CN110446573A - 对用于三维工件的制造的辐照系统进行校准的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于逐层制造三维工件的装置(10)，包括：构建空间(30)，在该构建空间中，能够通过对原料粉末层进行选择性固化来制造工件；辐照系统(20)，该辐照系统被适配成通过发射处理光束在该构建空间(30)中选择性地固化原料粉末层；至少一个校准结构(36)；传感器排列(25)，该传感器排列被适配成检测辐照系统(20)对校准结构(36)的辐照；和控制单元(26)，该控制单元被适配成基于传感器排列的检测信息来对辐照系统(20)进行校准，该校准结构(36)被布置在构建空间(30)的外部。本发明还涉及一种用于对逐层制造三维工件的装置的辐照系统进行校准的方法。

Description

对用于三维工件的制造的辐照系统进行校准的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种对辐照系统进行校准的装置和方法，其中所述辐照系统用于三维工件的制造并且包括在所述装置中。
背景技术
在用于制造三维工件的增材方法中、特别是增材逐层构建方法中，通过特定位置的辐照使最初不定形的或形状中性的模料(例如原料粉末)固化并由此使该模料达到期望的形状。辐照可以通过电磁辐射实现，例如以激光辐射的形式。在初始状态下，模料最初可以呈颗粒、粉末或液体模料的形式，并且可以通过辐照而选择性地、或者换句话说对特定位置进行固化。模料可以包括例如陶瓷、金属或塑料材料以及还包括这些材料的混合物。增材逐层构建方法的变型涉及所谓的粉末床熔融，在该粉末床熔融中，特别是使金属的和/或陶瓷的原料粉末材料固化以形成三维工件。
为了制造单独的工件层，进一步已知的是，将呈原料粉末层的形式的原料粉末材料施加到承载器上并且根据当前待制造的工件层的几何形状选择性地辐照该原料粉末材料。激光辐射穿透原料粉末材料并且例如通过进行加热(引起熔融或烧结)而将该原料粉末材料固化。一旦工件层被固化，就将新一层的未处理的原料粉末材料施加到已经生产的工件层上。为此，可以使用已知的涂布器装置或粉末施加装置。然后再次对目前位于最上面并且尚未被处理的原料粉末层进行辐照。因此，工件被依次逐层构建，每一层均限定了工件的横截面区域和/或轮廓。在这方面，进一步已知的是使用CAD或类似的工件数据，以便基本上自动地制造工件。
这种装置的示例可以在EP 1 793 979 B1中找到。该文献中的装置包括处理室，该处理室包括多个用于待制造工件的承载器。粉末施加装置包括粉末容器支座，该粉末容器支座可以在承载器上方来回移动，以便将待辐照的原料粉末施加到该承载器上。处理室连接到保护气体环路，该保护气体环路包括供给管线，经由该供给管线可以将保护气体引入处理室中，以便在该处理室中调节保护气体气氛。
EP 2 335 848 B1中描述了一种辐照系统，该辐照系统例如可以应用于用于通过对原料粉末材料进行辐照来制造三维工件的装置中。该辐照系统包括辐射源(特别是激光源)和光学单元。由辐射源发射的处理光束被提供到光学单元，该光学单元包括扩束单元和呈扫描器单元的形式的偏转装置。在扫描器单元内，衍射光学元件被设置在偏转镜之前，其中，衍射光学元件在光束路径中可移动，以便将处理光束分成多个子处理光束。然后，偏转镜用于使子处理光束偏转。
应当理解，上面讨论的所有方面同样可以在本发明的框架范围内提供。
为了对在通过对原料粉末材料进行辐照来逐层制造三维工件的装置中使用的这种辐照系统、特别是这种光学单元进行校准，通常在承载器上使用所谓的烧尽膜。在装置的正常操作期间，将待辐照的原料粉末层施加到承载器上。根据预定的图案对烧尽膜进行辐照，使得辐照图案的烧尽图像形成在膜上。将烧尽图像数字化并且与辐照图案的数字参考图像进行比较。基于数字化的烧尽图像与参考图像之间的比较结果，对辐照单元进行校正，以便补偿实际的烧尽图像与参考图像之间的偏差。
烧尽膜还用于对多个处理光束、特别是激光束的路径进行校准，该路径被设置在相邻的辐照区域之间的重叠区中。这些辐照区域和形成在这些辐照区域之间的重叠区通常与具有多个辐照单元的辐照系统结合出现，例如在EP 2875 897 B1或者EP 2 862 651 A1中。
原则上，被引入到烧尽膜中的、在膜的辐照时产生的烧尽路径的厚度也可以用作指示来测量处理光束的散焦。然而，这些测量的准确性和可靠性通常太低，以至于不能用于对处理光束的聚焦进行校准。作为替代，为此通常执行额外的苛性测量。
