CN108994293A - 有校准设备的用于产品增材制造的装置及其校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及有校准设备的用于产品增材制造的装置及其校准方法。本发明涉及用于三维产品的分层制造的装置，具体地用于诸如选择性激光熔化的增材制造技术的应用。该装置具有所述产品在其中建造的构建室和在构建室外侧延伸的光学系统。该光学系统至少具有束源以生成能量束，并且包含对应的扫描器件来移动该射束。在此，设置控制单元，该控制单元控制扫描器件移动射束使得其照射选定位置。构建室的壁的特征在于存在封闭的窗口，该窗口对射束而言是透明的，使得射束穿过窗口并进入构建室。

Description

有校准设备的用于产品增材制造的装置及其校准方法
技术领域
本发明涉及一种用于三维产品的分层制造的装置，具体地用于诸如选择性激光熔化的增材制造技术的应用。该装置具有所述产品在其中建造的构建室和在构建室外侧延伸的光学系统。该光学系统至少具有束源以生成能量束，并且包含对应的扫描器件来移动该射束。在此，设置控制单元，该控制单元控制扫描器件移动射束，使得其照射选定位置。构建室的壁的特征在于存在封闭的窗口，该窗口对射束而言是透明的，使得其穿过窗口并进入构建室。
背景技术
通常，在使用能量束，更具体地激光束，结合扫描仪以当制造产品时移动射束的生产过程中需要校准。这通常需要激光束的功率的校准以及在构建产品的平面中扫描仪的XY精度的校准两者。根据现有技术，这些校准主要在装置中在构建室本身中进行。通过在构建室中安装和读取一个或多个传感器来在构建室中测量激光功率。
能够以各种方式处理扫描仪的校准。在此，一个示例将是构建产品，且然后测量产品的实际尺寸（诸如通过使用坐标测量机器），并将这些尺寸与预定的产品尺寸相比较。然后能够使用检测到的差异来确定比例因子、偏移量或校正表，以便当在装置中制造后续产品时补偿这些差异。
在一些情况下，具有已知尺寸或参考点的平板被放置在构建室中的已知位置处，以比较激光束在该位置处的入射点的实际位置与激光束的选定位置之间的差异。
根据扫描仪的校准的不同方法，相对昂贵的传感器被放置在构建室中以测量激光束的入射点的某些坐标的位置。
根据现有技术，这些校准方法具有以下缺点：它们仅能够偶尔进行，原因在于它们花费大量时间以及因为测量必须离线进行。更具体地，现有校准方法的应用总是需要打开构建室和从构建室移除制造的产品。换言之，这势必使得不可能在产品的制造期间，在不打开处理室的情况下进行激光功率或扫描仪的临时校准。
发明内容
本发明试图通过提供一种能够实现在不必打开构建室的情况下简单且快速地测量和校准激光束的功率以及校准扫描器件的装置和方法来消除这些缺点。更具体地，本发明试图实现在正制造产品时在不必打开构建室的情况下的临时校准。因此，可能在完成校准之后继续生产过程，而不必打开构建室。这主要在相对大的产品的制造中令人感兴趣。因此，本发明将能够实现在扫描器件或射束的校准期间维持构建室中的低压或高压或保护性气氛。
为此，根据本发明的装置包含用于所述束源和/或所述扫描器件的校准设备，其中至少能够使扫描器件相对于构建室在生产位置和校准位置之间移动，在所述生产位置中，射束能够穿过所述窗口并进入构建室，且在所述校准位置中，射束能够照射校准设备。
出于该目的，该装置装配有用于扫描器件的引导器件，该引导器件使得扫描器件能够在生产位置与校准位置之间移动。
有利地，束源和扫描器件安装到同一移动基座。
本发明还涉及一种借助于具有光学系统的增材制造技术在构建室中制造三维产品的方法以及用于校准该光学系统的方法。在此，光学系统与控制器结合工作。光学系统至少具有束源以生成能量束，以及对应扫描器件以在构建室中移动该射束的入射点。根据该方法，光学系统被置于生产位置中，使得所述射束借助于扫描器件通过构建室的壁中的窗口进入构建室。通过在移动射束时，将构建室中的粉末转变成产品的连续粘合层来制造所述产品。
该方法的一个特征在于，为了校准光学系统，至少使扫描器件相对于构建室从生产位置移动到校准位置，并且针对光学系统的至少一个参数测量实际值，并且将测得的实际值与所述参数的选定值相比较。接着，使扫描器件返回生产位置，并且调整光学系统，使得至少一个参数的实际值对应于后续制造产品之处的对应参数的选定值。
