CN107877855A - 用于校准制造三维物体的装置的方法和实施该方法的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于校准制造三维物体的装置的方法和实施该方法的装置。一种用于校准制造三维物体的装置的方法，装置包括至少两个扫掠单元，每个扫掠单元能够将光束引导到工作平面中并优选地在构建区域中的不同目标点，目标点位于被分配给相应的扫掠单元的扫掠区域内，扫掠区域在重叠区域中重叠，至少第一扫掠单元被分配有第一监视单元，其监视区域延伸到第一扫掠单元的目标点及其邻近，根据目标点的位置的改变来执行监视区域的位置的改变，校准方法包括以下步骤：将第一监视单元的监视区域引导到重叠区域中的区域而不从第一扫掠单元发出光束，利用经由第二扫掠单元发出的光束照射第一监视单元的监视区域的至少一部分，评估第一监视单元的输出信号。

Description

用于校准制造三维物体的装置的方法和实施该方法的装置
技术领域
本发明涉及用于校准制造装置的方法，该制造装置用于通过逐层施加并选择性地固化构建材料(优选为粉末)来增材地制造三维物体，本发明还涉及用于逐层地制造三维物体的装置和制造方法。
背景技术
这种类型的装置和方法例如用于快速原型制造、快速加工或增材制造。这种方法的一个示例通过名称“选择性激光烧结或激光熔化”已知。其中，反复施加呈粉末形式的构建材料的薄层，并且借助于激光光束选择性地照射所谓的粉末床中的对应于待制造的物体的横截面的位置来选择性地固化每个层中的构建材料。
从文献US 2016/0082668 A1已知，使用两个激光光束沿着待制造的物体的横截面扫掠所施加的材料的层。为此，装置包括两个扫掠器，用于将激光光束偏转到构建区域中的预定位置。为了校准该装置，通过固化构建材料来产生测试图案，并且通过相机检测所述测试图案，然后进行分析。然而，既不能补偿在实际构建过程中例如因为温度影响而发生的系统漂移，也不能补偿例如因为机械设定现象而在较长的时间段上发生的漂移。
发明内容
本发明的目的是提供用于校准通过逐层施加并选择性地固化构建材料来增材地制造三维物体的制造装置的替代的相应地改进的装置和替代的相应地改进的方法。
该目的通过根据权利要求1所述的校准方法、根据权利要求11所述的制造方法、根据权利要求12所述的计算机程序、根据权利要求13所述的控制装置以及根据权利要求14所述的制造装置来实现。本发明的进一步研发各自在从属权利要求中给出。此外，方法还可以通过以下描述或在从属权利要求中给出的装置的特征研发，或反之亦然，或者方法还可以通过其它方法的特征进一步研发。
根据本发明的校准方法用于校准通过在工作平面中的构建区域内逐层施加并选择性地固化构建材料(优选为粉末)来增材地制造三维物体的制造装置。制造装置包括至少两个扫掠单元，每个扫掠单元能够将光束引导到位于工作平面中、优选地位于构建区域中的不同目标点，所述目标点位于被分配给相应的扫掠单元的扫掠区域内，其中，所述至少两个扫掠单元的扫掠区域在重叠区域中重叠。所述至少两个扫掠单元中的至少第一扫掠单元被分配有第一监视单元，第一监视单元的监视区域延伸到第一扫掠单元的目标点及其邻近(即，其附近)，其中，根据目标点的位置的改变来执行监视区域的位置的改变。校准方法包括以下步骤：将第一监视单元的监视区域引导到重叠区域中的区域，而不从第一扫掠单元发出光束；利用经由所述至少两个扫掠单元中的第二扫掠单元发出的光束照射第一监视单元的监视区域的至少一部分；和评估第一监视单元的输出信号。
通过这样做，可以在目标点的位置改变的同时或者紧随其后执行监视区域的位置的改变，或者在较大时间间隔下(例如，具有限定的时间偏移)执行监视区域的位置的改变。同时的改变是优选的。
这里，扫掠单元的扫掠区域表示位于包括构建区域的工作平面中这样的区域，该区域被光束扫掠，即，可以被投射或扫过。优选地，扫掠区域包括构建区域的至少一部分。扫掠区域的表面区域可以具有任意的几何形状，例如，它可以是圆形、矩形或多边形。重叠区域可以是两个或更多个扫掠区域重叠的区域。如果具有多于一个的重叠区域，则它们可以相互邻接或者是连续的或者彼此分离。优选地，重叠区域包括构建区域的至少一部分。重叠百分比(即，扫掠区域的位于重叠区域中的表面部分)可以是100％，并且优选地可以在扫掠区域的面积的约10％至约90％之间。监视区域优选地位于构建区域内。它可以具有任意形状，并且例如包括整个构建区域。然而，它还可以小于构建区域，优选地小于重叠区域。监视区域位于构建区域内的范围(extent)有利地要求光束的偏转较小，这导致较高的精度。此外，能够实现更大的构建自由度。优选地，监视区域是圆形的，其直径为至多约30mm，进一步优选地为在构建区域中聚焦激光光束的入射区域的直径的至多约三倍。
评估和校准的过程可以在由监视单元检测到输入信号之后的任何时间执行，例如在实时检测到之后立即执行或在检测到输入信号之后的时间间隔之后执行，该时间间隔可以通过附加条件限定。
由于第一监视单元的监视区域包括第一扫掠单元的目标点，所以例如可以以简单且快速的方式检测两个扫掠器彼此的位置偏差，并且如果必要的话，对此自动地补偿。此外，根据本发明的校准方法使得例如可以不仅在制造三维物体之前校准扫掠器而且在其制造期间校准扫掠器(优选地在其制造期间多次校准扫掠器)，通过这样做可以改善所制造的物体的精度。精度可以涉及例如物体的尺寸精度或表面纹理或内部特征，特别是在物体的延伸过多于一个扫掠区域的区域中。
