CN108463300A - 用于增材制造设备和方法的模块 - Google Patents

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CN108463300A
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Renishaw PLC
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Abstract

一种用于增材制造设备的模块(105)，该模块包括不只一个光学链，每个光学链提供激光束(116)穿过该模块(150)的路线并且包括转向光学器件，该转向光学器件用于使激光束(116)朝向作为逐层增材制造工艺的一部分而待固结的材料(104)转向。该模块(105)被配置成将来自该不只一个光学链的激光束(116)递送穿过该增材制造设备的构建室(101)中的单个窗口(107)。

Description

用于增材制造设备和方法的模块
本发明涉及一种用于增材制造设备的模块，具体地涉及一种包括多个光学链(optical train)的模块，用于以逐层方式形成物体。
用于生产物体的增材制造方法或快速原型成型方法包括使用激光束对材料(诸如金属粉末材料)进行逐层固化。粉末层沉积在构建室中的粉末床上，并且跨越与正被构建的物体的横截面对应的粉末层的部分扫描激光束。激光束将粉末熔化或烧结以便形成固化的层。在对层进行选择性固化之后，粉末床减低了新固化的层的厚度，并且根据需要将另外一层粉末在表面上摊开并固化。
从DE 102005014483中已知使用四个激光束，每个激光束将粉末固化在粉末床的不同象限中。这种布置可以提高构建速度，因为可以用不同激光束同时构建位于不同象限中的物体的不同部分或不同物体。提供四个f-θ透镜作为位于处理室外壳的上壁中的窗口单元。
WO 2014/199134披露了一种具有四个激光器的布置，每个激光器与物理地间隔开的四个光学模块中的一个相关联。每个激光器的扫描区重叠，但不与一个而非所有激光束可以被引导到的粉末床的区域相连以及不与所有四个激光束可以被引导到的中心区域相连。扫描器的性能往往针对激光束的不同位置而变化。例如，如果扫描器包括可旋转反射镜，则反射镜的精度可以根据角度而变化。此外，当光斑移动远离激光束垂直于粉末床的位置时，光斑将变得更椭圆。由于用于单独使每个激光束转向的光学器件必须物理地间隔开，因此针对每个激光束实现特定性能的扫描区可能不与针对其他激光束的对应扫描区重合。通过将扫描器布置成使得每个扫描区小于粉末床的总面积，可以利用其中扫描器可以引导具有特定性能的激光束的、不与其他激光束的对应区域重叠的区域，同时保留了扫描粉末床的未落在重叠区域内的区域的灵活性。
WO 2010/026397提出一种光学模块，该光学模块可以包括两个或更多个光学链(激光穿过的模块内的布置)。因此，模块或许能够将两个或更多个激光束同时递送到处理室中。该文件披露了光学模块具有用于光学链的出口孔并且构建室中的窗口大致为光学链的f-θ透镜的尺寸。
在构建期间，由于模块中的温度变化，激光束被转向到的位置可能偏离期望/命令的位置。在具有用于使多个激光束转向的多个光学链的设备中，由于光学链之间的温度差异，两个光学链之间可能发生差热漂移。这可能导致被不同的激光束熔化的构建体的相邻固化部分不按期望对准。
根据第一方面，提供了一种用于增材制造设备的模块，该模块包括不只一个光学链，每个光学链提供激光束穿过模块的路线并且包括转向光学器件，该转向光学器件用于使激光束朝向待固结的材料转向以作为逐层增材制造工艺的一部分；
其中该模块被配置成将来自该不只一个光学链的激光束递送穿过该增材制造设备的构建室中的单个窗口。
模块可以包括用于将模块附接到增材制造设备的构建室上的一个或多个固定点，因此模块桥接构建室窗口。
模块可以包括不只一个光学链共用的单个孔。
模块可以包括热连接不只一个光学链中的每一个的公共热回路。
公共热回路可以是包括冷却通道的冷却回路。
冷却回路可以在不只一个光学链共用的单个孔附近使模块冷却。
模块可以包括增材构建的外壳。
模块可以包括统一和/或公共和/或集成和/或一体和/或一件式和/或单个和/或共享和/或互连和/或一致的外壳。
每个光学链可以具有相关联的照射体积。每个照射体积可以与一个或多个其他辐射体积重叠区，从而限定照射体积重叠区。
模块可以提供在使用时包含构建室中的窗口的至少一部分的照射体积重叠区。照射体积重叠区可以包含模块的窗口的至少一部分。
根据第二方面，提供了一种用于增材制造设备的模块，其中作为逐层增材制造工艺的一部分，材料被固结；
该模块包括不只一个光学链，每个光学链提供激光束穿过该模块并且被引导朝向待固结的材料的路线；
其中该不只一个光学链被设置在单件式外壳内。
外壳可以是增材构建的外壳。
根据第三方面，提供了一种包括第一方面或第二方面的模块的增材制造设备。
增材制造设备可以包括多个布置成阵列的根据第一方面或第二方面的模块。阵列可以是一维阵列。该阵列的多个模块可以是细长模块并且沿着短轴线布置在一起。
阵列可以是二维阵列。二维阵列可以在第一方向上包括超过两个模块，并且可以在第二方向上包括超过两个模块，第一方向和第二方向可以是正交的。
增材制造设备可以包括构建室，模块可以被附接到构建室，模块或许能够将至少一个激光束引导到工作平面，其中每个激光束在工作平面上限定扫描区域。
增材制造设备可以包括模块，该模块被布置成使得模块在构建室上的覆盖区不大于模块在工作平面上可以照射的区域。
根据第四方面，提供了一种用于以逐层增材工艺来构建物体的增材制造设备，该增材制造设备包括模块阵列，至少一个模块包括不只一个光学链，每个光学链提供激光束穿过模块的路线并且包括转向光学器件，该转向光学器件用于使激光束朝向待固结的材料转向，其中该阵列是二维阵列并且在第一方向上包括超过两个模块且在第二方向上包括超过两个模块，第一方向和第二方向是正交方向，并且其中阵列被布置在增材制造设备中以便提供连续可扫描区域。
阵列中的模块可以间隔开，使得工作平面上的可扫描区域的至少一部分可以被来自第一模块和第二模块两者的激光扫描。
根据第五方面，提供了一种制造第一方面或第二方面的模块的方法，该方法包括通过材料的逐层增材固结来形成模块的至少一部分。
为了更好地理解本发明，现在将仅借助于实例参考附图描述本发明，在附图中；
图1是根据实施例的激光固化设备的示意图；
图2是从另一侧看的图1的激光固化设备的示意图；
图3示出了根据本发明的实施例的用于模块的外壳的平面图；
图4示出了用于图3的模块的外壳的侧视图；
图5示出了如沿用于图3的模块的外壳的线V-V看到的使用中的模块的横截面；
图6示出了根据本发明的模块的替代实施例；
图7示出了根据本发明的用于模块的外壳的另一实施例的平面图；
图8示出了安装到增材制造设备的构建室上的根据本发明的用于模块的外壳的又一实施例的平面图；
图9a示出了安装到增材制造设备的构建室上的图8的实施例的平面图；
图9b示出了由图9a的模块在增材制造设备的工作平面上产生的扫描区域；
图10a示出了位于增材制造设备内的光学模块阵列；
图10b示出了包括图像捕获装置的光学模块。
图10c示出了由图10a的阵列在增材制造设备的工作平面上产生的扫描区域；
图11示出了根据本发明的模块的另一实施例；
图12a示出了根据本发明的模块的另一替代实施例的平面图；
图12b示出了以2维阵列布置在增材制造设备内的图12a的多个模块；
图12c示出了由图12b的阵列在增材制造设备的工作平面上产生的扫描区域。
参考图1和图2，根据本发明的实施例的包括光学模块105的激光固化设备还包括构建平台102，该构建平台用于支撑通过选择性激光熔化粉末104而构建的物体103。随着物体103的连续层被形成，可以在室101内使平台102降低。在物体103由分配设备108和擦拭器109构建时，形成粉末层104。例如，分配设备109可以是如在WO 2010/007396中所描述的设备。四个激光器1、2、3和4，诸如Nd：YAG，或光纤激光器各自生成用于熔化粉末104的激光束。每个激光束在计算机130的控制下根据需要而由光学模块105和光束引导器模块106引导。激光通过窗口107进入构建室101。每个激光束可以被独立地转向以固化粉末床104的单独区域。
入口112和出口110被布置用于产生跨过在构建平台102上形成的粉末床的气体流。入口112和出口110被布置成产生具有从入口至出口的流动方向的层流，如箭头118所示。气体通过气体再循环环路111从出口110再循环至入口112。泵113在入口112处维持期望的气体流。在再循环环路111中设置过滤器114，以便过滤已经截留在流中的冷凝物和其他颗粒。应当理解，不只一个入口112可以设置在构建室101中。此外，再循环环路111不是在构建室101的外部延伸，而是可以被包含在构建室101内。
计算机130包括处理器单元131、存储器132、显示器133、用户输入装置135(诸如键盘、触摸屏等)、通至激光烧结单元的模块(诸如光学模块105、光束引导器模块106以及激光模块1至4)的数据连接、以及外部数据连接135。计算机程序存储在存储器132上，该计算机程序指导处理单元131执行构建方法。
图3和图4示出了用于光学模块的外壳并且图5更详细地示出了光学模块105。光学模块105具有包括主体的外壳115、以及用于耦合到激光束源1、2、3、4的四个激光束接收器部分120a、120b、120c、120d和光束引导器模块接收器部分122a、122b、122c、122d。应当理解，虽然示出了四个激光束接收器部分120和四个光束引导器模块接收器部分122，但情况不一定如此，并且在光学模块105的其他实施例中，可以提供更少(例如两个或三个)或更多(例如五个、六个、七个、八个或更多个)激光束接收器部分120和光束引导器模块接收器部分122。虽然所示实施例示出了适于接收激光器或激光模块1、2、3、4的每个激光束接收器部分120，但应当理解，情况不一定如此，并且一个、一些、许多或每个/所有的激光束接收器部分120可以适于以任何其他合适的方式接收激光束，包括由光纤电缆递送的激光束或通过空间/跨过间隙递送的激光束。在此类情况下，每个激光束接收器部分120可以从不同的激光器接收激光束，或者单个激光器可以产生被分成多个激光束的激光束，激光束中的每一个被提供到对应的激光束接收器部分120。此外，虽然所示实施例示出了每个激光束接收器部分120具有相关联的光束引导器模块接收器部分122，但情况不一定如此，并且单个光束引导器模块接收器部分122可以适于接收用于引导来自一个或多个激光源的不只一个激光束的光束引导器模块106，并且在一些实施例中，可以存在用于接收引导所有激光束的光束引导器模块106的单个光束引导器模块接收器部分122。在更进一步的实施例中，光束引导器光学器件可以被内置，即，不容易从外壳115/光学模块105中移除，并且不需要提供光束引导器模块接收器部分122。