根据一种有趣的方法，根据本发明，当使光学系统移动到校准位置时，产品的制造暂时停止，同时维持构建室中的生产压力。一旦光学系统在校准之后返回生产位置，产品的制造就继续。
本发明还包括以下技术方案：
方案1. 用于三维产品的分层制造的装置，所述装置具有在其中构建所述产品的构建室和相对于所述构建室处于外部的光学系统，所述光学系统包含用以生成能量束的至少一个束源和对应的扫描器件以移动该射束，其中设置控制单元，其控制所述扫描器件以便移动所述射束，使得其照射选定位置，其中所述构建室的壁的特征在于对所述射束而言透明的窗口，因此所述射束穿过窗口并进入构建室，
其中所述装置包含用于所述束源和/或所述扫描器件的校准设备，其中至少能够使所述扫描器件在生产位置和校准位置之间相对于所述构建室移动，其中在所述生产位置中，所述射束能够穿过所述窗口并进入所述构建室，在所述校准位置中，所述射束能够照射校准设备并因此与后者结合工作。
方案2. 根据方案1所述的装置，其特征在于，所述装置包含用于所述扫描器件的引导器件，所述引导器件使得能够实现所述扫描器件在所述生产位置与所述校准位置之间的移动。
方案3. 根据方案1所述的装置，其特征在于，所述射束和所述扫描器件安装于同一移动基座。
方案4. 根据方案1所述的装置，其特征在于，所述校准设备至少包含功率传感器以测量由所述射束实际传递的功率。
方案5. 根据方案4所述的装置，其特征在于，设置调整器件以比较所述射束的实际功率与该射束的设定功率或期望功率，其中，这些调整器件使得能够将所传递的实际功率改变为所述期望功率。
方案6. 根据方案1所述的装置，其特征在于，所述校准设备包含用以测量所述射束的位置的位置传感器。
方案7. 根据方案6所述的装置，其特征在于，所述校准设备包含至少两个并且优选地至少三个位置传感器以在不同位置处测量所述射束的位置。
方案8. 根据方案5所述的装置，其特征在于，所述位置传感器使得能够测量所述射束的入射点在所述校准设备的二维平面上的位置。
方案9. 根据方案8所述的装置，其特征在于，设置器件以确定所述入射点的实际测得位置与该入射点的由所述控制单元选择或设定的位置之间的差异。
方案10. 根据方案9所述的装置，其特征在于，所述器件使得能够调整所述控制单元，使得所述选择的位置对应于所述入射点的实际位置。
方案11. 根据方案1所述的装置，其特征在于，所述构建室能够被密闭地密封。
方案12. 根据方案1所述的装置，其特征在于，所述束源由激光源构成，同时所述射束包括激光束。
方案13. 一种用于借助于具有光学系统的增材制造技术在构建室中制造三维产品以及用于校准该光学系统的方法，其中，所述光学系统包含控制器并且至少具有束源以生成能量束及对应的扫描器件以将该射束的入射点移动到所述构建室内，其中，所述光学系统被置于生产位置中，使得所述射束借助于所述扫描器件穿过设置在所述构建室的壁中的窗口并进入所述构建室，使得通过在所述射束的移动期间将所述构建室中的粉末转变成所述产品的连续粘合层来制造所述产品，其中，针对所述光学系统的校准，至少使所述扫描器件相对于所述构建室从所述生产位置移动到校准位置，并且测量所述光学系统的至少一个参数的实际值，并且将实际测得值与所述参数的选定值或设定值相比较，其中随后使所述扫描器件返回所述生产位置，并且当所述参数的实际测得值相对于选定值或设定值具有比所接受的公差更大的差异时，调整所述光学系统使得参数的在该公差内的所述实际值对应于后续制造所述产品的该参数的所述选定值或设定值。
方案14. 根据方案13所述的方法，其特征在于，所述产品的制造暂时中断，同时在所述构建室中维持生产压力，并且使所述光学系统移动到所述校准位置，其中，在校准之后，当所述光学系统返回所述生产位置时，恢复所述产品的制造。
方案15. 一种用于校准借助于增材制造技术在构建室中制造三维产品的装置的光学系统的方法，其中，所述光学系统包含控制器并且至少具有束源以生成能量束及对应的扫描器件以将该射束的入射点移动到所述构建室内，其中，所述光学系统被置于生产位置中，使得所述射束借助于所述扫描器件穿过构建室中的壁中的窗口，并且进入所述构建室以便使得能够通过当移动所述射束时将所述构建室中的粉末转变成所述产品的连续粘合层来制造所述产品，
