CN108541230A - 用于校准用于有生产力地制造三维物体的设备的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于校准制造装置(1)的校准平台(31)，制造装置用于通过构建材料(15)的、在对应于三维物体的相应的横截面的位置处的逐层固结而制造三维物体(2)，其中通过在工作平面(7)中用辐射(22)选择性地辐射多层所述构建材料实现逐层固结。校准平台具有长条形形状且包括孔平台(42)，其沿校准平台的纵向方向延伸且包括沿校准平台的纵向方向成行布置的多个孔开口(43)，孔开口与孔平台的、包围孔开口的区域相比对辐射装置的辐射具有更大的透过性。校准平台还包括传感器平台(40)，其沿所述校准平台的纵向方向延伸、大致平行于孔平台布置且包括能够检测辐射装置的辐射的至少一个表面传感器(41)。校准平台能安装于制造装置中，以使得辐射装置的辐射可通过孔开口撞击至少一个表面传感器，优选地，使孔平台(42)位于制造装置的工作平面中。

Description

用于校准用于有生产力地制造三维物体的设备的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种装置以及方法，其用于校准一种装备，该装备用于特别地通过构建材料的、通过辐射所实现的逐层施加以及选择性固结而有生产力地制造三维物体。
背景技术
这种类型的设备例如被用于快速原型法、快速制模、或者增材制造中。这样的方法的一个示例被称为“选择性激光烧结或熔化”。在执行此种方法的过程中，重复地施加薄薄的一层呈粉末的形式的构建材料，并且通过使用激光束选择性地辐射每一层中的构建材料而选择性地使每一层中的构建材料固结。
为了使激光束撞击粉末层的点(实际位置)与所期望的点(目标位置)相一致，需要提前校准所述设备。
DE 199 18 613 A1描述一种校准用于有生产力地制造三维物体的设备的方法，其中具有参考标记且对所述设备的辐射敏感的介质的校准板布置于所述设备中的已知的位置处并且通过由所述设备的辐射来辐射所述介质而生成测试图案。该测试图案为数码化的，并且通过将所述测试图案与所述参考标记相比较来计算用于控制所述设备的辐射装置的校正数据。
DE 20 2009 016 585 A1描述一种校准用于有生产力地制造三维物体的装置的方法，其中图像转换板布置于所述装置的工作平面中并且被激光束扫描。所述图像转换板由这样的材料构成：该材料在被激光束辐射时发射可检测的光。孔掩模布置于所述图像转换板之上，其中孔掩模的孔形成于预定的位置处。这些孔优选地呈矩阵形式分布于整个孔掩模之上。当激光束撞击所述孔中的一个时，所述图像转换板生成可检测的光，该可检测的光被安装于所述图像转换板之下的检测器捕获。在捕获所述光时，将坐标(所述辐射装置将所述激光束发射至所述坐标)与所述孔的已知的坐标相比较，并且由此获得校正数据。
DE 10 2013 208 651 A1描述一种校准用于有生产力地制造三维物体的装置的方法，其中使用两个辐射装置。在所述两个辐射装置的重叠区域中，在光敏感介质或者所施加的粉末层中通过每一辐射装置生成测试图案。将两个测试图案彼此相比较或者与参考图案相比较，并且校准所述两个辐射装置，以使得差异低于预定阈值。
发明内容
本发明的目的是提供一种可选的、优选地改进的装置或者相应地一种可选的、优选地改进的方法，其用于校准用于特别地通过构建材料的、通过辐射所实现的逐层施加以及选择性固结而有生产力地制造三维物体的设备。
通过根据权利要求1所述的校准平台、根据权利要求7所述的校准装置、根据权利要求10所述的制造装置、根据权利要求12所述的校准方法、以及根据权利要求15所述的制造方法实现所述目的。分别地在从属权利要求中提供本发明的进一步的发展。在本申请所述的过程中，还可通过所述装置的、在以下所提供的或者分别地在从属权利要求中所阐述的特征进一步发展所述方法，反之亦然，或者相应地，所述方法的和/或所述装置的特征相互间还可被分别地用于进一步的发展。
根据本发明所述的校准平台用于校准制造装置，所述制造装置用于通过构建材料的、在对应于三维物体的相应的横截面的位置处的逐层固结而在构建区域内制造三维物体，其中通过在工作平面中用辐射选择性地辐射多层所述构建材料实现所述逐层固结。所述制造装置包括辐射装置，该辐射装置能够选择性地将适合于使所述构建材料固结的辐射(优选地，激光辐射)引导至所述工作平面的、在所述构建区域内的不同的位置，气体激光器的辐射、特别地在低波长至中波长的范围中的气体激光器的辐射、特别地优选地气体激光器的辐射为进一步优选的。所述校准平台具有长条形形状并且包括孔平台，该孔平台沿所述校准平台的纵向方向延伸并且包括沿所述校准平台的纵向方向成行布置的多个孔开口，所述孔开口与所述孔平台的、包围所述孔开口的区域相比对所述辐射装置的辐射具有更大的透过性。所述校准平台进一步包括传感器平台，该传感器平台沿所述校准平台的纵向方向延伸、相对于所述孔平台具有大致平行的布置、且包括能够检测所述辐射装置的辐射的至少一个表面传感器。所述校准平台能安装于所述制造装置中，以使得所述辐射装置的辐射可通过所述孔开口撞击所述至少一个表面传感器，其中所述校准平台优选地能安装于所述制造装置中，以使得所述孔平台位于所述制造装置的所述工作平面中。通过这样的校准平台，例如，可以校准所述制造装置的所述辐射装置，以使得所发射的辐射在所期望的目标位置处精确地撞击所述构建区域。
