６に示される実施形態では、図５で開示されるのと同様のモジュールウィンドウ１１７（図示せず）を設けることができる。モジュールウィンドウ１１７を、図５に示されるのと同様の方式でハウジング１１５内に配置することができ、あるいは下側プレート１２５内に、かつ／または下側プレート１２５の部分として設けることができる。

光モジュール１０５が構築室１０１のウィンドウ１０７を越えて延びる／光モジュール１０５がウィンドウ１０７よりも大きいものとして上記で説明されたが（例えば、図１および２に示される実施形態）、図６に示される実施形態ではそうである必要はないことを理解されよう。図６の光モジュール１０５は、構築室１０１に直接的に取り付けられず、むしろ光モジュール１０５は、計量フレーム１２４の下側プレート１２５を介して構築室１０１に取り付けられる。計量フレーム１２４の下側プレート１２５が、使用時にウィンドウ１０７の周りの複数の位置で取り付けられ、またはウィンドウ１０７の周りに少なくとも部分的に延び、ウィンドウ１０７を取り囲むことのできる単一の接続によって定位置に固定される限り、光モジュール１０５がウィンドウ１０７に及ぶようなサイズに作られない場合であっても、そのような取付けの恩恵を受けることができる。他の実施形態では、計量フレーム１２４の特徴のうちの１つ、一部、多く、またはそれぞれ／すべて（例えば、反射プレート１２５またはスチフナ）を光モジュール１０５によって設けることができる。別の実施形態では、計量フレーム１２４内の複数の光トレインを設けるために複数の光モジュール配置から光モジュール１０５を構成することができる。

図７は、光モジュール１０５の代替構成を示す。図３の実施形態と比較したとき、レーザビーム受信機部分１２０およびビームディレクタモジュール受信機部分１２２が異なる配置で配置されることがわかる。いくつかの実施形態では、アディティブ製造装置で利用可能なスペースなどの光モジュール１０５の外部の要素によって、レーザビーム受信機部分１２０およびビームディレクタモジュール受信機部分１２２の位置を規定することができ、他の実施形態では、レーザビーム１１６をそれに対して誘導することのできる粉体ベッド１０４のエリアに基づいて、レーザビーム受信機部分１２０およびビームディレクタモジュール受信機部分１２２の位置を選ぶことができることを理解されよう。これは、粉体ベッドのほぼすべてに対してすべてのレーザビームを誘導することができるように、あるいはレーザビーム１１６をそれに対して誘導することのできる走査ゾーン１１９が粉体ベッドのほぼすべて未満を覆うことができるように（そのような走査ゾーン１１９は、他の走査ゾーン１１９と重複することがあり、または重複しないことがある）、レーザビーム受信機部分１２０およびビームディレクタモジュール受信機部分１２２を配置することを含むことができる。アディティブ製造装置のいくつかの実施形態では、アディティブ製造装置は光モジュール１０５を備えることができ、単一のレーザ源によって生成される単一のレーザビームと共に動作することができ、あるいは他の実施形態では、光モジュール１０５を備えるアディティブ製造装置は、単一のレーザ源または複数のレーザ源からの複数のレーザビーム、例えば、２つ、３つ、４つ、またはそれ以上のレーザビームと共に動作することができる。

図８は、光モジュール１０５の別の代替構成を示す。前の実施形態と比較したとき、レーザビーム受信機部分１２０およびビームディレクタモジュール受信機部分１２２が異なる配置で配置されることがわかる。前述の実施形態とは異なり、図８は、ある方向では構築室１０１のウィンドウ１０７がハウジング１１５の周囲を越えて延び、第２の方向ではハウジングがウィンドウ１０７をブリッジし、したがって構築室１０１への光モジュール１０５の取付けを可能にし、したがって光モジュールが構築室ウィンドウ１０７をブリッジし、ウィンドウ１０７の周りの複数の位置での構築室１０１へのハウジング１１５の取付けが可能となることを示す。

図９ａは、図８に示されるのと同様のモジュールを示す。図９ａでは、モジュール１０５が、構築室１０１のウィンドウ１０７（ファントムで示される）をブリッジするように、アディティブ製造装置の構築室１０１に固定される。アディティブ製造装置のこの実施形態では、構築室１０１内のウィンドウ１０７は、光モジュール１０５のフットプリントより小さい。構築室１０１内のウィンドウ１０７より大きい光モジュール１０５を設けることによって、光モジュール１０５は、構築室１０１内のウィンドウ１０７を完全に覆うことができる。構築室１０１内のウィンドウ１０７を覆うことによって、構築室１０１からのレーザ光が、構築室１０１内のウィンドウ１０７を通過する経路を介してアディティブ製造装置から逃れることは不可能である。言い換えれば、構築室１０１内のウィンドウ１０７よりも大きい光モジュール１０５を設けることによって、構築室１０１が「光を通さない」ようにすることが可能である。図示される実施形態での構築室１０１内のウィンドウ１０７がほぼ円形であるものとして示されているが、そうである必要はなく、ウィンドウ１０７は任意の適切な形状でよく、例えば構築室１０１内のウィンドウ１０７は、ほぼ多角形でよく、ほぼ正方形またはほぼ矩形でよい。

図９ａに示されるアディティブ製造装置の構築室１０１に取り付けられる光モジュール１０５の実施形態は、４つの光トレインを提供する。各光は関連する照射体積１２９を有する。各照射体積１２９は、アディティブ製造装置内の作業面上の走査ゾーン１１９ａ、１１９ｂ、１１９ｃ、１１９ｄを与える。図９ｂは、図９ａに示される装置の走査ゾーン１１９ａ、１１９ｂ、１１９ｃ、１１９ｄを示す。光モジュール１０５によって照射することのできる作業面上の全面積は、走査ゾーン１１９ａ、１１９ｂ、１１９ｃ、１１９ｄの組合せ面積である。図９ｂでは、走査ゾーン１１９ａは実線によって境界が定められ、走査ゾーン１１９ｂ、１１９ｃ、および１１９ｄは破線によって境界が定められる。走査ゾーン１１９ａ内に重複エリア１５０が示されており、レーザビーム１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄのそれぞれ／すべてをそれに対して誘導することのできるエリアを表す。重複エリア１５１は、レーザビーム１１６ａ、１１６ｂの両方／それぞれをそれに対して誘導することのできるエリアを表し、重複エリア１５４は、レーザビーム１１６ａ、１１６ｄの両方／それぞれをそれに対して誘導することのできるエリアを表し、エリア１５５は、レーザビーム１１６ａだけをそれに対して誘導することのできるエリアである。走査ゾーン１１９ａと共に説明された関連エリアに加えて、走査ゾーン１１９ｂは、レーザビーム１１６ｂだけをそれに対して誘導することのできるエリア１５６を有し、走査ゾーン１１９ｃは、レーザビーム１１６ｃだけをそれに対して誘導することのできるエリア１５７を有し、走査ゾーン１１９ｄは、レーザビーム１１６ｄだけをそれに対して誘導することのできるエリア１５８を有し、重複エリア１５２は、レーザビーム１１６ｃ、１１６ｃの両方／それぞれをそれに対して誘導することのできるエリアを表し、重複エリア１５３は、レーザビーム１１６ｃ、１１６ｄの両方／それぞれをそれに対して誘導することのできるエリアを表す。

光モジュール１０５の方向Ｗ（図９ａに示される）の幅が、走査することのできる全エリアの（図９ｂの方向Ｗの）幅以下となるように、アディティブ製造装置を構成することができる。モジュール１０５自体と少なくとも同じ広さの作業面上のエリアを走査することのできる光モジュール１０５を設けることによって、走査することのできるエリアを複数の光モジュール１０５をアレイとして設けることによって拡張することができる。