其中，针对所述光学系统的校准，至少使所述光学系统的所述扫描器件相对于所述构建室从所述生产位置移动到校准位置，并且测量所述光学系统的至少一个参数的实际值，并且将实际测得值与所述参数的选定值或设定值相比较，其中所述扫描器件随后返回所述生产位置，并且如果所述参数的实际测得值相对于选定值或设定值具有比接受的公差更大的差异，则调整所述光学系统使得所述参数的所述实际值对应于该参数的所述选定值。
方案16. 根据方案13所述的方法，其特征在于，在所述校准位置中，针对所述参数，针对所述射束在二维平面上的入射点设定位置，使得该参数的实际测得值确定所述射束的实际位置与其设定位置之间的偏差。
方案17. 根据方案13所述的方法，其特征在于，所述参数是所述射束的功率，使得该参数的实际测得值确定所述射束的实际功率及其选定功率之间的差异。
方案18. 根据方案13所述的方法，其特征在于，至少使所述光学系统的所述扫描器件在引导器件，具体地导轨上在所述生产位置和所述校准位置之间移动。
附图说明
本发明的另外的细节和优点应在根据本发明的装置和方法的一些具体实施例的以下描述中表明。该描述仅作为示例给出，并且不限制所要求的保护范围；下文使用的附图标记涉及附图。
图1是根据本发明的装置的构建室、光学系统和校准设备的示意性前视图，其中光学系统位于生产位置。
图2是当光学系统处于校准位置时来自图1的装置的示意性前视图。
在各种附图中，相同的附图标记涉及相同或类似的构件。
具体实施方式
通常，根据本发明的装置涉及用于通过增材制造技术的应用生产三维产品的机器。在这种技术中，通过制造产品的连续粘合层来构建产品。在此，比如使用金属粉末，其用根据产品的横截面的图案移动的激光束熔化。有趣的增材制造技术的一个示例是选择性激光熔化，其中使激光束在连续粉末层上移动，以便根据对应于产品的连续横截面的图案熔化和固化该粉末。
在增材生产过程中，（其中根据图案使诸如激光的能量束移动以便转变诸如金属粉末的原材料，以便构建产品），重要的是射束的移动高度准确以便以最小尺寸公差制造产品。为此，针对差异定期检查装置以及根据需要对装置进行校准是重要的。
图1是具有光学系统2和校准设备3的构建室1的示意图。在构建室1中，通过以下方式制造产品4：在构建平台5的顶部上在构建表面7上施加连续粉末层，并且在施加每个粉末层之后，用能量束6照射施加的最后一层并且遍及该层移动该射束以便形成产品4的层。射束6可以比如包括激光束。在形成产品4的层之后，使构建平台5向下移动对应于该层的厚度的距离，使得产品的顶部再次延伸到所述构建表面7内，使得能够施加后续粉末层。
在开始产品4的建造之前，从构建室1排出空气，如箭头8所示，以使构建室处于低压下或者以实现在惰性气氛中制造产品4。能够将惰性气氛或气体泵入构建室，如由箭头8"所示。
光学系统位于构建室1的外侧并且包含束源9，具体地激光束，以及扫描器件10，以使得由束源9生成的射束6能够通过窗口11并进入构建室1。窗口11密闭地密封构建室1的壁中的开口并且对于射束6而言是透明的。
扫描器件10由包含计算机的控制单元12控制。因此，控制单元12控制扫描器件10以便使构建室1中的射束6移动遍及所述粉末层。这些扫描器件10比如包括一个或多个检流计及一个或多个活动机动镜，以便根据对应于正构建的产品的二维横截面的图案在粉末层上移动射束的入射点。
如图1所示，光学系统2在生产位置中与所述窗口11相对地定位，在所述生产位置中，射束6能够穿过窗口11并进入构建室1。
能够使光学系统2的扫描器件10和束源9在所述生产位置和校准位置之间相对于构建室1一起移动。图2示出扫描器件10和束源9处于该校准位置中时的光学系统，其中射束6能够借助于扫描器件10照射校准设备3。
优选地，束源9和扫描器件10安装于同一移动基座13，使得它们相对于彼此具有固定位置。移动基座13与引导器件结合工作，能够使该基座13在所述引导器件上在生产位置和校准位置之间移动。在附图中所示的装置的实施例中，根据本发明，这些引导器件包含相对于构建室1固定地安装的导轨14。因此，可能使所述基座13在这两个位置之间沿独特且已知的路径运动。