优选地，第二扫掠单元被分配有第二监视单元，第二监视单元的监视区域延伸到第二扫掠单元的目标点及其邻近(即，其附近)，其中，根据第二扫掠单元的目标点的位置的改变来执行第二监视单元的监视区域的位置的改变。这里，校准方法包括评估第二监视单元的输出信号的步骤。由此，例如可以监视由光束照射在构建材料上所造成的效果，例如对入射区域的加热直到形成熔池。替代地或另外地，可以检测同时影响两个监视单元的输出信号并且是例如由于产生烟雾、闷烧或烟气而造成的干扰，并且如果必要的话，对其补偿。
优选地，校准方法包括以下步骤：将第二监视单元的监视区域引导到重叠区域内的区域，而不从第二扫掠单元发出光束；利用通过第一扫掠单元发出的光束照射第二监视单元的监视区域的至少一部分；和评估第二监视单元的输出信号。通过使用两个光束和两个监视单元，校准的精度可以进一步提高。
优选地，第一监视单元的监视区域被限制到第一扫掠单元和/或第二扫掠单元的位于构建区域中的目标点及其邻近。通过限制监视区域，例如可以提高测量精度，并且可以使用更简单的监视传感器。
优选地，扫掠单元的光束是适于固化构建材料的辐射(优选为激光辐射)的光束和/或其能量不足以固化构建材料的目标光束和/或激光光束。因此，例如，可以在构建过程中和/或在构建过程之前(例如，在配置制造装置时)和/或在构建过程之后和/或在构建过程的中断期间执行校准方法。例如，如果激光辐射具有在其缓慢扫过构建区域时足以固化构建材料的强度，但是在扫过构建区域时非常快以至于在光束扫过某一位置的时间中没有向该位置处的构建材料提供足以用来固化构建材料的能量，那么可以产生其能量不足以固化构建材料的激光光束。
优选地，在各种情况下，被分配给扫掠单元的监视单元的监视区域由不同的扫掠单元的光束以扫掠的形式照射，其中，所述扫掠优选地根据预定图案实施。利用该方法，例如，可以从监视单元的输出信号获得比照射固定点更多的信息。预定图案可以是任何图案。它可以例如包括点和/或线，例如一组平行线(也称为“阴影线”)。
优选地，输出信号的评估包括确定输出信号的极值和/或将输出信号的信号曲线与预定比较图案进行比较。这使得例如可以检测两个扫掠器的目标位置之间的偏移。
优选地，对于重叠区域中的多于一个区域执行校准方法，和/或相继地执行若干次校准方法(优选地以预定时间间隔和/或在预定数量的施加层之后执行，进一步优选地在每个层中执行)，和/或通过移动扫掠单元的光束跨过工作平面(优选地跨过构建区域)并且被分配给不同的扫掠单元的监视单元的监视区域跟随所述移动来动态地执行校准方法，和/或通过移动被分配给扫掠单元的监视单元的监视区域跨过工作平面(优选地跨过构建区域)并且不同的扫掠单元的光束跟随所述移动来动态地执行校准方法。因此，例如，不仅可以在一个位置处，而且可以在重叠区域中的多个位置处检测激光光束的目标位置(即，例如通过控制相应的扫掠器，激光光束将被引导到的工作平面中的坐标或坐标范围)和实际位置(即，激光光束在工作平面中的入射位置的实际位置)之间的偏移。因此，例如，除了偏移之外，还可以检测旋转和/或扩张(dilation)，并且可以检测激光辐射的焦点位置的改变。
优选地，用于监视监视单元的监视区域的辐射的光束路径至少在其一部分内沿着相反方向与适于固化构建材料的辐射的光束和/或其能量不足以固化构建材料的目标光束和/或激光光束的光束路径相同。由此，例如可以根据相应的目标点的位置的改变来自动地执行监视区域的位置的改变。在本申请中使用术语“光束路径”，使得其被分配有方向，而不是术语的纯几何使用。激光光束的光束路径从激光器延伸到构建区域，用于监视的辐射的光束路径从构建区域延伸到监视单元。
优选地，根据输出信号的评估来确定用于定位光束中的至少一个的校正数据，其中，优选地，用于监视监视单元的监视区域的辐射的波长与适于固化构建材料的辐射和/或其能量不足以固化构建材料的目标光束和/或激光光束的波长之间的差异被考虑以便确定所述校正数据。这使得例如可以通过使用校正数据适当地控制一个或两个扫掠器来补偿在制造物体期间检测到的两个扫掠器之间的偏差。
本发明的用于通过逐层施加并选择性地固化构建材料(优选为粉末)来增材地制造三维物体的制造方法包括以下步骤：将构建材料的层施加在工作平面内的构建区域中；通过适于固化构建材料的辐射(优选为激光辐射)的至少两个光束在构建区域内选择性地照射来固化对应于物体的相应的横截面的位置处的构建材料的层；以及重复施加和固化步骤，直到完成三维物体为止。在这样做时，在构建过程之前和/或在构建过程中至少执行一次至少一种这样的校准方法。因此，例如，可以制造三维物体，其中，补偿了通过校准方法检测到的两个光束的实际位置的偏差。
根据本发明的可以被加载到可编程控制单元中的计算机程序包括程序代码模块(means)，用于当计算机程序在控制单元上运行时执行根据本发明的校准方法和/或根据本发明的制造方法的所有步骤。结果，可以执行由计算机控制的根据本发明的校准方法或制造方法。
根据本发明的控制装置适于用于通过逐层施加并选择性地固化构建材料(优选为粉末)来增材地制造三维物体的制造装置。制造装置包括：施加装置，用于将构建材料的层施加到工作平面内的构建区域；和至少两个扫掠单元，每个扫掠单元配置成将光束引导到位于工作平面中、优选地位于构建区域中的不同目标点，所述目标点位于被分配给相应的扫掠单元的扫掠区域内，其中，所述至少两个扫掠单元的扫掠区域在重叠区域中重叠。所述至少两个扫掠单元中的至少第一扫掠单元被分配有至少一个监视单元，所述至少一个监视单元的监视区域延伸到第一扫掠单元的目标点及其邻近，其中，根据目标点的位置的改变来执行监视区域的位置的改变。控制单元配置成控制制造装置，使得它重复施加和选择性固化的步骤，直到完成物体为止，并且在构建物体之前和/或在构建物体期间执行至少一次上述校准方法。利用这样的控制装置，例如可以控制制造装置，使得实现校准方法或制造方法的上述效果。术语“配置”意味着控制装置(或下面提及的制造装置)被设计或调整为使得它可以在操作时实施相应的过程或过程步骤。
