CN108025362B - 用于控制激光束偏转的控制设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于激光束偏转以借助于用于基于激光的增材制造工艺的激光束加工辐照场上的辐照点的方法和控制设备，控制设备具有可正交转动的直立的至少一个第一和第二镜，经由所述镜能够反射激光束，所述镜用于将激光束引导至辐照场，其中第一镜固定在第一轴上，并且其中第二镜固定在第二轴上，并且其中‑可转动的第一镜为了以第一频率进行连续的第一振动而能够通过第一轴激励，‑并且可转动的第二镜为了以第二频率进行连续的第二振动而能够通过第二轴激励，‑并且其中第一频率与第二频率不同和/或第一振动与第二振动具有相位差，‑并且其中两个轴中的每个具有已知的位置，使得通过两个轴的已知的位置，第一振动能够与第二振动同步地形成，‑使得在达到/离开这种辐照点时能够通过接通/切断激光器实现位置相关地辐照辐照场上的辐照点，‑其中通过镜的所产生的振动能够在辐照场上描述连续的利萨茹图形。

Description

用于控制激光束偏转的控制设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于激光束偏转以借助于用于基于激光的增材制造工艺的激光束加工辐照场上的辐照点的控制设备，所述控制设备具有可正交转动的直立的至少一个第一和第二镜，经由所述镜能够反射激光束，所述镜用于将激光束引导至辐照场，并且其中第一镜固定在第一轴上，并且其中第二镜固定在第二轴上。此外，本发明还涉及一种用于控制激光束偏转的方法。
背景技术
在几乎所有工业部门的大量企业中，各种快速原型方法、即例如增材制造的使用成为新产品开发时的固定的组成部分。不断缩短的产品开发和市场推广时间以及时间和成本节约的压力增加，需要适合的方法用于在几个小时内尽可能由接近批量的、高强度的材料、即例如钢来制造构件和工具样品。
针对增材制造、选择性激光束熔化/烧结、液体中的立体光刻等涉及一组工艺，所述工艺的特征在于：通过逐层构建基本上二维的层(或基底)的方式，来制造三维构件。通常，所述层各自非常薄(例如在20和100微米之间)，并且许多层依次地形成，其中在每层中改变二维形状，以便得到期望的、最终的三维轮廓。与其中剥离材料以形成期望的构件轮廓的常规生产工艺相反，在增材制造工艺中持续地添加材料以形成忠实于最终轮廓的或接近最终轮廓的成品构件。
对此，激光源、例如带有两个镜的激光扫描仪典型地与检流计/验电计连接，所述检流计/验电计移动镜，使得将光束引导到一个点或一条限定的线上。由此，与不同的激光束强度一起，局部地确定通过激光器到材料或基底中的能量输入。然而在此出现以下问题：
一方面，激光扫描仪需要非常快速地非连续地以机械的方式移动镜，由此导致惯性和加速/减速的问题。
每个第二辐照点需要从第一辐照点进行受限的运动。因为该运动是单独的过程，所以对此必须提供大量的单独的过程参数。属于过程参数的是：坐标平移、路径长度、镜的相对位置及其运动范围、激光扫描仪特性、加速度、目标坐标和温度补偿等。然而，所有这些参数都是可能的误差源。
另一方面，对于激光器还至少需要两种运动模式：一种是工作模式；在此，激光器是活跃的，以及行进模式。在此，激光器是不活跃的。因为行进模式不需要与过程有关的条件(将激光束耦合输入到基板中)，所以只要激光系统允许，行进模式就可以更快地执行。
一些辐照策略无法实现，例如通过唯一的激光器(激光单元)进行多次辐照以用于例如激光束熔化，在所述激光束熔化中可无惯性地取向的电子束一定程度上同时投射到辐照场的多个点上，例如用于局部地预加温/加热要辐照的任意区域。为了预热，在现有技术中同时使用几个激光单元。也可以使用数字光处理芯片，其中通过将数字图像调制到光束上来产生图像。然而，由于低的能量输入，该应用限于SLA，并且不可转用于需要更高能量输入的应用，例如，激光熔化。