在根据本发明的装置的替代性实施例中，仅能够使所述扫描器件10在生产位置和校准位置之间相对于构建室1移动，同时束源9相对于构建室具有固定的、可能可调整的位置。束源9和扫描器件10能够独立于彼此移动也是可能的。
在校准设备3的初始实施例中，其装配有多个固定传感器。这些传感器包括位置传感器15以测量表面上射束6的入射点的位置。
这些传感器15比如使得能够检测射束6的入射点何时位于传感器上。这可以通过测量照射传感器15的能量的强度来实现。在此，设定极限值，使得当超过该极限值时，确定射束的入射点位于具有已知位置的传感器15上。
优选地，校准设备3包含至少两个，且优选地至少三个位置传感器15，以在二维校准平面16中在不同位置处测量射束6的入射点的位置。
比如，所述传感器15也可以包括光电二极管或其他类型的射束检测器。因此，比如，这些传感器15可以由检测射束的入射点何时照射校准平面16上的预定位置或者测量射束6的入射点在该平面16上的位置的一个或多个摄像机系统17构成。附图中所示的实施例表明设置在校准平面16中的位置传感器15和包括摄像机18的传感器两者。
此外，该装置包含用以确定校准平面16上入射点的实际测得位置与由控制单元选择或设定的该入射点的位置之间的差异的器件，具体地计算机。为了提高构建过程的准确性，调整控制单元中的参数，使得所选择或设定的位置对应于入射点的实际位置。
校准设备优选地也包含功率传感器以测量由射束实际传递的功率。将该实际测得功率与该光束的设定和期望功率相比较。当实际功率的值偏离设定的期望功率时，使用调整器件来改变所传递的实际功率，使得其对应于期望功率。
通常，根据本发明，装配在装置上的校准设备3可以包含根据现有技术在构建室1中被用于校准束源9或扫描器件10的任何传统校准系统。
尽管进行校准，但是优选地，借助于控制单元12中的多个参数的调整，这当然也能够通过扫描器件10或光学系统2的其他部件的物理位置的手动调整来执行。
本发明的主要优点在于不再必须打开构建室以便执行光学系统2或其部件的校准。因此，在用于相对大的产品的构建过程期间，可以定期执行新的校准而不必打开构建室1。
因此，暂时停止产品4的制造，并且在维持构建室1中的生产压力的同时，使光学系统2移动到校准位置。接下来，光学系统2被校准并移回生产位置以继续产品4的制造。
根据本发明，在扫描器件10和/或束源9的校准位置中，测量光学系统2的至少一个参数的实际值，并将其与所述参数的选定值或设定值相比较。接下来，使扫描器件10返回生产位置，其中调整光学系统使得所讨论的参数的实际值对应于该参数的选定值或设定值。
因此，在所述校准位置中，所述参数比如对应于校准平面16上射束6的入射点的位置，其中使用所述控制单元12来设定该位置。在这种情况下，使用校准设备3测得的该位置的值是对应于所述位置的参数的实际值，其中然后确定射束6的该实际位置与其设定位置之间的差异。
以相同的方式，所述参数比如是射束6的功率，使得该参数的实际测得值确定射束6的实际功率与其设定功率或选定功率之间的差异。
此外，所述参数也可能涉及射束6的焦点直径、强度或焦距，其中设置对应的传感器以测量这些参数。通常，校准设备3优选地使得能够在所应用的增材制造技术的框架内测量与射束的品质有关的多个特征参数。
在附图中，所述校准平面16的水平高于构建表面7的水平。这提供了校准平面16能够具有比构建表面7更小的表面面积的优点，但这通常需要当进行校准时应用比例因子。所述校准平面16的水平可以对应于构建表面7的水平。
根据本发明的装置和方法的简单实施例，校准平面16由放置在校准设备3中的诸如光敏膜的膜构成。在此，当使扫描器件10移动到校准位置时，根据由操作员选择或设定的位置，用扫描器件使射束6在该膜上移动。然后离线手动地测量膜。因此，控制单元不接收自动反馈：代替地，操作员必须将测量的结果手动地输入控制单元。
本发明当然不限于在上文描述且在附图中提出的装置或方法的实施例。因此，在本发明的框架内，可以考虑不同的变型。
尽管上文的描述说明了仅包含用于束源9的扫描器件10的光学系统2，但是该光学系统2装配有用于不同射束的多个扫描器件10当然也是可能的。因此，光学系统2也可以包含多个束源9。

Claims (10)