図１０は、１次元アレイとして配置された複数の光モジュール１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃを示す。図１０は３つの光モジュール１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃを示すが、２つ、３つ、４つ、５つ、１０個、２０個、またはそれ以上の光モジュール１０５をそのようなアレイとして構成することができることを理解されよう。別の実施形態では、アレイとして配置された光モジュール１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃは、図１０に示されるように間隔を置いて配置されないことがあり、アレイのモジュール１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃの間の熱的接続を設けるために当接することがある。図１０のアレイ内の光モジュール１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃの間隔は、隣接する光モジュール１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃからのレーザビーム１１６をそれに対して誘導することのできる作業面上のエリアの重複を可能にし、すなわち、モジュール１０５自体と少なくとも同じ広さの作業面上のエリアを走査することのできる、光モジュール１０５を設けることによるものでよい複数の光モジュールからのレーザビームによって照射することのできる作業面上のエリアを設けることを可能にする。そのようなアレイはまた、物体の構築のための走査方法を最適化することを可能にする（例えば、特許文献２参照。）。

図１０ｃは、アディティブ製造装置の構築室１０１内の作業面上に生成するように図１０ａのアレイを配置することのできる走査ゾーンおよび重複エリアの一例を示す。この例では、重複エリア１５０は、光モジュール１０５ａからのレーザビーム１１６のすべて／それぞれをそれに対して誘導することのできるエリアであり、重複エリア２５０は、光モジュール１０５ｂからのレーザビーム１１６のすべて／それぞれをそれに対して誘導することのできるエリアであり、重複エリア３５０は、光モジュール１０５ｃからのレーザビーム１１６のすべて／それぞれをそれに対して誘導することのできるエリアである。重複エリア１５１、２５１、３５１は、それぞれの光モジュール１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃのレーザビーム１１６ａ、１１６ｂの両方／それぞれをそれに対して誘導することのできるエリアを表し、重複エリア１５３、２５３、３５３は、それぞれの光モジュール１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃのレーザビーム１１６ｃ、１１６ｄの両方／それぞれをそれに対して誘導することのできるエリアを表す。

重複エリア１５２は、光モジュール１０５ａからのレーザビーム１１６ｂ、１１６ｃおよび光モジュール１０５ｂからのレーザビーム１１６ａ、１１６ｄをそれに対して誘導することのできるエリアを表す。重複エリア２５２は、光モジュール１０５ｂからのレーザビーム１１６ｂ、１１６ｃおよび光モジュール１０５ｃからのレーザビーム１１６ａ、１１６ｄをそれに対して誘導することのできるエリアを表す。重複エリア１５４は、光モジュール１０５ａからのレーザビーム１１６ａ、１１６ｄをそれに対して誘導することのできるエリアを表し、重複エリア３５２は、光モジュール１０５ｃからのレーザビーム１１６ｂ、１１６ｃをそれに対して誘導することのできるエリアを表す。コーナエリア１５５、３５６、２５７、１５８は、単一のレーザだけをそれに対して誘導することのできるエリアを表し、重複エリア１５６、２５６、２５７、１５７は、それぞれ異なるモジュールからの２つのレーザビームをそれに対して誘導することのできるエリアを表す。重複エリア１５０、２５０、３５０が連続するように光モジュールをアレイ内に配置することを含む、他の構成が可能であることを理解されよう。

イメージキャプチャデバイス１４３を設けることができる。図１０ｂに示されるように、光モジュールのビームディレクタモジュール受信機部分１２２の間にイメージキャプチャデバイス１４３を設けることができる。イメージキャプチャデバイス１４３は光モジュールの光トレインを可能にすることができ、光トレインは、較正すべき光モジュール１０５ａのビームディレクタモジュール１０６ｂを備える光トレインでよい（例えば、特許文献５参照（付録１参照）。）。アレイの複数の光モジュール１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃはイメージキャプチャデバイス１４３を備えることができる。

追加または代替として、別のイメージキャプチャデバイスが、光トレインを通じて作業面の領域を見ることができる。光モジュール１０５ｂのビームディレクタモジュール１０６ａに関連する光トレイン内に、別のイメージキャプチャデバイスを設けることができる。別のイメージキャプチャデバイスは、光モジュール１０５ｂのビームディレクタモジュール１０６ａがそれに対してレーザビームを誘導することのできる走査ゾーン１１９ａのイメージを取り込むことができる。重複エリア１５６および重複エリア１５７は走査ゾーン１１９ａの部分を形成し、別のイメージキャプチャデバイスは、光モジュール１０５ａのビームディレクタモジュール１０６ｂによって重複エリア１５６または１５２内に誘導されるレーザビームを含むイメージ、および／または光モジュール１０５ａのビームディレクタモジュール１０６ｃによって重複エリア１５２内に誘導されるレーザビームを含むイメージを取り込むことができる。光モジュール１０５ｂのこのことは、光モジュール１０５ａのビームディレクタ１０６ｂまたは１０６ｃを有する光トレインのどちらかに対する、ビームディレクタモジュール１０６ａを備える光トレインの較正を可能にする。光モジュール１０５ｂのビームディレクタ１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄを備える光トレインが、光モジュール１０５ｂのビームディレクタモジュール１０６ａを備える走査ゾーンと少なくとも部分的に重複する走査ゾーンを有するので、光モジュール１０５ｂのビームディレクタモジュール１０６ａを備える光トレインに対して前記光トレインを較正するために、別のイメージキャプチャデバイスを使用することができる。（別のイメージキャプチャデバイスと同様の）さらに別のイメージキャプチャデバイスが、光モジュール１０５ｃのビームディレクタモジュール１０６ａを備える光トレイン内に設けられる場合、同様の方式で光モジュール１０５ｂの光トレインに対して光モジュール１０５ｃの光トレインを較正することができる。光モジュール１０５ｂのビームディレクタモジュール１０６ａを備える光トレイン内に別のイメージキャプチャデバイスを設ける必要はないが、重複エリア１５６、１５２、１５７のうちの１つ／いずれかにレーザビームを誘導することのできる光トレイン内に別のイメージキャプチャデバイスを設けることができ、重複エリア２５６、２５２、２５７のうちの１つ／いずれかにレーザビームを誘導することのできる任意の光トレイン内にさらに別のイメージキャプチャデバイスを設けることができ、重複エリア３５１、３５０、３５３のうちの１つ／いずれかにレーザビームを誘導することのできる任意の光トレイン内に追加のさらに別のイメージキャプチャデバイスを設けることができることを理解されよう。較正は、特許文献６に記載されているようなものでよい（付録２参照）。

光モジュールのアレイの少なくとも１つの光モジュール内にイメージキャプチャデバイス１４３を設けることによって、少なくとも１つの光モジュールの少なくとも１つの光トレインを較正することが可能である。少なくとも１つの光モジュールおよび少なくとも１つの別の光モジュールからのレーザビームを誘導することのできる重複エリアにレーザビームを誘導することのできる光トレイン内に別のイメージキャプチャデバイスを設けることによって、少なくとも１つの光モジュールに対して少なくとも１つの別の光モジュールを較正することが可能である。少なくとも１つの別の光モジュールおよび少なくとも１つのさらに別の光モジュールからのレーザビームを誘導することのできる重複エリアにレーザビームを誘導することのできる光トレイン内にさらに別のイメージキャプチャデバイスを設けることによって、（少なくとも１つの別の光モジュールを介して）少なくとも１つの光モジュールに対して少なくとも１つのさらに別の光モジュールを較正することが可能である。そのような方法を使用して、少なくとも１つの光モジュールに対して光モジュールのアレイ全体を較正することができる。