优选地，所述孔开口对所述辐射装置的辐射的透过性是所述孔平台的、包围所述孔开口的区域的透过性的至少10倍、优选地至少100倍、进一步优选地至少1000倍。由此，例如，可在所述表面传感器的输出信号中实现充分的对比，其使得能够在所述辐射穿过所述孔开口时以及在所述辐射未穿过所述孔开口时进行区分。
优选地，所述孔开口沿朝向所述传感器平台的方向变宽和/或具有的直径在所述辐射装置的辐射的焦斑直径的十分之一至十倍的范围中。由此，例如，可简化所述孔开口的制造和/或使它的直径可灵活地适于需要。
优选地，所述传感器平台包括沿所述校准平台的纵向方向成行布置的多个表面传感器。这例如可比使用在整个长度之上延伸的单个表面传感器更经济。
优选地，至少一个表面传感器或者所述多个表面传感器中的至少一个、优选地所述多个表面传感器中的每一个沿所述校准平台的纵向方向具有的长度大于两个相邻的孔开口之间的距离。由此，可减小所使用的表面传感器的数量。
优选地，所述至少一个表面传感器或者所述多个表面传感器中的至少一个为空间分辨传感器。由此，例如，可直接地确定入射辐射的最大强度的位置。
根据本发明所述的校准装置用于校准制造装置，所述制造装置用于通过构建材料的、在对应于三维物体的相应的横截面的位置处的逐层固结而制造三维物体，其中通过在制造装置的工作平面中用辐射选择性地辐射多层所述构建材料实现所述逐层固结。所述校准装置包括以上所描述的类型的校准平台以及适合于评估所述至少一个表面传感器的输出信号的至少一个评估单元。优选地，所述至少一个评估单元适合于确定所述输出信号中所含有的单脉冲的振幅和/或长度，建立所确定的振幅和/或长度的空间分布，以及评估该空间分布。通过这样的校准装置，例如，可从所述表面传感器的输出信号获得所期望的数据。
优选地，所述校准平台包括多个表面传感器，并且至少一个评估单元连接至所述校准平台的一个以上的表面传感器。进一步优选的是，连接至同一个评估单元的多个表面传感器串联地电连接。由此，例如，可减小所需要的评估单元的数量。
优选地，所述校准平台包括多个表面传感器，并且所述校准装置包含用于所述多个表面传感器中的每一个的单独的评估单元。由此，例如，可同时地测量被分配至不同的表面传感器的多个孔开口。
根据本发明所述的制造装置用于通过构建材料的、在对应于三维物体的相应的横截面的位置处的逐层固结而在构建区域内制造三维物体，其中通过在工作平面中用辐射选择性地辐射多层所述构建材料实现所述逐层固结。所述制造装置包括：辐射装置，该辐射装置能够选择性地将适合于使所述构建材料固结的辐射(优选地，激光辐射)引导至所述工作平面的、在所述构建区域内的不同的位置，气体激光器的辐射为进一步优选的；以及以上所描述的类型的校准平台和/或校准装置。所述校准平台布置于所述制造装置中，以使得所述辐射装置的辐射可通过所述孔开口撞击所述至少一个表面传感器，以及优选地以使得所述孔平台位于所述制造装置的所述工作平面中。优选地，所述校准平台可动地布置于所述制造装置中，在另一个优选的方式中，所述校准平台被布置成能相对于它的纵向方向横向地运动，以及在又一个优选的方式中，所述校准平台被布置成能相对于它的纵向方向垂直地运动。通过这样的制造装置，例如，可以校准所述制造装置的所述辐射装置，以使得所发射的辐射在所期望的目标位置处精确地撞击所述构建区域。
优选地，根据本发明所述的制造装置进一步包括能沿运动方向运动跨过所述构建区域的、用于将所述构建材料的层施加至所述构建区域的再涂覆机，并且所述校准平台安装于所述再涂覆机处并且能与它一同运动，以使得该校准平台的纵向方向相对于所述再涂覆机的运动方向横向地、优选地垂直地延伸。由此，例如，已经存在于所述制造装置中的驱动装置(亦即所述再涂覆机的驱动装置)可用于使所述校准平台运动跨过所述构建区域。
根据本发明所述的校准方法用于校准制造装置，所述制造装置用于通过构建材料的、在对应于三维物体的相应的横截面的位置处的逐层固结而在构建区域内制造三维物体，其中通过在工作平面中用辐射选择性地辐射多层所述构建材料实现所述逐层固结。所述制造装置包括辐射装置，该辐射装置能够选择性地将适合于使所述构建材料固结的辐射(优选地，激光辐射)引导至所述工作平面的、在所述构建区域内的不同的位置，气体激光器的辐射为进一步优选的。所述方法包括以下步骤：将以上所描述的类型的校准平台安装于所述制造装置内部，以使得所述辐射装置的辐射可通过所述孔开口撞击所述至少一个表面传感器，以及优选地以使得所述孔平台(42)位于所述制造装置的所述工作平面中；通过所述辐射装置的辐射扫描所述校准平台的至少一个孔开口；捕获所述至少一个表面传感器的输出信号；根据所捕获的输出信号确定所述至少一个孔开口的中心的、在辐射坐标系统中的位置；将所述至少一个孔开口的中心的、在所述辐射坐标系统中的位置与所述孔开口的中心的、在永久地固定至所述构建区域的机器坐标系统中的已知的位置相比较；以及根据比较结果计算用于所述辐射装置的校正数据。优选地，通过所述辐射装置的辐射扫描所述校准平台的两个或更多个孔开口并且确定所述两个或更多个孔开口的在所述辐射坐标系统中的位置，和/或使所述校准平台相对于它的纵向方向横向地运动(在另一个优选的方式相对于它的纵向方向垂直地运动)跨过所述构建区域，并且在所述校准平台的至少一个另外的位置中，通过所述辐射装置的辐射扫描至少一个孔开口并且确定它的在所述辐射坐标系统中的位置。通过这样的校准方法，例如，可以校准所述制造装置的所述辐射装置，以使得所发射的辐射在所期望的目标位置处精确地撞击所述构建区域。
