CN108290346A - 用于制造三维物体的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涂布机(16)，用于在用于制造三维物体(2)的设备(1)中施加构造材料(15)，所述设备用于在构造区(7)的内部通过在对应于物体的相应横截面的位置处固化构造材料的层来制造所述三维物体，其中，所述涂布机适于通过沿运动方向(B)在构造区(8)上运动来施加构造材料层(31).所述涂布机(16)具有用于检测构造区(7)的至少一个部分区域的第一扫描装置(17)，所述第一扫描装置包含第一行传感器(43)。

Description

用于制造三维物体的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于通过逐层施加和选择性固化粉末状的构造材料来制造三维物体的方法和设备。
背景技术
这种类型的装置和方法例如用在快速原型法、快速制模法或增材制造法中。这种方法一个例子以名称“选择性激光烧结或激光熔融”已知。这里重复地施加一薄层粉末状构造材料并在每个层中通过用激光束进行选择性照射而使构造材料选择性固化。
已知的是，在这种方法和设备中，对所施加和/或已固化的粉末层进行光学记录，对图像进行分析评估并且分别根据分析评估的结果可能控制地介入制造过程。
由EP 1 296 788 B1已知一种用于通过电子辐射枪在相应层的对应于物体的位置处逐层使粉末状材料熔化来制造三维物体的方法。为了检测粉末床中的表面层的表面特性而使用了相机，所述相机部分地检测表面层的温度分布并且部分地基于由于所出现的表面不均匀性而出现的阴影信息检测这种不均匀性。
DE 10 2005 015 870 B3记载了一种用于通过在对应于物体的相应横截面的位置处通过电磁或粒子辐射的作用来局部固化构造材料的层来制造三维物体的设备和方法。所述设备包括温度测量装置，用于非接触式地测量在测量区域内的构造材料的温度，所述测量区域是构造材料的层的一个部分区域，并且所述设备还具有位置调整装置，用于改变温度测量装置的测量区域的位置。在所述实施形式的一个改型中，使用IR(红外)相机作为温度测量装置，在另一个改型中，使用具有沿第一方向延展的测量区域的单行CCD相机，所述CCD相机沿垂直于第一方向的第二方向的位置是可变的。
DE 10 2013 208 651 A1记载了一种用于自动校准用于生成式制造三维物体的设备的方法，所述设备包含多于一个照射装置。这里例如通过第一照射装置照射材料的所施加的层或目标，以便产生第一测试图案，并且然后通过第二照射装置照射材料的所施加的层或目标，以便产生第二测试图案。通过相机拍摄这两个测试图案并将其相互比较或与基准图案进行比较。
US 6,492,651 B1记载了一种SDM法(Selective Deposition Modeling，选择性沉积成型法)，在这种方法中，在预先确定的位置处通过激光三角测量法获得高度信息。这里激光器垂直地向要测量的区域发出射束，并使散射的光聚焦到光学传感器上，所述传感器的光轴倾斜于激光射束延伸。备选地，传感器的光轴是垂直的，而激光射束倾斜地入射。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种备选的、优选改进的方法或提供一种备选的、优选改进的设备，用于通过逐层施加和选择性固化构造材料来制造三维物体，利用所述装置和设备可以借助于对构造区的至少一个部分区域进行光学检测来执行用于过程控制的方法。
所述目的通过根据权利要求1的涂布机、根据权利要求8的设备、根据权利要求10的用于过程控制的方法和根据权利要求15的用于制造三维物体的方法来实现。本发明的改进方案分别在从属权利要求中给出。每个独立权利要求这里既可以通过其他独立权利要求的从属权利要求也可以通过在说明书中给出的设备和方法的特征来扩展。
根据本发明的涂布机用于在用于制造三维物体的设备中施加构造材料，所述设备用于在构造区的内部通过在对应于物体的相应横截面的位置处固化构造材料的层来制造三维物体。所述涂布机适于通过沿运动方向在构造区上的运动来施加构造材料，并且所述涂布机具有用于检测构造区的至少一个部分区域的第一扫描装置，所述第一扫描装置包含第一行传感器。采用这种涂布机使得例如可以借助于对构造区的至少一个部分区域进行的光学检测来执行用于过程控制的方法。
第一扫描装置优选沿涂布机的运动方向设置在涂布机的前面或后面。由此例如可以设置，扫描装置是记录已经选择性固化的层的图像还是记录新施加的层的图像。