此外，为了校准在用于逐层制造三维工件的装置中使用的辐照系统，已知一些解决方案，在这些解决方案中，在每次校准操作之前，校准板或其他被专门构造的校准元件被布置在装置的构建区域上或者平行于装置的构建区域布置。然后通过辐照系统对这些校准板进行辐照，并且对由此形成的反射进行检测，以便总结出任何的期望-实际偏差。于是，在此基础上，可以对辐照系统进行校准。以上示例可以在EP 1 048 441 A1和DE 10 2009 016585 A1中找到。然而，这些解决方案在布置校准板时需要高程度的手动精度并且相对费时。发明人已意识到，这些解决方案导致的另一个缺点在于，在仅暂时中断制造过程或者在与制造过程并行的情况下不能进行校准。作为替代，在这些解决方案中，构建空间必须可以自由地用于布置校准板。因此，构建空间必须不能被至少部分地制造的工件占据，并且必须在制造过程的步骤与校准操作的步骤之间进行严格区分。
发明内容
相应地，本发明的目的在于提供一种用于对辐照系统进行校准的解决方案，该辐照系统可以用于逐层制造三维产品，其中，该解决方案允许简单但精确的校准过程。
该目的通过具有本专利权利要求1的特征的装置以及具有本专利权利要求15的特征的方法来实现。
相应地，本发明涉及一种用于逐层制造工件的装置。该装置可以被构造成以选择性激光烧结的方式来制造三维工件。该装置包括构建空间，在该构建空间中，通过对原料粉末层逐层地进行选择性地固化来制造工件。构建空间可以是三维虚拟空间，在该构建空间中，可以以通常已知的方式布置原料粉末层并且选择性地对原料粉末层进行固化、或者换句话说对原料粉末层的特定位置进行固化。构建空间可以是柱形的和/或矩形的，以及普通的多边形的。
通常，构建空间可以在装置中限定最大可用空间，在该最大可用空间中能够制造工件，或者换句话说，制造完成之后的工件能够在装置内占据的最大可用空间。在理论上，工件呈实心块的形式，该块可以例如完全填充构建空间。如下文中所说明的，构建空间可以包括构建区域，该构建区域特别地可以形成构建空间的底部表面。构建区域可以由装置的承载器限定，原料粉末层可以通过已知的粉末施加装置施加到该承载器上。构建区域可以限定可在其上制造工件的最大可用区域，并且特别地限定可以制造的最大工件轮廓。此外，构建区域可以与下文中所说明的辐照系统相对地设置。总体上，因此可以执行如下的已知循环序列：施加原料粉末、选择性固化以及进一步施加新的原料粉末层，以便逐层构建工件。
具体地，装置的可选的承载器可以设置在装置的处理室中。承载器可以是通常固定的承载器或者可移动的承载器，该可移动的承载器特别地可沿竖直方向移动。根据一种变型，随着所制造的工件的数量的增加、并且优选地取决于该数量，承载器沿竖直方向下降。处理室可以是相对于周围环境气氛能密封的，以便在该处理室中调节受控的气氛、特别是惰性气氛。原料粉末层可以包括所有上述的原料粉末材料、特别是合金粉末。粉末可以具有任何合适的颗粒尺寸或颗粒尺寸分布。优选地，粉末的颗粒尺寸<100μm。
如上所述，可以经由已知的涂布器单元或粉末施加装置将原料粉末层施加到承载器上和/或施加到布置在该承载器上的并且已经被辐照的原料粉末层上。该装置的示例可以在EP 2 818 305 A1中找到。
装置进一步包括辐照系统，该辐照系统被适配成通过发射至少一个处理光束在构建空间中选择性地固化原料粉末层。辐照系统可以被构造成发送(或者发射)例如呈激光束的形式的电磁处理光束。为此，该辐照系统可以包括合适的处理光学器件(或者通常合适的光学单元)和/或辐射源，或者该辐照系统能够连接到这些单元。处理光学器件可以以期望的方式引导处理光束和/或与处理光束相互作用。为此，该处理光学器件可以包括物镜、特别是f-theta(f-θ)透镜。
辐照系统可以进一步包括至少一个偏转装置，该至少一个偏转装置用于将所发射的处理光束引导到构建空间内的预定区域上并因此引导到待辐照的原料粉末层的预定区域上。偏转装置可以包括至少一个所谓的扫描器单元，该扫描器单元优选地能围绕至少两条轴线进行调节。
辐照系统还可以包括多个辐照单元，该多个辐照单元中的每个辐照单元可以分配构建空间内的预定辐照区域。这些辐照单元可以各自以已知的方式包括它们自身的辐射源、处理光学器件和/或偏转装置。替代地，这些辐照单元例如能够连接到共同的辐射源，该辐射源发射的处理光束被分开并且提供给单独的辐照单元。
根据本发明，装置进一步包括至少一个校准结构。该校准结构可以是一种结构，该结构被适配成以预定的方式与辐照系统的辐照光束相互作用，该相互作用能够通过下文中所说明的传感器排列被检测到。该相互作用可以特别地包括辐照光束的反射和/或吸收。
装置进一步包括传感器排列，该传感器排列被适配成检测辐照系统对校准结构的辐照。为此，传感器排列可以包括至少一个光学检测单元，例如摄像机或图像传感器。作为具体的示例，可以进一步提到光敏传感器、光敏芯片、光敏二极管、CCD传感器和CMOS传感器。根据一种变型，传感器排列形成已知的熔池监测系统的一部分，该熔池监测系统在制造工件期间被使用。换句话说，可以替代地在执行校准操作期间至少暂时地使用熔池监测系统以对校准结构的辐照进行检测。
通常，特别是可以检测上面所讨论的在处理光束与传感器排列的校准结构之间的相互作用。当处理光束在校准结构处被引导和/或经过该校准结构时，这可以涉及处理光束的背向反射(特别是该背向反射的随时间的轮廓)的检测。因此，传感器排列可以被构造成通过对由辐照系统发射的辐射的背向反射进行检测来间接地对校准结构的辐照进行检测。为此，传感器排列的检测区域可以在校准结构和/或构建空间处被引导或者能够在校准结构和/或构建空间处被选择性地引导。同样地，传感器排列可以与构建空间的任何构建区域相对地设置。