优选地，扫描至少一个孔开口的步骤包含：通过所述辐射装置的、呈矢量的形式的辐射扫描所述孔开口的第一步骤，所述矢量沿第一方向或者与所述第一方向相对的方向平行于彼此并且距彼此具有一定的距离，以及通过所述辐射装置的、呈矢量的形式的辐射扫描所述孔开口的第二步骤，所述矢量沿第二方向或者与所述第二方向相对的方向平行于彼此并且距彼此具有一定的距离，其中所述第二方向相对于所述第一方向为横向的、优选地垂直的。优选地，进一步地，捕获所述至少一个表面传感器的输出信号的步骤包含：对于所述两个扫描步骤中的每一个而言，确定对应于所述矢量的单脉冲的振幅和/或长度。优选地，进一步地，在所述辐射坐标系统中确定所述孔开口的中心的步骤包含：对于所述两个扫描步骤中的每一个而言，建立所确定的振幅和/或长度的空间分布以及评估该空间分布。由此，例如，可使校准对时间延迟和/或其它时间因素的敏感度降低。
优选地，所述校准方法另外地包含：在所述辐射装置的校准之后，对由所述辐射装置所发射的辐射的焦斑直径的测量，其包括如下步骤：以预定的扫描速度通过所述辐射装置的、呈穿过所述孔中心的扫描矢量的形式的辐射扫描所述校准平台的所述孔开口，测量所述表面传感器的所述输出信号的脉冲的持续时间，根据所测量的持续时间以及所述预定的扫描速度计算所述辐射的所述焦斑直径。由此，例如，可在观察平面中执行对所述辐射装置所发射的辐射的射束轮廓的检查。
根据本发明所述的制造方法用于在构建区域内制造三维物体并且包括步骤：通过使再涂覆机运动跨过所述构建区域而使用再涂覆机施加构建材料层；通过在所述构建区域内用适合于使所述构建材料固结的辐射(优选地，激光辐射)选择性地辐射所述构建材料层使所述构建材料层在对应于所述三维物体的相应的横截面的位置处固结，气体激光器的辐射为进一步优选的；以及重复所述施加步骤以及固结步骤直至完成所述三维物体。在此过程中，在所述制造方法之前或者在所述制造方法期间执行以上所描述的类型的校准方法至少一次。由此，例如，与不进行校准相比，可以以更高的精确度制造物体。
附图说明
图1为根据本发明的实施例的、用于三维物体的逐层的有生产力的制造的装置的局部剖视示意图。
图2a为安装于图1的装置中的再涂覆机处的校准平台的立体示意图。
图2b为所述校准平台的剖视示意图。
图2c为所述校准平台的俯视示意图。
图3a为用于解释说明通过呈单独的矢量的形式的激光束对孔开口的扫描的俯视示意图。
图3b和3c为示出所述校准平台的传感器的、用于单独的矢量的输出信号的图表。
图4a为示出所测量的光强度的3D立体图的图表。
图4b为示出所测量的光强度的叠加的时态行为的图表。
图4c为示出所测量的光强度行为的振幅的空间分布的图表。
图4d为示出图4c中所示的振幅的包络线的图表。
具体实施方式
在下文中，参考图1描述根据本发明的实施例的用于三维物体的逐层的有生产力的制造的装置。图1中所示的装置为激光烧结或激光熔化装置1。为了构建物体2，所述激光烧结装置包含具有室壁4的处理室3。
在处理室3中，布置有朝向顶部敞开的并且具有壁6的容器5。通过容器5的上部开口限定工作平面7，其中所述工作平面7的、位于所述开口内的区域(其可用于构建物体2)被表示为构建区域8。
在容器5中，布置有能沿竖向方向V运动的支撑件10，底板11安装于所述支撑件处，所述底板沿向下的方向封闭容器5并且由此形成该容器的底部。底板11可为独立于支撑件10单独地形成的板，其附接至支撑件10，或者它可与支撑件10一体地形成。根据所使用的粉末以及工艺，构建平台12(在其上构建物体2)可进一步安装于底板11上。然而，还可在底板11自身上构建物体2，该底板因此充当构建平台。在图1中，要在构建平台12上在容器5中构建的物体2在中间状态中被显示为处于工作平面7之下，所述中间状态具有被保持为未固结的构建材料13包围的多个固结层。
激光烧结装置1进一步包含用于呈粉末的形式的构建材料15(可通过电磁辐射使其固结)的存储容器14以及能沿水平方向H运动的、用于将构建材料15施加至构建区域8的再涂覆机16。
激光烧结装置1进一步包含辐射装置20，其具有生成激光束22的激光器21、优选地为气体激光器，比如CO2激光器，所述激光束22经由偏转装置23偏转并且通过聚焦装置24经由耦合窗25(其在处理室3的壁4中安装于该处理室的上侧处)聚焦至工作平面7上。
激光烧结装置1进一步包含控制单元29，经由该控制单元以用于执行构建过程的协调方式控制所述激光烧结装置1的各个构件部分。所述控制单元可包含CPU，该CPU的操作由计算机程序(软件)控制。计算机程序可独立于所述激光烧结装置单独地储存于存储介质上，该计算机程序可被从所述存储介质装载至所述激光烧结装置中、特别地装载至控制单元中。
在操作期间，首先，为了实施粉末层的施加，使支撑件10下降对应于所期望的层厚度的高度。通过使再涂覆机16运动跨过工作平面7，因此施加呈粉末的形式的构建材料15的层。至少在待制造的物体2的整个横截面之上、优选地跨过整个构建区域8(亦即工作平面7的、可通过支撑件的竖向运动下降的区域)执行所述施加。随后，通过激光束22扫描待制造的物体2的横截面，以使得使呈粉末的形式的构建材料15在对应于待制造的物体2的横截面的位置处固结。重复这些步骤，直至物体2完成并且可被从处理室3中移出。