根据本发明的用于通过逐层施加并选择性地固化构建材料(优选为粉末)来增材地制造三维物体的制造装置包括：施加装置，用于将构建材料的层施加到工作平面内的构建区域；和至少两个扫掠单元，每个扫掠单元配置成将光束引导到位于工作平面中、优选地位于构建区域中的不同目标点，所述目标点位于被分配给相应的扫掠单元的扫掠区域内，其中，所述至少两个扫掠单元的扫掠区域在重叠区域中重叠，其中，所述至少两个扫掠单元中的至少第一扫掠单元被分配有至少一个监视单元，所述至少一个监视单元的监视区域延伸到第一扫掠单元的目标点及其邻近，其中，根据目标点的位置的改变来执行监视区域的位置的改变。制造装置被配置和/或控制，使得它重复施加和选择性固化的步骤，直到完成物体为止，并且在构建物体之前和/或在构建物体期间执行至少一次上述校准方法。利用这样的制造装置，例如可以以简单且快速的方式检测两个扫掠器的位置偏差，并且即使在制造三维物体期间也可以校准扫掠器。
监视单元优选地包括光学传感器，光学传感器优选地包括适于空间分辨率的光电二极管和/或光学传感器，优选为CMOS或CCD传感器，其中，进一步优选地，监视单元设计为相机。因此，例如，可以以简单的方式监视光束的目标点。在本申请的上下文中，“光学”不仅涉及可见光的范围，还涉及与其相邻的红外或紫外辐射的范围。
用于执行根据本发明的方法的装置的部件还可以作为用于装备和/或改装制造装置的装备单元和/或改装单元而与装置单独设置。因此，例如，常规的制造装置可以预先装备有相应的装备单元或者改装有相应的改装单元。装备单元和/或改装单元可以例如包括计算单元和/或用于存储诸如预定比较图案这样的比较数据的存储单元。因此，例如，根据本发明的控制单元可以作为装备单元和/或改装单元而被提供给制造装置。根据本发明的制造装置然后还可以是装备有和/或改装有这种装备单元和/或改装单元的装置。
附图说明
借助于附图，在示例性实施例的描述中阐述了本发明的进一步的特征和优点。
图1示出了配置成实施根据本发明的校准方法的用于增材地制造三维物体的装置的局部剖视的示意图。
图2示出了图1所示的装置内的光束路径的示意图。
图3a示出了待固化的粉末层的示意性俯视图，其中，示出了用于根据本发明的第一实施例的校准方法的监视区域和激光光束的入射区域的路径，在该情形中，路径居中地通过监视区域。
图3b示出了从传感器输出的示意性输出信号。
图4a和4b对应于图3a和3b，在该情形中，路径没有居中地通过监视区域。
图5a和5b对应于图3a和3b，然而其中，由从两个传感器输出的输出信号形成差分信号。
图6a和6d示出了待固化的粉末层的示意性俯视图，其中，每个图示出用于根据本发明的第二实施例的校准方法的监视区域的路径和激光光束的入射区域的路径。
图6b示出了传感器的输出信号，图6c示出了来自两个传感器的输出信号的差分信号。
具体实施方式
以下参考图1描述配置成执行根据本发明的校准方法的装置。图1所示的装置是激光烧结或激光熔化装置。为了构建物体2，装置包括具有室壁4的处理室3。
在处理室3中布置有具有容器壁6的顶部开口的容器5。工作平面7由容器5的上部开口限定，其中，工作平面7的位于开口内的可以被用于构建物体2的区域被称为构建区域8。
在容器5中，布置有可以沿竖向方向V移动的托架10，基板11附接到托架，基板在底部处密封容器5并因此形成其底部。基板11可以形成为与托架10分开并且固定到托架10的板，或者基板可以与托架10一体化形成。根据所使用的粉末和工艺，还可以在基板11上布置构建平台12，作为物体2在其上构建的构建支撑件。然而，物体2还可以在基板11本身上构建，那么基板用作为构建支撑件。在图1中，在容器5中待形成于构建平台12上的物体2示出为在工作平面7的下方处于中间状态，在该中间状态中，若干固化层被保持未固化的构建材料15包围。
激光烧结装置1还包括：存储容器14，用于可以通过电磁辐射固化的构建材料15；和施加装置16，可沿水平方向H移动，用于将构建材料15施加在构建区域8内。可选地，在处理室3中布置辐射加热器17，其用于加热所施加的构建材料15。作为辐射加热器17，可以设置例如红外线加热器。
激光烧结装置1还包括曝光装置20。该曝光装置能够用两个激光光束同时扫掠构建区域8。为此，在本实施例中，曝光装置20包括第一曝光单元20a和第二曝光单元20b。第一曝光单元20a和第二曝光单元20b各自包括产生激光光束22a、22b的激光器21a、21b，激光光束由偏转装置(扫掠器)23a、23b偏转并且借助于聚焦装置24a、24b通过耦合窗25(其布置在处理室3的上侧的室壁4中)聚焦在工作平面7上。
两个曝光单元20a、20b中的每一个被分配有监视传感器30a、30b(以下简称为“传感器”)，其适于检测从所施加的粉末层的表面发射或反射的辐射31a、31b(以下简称为“来自粉末表面的辐射”)，并且输出对应于检测到的辐射的输出信号。来自粉末表面的辐射优选地遵循与激光光束22a、22b相同的光束路径，但是沿着相反方向，并且在光束路径内的任意位置处(在本实施例中为在激光器21a、21b和扫掠器23a、23b之间)通过半透明反射镜32a、32b偏转并被引导到传感器30a、30b。半透明反射镜32a、32b被设计成使得它们在基本上没有损失或偏移的情况下透过由激光器21a、21b产生的激光光束22a、22b(例如，不可见的红外辐射)，并且它们在基本上没有损失的情况下将来自入射区域的辐射3la、31b(例如，来自白炽金属熔体的可见红光)朝向反射镜33a、33b偏转。在来自粉末表面的辐射31a、31b的独立光束路径中，可以布置改变光束路径的另外的光学元件，例如透镜和/或滤光器，例如作为图2所示的聚焦装置24a、24b和/或反射镜33a、33b的平场聚焦(F-theta)透镜。