传感器排列通常可以被适配成对从周围环境反射的辐射、特别是由校准结构反射的辐射进行检测并且基于该辐射产生信号。该信号可以进一步由装置的控制单元进行处理。因此，传感器排列通常可以被构造成对在由辐照系统发射的处理光束的波长范围内的辐照的强度进行检测。通常可以进一步按下述方式选择传感器排列的检测区域，所述方式即：该检测区域覆盖校准结构的至少一个可辐照部分。
主要地，传感器布置可以相应地被构造成对校准结构的区域中的反射和/或吸收特性进行检测。另外地或替代地，还可以进行距离测量。因此，校准结构可以作为下述区域被检测到：在该区域中，距离测量值至少局部地偏离周围环境，例如，局部增大或减小。原则上，传感器排列可以检测任何传感器系统，借助于该传感器系统，校准结构的表面特性、特别是该表面特性与辐照系统的辐照的相互作用可以被检测到。
在直接检测状态和/或进一步处理状态下，传感器排列的检测信号可以形成传感器排列的检测信息。可以向装置的控制单元提供该信息，特别是为了校准辐照系统。
具体地，装置进一步包括控制单元，该控制单元被适配成基于传感器排列的检测信息来对辐照系统进行校准。校准可以包括对实际检测到的检测信息与理论上期望的检测信息的比较、或者换句话说是检测信息之间的期望-实际比较。如果偏差被由此确定，特别是如果偏差超过预定的公差值，则可以推断校准结构的辐照没有以期望的方式进行。特别地，控制单元可以被构造成从检测信息中得出关于在例如预定时间指定的校准结构上的辐照位置与由检测信息指示的实际假定的辐照位置之间的不期望的相对偏移的结论。于是，可以以已知的方式使用这种相对偏移、或者换句话说这种期望-实际偏差来对辐照系统进行校准。例如，所确定的期望-实际偏差可以用于连续地重新调整辐照系统和/或用于预先适当地适应对于辐照系统的期望值的计算(例如通过纳入合适的校正因子)。
通常，检测信息可以包括检测到的辐射随时间的轮廓并且特别地得出关于检测信号中的预定特征变化的时间的结论。该变化可以包括信号跳转。例如，对于校准结构的辐照，可以预先确定特定时间的检测信号的期望轮廓、特别是检测信号的期望变化。另一方面，实际的检测信息允许得出关于检测信号的实际轮廓、特别是检测信号的实际变化的结论。在此基础上，控制单元于是可以执行上述的期望-实际比较，以对辐照系统进行校准。
装置的特征进一步在于，校准结构被布置在构建空间的外部。作为示例可以提到校准结构与构建空间相邻的布置。相应地，该校准结构可以被设置成：在工件的制造过程期间，校准结构不与工件直接相互作用，也就是说，例如不能使校准结构与工件直接接触。特别地，校准结构可以允许工件的并行制造，而不必将工件从装置中移除。进一步，校准结构通常可以是固定地和/或基本上永久地布置在装置内。例如，校准结构可以被适配成在至少十个工件的制造过程中在装置内保持不变的位置。
发明人已认识到，迄今为止已知的校准解决方案以及特别是额外的校准板的使用需要复杂的手动干预，这意味着在实际的工件生产中的长时间中断并且这易于受到故障影响。另一方面，在构建空间的外部提供校准结构可以使得校准结构能够固定地、特别是永久地布置在装置内，并且仅需要被选择性地辐照以便执行校准过程。
换句话说，在装置的输送之前，或者以规则的间隔关于校准结构在装置内的实际位置对校准结构进行测量和/或校正便已足够，使得该校准结构在装置内形成可靠的参考。于是，校准不需要进一步的手动干预。作为替代，校准结构可以独立于工件生产而保持在装置的内部并且仅被选择性地辐照。这甚至使在同一个工件的制造过程期间执行校准操作成为可能，例如在已经生产了预定数量的工件层之后。
校准结构可以被布置在装置的处理室内。处理室可以以已知的方式容纳构建空间以及装置的任何粉末施加装置。同样地，可以在处理室内设置如前所述的保护气体或惰性气体气氛。辐照系统和/或传感器排列可以进一步被布置在处理室的覆盖区域中或者与该处理室的覆盖区域平行布置。另一方面，可能的构建区域可以被布置在处理室的底部中或者靠近该处理室的底部并且与该覆盖区域相对。校准结构在处理室内的布置尤其可以以这样的方式进行，即，使得校准结构至少部分地在处理室的内壁区域与构建空间之间延伸。内壁区域可以包括处理室的侧壁和/或大致面向构建空间。总体上，对于校准而言，这些变型可以使得仅需要在构建空间附近执行校准结构的辐照。因此，辐照系统不必形成有显著增加的偏转光谱，并且装置的结构可以是整体紧凑的。
本发明的进一步的发展提供了构建空间包括构建区域，其中校准结构沿着构建区域的至少一个侧部延伸。构建区域可以根据上面所说明的变型之一进行构造并且例如由装置的承载器的面向辐照系统的表面形成。构建区域优选地具有矩形或圆形的形状。通常，校准结构可以平行于构建区域的至少一个侧部延伸，其中这些侧部可以基本上线性地或弯曲地延伸。主要地，校准结构可以进一步可以构建成基本上细长的形状，并且包括例如大于5cm、大于10cm或大于20cm的长度，其中该长度可以特别地沿着构建区域的相应的侧部进行测量。
