CN110785247A - 增材制造装置的功率辐射源的焦点校准 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于校准增材制造装置的功率辐射源的头部系统的套件，其包括：校准板，其具有多个参考标记；发射支撑件，由至少一种对源辐射敏感的材料制成，当所述支撑件在所述校准板上就位时，所述支撑件使得所述校准板的参考标记可见，其特征在于，所述发射支撑件包括多个窗口，这些窗口分布成使得窗口与所述校准板的各个参考标记重叠，并且当所述发射支撑件在所述校准板上就位时，使得所述校准板的各个参考标记可见。本发明还涉及用于校准这种系统的方法。

Description

增材制造装置的功率辐射源的焦点校准

技术领域

本发明涉及选择性增材制造。

更具体地，本发明涉及增材制造装置的功率辐射源的焦点的校准。

背景技术

选择性增材制造包括通过在粉末材料(金属粉末、陶瓷粉末)的连续层中使选定区域固结来创建三维对象。固结的区域对应于三维对象的连续横截面。通过使用聚焦辐射源进行的全部或部分选择性熔化，逐层进行固结，聚焦辐射源例如光源(例如高功率激光器)或粒子束源(例如根据本领域通用的英文术语称为EBM或“电子束熔化”的技术中的电子束)。

在下文中，将主要参考光源(例如，根据英文术语的SLM或“选择性激光熔化”中使用的光源)。

但是，可以使用任何其他类型的辐射来实施。

通常，如图1所示，利用光源的类型的增材制造装置使用具有三个振镜(galvanomètre)的三轴头部系统S，以便一方面提供关于在粉末材料层上的冲击点位置的提高的精度，另一方面，提供关于将光束聚焦在所述层上的提高的精度。

两个振镜1、2用于引导两个反射镜3、4旋转，并可以检查光束离开头部的路径，从而检查光束在粉末床(工作平面P)上的冲击点的位置(以X和Y控制)。

此外，DFM(根据英文术语称为“动态聚焦模块”)包括振镜、平移模块和透镜，通过调整所述透镜的平移运动，可以完美地调节粉末床上的光束的焦点(以Z控制)。图1还示出了引入固定焦点的物镜模块6，DFM模块5使得可以改变上游的聚焦。

的确，可以理解，激光束聚焦在粉末床上的能力越好，传递到熔点的能量就越强、越受到控制。

然而，将注意到，这种三轴头部系统S意味着粉末床(平面P)的两种主要变形类型。

首先，对粉末床所在的工作平面P的聚焦根据光束的倾斜而变化。实际上如图2所示，光束的倾斜度是光程长度变化的结果(该变化在图中由ΔZ示意性表示)，这些变化本身必须加到由间隙引起的现象中，所述间隙是通过反射镜或者通过横穿可能在增材制造装置中存在的各种玻璃片导致的。

因此，在没有对该几何偏移进行任何处理的情况下，整个工作平面P上的焦点不是恒定的。

此外，通常在工作平面P上看到图中在X和Y方向的非线性变形(根据通常使用的技术术语，这种变形称为“枕形”-图3中的形状PS)。这种变形是由光路的几何形状引起的，尤其是由反射镜和光学器件的位置以及它们与板P的距离引起的。