图5示出了沿着图3的模块的外壳115的线V-V截取的光学模块105的横截面，并且示出了激光器1和3。图5还示出了两个光束引导器模块106b、106c。示出了与激光器3相关联的第一光束引导器模块106c(在该图的右侧)，即，第一光束引导器模块106c被接收在与接收了激光器3的激光束接收器部分120c相关联的光束引导器模块接收器部分122c中。第二光束引导器模块106b(在该图的左侧)被接收在与图1中示出接收激光器2的激光束接收器部分120b相关联的光束引导器模块接收器部分122b中。如图5所示，激光器3产生激光束116c，激光束沿着由光学链限定的光束路径被引导并且传递到光束引导器模块106中，该光束引导器模块将激光束116引导离开光学模块105以便通过窗口107传递到构建室101中并且到达粉末104上的期望位置。示出的激光束116通过孔123离开光学模块105，该孔在此实施例中是由光学模块105提供的所有光学链共用的单个孔123。在光学模块105的其他实施例中，可以针对一些但不是全部光学链提供公共出口孔。应当理解，光束路径可以由形成光学链的一部分的光束引导器模块106控制。应当理解，当前实施例的光学模块105具有四个光学链，每个光学链与激光束接收器部分120a、120b、120c、120d以及光束引导器模块接收器部分122a、122b、122c、122d相关联。光束引导器模块106c示意性地示出为包含一对聚焦透镜和反射镜，然而应当理解，光束引导器模块可以包含用于将激光束116引导至构建室内的期望位置上的光学元件的任何合适布置。优选地，光束引导器模块106包括用于在两个维度上将激光束116引导在构建室101内的粉末104上方的一对反射镜(例如，电驱动的反射镜(Galvano driven mirrors))。光束引导器模块106可以包括用于聚焦(包括散焦)的元件、反射元件、折射元件、衍射元件或者用于引导、反射、折射、衍射、聚焦或成形激光束的引导元件的任何合适的布置。每个光束引导器模块106可以包含用于引导、反射、折射、衍射、聚焦或成形激光束的相同布置，然而情况不一定如此，并且每个光束引导器模块106可以适于以不同的方式引导、反射、折射、衍射、聚焦或成形每个激光束。可以看到光学模块105的下面(即，在使用中指向构建室101的窗口107的面)具有开口123，(多个)激光束116可以被引导通过该开口。模块窗口117可以设置在开口123内。模块窗口117可以用于保护光束引导器模块106或光学模块105的/光学模块105内的其他元件免受污染。
图1、图2和图5示出了安装在选择性激光固化设备内的光学模块105。附图示出了光学模块105延伸超过窗口107的边缘，这允许光学模块105被固定(即，保持)在围绕窗口107的多个位置处的适当位置，在其他实施例中，光学模块105可以由至少部分地围绕窗口107延伸且在其他实施例中可以完全环绕窗口107的单个连接件固定在适当位置。通过提供能够接收待通过窗口107转向到构建室101中的多个激光束的单个光学模块105，在与每个光学链相关联的光学模块105的部分之间实现了物理和热连接，也建立了每个激光束接收器部分120之间的位置关系。
图5示出了冷却通道128，在此实施例中，这些冷却通道邻近光学模块105的下面(即，光学模块105的面向构建室的面)而定位。形成光学模块105的部分的外壳被增材地构建，使得外壳是单件式外壳。冷却通道128可以形成公共冷却回路(即，公共热回路)，该公共冷却回路用于跨越整个光学模块105维持均匀温度，或者用于在邻近光学模块105的下面的至少一个体积上维持均匀温度，或者用于在邻近光学模块105的孔123的至少一个体积上维持均匀温度。冷却通道128允许与特定光学链相关联的光学模块105的部分与跟其他光学链相关联的光学模块105的部分热连接。在一些实施例中，可以不提供冷却通道128和公共冷却回路，在此类实施例中，将理解，通过将热传导穿过光学模块105的外壳，仍将提供与不同光学链相关联的光学模块105的部分之间的公共热回路。
通过经由光学模块105的外壳的传导且可选地通过可以由冷却通道128提供的公共冷却回路来提供热连接，与特定光学链相关联的光学模块105的部分之间的热传递可以在使用中跨过窗口107发生，也就是跨过位于与特定光学链相关联的光学模块105的一部分与跟不同光学链相关联的光学模块105的一部分之间的构建室101中的窗口107上方的区域中的光学模块105的那部分。每个光学链与至少一个其他光学链直接热连接。图1、图2和图5示出了在窗口107的任一侧上附接到构建室的光学模块105。通过提供光学模块105的光学链之间的热连接，跨过构建室101的窗口107提供热桥。
图5示意性地示出了照射体积129b、129c。照射体积129c表示激光束116c可以沿着转向的轨迹(因可以由例如光束引导器模块106c施加的物理约束和/或可以由用户定义的由计算机130对系统的控制施加的约束而转向)。照射体积129a、129d类似于照射体积129b、129c，并且位于图5中的照射体积129b、129c之后。当前实施例的照射体积基本上是多面体的，并且可以基本上是五面体，在其他实施例中，照射体积129可以基本上是圆锥形的。类似地，照射体积129b表示来自激光器2(图5中未示出)的激光束116b可以沿着转向的轨迹。如图所示，照射体积129b和照射体积129c重叠以产生在本文中被称为照射体积重叠区的三维重叠空间。照射体积重叠区穿过与构建室101中的窗口107重合的平面，并且照射体积重叠区在该平面的水平处延伸跨过窗口107的至少一部分。照射体积的这种重叠允许每个激光束可以被引导到粉末床上的区域的重叠。在所示实施例中，与每个光学链相关联的每个照射体积129a、129b、129c、129d和每个其他照射体积129a、129b、129c、129d重叠，然而情况不一定如此。应当理解，每个光束引导器模块106被控制以使激光束116转向，使得激光束116在照射体积重叠区中不以不期望的方式彼此相互作用。随着窗口107延伸到照射体积重叠区中，窗口分裂成两个或更多个单独的窗口是不希望的，因为照射体积将与任何这种分开的窗口之间的分隔器相交。在使用中，每个照射体积129a、129b、129c、129d将限定在工作平面(即，包含相关联激光束116可以被引导到的粉末床的平面)上的扫描区域119(见图9b)。
在诸如WO 2014/199134中披露的先前的选择性激光固化装置中，四个激光模块已经安装在构建室中的窗口周围的位置处，其中每个激光模块支撑光学模块并且每个激光模块/光学模块布置的自由端在窗口上悬臂式伸出。这提出了许多挑战，首先，每个激光模块/光学模块布置必须相对于构建室精确地安装，以便确保每个激光束被引导到粉末床上的正确位置。随着激光器数量的增加，选择性激光固化装置的组装的复杂性也增加。通过提供可以接收多个激光束的单个光学模块105，光学模块105降低了组装选择性激光固化装置的过程的复杂性。WO 2014/199134的装置面临的第二个挑战在装置的操作期间出现，在激光束熔化或烧结粉末以形成物体时，激光束的一些能量被光学链的部件(即，反射镜)吸收，并且另外，能量可以被粉末和/或熔池反射，并且随后可以被激光模块/光学模块布置吸收。这导致激光模块/光学模块布置的差温加热，其中与远离构建室的布置部分相比，面向构建室的布置部分经历更大的加热效果。这可能导致激光模块/光学模块组件出现扭曲(即，弯曲)，与标称/命令位置相比，继而改变激光束被引导至的实际位置。由于每个激光模块/光学模块布置被隔离，因此每个组件可以以不同的量和/或以不同的方式发生变形。虽然每个激光模块/光学模块布置可以通过设备的部分(诸如构建室)进行连接，但在所需的时间尺度上并未在光学链之间直接提供热连接以便实现精确构建。因此，光学模块并未被热连接，并且每个激光模块/光学模块布置的扭曲与其他激光模块/光学模块布置的扭曲无关。
通过提供可以接收多个激光器的光学模块105，光学模块105以多种方式解决问题。首先，通过在与每个光学链相关联的光学模块105的每个部分之间提供热回路，光学模块105可以充当吸热器并且将从激光器吸收的能量或由于粉末和/或熔池对激光能量的反射而吸收的能量更均匀地分布在光学模块上，并因此与另一者相比，减少了影响一个激光束的路径的局部扭曲。光学链跨窗口107而热连接。通过使可能导致光学模块105变形的任何热能跨越光学模块105而不再局部化，光学模块105经历的局部应力将减小，并且加热而使光学模块105变形(包括移动激光束被光学模块105接收的位置)的趋势将减小。其次，通过将光学模块105固定在窗口107周围的多个位置处或者由至少部分地围绕窗口107延伸或可以环绕窗口107的单个连接件将光学模块105固定在适当位置使得光学模块105桥接构建室101的窗口107，光学模块105不具有自由端，并且阻止由差温加热引起的弯曲造成光学模块105的变形(即，由于光学模块105的下侧的加热引起的膨胀)。
通过为光学模块105提供所有光学链共用的孔123，激光束116可以离开光学模块105并且通过构建室101中的单个窗口107被引导到构建室101中。重要的是保护窗口107免受例如沉积在窗口上的冷凝物，并且存在被设计成诸如通过跨越窗口提供气体层流来保护窗口的许多系统。通过在光学模块105中提供单个孔123，可以将窗口107的总面积减小到小于提供多个窗口所需的等效总窗口面积。
应当理解，虽然附图中所示和上面描述的实施例涉及单个单一(单片)光学模块105，但在其他实施例中，光学模块105可以包括不只一个光学模块布置，这些光学模块布置已经热连接以提供光学模块105的光学链之间的公共热回路，使用中的热连接延伸跨过位于构建室101中的窗口107。通过提供光学模块105的光学链之间的热连接，跨构建室101的窗口107提供热桥。
图6示出了桥接窗口107的模块，该模块包括安装在计量框架124内的光学模块105。在图6中，所示激光束116a、116c沿着可以是光纤的纤维121a、121c递送到光学模块105的激光束接收器部分120，然而情况不一定如此，并且应当理解，激光束可以由被接收在激光束接收器部分120内的激光源生成，诸如图1、图2和图5中示出的实施例中的激光源1、2、3、4。从图6的实施例中可以看出，光学模块105并不直接附接到构建室上，而是光学模块105被安装在计量框架124内。计量框架124包括下板125(即，使用时邻近构建室101安装的板)和上板127(即，使用时远离构建室101安装的板)。下板125可以是被设计成反射已经被粉末和/或熔池反射的任何激光的反射板。下板125可以是可以具有反射性且可以包括与光学模块105的下面中的开口相对应的窗口或孔以便允许激光束116穿过的板。在所示实施例中，下板125和上板127由侧边126连接。侧边126可以设置在计量框架124的一对相反侧上，或者可以设置在计量框架124的所有侧上。如果如图6所示的实施例中的情况那样在计量框架124外部生成激光束，那么侧边126可以能够传输激光束并将激光束引导到光学模块105中，该传输可以通过图6所示的光纤121进行。情况不一定如此，并且计量框架124可以设置有(多个)孔以便允许激光束116进入计量框架124和光学模块105并且使用反射、折射、衍射元件等沿着光学路径引导激光束116。图6示出了纤维121a、121c穿过光学框架124并且耦合到激光束接收器部分120a、120c上，在其他实施例中，纤维可以耦合到计量框架124上并且计量框架124可以提供光学路径，该光学路径使用反射、折射、衍射元件等将激光束116引导到激光束接收部分120中。下板125可以由因为能够抵抗由于上面和下面的差温加热引起的弯曲而被选择的材料制成，这可以包括诸如刚度和/或比热容和/或热导率的因素，下板125可以由铝或钢或任何其他合适的金属或材料制成。上板127可以因为能够抵抗弯曲而被选择，这可以包括诸如刚度和/或热导率和/或比热容等因素，上板127可以由铝或钢或任何其他合适的金属或材料制成。计量框架124还可以包括增强元件(未示出)以便抵抗弯曲，并且也可以包括冷却通道(未示出)，这些冷却通道可以形成跨过部分或整个下板125的热回路。在图6所示的实施例中，可以提供与图5中披露的模块窗口类似的模块窗口117(未示出)。模块窗口117可以以与图5中所示的方式类似的方式位于外壳115内，或者可以设置在下板125中和/或作为下板的一部分。