总体上，因此可以使得辐照系统必须仅略微地保留构建区域以便执行校准操作。因此，可以使装置的结构是紧凑的，并且辐照系统所需的偏转光谱可以被保持得很低。同样地，由于可以在紧邻辐照系统的实际工作区域的位置执行校准，因此校准的质量也可以得到改进，因此检测信号对于实际处理具有高重要性。
校准结构可以包括至少两个校准部分，该至少两个校准部分沿着构建区域的不同侧部延伸，特别的，其中构建区域的不同侧部彼此成一角度地延伸。该不同侧部可以是构建区域的相对的侧部，例如相对设置的外圆周或轮廓部分。然而，特别地，该不同侧部可以是是基本上是矩形的构建区域的相对的或彼此接合(例如穿过角部)的侧部。校准结构的校准部分可以例如彼此接合和/或彼此成约90°的角度布置。两个校准部分可以进一步为大致细长的形状和/或具有大于5cm、大于10cm或大于20cm的长度。因此，辐照系统的校准可以沿着至少两条预定轴线进行，其中这些轴线可以例如与校准结构的两个校准部分重合或者平行于该两个校准部分延伸。
进一步的发展提供，装置还包括底部区域，该底部区域至少部分地围绕构建区域，并且其中校准结构被布置在底部区域中或者平行于该底部区域。底部区域可以包括处理室底部或者由处理室底部形成。同样地，底部区域可以限定虚拟的三维空间，包括处理室底部，其中底部区域优选地是平坦的(即，在很小程度上垂直于处理室底部)。处理室底部可以是处理室的常规底部区域，该处理室底部是装置机架的固定部件或者连接到该机架。此外，底部区域可以完全围绕构建区域和/或被布置成大致平行于该构建区域。然后，通过上述的装置的任何承载器的下降，构建区域可以在底部区域内或者相对于底部区域下降，从而使得该构建区域远离底部区域的表面。主要地，底部区域可以形成用于构建区域的框架结构，并且，可选的，该底部区域与辐照系统相对设置。
校准结构在底部区域中的布置通常可以理解为在底部区域上或底部区域内的布置。相应地，校准结构可以嵌入和/或形成在底部区域内。同样地，该校准结构可以被布置在由底部区域包围的处理室底部上，并且例如被机械地固定到该处理室底部上。根据本发明，这也可以理解为校准结构在底部区域中的布置。
同样地，校准结构也可以被至少部分地布置在处理室的侧壁区域中或者平行于该处理室的侧壁区域。侧壁区域进而可以被定义为三维的平坦虚拟空间并且包括处理室的侧壁。侧壁区域可以与底部区域成一角度地延伸，例如基本上与该底部区域正交。由此可以实现校准结构与底部区域的有目的的间隔，然而，其中校准结构仍可以如前所述般相对于传感器排列和辐照系统以合适的方式进行定位。与底部区域的距离意味着校准结构被构建空间中的粉末材料严重污染的可能很小，这反过来可以对校准质量具有有利影响。
另一变型提供，校准结构至少部分地包括一种材料，该材料对于辐照系统的辐照的吸收特性不同于校准结构的周围环境中的吸收特性为。换句话说，校准结构的区域中的吸收特性可以局部地增加或局部地减小，从而使得由辐照系统发射的辐射发生更强或更弱的反射。该反射可以进而被传感器排列检测到。
通常，吸收特性可以涉及由辐照系统发射的辐射的波长范围内的光和/或电磁辐射。优选地，该材料相对于周围环境具有增加的吸收特性，使得在校准结构的区域中的辐射的背向反射小于辐射在该校准结构的紧邻周围环境的区域中的背向反射。周围环境可以由装置的上述底部区域提供并且不具有这种材料。通常，该材料可以呈涂层的形式，该涂层被至少部分地施加到校准结构。
通常，校准结构可以包括或者形成合适的表面结构，该表面结构可以由传感器排列检测为与周围环境不同。根据一个示例，校准结构包括至少一个凸起，其中辐照系统被适配成在校准操作的背景下在凸起的区域中执行对校准结构的辐照。凸起可以是与校准结构的周围环境相比凸起的部分，例如局部突起。
另外或替代地，校准结构可以进一步包括至少一个凹陷，其中辐照系统被适配成在校准操作的背景下在凹陷的区域中执行对校准结构的辐照。当布置在装置的底部区域中时，该校准结构可以在该底部区域中呈凹陷的形式。凹陷通常可以包括凹部、开口、凹槽或孔，该凹陷例如通过切削产生。当辐照系统扫描校准结构时，由于在凹陷的区域中的表面特性的变化，因此可能发生由辐照系统发射的辐射的反射行为的变化。该由辐照系统发射的辐射的反射行为的变化可以进而被传感器排列检测到。
优选地，用于影响吸收特性的材料被布置在凹陷和/或凸起与校准结构的周围环境之间的过渡区域附近或者布置在该过渡区域中。这使得能够特别精确地检测凹陷和/或凸起的成果，因为那里的凹陷和/或凸起与辐照系统的辐射的相互作用特别全面并因此以可容易检测的方式进行变化。