常规上已知的做法是校正头部的控制，以考虑到在X和Y方向的变形。

为此，使用预先确定的专用校正表。

这些表给出了控制差，通过该控制差可以校正三轴头的控制输入。因此，以相对于粉末床校正的X和Y位置对光束进行工作平面P的发射和扫描。

为了确定这些校正表，已知的做法是使用带有参考标记的校准板。在板上的预定目标位置上执行一系列的光发射。包括摄像机的测量系统记录这些标记相对于参考标记的位置。

这样在校准板上做出的标记位置与发射的理论目标位置之间的差用于计算需要应用于光束头部系统的X和Y方向的控制的校正量。

在这方面，一个示例例如在专利EP1048441中乃至在专利申请US2015/0100149和US 2014/0333931中进行了描述。

具体地在EP1048441中，校准一方面使用带有参考标记的板，另一方面使用旨在接收标记的薄片。

因此，该板分为两个区域：一个区域接收对光束敏感的薄片，另一个区域则未被所述薄片覆盖而带有参考标记。

专利申请CN 101 823 181提出了通过辨别光学发射的形态来确定激光束的焦点的方法。

但是，提出的处理操作当然不能使光束在粉末床上的聚焦得到优化。

此外，在X和Y方向所做的校正不是最佳的。

当然，将容易理解，其他辐射源(例如EBM源)也会出现类似的校准问题。

发明内容

本发明的一个目的是提出一种自动校准解决方案，该解决方案使得可以优化应用于发射的校正。

具体地，本发明的一个目的是提出一种解决方案，该方案允许校准源的聚焦(在Z方向上校准)。

本发明的另一个目的是提出一种校准解决方案，该校准解决方案允许在X和Y方向进行比现有技术更好的校准。

因此，根据一个方面，本发明提供一种用于校准增材制造装置的功率辐射源的头部系统的方法，其中，为了确定要应用于所述系统的控制的校正，执行以下步骤：

在增材制造装置中布置包括多个参考标记的校准板，

控制所述源在校准板上标记至少一个由多个冲击点形成的校准图案，

获取所述校准图案和至少一个参考标记的至少一个图像，

根据如此获得的一个或更多个图像确定至少一个校正的控制，

确定校正的控制的步骤在获取的图像中确定出现在所述图像中的校准图案的冲击点的直径的分布，所述校正的控制取决于所述冲击点的直径的分布并成为焦点控制。

有利地，该方法通过以下各种特征来完成，这些特征可以单独实现或以其任何技术上可能的组合实现：

在控制所述源的步骤中，利用不同的焦点控制来生成与不同的冲击点相对应的各种发射；

在控制所述源的步骤中，利用焦点控制生成与不同的冲击点相对应的各种发射，所述焦点控制递增而使得直径围绕所述图案的中点呈高斯分布；

确定校正的焦点控制的步骤根据所述冲击点的直径的分布来确定最小直径的冲击点或推导的“腰点”；

与标记的中点相关联的校正的控制是针对这样确定的所述冲击点的焦点控制，或者是与所述推导“腰点”相对应的推导控制；

所述冲击点形成的校准图案是矩阵，并且所述焦点控制值逐列地、逐行地增加；

利用头部系统控制所述源，以便在所述校准板上产生在理论上以预设理论目标点为中心的多个校准图案的标记；

在所述获取步骤中，使光学测量装置在所述校准板上方移动，以便针对校准板的每个参考标记获取这样的区域的至少一个图像，一方面，在所述区域中存在所述参考标记，另一方面，在所述区域中存在紧邻的理论目标位置；

对于每个参考标记，处理一个或更多个所获取的图像，以便由此推导出所述参考标记的正交参照系中具有最小直径的冲击点或推导的“腰点”的位置，并确定所述点的位置与理论目标位置之间的偏移量，并且，根据该偏移量确定附加的校正；

为了确定校正，执行处理以从所述校准板的参照系转换到附接到所述头部的参照系；

所述处理识别与所述校准板上的两个给定参考标记相对应的图案，并且根据所述识别来确定校准板的参照系和与头部相关的参照系之间的平移偏移和角旋转。

此外，根据另一方面，本发明提供一种用于校准增材制造装置的功率辐射源的头部系统的套件，该套件包括：

校准板，其包括多个参考标记，

发射支撑件，其由至少一种对源辐射敏感的材料制成，

当所述支撑件在所述校准板上就位时，所述支撑件使得所述校准板的参考标记可见，

其特征在于，所述发射支撑件包括多个窗口，这些窗口以这样的方式分布，使得窗口与校准板的各个参考标记重叠，并且当发射支撑件在校准板上就位时使得校准板的各个参考标记可见。