如今，通过激光进行的加工能够以足够的精度完成，然而只有在运算耗费/计算耗费和照射策略提高的情况下才完成。但是，任何附加的移动都影响辐照过程的工作效率和精度。
由DE112010004503T5已知了一种用于利用激光将材料从基体剥离的方法，其中设置有导向装置，其适于将激光的激光斑点相对于基体的表面在两个不同的方向上引导。在此在基体的表面上的激光斑点在闭合的回线图案中通过导向装置以正弦形谐波振荡的加速来在两个不同方向中的每一个中运动。
由US5618285A已知了一种用于将生命组装的被照射材料均匀剥离的系统，其中在具有预定图案的顺序并且连续的辐照中，并不造成在预定深度之下的伤害。
由JP57179818A已知了一种利萨茹图形在显示器上的表示，其中激光束经由振荡的镜导向到显示器上。
由US5582752A已知了一种用于将激光束对准加工面的方法以及装置。激光束在此被偏转，使得激光能基本上均匀地分散在加工面上。
发明内容
本发明的第一和第二目的是：提供一种用于激光束偏转的控制设备和一种用于控制激光束偏转的方法，以加工辐照点来生成式地制造构件的至少一个区域，其中产生可靠的且可复现的产品。
第一目的通过一种用于激光束偏转以借助于用于基于激光的增材制造工艺的激光束加工辐照场上的辐照点的控制设备，所述工艺用于通过逐层构建基本上二维的层的方式来制造三维构件，所述控制设备具有：
-能正交转动的直立的至少一个第一和第二镜，经由第一镜和第二镜能够反射所述激光束，第一镜和第二镜用于将所述激光束引导至所述辐照场，
-其中第一镜固定在第一轴上，并且其中第二镜固定在第二轴上，
-其中能转动的第一镜为了以第一频率进行连续的第一振动而能够通过第一轴激励，
-并且能转动的第二镜为了以第二频率进行连续的第二振动而能够通过第二轴激励，
-并且其中第一频率与第二频率不同，和/或第一振动与第二振动具有相位差，
-并且其中两个轴中的每个轴具有已知的位置，使得通过两个轴的已知的位置，第一振动能够与第二振动同步地形成，
-使得在达到/离开这种辐照点时能够通过接通/切断激光器实现位置相关地辐照辐照场上的辐照点，
-其中通过镜的所产生的振动能够在辐照场上描述连续的利萨茹图形。
第二目的通过一种用于控制激光束偏转以借助于用于基于激光的增材制造工艺的激光束加工辐照场上的辐照点的方法来实现，所述工艺用于通过逐层构建基本上二维的层的方式来制造三维构件，所述方法具有如下步骤：
-通过能正交转动的直立的至少一个第一和第二镜的反射将激光束引导至辐照场，
-将第一镜固定在第一轴上，并且将第二镜固定在第二轴上，
包括：
-能转动的第一镜通过第一轴激励，以用第一频率进行连续的第一振动，
-能转动的第二镜通过第二轴激励，以用第二频率进行连续的第二振动，
-第一频率与第二频率不同地设计，和/或第一振动与第二振动具有相位差，
-两个轴中的每个轴具有已知的位置，使得通过两个轴的已知的位置，第一振动能够与第二振动同步地形成，
-使得在达到/离开这种辐照点时位置相关地通过接通/切断激光器来实现位置相关地辐照所述辐照场上的辐照点，
-其中通过镜的所产生的振动能够在辐照场上描述连续的利萨茹图形。
由此，产生两个“确定性的”同步的振动(＝从一开始就精确地了解两个轴的位置)。通过本发明为激光扫描产生持续的振荡的状态/状态，所述状况/状态能够容易地且精确地调制和优化。以该方式，显著地降低镜运动的动态的复杂性，这一方面降低了成本并且另一方面改进动态机械表现的稳定性和可预测性。