所述涂布机优选还包含用于检测构造区的至少一个部分区域的第二扫描装置，所述第二扫描装置包含第二行传感器，第二扫描装置优选沿涂布机的运动方向设置在涂布机的与第一扫描装置不同的一侧。由此例如既可以记录已经选择性固化的层的图像，也可以记录新施加的层的图像。
优选第一和/或第二行传感器的纵向延伸横向于、特别是垂直于涂布机的用于施加材料的运动方向，并且第一和/或第二行传感器的记录区域优选基本上沿着涂布机的整个适于施加构造材料的区域延伸。由此例如可以有利地记录构造区的二维图像。
第一和/或第二行传感器优选是CCD行传感器、CMOS行传感器或由光电二极管、辐射热测量计或热电传感器组成的行。这些传感器例如特别好地适于记录构造区的图像。
第一和/或第二扫描装置优选包含光源，所述光源优选沿第一和/或第二行传感器的整个记录区域延伸，所述光源优选通过一个长形的光源或通过一排点状的光源形成。由此例如即使在光照条件不利时也能给构造区拍摄良好的图像。
第一和/或第二扫描装置优选至少一些部分能拆卸地安装在涂布机上。由此第一和/或第二扫描装置在需要时能容易地从涂布机上拆卸。
根据本发明的用于在构造区的内部通过在对应于物体的相应横截面的位置处固化构造材料的层来制造三维物体的设备具有：能在构造区上移动的涂布机，所述涂布机适于通过沿运动方向在构造区上的运动来施加构造材料；以及至少一个能在构造区上移动的扫描装置，所述扫描装置包含行传感器，所述行传感器适于检测构造区的至少一个部分区域。在这种设备中例如能够借助于对构造区的至少一个部分区域进行光学检测来执行用于过程控制的方法。
扫描装置优选包含光源，所述光源的光输出区域优选沿行传感器的整个记录区域延伸并且所述优选通过一个长形的光源或通过一排点状的光源形成，和/或扫描装置安装在涂布机上，优选至少一些部分能拆卸地安装在涂布机上，和/或所述设备包含安装在构造区之外的用于对扫描装置的光学窗口进行刮擦的刮擦器，刮擦器所述优选具有刮擦唇或者刷子。由此例如即使在光照条件不利时也能够给构造区拍摄良好的图像，和/或扫描装置可以例如以简单的方式在构造区上运动，而不需要自己的驱动装置，和/或可以例如从扫描装置的光学窗上清洁掉污物。
根据本发明的用于在用于制造三维物体的设备中进行过程控制的方法，其中，通过包含行传感器的扫描装置检测构造区的至少一个部分区域。这种方法例如使得可以基于借助于对构造区的至少一个部分区域的光学检测获得的结果进行过程控制。
优选基于由扫描装置检测到的构造区的至少一个部分区域的图像：检测在新施加的层中的不平度和/或缺陷部位和/或检测已经选择性固化的层的已固化区域的尺寸和/或表面特性。由此例如可以基于构造区所检测到的图像进行质量检查并且采取改进质量的措施。
优选采用这样的设备，该设备具有照射单元，所述照射单元能够发出适于固化构造材料的波辐射或粒子辐射，所述过程控制包括，用以下步骤的对照射单元进行校准：使扫描装置在具有预先确定的尺寸的测试图案上运动并记录所述测试图案的图像；将所记录的图像与测试图案的预先确定尺寸进行对比并确定用于校准扫描装置的第一修正数据；通过照射装置向光敏的目标或构造材料的已施加的层上照射形成具有预先确定的理论位置的基准标记；使扫描装置在经照射的目标或经照射的层上运动并记录基准标记的图像；将基准标记通过第一修正数据由所拍摄的图像确定的实际位置与其理论位置进行对比，并确定用于校准照射装置的第二修正数据。这种方法使得例如可以对照射装置进行校准，使得光总是以足够的精度命中构造区的希望的位置。
优选使用这样的装置，所述装置包含高度可调的支座，所述支座支承构造平台，应在所述构造平台上构造所述物体，或者所述支座本身用作构造平台，所述过程控制包括，用以下步骤确定扫描装置相对于支座或构造平台的定向：将带有基准标记的测试图案放置到支座或构造平台上；使扫描装置重复地在测试图案上运动并记录测试图案的图像，在每次重复时都使支座升高或降低预先确定的高度；确定哪个基准标记在哪个图像中成像最清晰；以及对于至少两个基准标记，由位于基准标记成像最清晰的图像之间的图像的数量和基准标记之间的间距确定所述基准标记之间的连线相对于扫描装置移动经过的平面倾斜的角度。这种方法使得例如可以检测并修正支座和涂布平面之间的倾斜。