优选地，传感器30a、30b是用于检测电磁辐射(优选地在可见光的范围内，和/或在红外线和/或紫外线的范围内)的光学传感器，例如光电二极管。它还可以设计为适于空间分辨率的光学传感器，例如CMOS或CCD传感器。进一步优选地，传感器30a、30b形成相机的一部分，相机可以包括用于评估传感器数据的图像处理单元。
最后，激光烧结装置1包括控制单元29，通过该控制单元可以以协调的方式控制装置1的各个部件，以便实现构建过程。替代地，控制单元29还可以部分地或完全地布置在装置的外部。控制单元可以包括CPU，其操作由计算机程序(软件)控制。计算机程序可以与装置分离地存储在存储介质上，计算机程序可以从存储介质加载到装置中，特别是加载到控制单元中。
在操作期间，为了施加粉末层，托架10首先降低对应于所需的层厚度的量。施加装置16首先移动到存储容器14并从其接收足以施加层的一定量的构建材料15。然后它移动到构建区域8上方，并且在此将呈粉末形式的构建材料15的薄层施加到构建支撑件或先前存在的粉末层上。至少在待制造的物体2的整个横截面上进行施加，优选地在整个构建区域8上(即，工作平面7的由容器壁6限定的所述部分)进行施加。可选地，呈粉末形式的构建材料15通过辐射加热器17加热到工作温度。然后通过激光光束22a、22b扫过(扫掠)待制造的物体2的横截面，其中，粉末表面的扫掠优选地在其至少一部分中根据预定图案进行。通过这样做，呈粉末形式的构建材料15在对应于待制造的物体2的横截面的位置处固化。通过这样做，粉末颗粒在这些位置处通过辐射引入的能量部分地或完全地熔化，使得它们在冷却后作为固体结合在一起。这里，例如，第一激光光束22a可以固化物体的一部分，并且第二激光光束22b可以固化物体的另一部分。重复这些步骤，直到物体2完成并且可以从处理室3移除为止。代替制造一个物体，还可以同时制造两个或更多个物体。通过这样做，例如，第一激光光束22a可以固化物体的一部分，并且第二激光光束22b可以固化物体的另一部分，或者两个激光光束可以各自固化物体的不同区域。
图2示出了激光烧结装置1中的示意性光束路径。第一曝光单元20a可以将第一激光光束22a引导到工作平面7中的第一扫掠区域18a内的位置，并且第二曝光单元20b可以将第二激光光束22b引导到工作平面7中的第二扫掠区域18b内的位置。扫掠区域18a、18b在重叠区域19中重叠，两个激光光束22a、22b都可以被引导到重叠区域，其中，重叠区域19优选地位于构建区域8内。
在图2中，各自由实线表示的激光光束22a、22b被偏转并聚焦在工作平面上，使得它们在相同的入射点处或者在相同的入射区域内照射，因为即使在聚焦激光辐射的情况下，所述激光光束总是在平面内具有二维延伸。入射区域可以具有任何形状，例如椭圆形、圆形、多边形或不规则形状。在入射区域中，可以发生构建材料的至少部分熔化。熔池然后向上发出辐射。从该辐射，由虚线双线表示的第一光束31a被引导到第一传感器30a，同时，也由虚线双线表示的第二光束31b被引导到第二传感器30b。
辐射31a、31b因此沿着相反方向遵循激光光束22a、22b的光束路径，从工作平面7中激光光束的入射区域直到半透明反射镜32a、32b。因此，第一传感器30a检测在工作平面7中延伸到第一激光光束22a的入射区域及其邻近的第一监视区域。类似地，第二传感器30b检测在工作平面7中延伸到第二激光光束22b的入射区域及其邻近的第二监视区域。第一监视区域或第二监视区域可以是例如直径为10mm的圆形测量点。因此，由传感器30a或30b检测到的监视区域取决于相应的激光光束22a或22b的入射区域的位置。
为了确保在选择相同的入射区域时两个激光光束22a、22b聚焦在工作平面7内的相同区域上，可以校准曝光单元20a、20b。在本申请的上下文中，通常主要应用于测量装置的术语“校准”应被类似地理解为用于制造三维物体的装置。术语“校准”是指检测激光光束在工作平面中的入射区域的实际位置(当前位置)与激光光束例如通过控制扫掠器要被引导到的所需位置(目标位置)的偏差。可以从在工作平面的至少一个位置(优选地多于一个位置)上对所述偏差的检测来获得用于制造物体的校正数据。在制造期间，然后可以使用校正数据来校正扫掠器的控制，使得激光光束的入射区域的实际位置与所需位置尽可能精确地重合。原则上，通过可移动地布置的扫掠单元(即，可在两个或三个维度上调节的扫掠单元)，扫掠单元可以通过其位置或取向的物理改变来调节。然而，例如通过适当地改变扫掠器的镜子单元的控制数据进行电子校准在结构上是简单的并且实现起来成本低廉。
在本申请的上下文中，这里发生至少两个扫掠器的相对于彼此的相对校准。这意味着当两个扫掠器都被引导到相同的目标位置时，检测扫掠器的实际位置之间的偏差。第一扫掠器23a的所谓的实际位置可以通过由扫掠器23a发出的或由扫掠器23a的镜子单元偏转的光束以及其照射在构建区域8和/或工作平面7上的位置来确定。实际位置(即，被引导到目标位置的第二扫掠器23b光束的入射位置)然后显示是否必须进行两个扫掠器23a、23b相对于彼此的校准。为了在实际位置和目标位置之间确立重合或不重合(即，校准的精度)，在根据本发明的校准方法中还可以考虑预定阈值，例如两个入射位置之间的最小距离，和/或例如至少90％的符合度(agreement)，符合度在数据库中被分配给具体的测量值(例如，来自不同扫掠器的两个光束的入射区域的重叠)。在构建物体期间，然后可以使用校正数据来校正两个扫掠器的控制，使得在它们被引导到相同的目标位置时它们的实际位置尽可能精确地重合。