凹陷和/或凸起可以进一步包括至少一个边缘，该至少一个边缘优选地在上部边缘处和/或在校准结构的周围环境的过渡区域中。边缘可以由凹陷和/或凸起的锐缘区域构成或者可以形成该锐缘区域。该锐缘区域可以是周围环境与凹陷和/或凸起之间的过渡部，该过渡部具有尖锐的边缘或仅是略微圆形的。因此，边缘可以由周围环境的表面界定，例如以底部区域表面的形式，以及由与该表面成一定角度倾斜的凹陷的内壁和/或凸起的外壁界定。该内壁或外壁可以基本上正交于所提到的表面延伸。因此，凹陷和/或凸起通常可以是基本上阶梯形的。提供这种边缘同样允许辐照与校准结构之间的相互作用的全面变化，这对于传感器排列的检测是有利的。
根据进一步的发展，凹陷和/或凸起包括主要部分，该主要部分基本上沿着构建区域延伸，并且凹陷和/或凸起进一步包括至少一个次要部分，该至少一个次要部分与主要部分成一角度地延伸。主要部分可以以上述的方式沿着构建区域的一侧延伸，例如沿着矩形构建区域的一侧延伸。主要部分也可以具有成角度的轮廓，也就是说，例如该主要部分沿着构建区域的角部区域延伸并且至少部分地包围该角部区域。此外，主要部分可以大致为细长的形状并且例如具有大于5cm、大于10cm或大于20cm的长度。另一方面，次要部分与主要部分相比可以具有较短的长度，例如小于10cm或小于5cm的长度。此外，次要部分可以沿着一轴线延伸，该轴线与主要部分的纵向轴线成一角度、例如成大于45°的角度延伸，并且特别地基本上与该纵向轴线正交。因此，次要部分和主要部分可以限定基本为十字形的形状。
利用这种主要部分和次要部分形成凹陷和/或凸起的优点在于可以进行更全面的校准。因此，执行辐照所沿的第一主要辐照轴线可以平行于主要部分延伸。另一方面，与第一主要辐照轴线成一角度地延伸并且优选地与该第一主要辐照轴线正交的第二主要辐照轴线可以平行于次要部分延伸。特别是在存在多个次要部分的情况下，沿着第二主要辐照轴线的校准因此可以通过在相应的次要部分上行进而沿着第一主要辐照轴线的不同位置执行。总体上，因此可以增加校准的稳健性和意义性。
在这方面，可以进一步提供多个次要部分，该多个次要部分优选地沿着主要部分以规则的间隔布置。例如，可以沿着主要部分设置多于两个、多于四个、多于六个或多于八个的次要部分，该次要部分沿着主要部分的纵向轴线彼此间隔开大约2cm至大约10cm的距离。
进一步的发展提供了传感器排列被构造成检测处理光束到凹陷中的进入和/或从凹陷的离开，和/或其中传感器排列被构造成检测对凸起的到达和/或离开。这可以通过辐照在扫描凹陷或凸起时的反射特性的前述变化来确定。例如，传感器布置可以被适配成当传感器布置在校准过程的范围内被引导到凹陷或凸起的区域中并且优选地还在该区域内执行预定的运动时检测所反射的辐射的至少暂时的减少和/或至少暂时的增加。所反射的辐射的减少(和/或识别到距离值增加)可以指示进入凹陷中，而所反射的辐射的增加(和/或识别到距离值减小)可以指示从凹陷中离开。同样地，所反射的辐射的增加(和/或识别到距离值减小)可以指示到达凸起，而所反射的辐射的减少(和/或识别到距离值增加)可以指示离开凸起。
辐照系统可以进一步被构造成至少在校准操作期间发射处理光束，该处理光束的功率不具有固化作用。换句话说，与用于以原料粉末层制造工件的功率相比，可以降低校准操作期间的处理光束的功率和/或强度。校准过程期间的处理光束的功率可以不大于具有固化作用的功率的10％、5％或1％。由此可以避免对校准结构的不期望的损坏。此外，传感器排列的检测区域可以特定地适应于来自校准结构的任何背向反射的功率光谱和/或伴随的强度光谱，使得降低了校准操作期间的不正确检测的风险。
为了降低处理光束的功率，可以选择性地将所谓的束阱或分束器布置在处理光束的光束路径中。这些束阱或分束器可以包括例如灰色滤镜，以便有意地弱化处理光束。另外或替代地，能够调节辐射源的功率或者使用单独的辐射源，该单独的辐射源被设置成专门用于校准目的。
本发明进一步涉及一种用于对逐层制造三维工件的装置的辐照系统进行校准的方法，其中特别的，装置如前述权利要求中任一项所述，其中该方法包括下述步骤：
-对构建空间外部的校准结构进行辐照，其中借助于辐照系统进行辐照，并且能够通过对原料粉末层进行选择性固化以在构建空间中制造工件；
-对校准结构的辐照进行检测；
-基于检测到的校准结构的辐照来对辐照系统进行校准。
该方法进一步包括用于提供上文和下文中所提到的效果和相互作用的任何其他步骤和特征。特别地，该方法可以包括根据上文或下文的变型之一来相对于构建区域布置校准结构的步骤。同样地，该方法可以包括通过沿着预定的路径引导辐照系统的处理光束来对校准结构进行辐照。
该方法可以进一步包括用于对所获得的检测信息进行评估的步骤，其中评估可以包括上文或下文中所描述的用于确定预定的变化的任何变型。对校准结构的辐照进行检测的步骤可以包括检测由此产生的背向反射、特别是确定该背向反射随时间的轮廓的步骤。然后，评估可以涉及确定该轮廓随时间的预定变化，例如以便从该轮廓随时间的预定变化中确定对校准结构的到达和/或离开。最后，校准步骤可以包括执行如上文中所讨论的期望-实际比较。
附图说明
下文中将参考附图对本发明进行说明，在附图中：