为了校准辐射装置20，激光烧结装置1包含校准装置30，该校准装置包括校准平台31以及评估单元32。校准平台31布置于处理室3中并且可动地安装于再涂覆机16处，能与该再涂覆机一同运动。评估单元32优选地布置于处理室3外部并且在信号方面连接至校准平台31。评估单元32还可集成于控制单元29中而不是被形成为单独的单元，或者它可集成于校准平台31中。
图2a为再涂覆机16与安装于该再涂覆机处的校准平台31的立体示意图(未按比例绘制)。
代表性地，对于能应用于激光烧结机中的任何再涂覆机形状，再涂覆机16在附图中仅仅被示意性地显示为沿纵向方向延伸的并且能沿运动方向B运动的立方体，该运动方向B相对于该再涂覆机的纵向方向为横向的、优选地相对于该再涂覆机的纵向方向为垂直的。同样具有长条形形状的校准平台31安装于再涂覆机16处。在本申请中，长条形意味着，沿第一方向的尺寸比沿横向于所述第一方向的第二方向显著地更大，优选地为其至少两倍，在另一个优选的方式中为其至少五倍，以及在又一个优选的方式中为其至少十倍。优选地执行安装，以使得校准平台31的纵向方向平行于再涂覆机16的纵向方向延伸。校准平台31整体上或者它的至少部分优选地能被从再涂覆机16拆卸。
校准平台31包含传感器平台40，其沿校准平台31的纵向方向延伸并且校准平台31经由所述传感器平台安装于再涂覆机16处。在传感器平台40上安装有表面传感器41，其能够检测所述激光烧结装置1中所使用的激光辐射并且也沿校准平台31的纵向方向延伸。
进一步地，平行于传感器平台40，在表面传感器41的一侧上，校准平台31包含孔平台42，该孔平台也沿校准平台31的纵向方向延伸并且由不能透过光的材料制成，例如，该孔平台为金属平台。在孔平台42中，多个孔开口43沿校准平台31的纵向方向成行布置。孔开口43被形成为孔平台42中的通孔。成行布置并不限于图2a中所示的在直线上的布置。孔开口43例如还可呈弯曲线、阶梯线、之字形线等等的形式布置。在本申请中，表面传感器41的大小至少大成使得在光垂直入射于孔平台42上时穿过所有孔开口43的光撞击该表面传感器。
通过侧壁44封闭传感器平台40与孔平台42之间的空间。然而，为了清楚起见，在图2a中仅仅示出长边处的侧壁44，所述侧壁还可布置于窄边处。侧壁44还可与孔平台42(其因此具有U型轮廓)或者与传感器平台40一体地形成。
校准平台31安装于再涂覆机16处，以使得孔平台42位于传感器平台40之上，所以辐射装置20的辐射可通过孔开口43在直接通路上(亦即不会反射和/或散射)撞击表面传感器41。
图2b为通过校准平台31的剖视示意图(相对于图2a旋转90°)。如从该剖视图可看到的，形成孔开口43的通孔并不具有恒定的横截面，而是沿朝向传感器平台40的方向变宽。在本实施例中，孔首先沿朝向传感器平台的方向以恒定的横截面延伸并且接着线性地变宽，亦即该孔在传感器平台一侧上具有斜边。该斜边有助于甚至在厚的孔平台中对微小通孔的钻进。然而，变宽还可跨过孔的整个长度发生。它也不必为线性的，而是例如还可具有阶梯形状或弯曲形状。
图2c为校准平台31的俯视示意图。在该示例中，代替端到端式表面传感器41，三个表面传感器41a、41b、41c(作为通过虚线表示的隐藏的元件)独立于彼此单独地设置并且沿校准平台31的纵向方向成行布置。在本申请中，三个表面传感器中的每一个沿校准平台31的纵向方向比相邻的孔开口43之间的距离长。在极端情况下，还可为孔开口43中的每一个设置单独的表面传感器。
设置多少个表面传感器对校准而言是无关紧要的。在实践中，人们将更喜欢使用多个表面传感器，因为在校准平台的整个长度之上延伸的大的表面传感器对于生产而言并非经济的。
能够检测用于使构建材料固结的辐射的所有的传感器类型可被用作表面传感器。在CO2激光器的情况下，优选地，使用热电原子层传感器。传感器将对应于激光束的所测量的强度的输出信号输出至评估装置。该信号例如可与所测量的强度成比例、或者遵循对数曲线、或者借助于其它某些函数而取决于强度。
为了校准所述激光烧结装置，使再涂覆机16运动，以使得孔平台42位于工作平面7中(以及激光束22的焦平面中)并且孔开口43处于构建区域8的预定位置处。随后，由激光束扫描所述孔开口43中的至少一个、优选地多个。在下文中参考图3解释说明该扫描。
如在图3a(其示出布置于工作平面7中的孔开口43以及它的周围区域的俯视图)中示意性地示出的，具有特定的焦斑直径的并且在图中通过虚线圆示出的激光束22沿位于工作平面中的x-方向运动跨过孔开口43。虽然激光束22在图中被显示为具有固定的直径的圆，但是通常，光强度沿向外的方向逐渐地减小，例如，沿循高斯分布。在这种情况下，例如，可将激光束轮廓的强度分布的半极大处全宽度限定为焦斑直径。
随后，激光束22沿垂直于x-方向的并且也位于工作平面中的y-方向移动预定距离，并且再一次沿x-方向运动跨过孔开口43。重复此种操作多次。因此以多个扫描矢量S(在下文中被简要地称为矢量)的形式执行对孔开口43的扫描，所述扫描矢量S沿x-方向延伸并且沿y-方向距彼此具有一定距离。