以下，参照图3a、3b说明用于图1所示的激光烧结装置的校准方法的第一实施例。在这种情况下，第一激光器21a保持关闭，并且第一扫掠器23a被引导到重叠区域19中的目标点Z。因此，第一传感器30a检测到具有中心Z的第一监视区域Ua。在图3a所示的该示例中，第一监视区域Ua形成为具有预定半径的圆形，从而包括第一扫掠器23a的目标点Z及其邻近。然后，在所施加的粉末上以带状路径S引导第二激光光束22b，使得其轨迹(即，其入射区域的总和)多次通过第一监视区域Ua。在图3a所示的示例的情况下，激光光束22b的入射区域遵循具有相同距离且沿着交替方向的平行线的图案(阴影线)，使得其在三个路径部分41、42、43处通过第一监视区域Ua。由照射区域的横向范围形成的每个轨迹的宽度由图3a中的阴影线表示。在图3中，阴影图案的轨迹彼此相接，但是它们还可以重叠或彼此具有间距。在这样做时，较多次通过测量区域或测量点的照射轨迹可以提高后续校准的精度。
当第二激光光束22b通过第一传感器30a的第一监视区域Ua时，在激光光束22b的入射区域处形成熔池，熔池发出辐射。第一传感器30a检测到该辐射31a的第一部分，并且所述传感器产生输出信号，如图3b所示。输出信号对应于检测到的辐射31a的强度的时间曲线。由于第二激光光束22b在三个路径部分41、42、43处通过第一监视区域Ua，如图3a所示，所以第一传感器30a记录信号的具有不同强度最大值的三个峰41'、42'、43'，其中，中间峰42'的强度最大值高于其它两个峰41'、43'的最大值。在该示例中，图3b所示的强度最大值的高度取决于轨迹路径41、42、43与监视区域或测量点Ua的目标点或中心Z的接近程度，因为所使用的传感器30a的灵敏度从光敏区域的中心Z朝向其边缘均匀地减小。当使用在测量区域上具有恒定灵敏度的传感器时，输出信号的变化因此可能不同。
如图3a所示，如果点Z不位于第二激光光束22b的曝光线42上，则记录的强度最大值和最小值与图3b所示的强度图关于其高度和/或其在时间上的发生有偏差。所述情况在图4a中示出，其中，点Z位于两个曝光线41和42之间，因此与图3a相比偏移。在该示例中，第二激光光束22b在四个路径部分40、41、42、43处通过第一监视区域Ua，使得第一传感器30a记录信号的四个峰40″、41″、42″、43″，如可以从图4b看出。在这种情况下，峰41″、42″的强度最大值同样高，同时高于峰40″、43″的强度最大值。当与图3b中可见的峰相比时，在其它条件相同的情况下，对于高的峰41″、42″和低的峰40″、43″，强度最大值均较低。这通过监视区域Ua的点Z或测量区域相对于当前曝光图案或激光光束22b的路径S的偏移来解释。
如果图3a/3b作为两个扫掠器相对于彼此正确校准的示例，根据该示例，扫掠器的实际位置和目标位置相同，则相比之下图4a/4b可以作为扫掠器的实际位置与目标位置偏离的示例，其中，点Z不是根据需要精确地位于曝光线上或曝光线的中心，而是例如由于在激光烧结装置的操作期间的结构歪斜而位于彼此平行延伸的两条曝光线之间或在曝光线的边缘区域处。两个扫掠器23a、23b之间的这种彼此相对位置偏差可以根据记录的强度最大值和最小值使用其高度和/或时间历程和/或根据信号曲线的周期持续时间和/或其它特征来确定。例如通过计算最大值和/或最小值的位置和/或通过将第一传感器30a的输出信号的信号曲线与所存储的比较信号曲线进行比较来完成所述确定。可以从所确定的位置偏差定义校正值，利用该校正值可以调整两个曝光单元20a和20b(优选地两个扫掠器23a和23b)，使得补偿位置偏差。替代地或另外地，扫掠器23a、23b可以通过为测试目的产生的校正值而相对于彼此调节，直到来自两个扫掠器23a、23b的监视单元30a、30b的输出信号的差分信号接近零为止。
所描述的校准方法使得可以以简单且快速的方式检测两个扫掠器彼此的位置偏差，并且如果必要的话，对此自动地补偿。此外，校准方法例如不仅允许在制造三维物体之前校准扫掠器，而且允许在其制造过程中的任何时间校准扫掠器，优选在其制造过程中多次校准扫掠器。通过这样做，可以提高所制造的物体的精度，例如可以检测由于温度变化而导致的改变，并且如果必要的话，对其补偿。
当第二激光光束22b照射在粉末表面上时，形成熔池。除了上述过程之外，可以使用与第二扫掠器23b相关联的第二传感器30b来监视该熔池。第二传感器的监视区域包括第二扫掠器23b的目标点Z(即，第二激光光束22b在粉末表面上的入射区域)及其邻近。第一传感器30a的输出信号可以与第二传感器30b的输出信号进行比较和关联，例如，可以对其水平归一化或减去其水平。因此，例如，图5a示出了如同图3的通过监视区域Ua的激光光束22b，图5b示出了来自两个传感器30a、30b的输出信号的差分信号的输出。利用该输出，例如可以补偿光路的干扰，诸如遮蔽或散射造成的强度降低，所述遮蔽或散射例如由从熔池排出的烟雾、蒸气和/或飞溅造成。
校准方法还可以被实现为使得首先在第一激光光束22a关闭的情况下由第二激光光束22b扫掠第一传感器30a的监视区域(如上所述)，然后在第二激光光束22b关闭的情况下由第一激光光束22a扫掠第二传感器30b的监视区域。通过这种双重测量，可以提高校准的精度。
自然地，第一和第二光束/扫掠器/传感器/监视区域/等的角色可以在上述所有方法中颠倒。
此外，还可能的是两个曝光单元20a、20b均发射光束，并且至少一个传感器(优选地两个传感器)检测来自粉末表面的辐射31a、31b，其可以是可见的或不可见的辐射，例如光或热。