图1：是根据本发明的装置的视图，该装置执行根据本发明的方法；
图2：是图1的装置的处理室的透视图；和
图3a、图3b：是图1的装置中的检测操作的示意图，以及图1的装置中的检测信号随时间的轮廓的示意图。
具体实施方式
图1示出了装置10，该装置10被构造成执行根据本发明的用于通过金属粉末床来增材制造三维工件的方法。更确切地说，该方法涉及以所谓的选择性激光熔化(selectivelaser melting，SLM)的方式进行的制造过程。装置10包括处理室12。处理室12可以相对于环境大气被密封，使得可以在该处理室中建立惰性气体气氛。布置在处理室12中的粉末施加装置14将原料粉末层施加到承载器16上。如图1中的箭头A所示，承载器16被适配成在竖直方向上移位。因此，当工件由选择性固化的原料粉末层逐层构建时，随着工件的构建高度增加，承载器16沿竖直方向下降。
装置10进一步包括辐照系统20，该辐照系统用于将多个激光束24a、24b选择性地并位置特定地引导到承载器16上的原料粉末层上。更确切地说，原料粉末材料可以借助于辐照系统20根据待生产的工件层的几何形状暴露于辐射下，并因此被局部熔化和固化。由此，辐照系统20对原料粉末层的辐照由控制单元26控制。
在所示的示例性实施例中，辐照系统包括两个辐照单元22a、22b，该两个辐照单元可以共同对原料粉末材料进行辐照。然而，也可以设想仅提供一个这样的辐照单元22a、22b或者也可以提供例如以矩阵形式布置的多个辐照单元22a、22b。
所示的每个辐照单元22a、22b连接到共同的激光束源。由激光束源发射的激光束可以通过合适的装置(诸如，例如分束器和/或镜子)分开和/或偏转，以便将激光束引导到单独的辐照单元22a、22b。替代地，可以设想为每个辐照单元22a、22b分配自身的激光束源。可以提供合适的激光束源，该激光束源例如呈二极管泵浦镱光纤激光器的形式，该二极管泵浦镱光纤激光器具有约1070nm至1080nm的波长。
每个辐照单元22a、22b进一步包括处理光束光学器件，以便与所提供的激光束相互作用。处理光学器件各自包括呈扫描器单元的形式的偏转装置，该偏转装置能够灵活地将在承载器16的方向上发射的激光束24a、24b的焦点定位在平行于承载器16延伸的辐照平面内。
承载器16的面向辐照系统20的表面形成构建区域28，该构建区域28限定了最大可能的底部区域、或者换句话说限定了可以生产具有最大横截面的工件的区域。构建区域28为大致矩形的形状。构建区域28在处理室12内的位置可以进一步根据承载器16的下降而变化。构建区域28进一步形成装置10的三维虚拟构建空间30的底部区域，在该底部区域中可以制造工件。由于构建区域28的所述运动，构建空间30大致是具有相应的矩形底部区域的柱形。图1和图2中用虚线进一步示出了构建空间30的延伸。
最后，图1中示意性地示出了传感器排列25，该传感器排列能够对来自构建区域28和周围环境的激光束24a、24b的背向反射进行检测。同样地，传感器排列25连接到装置10的控制单元26。应当注意的是，所示的传感器排列25的定位仅是示例性的。特别是当传感器排列25形成为现有的熔池监测系统的组成部分时，该传感器布置可以替代地被集成在辐照系统20的光束路径中或者至少间接地与该光束路径相互作用。如此，可以执行背向反射辐射的所谓的“在线(in-line)”测量。
在图2中，以透视图示出了处理室12，然而，其中省去了粉末施加装置14。将再次看到形成构建区域28的承载器16。构建空间30再次被定义为具有矩形底部区域的柱体。辐照系统20在图2中仅以示意性的矩形被示出并且通常被构造成选择性地对构建区域28内的原料粉末材料层进行辐照。在图2中，附加地示出了气体出口32，该气体出口32形成装置10的处理气体环路(未示出)的已知部件，以便在处理室12内建立保护气体气氛。
可以看出，处理室12包括底部区域34。底部区域是大致平面的并且平行于构建区域28延伸。底部区域34由装置10的常规底板形成，该底板连接到机架(未示出)并且与辐照系统20大致相对地设置。在所示的初始状态下，其中承载器16尚未下降以及构建区域28因此也尚未下降，底部区域34的表面进一步与构建区域28齐平。底部区域34整体形成围绕构建区域28的框架结构。
在底部区域34内设置有校准结构36，该校准结构36包括两个校准部分37。校准部分呈底部区域34内的凹陷的形式，并且更确切地说，呈通过切割形成的细长凹部的形式。这可以从图2的放大的局部视图B中清楚地看到，该局部视图B示出了校准部分37中的一个校准部分的端部部分。也可以想到，提供仅具有一个这样的校准部分37的校准结构36。
校准部分37各自包括沿着纵向轴线L1、L2延伸的主要部分38。校准部分37、或者换句话说该校准部分37的主要部分38进一步被布置成基本上彼此正交。具体地，图2中将可以看到，主要部分38沿着矩形构建区域28的不同侧部区域延伸并且平行于该矩形构建区域28的不同侧部区域延伸。这涉及矩形构建区域28的第一侧部40和第二侧部42，该第一侧部40和第二侧部42彼此正交地延伸。形象地说，校准部分37相应地基于构建区域28延伸“穿过一角部”。关于校准部分37的位置，图2还示出了这些校准部分被布置在处理室12的面向构建区域28的内侧壁区域与构建区域28之间。这些校准部分与构建区域28仅相距几厘米的小距离。