図１１は、レール１４０を介してガイド１４１に移動可能に取り付けられた光モジュール１０５のアレイを備えるモジュールを示す。図は、構築室１０１内に配置されたウィンドウ１０７をファントムで示し、さらにガイド１４１の部分だけを示す。光モジュール１０５はレール１４０に固定可能に接続され、レール１４０はガイド１４１に移動可能に接続される。使用時に、ガイド１４１はアディティブ製造装置内に固定され、レール１４０が構築室１０１のウィンドウ１０７をブリッジすることを可能にするように、構築室１０１に固定可能に取り付けることができる。ガイド１４１は、光モジュール１０５のアレイを移動することを可能にし、構築室１０１内の所望のエリアの照射を可能にするようなサイズに作られ、配置される。コンピュータ１３０によって制御することのできるモータ（図示せず）を使用して、構築室１０１内の作業面に対してレール１４０、したがって光モジュール１０５のアレイを移動することができる。構築室１０１内の作業面に対するレール１４０、したがって光モジュール１０５のアレイの移動は１次元内でよく、連続的な移動、またはいくつかの索引付けされた位置の間の移動でよい。構築室１０１を光密にするために、構築室１０１内のウィンドウ１０７はアレイと共に移動することができ、このことは、例えば、その中でのウィンドウ１０７の移動を可能にすることのできる、構築室に蛇腹型の表面を設けることによって達成することができる。図１１は、レーザ１、２、３、４などのレーザを有するアレイの光モジュール１０５を示すが、そうである必要はなく、光モジュール１０５は、ファイバを介して１つまたは複数のレーザからレーザを受け取ることができる。図１１の可動モジュールを構築室内に設けることができる。

図１２ａは、アディティブ製造装置内の構築室１０１に取り付けられた光モジュール１０５の別の代替実施形態を示す。構築室１０１内に配置されたウィンドウ１０７がファントムで示されている。光モジュールのこの実施形態では、レーザ１、２、３、４が、構築室１０１の遠位の光モジュール１０５の側面から供給される。これは、光モジュール１０５のフットプリントを削減することのできる一方式の一例である。

図１２ｂは、光モジュール１０５、２０５、３０５、４０５、５０５、６０５、７０５、８０５、９０５の２次元アレイを示す。３行および３列に配置された９つの光モジュールが示されているが、これは一例に過ぎず、より多数または少数の光モジュールをそのようなアレイで設けることができる。アレイは図示されるように正方形である必要はなく、第２の方向よりも第１の方向にさらに延びることができる。２つ以上の行および２つ以上の列で光モジュールを構成することができる。いくつかの実施形態では、アレイ内の光モジュールは互いに当接する。作業面上の連続的に放射されるエリアを設けるために、図示される２次元アレイの各光モジュールが、構築室上の光モジュールの少なくともフットプリントのサイズのエリアを照射するように配置される。図１２ｂに示される実施形態では、各光モジュールによって走査することのできるエリアが、隣接する光モジュールによって走査することのできるエリアと重複するように、各光モジュールがアディティブ製造機械内に配置される。

図１２ｃは、図１２ｂのアレイを配置してアディティブ製造装置の構築室１０１内の作業面上で生成することのできる走査ゾーンおよび重複エリアの一例を示す。この例では、重複エリア１５０は、光モジュール１０５からのレーザビーム１１６のすべて／それぞれをそれに対して誘導することのできるエリアであり、重複エリア２５０は、光モジュール２０５からのレーザビーム１１６のすべて／それぞれをそれに対して誘導することのできるエリアであり、重複エリア３５０は、光モジュール３０５からのレーザビーム１１６のすべて／それぞれをそれに対して誘導することのできるエリアであり、重複エリア４５０は、光モジュール４０５からのレーザビーム１１６のすべて／それぞれをそれに対して誘導することのできるエリアであり、重複エリア５５０は、光モジュール５０５からのレーザビーム１１６のすべて／それぞれをそれに対して誘導することのできるエリアであり、重複エリア６５０は、光モジュール６０５からのレーザビーム１１６のすべて／それぞれをそれに対して誘導することのできるエリアであり、重複エリア７５０は、光モジュール７０５からのレーザビーム１１６のすべて／それぞれをそれに対して誘導することのできるエリアであり、重複エリア８５０は、光モジュール８０５からのレーザビーム１１６のすべて／それぞれをそれに対して誘導することのできるエリアであり、重複エリア９５０は、光モジュール９０５からのレーザビーム１１６のすべて／それぞれをそれに対して誘導することのできるエリアである。

図１２ｃでは、光モジュール５０５がレーザビームをそれに対して誘導することのできる作業面上の走査ゾーンが、エリア５５０、５５１、５５２、５５３、５５４、５５５、５５６、５５７、および５５８によって表される。図示される実施形態では、重複エリア５５０は、光モジュール５０５からのそれぞれ／すべてのレーザビームをそれに対して誘導することのできるエリアを表し、この実施形態では、アレイ内の他の光モジュールからのレーザビームを重複エリア５５０に誘導することはできないが、他の実施形態では、必ずしもそうである必要はない。重複エリア５５１は、モジュール５０５からの２つのレーザビームおよびモジュール２０５からの２つのレーザビームをそれに対して誘導することのできるエリアを表す。重複エリア５５２は、モジュール５０５からの２つのレーザビームおよびモジュール６０５からの２つのレーザビームをそれに対して誘導することのできるエリアを表す。重複エリア５５３は、モジュール５０５からの２つのレーザビームおよびモジュール８０５からの２つのレーザビームをそれに対して誘導することのできるエリアを表す。重複エリア５５４は、モジュール５０５からの２つのレーザビームおよびモジュール４０５からの２つのレーザビームをそれに対して誘導することのできるエリアを表す。重複エリア５５５は、モジュール５０５からの１つのレーザビームと、モジュール４０５からの１つのレーザビームと、モジュール１０５からの１つのレーザおよび１つのレーザビームと、モジュール２０５からの１つのレーザビームとをそれに対して誘導することのできるエリアを表す。重複エリア５５６は、モジュール５０５からの１つのレーザビームと、モジュール２０５からの１つのレーザビームと、モジュール３０５からの１つのレーザおよび１つのレーザビームと、モジュール６０５からの１つのレーザビームとをそれに対して誘導することのできるエリアを表す。重複エリア５５７は、モジュール５０５からの１つのレーザビームと、モジュール６０５からの１つのレーザビームと、モジュール９０５からの１つのレーザおよび１つのレーザビームと、モジュール８０５からの１つのレーザビームとをそれに対して誘導することのできるエリアを表す。重複エリア５５８は、モジュール５０５からの１つのレーザビームと、モジュール８０５からの１つのレーザビームと、モジュール７０５からの１つのレーザおよび１つのレーザビームと、モジュール４０５からの１つのレーザビームとをそれに対して誘導することのできるエリアを表す。

図１２ｂに示されるように、光モジュール５０５は、第１の方向の、第１の対の隣接する光モジュール２０５、８０５と、第２の方向の、第２の対の隣接する光モジュール４０５、６０５とを有し、第２の方向は第１の方向に対して垂直でよい。図１２ｂに示される３×３アレイでは、図示されるすべての光モジュールは図１２ａに関連して図示および説明された種類のものであるが、光モジュール１０５、２０５、３０５、４０５、６０５、７０５、８０５、および９０５のそれぞれ（すなわち、光モジュール５０５を除く、図示されるすべての光モジュール）は構築室１０１上の光モジュールハウジングのフットプリント内に包含される必要のない構成要素を有することができ、図示される実施形態でのそのフットプリントは、光モジュールからのレーザビームをそれに対して誘導することのできる作業面上の走査ゾーン以下であることを理解されよう。これは、光モジュール５０５については当てはまらない。光モジュール５０５が、第１の方向および第２の方向の、光モジュールの第１の２０５、８０５および第２の４０５、６０５の対によって取り囲まれるので、作業面上の連続的に照射可能なエリアを達成するために、構築室１０１上の光モジュール５０５のフットプリントは、光モジュール５０５がそれに対してレーザを誘導することのできる作業面上の走査ゾーン以下でなければならない。この特徴を実現することによって、図１２ａに示される光モジュール１０５は、２次元アレイが第１の方向と第２の方向の両方に３ユニット以上延びることを可能にし、すなわち、図１２ａに示される光モジュール１０５は、Ｘ＞２およびＹ＞２であるとして、サイズＸ×Ｙの光モジュール１０５のアレイを可能にする。