优选使用这样的设备，所述设备包含高度可调的支座，所述支座支承构造平台，应在所述构造平台上构造所述物体，或者所述支座本身用作构造平台，所述过程控制包括，用以下步骤确定扫描装置相对于支座或构造平台的定向：将带有基准标记的测试图案放置到支座或构造平台上或者对直接向支座或构造平台上照射形成基准标记；使扫描装置重复地在基准标记上运动并记录基准标记的图像，在每次重复时都使支座升高或降低预先确定的高度；确定哪个基准标记在哪个图像中成像最清晰；以及由基准标记成像最清晰的图像和相应基准标记的位置确定支座或构造平台的高度轮廓。这种方法例如使得可以检查制造的平面度并且在进一步的过程中对此加以考虑。
用于制造三维物体的方法具有以下步骤：利用涂布机通过该涂布机在构造区上的运动来施加粉末状材料的一个层；在与所述物体的横截面相对应的位置处使所述层固化；重复所述施加和固化的步骤，直至所述三维物体制造完成，其中，在施加层期间按照上面所述类型的过程控制方法通过扫描装置至少部分地扫描构造区。这种方法例如使得可以通过一种过程控制来制造三维物体，所述过程控制是基于借助于对构造区的至少一个部分区域进行光学检测获得的结果来执行的。
附图说明
本发明其他的特征和优点由参考附图对实施例的说明得出。
图1是根据本发明的第一实施形式的用于逐层制造三维物体的设备的部分用剖视图示出的示意图。
图2是在图1中示出的设备内部的一个区域的示意性的不符合比例的部分透视图并且主要示出包含在所述设备中的根据本发明的第一实施形式的涂布机。
图3是在图1中示出的设备内部的一个区域的示意性的不符合比例的部分透视图并且主要示出包含在所述设备中的根据本发明的第二实施形式的涂布机。
图4是在图1中示出的设备内部的一个区域的示意性的不符合比例的部分透视图并且主要示出包含在所述设备中的根据本发明的第三实施形式的涂布机。
具体实施方式
下面参考图1来说明根据本发明的第一实施形式的设备1。在图1中示出的设备是激光烧结设备或激光熔融设备1。所述设备为了构造物体2而包含带有腔壁4的处理腔3。
在处理腔3中设置向上敞开的具有容器壁6的容器5。通过容器5的上部开口限定工作平面7，工作平面7位于所述开口内部的、可以用于构造物体2的区域被称为构造区8。
在容器5中设置沿竖直方向V能运动的支座10，在所述支座上安装有底板11，所述底板向下封闭容器5并由此构成容器的底部。所述底板11可以是与支座10分开地构成的板件，所述板件固定在支座10上，或者所述底板可以与支座10一体地构成。根据所使用的粉末和工艺，还可以在底板上安装构造平台12，在所述构造平台上构造所述物体2。但物体2也可以在底板11本身上构造，此时所述底板用作构造平台。在图1中，以中间状态示出在工作平面7下方的要在容器5中在构造平台12上形成的物体2，所述物体2具有多个已固化的层，这些层由保持未固化的构造材料13包围。
激光烧结装置1还包含用于能通过电磁辐射固化的粉末状的构造材料15的两个存储容器14和能沿水平方向H运动的涂布机16，用于向构造区8上施加构造材料15。在处理腔3中还设有安装在涂布机16上的扫描装置17。
激光烧结设备1还包括照射装置20，所述照射装置具有激光器21，所述激光器产生激光辐射22，所述激光辐射经由转向装置23转向并通过聚焦装置24经由在处理腔3的上侧安装在壁部4中的入射窗口25聚焦到工作平面7上。
此外，激光烧结设备1还包含控制单元29，通过所述控制单元以协调的方式控制设备1的各个组成部分，以便执行构造过程。控制单元29可以包含CPU，所述CPU的运行通过计算机程序(软件)控制。所述计算机程序可以与所述设备分开地存储在存储介质上，所述计算机程序能由存储介质装载到所述设备、特别是所述控制单元中。
在运行中，为了施加一个粉末层，首先使支座10降低一个对应于希望的层厚的高度。然后，通过使涂布机16在工作平面7上移动，施加所述粉末状构造材料15的一个层。这种施加至少在要制造的物体2的整个横截面上进行，优选在整个构造区8上进行，即在工作平面7的这样区域上进行，这个区域能通过支座的竖直运动降低。接下来，由激光辐射22扫描要制造的物体2的横截面，从而粉末状的构造材料15在对应于要制造的物体2的横截面的位置处固化。一直重复这些步骤，直至物体2制造完成并能从构造腔中取出。
在涂布机16在工作平面7上移动时，扫描装置17与涂布机一起移动并且在此时扫描工作平面7。
图2是在图1中示出的设备1的在处理腔3内部的区域的示意性的、不符合比例的部分透视图。图2特别是示出了带有安装在其上的扫描装置17的涂布机16。这里，扫描装置17优选这样安装在涂布机上，使得扫描装置的至少一些部分能够为了清洁或维护目的或者为了更换从涂布机16上拆除。
在通过在先的处理步骤构成的粉末床30中，要制造的物体2的固化的部分由保持未固化的粉末13包围。通过涂布机15沿涂布方向B的运动在最后施加并已选择性固化的粉末层上施加构造材料15的另一个粉末层31。