也能够通过镜的已知的、重复的位置进而通过激光束在辐照场上的重复的位置不仅进行简单的辐照，而且也进行对所需要的辐照点的简单多层辐照。在此提出的镜连续运动和运动模式固有地匹配于设计范例“网格-点阵lattice-Gitter”(通过局部修改的无限的元素序列描述几何体)，当前应用所述设计范例“网格-点阵lattice-Gitter”，以便在CAD系统中利用增材加工的全部潜力(高数量的元素、仿生形状、空间相容性)。
在本发明中，通过所产生的镜振动能够在辐照场上描述连续的利萨茹图形。
在以下内容中列举出其他有利的措施，所述措施能够任意彼此组合以实现其他的优点。
优选地，利萨茹图形是闭合的。因此，仅当频率比例合理时才得到闭合的图像，否则，振动“一定程度上”从不结束。在一个优选的设计方案中，能够选择频率和相位差，使得利萨茹图形是具有足够精度的点阵。优选地，第一和第二频率和相位差设计成，使得利萨茹图形能够形成为内部的低畸变的理想点阵和外部的外点阵。因此，可见这样的点阵：第一和第二频率例如处于10kHz范围中，并且相位差处于100Hz范围中。在此，该利萨茹图形连续地投射到辐照场上，使得能够执行对辐照点的反复辐照。优选地，仅使用所产生的利萨茹图形的内部区域，即低畸变的“准点阵”。在此，投射几乎理想的理想点阵，避免在角落汇总的畸变，所述畸变能够引起不精确的辐照。在此，理想点阵以足够高的分辨率投射在粉末床上。此外，利萨茹图形具有对于辐照所需的稳定性。
在一个优选的设计方案中，不同的层设置用于通过激光束进行反复地辐照，其中为了辐照第一层能够通过镜产生第一利萨茹图形，并且为了辐照另一层能够通过镜产生第二利萨茹图形，这两个利萨茹图形能够考虑用于辐照相应的层。因此，也能够以简单的方式和方法辐照非常单一复杂的几何形状，尤其在边缘区域中具有高复杂性的几何形状。
当然，能够通过仅一个利萨茹图形实现对辐照点进行重复多次辐照。由此例如能够以简单的方式和方法进行预热。
在优选的设计方案中，为了确定第一轴以及第二轴的位置，设有对轴的校准。优选精确了解轴的位置。
优选地，轴借助马达和控制器或振荡器、尤其线圈运行，以便产生两个镜彼此间的连续的振荡。在此，马达有利地通过电子的或数字同步的伺服马达构成。振荡器有利地通过其结构保持频率，尤其振荡频率，和/或能够通过转速稳定的马达来产生频率、尤其振荡频率。与分开的(分散的)、高个性化的(各个)运动相反，存在机械部件的连续的、简单的振动。由此不产生如现有技术中存在的减速/加速等的问题。此外，在此简单地产生两个镜的连续的振荡。
附图说明
从下面的描述中参考附图得出本发明的其他的特征、特性和优点。其中示意地示出：
图1示出具有10kHz的第一频率和第二频率和+/-100Hz相位差的利萨茹图形，
图2示出具有10kHz的第一频率和第二频率和+/-100Hz相位差的利萨茹图形的核心区域，
图3示出利萨茹图形的内插的几何形状的实例；上方：垂直线，下方：正方形。
尽管详细地通过优选的实施例详细阐明和描述本发明，那么本发明不通过所公开的实例来限制。能够由本领域技术人员从中推导出其他的变型形式，而没有偏离本发明的保护范围。
具体实施方式
根据本发明认识到：一方面，镜的机械惯性或镜相对于轴的机械惯性为第一问题。另一方面，问题在于：将期望的图案/显示图案在辐照场上划出或划分成各个单独的运行/辐照点。即必须将期望的辐照点投射到要辐照的标准图案上。
根据本发明还认识到：通过扫描仪或验电计的镜的连续的移动以限定特定的方式并且充分精确地、反复地、即重复地覆盖辐照场、例如粉末床。这就是说，提出用于基于激光的(增材制造)工艺的机械连续工作的投射方法，所述投射方法产生预设的图案。