虽然光学模块105已被描述为延伸超过/大于以上(例如，图1和图2中所示的实施例)的构建室101的窗口107，但应当理解，对于图6中示出的实施例，情况不一定如此。图6的光学模块105并不直接附接到构建室101上，而是光学模块105通过计量框架124的下板125附接到构建室101上。只要计量框架124的下板125在使用中附接在窗口107周围的多个位置处或者由至少部分地围绕窗口107延伸并且可以环绕窗口107的单个连接件固定在适当位置，那么即使光学模块105不被设定尺寸成跨越窗口107，也可以体验这种安装的益处。在其他实施例中，计量框架124的一个、一些、许多或每个/全部特征(例如，反射板125或加强件)可以由光学模块105提供。在另外的实施例中，光学模块105可以由多个光学模块布置构成，以在计量框架124内提供多个光学链。
图7示出了光学模块105的替代配置。可以看出，与图3的实施例相比，激光束接收器部分120和光束引导器模块接收器部分122位于不同的布置中。应当理解，在一些实施例中，激光束接收器部分120和光束引导器模块接收器部分122的位置可以由光学模块105外部的因素(诸如增材制造设备中可用的空间)决定，在其他实施例中，激光束接收器部分120和光束引导器模块接收器部分122的位置可以基于激光束116可以被引导到的粉末床104的面积来选择。这可以包括定位激光束接收器部分120和光束引导器模块接收器部分122，使得所有激光束可以被引导到基本上全部的粉末床或者替代地使得激光束116可以被引导到的扫描区域119覆盖少于基本上全部的粉末床(每个这种扫描区域119可以或可不与其他扫描区域119重叠)。在增材制造设备的一些实施例中，增材制造设备可以包括光学模块105并且利用由单个激光源产生的单个激光束来操作，替代地在其他实施例中，包括光学模块105的增材制造设备可以利用多于单个的激光束，例如来自单个激光源或来自不只一个激光源的两个、三个、四个或更多个激光束来操作。
图8示出了光学模块105的另一替代配置。可以看出，与先前实施例相比，激光束接收器部分120和光束引导器模块接收器部分122位于不同的布置中。与先前描述的实施例不同，图8示出了构建室101的窗口107在一个方向上延伸超过外壳115的边界并且外壳在第二方向上桥接窗口107，从而允许光学模块105附接到构建室101上，因此光学模块桥接构建室窗口107，并且外壳115有可能在窗口107周围的多个位置处附接到构建室101。
图9a示出了类似于图8所示的模块。在图9a中，模块105以桥接构建室101的窗口107(以虚线示出)的方式固定到增材制造设备的构建室101。在增材制造设备的此实施例中，构建室101中的窗口107小于光学模块105的覆盖区(footprint)。通过提供比构建室101中的窗口107大的光学模块105，光学模块105可以完全覆盖构建室101中的窗口107。通过覆盖构建室101中的窗口107，不允许来自构建室101的激光经由穿过构建室101中的窗口107的路径逸出增材制造设备。换句话说，通过提供比构建室101中的窗口107大的光学模块105，有可能使构建室101“不透光”。虽然所示实施例中的构建室101中的窗口107显示为基本上是圆形的，但情况不一定如此，并且窗口107可以是任何合适的形状，例如构建室101中的窗口107可以基本上是多边形的并且可以基本上是正方形或基本上是矩形。
图9a中示出的安装到增材制造设备的构建室101上的光学模块105的实施例提供了四个光学链。每个光学器件具有相关联的照射体积129。每个照射体积129在增材制造设备内的工作平面上提供扫描区域119a、119b、119c、119d。图9b示出了图9a所示设备的扫描区域119a、119b、119c、119d。可以由光学模块105照射的工作平面上的总面积是扫描区域119a、119b、119c、119d的组合面积。在图9b中，扫描区域119a用实线标出，而扫描区域119b、119c和119d用虚线标出。在扫描区域119a内示出了重叠区域150，该重叠区域表示激光束116a、116b、116c、116d中的每一者/全部可以被引导到的区域。重叠区域151表示激光束116a、116b中的两者或每一者可以被引导到的区域，重叠区域154表示激光束116a、116d中的两者/每一者可以被引导到的区域，并且区域155是仅激光束116a可以被引导到的区域。除了结合扫描区域119a描述的相关区域之外，扫描区域119b具有仅激光束116b可以被引导到的区域156，扫描区域119c具有仅激光束116c可以被引导到的区域157，并且扫描区域119d具有仅激光束116d可以被引导到的区域158，重叠区域152表示激光束116b、116c中的两者/每一者可以被引导到的区域，并且重叠区域153表示激光束116c、116d中的两者/每一者可以被引导到的区域。
增材制造设备可以被布置成使得光学模块105的W方向上的宽度(图9a中所示)不大于(并且可以小于或等于)可以扫描的总区域的宽度(在图9b的方向W上)。通过提供能够扫描工作平面上的至少与模块105本身一样宽的区域的光学模块105，可以通过提供多个光学模块105作为阵列来延伸可以被扫描的区域。
图10示出了以一维阵列布置的多个光学模块105a、105b、105c。虽然图10示出了三个光学模块105a、105b、105c，但应当理解，可以以这种阵列布置两个、三个、四个、五个、十个、二十个或更多个光学模块105。在另外的实施例中，布置在阵列中的光学模块105a、105b、105c可以不如图10所示那样间隔开，而是可以邻接以便在阵列的模块105a、105b、105c之间提供热连接。图10的阵列内的光学模块105a、105b、105c的间距允许来自邻近光学模块105a、105b、105c的激光束116可以被引导到的工作平面上的区域的重叠，即，提供工作平面上的可以被来自不只一个光学模块的激光束照射的区域，这可以通过提供能够扫描工作平面上的至少与模块105本身一样宽的区域的光学模块105来实现。这种阵列还允许优化用于构建物体的扫描策略，如WO 2014/199134所披露。
图10c示出了扫描区域和重叠区域的一个实例，其中图10a的阵列可以被布置成在增材制造设备的构建室101内的工作平面上产生这些扫描区域和重叠区域。在此实例中，重叠区域150是来自光学模块105a的所有/每个激光束116可以被引导到的区域，重叠区域250是来自光学模块105b的所有/每个激光束116可以被引导到的区域，并且重叠区域350是来自光学模块105c的所有/每个激光束116可以被引导到的区域。重叠区域151、251、351表示相应光学模块105a、105b、105c的激光束116a、116b中的两者/每一者可以被引导到的区域，而重叠区域153、253、353表示相应光学模块105a、105b、105c的激光束116c、116d中的两者/每一者可以被引导到的区域。
重叠区域152表示来自光学模块105a的激光束116b、116c和来自光学模块105b的激光束116a、116d可以被引导到的区域。重叠区域252表示来自光学模块105b的激光束116b、116c和来自光学模块105c的激光束116a、116d可以被引导到的区域。重叠区域154表示来自光学模块105a的激光束116a、116d可以被引导的区域，并且重叠区域352表示来自光学模块105c的激光束116b、116c可以被引导到的区域。拐角区域155、356、257、158表示仅单个激光可以被引导到的区域，并且重叠区域156、256、257、157表示分别来自不同模块的两个激光束可以被引导到的区域。应当理解，许多其他配置是可能的，包括将光学模块布置成阵列，使得重叠区域150、250、350是连续的。
可以提供图像捕获装置143。如图10b所示，图像捕获装置143可以设置在光学模块的光束引导器模块接收器部分122之间。图像捕获装置143可以允许校准光学模块的光学链，该光学链可以是包括光学模块105a的光束导引器模块106b的光学链，如申请GB1604728.4(见附件1)中所披露。阵列的不只一个光学模块105a、105b、105c可以设置有图像捕获装置143。
另外地或替代地，另一图像捕获装置可以能够通过光学链来查看工作平面的区域。另一图像捕获装置可以设置在与光学模块105b的光束引导器模块106a相关联的光学链中。另一图像捕获装置可以能够捕获光学模块105b的光束引导器模块106a可以将激光束引导到达的扫描区域119a的图像。由于重叠区域156和重叠区域157形成扫描区域119a的一部分，因此另一图像捕获装置可以捕获包含由光学模块105a的光束引导器模块106b引导到重叠区域156或152中的激光束的图像和/或包含由光学模块105a的光束引导器模块106c引导到重叠区域152中的激光束的图像。这允许相对于包含光学模块105a的光束引导器106b或106c的光学链中的任一者来校准包括光学模块105b的光束引导器模块106a的光学链。由于包括光学模块105b的光束引导器106b、106c、106d的光学链具有至少部分地与包括光学模块105b的光束引导器模块106a的扫描区域重叠的扫描区域，因此可以使用另一图像捕获装置相对于包括光学模块105b的光束引导器模块106a的光学链来校准该光学链。如果又一图像捕获装置(类似于该另一图像捕获装置)设置在包括光学模块105c的光束引导器模块106a的光学链中，则光学模块105c的光学链可以按类似方式相对于光学模块105b的光学链进行校准。应当理解，另一图像捕获装置不需要设置在包括光学模块105b的光束引导器模块106a的光学链中，但可以设置在可以将激光束引导到重叠区域156、152、157中的一者/任一者的任何光学链中，并且再一图像捕获装置可以设置在可以将激光束引导到重叠区域256、252、257中的一者/任一者的任何光学链中，另外的再一图像捕获装置可以设置在可以将激光束引导到重叠区域351、350、353中的一者/任一者的任何光学链中。校准可以如GB1607152.4(见附件2)中描述。
通过在光学模块阵列的至少一个光学模块中提供图像捕获装置143，有可能校准至少一个光学模块的至少一个光学链。通过在可以将激光束引导到重叠区域(来自至少一个光学模块和来自至少一个另外的光学模块的一个或多个激光束可以被引导到该重叠区域)的光学链内提供另一图像捕获装置，有可能相对于至少一个光学模块来校准至少一个另外的光学模块。通过在可以将激光束引导到重叠区域(来自至少一个另外的光学模块和来自至少一个再另外的光学模块的一个或多个激光束可以被引导到该重叠区域)的光学链内提供又一图像捕获装置，有可能相对于至少一个光学模块来校准至少一个再另外的光学模块(通过至少一个另外的光学模块)。这种策略可以用于相对于至少一个光学模块来校准整个光学模块阵列。