涂布机包含沿涂布方向B位于前面的刀片(前刀片19a)和沿涂布方向B位于后面的刀片(后刀片19b)。这两个刀片沿涂布方向B和涂布方向的反方向至少部分地封闭一个中间空间。这个通过所述两个刀片19a、19b限定的中间空间构造成用于容纳粉末状构造材料15的一定存量。两个刀片19a、19b横向于、优选垂直于涂布方向B延伸并且由此由这两个刀片限定的中间空间在要涂布的区域的整个宽度上、优选在整个构造区8上延伸。通过这样的延伸限定了涂布机的适于施加构造材料的区域。
在涂布机16沿涂布方向B移动时，粉末状构造材料15的一部分保留在粉末床30上并且由后刀片19b刮涂成均匀的薄粉末层31。所施加的粉末量通过后刀片19b的下边缘与粉末床30之间的高度差来确定。根据该实施形式，扫描装置17沿涂布方向B、即涂布机16的运动方向设置在涂布机16的前面。扫描装置17具有壳体40，所述壳体具有向下朝粉末床30定向的透光的窗口41。在壳体中设置伸长的光源42和光敏的行传感器43。术语“光”在本发明的范围不仅限于可见光谱，而且还可以包括相邻的波长范围，如红外线和紫外线。
行传感器43包含一排光敏的元件并且因此可以测量沿光强所述排的空间分布。窗口41，光源42的光输出区域，即光源42的能用于输出光的区域，以及行传感器43的记录区域，即行传感器43的适于检测光的区域横向于、优选垂直于涂布方向B基本上沿涂布机16的整个适于施加构造材料的区域延伸。
在构造区8之外，在工作平面7中安装工作台50。在所述工作台50上构成刮擦器51，所述刮擦器包括刮擦元件52，所述刮擦元件优选构造成刮擦片或刷子。刮擦器51这样安装，使得在涂布机16在构造区8上的移动结束时扫描装置17移动经过刮擦器51。此时，刮擦元件52从扫描装置17的窗口41上刮除可能的污物，从而不会由于污物影响扫描装置17的运行。
带有光源和行传感器的行式扫描机是由例如用于在传真机、扫描仪、复印机中扫描文档的技术已知的。对于本申请可以使用所有由现有技术已知的部件或方法，特别是在图2中为了清楚起见也没有示出的用于会聚发出和接收的光的光学器件，只要所述光学器件在所述设备中存在的环境条件下能够使用。
这样，光源42可以构造成伸长的冷光源，例如发光材料管形式的冷光源，或者构造成一排点状的光源，如例如发光二极管。
行传感器43例如可以包含一个CCD行传感器、一个CMOS行传感器或一排单个的光电二极管。行传感器也可以由热敏的接收元件构成，如例如构造成一排辐射热测量计或热电传感器。
如在现有技术中已知的那样，光源42和行传感器43可以设计成用于与色彩无关的运行，其中，只对光强进行分析评估，也可以设计成用于色彩相关的运行，其中对颜色进行分析评估。
由光源42发出的光44命中粉末床30，由粉末床反射，并作为反射光45到达行传感器43，所述行传感器将所述反射光转换成电信号并输出该信号。
在涂布机16静止时，扫描装置17检测反射光的线轮廓。行传感器43沿纵向的空间分辨率这里通过行传感器43的记录区域的长度和包含在行传感器中的单个传感器的数量来确定。
在涂布机16移动时，扫描装置17依次检测反射光的多个线轮廓，这些线轮廓分别对应于一个在相应的时刻在粉末床30上被扫描的线。由此可以检测到粉末床30或其至少一个部分区域的二维图像。这里通过涂布机16沿运动方向B的速度和记录线轮廓的重复频率来确定涂布机16沿运动方向B的空间分辨率。
由行传感器43输出的图像信号在控制单元29或其他适用于此的分析评估单元中分析评估。在这里例如可以将其转换成图像文件并存储在存储单元中。并行于对图像的检测或在检测到总图像之后，可以对图像进行处理和分析评估。
该实施形式的设备、特别是设有扫描装置的涂布机因此能够在涂布机在构造区上移动期间拍摄构造区的至少一个部分区域的二维图像。由于所述设备通过用于过程控制的方法来运行，根据该实施形式的用于过程控制的方法也包含对构造区的至少一个部分区域的检测。
在当前实施形式中，扫描装置17沿涂布方向B设置在涂布机16的前面。由此，扫描装置17扫描粉末床30的已经选择性固化的之前的层。物体2在这里获得的已固化位置和保持未固化的粉末13具有不同的反射特性并且因此能够在所记录的图像上相互区分开。
从例如可以参考所记录的图像执行对已固化区域的测量并且该实际值与预先规定的理论值相对比。在存在偏差时，可以以控制的方式介入所述设备的运行，例如通过改变过程特性，如例如工作温度或移动速度和激光辐射的功率来介入。