付録１
［書類名］明細書
［発明の名称］アディティブ製造装置の較正
［技術分野］
本発明は、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、および方法を実施するためのアディティブ製造装置に関する。詳細には、限定はしないが、本発明は、材料ベッド（例えば、粉体ベッドまたは樹脂ベッド）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］
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）、光造形などの粉体ベッドシステムと、ワイヤアークアディティブ製造（ＷＡＡＭ）を含む、融解堆積モデリング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。
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。
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。
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走査することによってデジタル形式に変換され、セルの質量中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。
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。
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の領域とは別々の第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。
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。
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むために、較正されたカメラが使用され、較正されたカメラは、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のテストパターンを比較する。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。
較正のために使用されるイメージ取込みデバイスのピクセルによって実現される空間解像度よりも高い精度にアディティブ製造装置のスキャナを較正する方法を提供することが望ましい。
［先行技術文献］
［特許文献］
［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］ＥＰ２１８６６２５
［特許文献５］国際公開第２０１４／１８０９７１号パンフレット
［特許文献６］米国特許第７２６１５５０号明細書
［特許文献７］国際公開第２０１０／００７３９６号パンフレット
［特許文献８］米国特許第７２６１５５０号明細書
［特許文献９］国際公開第２０１５／０９２４４２号パンフレット
［発明の概要］
［課題を解決するための手段］
本発明の第６の態様によれば、アディティブ製造装置のスキャナを較正する方法が提供され、アディティブ製造装置内で、エネルギービームがスキャナと共に誘導され、作業面内の材料が圧密され、層ごとに工作物が構築され、方法は、作業面内のテスト表面にわたってスキャナと共にエネルギービームを誘導して、テストパターンを形成することであって、テストパターンは少なくとも１つの周期的特徴を含むこと、テストパターンのイメージを取り込むこと、イメージからテストパターンの周期的特性を決定すること、および周期的特性に基づいてスキャナの制御のための補正データを決定することを含む。
補正をテストパターンの周期的特性に基づかせることによって、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、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、幾何学的特徴のうちの複数の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、テストパターンの幾何学的特徴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。
周期的特性は、基準位相に対するテストパターンの位相ずれでよい。テストパターンの位相は、テストパターンを形成するときのエネルギービームの位置の誤差を示すことができ、補正データが位相ずれから決定され、スキャナによるエネルギービームの配置が補正される。
パターンの位相ずれは、パターンの幾何学的要素のうちの１つの位置よりも高い精度を有するイメージから決定することができる。したがって、決定した位相ずれに補正データを基づかせることは、補正データの精度を改善することができる。さらに、補正データについての同じ精度またはより良好な精度をなお達成しながら、従来技術の方法と比較して、カメラなどのより低い解像度の撮像デバイスを使用することができる。
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。基準周波数でのテストパターンのイメージの離散フーリエ変換を実施し、得られた周波数成分の基準位相から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。テストパターンの複数の異なる領域の各領域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。決定した位相ずれにスキャナの数学モデルをフィットすることによって補正データを決定することができる。各領域は１平方センチメートル未満でよい。
方法は、アディティブ製造装置の作業面内に較正アーテファクトの基準面を配置することであって、基準面はその上に基準パターンを有すること、基準パターンのイメージを取り込むこと、およびテストパターンと基準パターンとの間の位相ずれを決定することを含むことができる。テストパターンのイメージを取り込むのに使用される同一のイメージキャプチャデバイスを使用して、基準パターンのイメージを取り込むことができる。テストパターンおよび基準パターンのイメージの取込みのために、アディティブ製造装置内の同じ場所にイメージキャプチャデバイスを配置することができる。アディティブ製造装置内の、テストパターンが形成される表面と同じ場所に基準面を配置することができる。このようにして、イメージキャプチャデバイスによって導入されるテストパターンの反復可能なひずみを、対応する方式でひずんだ基準パターンとの比較を通じてなくすことができ、すなわち、イメージキャプチャデバイスが、較正された測定デバイスではなく、比較器として使用される。
方法は、基準周波数での基準パターンのイメージの複数の離散フーリエ変換を実施することを含むことができ、基本シヌソイドが、基準パターンのイメージに対して空間的にシフトされる離散フーリエ変換のために使用され、基本シヌソイドの位置が識別され、離散フーリエ変換のための最高の振幅という結果となる。これは、基本シヌソイドをイメージ内の基準パターンの位置と位置合せすることができる。方法は、イメージに対する識別された位置で基本シヌソイドを使用して、テストパターンのイメージの離散フーリエ変換を実施することをさらに含むことができる。
テストパターンは、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の方向に回転することができる）、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素子によってエネルギー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。
テストパターンは一連の平行線を含むことができる。テストパターンは、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の方向の両方にテスト表面にわたって第２のセットの平行線と交互となることができる。
テストパターンの反復される幾何学的特徴は、基準パターンの幾何学的特徴の規則的空間間隔と相関することができ、テストパターンの反復される幾何学的特徴の位相を、基準パターンの対応する反復される幾何学的特徴の位相と比較することによって、位相ずれを決定することができる。
周期的特性は、イメージ内のテストパターンの複数の領域のそれぞれにわたって加算された強度を含むことができ、各領域は、テストパターンの少なくとも１つの周期を含む。方法は、作業面に対するエネルギービームの異なる焦点位置で、テストパターンの異なる周期的特徴を形成することを含むことができる。異なる焦点位置のうちの１つのエネルギービームと、異なる領域についての加算された強度の変動に基づいて較正されたスキャナの集束オプティクスとで形成されたテストパターンの各領域について、加算された強度などの周期的特性を決定することができる。
テストパターンは、繰り返す幾何学的特徴を含むことができ、幾何学的特徴のそれぞれの出現は、作業面に対する異なる焦点位置のエネルギービームで形成される。
本発明の第７の態様によれば、アディティブ製造装置のスキャナを較正する方法が提供され、エネルギービームがスキャナと共に誘導および集束され、作業面内の材料が圧密され、層ごとに工作物を構築され、方法は、作業面内のテスト表面にわたってスキャナと共にエネルギービームを誘導して、表面上に幾何学的特徴を形成することであって、作業面に対するエネルギービームの焦点位置が、幾何学的特徴のうちの異なる幾何学的特徴の形成について変更されること、幾何学的特徴のイメージを取り込むこと、エネルギービームの異なる焦点位置で形成された各領域について、単位面積当たりの強度を決定すること、および単位面積当たりの強度の変動から、スキャナの焦点位置の制御を補正するための補正データを決定することを含む。
幾何学的特徴は、エネルギービームによって表面上に形成されたマーク、またはエネルギービームで圧密された材料でよい。
本発明の第８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の態様または第７の態様の方法を実施するように配置される。
本発明の第９の態様によれば、作業面内で材料を圧密するようにエネルギービームを誘導するためのスキャナと、本発明の第８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。