图11示出了包括通过轨道140可移动地安装到导向件141上的光学模块105的阵列的模块。该图以虚线示出了位于构建室101内的窗口107，并且还仅示出了导向件141的一部分。光学模块105固定地连接到轨道140上，轨道140可移动地连接到导向件141上。在使用中，导向件141固定在增材制造设备内，并且可以固定地安装到构建室101上以允许轨道140桥接构建室101的窗口107。导向件141被设定尺寸和位置以允许光学模块105的阵列移动来允许照射构建室101内的期望区域。可以使用可以由计算机130控制的马达(未示出)来相对于构建室101内的工作平面移动轨道140且因此移动光学模块105的阵列。轨道140且因此光学模块105的阵列相对于构建室101内的工作平面的移动可以在一个维度上，并且可以是连续的移动或者可以是在多个索引位置之间的移动。为了使构建室101不透光，构建室101中的窗口107可以与阵列一起移动，这可以例如通过为构建室提供可以允许窗口107在其中移动的折叠式表面来实现。虽然图11示出了具有诸如激光器1、2、3、4的激光器的阵列的光学模块105，但情况不一定如此，并且光学模块105可以通过纤维从一个或多个激光器接收激光。图11的可移动模块可以设置在构建室内。
图12a示出了安装到增材制造设备内的构建室101上的光学模块105的另一替代实施例。用虚线示出位于构建室101内的窗口107。在光学模块的此实施例中，从远离构建室101的光学模块105的一侧提供激光器1、2、3、4。这是可以减小光学模块105的覆盖区的一种方式的实例。
图12b示出了光学模块105、205、305、405、505、605、705、805、905的二维阵列。虽然示出了布置成三行和三列的九个光学模块，但这仅仅是实例，并且可以在这种阵列中提供更多或更少的光学模块。阵列不必如所示那样是方形的，而是可以在第一方向上比在第二方向上进一步延伸。光学模块可以布置成两行或更多行以及两列或更多列。在一些实施例中，阵列内的光学模块彼此邻接。为了在工作平面上提供连续照射的区域，所示二维阵列的每个光学模块被布置成照射至少是构建室上的光学模块的覆盖区的尺寸的区域。在图12b中示出的实施例中，每个光学模块被布置在增材制造机器内，使得可以由每个光学模块扫描的区域与可以由邻近光学模块扫描的区域重叠。
图12c示出了扫描区域和重叠区域的一个实例，其中图12b的阵列可以被布置成在增材制造设备的构建室101内的工作平面上产生这些扫描区域和重叠区域。在此实例中，重叠区域150是来自光学模块105的所有/每个激光束116可以被引导到的区域，重叠区域250是来自光学模块205的所有/每个激光束116可以被引导到的区域，重叠区域350是来自光学模块305的所有/每个激光束116可以被引导到的区域，重叠区域450是来自光学模块405的所有/每个激光束116可以被引导到的区域，重叠区域550是来自光学模块505的所有/每个激光束116可以被引导到的区域，重叠区域650是来自光学模块605的所有/每个激光束116可以被引导到的区域，重叠区域750是来自光学模块705的所有/每个激光束116可以被引导到的区域，重叠区域850是来自光学模块805的所有/每个激光束116可以被引导到的区域，并且重叠区域950是来自光学模块905的所有/每个激光束116可以被引导到的区域。
在图12c中，光学模块505可以将激光束引导到的工作平面上的扫描区域由区域550、551、552、553、554、555、556、557和558表示。在所示的实施例中，重叠区域550表示来自光学模块505的每个/所有激光束可以被引导到的区域，并且在当前实施例中，来自阵列中的其他光学模块的激光束可以不被引导到重叠区域550，但在其他实施例中情况不一定如此。重叠区域551表示来自模块505的两个激光束和来自模块205的两个激光束可以被引导到的区域。重叠区域552表示来自模块505的两个激光束和来自模块605的两个激光束可以被引导到的区域。重叠区域553表示来自模块505的两个激光束和来自模块805的两个激光束可以被引导到的区域。重叠区域554表示来自模块505的两个激光束和来自模块405的两个激光束可以被引导到的区域。重叠区域555表示来自模块505的一个激光束、来自模块405的一个激光束、来自模块105的一个激光和一个激光束以及来自模块205的一个激光束可以被引导到的区域。重叠区域556表示来自模块505的一个激光束、来自模块205的一个激光束、来自模块305的一个激光和一个激光束以及来自模块605的一个激光束可以被引导到的区域。重叠区域557表示来自模块505的一个激光束、来自模块605的一个激光束、来自模块905的一个激光和一个激光束以及来自模块805的一个激光束可以被引导到的区域。重叠区域558表示来自模块505的一个激光束、来自模块805的一个激光束、来自模块705的一个激光和一个激光束以及来自模块405的一个激光束可以被引导到的区域。
如图12b所示，光学模块505在第一方向上具有第一对邻近光学模块205、805，并且在第二方向上具有第二对邻近光学模块405、605，第二方向可以垂直于第一方向。在图12b中示出的三乘三阵列中，应当理解，虽然示出的所有光学模块都是关于图12a所示和所述的类型，但光学模块105、205、305、405、605、705、805和905(即，除光学模块505之外的所有示出的光学模块)中的每一者可以具有不需要落在光学模块外壳在构建室101上的覆盖区内的部件，该覆盖区在所示实施例中不大于来自光学模块的激光束可以被引导到的工作平面上的扫描区域。光学模块505不是这种情况。由于光学模块505在第一方向和第二方向上由第一对光学模块205、805和第二对光学模块405、605围绕，为了在工作平面上实现连续可照射区域，光学模块505在构建室101上的覆盖区必须不大于光学模块505可以将激光引导到的工作平面上的扫描区域。通过提供此特征，图12a中示出的光学模块105允许二维阵列在第一方向和第二方向上都延伸多于两个单元，即，图12a中示出的光学模块105允许X乘Y尺寸的光学模块105的阵列，其中X>2并且Y>2。
增材制造设备的校准
技术领域
本发明涉及一种用于校准增材制造设备的扫描器的方法和一种用于执行该方法的增材制造设备。具体地但非唯一地，本发明涉及一种用于校准包括材料床(例如，粉末或树脂床)的增材制造设备的扫描器的方法。
背景技术
用于生产部件的增材制造方法或快速原型成型方法包括对材料的逐层固化。存在各种增材制造方法，包括粉末床系统，诸如选择性激光熔化(SLM)、选择性激光烧结(SLS)、电子束熔化(eBeam)和光固化立体造型；以及非粉末床系统，诸如熔融沉积成型，包括电弧增材制造(WAAM)。
在选择性激光熔化中，将粉末层沉积在构建室中的粉末床上，并且跨越粉末层的与正在构造的工件的截面(剖切面)相对应的部分扫描激光束。激光束将粉末熔化或烧结以便形成固化的层。在对层进行选择性固化之后，粉末床减低了该新固化的层的厚度，并且根据需要将另外一层粉末在表面上摊开并固化。
为了精确地形成工件，扫描器必须被校准。
WO 94/15265披露了将上面印刷有大量正方形单元的聚酯薄膜片放置在目标表面上并且用激光束标记每个单元。随后通过用常规数字扫描器进行扫描来将片材转换成数字形式，并且使用激光标记相对于单元质心的位置来更新该单元的校正因子。定期执行这种校准。
US 5832415披露了一种用于校准快速原型成型系统的激光束的偏转控制的方法。在预定位置将光敏介质暴露于激光束以生成测试图案。摄像机跨越所产生的测试图案逐渐移动，以便用相机产生测试图案的对应图案部分。评估程序用于将数字化图案部分组合成整体图案。将整个图案的图片坐标与照相制版产生的参考图案的数字化坐标进行比较。基于比较来修改控制用于偏转激光束的扫描器所需的校正表。
US 6483596披露了一种用于校准对快速原型成型系统中的辐射装置的控制的方法，其中校准板布置在快速原型成型系统中的限定位置处。校准板具有上侧，该上侧具有第一区域和与第一区域分开的第二区域。第一区域设置有光学可检测的参考叉形记号，并且第二区域具有对辐射装置的辐射敏感的介质。通过在由位置坐标数据限定的预定期望位置处将介质暴露于辐射来产生叉形记号的测试图案。例如借助于像素扫描器、摄像机或数码相机来将第一区域和第二区域数字化，并且通过将参考叉形记号和测试图案的叉形记号进行比较来计算校正数据。
EP 2186625披露了一种校正快速原型成型系统中使用的数字光投影仪的几何扭曲的方法。相机用于查看由每个数字投影仪创建的未经补偿的测试图案。将每个未经补偿的测试图案与理想测试图案进行比较以生成图案校正映射(correction map)。
WO 2014/180971披露了一种自动校准用于对三维工件进行有生产力的制造的装置的方法，该装置包括第一扫描器和第二扫描器。在应用的材料层或目标上，使用第一扫描器产生第一测试图案，并且使用第二扫描器产生第二测试图案。第一测试图案和第二测试图案可以是具有特定晶格常数的特定光栅图案或点图案。经校准的相机用于捕获第一测试图案和第二测试图案的图像，并将第一测试图案和第二测试图案与存储在控制装置的存储器中的参考图案进行比较。对第一扫描器和第二扫描器进行校准，使得对应测试图案与参考图案的偏差低于期望值。校准方法可以包括自相关方法或匹配方法。
希望提供一种校准增材制造设备的扫描器的方法，该方法的精度要比由用于校准的图像捕获装置的像素提供的空间分辨率大一个数量级。
发明内容
根据本发明的第六方面，提供了一种校准增材制造设备的扫描器的方法，其中利用扫描器引导能量束以在工作平面中固结材料以便以逐层方式构建工件，该方法包括：利用扫描器引导能量束跨越工作平面中的测试表面以形成测试图案，该测试图案包括至少一个周期特征；捕获测试图案的图像；根据图像来确定测试图案的周期性质并且基于周期性质来确定用于控制扫描器的校正数据。
通过基于测试图案的周期性质进行校正，可以确定更精确的校正数据。具体地，可以比测试图案的几何特征的位置更准确地确定周期性质，因为周期性质是基于从几何特征中的多个几何特征确定的信息(例如，几何特征中的多个几何特征上平均的信息)，而不是依赖于几何特征中的单个几何特征的分辨率。
周期性质可以是测试图案相对于参考相位的相移。测试图案的相位可以指示能量束在形成测试图案时的位置的误差，并且从相移确定校正数据以校正扫描器对能量束的定位。
图案的相移可以从图像中确定，其中准确度比图案的几何元素中的一个几何元素的位置更高。因此，基于确定的相移得到校正数据可以提高校正数据的精度。此外，与现有技术方法相比，可以使用诸如相机的低分辨率成像装置，同时仍然对校正数据实现相同或更好的精度。
相移可以通过对图像的傅立叶分析来确定。可以通过在参考频率下对测试图案的图像执行离散傅立叶变换并且确定来自参考相位的合成频率分量的相移来确定相移。针对测试图案的多个不同区域的每个区域，可以确定相移的值。可以通过将扫描器的数学模型拟合至确定的相移来确定校正数据。每个区域可以小于一平方厘米。