对此，控制设备具有激光器，用于激光束偏转以借助于激光束加工辐照场上的辐照点。在此，至少一个可正交转动的第一镜和可正交转动的第二镜设置用于将激光束引导至辐照场，经由所述第一镜和第二镜能够反射激光束。在此，第一镜固定在第一轴上，第二镜固定在第二轴上。可转动的第一镜为了激励成具有第一频率的连续的第一振动而固定在第一轴上；可转动的第二镜为了激励成具有第二频率的连续的第二振动而固定在第二轴上，并且其中第一频率与第二频率不同和/或第一振动与第二振动具有相位差。根据本发明，两个轴中的每个具有已知的位置，使得通过这两个轴的已知的位置，第一振动能够与第二振动同步地形成，以至于在达到/离开这种辐照点时能够通过位置相关地接通/切断激光器实现位置相关地辐照辐照场上的辐照点。
由此，产生两个同步的“确定性的”振动(＝从一开始就精确地了解两个轴的位置)，其中为了校准两个轴可能需要进行测量。
由此，将适当的利萨茹图形连续地投射到辐照场、即粉末床上。图1示出利萨茹图形，即具有10kHz的第一和第二频率和+/-100Hz相位差的点阵1。频率是纯示例性的，其中该效果可良好地看出。
这就是说根据本发明，要固化的层绘制到预设的图案上，在此即利萨茹图形。
图2示出仅上述利萨茹图形的内部区域、即低畸变的“准点阵”作为低阶的完整的图。在此，投射几乎理想的理想点阵2；避免在角落中的能够引起不精确辐照的畸变。在此，理想点阵2以足够高的分辨率投射到粉末床上。
为了获得连续振荡的镜，两个轴必须适当地机械地(彼此)移动。这例如能借助于具有马达和控制器或线圈的检流计/验电计来执行。在此需要：实现两个镜的连续的振荡。
实际上，在镜之间、即在传动装置之间通过电子或数子协调的伺服马达或振荡器执行机械的耦联，所述伺服马达或振荡器通过其结构保持频率。在此，频率例如能够是谐振频率或通过转速稳定的马达产生。然而在此主要的是精确了解轴的位置。
借助该被满足的预先条件和系统的相应的稳定性水平相对容易的是：对系统的相关状态建模：
-在稳定的利萨茹图形之内能够容易地确定激光束的y位置和x位置。
-在静态机械范畴内为这种连续振荡的系统能够良好确定机械性能(刚性、惯性、质量)。
-相反于其中在现有技术中描述镜的不同的运动、例如行进、减速、加速、停留的多种动态状态，在本发明中对于整个辐照仅存在一个动态的状态。这是镜的连续的运动。因此，能够将更多地费用投入到建模和优化所述状态中。这能够是主动的减震也或者是系统刚性的改进。
借助本发明，已知射束关于时间的位置和机械模型的误差以及可能已知层形成的热学模型。由此，实现将模型描述到通过利萨茹图形产生的图案上的映射，所述模型描述例如通过所提供的操作系统(NC码，GCODE，其描绘如点或行的设计)。在此，在映射时能够使用图形平滑或图案识别的方法，例如利萨茹图形中可用的哪些元素最佳地匹配于由GCODE所描述的设计(点、之字形行、行、正方形)。
随后，如果预设的辐照点(或预设的行区段)由镜来作用，那么现在将激光器触发至少一次(或每次)。图3示出在辐照场上投射的利萨茹图形的实例，即利萨茹图形的内插的几何形状。在此，利萨茹图形分别是理想点阵2，并且因此通过该理想点阵2反复地覆盖辐照场。现在，激光束在“空的”点/行3处中断，而激光束在黑色的(覆盖的)点4处接通。通过镜彼此间的连续的振动并且了解轴彼此处于何种关系，随时知晓：激光束具有何种位置，并且在此能够在适当的点处接通和切断。因此，在利萨茹图形中得到激光束的运动轨迹。在图3上部，通过激光束在辐照场上曝光或加固垂直的线；在下方曝光正方形。
要注意的是：不必在辐照场上可见地绘制利萨茹图形；了解何时将镜定位成使得达到辐照点/线并且何时使激光器活跃就足够了。
也能够将通过利萨茹图形的图案产生的几何形状用于辐照整个区域/线(例如图3的之字形线)。