1.用于三维产品的分层制造的装置，所述装置具有在其中构建所述产品的构建室和相对于所述构建室处于外部的光学系统，所述光学系统包含用以生成能量束的至少一个束源和对应的扫描器件以移动该射束，其中设置控制单元，其控制所述扫描器件以便移动所述射束，使得其照射选定位置，其中所述构建室的壁的特征在于对所述射束而言透明的窗口，因此所述射束穿过窗口并进入构建室，
其中所述装置包含用于所述束源和/或所述扫描器件的校准设备，其中至少能够使所述扫描器件在生产位置和校准位置之间相对于所述构建室移动，其中在所述生产位置中，所述射束能够穿过所述窗口并进入所述构建室，在所述校准位置中，所述射束能够照射校准设备并因此与后者结合工作。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包含用于所述扫描器件的引导器件，所述引导器件使得能够实现所述扫描器件在所述生产位置与所述校准位置之间的移动。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述射束和所述扫描器件安装于同一移动基座。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述校准设备至少包含功率传感器以测量由所述射束实际传递的功率。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，设置调整器件以比较所述射束的实际功率与该射束的设定功率或期望功率，其中，这些调整器件使得能够将所传递的实际功率改变为所述期望功率。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述校准设备包含用以测量所述射束的位置的位置传感器。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述校准设备包含至少两个并且优选地至少三个位置传感器以在不同位置处测量所述射束的位置。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述位置传感器使得能够测量所述射束的入射点在所述校准设备的二维平面上的位置。
9.一种用于借助于具有光学系统的增材制造技术在构建室中制造三维产品以及用于校准该光学系统的方法，其中，所述光学系统包含控制器并且至少具有束源以生成能量束及对应的扫描器件以将该射束的入射点移动到所述构建室内，其中，所述光学系统被置于生产位置中，使得所述射束借助于所述扫描器件穿过设置在所述构建室的壁中的窗口并进入所述构建室，使得通过在所述射束的移动期间将所述构建室中的粉末转变成所述产品的连续粘合层来制造所述产品，其中，针对所述光学系统的校准，至少使所述扫描器件相对于所述构建室从所述生产位置移动到校准位置，并且测量所述光学系统的至少一个参数的实际值，并且将实际测得值与所述参数的选定值或设定值相比较，其中随后使所述扫描器件返回所述生产位置，并且当所述参数的实际测得值相对于选定值或设定值具有比所接受的公差更大的差异时，调整所述光学系统使得参数的在该公差内的所述实际值对应于后续制造所述产品的该参数的所述选定值或设定值。
10.一种用于校准借助于增材制造技术在构建室中制造三维产品的装置的光学系统的方法，其中，所述光学系统包含控制器并且至少具有束源以生成能量束及对应的扫描器件以将该射束的入射点移动到所述构建室内，其中，所述光学系统被置于生产位置中，使得所述射束借助于所述扫描器件穿过构建室中的壁中的窗口，并且进入所述构建室以便使得能够通过当移动所述射束时将所述构建室中的粉末转变成所述产品的连续粘合层来制造所述产品，
其中，针对所述光学系统的校准，至少使所述光学系统的所述扫描器件相对于所述构建室从所述生产位置移动到校准位置，并且测量所述光学系统的至少一个参数的实际值，并且将实际测得值与所述参数的选定值或设定值相比较，其中所述扫描器件随后返回所述生产位置，并且如果所述参数的实际测得值相对于选定值或设定值具有比接受的公差更大的差异，则调整所述光学系统使得所述参数的所述实际值对应于该参数的所述选定值。
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