该方法可以包括：将校准人工制品的参考表面定位在增材制造设备的工作平面中，参考表面上具有参考图案；捕获参考图案的图像；以及确定测试图案与参考图案之间的相移。可以使用用于捕获测试图案的图像的相同图像捕获装置来捕获参考图案的图像。图像捕获装置可以位于增材制造设备中的(多个)相同位置，以捕获测试图案和参考图案的图像。参考表面可以与形成测试图案的表面位于增材制造设备中的相同位置。以这种方式，可以通过与已经以相应方式扭曲的参考图案进行比较来消除由图像捕获装置引入的测试图案中的可重复扭曲，即，图像捕获装置被用作比较器而不是校准的测量装置。
该方法可以包括在参考频率下对参考图案的图像执行多重离散傅立叶变换，其中用于离散傅里叶变换的基本正弦曲线相对于参考图案的图像进行空间移位以识别导致离散傅立叶变换的最高振幅的基本正弦曲线的位置。这可以将基本正弦曲线与图像中参考图案的位置对准。该方法还可以包括在相对于图像的识别位置处使用基本正弦曲线对测试图案的图像执行离散傅立叶变换。
测试图案可以包括第一图案和第二图案，该第一图案包括在第一方向上重复的第一几何特征，该第二图案包括在垂直于第一方向的第二方向上重复的第二几何特征。第一几何特征和第二几何特征可以是相同(但是旋转到对应的第一方向和第二方向)或不同的。第一方向和第二方向中的每一个可以对应于能量束被扫描器的不同转向元件移动的空间方向。第一图案和第二图案可以在每个图案的几何特征之间散布但没有重叠。
测试图案可以包括一系列平行线。测试图案可以包括在第一方向上重复的至少一个第一组平行线和在第二方向上重复的至少一个第二组平行线。在第一方向和第二方向上，第一组平行线可以与第二组平行线跨越测试表面交替。
测试图案的重复几何特征可以与参考图案的几何特征的规则空间间隔相关，并且可以通过将测试图案的重复几何特征的相位与参考图案的对应重复几何特征的相位进行比较来确定相移。
周期性质可以包括跨越图像中测试图案的多个区域中的每一个区域的总计强度，每个区域包括测试图案的至少一个周期。该方法可以包括利用能量束相对于工作平面的不同焦点位置形成测试图案的不同周期特征。诸如总计强度的周期性质可以针对利用不同焦点位置中的一个位置处的能量束形成的测试图案的每个区域而被确定，并且扫描器的聚焦光学器件基于不同区域的总计强度的变化被校准。
测试图案可以包括循环几何特征，其中每个出现的几何特征是利用在相对于工作平面的不同焦点位置处的能量束而形成的。
根据本发明的第七方面，提供了一种校准增材制造设备的扫描器的方法，其中利用扫描器引导并聚焦能量束以在工作平面中固结材料以便以逐层方式构建工件，该方法包括：利用扫描器引导能量束跨越工作平面中的测试表面以在表面上形成几何特征，其中改变能量束相对于工作平面的焦点位置以形成几何特征中的不同几何特征；捕获几何特征的图像；确定利用能量束的不同焦点位置形成的每个区域的每单位面积的强度；以及根据每单位面积的强度的变化来确定用于校正扫描器对焦点位置的控制的校正数据。
几何特征可以是由能量束或用能量束固结的材料在表面上形成的标记。
根据本发明的第八方面，提供了一种用于控制增材制造设备的控制器，其中该控制器被布置成执行本发明的第六方面或第七方面的方法。
根据本发明的第九方面，提供了一种用于以逐层方式构建工件的增材制造设备，该增材制造设备包括用于引导能量束以在工作平面中固结材料的扫描器以及根据本发明的第八方面的控制器。
增材制造设备还可以包括用于捕获工作平面的图像的图像捕获装置。图像捕获装置可以包括相机。相机可以被定位于增材制造设备中某一位置处，该位置相对于用于在工作平面中定位参考表面的基点而固定。设备可以包括擦拭器，该擦拭器被布置成相对于基准定位以在工作平面中形成材料层。
根据本发明的第十方面，提供了一种数据载体，该数据载体上具有指令，这些指令在由用于控制增材制造设备的处理器执行时致使控制器执行本发明的第六方面或第七方面的方法。
数据载体可以是用于向机器提供指令的合适介质，诸如非暂态数据载体，例如软盘、CD ROM、DVD ROM/RAM(包括-R/-RW和+R/+RW)、HD DVD、Blu Ray(TM)光盘、存储器(诸如Memory Stick(TM)、SD卡、紧凑型闪存卡等)、磁盘驱动器(诸如硬盘驱动器)、磁带、任何磁性/光学存储器；或暂态数据载体，诸如在导线或光纤上的信号或无线信号，例如在有线或无线网络上发送(诸如互联网下载、FTP传输等)的信号。
根据本发明的第十一方面，提供了一种用于将板安装在增材制造设备的工作平面中的固定装置，该固定装置包括用于支撑板的安装表面，以及用于接触表面以在垂直于工作平面的方向上将安装表面定位在可重复位置的三点安装结构。
安装表面可以用于支撑包括参考图案的校准板和使用能量束用测试图案标记的板。固定装置可以提供帮助以确保校准板的参考图案和用测试图案标记的板在同一平面中对准。这确保了在上述校准方法中，参考图案和测试图案的图像不会因为图案位于增材制造设备中的不同位置而出现差异。
根据本发明的第十二方面，提供了一种执行工件的增材制造的方法，其中通过使用能量束以逐层方式固结材料来构建工件，该方法包括：将预成型件定位在增材制造设备的工作平面中；在预成型件上方扫描能量束以在预成型件上形成记号；加工该预成型件以形成预成型件中的特征，其中该特征被加工的位置是基于记号的位置；以及在加工特征之后，通过使用能量束固结层中的材料来在预成型件上构建另外的特征。
通过用能量束标记预成型件，可以确定能量束相对于预成型件的坐标系的位置，并且因此可以在与能量束的坐标系的位置匹配的位置中将特征加工到预成型件中。因此，加工的特征将相对于随后增材构建的另外特征精确定位。这种方法可用于制造混合模具，这些混合模具包括具有在其中预成型的冷却通道的基板以及具有共形的冷却通道的增材构建部分，这些共形的冷却通道被布置成与在基板中预成型的冷却通道流体连通。US7261550中描述了这种混合模具。
记号可以包括图案，该方法包括通过以下方式确定形成特征的位置：捕获图案的图像、从图像中确定图案的周期性质，并且基于周期性质来确定特征的位置。周期性质可以是图案的相位。该方法可以包括基于确定的相位来调整用于形成特征的机床的坐标系和/或在形成特征时指示机床的指令。
附图说明
图13示出了根据本发明实施例的增材制造设备；
图14是根据本发明的实施例的用于校准扫描器的转向光学器件的测试图案的平面图；
图15示意性地示出了根据本发明的实施例的校准增材制造设备的扫描器的转向光学器件的方法；
图16是测试图案的图像中的典型像素强度的示意图；
图17是用于校准扫描器的聚焦光学器件的在板上形成的测试图案的平面图；
图18是根据图17中示出的测试图案的图像生成的强度曲线图的示意图；
图19是从下面示出的用于将校准人工制品和测试板安装在增材制造设备中的固定装置的透视图；
图20是来自上面的固定装置的透视图；并且
图21示意性地示出了根据本发明的实施例的形成混合工件的方法。
具体实施方式
参考图13，根据本发明的实施例的增材制造设备包括主室1101，在该主室中具有限定构建室1117的隔板1115、1116。构建平台1102可在构建室1117中降低。当通过对粉末进行选择性激光熔化来构建工件时，构建平台1102支撑粉末床1104和工件1103。随着工件1103的连续层被形成，在马达的控制下在构建室1117内使平台1102降低。
在通过分配设备1108和擦拭器1109来构建工件1103时，形成了粉末1104的层。例如，分配设备108可以是如在WO 2010/007396中所描述的设备。分配设备1108将粉末分配到由隔板1115限定的上表面1115a上，并且通过擦拭器1109散布在粉末床上。擦拭器1109的下边缘的位置限定工作平面1110，在该工作平面处粉末被固结并且可调整。
激光模块1105生成用于熔化粉末1104的激光束1118，激光束1118根据需要由对应的扫描器(在本实施例中为光学模块1106)引导。光学模块包括用于使激光束1118沿垂直方向在整个工作平面上转向的转向光学器件1106a(诸如安装在检流计上的两个反射镜)以及聚焦光学器件1106b(诸如用于改变激光束1118的焦点的两个可移动透镜)。扫描器被控制使得激光束1118的焦点位置保持在与激光束1118跨越工作平面移动时相同平面中。可以使用f-θ透镜,而不是使用动态聚焦元件将激光束的焦点位置维持在平面中。
相机1191位于主室1101中用于捕获工作平面的图像。
包括处理器1161和存储器1162的控制器1140与增材制造设备的模块(即，激光模块1105、光学模块1106、构建平台1102、分配设备1108、擦拭器1109和相机1191)通信。如下所述，控制器1140基于存储在存储器1162中的软件来控制模块。
参考图14至图16，为了校准扫描器1106，用户将包括参考图案1351的校准人工制品1350放置1301在增材制造设备中，使得参考图案1351位于工作平面1110中。参考图案1351可以使用以下参考图19和图20描述的固定装置1400而位于增材制造设备中。参考图案1351与图14中示出的测试图案1251相同，其中多个区域1203a和1203b包括一系列等间距的平行线。区域1203a包括在x方向上间隔开的多条平行线，并且区域1203b包括在y方向上间隔开的多条平行线。区域1203a在x方向和y方向上与区域1203b交替。
平行线的周期接近由相机1191的奈奎斯特频率给出的周期，即，该周期接近相机1191在工作平面处的像素的空间分辨率的四倍。图16示出了像素1001至1009的强度可以在图案1351、1251的区域1203a、1203b的一部分的图像中如何变化。如从图16可以理解，从这种图像确定单独线的位置将达到图像的空间分辨率的量级。
参考图案1351可以使用适合的技术印刷在片材上，该技术能够以所需的精度印刷图案，在本实施例中达到微米或更小的精度。
使用相机1191捕获1303工作平面中的参考图案1351的图像1302。
在参考图案1351的平行线的已知参考频率kref下确定1304一系列离散傅立叶变换(DFT)，各自使用移位到不同位置的基本正弦曲线。在此实施例中，通过将参考图案1351的图像1302乘以数字生成的正弦和余弦表示来执行DFT。生成正弦和余弦表示，使得非零正弦和余弦区域被对应于区域1203a、1203b之间的空间的零值区域隔开。为了确定数字生成的正弦和余弦表示与参考图案的图像的正确对准，使用相对于参考图案的图像位于不同位置S的正弦和余弦表示来确定DFT。针对每个区域确定DFT的量值，并且对所有区域的量值进行平均。产生DFT的最高平均量值的正弦和余弦表示的位置被认为是最密切匹配图像1302中的参考图案1351的位置的位置Sref。
根据DFT确定1305相对于基本正弦曲线的由对应于区域的中心的位置(x，y)表示的每个区域中的参考图案的相位ΦXref、ΦΥref，并且识别该区域的参考相位。对于包括具有在x方向上重现的特征的图案的区域，确定x方向上的相移ΦXref，并且对于包括具有在y方向上重现的特征的图案的区域，确定y方向上的相移ΦΥref。根据通过将图像乘以正弦和余弦表示获得的两个值的商的反正切来确定该相移。
随后将参考人工制品1350从增材制造设备移除并且用也位于工作平面中的铝板1250替换1306参考人工制品1350，例如使用图19和图20的可定位在构建室1117中的可重复位置上的固定装置1400。随后使用激光束1118和扫描器1106将测试图案1251标记在铝板1250上。捕获1308测试图案1251的图像1307。