图2中将进一步可以看到，每个校准部分37包括多个次要部分44，该多个次要部分44沿着主要部分38以规则的间隔分布。在图2的示例中，每个校准部分37包括多于六个这样的次要部分44。出于表示的原因，并非所有的次要部分44都设置有相应的附图标记。从图2中的细节图B可以进一步清楚的看出，次要部分44同样呈凹陷的形式并且与主要部分38正交地延伸，其中次要部分44被主要部分相应的纵向轴线L1、L2在中间分开。
因此，次要部分44形成横向于主要部分38延伸的凹陷部分，使得校准部分37各自由沿着其各自的纵向轴线L1、L2的单独的十字形凹陷区域组成。
为了执行校准操作，控制单元26使辐照系统20根据预定的运动路径将呈来自图1的激光束24a、24b中的一个激光束的形式的处理光束引导到至少一个校准部分37上。特别地，在校准期间提供的具有有意降低和非固化作用的功率的处理光束可以首先被引导到围绕校准结构36的底部区域34的表面上，然后沿校准部分37中的一个校准部分的方向移动。传感器排列25可以与其平行地检测来自底部区域34和/或校准结构36的辐射的背向反射。
当处理光束第一次从底部区域34的表面进入校准部分37中的一个校准部分中并且进入由此形成的凹陷中时，由传感器排列检测到的背向反射的强度改变。在当前情况下，校准部分37的侧壁和底壁各自涂覆有吸收至少部分激光辐射的材料，这进一步支持了这一点。该材料对激光辐射的吸收进一步大于在围绕校准部分37的底部区域34的表面处发生的吸收。
图3a、图3b中示出了由传感器排列25检测到的信号随时间的轮廓。图3a示出了由辐照系统20发射的激光束24a、24b第一次传入一个校准部分37的一个次要部分44中的情况。图2中同样示出了发生这种情况的运动路径P。在图3a中将进一步可以看到，校准部分37在底部区域34内形成阶梯状的凹陷并因此包括呈边缘45的形式的锐缘过渡部。类似于上文中所描述的吸收材料，这些锐缘过渡部导致在进入校准部分37时的反射特性发生特别显著的变化，这可以由传感器排列25特别可靠地检测到。
图3b示出了在该操作期间传感器排列25的传感器信号随时间的轮廓，其中，作为示例，传感器信号被示出为传感器电压V。直至时间t1，激光束24a、24b沿着底部区域34的平面表面移动，使得该激光束的背向反射不会改变。因此，传感器排列25的传感器信号在时间段t0至t1中基本上恒定。在时间t1，激光束24a、24b进入凹陷形成的次要部分44中，使得该激光束的背向反射特性突然改变，并且在所示的示例中突然下降。这也反应在了传感器信号在该时间t1的变化中。同样地，当激光束24a、24b在时间t2再次离开次要部分44时，传感器信号发生反向变化。在时间t1与t2之间以及从时间t2开始，尽管处于不同的电压电平处，但是传感器信号基本上恒定。
总而言之，因此将可以看到，控制单元26能够根据传感器排列25的传感器信号确定进入时间t1以及从校准结构36的扫描区域(在此：次要部分44)离开的时间t2。同样地，可以确定在该时间点的辐照系统20的参数，例如在各个时间点的处理光束的当前偏转位置。由于校准结构36在装置10内的的位置和范围、特别是该校准结构的单个的校准部分37在装置10内的位置和范围是已知的并且通常是不可改变的，因此可以检查所确定的时间t1、t2是否对应于某些预定的辐照参数的预期期望的时间点。
如果不是这种情况，则表明辐照系统20未按预期对校准结构36进行辐照，也就是说，例如由于偏转的程度太小，所以在预定时间没有到达校准部分37。于是，控制单元26可以在指定的辐照行为与实际确定的辐照行为之间进行期望-实际比较，并且在该期望-实际比较的基础上对辐照系统20进行校准，以便补偿任何确定的期望-实际偏差。
这种偏差，例如过早或过晚地进入校准部分37或者过早或过晚地从校准部分37离开，可以得出以下结论：处理光束的偏转不是以期望的方式进行和/或在辐照系统20与校准结构36之间存在未被考虑的相对偏移。因为可以足够精确地假设构建区域28和校准结构36的相对位置是已知的并且是不变的，因此这种相对偏移还涉及辐照系统20与构建区域28之间的相对偏移。这种偏移可以通过对辐照系统20进行校准来补偿，例如通过对处理光束的偏转进行适当地重新调整和/或通过对辐照系统20的相应适配的控制信号进行预先计算。
通过沿着构建区域28的两个正交的侧部(或者沿着构建区域28的根据常规的轴线定义的X-Y轴线)来布置校准部分37，从而可以相对于构建区域28可靠地对辐照系统20进行校准。因此，多个次要部分44使得能够沿着构建区域28的相应侧部在多个预定位置中进行校准。

Claims (15)