例如也可以测量已经固化的区域的表面，以便识别粗糙度、孔隙、裂缝等。这里也可以在需要时对设备的运行进行控制介入。
图3是在图1中示出的设备1的处理腔3内部的一个区域的示意性的不符合比例的部分透视图并且主要示出包含在所述设备中的根据本发明的第二实施形式的涂布机16a。
涂布机16a与图2所示涂布机16的区别仅在于，扫描装置17a沿涂布方向B、即涂布机16a的运动方向设置在涂布机16a的后面，而不是前面。相应地，具有刮擦元件52a的刮擦器51a设置在构造区8的与图2中所示不同的一侧。
扫描装置17a相对于在图2中示出的扫描装置17设计成镜像的。对于其他情况，涂布机16a和扫描装置17a的结构分别与在第一实施形式中所说明的内容相同。
第一实施形式的扫描装置17扫描粉末床30之前已经选择性固化的层，而扫描装置17a扫描新施加的粉末层31。
由此，当前实施形式例如能够检测新施加的层31中的不平度和/或缺陷位置。以此为基础可以采取修正措施，例如使涂布机重新在构造区8上移动，以便补偿消除不平度和/或缺陷位置。
图4是在图1中示出的设备1的处理腔3内部的一个区域的示意性的不符合比例的部分透视图并且主要示出根据本发明的第三实施形式的涂布机b。
第三实施形式是第一和第二实施形式的组合。涂布机16b包含两个扫描装置17b、17c，其中扫描装置17b沿涂布方向B、即涂布机16b的运动方向设置在涂布机16b的前面，而扫描装置17c设置在涂布机16b的后面。相应地，在构造区8的两侧分别设置一个具有刮擦元件52b、52c的刮擦器51b、51c。
涂布机16b和扫描装置17b、17c的结构分别与在第一或第二实施形式中描述的情况是相同的。
通过将根据第一和第三实施形式的扫描装置相组合，也可以实现分别能够利用第一和第二实施形式实现的效果的结合。这里扫描装置17b承担第一实施形式的扫描装置17的功能，而扫描装置17c承担第二实施形式的扫描装置17a的功能。
这个实施形式的有利之处主要在于往复运动的涂布机，在所述涂布机中，沿图4中所示的涂布方向以及涂布方向的反方向进行涂布。在沿反方向移动时，粉末通过刀片19a涂抹成均匀的层。此时，扫描装置17c承担第一实施形式的扫描装置17的功能，而扫描装置17c承担第二实施形式的扫描装置17a的功能。
除了在上面的实施形式中说明的、对由安装在涂布机上的扫描装置检测到的粉末床的图像进行分析评估的可能性，本发明还提供了另外的可能性，主要是用于校准设备，就是说对各个部件进行绝对的和彼此相对的定向和调校的可能性。
在第一示例中，应对激光辐射的转向装置进行校准。为此，首先将设置有预先确定的测试图案的图案板或图案膜放置到支座上并由涂布机移动经过。扫描装置此时记录测试图案的图像。由与测试图案已知的尺寸和由扫描装置记录的图像的对比可以确定第一修正数据，利用第一修正数据能够校准扫描装置。由此可以将所记录的图像(例如图像文件的行、列)的坐标转换成真实坐标(例如在XY平面中的坐标)。
接下来，替代图案板，在支座上放置目标。所述目标例如可以由金属板或薄膜形成或由对激光辐射有反应的材料，如例如光敏纸形成，从而激光射束照射的图案保留在目标中。在目标上此时由激光射束施设基准标记。替代目标，也可以照射之前施加在支座上的粉末层。涂布机移动经过所述目标或粉末层，此时扫描装置拍摄基准标记的图像。
由基准标记(通过第一修正数据确定)的实际位置与其通过控制单元预先规定的理论位置的比较，可以确定第二修正数据，利用所述第二修正数据可以对转向装置进行校准。由此可以确保的是，在运行中被照射区域的实际位置与其理论位置一致。
在第二示例中，应使涂布机和支座或安装在支座上的构造平台相对于彼此对准。其前提是，涂布机和/或支座能调整定向地安装在所述设备中。
为此，首先将设置有基准标记的图案板或膜放置到支座上并由涂布机移动扫过。扫描装置此时拍摄基准标记的图像。多次重复地用涂布机移动经过并拍摄基准标记的图像，其中每次都使支座升高或降低一个预先确定的高度。
由对所拍摄的图片进行相互比较可以确定，哪个基准标识在哪个图像中成像最清晰。由两个基准标识的两个清晰图像之间的图像数量和在每个步骤中支座升高或降低的预先确定的高度以及基准标记相互之间的距离，可以确定基准标记之间的连线相对于涂布机移动经过的平面倾斜的角度。
对于矩形的构造区，优选检测三个不同的角部的三个基准标记，从而可以确定涂布机移动经过的平面与构造平台表面之间的沿两个相互垂直方向并且由此整个空间的倾斜。
然后，通过适当的措施，能够对涂布机和/或支座进行相应的再调节。此后重复这个过程，以便检查，现在定向是否正确，或者以便必要时进一步对所述定向进行适配调整。