在参考频率kref下确定1307测试图案1251的图像1308的离散傅立叶变换，并且确定1309来自每个区域1203a、1203b中的基本正弦曲线的测试图案1251的相位ΦXtst、ΦYtst。
确定1310来自每个区域1203a、1203b的参考图案1351的测试图案1251的相移ΦXerror、ΦYerror。随后，将扫描器1106的本领域已知的数学模型拟合到针对每个区域1203a、1203b的确定相移ΦXerror、ΦYerror，以便依据校准表的值来确定1311校正数据，以用于修改扫描器1106对转向光学器件1106a的控制。
这种方法有可能提供达到像素的1/100的分辨率的测量精度。因此，如果每个像素在工作平面处具有150μm的空间分辨率，则该方法可以提供1μm或2μm的测量精度。
参考图17和图18，通过在位于工作平面中的铝片上形成如图14所示的测试图案1251来校准扫描器1106的聚焦光学器件，其中控制扫描器1106以针对区域的图案的每条线改变激光束的焦点，例如从工作平面以下-10mm到工作平面以上+10mm。这可能在铝片上产生图案，如图17所示。
图案的图像中的强度可以如图18的曲线图A所示而变化，其中较粗的光线于激光束并未在工作平面1110中聚焦的图案的边缘处形成，而较细的光线处于激光束在工作平面1110中聚焦的图案的中心。将图案的每个周期的总强度求和以产生曲线图B。随着激光束的焦点在工作面上从焦点未对准移动到焦点对准，图案周期的总强度随着线的厚度减小而减小。可以使用将曲线拟合至总计强度来校正对扫描器1106的聚焦光学器件1106b的控制。
图19和图20中示出了用于安装校准人工制品1350和铝板1250的固定装置1400。该固定装置包括用于支撑校准人工制品/铝板的支撑件1401以及用于将支撑件1401安装在构建室1117中的适当位置的翼件1402、1403。翼件1402、1403相对于支撑件1401的支撑表面偏移，使得当固定装置1400位于增材制造设备中时，翼件1402、1403位于支撑件1401的上方和侧面。翼件1402、1403包括用于操纵固定装置1400的柄部1404、1405以及用于将由固定装置1400支撑的校准人工制品/铝板运动地定位在构建室1117中的可重复垂直位置的安装元件1406、1407和1408。在此实施例中，元件1406、1407和1408包括三个球，这三个球提供用于在三个间隔开的位置处接触表面1115a的点表面。
固定装置1400包括用于在x方向和y方向上将支撑件1401定位在固定位置的两个另外的定位元件1409和1410。元件1409和1410各自包括球，该球安装在支撑件1401中的凹陷中并且通过弹簧(未示出)从支撑件1401向外偏置，使得在将支撑件插入构建室1117中时，球接合构建室1117的壁并且抵抗弹簧的偏置而偏转，该偏置将固定装置1400保持在适当位置。
校准人工制品1350和铝板1250都具有用于安装在支撑件1401上的合适形状。
该方法还可以包括将擦拭器1109的下边缘与用于对准固定装置1400并因此对准校准人工制品1350的表面1115a对准，使得擦拭器1109在工作平面1110中形成粉末层。擦拭器1109与表面1115a的对准可以使用已知的方法执行。使用相同的基准来校准擦拭器1109和定位校准人工制品1350确保了粉末层与针对其校准扫描器1106的工作平面对准。为基准选择固定表面1115a而不是可移动表面(诸如构建平台1102)确保不会因为可移动表面(诸如构建平台1102)的定位缺乏可重复性/不准确性而引起对准中的误差。
扫描器1106的x、y坐标系在x方向和y方向上相对于由构建室1117限定的构建容积的绝对位置可能是未知的，因为参考图案1351在x方向和y方向上的位置可能是未知的。然而，该方法校准扫描器1106以校正扫描器1106的坐标系中的扭曲。因此，上述校准方法基于增材制造设备中的参考图案1351的位置来校准扫描器1106。
如上所述的校准方法可以用于校准多激光增材制造设备中的每个扫描器。每个扫描器都可以用于在一个或多个测试板上标记图案，并且由每个扫描器形成的图案相对于参考图案的相移被用于校准扫描器。
如果增材构建的工件要与非增材构建的特征(例如在基板1501上)对准，则扫描器1106的坐标系的位置可能不足够精确地被知晓。例如，已知构建混合增材部件是，其中该部件的第一部分包括预成型基板，并且该部件的第二部分是增材构建的。这种混合增材部件的一个实例是模具插件，其中先将冷却液体通道加工到基板中，然后再使用增材工艺构建模具插件的其余部分。模具插件形成有与基板中的冷却液体通道连接的共形的冷却通道。US 7261550中描述了这种工件。
在基板(其上构建了增材构建的工件)被预先加工有待与增材构建的工件对准的特征的过程中，重要的是在扫描器1106的坐标系中已知加工的特征的位置，使得可以实现期望的对准。
根据如图21所示的本发明的实施例，形成混合工件的方法可以包括将构建基板1501定位在增材制造设备的构建平台1102上，该构建基板将形成混合工件的一部分但不具有预成型的特征。构建基板1501和构建平台1102可以包括用于将构建基板1501运动地定位在构建平台1102上的可重复位置的安装结构，例如,如WO2015/092442中所述。
控制激光器1105和经校准的扫描器1106以在构建基板1501上标记1502记号1507，该记号可以用于识别要在其中预先形成特征1506的构建基板1501上的位置。例如，在预成型的冷却通道的情况下，可以标记为1507a构建基板1501的顶表面中的通道的开口的位置。在另一实施例中，不是用对应于待形成的特征的形状的记号1507a来标记构建基板1501，而是可以形成可以由机床识别的记号1507b，该机床用于形成特征1506并且用于将机床1510的坐标系与扫描器1106的坐标系对准。为了容易使用相机1591识别和确定位置，可以选择记号1507b。例如，记号1507b可以包括与参考图14描述的图案类似的图案，其中通过确定利用激光束1118在构建基板1501上形成的图案的相位来解析图案的位置。
随后将构建基板1501从增材制造设备移除并将其安装在机床1510上以形成特征1506。基于构建基板1501上的记号1507的位置，特征1506由机床在构建基板1501中的位置处形成1503。例如，可以使用安装在机床1510中的相机1591(诸如视频探测器等)来识别构建基板1510上的记号的位置。记号1507相对于待加工的特征1506的位置是已知的，并且机床1510可以调整其坐标系或机床指令以将特征的形成与记号对准。在这个实例中，特征1506是形成在基板1501中的通道。
随后将基板1501重新安装在构建平台1102上，运动学安装元件确保构建基板1501安装在与用记号1507标记时的位置相同的位置。随后使用增材制造设备构建1504混合工件的增材构建部分1505。由于记号由用于形成随后增材构建部分1505的经校准扫描器1106形成，确保了预成型的特征1506与增材构建部分1505的对准。
应当理解，在不背离如本文中所限定的本发明的范围的情况下，可以对上述实施例进行修改和改变。例如，图案可以不包括单独区域1203a、1203b，根据该单独区域1203a、1203b计算针对x方向和y方向的校正数据(相位)，但是可以包括这种单个区域,根据这种单个区域可以针对两个垂直方向计算周期性分量。
增材制造设备中的测量
技术领域
本发明涉及一种用于在包括多个扫描器的增材制造设备中执行测量的方法和设备，每个扫描器用于将辐射束引导到工作平面。具体地但非唯一地，本发明涉及一种用于校准包括材料床(例如，粉末或树脂床)的增材制造设备的扫描器的方法。
背景技术
用于生产部件的增材制造方法或快速原型成型方法包括对材料的逐层固化。存在各种增材制造方法，包括粉末床系统，诸如选择性激光熔化(SLM)、选择性激光烧结(SLS)、电子束熔化(eBeam)、基于树脂浴的系统诸如光固化立体造型；以及非粉末床系统，诸如熔融沉积成型，包括电弧增材制造(WAAM)。
在选择性激光熔化中，将粉末层沉积在构建室中的粉末床上，并且跨越粉末层的与正在构造的工件的截面(剖切面)相对应的部分扫描激光束。激光束将粉末熔化或烧结以便形成固化的层。在对层进行选择性固化之后，粉末床减低了新固化的层的厚度，并且根据需要将另外一层粉末在表面上摊开并固化。
为了精确地形成工件，扫描器必须被校准。
WO 94/15265披露了将上面印刷有大量正方形单元的聚酯薄膜片放置在目标表面上并且用激光束标记每个单元。随后通过用常规数字扫描器进行扫描来将片材转换成数字形式，并且使用激光标记相对于单元质心的位置来更新该单元的校正因子。定期执行这种校准。
US 5832415披露了一种用于校准快速原型成型系统的激光束的偏转控制的方法。在预定位置将光敏介质暴露于激光束下以生成测试图案。摄像机跨越所产生的测试图案逐渐移动，以便用相机产生测试图案的对应图案部分。评估程序用于将数字化图案部分组合成整体图案。将整个图案的图片坐标与照相制版法产生的参考图案的数字化坐标进行比较。基于比较来修改控制用于偏转激光束的扫描器所需的校正表。
US 6483596披露了一种用于校准对快速原型成型系统中的辐射装置的控制的方法，其中校准板布置在快速原型成型系统中的限定位置处。校准板具有上侧，该上侧具有第一区域和与第一区域分开的第二区域。第一区域设置有光学可检测的参考叉形记号，并且第二区域具有对辐射装置的辐射敏感的介质。通过在由位置坐标数据限定的预定期望位置处将介质暴露于辐射来产生叉形记号的测试图案。例如借助于像素扫描器、摄像机或数码相机来将第一区域和第二区域数字化，并且通过将参考叉形记号和测试图案的叉形记号进行比较来计算校正数据。
EP 2186625披露了一种校正快速原型成型系统中使用的数字光投影仪的几何扭曲的方法。相机用于查看由每个数字投影仪创建的未经补偿的测试图案。将每个未经补偿的测试图案与理想测试图案进行比较以生成图案校正映射。
WO 2014/180971披露了一种自动校准用于对三维工件进行有生产力的制造的装置的方法，该装置包括第一扫描器和第二扫描器。在应用的材料层或目标上，使用第一扫描器产生第一测试图案，并且使用第二扫描器产生第二测试图案。第一测试图案和第二测试图案可以是具有特定晶格常数的特定光栅图案或点图案。经校准的相机用于捕获第一测试图案和第二测试图案的图像，并将第一测试图案和第二测试图案与存储在控制装置的存储器中的参考图案进行比较。对第一扫描器和第二扫描器进行校准，使得对应测试图案与参考图案的偏差低于期望值。校准方法可以包括自相关方法或匹配方法。
希望提供一种以自动方式校准多光束增材制造设备的扫描器的方法。希望提供一种用于针对可能在构建期间发生的热漂移而校准扫描器的方法。
发明内容
根据本发明的第十三方面，提供了一种用于确定包括多个扫描器的增材制造设备的属性的方法，多个扫描器中的每一个扫描器包括用于将对应的辐射束引导到其中材料成层固结的工作平面的光束转向光学器件，该方法包括：控制一对扫描器的光束转向光学器件使得该对扫描器的第一扫描器引导辐射束以在工作平面中形成特征并且该特征处于该对扫描器的第二扫描器的检测器的视野内，该检测器用于检测来自工作平面的由第二扫描器的光束转向光学器件收集的辐射；利用第二扫描器的检测器针对视野记录至少一个检测器值；以及根据检测器值与预期检测器值进行的比较来确定增材制造设备的属性，根据该对扫描器的第一扫描器的转向光学器件在形成特征时的定位来确定预期检测器值。