所描述的校准方法可以在构建过程之前和/或在构建过程期间进行一次。然而，为了连续地监视和相对于彼此重新校准曝光单元20a、20b或扫掠器23a、23b，有利的是例如以预定的时间间隔(例如，1秒、1分钟或1小时)重复执行校准方法，和/或在预定数量的施加层之后(甚至可能在每个层中)重复执行校准方法。此外，校准还可以在一个层中在重叠区域19的多于一个区域中进行。如果同时固化若干物体，则校准方法还可以仅在对应于由两个曝光单元制造的物体的区域中进行。
校准可以在构建物体期间在粉末床的相应地最上层这样的位置处发生，所述位置位于待制造的物体的横截面内，并且因此总是要被激光光束固化。但是，校准还可以这样的位置处发生，所述位置位于待制造的物体的横截面外侧，或者如果适用的话，位于工作平面7中的构建区域8外侧。为此，可以在重叠区域中额外地构建一个或多个校准物体，其构建仅用于校准的目的。校准方法可以被限制到重叠区域内的由两个扫掠器实际照射到的区域。
在上述方法中，可以在工作平面7中(优选地在构建区域8中)检测入射区域的位置的偏差，换句话说，在二维区域中检测入射区域的位置的偏差。然而，还可以应用校准方法来检查激光辐射的聚焦，和/或检测激光光束22a、22b在其中相对于工作平面7或构建区域8以聚焦方式操作的平面的倾斜，并且基于此，在第三维度中另外调整扫掠器23a、23b彼此的偏差。
激光辐射通常被聚焦，使得粉末层表面内的圆形或椭圆形入射区域具有所需直径。在激光光束的聚焦状态下，工作平面附近的最小光束直径(以下简称为“焦点”)通常基本上位于粉末表面上。作为倾斜的结果，如果焦点与粉末表面的距离改变，则激光光束的入射区域的直径也改变。其原因是当激光光束散焦时，激光光束沿其光路的最小横截面积位于构建区域中其入射区域前方或后方，使得入射区域大于处于聚焦状态的情况。结果，引入粉末的能量密度降低，粉末被加热较少，并且由粉末发射的辐射的强度降低。这会导致在类似的信号曲线下输出信号的幅度减小和周期长度增加。
如果根据第一实施例的方法在重叠区域18内的多个位置处(在矩形重叠区域的情况下优选地在重叠区域的四个角附近)执行，则可以检测到空间中的这种改变。通过评估各个测量点处的输出信号的幅度和/或周期长度，可以检测到焦点位置的改变并且因此检测到曝光装置相对于构建区域的倾斜，或反之亦然，并且如果必要的话，进行校正。
虽然在上述第一实施例中监视区域固定并通过激光扫掠，但是监视区域还可以在校准过程中移动。
图6a和6d示出了根据第二实施例的这种动态连续实施的校准的两个示例。在图6a所示的示例中，激光光束22b经由第二扫掠器23b在重叠区域18内以路径S在粉末表面上被引导。第一监视区域Ua通过第一扫掠器23a跟随该移动，使得其路径与第二激光光束22b的路径相交若干次。图6b示出了第一传感器30a的输出信号，其中，时间段t1、t2、t3中的强度最大值示意性地对应于监视区域Ua在路径S的不同位置处或在相应的时间段t1、t2、t3中与图6a所示的激光光束22b的入射区域的最为接近的情况。图6c示出了两个传感器30a，30b的输出信号的差分信号。
在图6d所示的示例中，第一监视区域Ua通过第一扫掠器23a在重叠区域18内在粉末表面上被引导。激光光束22b通过第二扫掠器23b跟随该移动，使得其路径与第一监视区域Ua的路径相交若干次。因此所获得的信号与图6b和6c所示的相似。
如在第一实施例的情况下，可以例如通过确定最大值和/或最小值的位置，或通过将信号形式与所存储的比较信号曲线进行比较来评估输出信号。
同样在该实施例中，第一和第二扫掠器的角色可以颠倒。激光光束和监视区域的路径可以任意选择，只要它们使得能够进行可以确定两个扫掠器的目标位置之间的偏移的评估。
上述实施例的特征可以尽可能地彼此组合。例如，还可以动态地执行根据第二实施例的聚焦偏差的检测。
根据上述实施例，对于校准，监视区域被引导到用于固化构建材料的激光光束的入射区域。然而，还可以使用其能量不足以固化构建材料的激光光束。此外，还可以使用激光(例如，指示激光)的目标光束和/或耦合到激光的光束路径中的另外的辐射源。如果所使用的光束遵循与激光光束略微不同的光束路径，则在输出信号的评估中考虑到这一点。在这种情况下，来自粉末层的辐射不是从熔池发出的辐射，而是照射在粉末层上的辐射的反射和/或散射。
所使用的光学元件的可能的色差(照射在粉末表面上的光束与从粉末表面发出的来自表面的辐射的波长可能不同)可能导致光学元件对两种类型的辐射进行不同的折射，这可能导致由监视单元观察到照射过程的失真图像。由此在监视传感器的输出信号上受到的影响可以在输出信号的评估中进行补偿，例如通过软件来补偿。
在上述实施例中，基于一个或多个传感器的输出信号来评估测量值，所述输出信号作为电信号表示入射在传感器上的辐射的总强度。然而，当使用二维图像传感器(例如，CMOS或CCD传感器，其优选地各自形成可以具有用于评估传感器数据的图像处理单元的相机的一部分)时，还有进一步评估的可能性。相机可以例如与扫掠器同轴地安装，使得扫掠器的光轴对应于相机的中心轴线。耦合到图像处理单元的评估单元可以直接通过所述入射区域的图像在传感器上的位置或在由图像处理单元生成的图像上的位置来确定激光光束的入射区域的位置。根据入射区域的图像和图像记录传感器的分辨率的图像比(imageratio)确定位置分辨率。通过这样的评估，可以减少校准所需的时间，并且可以更快地执行校准过程。
然而，通过相机，还可以进一步修改校准方法。具有图像处理和评估单元的相机可以例如还能够以高精度检测物体的边缘或其它特征。当第一扫掠器已经照射扫掠重叠区域中的物体的一部分时，第二扫掠器的设计为相机的监视单元可以识别第一扫掠器停止的位置，然后第二扫掠器可以直接在之后继续构建。