在第三示例中，应确定支座的平面度或安装在其上的构造平台的平面度。
为此，首先将能与构造平台的表面轮廓适配并且设置有基准标记的图案膜放置到构造平台上并由涂布机移动经过。扫描装置此时拍摄基准标志的图像。多次重复地用涂布机移动经过并拍摄基准标记的图像，每次都使支座升高或降低一个预先确定的高度。
由对所拍摄的图片进行相互比较可以确定，哪个基准标识在哪个图像中成像最清晰。由此并且由相应基准标识的位置可以类似于前面一个示例确定构造平台的高度轮廓。为此，优选使用具有多个在整个构造平台上分布的基准标记的测试图案。
如果所确定的高度轮廓超过规定的极值，则例如可以用另一个构造平台来更换当前构造平台。备选地，所确定的高度轮廓也可以用于，控制介入所述设备的运行，例如通过改变过程特性、如例如工作温度或移动速度和激光射束的功率，以便对由于构造平台的高度轮廓导致的直接施加在构造平台上的第一个粉末层不同位置的厚度差加以考虑。
替代放置测试图案，也可以通过激光器向目标上照射生成基准标记。备选地也可以直接用激光器照射构造平台。由此可以避免由于图案膜或目标在构造平台上有缺陷的贴合导致的测量误差。
在上面的实施形式中，扫描装置安装在涂布机上，所述扫描装置也可以与涂布机分开地提供并与涂布机一起或与其分开地在工作平面上移动。
带有行传感器、即由检测元件组成的一维阵列的静止的扫描单元使得仅能确定一个点或一排点沿行传感器的延伸方向的空间坐标。为了能够扫描整个构造区，所述静止的扫描单元必须具有能摆动的行传感器或有适当的x/y分辨率的相机。与此相对，包含行传感器并且设置成能在构造区上运动的根据本发明的扫描机例如利用简单的结构就能提供构造区整个表面的3D信息。特别有利的是，这种能在构造区上运动的扫描机这样来实现，即扫描单元设置在能在构造区上移动的涂布机上，而与其沿涂布机的移动方向设置在涂布机的前面与后面无关或者与是否的涂布机的两侧分别设置一个扫描单元无关。
安装在涂布机上并且是沿运动方向在涂布机前面的扫描单元例如可以测量已经选择性固化的粉末层的起伏，包括基于标准水平的高处和凹处的定位。这涉及检测构造材料在固化之后的状态。这里涂布机优选构造成，使得涂布机无选择性地施加构造材料，而不仅是在对应于要制造的物体的横截面的位置处施加构造材料。优选涂布机在要制造的物体的整个范围上施加构造材料，更为优选地在整个构造区上施加构造材料。当通过同样在构造区上移动的光源实施构造材料的固化时，扫描单元例如可以沿移动方向安装在光源的后面。例如在能在构造区上运动的组合式装置中，在前面设置涂布机，在涂布机后面设置照射机，接着在照射机后面设置所述扫描单元。
安装在涂布机上的扫描单元还有这样的优点，即所述扫描单元设置成比监控整个构造区的扫描机更为靠近构造区并且更为靠近要监控的层的表面。由此例如通过避免了由于烟尘/飞溅物/冷凝物在构造区上方在处理腔中形成的飘浮尘雾对扫描的影响实现了检测更高的精度和可靠性。这种特别是在通过激光或电子射束熔化/烧结金属粉末的时经常出现所述效应的问题通过本发明得到解决，而该在熔化/烧结塑料粉末时、在立体光刻法、在熔融沉积成型(Fused Deposition Modelling)或其他这种形式的3D打印法中，不会出现所述问题。
另一个优点是，在例如从构造区上方的中央位置出发检测整个构造区的扫描机的检测区域中不会由于涂布机壳体导致出现阴影。此外，这种扫描机在构造区上例如不会出现变化的或不利的可能导致测量的检测结果受到限制的检测角度。扫描单元在安装涂布机上省去了其自身的驱动装置，并且还不必在扫描单元运动例如与涂布机驱动装置的控制单元之间进行协调。
沿运动方向将扫描单元设置在涂布机的后面的优点例如在于，在所施加的层的实际高度水平与理论高度水平的偏差方面确定涂布的质量，并且以可能更为精细的分辨率来确定所述质量，并且与凹处和隆起相关地确定所述质量。这使得必要时可以在施加量过少时补充配给粉末，这里可以通过理论-实际值比较来精确地计算出补充配给的粉末体积，并且对于凹处的位置/延伸的定位例如也允许选择性地补充配给。此外，在出现比刀片实际允许的情况高的高度情况下能够快速识别出涂布机刮料刀片的故障。