该特征可以是辐射分布，诸如激光斑点，或者由辐射束在工作平面中形成的熔池。该特征可以是通过使用辐射束烧蚀工作平面中的表面的材料或在工作平面处固结材料而形成的特征。该特征可以是使用由第一扫描器引导的辐射束在视野内的工作平面中的表面上形成的参考图案。辐射束可以是由第一扫描器引导到工作平面中的表面上的结构化光。
根据本发明的第十四方面，提供了一种用于确定包括多个扫描器的增材制造设备的属性的方法，每个扫描器包括用于将对应的辐射束引导到其中材料成层固结的工作平面的光束转向光学器件以及用于检测来自工作平面的由光束转向光学器件收集的辐射的检测器，该方法包括：控制一对扫描器的第一扫描器和第二扫描器的光束转向光学器件，使得针对第一扫描器和第二扫描器的检测器的工作平面的视野至少重叠并且优选地在名义上是相连的；利用第一扫描器和第二扫描器中的每一者的检测器针对相应的视野来记录至少一个检测器值；以及根据由第一扫描器和第二扫描器记录的检测器值的比较来确定增材制造设备的属性。
第十四方面的方法可以包括：在辐射束由多个扫描器中的一者引导到视野内的工作平面中的材料上时记录检测器值，和/或记录由位于视野内的工作平面中的特征(诸如参考图案)生成的检测器值。
该特征可以使用辐射束中的一者形成在工作平面的表面上。该特征可以通过在工作平面中烧蚀材料和/或固结材料而形成。该特征可以通过将可检测辐射(诸如结构化光图案)投射到工作平面中的材料上而形成。可检测辐射的投影可以包括第一取向上具有第一波长的第一结构化光图案以及定向在第二不同方向上具有第二不同波长的第二结构化光图案。第一扫描器和第二扫描器可以包括能够检测光的第一波长和第二波长的检测器。
该方法可以包括将包括参考图案的参考人工制品放置在增材制造设备中，使得参考图案位于视野内的工作平面中。
以这种方式，可以通过交叉参考来自一对两个扫描器的数据来确定增材制造设备的属性。例如，数据可以被交叉参考以相对于一个扫描器校准另一个扫描器。属性可以是扫描器的属性，诸如根据(多个)检测器值确定的以下各项的测量位置或尺寸与标称值的差异：辐射束的斑点、由辐射束形成的特征和/或工作平面中的(多个)视野。替代地，数据可以被交叉参考，例如使用三角测量，以确定材料/工作平面中的表面的属性，诸如视野中的固化或未固化材料的高度/位置、构建基板/构建平台的位置，或者基于使用增材制造工艺而待构建的预成型部件的位置。
该方法可以包括调整增材制造设备以校正属性与标称值之间的差异。例如，可以基于属性与标称值之间的差异来确定校正值、函数或映射以用于校正一对扫描器中的一者的转向光学器件的至少一个位置。校正值、函数或映射可以是基于辐射束或由辐射束生成的特征在工作平面中的测量位置，如相对于标称位置从检测器值导出的。校正值、函数或映射可以是基于从检测器值导出的视野的测量相对位置与标称值的比较。
增材制造设备可以包括超过两个扫描器，并且该方法包括针对多对超过两个扫描器执行方法以生成每对扫描器中的一者的校正值、函数或映射，使得超过两个扫描器与公共参考系对准。
该方法可以包括：校准多个扫描器中的第一个的转向光学器件以提供第一经校准扫描器，并且生成多个扫描器中的其他扫描器中的一个或多个的校正值、函数或映射(采用上述方法)，以便将一个或多个扫描器的转向光学器件的定位与第一经校准扫描器对准。第一经校准扫描器可以使用不同方法进行校准，例如使用在未公布的GB专利申请号：1604728.4中描述的方法，该申请以引用方式结合在此。
检测器可以包括位置敏感装置(PSD)，该装置可以测量在一维或优选地二维上跨越视野的辐射强度变化。PSD可以包括各向同性传感器或对辐射敏感的离散元件的二维阵列，诸如电荷耦合装置(CCD)或互补金属氧化物半导体装置(CMOS)。比较可以包括将跨越第二扫描器的PSD的辐射强度与跨越第一扫描器的PSD的预期位置或辐射强度进行比较。
该方法可以包括：利用该对扫描器的第一扫描器将辐射束引导跨越在工作平面中的材料以形成熔池；从第二扫描器的PSD上的检测器值确定熔池在第二扫描器的视野中的位置；以及基于熔池在视野中的位置生成第一扫描器或第二扫描器的校正值、函数或映射。熔池提供可以容易与周围未熔化材料区分开的不同特征，并且发射与辐射束的光的波长不同的波长的辐射。因此，可以使用过滤器将从熔池发射的辐射与辐射束的背反射光分开，使得背反射光不入射到检测器上。使用熔池作为特征，基于该特征校正扫描器可以允许在构建期间校正扫描器，例如以校正由于扫描器的温度改变产生热效应而导致由扫描器引导的辐射束的位置的漂移。在构建开始时，扫描器可能相对较冷，但是随着诸如高功率激光束的辐射束从中穿过以熔化工作平面中的材料时，扫描器可能变热。
该方法可以包括：从第二扫描器的PSD上的检测器值确定特征在第二扫描器的视野中的位置；以及基于特征在视野中的位置生成第一扫描器或第二扫描器的校正值、函数或映射。
参考图案可以包括至少一个周期性特征，利用第二扫描器的检测器捕获参考图案的图像，该方法包括从图像中确定参考图案的测量的周期性质，并且基于测量的周期性质与参考周期性质的比较来确定用于控制第一扫描器或第二扫描器的校正值、函数或映射。参考周期性质可以从指令中确定，这些指令用于在形成参考图案或形成由该对扫描器的另一个扫描器的检测器捕获的参考图案的图像时驱动该对扫描器的另一个扫描器。
通过基于参考图案的周期性质进行校正，可以确定更精确的校正数据。具体地，可以比几何特征或熔池的位置更准确地确定周期性质，因为周期性质是基于从多个几何特征确定的信息(例如，几何特征中的多个几何特征上平均的信息)，而不是依赖于检测器上的几何特征中的单个几何特征的分辨率。
周期性质可以是参考图案相对于参考相位或从该对扫描器的另一个扫描器的检测器测量到的相位的测量相移。参考图案的相位可以指示辐射束在形成参考图案时的位置的误差和/或定位视野时的误差，并且可以从相移中确定校正值、函数或映射以校正第一扫描器或第二扫描器的转向光学器件的定位。
相移可以通过对图像的傅立叶分析来确定。可以通过在参考频率下对参考图案的图像执行离散傅立叶变换并且确定来自参考相位的合成频率分量的相移来确定相移。针对视野相对于参考图案的多个不同位置中的每一个位置，可以确定相移的值。
参考图案可以包括第一图案和第二图案，该第一图案包括在第一方向上重复的第一几何特征，该第二图案包括在垂直于第一方向的第二方向上重复的第二几何特征。第一几何特征和第二几何特征可以是相同(但是旋转到对应的第一方向和第二方向)或不同的。第一方向和第二方向中的每一个可以对应于辐射束被扫描器的不同转向光学器件移动的空间方向。第一图案和第二图案可以在每个图案的几何特征之间散布但没有重叠。
参考图案可以包括一系列平行线。参考图案可以包括在第一方向上重复的至少一个第一组平行线和在第二方向上重复的至少一个第二组平行线。在第一方向和第二方向上，第一组平行线可以与第二组平行线跨越工作平面交替。
根据本发明的第十五方面，提供了一种用于控制增材制造设备的控制器，其中该控制器被布置成执行本发明的第十三方面或第十四方面的方法。
根据本发明的第十六方面，提供了一种用于以逐层方式构建工件的增材制造设备，该增材制造设备包括多个扫描器，每个扫描器用于引导辐射束以在工作平面中固结材料，以及根据本发明的第十五方面的控制器。
根据本发明的第十七方面，提供了一种数据载体，该数据载体上具有指令，这些指令在由用于控制增材制造设备的处理器执行时致使控制器执行本发明的第十三方面或第十四方面的方法。
数据载体可以是用于向机器提供指令的合适介质，诸如非暂态数据载体，例如软盘、CD ROM、DVD ROM/RAM(包括-R/-RW和+R/+RW)、HD DVD、Blu Ray(TM)光盘、存储器(诸如Memory Stick(TM)、SD卡、紧凑型闪存卡等)、磁盘驱动器(诸如硬盘驱动器)、磁带、任何磁电机/光学存储器；或暂态数据载体，诸如在导线或光纤上的信号或无线信号，例如在有线或无线网络上发送(诸如互联网下载、FTP传输等)的信号。
根据本发明的第十八方面，提供了一种用于确定包括多个扫描器的增材制造设备的属性的方法，多个扫描器中的每一个扫描器包括用于将能量源引导到工作表面以在其上固结材料的定位元件，该方法包括：控制一对扫描器的定位元件，使得该对扫描器的第一扫描器将对应的能量源引导到在该对扫描器的第二扫描器的检测器的视野内的工作表面上，该检测器用于检测来自工作表面的辐射并且被布置成使用第二扫描器的用于定位能量源的定位元件相对于工作表面而定位；利用第二扫描器的检测器针对视野记录至少一个检测器值；以及根据检测器值与预期检测器值进行的比较来确定增材制造设备的属性，根据该对扫描器的第一扫描器对能量源的定位来确定预期检测器值。
能量源可以是等离子弧并且扫描器是线弧增材制造设备的沉积头。定位元件可以包括用于相对于工作表面定位沉积头的机器人或支架系统。
根据本发明的第十九方面，提供了一种用于控制增材制造设备的控制器，其中该控制器被布置成执行本发明的第十八方面的方法。
根据本发明的第二十方面，提供了一种用于以逐层方式构建工件的增材制造设备，该增材制造设备包括多个扫描器，每个扫描器用于引导能量源以在工作平面上固结材料，以及根据本发明的第十九方面的控制器。
根据本发明的第二十一方面，提供了一种数据载体，该数据载体上具有指令，这些指令在由用于控制增材制造设备的处理器执行时致使控制器执行本发明的第十八方面的方法。
附图说明
图22示出了根据本发明的实施例的增材制造设备；
图23是图22所示的增材制造设备的平面图；
图24示出了用于捕获与根据本发明的增材制造设备的一对扫描器相关的数据的实施例；
图25是根据本发明的实施例的用于校准扫描器的转向光学器件的参考图案；并且
图26是根据本发明的另一实施例的参考图案。
具体实施方式
参考图22和图23，根据本发明的一个实施例的增材制造设备包括构建室2101，在该构建室中具有限定构建容积2117的隔板2115、2116。构建平台2102可在构建室2117中降低。当通过对粉末进行选择性激光熔化来构建工件时，构建平台2102支撑粉末床2104和工件2103。随着工件2103的连续层形成，在马达的控制下在构建容积2117内使平台2102降低。
在通过分配设备2108和擦拭器2109来构建工件2103时，形成了粉末2104的层。例如，分配设备2108可以是如在WO 2010/007396中所描述的设备。分配设备2108将粉末分配到由隔板2115限定的上表面2115a上，并且通过擦拭器2109散布在粉末床上。擦拭器2109的下边缘的位置限定工作平面2110，在该工作平面处粉末被固结。
多个激光模块2105a、2105b、2105c和2105d生成用于熔化粉末2104的激光束2118a、2118b、2118c、2118d，这些激光束2118a、2118b、2118c、2188d按需要由对应的光学模块2106a、2106b、2106c、2106d引导。激光束2118a、2118b、2118c、2118d通过公共的激光窗口2107进入。每个光学模块包括用于使激光束2118沿垂直方向跨越工作平面转向的转向光学器件2121(诸如安装在检流计上的两个反射镜)以及聚焦光学器件2120(诸如用于改变激光束2118的焦点的两个可移动透镜)。扫描器被控制使得激光束2118的焦点位置保持在与激光束2118跨越工作平面移动时相同平面中。可以使用f-θ透镜，而不是使用动态聚焦元件将激光束的焦点位置维持在平面中。