换句话说，第二扫掠器23b的监视单元通过传感器30b(例如，使用具有适于空间分辨率的适当精细分辨率的图像传感器)检测第一扫掠器23a的固化过程，该监视单元可以在构建材料的最上层的物体的已经固化的特征处检查实际位置是否对应于目标位置。为此，实际位置(例如，可以通过传感器30b检测的物体的边缘或角部的坐标)可以与相应的目标位置(即，曝光控制数据的坐标)进行比较，如果适当的话，可以确定偏移。然后，可以将已经固化的特征的实际位置定义为第二扫掠器23b的所需位置，并且借助于先前通过偏移确定的校正值可以改变扫掠器23b的取向。因此，可以将第一扫掠器23a的取向定义为前导，并且第二扫掠器23b的取向可以与之适应。例如，第二扫掠器23b可以精确地在第一扫掠器23a已经完成了被分配给它的构建过程的一部分或已经完成固化过程的物体位置处继续构建过程，但是仅在通过扫掠器23b的固化开始紧邻之前进行扫掠器23a、23b相对于彼此的校准。该方法具有的相当大的优点在于，还可以在构建过程中执行两个或更多个扫掠器相对于彼此的校准，而不损害物体的质量或放弃正在运行的构建过程或造成相当大的时间损失。
因此，如果两个扫掠器需要被彼此校准，则可以进行校准，使得第二扫掠器识别已经通过第一扫掠器固化的特征，将其作为给定的，并且因此根据第一扫掠器的默认值进行电子地或机械地调节。
作为示例的上述激光烧结装置包括两个曝光单元，每个曝光单元包括激光器。然而，还可以设置仅具有一个激光器的照射装置，其中，激光光束例如通过分束器偏转到两个独立可控的扫掠器，使得照射装置能够产生两个独立可控的激光光束。传感器30a、30b然后被分配给相应的扫掠器。
此外，激光烧结装置还可以包含多于两个曝光单元和/或扫掠器。可以向每个扫掠器分配扫掠区域，其中，扫掠区域可以在一个或多个重叠区域中重叠。因此，可以通过至少两个(但是可能地还通过三个或更多个)激光来照射每个重叠区域。传感器与至少一个(优选地，每个)曝光单元或至少一个(优选地，每个)扫掠器相关联。
尽管通过将激光烧结或者激光熔化装置描述为增材逐层构建装置的示例来描述本发明，但是本发明并不限于激光烧结或激光熔化。它可以应用于通过逐层施加并利用能量光束的扫掠来选择性地固化构建材料而增材地制造三维物体的任何方法。
例如，曝光装置可以包括一个或多个气体或固体激光器，或任何其它类型的激光器，例如激光二极管，特别是VCSEL(垂直腔面发射激光器)或VECSEL(垂直外腔面发射激光器)或这些激光器的阵列。通常，作为曝光装置，可以使用将作为波或粒子辐射的能量选择性地递送到构建材料的层的任何装置。不同于激光，例如可以使用适于固化构建材料的不同的光源、电子束或者任何其它能量源或辐射源。
各种材料可以被用作构建材料，优选是粉末，特别是金属粉末、塑料粉末、陶瓷粉末或者填充有或混合有砂的粉末。

Claims (15)

1.一种用于校准通过在工作平面(7)中的构建区域(8)内逐层施加并选择性地固化构建材料(15)来增材地制造三维物体(2)的制造装置(1)的校准方法，所述构建材料优选为粉末，
其中，制造装置(1)包括至少两个扫掠单元(23a，23b)，每个扫掠单元能够将光束(22a，22b)引导到位于工作平面(7)中的、优选地位于构建区域(8)中的不同目标点，所述目标点位于被分配给相应的扫掠单元(23a，23b)的扫掠区域(18a，18b)内，其中，所述至少两个扫掠单元(23a，23b)的扫掠区域(18a，18b)在重叠区域(19)中重叠，
其中，所述至少两个扫掠单元中的至少第一扫掠单元(23a)被分配有第一监视单元(30a)，第一监视单元的监视区域(Ua)延伸到第一扫掠单元(23a)的目标点及其邻近，其中，根据目标点的位置的改变来执行监视区域的位置的改变，
其中，校准方法包括以下步骤：
将第一监视单元(30a)的监视区域(Ua)引导到重叠区域(19)中的区域，而不从第一扫掠单元(23a)发出光束(22a)，
利用经由所述至少两个扫掠单元中的第二扫掠单元(23b)发出的光束(22b)照射第一监视单元(30a)的监视区域(Ua)的至少一部分，和
评估第一监视单元(30a)的输出信号。
2.根据权利要求1所述的校准方法，其中，第二扫掠单元(23b)被分配有第二监视单元(30b)，第二监视单元的监视区域延伸到第二扫掠单元(23b)的目标点及其邻近，其中，根据第二扫掠单元(23b)的目标点的位置的改变来执行第二监视单元(30b)的监视区域的位置的改变，并且
校准方法包括评估第二监视单元(30b)的输出信号的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的校准方法，其中，第二扫掠单元(23b)被分配有第二监视单元(30b)，第二监视单元的监视区域延伸到第二扫掠单元(23b)的目标点及其邻近，其中，根据第二扫掠单元(23b)的目标点的位置的改变来执行第二监视单元(30b)的监视区域的位置的改变，并且
校准方法包括以下步骤：
将第二监视单元(30b)的监视区域引导到重叠区域(19)内的区域，而不从第二扫掠单元(23b)发出光束(22b)，
利用经由第一扫掠单元(23a)发出的光束(22a)照射第二监视单元(30b)的监视区域的至少一部分，和
评估第二监视单元(30b)的输出信号。
4.根据权利要求1至3之一所述的校准方法，其中，第一监视单元(30a)的监视区域(Ua)被限制到第一扫掠单元(23a)的目标点及其邻近，和/或
第二监视单元(30b)的监视区域(Ub)被限制到第二扫掠单元(23b)的目标点及其邻近。
5.根据权利要求1至4之一所述的校准方法，其中，扫掠单元(23a，23b)的光束(22a，22b)是适于固化构建材料的辐射的光束，所述辐射优选为激光辐射，和/或
扫掠单元(23a，23b)的光束(22a，22b)是其能量不足以固化构建材料(15)的目标光束和/或激光光束。