偏转装置23的良好地建立的构造包含使激光束22沿彼此垂直的两个方向偏转的两个检流计镜。为了实现上述程序，一面镜在通过矢量S扫描孔开口43期间保持固定，而使另一面镜旋转。随后，使先前保持固定的镜旋转预定的量并且随后再一次保持固定，同时使另一面镜旋转，用以扫描下一矢量。如图3a中所示，可沿同一方向或者此外沿相反方向交替地扫描矢量。
在此过程中，扫描超出孔开口43的边界，但是仅仅矢量S的位于孔开口43内的部分被表面传感器41捕获并且随后被评估。
图3b示意性地示出在激光束22扫描矢量S时的所测量的光强度的时间行为。
激光束22一旦在时间t0处到达孔开口43的(在图3a中左)边缘，表面传感器41的、对应于所测量的强度的输出信号s(t)就开始上升。当激光束22在时间t1处完全地落入孔开口43时，输出信号s(t)达到它的最大值并且保持大约恒定直至激光束22在时间t2处到达孔开口43的(在图3a中右)边缘。此后，输出信号s(t)再一次下降直至激光束22在时间t3处完全不穿过孔开口43并且输出信号s(t)变为零。那样，通过激光束22对孔开口43的扫描生成单脉冲P，该单脉冲的长度L(持续时间)由激光束22的扫描速度以及孔开口43的、在扫描位置处的弦长度确定，并且该单脉冲的振幅A由激光束22的强度以及表面传感器41的敏感度确定。单脉冲P的信号曲线另外受激光束轮廓的影响。在本申请中，单脉冲是指表面传感器41的输出信号s(t)中的、通过由具有恒定的强度的激光束22扫描孔开口43所生成的脉冲，而不是以脉冲模式操作的激光(依情况而定)的脉冲。
对于所有的各个矢量S，除了对应于各个矢量S的单脉冲P的振幅A和/或长度L彼此不同之外，产生相似的信号曲线s(t)。关于测量技术，例如，可借助于跨过单脉冲P的脉冲持续时间以及长度L的最大值测量捕获单脉冲P的振幅A，例如通过这样的两个时间点之间的时间测量：在该两个时间点处，输出信号s(t)超过预定阈值，例如最大值的5％、50％(＝半极大处的全宽度)、或者95％，或者通过在脉冲P的总持续时间上对信号值积分。在本申请中，问题不在于长度L的精确的确定值，而在于单脉冲P的长度L之间的相对差。
图3c示意性地示出在激光束22扫描矢量S并且孔开口43的直径或者相应地所扫描的圆的部分大约等于激光束22的焦斑直径时的所测量的光强度的时间行为。在此过程中所生成的信号曲线s(t)并不具有具有大约恒定的信号水平的区域，而是钟形行为。此外，在此过程中，关于测量技术，可确定钟形曲线的振幅A以及长度L，例如半极大处的全宽度。
当孔开口43的直径显著地小于激光束22的焦斑直径时，再一次产生与图3b中所示的信号曲线相似的信号曲线s(t)，然而具有显著地更小的振幅A，这是因为从来没有完整的激光束、而是总是仅仅被孔开口43过滤的切口撞击表面传感器41。
在图4中示出对各个信号曲线的评估的示例。在此过程中，图4a示出所测量的信号曲线的3D立体图。平行于时间轴(其对应于如图3a中所示的在扫描时的x-轴)绘制每一单脉冲的信号曲线。不同的单脉冲的信号曲线沿定位轴(其对应于如图3a中所示的在扫描时的y-轴)相对于彼此偏移一定的距离，该距离对应于图3a中所示的扫描矢量S的距彼此的距离。
图4b示出3D视图的、至振幅-时间-平面上的投影。该曲线组中的每一曲线代表沿y-方向的特定位置处的信号时态行为s(t)。
图4c示出3D视图的、至振幅-位置-平面上的投影。由于各个信号曲线平行于时间轴并且因此垂直于定位轴布置，在该图中对于每一单脉冲生成竖直线，它的高度对应于脉冲的振幅A。
图4c因此示出振幅A的、根据各个矢量的沿y-方向的位置的空间分布。由于扫描矢量S沿y-方向相对于彼此偏移恒定的量，该空间分布示出各个振幅A的值的、在y-轴上的等距布置。
现在，根据该空间分布确定最大值M。为了这个目的，最简单地，可选择具有最大振幅A的矢量S，如图4c中所示。特别地，在对称分布的情况下，亦即当两侧上的紧邻的更小的矢量都具有相同的长度时，可假设：将具有最大长度的矢量分配至对应于孔开口的中心的y-坐标。
然而，还可通过本身已知的方法内推该系列的所确定的振幅A，例如使用样条曲线，从此得到包络线E，如在图4d中示出的。根据所得到的包络线E，可确定最大值M以及由此确定孔开口的中心的y-坐标。然而，还可评估侧翼并且可由此确定孔开口的中心的y-坐标，例如，根据这样的两个位置的算术中项：在该两个位置处，包络线呈现它的最大值的50％(或者另一个百分数)。若，如在图4c中所示的示例中，具有最大振幅的脉冲的左边的相邻脉冲具有比右边的相邻脉冲大的振幅，则包络线E的最大值M将位于具有最大振幅的脉冲与左边的相邻脉冲之间，如图4d中所示。因此，通过形成包络线，可改进测量程序的精确度。
然而，如在图4c中示出的，还可根据单脉冲P的、通过测量技术所确定的长度L生成空间分布。在此过程中，各个竖直线的高度并不对应于所分配的脉冲P的振幅A，而是对应于它们的长度L。根据长度L的该空间分布，以与以上针对振幅A所描述的相同的方式确定孔开口的中心的y-坐标。
在已经以该方式确定孔开口的中心的y-坐标之后，通过由沿x-方向相对于彼此偏移的各个矢量沿y-方向扫描孔开口以相同的方式确定孔开口的中心的x-坐标。
随后，可扫描另一个孔开口并且以相同的方式确定它的中心的x-坐标和y-坐标。