利萨茹图形也能够交替地根据要辐照的辐照点来使用或逐层地使用，以及根据所需要的分辨率使用(粗分辨率＝低频+高的激光功率等等)。也能够实现各个要辐照的层之间的改进的连接(“壁画风格”)。也能够通过本发明实现对弯曲的边界几何形状的辐照，所述边界几何形状例如需要用于生成静态有利的几何形状，例如“大地测量学设计”。
通过本发明产生用于激光器扫描的持续的、振荡的状况/状态。以该方式，所述状况/状态能够容易且精确地建模和优化。以该方式，显著地降低动态的复杂性，其一方面降低成本并且另一方面改进机器的稳定性和可预测性。需要用于作用辐照点的电活跃性，即基本上对激光器通电在稳定的利萨茹图形中总是相同的。
由于通过利萨茹图形持续完整地覆盖辐照场，能够在(选择性的)电子束熔化(S)EBM中容易地使用先进的辐照策略，例如类似于“多射束”。也能够以高频繁性提供用于测试/监控/校准(几何形状，激光功率)的所谓的控制点。
有利地，构件的制成现在不再与辐照场如何设计或使用哪些附加的特征(参考部、控制点)的标准相关。通过本发明，每个具有相同的z分辨率和绝对的z高度的辐照需要相同的时间。然而，所选择的辐照点/辐照线能够多次被辐照、或忽略空的层。因此，通过本发明得到另外的如下的优点：
相反于分开的(分散的)、高度个性化的(各个)运动，存在机械部件的连续的简单的振动。由此，不产生减速/加速等的问题。此外，根据本发明，使用利萨茹图形的固有的图案几何形状(点阵)，以便产生对辐照点(“线图案”)的辐照。通过本发明也能够利用具有准同时的焦斑的电子束熔化工艺的优点。在此提出的连续的镜运动和运动图案固有地匹配于设计范例“网格-点阵lattice-Gitter”(通过局部修改的无限的元素序列描述几何体)，当前应用所述设计范例“网格-点阵lattice-Gitter”，以便在CAD系统中利用增材加工的全部潜力(高数量的元素、仿生形状、空间相容性)。

Claims (17)

1.一种用于激光束偏转的控制设备，借助于用于基于激光的增材制造工艺的激光束加工辐照场上的辐照点，所述增材制造工艺用于通过逐层构建基本上二维的层的方式来制造三维构件，所述控制设备具有
-能正交转动的直立的至少一个第一镜和至少一个第二镜，经由所述第一镜和所述第二镜能够反射所述激光束，所述第一镜和所述第二镜用于将所述激光束引导至所述辐照场，
-其中所述第一镜固定在第一轴上，并且其中所述第二镜固定在第二轴上，
其特征在于，
-能转动的所述第一镜为了以第一频率进行连续的第一振动而能够通过所述第一轴激励，
-并且能转动的所述第二镜为了以第二频率进行连续的第二振动而能够通过所述第二轴激励，
-并且其中所述第一频率与所述第二频率不同，和/或所述第一振动与所述第二振动具有相位差，
-并且其中所述第一轴和所述第二轴中的每个轴具有已知的位置，使得通过所述第一轴和所述第二轴的已知的位置，所述第一振动能够与所述第二振动同步地形成，
-使得在达到/离开这种辐照点时能够通过接通/切断激光器实现位置相关地辐照所述辐照场上的所述辐照点，
-其中通过所述第一镜和所述第二镜的所产生的所述第一振动和所述第二振动能够在所述辐照场上描述连续的利萨茹图形。
2.根据权利要求1所述的用于激光束偏转的控制设备，其特征在于，所述利萨茹图形是闭合的。
3.根据权利要求1或2所述的用于激光束偏转的控制设备，其特征在于，所述第一频率和所述第二频率和所述相位差能够选择成，使得所述利萨茹图形是具有处于10kHz的范围中的所述第一频率和所述第二频率以及处于100Hz的范围中的所述相位差的点阵(1)。
4.根据权利要求1或2所述的用于激光束偏转的控制设备，其特征在于，所述第一频率以及所述第二频率和所述相位差设计成，使得所述利萨茹图形能够形成为内部的低畸变的理想点阵(2)和外部的外点阵。