每个光学模块2106a、2106b、2106c、2106d包括分束器2122，该分束器反射激光束2118并传输来自粉末床2104的工作平面的辐射的波长。分束器2122可以被布置成传输与激光束的波长不同的波长。穿过分束器2122的辐射由检测器2123成像，该检测器2123呈光检测器元件的二维阵列形式。光学系统可以包括另外的滤波器，用于在辐射入射到检测器2123上之前滤出不感兴趣的波长。例如，感兴趣的可能仅仅是可见光或者由来自床2104/熔池的热发射而引起的红外光谱中的光。
可以提供合适的照明(未示出)以照亮粉末床2104的工作平面2110。
包括处理器2161和存储器2162的控制器2140与增材制造设备的模块(即，激光模块2105a、2105b、2105c、2105d、光学模块2106a、2106b、2160c、2106d、构建平台2102、分配设备2108、擦拭器2109和检测器2123a、2123b、2123c、2123d)通信。如下所述，控制器2140基于存储在存储器2162中的软件来控制模块。
参考图24和图25，可以使用已知方法或者例如通过引用结合于此的GB1604728.4中描述的方法来校准光学模块2106中的第一者。随后通过与已经校准的光学模块2106进行比较来执行剩余的多个光学模块2106的校准。图24示出了可以完成这些的四种方式。
在第一种方法中，光学模块106中的一个经校准光学模块将它的对应激光束2118引导到工作平面2110上的限定x、y位置以形成熔池2203。将未校准的光学模块2106中的至少一个并且可能全部引导到相同的位置。以这种方式，熔池2202在(多个)未校准模块的检测器2123或每个检测器2123的视野2201内。由于经校准和未校准的光学模块在名义上被引导到相同的位置，因此如果光学模块2106被对准，熔池2202便应当出现在视野的中心。然而，如果光学模块2106之间存在未对准，则熔池2202可能偏离中心。
在该未校准的光学模块2106或每个未校准的光学模块2106的检测器2123上捕获熔池2202的图像，并且将代表信号发送到控制器2140。控制器2140确定熔池2202的中心在检测器2123的二维阵列上的位置，并且确定校正值以校正经校准和未校准的光学模块2106的未对准。针对跨越工作平面2110的多个位置可以重复该过程以构建校正映射或确定校正函数，从中可以确定针对激光束2118在工作平面2110上的不同位置对转向光学器件2121的位置的校正。该过程可以在构建之前和/或期间执行。具体地，由于光学模块2106的加热(可能是差温加热)，光学模块2106的相对位置精度可能在构建期间漂移。在构建期间进行的调整可以校正构建期间的这种热漂移。
在另一实施例中，使用经校准的光学模块2106来在工作平面2110上形成特征，例如通过烧蚀工作平面中的基板的表面或者通过固化粉末来构建基板。在此实施例中，该特征包括参考图案2205，该参考图案包括等距平行线的多个正方形，一些正方形具有在x方向上间隔开的线，而另一些正方形具有在y方向上间隔开的线。未校准的光学模块2106定位成使得视野2204包围参考图案2204并且名义上在参考图案2205的中心处居中。参考图案2205的图像被记录在未校准的光学模块2106的检测器2123上并且用于确定视野相对于标称位置的实际位置。基于实际位置与名义位置之间的差异针对未校准的光学模块2106确定校正值，并且如前所述，可以基于针对工作平面2110上的多个位置而确定的校正值来确定校正映射或函数。
可以通过在参考图案2205中的平行线的已知参考频率下执行参考图案2205的图像的离散傅立叶变换(DFT)来确定参考图案在视野中的位置。在此实施例中，通过将记录在检测器2123上的参考图案的图像乘以在来自检测器2123的图像的中点处居中的数字生成的正弦和余弦表示来执行DFT。针对每个平行线区域确定图像中的参考图案的相位。对于包括具有在x方向上重现的特征的图案的区域，确定x方向上的相移，并且对于包括具有在y方向上重现的特征的图案的区域，确定y方向上的相移。根据通过将图像乘以正弦和余弦表示获得的两个值的商的反正切来确定该相移。
x和y上的相移提供用于将未校准的光学模块与经校准的光学模块对准的校正值。
图26示出了替代参考图案，包括x和y上的互连周期特征。
在另一实施例中，其上具有参考图案的参考人工制品2207被放置在增材制造设备中以将参考图案定位在工作平面2110中。该参考图案包括多个区域，在此实施例中为等距平行线的正方形2208a、2208b，一些正方形2208a具有在x方向上间隔开的线，而另一些正方形2208b具有在y方向上间隔开的线。经校准的光学模块2106和未校准的光学模块2106被驱动到包括参考图案的工作平面2110上的名义上相同的位置。这样做时，两个光学模块2106的视野2208、2209重叠。将由光学模块的检测器2123捕获的参考图案的图像进行比较，并且确定用于将未校准的光学模块2106与经校准的光学模块2106对准的校正值。可以通过计算两个图像之间的参考图案的相移(例如，以上述方式计算)来确定校正值，该校正基于计算的相移。
在又一实施例中，使用光学模块2106中的另一者或者另一装置(诸如用于将结构化光图案投射到工作平面2110上的装置2124)在工作平面2110上形成诸如参考图案2213的特征。经校准和未校准的光学模块2106如前所述被控制以移动到工作平面2110上的名义上相同的位置，使得视野2211、2212包括特征/参考图案，并且将由检测器2123捕获的图像进行比较以确定两个图像之间的参考图案2213的相移，从中为未校准的光学模块2123确定校正值。
可以首先将第一参考图案2213投射到视野2211、2212内的工作平面2110上，第一参考图案2213具有在第一方向x上重复的特征，并且随后可以将第二参考图案投射到视野2211、2212内的工作平面2110上，第二参考图案2213具有在垂直于第一方向的第二方向y上重复的特征。
替代地，第一参考图案和第二参考图案可以并排投射在视野2211、2212内。在又一实施例中，光学模块2106的检测器2123能够检测一个以上波长，并且第一参考图案和第二参考图案使用不同波长的光投射到视野2211、2212内的工作平面2110上的相同位置(或至少重叠)。以这种方式，可以同时在一个以上轴线上捕获与视野2211、2211的定位相关的信息。
在另一实施例中，特征(诸如参考人工制品)可以是增材制造设备的永久特征。
不是由单独装置2124投射结构化光，而是可以在光学模块2106的至少一个中提供光学元件，使得光学模块本身可以在工作平面2110中生成结构化光图案。用于固结材料的激光束2118可以用于形成结构化光图案，或者可以在光学模块2106中提供单独的光源。
一旦光学模块2106a、2160b、2106c、2106d被校准，光学模块就可以用于通过三角测量来确定特征在工作平面2110上的位置。例如，可以跨越工作平面在多个位置处测量位于构建平台2102上的构建板或构建平台2102的位置，并且构建板/构建平台基于测量的位置被弄平。基于使用增材制造设备而待构建的一个或多个预成型部件的位置可以使用光学模块来测量并且该位置基于测量而调整到期望的位置。可以使用经校准的光学模块2106来测量粉末床的高度。
应当理解，在不背离如本文中所限定的本发明的范围的情况下，可以对上述实施例进行修改和改变。

Claims (23)

1.一种用于增材制造设备的模块，所述模块包括不只一个光学链，每个光学链提供供激光束穿过所述模块的路线并且包括转向光学器件，所述转向光学器件用于使所述激光束朝向待固结的材料转向以作为逐层增材制造工艺的一部分；
其中所述模块被配置成将来自所述不只一个光学链的激光束递送穿过所述增材制造设备的构建室中的单个窗口。
2.如权利要求1所述的模块，所述模块包括用于将所述模块附接到所述增材制造设备的所述构建室上的一个或多个固定点，因此所述模块桥接所述构建室窗口。
3.如权利要求1或权利要求2所述的模块，所述模块包括所述不只一个光学链共用的单个孔。
4.如权利要求1至3中任一项所述的模块，所述模块包括热连接所述不只一个光学链中的每一个的公共热回路。
5.如权利要求4所述的模块，其中所述公共热回路是包括冷却通道的冷却回路。
6.如权利要求5在从属于权利要求3时所述的模块，其中所述冷却回路在所述不只一个光学链共用的所述单个孔附近冷却所述模块。
7.如任一前述权利要求所述的模块，其中照射体积重叠区在使用时包含所述构建室中的所述窗口的至少一部分。
8.如任一前述权利要求所述的模块，其中所述模块包括增材构建的外壳。
9.一种用于增材制造设备的模块，其中作为逐层增材制造工艺的一部分，材料被固结；
所述模块包括不只一个光学链，每个光学链提供激光束穿过所述模块并且被引导朝向待固结的材料的路线；
其中所述不只一个光学链被设置在单件式外壳内。
10.如权利要求9所述的模块，其中所述外壳是增材构建的外壳。
11.一种包括如前述权利要求中任一项所述的模块的增材制造设备。
12.如权利要求11所述的增材制造设备，所述增材制造设备包括多个被布置成阵列的根据权利要求1至10中任一项所述的模块。
13.如权利要求12所述的增材制造设备，其中所述阵列是一维阵列。
14.如权利要求13所述的增材制造机器，其中所述阵列的所述多个模块是细长模块并且沿着短轴线布置在一起。
15.如权利要求11至14中任一项所述的增材制造机器，其中所述模块沿着线性轴线可移动。
16.如权利要求12所述的增材制造设备，其中所述阵列是二维阵列。
17.如权利要求16所述的增材制造设备，其中所述二维阵列在第一方向上包括超过两个模块。
18.如权利要求17所述的增材制造设备，其中所述二维阵列在第二方向上包括超过两个模块。
19.根据权利要求18所述的增材制造设备，其中所述第一方向和所述第二方向是正交方向。
20.如权利要求11所述的增材制造设备，其中所述模块被布置成使得所述模块在构建室上的覆盖区不大于所述模块在工作平面上能够照射的区域。
21.一种用于以逐层增材工艺来构建物体的增材制造设备，所述增材制造设备包括模块阵列，至少一个模块包括不只一个光学链，每个光学链提供激光束穿过所述模块的路线并且包括转向光学器件，所述转向光学器件用于使激光束朝向待固结的材料转向，其中所述阵列是二维阵列并且在第一方向上包括超过两个模块且在第二方向上包括超过两个模块，所述第一方向和所述第二方向是正交方向，并且其中所述阵列被布置在所述增材制造设备中以便在工作平面上提供连续可扫描区域。
22.如权利要求21所述的增材制造设备，其中所述阵列的所述模块间隔开，使得所述工作平面上的可扫描区域的至少一部分能够被来自第一模块和第二模块两者的激光扫描。
23.一种制造如权利要求1至10中的任一项所述的模块的方法，所述方法包括通过材料的逐层增材固结来形成所述模块的至少一部分。
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