当已经测量所有的所期望的孔开口时，再涂覆机16沿它的运动方向B运动至另一个预定位置并且停在那里。接着，再一次，可以以相同的方式测量一个或多个孔开口。重复这一过程直至执行校准所需的所有的测量。这可根据在再涂覆机的特定的位置处测量一个单一的孔开口直至在再涂覆机的多个位置处测量所有孔开口而变化。
如此确定的孔开口的中心的x-坐标和y-坐标对应于辐射坐标系统，亦即对应于辐射装置的位置设置，亦即，例如，对于具有检流计镜的偏转装置而言，对应于两个检流计镜的设置。
另一方面，从孔开口的、在孔平台上的几何布置以及再涂覆机所运动至的预定位置获知孔开口的中心的、在机器坐标系统(亦即永久地固定至构建区域的坐标系统)中的x-坐标和y-坐标。
通过对辐射坐标系统中的所确定的坐标与机器坐标系统中的已知的坐标的比较，可检测到差异并且可由此计算辐射装置的校准数据。
在所描述的方法中，通过沿x-方向重复地扫描孔口确定孔开口的中心的y-坐标，通过沿y-方向重复地扫描孔口确定x-坐标。由此，可以独立于矢量的时间、跟踪误差、或者其它延迟以及其它时间因素执行对孔开口的中心的位置的确定，由此增加测量的精确度。
因此，并非根据每一矢量自身的数据(例如，相对应的脉冲的振幅、长度、或者时态状态)直接地确定坐标，而是根据单脉冲的振幅或者相应地长度的、垂直于相对应的矢量的扫描方向的空间分布确定坐标。换句话说，未评估运动的检流计镜(其生成扫描矢量)的永久地改变的状态，而是固定的镜(仅仅使其运动以在扫描矢量之间转换)的、在每一扫描过程期间的静态(稳定)状态。因此，运动的检流计镜的时态延迟等等并不损害测量的精确度。
各个矢量之间的时间间隔相比之下为足够大的，以使得可将空间坐标(例如在沿x-方向扫描时的y-坐标)明白地分配至相对应的矢量。
在生成用于辐射装置的校准数据之后，确保的是，当用辐射装置的特定的坐标启动辐射装置时，实际上将激光束精确地引导至机器坐标系统的相对应的点。当测量仅仅一个孔开口时，可仅仅全局地校正沿x-方向和/或y-方向的错位。在两个孔开口的情况下，另外地，可校正扭力以及缩放比例(制图比例因子)。测量的孔开口越多，则可更好地校正的全局的和/或局部的变形。
在辐射装置的校准之后，校准平台还可用于测量激光束的焦斑直径。为了这个目的，通过激光束以预定的扫描速度扫描孔开口，以使得扫描矢量通过孔开口的中心。在此过程中，表面传感器的输出信号具有与图3b中所示的特征相似的特征。测量输出信号的相对应的脉冲的、例如在为最大水平的90％至95％的阈值处的持续时间，并且根据所测量的持续时间以及预定的扫描速度计算激光束的焦斑直径。在该计算中包含激光束轮廓的理论模型(例如高斯分布)。通过将所测量的信号曲线与根据用于以固定速度运动跨过孔的激光束的模型所计算的信号曲线相比较，可确定激光束的焦斑直径。
通过将多个孔开口布置于孔平台中并且使校准平台运动跨过构建区域，若还在多个平面中提供对再涂覆机或者相应地校准平台的高度可调节性，还可确定焦斑直径的跨过构建区域的分布。
在上述实施例中，孔开口被形成为基本不能透过所使用的辐射的材料中的通孔。然而，替代地，孔平台还可由能透过辐射的材料与形成于其上的、由不能透过辐射的材料所制成的掩模(其中孔开口为敞开的)制成，例如由玻璃基材与铬掩模制成。在这种情况下，掩模在辐射垂直入射时对于所使用的辐射的透过性应当比载体基材低至少10倍、优选地低至少100倍、以及以另一优选的方式低至少1000倍。
孔开口也不必如在上述实施例中大于激光束的焦斑直径，相反它们还可为更小的。例如，对于0.5mm型的CO2激光器的焦斑直径，可使用0.4mm的孔开口。此外，在这种情况下，产生各个矢量的不同的长度，以及由此经由矢量的长度的分布确定孔开口的中心的坐标的可能性。优选地，孔开口的直径在激光束的焦斑直径(其例如由激光束轮廓的强度分布的半极大处全宽度限定)的十分之一至十倍的范围中。
除了所描述的圆形形状之外，孔开口还可具有另一种形状，例如菱形形状，只要确保对应于各个矢量的脉冲的长度随侧向位移改变即可。
当所使用的激光功率太高时，所以存在损害孔平台的危险，还可为了校准有目的地使激光散焦。还可在焦平面之外执行校准，因为未使孔平台进入工作平面中，而是相对应地在工作平面之下或之上。
当使用多个表面传感器时，例如，所有表面传感器可连接至同一个评估装置，因为它们串联地电连接。然而，还可设置多个评估装置，其中表面传感器中的仅仅一部分或者甚至仅仅一个单一的表面传感器连接至每一评估装置。当使用多个评估装置时，还可在一多头装置中同时地执行多个校准，所述多头装置可同时地将多个激光束发射至不同的位置。
还可将空间分辨传感器用作表面传感器，所述空间分辨传感器不仅测量入射辐射的强度，而且还测量入射位置或者相应地强度分布(若激光束的直径在空间分辨传感器的多个测量点(像素)之上延伸)。
校准平台在上述实施例中安装于再涂覆机处并且与它一同运动，然而本发明并不限于此。校准平台还可永久地内置于该装置中(或者在需要时内置在该装置中)或者能独立于再涂覆机单独地相对于它的纵向方向优选地横向地(在另一个优选的方式中垂直地)运动。
校准平台还可用于校准多头系统，其中将一个以上的激光束同时地用于使构建材料固结。激光束可相继地扫描孔开口。然而，当表面传感器被再分成多个单独的传感器时，还可同时地扫描被分配至不同的表面传感器的孔开口。