アディティブ製造装置は、作業面のイメージを取り込むためのイメージキャプチャデバイスをさらに備えることができる。イメージキャプチャデバイスはカメラを備えることができる。アディティブ製造装置内の、作業面内に基準面を配置するために使用される基準に対して固定された位置にカメラを配置することができる。装置は、作業面内に材料層を形成するために、基準に対して配置されるように構成されたワイパを備えることができる。
本発明の第１０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の態様または第７の態様の方法をコントローラに実施させる。
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、Ｂｌｕｅ−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、あるい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上で送られる信号（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。
本発明の第１１の態様によれば、アディティブ製造装置の作業面内にプレートを取り付けるための固定具が提供され、固定具は、プレートを支持するための取付け表面と、作業面に垂直な方向の反復可能な位置に取付け表面を配置するために表面に接触するための３点取付けフォーメーションとを備える。
取付け表面は、基準パターンを備える較正プレートと、エネルギービームを使用してテストパターンでマークすべきプレートとを支持するためのものでよい。固定具は、較正プレートの基準パターンと、テストパターンでマークすべきプレートとが同一面内に位置合せされることを保証するための助けを与えることができる。これは、前述の較正方法では、パターンがアディティブ製造装置内の異なる場所に配置されるので、基準パターンとテストパターンのイメージの違いが生じないことを保証する。
本発明の第１２の態様によれば、工作物のアディティブ製造を実施する方法が提供され、工作物が、エネルギービームを使用して層ごとに材料を圧密することによって構築され、方法は、アディティブ製造装置の作業面内にプリフォームを配置すること、プリフォームにわたってエネルギービームを走査して、プリフォーム上に印を形成すること、プリフォームを機械加工して、プリフォーム内の特徴を形成することであって、特徴が機械加工される場所が印の場所に基づくこと、および特徴を機械加工した後、エネルギービームを使用して、層内の材料を圧密することによってプリフォーム上に別の特徴を構築することを含む。
エネルギービームでプリフォームをマークすることによって、プリフォームに対するエネルギービームの座標系の場所を決定することができ、したがって、プリフォーム内のエネルギービームの座標系の位置の場所に合致する場所で特徴を機械加工することができる。したがって、機械加工された特徴は、その後でアディティブに構築される別の特徴に対して正確に配置される。その中にプリフォームされた冷却チャネルを有するベースプレートと、ベースプレート内にプリフォームされた冷却チャネルと流体連通するように配置されたコンフォーマル冷却チャネルを有するアディティブに構築された部分とを備えるハイブリッドモールドの製造でそのような方法を使用することができる。そのようなハイブリッドモールドが説明されている（例えば、特許文献６参照。）。
印はパターンを含むことができ、方法は、パターンのイメージを取り込むこと、イメージからパターンの周期的特性を決定すること、および周期的特性に基づいて特徴についての場所を決定することによって、特徴を形成するための場所を決定することを含む。周期的特性はパターンの位相でよい。方法は、特徴を形成するために使用される工作機械の座標系、および／または決定する位相に基づく特徴の形成で工作機械に指令する命令を調節することを含むことができる。
［図面の簡単な説明］
［図１３］本発明の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１４］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テストパターンの平面図である。
［図１５］本発明の一実施形態によるアディティブ製造装置のスキャナの操向オプティクスを較正する方法を概略的に示す図である。
［図１６］テストパターンのイメージ内の典型的ピクセル強度の概略図である。
［図１７］スキャナの集束オプティクスを較正するためにプレート上に形成されたテストパターンの平面図である。
［図１８］図１７に示されるテストパターンのイメージから生成された強度グラフの概略図である。
［図１９］下から示される、アディティブ製造装置内の較正アーテファクトおよびテストプレートを取り付けるための固定具の斜視図である。
［図２０］上からの固定具の斜視図である。
［図２１］本発明の一実施形態によるハイブリッド工作物を形成する方法を概略的に示す図である。
［発明を実施するための形態］
図１３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、構築室１１１７を画定するパーティション１１１５、１１１６をその中に有するメインチャンバ１１０１を備える。構築プラットフォーム１１０２は構築室１１１７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１１０２は、粉体ベッド１１０４および工作物１１０３を支持する。工作物１１０３の連続する層が形成されるにつれて、プラットフォーム１１０２は、構築室１１１７内でモータの制御下で下げられる。
配量装置１１０８およびワイパ１１０９によって工作物１１０３が構築されるにつれて、粉体１１０４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１１０８は、パーティション１１１５によって画定される上面１１１５ａ上に粉体を配量し、ワイパ１１０９によって粉体ベッドにわたって拡散される。ワイパ１１０９の下縁部の位置が、粉体が圧密され、調節可能である作業面１１１０を画定する。
レーザモジュール１１０５が、粉体１１０４を溶融させるためのレーザビーム１１１８を生成し、レーザビーム１１１８は、対応するスキャナ、この実施形態では光モジュール１１０６によって必要とされる通りに誘導される。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１１１８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１１０６ａと、レーザビーム１１１８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１１０６ｂとを備える。スキャナは、レーザビーム１１１８が作業面にわたって移動するとき、レーザビーム１１１８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。
作業面のイメージを取り込むために、カメラ１１９１がメインチャンバ１１０１内に配置される。
プロセッサ１１６１およびメモリ１１６２を備えるコントローラ１１４０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１１０５、光モジュール１１０６、構築プラットフォーム１１０２、配量装置１１０８、ワイパ１１０９、およびカメラ１１９１と通信する。コントローラ１１４０は、以下で説明するように、メモリ１１６２内に記憶されたソフトウェアに基づいてモジュールを制御する。
図１４乃至１６を参照すると、スキャナ１１０６を較正するために、ユーザは、アディティブ製造装置内に基準パターン１３５１を備える較正アーテファクト１３５０を配置し、したがって基準パターン１３５１が作業面１１１０内に配置される（１３０１）。図１９および２０を参照しながら以下で説明される固定具１４００を使用して、基準パターン１３５１をアディティブ製造装置内に配置することができる。基準パターン１３５１は、図１４に示されるテストパターン１２５１と同一であり、複数の領域１２０３ａおよび１２０３ｂが一連の等間隔に配置された平行線を含む。領域１２０３ａは、ｘ方向に間隔を置いて配置された複数の平行線を含み、領域１２０３ｂは、ｙ方向に間隔を置いて配置された複数の平行線を含む。領域１２０３ａは、ｘ方向とｙ方向の両方で領域１２０３ｂと交互になる。
平行線の周期は、カメラ１１９１についてのナイキスト周波数によって与えられる周期に近く、すなわち、周期は、作業面でのカメラ１１９１のピクセルの空間解像度の４倍に近い。図１６は、パターン１３５１、１２５１の領域１２０３ａ、１２０３ｂの一部のイメージ内でピクセル１００１乃至１００９の強度がどのように変動することがあるかを示す。図１６から理解できるように、そのようなイメージからの個々の線の位置の決定は、イメージの空間解像度のオーダーとなる。
必要とされる精度、この実施形態では１ミクロン以下の精度にパターンを印刷することのできる適切な技法を使用して、シート上に基準パターン１３５１を印刷することができる。
作業面内の基準パターン１３５１のイメージ１３０２が、カメラ１１９１を使用して取り込まれる（１３０３）。
一連の離散フーリエ変換（ＤＦＴ）が、異なる位置にシフトされた基本シヌソイドをそれぞれ使用して、基準パターン１３５１の平行線の既知の基準周波数ｋ_refで決定される（１３０４）。この実施形態では、ＤＦＴが、基準パターン１３５１のイメージ１３０２に、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実施される。正弦表現および余弦表現は、非ゼロ正弦領域および余弦領域が領域１２０３ａ、１２０３ｂの間の空間に対応するゼロ値領域によって間隔を置いて配置されるように生成される。デジタルに生成された正弦表現および余弦表現の、基準パターンのイメージとの正確な位置合せを決定するために、ＤＦＴは、基準パターンのイメージに対して、異なる位置Ｓに配置された正弦表現および余弦表現を使用して決定される。各領域についてＤＦＴの大きさが決定され、すべての領域についての大きさの平均が取られる。ＤＦＴについての最高の平均の大きさという結果になる正弦表現および余弦表現の位置が、イメージ１３０２内の基準パターン１３５１の位置に最も近く合致する位置Ｓ_refであると見なされる。
基本シヌソイドに対する、領域の中心に対応する位置（ｘ，ｙ）によって表される、各領域内の基準パターンの位相ΦＸ_ref、ΦＹ_refが、ＤＦＴと、領域についての基準位相を識別することから決定される（１３０５）。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ΦＸ_ref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ΦＹ_refが決定される。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。