1.用于逐层制造三维工件的装置(10)，所述装置包括：
-构建空间(30)，在所述构建空间中，能够通过对原料粉末层进行选择性固化来制造工件；
-辐照系统(20)，所述辐照系统被适配成通过发射至少一个处理光束在所述构建空间(30)中选择性地固化所述原料粉末层；
-至少一个校准结构(36)；
-传感器排列(25)，所述传感器排列被适配成对所述辐照系统(20)发射的辐照在所述校准结构(36)处的背向反射进行检测；和
-控制单元(26)，所述控制单元被适配成基于所述传感器排列的检测信息来对所述辐照系统(20)进行校准，
其中，所述校准结构(36)被布置在所述构建空间(30)的外部。
2.根据权利要求1所述的装置(10)，
其中，所述校准结构(36)被布置在所述装置(10)的处理室(12)内，特别是以下述方式布置，所述方式即，使得所述校准结构至少部分地在所述处理室(12)的内壁区域与所述构建空间(30)之间延伸。
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置(10)，
其中，所述构建空间(30)包括构建区域(28)，其中所述校准结构(36)沿着所述构建区域(28)的至少一个侧部(40，42)延伸。
4.根据权利要求3所述的装置(10)，
其中，所述校准结构(36)包括至少两个校准部分(37)，所述至少两个校准部分沿着所述构建区域(28)的不同侧部(40，42)延伸，特别地，其中，所述构建区域(28)的所述不同侧部(40，42)彼此成一角度地延伸。
5.根据权利要求3或4所述的装置(10)，
其中，所述装置(10)进一步包括至少部分地围绕所述构建区域(28)的底部区域(34)，并且其中，所述校准结构(36)被布置在所述底部区域(34)中或者平行于所述底部区域布置。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的装置(10)，
其中，所述校准结构(36)被至少部分地布置在所述处理室(12)的侧壁区域中或者平行于所述处理室的侧壁区域布置。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置(10)，
其中，所述校准结构(36)至少部分地包括一种材料，所述材料的针对所述辐照系统(20)的辐照的吸收特性与所述校准结构(36)的周围环境中的吸收特性不同。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置(10)，
其中，所述校准结构(36)包括至少一个凹陷和/或凸起，并且其中，所述辐照系统(20)被适配成在校准操作的背景下在所述凹陷和/或凸起的区域中执行所述校准结构(36)的辐照。
9.根据权利要求7和8所述的装置(10)，
其中，用于影响吸收特性的材料被布置在所述凹陷和/或凸起与所述校准结构(36)的周围环境之间的过渡区域附近或在所述凹陷和/或凸起与所述校准结构的周围环境之间的过渡区域中。
10.根据权利要求8或9所述的装置(10)，
其中，所述凹陷包括至少一个边缘(45)，所述至少一个边缘优选地处于上部边缘处和/或处于所述校准结构(36)的周围环境的过渡区域中。
11.根据权利要求3和权利要求8至10中任一项所述的装置(10)，
其中，所述凹陷和/或凸起包括主要部分(38)，所述主要部分基本上沿着所述构建区域(28)延伸，并且其中，所述凹陷和/或凸起包括至少一个次要部分(44)，所述至少一个次要部分与所述主要部分(38)成一角度地延伸。
12.根据权利要求11所述的装置(10)，
其中，提供多个次要部分(44)，所述多个次要部分优选地沿着所述主要部分(38)以规则的间隔布置。
13.根据权利要求8所述的装置(10)，
其中，所述传感器排列(25)被构造成检测处理光束到所述凹陷中的进入和/或从所述凹陷的离开，和/或其中，所述传感器排列(25)被构造成检测对所述凸起的到达和/或离开。
14.根据前述权利要求中任一项所述的装置(10)，
其中，所述辐照系统(20)被构造成至少在校准操作期间发射处理光束，该处理光束的功率不具有固化作用。
15.一种用于对装置(10)的辐照系统(20)进行校准的方法，所述装置用于逐层制造三维工件，其中，所述装置(10)特别地被构造为根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述方法包括下述步骤：
-对构建空间(30)外部的校准结构(36)进行辐照，其中，借助于辐照系统(20)进行辐照，并且能够通过对原料粉末层进行选择性固化以在所述构建空间中制造工件；
-对所述辐照系统(20)发射的辐照在所述校准结构(36)处的背向反射进行检测；
-基于检测到的所述辐照系统(20)发射的辐照在所述校准结构(36)处的背向反射来对所述辐照系统(20)进行校准。
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