5.根据权利要求1或2所述的用于激光束偏转的控制设备，其特征在于，不同的层设置用于通过所述激光束进行反复地辐照，其中为了辐照第一层能够通过所述第一镜和所述第二镜产生第一利萨茹图形，并且为了辐照另一层能够通过所述第一镜和所述第二镜产生第二利萨茹图形，所述第一利萨茹图形和所述第二利萨茹图形能够考虑用于辐照相应的层。
6.根据权利要求1或2所述的用于激光束偏转的控制设备，其特征在于，能够实现对所述辐照点进行重复多次辐照。
7.根据权利要求1或2所述的用于激光束偏转的控制设备，其特征在于，为了确定所述第一轴以及所述第二轴的位置，设有对所述第一轴和所述第二轴的校准。
8.根据权利要求1或2所述的用于激光束偏转的控制设备，其特征在于，所述第一轴和所述第二轴借助马达和控制器运行，以便产生所述第一镜和所述第二镜彼此间的连续的振荡。
9.根据权利要求8所述的用于激光束偏转的控制设备，其特征在于，所述马达通过电子的或数字同步的伺服马达构成。
10.根据权利要求1或2所述的用于激光束偏转的控制设备，其特征在于，所述第一轴和所述第二轴借助振荡器运行，以便产生所述第一镜和所述第二镜彼此间的连续的振荡。
11.根据权利要求10所述的用于激光束偏转的控制设备，其特征在于，所述振荡器通过所述振荡器的结构保持频率，和/或能够通过转速稳定的马达来产生频率。
12.一种用于控制激光束偏转的方法，借助于用于基于激光的增材制造工艺的激光束加工辐照场上的辐照点，所述增材制造工艺用于通过逐层构建基本上二维的层的方式来制造三维构件，所述方法具有如下步骤：
-通过能正交转动的直立的至少一个第一镜和至少一个第二镜的反射将所述激光束引导至所述辐照场，
-将所述第一镜固定在第一轴上，并且将所述第二镜固定在第二轴上，
其特征在于，
-能转动的所述第一镜通过所述第一轴激励，以用第一频率进行连续的第一振动，
-能转动的所述第二镜通过所述第二轴激励，以用第二频率进行连续的第二振动，
-所述第一频率与所述第二频率不同地设计和/或所述第一振动与所述第二振动具有相位差，
-所述第一轴和所述第二轴中的每个轴具有已知的位置，使得通过所述第一轴和所述第二轴的已知的位置，所述第一振动能够与所述第二振动同步地形成，
-使得在达到/离开这种辐照点时位置相关地通过接通/切断激光器来实现位置相关地辐照所述辐照场上的所述辐照点，
-其中通过所述第一镜和所述第二镜的所产生的所述第一振动和所述第二振动能够在所述辐照场上描述连续的利萨茹图形。
13.根据权利要求12所述的用于控制激光束偏转的方法，其特征在于，能够将所述第一频率和所述第二频率和所述相位差选择成，使得所述利萨茹图形设计为具有处于10kHz的范围中的所述第一频率和所述第二频率以及处于100Hz的范围中的所述相位差的点阵(1)。
14.根据权利要求12或13所述的用于控制激光束偏转的方法，其特征在于，所述第一频率和所述第二频率和所述相位差设计成，使得所述利萨茹图形能够形成为内部的低畸变的理想点阵(2)和外部的外点阵。
15.根据权利要求12或13所述的用于控制激光束偏转的方法，其特征在于，通过所述激光束进行反复地辐照不同的层，其中为了辐照第一层通过所述第一镜和所述第二镜产生第一利萨茹图形，并且为了辐照另一侧通过所述第一镜和所述第二镜产生第二利萨茹图形，所述第一利萨茹图形和所述第二利萨茹图形考虑用于辐照相应的层。
16.根据权利要求12或13所述的用于控制激光束偏转的方法，其特征在于，执行对所述辐照点的重复多次辐照。
17.根据权利要求12或13所述的用于控制激光束偏转的方法，其特征在于，为了确定所述第一轴和所述第二轴的位置，执行对所述第一轴和所述第二轴的校准。
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