次いで、基準アーテファクト１３５０がアディティブ製造装置から除去され、例えば構築室１１１７内の反復可能な位置に配置可能な図１９および２０の固定具１４００を使用して、作業面内にやはり配置されるアルミニウムプレート１２５０で置き換えられる（１３０６）。次いで、テストパターン１２５１が、レーザビーム１１１８およびスキャナ１１０６を使用して、アルミニウムプレート１２５０上にマークされる。テストパターン１２５１のイメージ１３０７が取り込まれる（１３０８）。
テストパターン１２５１のイメージ１３０８の離散フーリエ変換が基準周波数ｋ_refで決定され（１３０７）、各領域１２０３ａ、１２０３ｂ内の基本シヌソイドからのテストパターン１２５１の位相ΦＸ_tst、ΦＹ_tstが決定される（１３０９）。
各領域１２０３ａ、１２０３ｂについての基準パターン１３５１からのテストパターン１２５１の位相ずれΦＸ_error、ΦＹ_errorが決定される（１３１０）。次いで、当技術分野で周知のように、スキャナ１１０６の数学モデルが、各領域１２０３ａ、１２０３ｂについての決定された位相ずれΦＸ_error、ΦＹ_errorにフィットされ、較正テーブルについての値に関して、スキャナ１１０６の操向オプティクス１１０６ａの制御を修正するための補正データが決定される（１３１１）。
そのような方法は、ピクセルの１／１００の解像度までの測定の精度を実現することが可能である。したがって、各ピクセルが１５０μｍの作業面での空間解像度を有する場合、方法は、１または２μｍの測定精度を実現することができる。
図１７および１８を参照すると、作業面に配置されたアルミニウムシート上に図１４に示されるようなテストパターン１２５１を形成することによって、スキャナ１１０６の集束オプティクスが較正され、領域のパターンの各線についてのレーザビームの焦点を、例えば作業面の下−１０ｍｍから、作業面の上＋１０ｍｍまで変動させるようにスキャナ１１０６が制御される。このことは、図１７に示されるようなアルミニウムシート上のパターンという結果となることがある。
パターンのイメージの強度は、図１８のグラフＡに示されるように、レーザビームが作業面１１１０に集束されないパターンの縁部で形成される、より厚い光の線から、レーザビームが作業面１１１０に集束されるパターンの中心でのより薄い光の線まで変動することができる。パターンの各周期にわたる全強度が加算され、グラフＢが生成される。レーザビームの焦点が作業面から外れているところから作業面に焦点が合ったところに移動するとき、線の厚さが低下するにつれて、パターンの周期についての全強度が低下する。加算された強度に曲線をフィットすることを使用して、スキャナ１１０６の焦点合せオプティクス１１０６ｂの制御を補正することができる。
較正アーテファクト１３５０およびアルミニウムプレート１２５０を取り付けるための固定具１４００が、図１９および２０に示されている。固定具は、較正アーテファクト／アルミニウムプレートを支持するためのサポート１４０１と、サポート１４０１を構築室１１１７内の定位置に取り付けるためのウイング１４０２、１４０３とを備える。ウイング１４０２、１４０３はサポート１４０１の支持面に対して偏位され、したがって、固定具１４００がアディティブ製造装置内に配置されるとき、ウイング１４０２、１４０３はサポート１４０１の上および側面に配置される。ウイング１４０２、１４０３は、固定具１４００の操作のためのハンドル１４０４、１４０５と、構築室１１１７内の反復可能な垂直位置で固定具１４００によって支持される較正アーテファクト／アルミニウムプレートを運動学的に配置するための取付け要素１４０６、１４０７、および１４０８とを備える。この実施形態では、要素１４０６、１４０７、および１４０８は、３つの離間した位置で表面１１１５ａと接触するための点表面を与える３つのボールを備える。
固定具１４００は、ｘ方向およびｙ方向に固定位置にサポート１４０１を配置するための２つの別の位置決め要素１４０９および１４１０を備える。要素１４０９および１４１０はそれぞれ、サポート１４０１内の凹みに取り付けられ、ばね（図示せず）によってサポート１４０１から外向きに偏ったボールを備え、したがって、サポートを構築室１１１７内に挿入したとき、ボールが構築室１１１７の壁に係合し、ばねの偏りに対して偏向し、偏りが固定具１４００を定位置に保持する。
較正アーテファクト１３５０とアルミニウムプレート１２５０の両方は、サポート１４０１上に取り付けるための適切な形状を有する。
方法は、ワイパ１１０９の下縁部を、固定具１４００、したがって較正アーテファクト１３５０の位置合せのために使用される表面１１１５ａと位置合せすることをさらに含むことができ、したがって、ワイパ１１０９は作業面１１１０内の粉体層を形成する。周知の方法を使用して、表面１１１５ａとのワイパ１１０９の位置合せを実施することができる。ワイパ１１０９の位置合せと、較正アーテファクト１３５０の位置決めのために同一の基準を使用することは、スキャナ１１０６がそれについて較正される粉体層が作業面と位置合せされることを保証する。基準のために、構築プラットフォーム１１０２などの可動表面ではなく固定表面１１１５ａを選ぶことは、位置決めの誤差が構築プラットフォーム１１０２などの可動表面の位置決めの再現性の欠如／不正確から生じるのではないことを保証する。
ｘ方向およびｙ方向の基準パターン１３５１の位置は未知であることがあるので、構築室１１１７によって画定される構築体積に対するｘ方向およびｙ方向のスキャナ１１０６のｘ、ｙ座標系の絶対位置は未知であることがある。しかしながら、方法は、スキャナ１１０６の座標系のひずみを補正するためにスキャナ１１０６を較正する。したがって、上記の較正方法は、アディティブ製造装置内の基準パターン１３５１の位置に基づいてスキャナ１１０６を較正する。
前述の較正方法を使用して、マルチレーザアディティブ製造装置内の各スキャナを較正することができる。各スキャナを使用して、１つまたは複数のテストプレート上のパターンをマークすることができ、基準パターンに対して各スキャナによって形成されたパターン内の位相ずれを使用して、スキャナを較正することができる。
アディティブに構築された工作物を、例えば基板１５０１上の非アディティブに構築された特徴と位置合せすべきである場合、スキャナ１１０６の座標系の位置は、十分の精度では知られていないことがある。例えば、部品の第１の部分がプリフォームされた基板を備え、部品の第２の部分がアディティブに構築される、ハイブリッドアディティブ部品を構築することが知られている。そのようなハイブリッドアディティブ部品の一例はモールド挿入であり、アディティブプロセスを使用してモールド挿入の残りの部分を構築する前に、冷却液体チャネルが基板内に機械加工される。モールド挿入は、基板内の冷却液体チャネルと接続するコンフォーマル冷却チャネルと共に形成される。そのような工作物が説明されている（例えば、特許文献８参照。）。
アディティブに構築される工作物がその上に構築される基板が、アディティブに構築される工作物と位置合せすべき特徴と共に事前機械加工されるプロセスでは、所望の位置合せを達成することができるように、スキャナ１１０６の座標系の機械加工された特徴の位置が知られていることが重要である。
図２１に示されるように、本発明の一実施形態によれば、ハイブリッド工作物を形成する方法は、アディティブ製造装置の構築プラットフォーム１１０２上にハイブリッド工作物の部品を形成すべきであるが、プリフォームされた特徴のない構築基板１５０１を配置することを含むことができる。構築基板１５０１および構築プラットフォーム１１０２は、構築プラットフォーム１１０２上の反復可能な位置に構築基板１５０１を運動学的に配置するための取付けフォーメーションを備えることができる（例えば、特許文献９参照。）。
レーザ１１０５および較正済みスキャナ１１０６は、特徴１５０６をその中にプリフォームすべきである構築基板１５０１上の場所を識別するために使用することのできる印１５０７を構築基板１５０１上にマークする（１５０２）ように制御される。例えば、プリフォームされた冷却チャネルのケースでは、構築基板１５０１の頂面のチャネルの開口の場所をマークすることができる（１５０７ａ）。別の実施形態では、形成すべき特徴の形状に対応する印１５０７ａで構築基板１５０１をマークするのではなく、特徴１５０６を形成するために使用され、工作機械１５１０の座標系をスキャナ１１０６の座標系と位置合せするために使用される、工作機械によって識別することのできる印１５０７ｂを形成することができる。カメラ１５９１を用いた認識および位置の決定を容易にするために印１５０７ｂを選択することができる。例えば、印１５０７ｂは、図１４を参照しながら説明したのと同様のパターンを含むことができ、パターンの位置が、レーザビーム１１１８で構築基板１５０１上に形成されたパターンの位相を決定することによって解決される。
次いで、構築基板１５０１がアディティブ製造装置から除去され、特徴１５０６の形成のために工作機械１５１０上に取り付けられる。特徴１５０６は、構築基板１５０１上の印１５０７の場所に基づいて、工作機械によって構築基板１５０１内の場所に形成される（１５０３）。例えば、工作機械１５１０内に取り付けられた、ビデオプローブなどのカメラ１５９１を使用して、構築基板１５１０上の印の場所を識別することができる。機械加工すべき特徴１５０６に対する印１５０７の位置が知られており、工作機械１５１０は、その座標系または工作機械命令を調節して、印に対して特徴のフォーメーションを位置合せすることができる。この例では、特徴１５０６は基板１５０１内に形成されたチャネルである。
次いで、基板１５０１が構築プラットフォーム１１０２上に再取付けされ、運動学的取付け要素が、構築基板１５０１が印１５０７でマークされたときの位置と同一の位置に取り付けられることを保証する。次いで、ハイブリッド工作物のアディティブに構築される部分１５０５が、アディティブ製造装置を使用して構築される（１５０４）。アディティブに構築された部分１５０５との、プリフォームされた特徴１５０６の位置合せが、後続のアディティブに構築される部分１５０５を形成するのに使用される、較正済みスキャナ１１０６によって印が形成される結果として保証される。
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。例えば、パターンは、ｘ方向およびｙ方向についての補正データ（位相）がそれから計算される別々の領域１２０３ａ、１２０３ｂを含まないことがあるが、両方の垂直方向について周期的構成要素をそれから計算することのできる単一の領域を含むことがある。
［表１］