虽然已经基于激光烧结装置或者相应地激光熔化装置描述了本发明，但是它并不限于激光烧结或激光熔化。它可适于通过构建材料的、通过辐射所实现的逐层施加以及选择性固结制造三维物体的任意方法。
辐射器例如可包括一个或多个气态或者固态激光器或者任何其它类型的激光器，比如例如激光二极管，特别地VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser：竖直腔面发射体激光器)或者VECSEL(Vertical External Surface Emission Laser：竖直外腔面发射体激光器)，特别地，一行这样的激光器。通常，可将任何装置(可通过其选择性地将能量作为光辐射或粒子辐射施加至一层构建材料)用作辐射器。代替激光器，例如，可使用适合于使构建材料固结的另一种光源、电子束、或者任何其它能量或者相应地辐射源。
为了制造所述物体，可使用各种类型的构建材料，特别地，粉末，比如金属粉末、塑料粉末、陶瓷粉末、沙、填充粉末或混合粉末。

Claims (15)

1.一种用于校准制造装置(1)的校准平台(31)，所述制造装置用于通过构建材料(15)的、在对应于三维物体的相应的横截面的位置处的逐层固结而在构建区域(8)内制造三维物体(2)，其中通过在工作平面(7)中用辐射(22)选择性地辐射多层所述构建材料实现所述逐层固结，其中所述制造装置包括辐射装置(20)，该辐射装置能够选择性地将适合于使所述构建材料固结的辐射引导至所述工作平面的、在所述构建区域内的不同的点，所述辐射优选为激光辐射，而气体激光器的辐射为进一步优选的，
其中所述校准平台具有长条形形状，
所述校准平台包括孔平台(42)，该孔平台沿所述校准平台的纵向方向延伸并且包括沿所述校准平台的纵向方向成行布置的多个孔开口(43)，所述孔开口与所述孔平台的、包围所述孔开口的区域相比对所述辐射装置的辐射具有更大的透过性，
所述校准平台进一步包括传感器平台(40)，该传感器平台沿所述校准平台的纵向方向延伸、大致平行于所述孔平台布置、且包括能够检测所述辐射装置的辐射的至少一个表面传感器(41)，以及
所述校准平台能安装于所述制造装置中，以使得所述辐射装置的辐射能通过所述孔开口撞击所述至少一个表面传感器，
其中所述校准平台优选地能安装于所述制造装置中，以使得所述孔平台位于所述制造装置的所述工作平面中。
2.根据权利要求1所述的校准平台(31)，其特征在于，所述孔开口(43)对所述辐射装置(20)的辐射(22)的透过性是所述孔平台(42)的、包围所述孔开口的区域的透过性的至少10倍、优选地至少100倍、进一步优选地至少1000倍。
3.根据权利要求1或2所述的校准平台(31)，其特征在于，所述孔开口(43)沿朝向所述传感器平台(40)的方向变宽和/或具有的直径在所述辐射装置(20)的辐射(22)的焦斑直径的十分之一至十倍的范围中。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的校准平台(31)，其特征在于，所述传感器平台(40)包括沿所述校准平台的纵向方向成行布置的多个表面传感器(41)。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的校准平台(31)，其特征在于，所述至少一个表面传感器(41)或者所述多个表面传感器中的至少一个、优选地所述多个表面传感器中的每一个表面传感器沿所述校准平台的纵向方向具有的长度大于两个相邻的孔开口(43)之间的距离。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的校准平台(31)，其特征在于，所述至少一个表面传感器(41)或者所述多个表面传感器中的至少一个表面传感器为空间分辨传感器。
7.一种用于校准制造装置(1)的校准装置(30)，所述制造装置用于通过构建材料(15)的、在对应于三维物体的相应的横截面的位置处的逐层固结而在构建区域(8)内制造三维物体(2)，其中通过在工作平面(7)中用辐射(22)选择性地辐射多层所述构建材料实现所述逐层固结，
其中所述校准装置包括：
根据权利要求1至6中的任一项所述的校准平台(31)，以及
适合于评估所述至少一个表面传感器(41)的输出信号(s(t))的至少一个评估单元(32)，
其中所述至少一个评估单元优选地适合于：确定所述输出信号中所含有的单脉冲P的振幅A和/或长度L，建立所确定的振幅和/或长度的空间分布，以及评估该空间分布。
8.根据权利要求7所述的校准装置(30)，其特征在于，
所述校准平台(31)为根据权利要求4至6中的任一项所述的校准平台，以及
至少一个评估单元(32)连接至所述校准平台的一个以上的表面传感器(41)，
其中，优选地，连接至同一个评估单元的多个表面传感器串联地电连接。
9.根据权利要求7所述的校准装置(30)，其特征在于，
所述校准平台(31)为根据权利要求4至6中的任一项所述的校准平台，以及
所述校准装置包含用于所述多个表面传感器(41)中的每一个的单独的评估单元(32)。
10.一种制造装置(1)，其用于通过构建材料(15)的、在对应于三维物体的相应的横截面的位置处的逐层固结而在构建区域(8)内制造三维物体(2)，其中通过在工作平面(7)中用辐射(22)选择性地辐射多层所述构建材料实现所述逐层固结，其中所述制造装置包括：