沿运动方向将扫描机设置在涂布机的前面的优点例如在于，在已固化的层的实际高度水平与理论高度水平的偏差方面确定构造过程的质量，并且以可能更为精细的分辨率来确定所述质量，并且与凹处和突出的尖端/棱边相关地确定所述质量。这使得在材料收缩程度提高(例如由于通过激光器引入过高的能量)的情况下可以在下一次层施加时补偿性地提高粉末配给和/或对过程参数、特别是照射参数进行适应性调整。这里可以通过理论-实际值比较精确地计算出要额外配给的粉末体积。在检测到已固化的区域过高(例如由于在熔化和/或烧结粉末时出现的卷曲效应)，例如可以及时终止构造过程，以便避免损坏涂布机或其他由于涂布机刀片与已固化区域过高的部分面发生碰撞导致的不希望的效应(例如振动)。
沿运动方向在涂布机的前面和后面分别设置扫描机的优点例如在于，沿运动方向设置在涂布机前面的扫描单元承担对已固化的层的扫描，而沿运动方向设置在涂布机后面的扫描单元承担对层施加的扫描。特别是当沿两个相反的方向(往复运动)进行涂布时，这些优点会特别突出。此时，两个扫描单元与相应的运动方向相关地交替扫描已固化(构件)和未固化(粉末床)的表面。
尽管是参考激光烧结设备或激光熔融设备来说明本发明，但本发明并不仅限于激光烧结或激光熔融。本发明可以采用用于通过逐层施加构造材料和选择性固化构造材料来制造三维物体的任何方法。
所述照射机例如可以包括一个或多个气体或固体激光器，或者包括任意其他形式的激光器，如例如激光二极管、特别是VCSEL(垂直空腔表面发射激光器)或VECSEL(垂直外腔表面发射激光器)，或者包括一排所述激光器。一般而言，可采用任意能够选择性地向第一构造材料的层中作为电磁辐射或粒子辐射引入能量的装置作为照射机。替代激光器例如也可以使用适于使构造材料固化的其他光源、电子射束或任意其他的能量或辐射源。本发明也可以应用于选择性的掩模烧结，在所述掩模烧结中使用延展的光源和掩模，或者本发明可以应用于高速烧结(HSS)，在高速烧结中，选择性地向构造材料上施加一种材料，这种材料在对应于物体横截面的位置处使辐射吸收提高(吸收式烧结)或降低(抑制性烧结)，此时非选择性地进行大面积照射或利用能移动的行式照射机进行照射。
替代引入能量，选择性固化已施加的构造材料也可以通过3D打印来实现，例如通过施加粘合剂。一般而言，本发明涉及与构造材料的固化的类型和方式无关地通过逐层施加和选择性固化构造材料来制造物体。
可以使用不同种类的材料作为构造材料，尤其是粉末，如例如金属粉末、塑料粉末、陶瓷粉末、沙、填充或混合的粉末。这里构造材料可以包含粉末或仅由粉末构成。

Claims (15)

1.涂布机(16)，用于在用于制造三维物体(2)的设备(1)中施加构造材料(15)，所述设备用于在构造区(8)的内部通过在对应于物体(2)的相应横截面的位置处固化构造材料(15)的层来制造所述三维物体，其中，所述涂布机(16)适于通过沿运动方向(B)在构造区(8)上运动来施加构造材料层(31)，并且所述涂布机(16)具有用于检测构造区(8)的至少一个部分区域的第一扫描装置(17)，所述第一扫描装置包含第一行传感器(43)。
2.根据权利要求1所述的涂布机(16；16a)，其中，第一扫描装置(17；17a)沿涂布机(16；16a)的运动方向(B)设置在涂布机(16；16a)的前面或后面。
3.根据权利要求1至2之一所述的涂布机(16b)，其中，所述涂布机(16b)还具有用于检测构造区(8)的至少一个部分区域的第二扫描装置(17c)，所述第二扫描装置包含第二行传感器，第二扫描装置(17c)优选沿涂布机(16b)的运动方向(B)设置在涂布机(16b)的与第一扫描装置(17c)不同的一侧。
4.根据权利要求1至3之一所述的涂布机(16)，其中，第一和/或第二行传感器(43)的纵向延伸横向于、特别是垂直于涂布机(16)的用于施加材料的运动方向(B)，并且第一和/或第二行传感器(43)的记录区域优选基本上沿着涂布机(16)的整个适于施加构造材料的区域延伸。
5.根据权利要求1至4之一所述的涂布机(16)，其中，第一和/或第二行传感器(43)是CCD行传感器、CMOS行传感器或者是由光电二极管、辐射热测量计或热电传感器组成的行。
6.根据权利要求1至5之一所述的涂布机(16)，其中，第一和/或第二扫描装置(17)包含光源(42)，所述光源优选沿第一和/或第二行传感器(43)的整个记录区域延伸，所述光源(42)优选通过一个长形的光源或通过一排点状的光源形成。
7.根据权利要求1至6之一所述的涂布机(16)，其中，第一和/或第二扫描装置(17)至少一些部分能拆卸地安装在涂布机(16)上。