［表２］

［表３］

［表４］

［表５］

［表６］

［表７］

［表８］

［表９］

付録２
［書類名］明細書
［発明の名称］アディティブ製造装置における測定
［技術分野］
本発明は、放射ビームを作業面にそれぞれ誘導するための複数のスキャナを備えるアディティブ製造装置で測定を実施するための方法および装置に関する。詳細には、限定はしないが、本発明は、材料ベッド（例えば粉体ベッドまたは樹脂ベッド）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］
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、融解堆積モデリング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。
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。
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。
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走査することによってデジタル形式に変換され、セルの質量中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。
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。
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の領域とは別々の第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。
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。
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むために、較正されたカメラが使用され、較正されたカメラは、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のテストパターンを比較する。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。
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方法を提供することが望ましい。
［先行技術文献］
［特許文献］
［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］ＥＰ２１８６６２５
［特許文献５］国際公開第２０１４／１８０９７１号パンフレット
［特許文献６］未公開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］
［課題を解決するための手段］
本発明の第１３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、その中で材料が層内に圧密される作業面に、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対のスキャナのビーム操向オプティクスを制御し、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することであって、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収集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こと、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、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を含む。
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内で材料を圧密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る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る構造光でよい。
本発明の第１４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、各スキャナは、その中で材料が層内に圧密される作業面に、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と、ビーム操向オプティクスによって収集される、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対のスキャナのうちの第１のスキャナおよび第２のスキャナのビーム操向オプティクスを制御し、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複し、好ましくは名目上隣接すること、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、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を含む。
第１４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。
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、かつ／または作業面内で材料を圧密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影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影は、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。
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。
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、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、構築基板／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。
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。
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。
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（例えば、参照により本明細書に組み込まれる特許文献６参照）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。
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。
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することができ、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。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通過するときに加熱することがあり、作業面内の材料を溶融させる。
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。
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。
基準パターンの周期的特性に関する補正を偏らせることによって、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る情報（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。
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。
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。
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の方向に回転することができる）、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。
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。
本発明の第１５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１３の態様または第１４の態様の方法を実施するように配置される。
本発明の第１６の態様によれば、作業面内で材料を圧密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１５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。
本発明の第１７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１３の態様または第１４の態様の方法をコントローラに実施させる。
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、Ｂｌｕｅ−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、あるい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上で送られる信号（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。
本発明の第１８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、その上に材料を圧密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し、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することであって、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、エネルギー源を位置決め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こと、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、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を含む。
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。
本発明の第１９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１８の態様の方法を実施するように配置される。
本発明の第２０の態様によれば、作業面上に材料を圧密するためにエネルギー源をそれぞれ誘導するための複数のスキャナと、本発明の第１９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。
本発明の第２１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１８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］
［図２２］本発明の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２３］図２２に示されるアディティブ製造装置の平面図である。
［図２４］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２５］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２６］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］
図２２および２３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２１１７を画定するパーティション２１１５、２１１６をその中に有する構築室２１０１を備える。構築プラットフォーム２１０２は構築体積２１１７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２１０２は、粉体ベッド２１０４および工作物２１０３を支持する。工作物２１０３の連続する層が形成されるにつれて、プラットフォーム２１０２は、構築体積２１１７内でモータの制御下で下げられる。
配量装置２１０８およびワイパ２１０９によって工作物２１０３が構築されるにつれて、粉体２１０４の層が形成される。例えば、配量装置２１０８は、特許文献７に記載されている装置でよい。配量装置２１０８は、パーティション２１１５によって画定される上面２１１５ａ上に粉体を配量し、ワイパ２１０９によって粉体ベッドにわたって拡散される。ワイパ２１０９の下縁部の位置が、粉体が圧密される作業面２１１０を画定する。
複数のレーザモジュール２１０５ａ、２１０５ｂ、２１０５ｃ、および２１０５ｄが、粉体２１０４を溶融させるためのレーザビーム２１１８ａ、２１１８ｂ、２１１８ｃ、２１１８ｄを生成し、レーザビーム２１１８ａ、２１１８ｂ、２１１８ｃ、２１８８ｄは、対応する光モジュール２１０６ａ、２１０６ｂ、２１０６ｃ、２１０６ｄによって必要とされる通りに誘導される。レーザビーム２１１８ａ、２１１８ｂ、２１１８ｃ、２１１８ｄは、共通レーザウィンドウ２１０７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２１１８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２１２１と、レーザビーム２１１８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２１２０とを備える。スキャナは、レーザビーム２１１８が作業面にわたって移動するとき、レーザビーム２１１８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。
各光モジュール２１０６ａ、２１０６ｂ、２１０６ｃ、２１０６ｄは、レーザビーム２１１８を反射し、粉体ベッド２１０４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２１２２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２１２２を構成することができる。ビームスプリッタ２１２２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２１２３によって撮像される。光学系は、放射が検出器２１２３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、またはベッド２１０４／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だけに注目することができる。
粉体ベッド２１０４の作業面２１１０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。
プロセッサ２１６１およびメモリ２１６２を備えるコントローラ２１４０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２１０５ａ、２１０５ｂ、２１０５ｃ、２１０５ｄ、光モジュール２１０６ａ、２１０６ｂ、２１６０ｃ、２１０６ｄ、構築プラットフォーム２１０２、配量装置２１０８、ワイパ２１０９、および検出器２１２３ａ、２１２３ｂ、２１２３ｃ、２１２３ｄと通信する。コントローラ２１４０は、以下で説明するように、メモリ２１６２内に記憶されたソフトウェアに基づいてモジュールを制御する。
図２４および２５を参照すると、周知の方法、または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２１０６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２１０６の較正が、既に較正されている光モジュール２１０６に対する比較を通じて実施される。図２４は、これを行なうことのできる４つの方式を示す。
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２１１８を作業面２１１０上の定義済みのｘ、ｙ位置に誘導し、溶融プール２２０３を形成する。未較正の光モジュール２１０６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２２０２は、未較正のモジュールの検出器２１２３または各検出器２１２３の視野２２０１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、名目上は同一の位置に誘導されるので、光モジュール２１０６が位置合せされた場合、溶融プール２２０２は視野の中心内に現れるはずである。しかしながら、光モジュール２１０６の間の位置合せ不良がある場合、溶融プール２２０２は、中心から外れて現れることがある。
溶融プール２２０２のイメージが、未較正の光モジュール２１０６またはそれぞれの未較正の光モジュール２１０６の検出器２１２３上で取り込まれ、代表的信号がコントローラ２１４０に送られる。コントローラ２１４０は、検出器２１２３の２次元アレイ上の溶融プール２２０２の中心の場所を決定し、較正済み光モジュール２１０６と未較正の光モジュール２１０６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２１１０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２１１０上のレーザビーム２１１８の異なる位置についての操向オプティクス２１２１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２１０６の相対的位置精度が、光モジュール２１０６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。構築中に行なわれる調節は、構築中のこの熱ドリフトを補正することができる。
別の実施形態では、較正済み光モジュール２１０６が使用され、例えば、作業面内の基板の表面を切除することによって、または粉体を圧密することによって基板を構築することによって、作業面２１１０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２２０５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２２０４が基準パターン２２０４を包含し、名目上は基準パターン２２０５の中心に置かれるように、未較正の光モジュール２１０６が配置される。未較正の光モジュール２１０６の検出器２１２３上に記録される基準パターン２２０５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２１０６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２１１０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。
基準パターン２２０５内の平行線の既知の基準周波数で基準パターン２２０５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２１２３上に記録された基準パターンのイメージに、検出器２１２３からのイメージの中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。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。
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。
図２６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。
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ファクト２２０７がアディティブ製造装置内に配置され、作業面２１１０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２２０８ａ、２２０８ｂを含み、正方形２２０８ａ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２２０８ｂ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２１０６および未較正の光モジュール２１０６が、基準パターンを含む、作業面２１１０上の名目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２１０６の視野２２０８、２２０９が重複する。光モジュールの検出器２１２３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２１０６を較正済み光モジュール２１０６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。
さらに別の実施形態では、基準パターン２２１３などの特徴が、光モジュール２１０６のうちの別のもの、または構造光パターンを作業面２１１０上に投影するためのデバイス２１２４などの別のデバイスを使用して、作業面２１１０上に形成される。視野２２１１、２２１２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２１０６は、作業面２１１０上の名目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２１２３によって取り込まれたイメージが比較され、未較正の光モジュール２１２３についての補正値がそれから決定される２つのイメージ間の基準パターン２２１３の位相ずれが決定される。
まず第１の基準パターン２２１３を、視野２２１１、２２１２内の作業レーン２１１０に投影することができ、第１の基準パターン２２１３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２２１１、２２１２内の作業レーン２１１０上に投影することができ、第２の基準パターン２２１３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。
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２２１１、２２１２内に並んで投影することができる。さらに別の実施形態では、光モジュール２１０６の検出器２１２３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、異なる波長の光を使用して、視野２２１１、２２１２内の作業面２１１０上の同一の位置（または少なくとも重複する）上に投影される。このようにして、同時に複数の軸で視野２２１１、２２１１の位置決めに関する情報を取り込むことが可能である。
別の実施形態では、基準アーテ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。
構造光が別々のデバイス２１２４によって投影されるのではなく、光モジュール自体が作業面２１１０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２１０６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。材料を圧密するために使用されるレーザビーム２１１８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２１０６内に別々の光源を設けることができる。
光モジュール２１０６ａ、２１６０ｂ、２１０６ｃ、２１０６ｄ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２１１０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２１０２または構築プラットフォーム２１０２上に配置された構築プレートの位置を、作業面にわたって複数の位置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２１０６を使用して、粉体ベッドの高さを測定することができる。
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。
［表１０］