辐射装置(20)，其能够选择性地将适合于使所述构建材料固结的辐射引导至所述工作平面的、在所述构建区域内的不同的点，所述辐射优选地为激光辐射，而气体激光器的辐射为进一步优选的，以及
根据权利要求1至6中的任一项所述的校准平台(31)和/或根据权利要求7至9中的任一项所述的校准装置(30)，
其中所述校准平台布置于所述制造装置中，以使得所述辐射装置的辐射能通过所述孔开口(43)撞击所述至少一个表面传感器(41)，以及优选地以使得所述孔平台(42)位于所述制造装置的所述工作平面中，
其中，优选地，所述校准平台可动地布置于所述制造装置中，在另一个优选的方式中，所述校准平台能相对于该校准平台的纵向方向横向地运动，并且在又一个优选的方式中，所述校准平台能相对于该校准平台的纵向方向垂直地运动。
11.根据权利要求10所述的制造装置(1)，进一步包括再涂覆机(16)，该再涂覆机能沿运动方向(B)运动跨过所述构建区域而用于将所述构建材料(15)的层施加至所述构建区域(8)，
其中，所述校准平台(31)安装于所述再涂覆机处并且能与所述再涂覆机一同运动，以使得所述校准平台的纵向方向相对于所述再涂覆机的运动方向横向地、优选地垂直地延伸。
12.一种用于校准制造装置(1)的校准方法，所述制造装置用于通过构建材料(15)的、在对应于三维物体的相应的横截面的位置处的逐层固结而在构建区域(8)内制造三维物体(2)，其中通过在工作平面(7)中用辐射(22)选择性地辐射多层所述构建材料实现所述逐层固结，其中所述制造装置包括辐射装置(20)，该辐射装置能够选择性地将适合于使所述构建材料固结的辐射引导至所述工作平面的、在所述构建区域内的不同的点，所述辐射优选地为激光辐射，而气体激光器的辐射为进一步优选的，其中所述方法包括以下步骤：
将根据权利要求1至6中的任一项所述的校准平台(31)安装于所述制造装置内部，以使得所述辐射装置的辐射能通过所述孔开口(43)撞击所述至少一个表面传感器(41)，以及优选地以使得所述孔平台(42)位于所述制造装置的所述工作平面中，
通过所述辐射装置的辐射扫描所述校准平台的至少一个孔开口，
捕获所述至少一个表面传感器的输出信号(s(t))，
根据所捕获的输出信号确定所述至少一个孔开口的中心的、在辐射坐标系统中的位置，
将所述至少一个孔开口的中心的、在所述辐射坐标系统中的位置与所述孔开口的中心的、在永久地固定至所述构建区域的机器坐标系统中的已知的位置相比较，以及
根据比较结果计算用于所述辐射装置的校正数据，
其中，优选地，通过所述辐射装置的辐射扫描所述校准平台的两个或更多个孔开口并且确定所述两个或更多个孔开口的在所述辐射坐标系统中的位置，和/或
优选地使所述校准平台相对于该校准平台的纵向方向横向地运动跨过所述构建区域，在另一个优选的方式中相对于该校准平台的纵向方向垂直地运动跨过所述构建区域，并且在所述校准平台的至少一个另外的位置中，通过所述辐射装置的辐射扫描至少一个孔开口并且确定该至少一个孔开口的在所述辐射坐标系统中的位置。
13.根据权利要求12所述的校准方法，其特征在于，
扫描至少一个孔开口(43)的步骤包括：通过所述辐射装置(22)的呈多个矢量(S)的形式的辐射(22)扫描所述孔开口的第一步骤，所述多个矢量(S)沿第一方向(x)或者与所述第一方向相对的方向平行于彼此并且距彼此具有一定的距离；以及通过所述辐射装置的呈多个矢量的形式的辐射扫描所述孔开口的第二步骤，所述多个矢量沿第二方向(y)或者与所述第二方向相对的方向平行于彼此并且距彼此具有一定的距离，其中所述第二方向相对于所述第一方向为横向的、优选地垂直的，
捕获所述至少一个表面传感器(41)的输出信号(s(t))的步骤包含：对于两个扫描步骤中的每一个扫描步骤而言，确定对应于所述多个矢量的单脉冲(P)的振幅(A)和/或长度(L)，以及
在所述辐射坐标系统中确定所述孔开口的中心的步骤包含：对于两个扫描步骤中的每一个扫描步骤而言，建立所确定的振幅和/或长度的空间分布以及评估该空间分布。
14.根据权利要求12或13所述的校准方法，另外地包含：在所述辐射装置(20)的校准之后，对由所述辐射装置所发射的辐射(22)的焦斑直径的测量，其包括如下步骤：
利用所述辐射装置的、呈穿过所述孔中心的扫描矢量(S)的形式的辐射以预定的扫描速度扫描所述校准平台(31)的孔开口(43)，
测量所述表面传感器的所述输出信号(s(t))的脉冲(P)的持续时间，
根据所测量的持续时间以及所述预定的扫描速度计算所述辐射的所述焦斑直径。
15.一种用于在构建区域(8)内制造三维物体(2)的制造方法，其包括如下步骤：
通过使再涂覆机运动跨过所述构建区域而使用再涂覆机(16)施加构建材料(15)的层；
通过在所述构建区域内用适合于使所述构建材料固结的辐射(22)选择性地辐射所述构建材料的层而使所述构建材料的层在对应于所述三维物体的相应的横截面的位置处固结，所述辐射优选地为激光辐射，而气体激光器的辐射为进一步优选的；以及
重复所述施加步骤以及固结步骤直至完成所述三维物体，
其中在所述制造方法之前或者在所述制造方法期间执行根据权利要求12至14中的任一项所述的校准方法至少一次。
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