8.用于在构造区(8)的内部通过在对应于物体(2)的相应横截面的位置处固化构造材料(15)的层来制造三维物体的设备(1)，所述设备具有：能在构造区(8)上移动的涂布机(16)，所述涂布机适于通过沿运动方向(B)在构造区(8)上的运动来施加构造材料层(31)；以及至少一个能在构造区上移动的扫描装置(17)，所述扫描装置包含行传感器(43)，所述行传感器适于检测构造区(8)的至少一个部分区域。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，扫描装置(17)包含光源(42)，所述光源的光输出区域优选沿行传感器(43)的整个记录区域延伸并且所述光源优选通过一个长形的光源或通过一排点状的光源形成，和/或
扫描装置(17)安装在涂布机(16)上，优选至少一些部分能拆卸地安装在涂布机(16)上，和/或
所述设备包含安装在构造区(8)之外的刮擦器(51)、所述刮擦器优选具有刮擦唇(52)或者刷子，所述刮擦器用于对扫描装置的光学窗口(41)进行刮擦。
10.用于在根据权利要求8至9之一的用于制造三维物体(2)的设备(1)中进行过程控制的方法，其中，通过包含行传感器(43)的扫描装置(17)检测构造区(8)的至少一个部分区域。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，基于由扫描装置(17)检测到的构造区(8)的至少一个部分区域的图像：
检测在新施加的层(31)中的不平度和/或缺陷部位，和/或
检测已经选择性固化的层(30)的已固化区域(2)的尺寸和/或表面特性。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，采用这样的设备(1)，该设备具有照射单元(20)，所述照射单元能够发出适于固化构造材料的波辐射或粒子辐射(22)，所述过程控制包括，用以下步骤对照射单元(20)进行校准：
使扫描装置(17)在具有预先确定的尺寸的测试图案上运动并记录所述测试图案的图像，
将所记录的图像与测试图案的预先确定尺寸进行对比并确定用于校准扫描装置的第一修正数据，
通过照射装置(20)向光敏的目标或构造材料(15)的已施加的层(31)上照射生成具有预先确定的理论位置的基准标记，
使扫描装置(17)在经照射的目标或经照射的层(30)上运动并记录所述基准标记的图像，
将通过第一修正数据由所记录的图像确定的基准标记的实际位置与其理论位置进行对比，并确定用于校准照射装置(20)的第二修正数据。
13.根据权利要求10至12之一所述的方法，其中，使用这样的设备，所述设备包含高度可调的支座(10、11)，所述支座支承构造平台(12)，应在所述构造平台上构造所述物体(2)，或者所述支座本身用作构造平台，
所述过程控制包括，用以下步骤确定扫描装置(17)相对于支座(10、11)或构造平台(12)的定向：
将带有基准标记的测试图案放置到支座(10、11)或构造平台(12)上，
使扫描装置(17)重复地在测试图案上运动并记录测试图案的图像，在每次重复时都使支座(10、11)升高或降低预先确定的高度，
确定哪个基准标记在哪个图像中成像最清晰，以及
对于至少两个基准标记，由位于基准标记成像最清晰的图像之间的图像的数量和所述基准标记彼此之间的间距确定所述基准标记之间的连线相对于扫描装置(17)移动经过的平面倾斜的角度。
14.根据权利要求10至13之一所述的方法，其中，使用这样的设备，所述设备包含高度可调的支座(10、11)，所述支座支承构造平台(12)，应在所述构造平台上构造所述物体(2)，或者所述支座本身用作构造平台，
所述过程控制包括，用以下步骤确定支座(10、11)或构造平台(12)的平面度：
将带有基准标记的测试图案放置到支座(10、11)或构造平台(12)上或者直接将基准标记照射生成到支座(10、11)或构造平台(12)上，
使扫描装置(17)重复地在基准标记上运动并记录基准标记的图像，在每次重复时都使支座(10、11)升高或降低预先确定的高度，
确定哪个基准标记在哪个图像中成像最清晰，以及
由基准标记成像最清晰的图像和相应基准标记的位置确定支座(10、11)或构造平台(12)的高度轮廓。
15.用于制造三维物体(2)的方法，具有以下步骤：
利用涂布机(16)通过该涂布机在构造区(18)上的运动施加粉末状材料(15)的一个层(31)；
在对应于所述物体(2)的横截面的位置处使所述层(31)固化；
重复所述施加和固化的步骤，直至所述三维物体(3)制造完成，其中，在施加层期间，按照根据权利要求10至14之一所述的过程控制方法通过扫描装置(17)至少部分地扫描构造区(8)。
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