6.根据权利要求1至5之一所述的校准方法，其中，被分配给扫掠单元(23a，23b)的监视单元(30a，30b)的监视区域(Ua，Ub)被不同的扫掠单元(23a，23b)的光束(22a，22b)以扫掠的形式照射，
其中，所述扫掠优选地根据预定图案实施。
7.根据权利要求1至6之一所述的校准方法，其中，输出信号的评估包括确定输出信号的极值和/或将输出信号的信号曲线与预定比较图案进行比较。
8.根据权利要求1至7之一所述的校准方法，其中，对于重叠区域(18)中的多于一个区域执行校准方法，和/或
相继地执行若干次校准方法，优选地以预定时间间隔和/或在预定数量的施加层之后执行校准方法，进一步优选地在每个层中执行校准方法，和/或
通过移动扫掠单元(23a，23b)的光束(22a，22b)跨过工作平面(7)、优选地跨过构建区域(8)并且被分配给不同的扫掠单元(23b，23a)的监视单元(30b，30a)的监视区域(Ub，Ua)跟随所述移动来动态地执行校准方法，和/或通过移动被分配给扫掠单元(23a，23b)的监视单元(30a，30b)的监视区域(Ua，Ub)跨过工作平面(7)、优选地跨过构建区域(8)并且不同的扫掠单元(23b，23a)的光束(22b，22a)跟随所述移动来动态地执行校准方法。
9.根据权利要求1至8之一所述的校准方法，其中，用于监视监视单元(30a，30b)的监视区域(Ua，Ub)的辐射(31a，31b)的光束路径至少在其一部分内沿着相反方向与适于固化构建材料(15)的辐射的光束(22a，22b)和/或其能量不足以固化构建材料的目标光束和/或激光光束的光束路径相同。
10.根据权利要求1至9之一所述的校准方法，其中，用于定位光束(22a，22b)中的至少一个的校正数据根据输出信号的评估来确定，
其中，用于监视监视单元的监视区域的辐射的波长与适于固化构建材料的辐射和/或其能量不足以固化构建材料的目标光束和/或激光光束的波长之间的差异被考虑以便确定所述校正数据。
11.一种用于通过逐层施加并选择性地固化构建材料(15)来增材地制造三维物体(2)的制造方法，所述构建材料优选为粉末，制造方法包括以下步骤：
将构建材料(15)的层施加在工作平面(7)内的构建区域(8)中，
通过适于固化构建材料(15)的辐射的至少两个光束(22a，22b)在构建区域内选择性地照射来固化对应于物体(2)的相应的横截面的位置处的构建材料的层，所述辐射优选为激光辐射，以及
重复施加和固化的步骤，直到完成三维物体(2)为止，
其中，在构建过程之前和/或在构建过程中执行至少一次根据权利要求1至10之一所述的校准方法。
12.一种可以被加载到可编程控制单元(29)中的计算机程序，包括程序代码模块，用于当计算机程序在控制单元上运行时执行根据权利要求1至10之一所述的校准方法和/或根据权利要求11所述的制造方法的所有步骤。
13.一种用于通过逐层施加并选择性地固化构建材料(15)来增材地制造三维物体(2)的制造装置(1)的控制装置，所述构建材料优选为粉末，其中，制造装置包括：
施加装置(16)，用于将构建材料(15)的层施加到工作平面(7)内的构建区域(8)，和
至少两个扫掠单元(23a，23b)，每个扫掠单元配置成将光束(22a，22b)引导到位于工作平面(7)中的、优选地位于构建区域(8)中的不同目标点，所述目标点位于被分配给相应的扫掠单元(23a，23b)的扫掠区域(18a，18b)内，其中，所述至少两个扫掠单元(23a，23b)的扫掠区域(18a，18b)在重叠区域(19)中重叠，
其中，所述至少两个扫掠单元的至少第一扫掠单元(23a)被分配有至少一个监视单元(30a)，所述至少一个监视单元的监视区域(Ua)延伸到第一扫掠单元(23a)的目标点及其邻近，其中，根据目标点的位置的改变来执行监视区域(Ua)的位置的改变，
其中，控制单元(29)配置成控制制造装置(1)，使得它：
重复施加和选择性固化的步骤，直到完成物体(2)为止，并且
在构建物体(2)之前和/或在构建物体期间执行至少一次根据权利要求1至10之一所述的校准方法。
14.一种用于通过逐层施加并选择性地固化构建材料(15)来增材地制造三维物体(2)的制造装置(1)，所述构建材料优选为粉末，制造装置包括：
施加装置(16)，用于将构建材料(15)的层施加到工作平面(7)内的构建区域(8)，和
至少两个扫掠单元(23a，23b)，每个扫掠单元配置成将光束(22a，22b)引导到位于工作平面(7)中的、优选地位于构建区域(8)中的不同目标点，所述目标点位于被分配给相应的扫掠单元(23a，23b)的扫掠区域(18a，18b)内，其中，所述至少两个扫掠单元(23a，23b)的扫掠区域(18a，18b)在重叠区域(19)中重叠，
其中，所述至少两个扫掠单元的至少第一扫掠单元(23a)被分配有至少一个监视单元(30a)，所述至少一个监视单元的监视区域(Ua)延伸到第一扫掠单元(23a)的目标点及其邻近，其中，根据目标点的位置的改变来执行监视区域(Ua)的位置的改变，
其中，制造装置(1)配置和/或控制成使得它：
重复施加和选择性固化的步骤，直到完成物体(2)为止，并且
在构建物体(2)之前和/或在构建物体期间执行至少一次根据权利要求1至10之一所述的校准方法。
15.根据权利要求14所述的制造装置，其中，监视单元(30a，30b)包括光学传感器，
其中，光学传感器优选地包括适于空间分辨率的光电二极管和/或光学传感器，优选为CMOS或CCD传感器，
其中，进一步优选地，监视单元(30a，30b)设计为相机。
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