［表１１］

［表１２］

［表１３］

［表１４］

Claims (23)

1. アディティブ製造装置のためのモジュールであって、複数の光トレインを備え、各光トレインは、レーザビームがモジュールを通過するためのルートを提供し、層ごとのアディティブ製造プロセスの部分として圧密すべき材料に対して前記レーザビームを操向するための操向オプティクスを備え、
   前記モジュールは、前記複数の光トレインから、前記アディティブ製造装置の構築室内の単一のウィンドウを通じて、レーザビームを送達するように構成されたことを特徴とするモジュール。
2. 前記アディティブ製造装置の前記構築室に前記モジュールを取り付けるための固定点を備え、これにより前記構築室ウィンドウをブリッジすることを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
3. 前記複数の光トレインに対して共通の単一の開口を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のモジュール。
4. 前記複数の光トレインのそれぞれを熱的に接続する共通熱回路を備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のモジュール。
5. 前記共通熱回路は、冷却チャネルを備える冷却回路であることを特徴とする請求項４に記載のモジュール。
6. 前記冷却回路は、前記複数の光トレインに共通の前記単一の開口の近傍の前記モジュールを冷却することを特徴とする請求項３に従属するときの請求項５に記載のモジュール。
7. 照射体積重複は、使用時に前記構築室内の前記ウィンドウの少なくとも部分を含むことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載のモジュール。
8. アディティブに構築されたハウジングを備えたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載のモジュール。
9. 層ごとのアディティブ製造プロセスの部分として材料がその中で圧密される、アディティブ製造装置のためのモジュールであって、
   複数の光トレインを備え、各光トレインは、レーザビームがモジュールを通過し、圧密すべき前記材料に対して誘導されるためのルートを提供し、
   前記複数の光トレインはシングルピースハウジング内に設けられることを特徴とするモジュール。
10. 前記ハウジングはアディティブに構築されたハウジングであることを特徴とする請求項９に記載のモジュール。
11. 請求項１ないし１０のいずれか一項に記載のモジュールを備えたことを特徴とするアディティブ製造装置。
12. アレイとして配置された請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の複数のモジュールを備えたことを特徴とする請求項１１に記載のアディティブ製造装置。
13. 前記アレイは１次元アレイであることを特徴とする請求項１２に記載のアディティブ製造装置。
14. 前記アレイの前記複数のモジュールは細長いモジュールであり、短軸に沿って互いに配置されることを特徴とする請求項１３に記載のアディティブ製造装置。
15. 前記モジュールは線形軸に沿って移動可能であることを特徴とする請求項１１ないし１４のいずれか一項に記載のアディティブ製造装置。
16. 前記アレイは２次元アレイであることを特徴とする請求項１２に記載のアディティブ製造装置。
17. 前記２次元アレイは第１の方向の３つ以上のモジュールを備えたことを特徴とする請求項１６に記載のアディティブ製造装置。
18. 前記２次元アレイは第２の方向の３つ以上のモジュールを備えたことを特徴とする請求項１７に記載のアディティブ製造装置。
19. 前記第１の方向と第２の方向とが直交する方向であることを特徴とする請求項１８に記載のアディティブ製造装置。
20. 構築室上の前記モジュールのフットプリントが作業面上の前記モジュールによって照射することのできる面積以下となるように前記モジュールが配置されたことを特徴とする請求項１１に記載のアディティブ製造装置。
21. 層ごとのアディティブプロセスで物体を構築するためのアディティブ製造装置であって、モジュールのアレイを備え、少なくとも１つのモジュールは複数の光トレインを備え、各光トレインは、レーザビームが前記モジュールを通過するためのルートを提供し、圧密すべき材料に対して前記レーザビームを操向するための操向オプティクスを備え、
    前記アレイは２次元アレイであり、第１の方向の３つ以上のモジュールと、第２の方向の３つ以上のモジュールとを備え、前記第１の方向と前記第２の方向とは直交する方向であり、前記アレイは、作業面上の連続する走査可能エリアを提供するようにアディティブ製造装置内に配置されたことを特徴とするアディティブ製造装置。
22. 前記アレイの前記モジュールは、前記作業面上の前記走査可能エリアの少なくとも部分が第１のモジュールと第２のモジュールの両方からのレーザによって走査可能であるように、間隔を置いて配置されたことを特徴とする請求項２１に記載のアディティブ製造装置。
23. 材料の層ごとのアディティブ圧密によって前記モジュールの少なくとも部分を形成することを備えたことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか一項に記載のモジュールを製造する方法。

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