附图说明

通过下面的描述，本发明的其他特征和优点将变得更加明显，这些描述仅是示例性的而非限制性的，应结合附图进行阅读，其中：

-图1是选择性制造装置的激光放射源的三轴头的光学序列的示意图；

-图2和图3示出了在没有校正的情况下这种装置的主要变形；

-图4a示意性地示出了根据本发明的校准套件(校准组件)的示例，图4b本身详细示出了该校准套件的光学套件的元件；

-图5是示出了校准板和发射支撑件的叠加的示意图；

-图6示意性地示出了具有双轴导轨的支撑件，在该支撑件上旨在安装图4a的套件的测量装置。

-图7示出了图4a的套件的摄像机的测量范围中的图像；

-图8a示出了在校准图案区域内在发射支撑件上的冲击点；

-图8b示出了冲击点的高斯分布和推断的“腰”点的确定；

-图9示出了本发明方法的一种可能的实施方案中的各个步骤；

-图10示出了发射支撑件，该发射支撑件示出了各种发射图案的影响；

-图11至图14示出了用于从板的参照系转换为头部的参照系的处理；

图15示出了根据本发明的校准套件的摄像机的测量场中的图像。

具体实施方式

校准套件

图4a、图4b和图5的校准套件是包括参考校准板7和发射支撑件8的套件。

它还包括涉及光学传感器的检查装置9。

参考板7是带有多个可见参考标记10的板。优选地，参考标记10存在于校准板7的两个面上，以便可以将参考板7翻转并且使用参考板7的两个侧面。

这些参考标记10在已知和检查过的位置处分布在整个板上。例如，它们可以位于旨在于校准期间被功率辐射源完全或部分扫描的65x65矩阵的点附近。当然，其他分布也是可以的。

在每个参考点，标记10的可见标记由两个正交轴定义，两个正交轴的交点对应于参考点，并且在板上定义了正交的参照系。

发射支撑件8是可选的。在第一实施方案中，没有发射支撑件8。优选地，参考板7是玻璃板，其厚度可以在0.1mm至10mm之间，并且优选地为1mm。

在第二实施方案中，存在发射支撑件8，该发射支撑件包括对辐射束敏感的材料制成的膜。

该支撑件8在X和Y方向上具有与板7相同的尺寸，并且在校准发射期间放置在板7上。

该支撑件8具有以与板7上的参考标记10相同的方式分布的多个窗口11。当发射支撑件8在板7上放置时，窗口11的中心在参考标记10上居中，因此可见参考标记10。

装置9包括CMOS或CCD类型的摄像机9a、光学物镜9b和专用照明系统9c。

专用照明系统9c例如包括一圈发光二极管。摄像机9a和物镜9b允许图像具有这样的分辨率，该分辨率允许以接近微米级的公差进行测量。

该装置9例如被结合到选择性印刷装置中。

作为变形方案，它可以仅在校准阶段安装在选择性印刷装置中。

如图6所示，选择性印刷制造装置包括用于双轴导轨的支撑件12，该支撑件容纳装置9和摄像机9a。该系统12允许装置9和摄像机9a在校准板7和支撑件8(假如其存在)上以在X和Y方向手动或自动地引导。

所收集的各种图像由处理器13处理，以便由此推导出下文所述的测量结果。该处理器13例如是选择性打印装置的处理器。它也可以是不同于选择性打印装置的处理器，并且可以与其进行交换。

误差测量

在校准期间，摄像机9a针对各种参考标记10中的每一个拍摄图像，该图像示出了与所述标记10相对应的正交标记(图7)。

如图15所示，与参考板7的标记10相对应的标记可以包括多个具有各种尺寸和形状的元件，以提高定位的精度，并且可以提及参考板7的编号。

在第二实施方案中，由于发射支撑件8中的窗口11，每个参考标记10的标记是可见的，标记例如可以是矩形开口，尽管当然其他形状也是可以的。

这样的参考标记10在校准板7上限定了正交测量参照系，该正交测量参照系被摄像机9b用作参考。

在图像拍摄之前，已经对源及其头部系统S进行了控制，以使得对每个参考标记10，对相应参考标记10附近的给定理论目标位置进行发射。

在第一实施方案中，该发射直接指向参考板7。在第二实施方案中，该发射指向支撑件8。

可以在参考板7上在给定的理论目标位置附近产生目标位置标记，以便改善发射位置的定位并因此改善校准的精度。如图15所示，目标位置标记能够以给定的理论目标位置为中心。它可以构成一个正方形，定位给定的理论目标发射位置，该正方形可以被水平线和竖直线形成的十字包围。

该发射是沿着根据预定的发射图案(在图7的示例中，尺寸为7x7的点的矩阵图案15)分布的几个发射点连续执行的。

在图7中，理论目标位置(不可见)对应于十字14。

在图案的发射结束时，在每个参考标记10周围拍摄图像。

对于这些标记10中的每一个，由处理器13处理在标记10的周围区域拍摄的图像，以便由此推导出发射图案15的中心(中点)在所述标记10的正交参照系中的位置(位置测量值Xm和Ym)，因此推导出该位置相对于理论目标位置14的偏移量。

此外，如图8a所示，以这样的方式控制在图案15的各个点处的发射，使得在所述图案的冲击点处产生不同的直径。

例如，使用在Z方向的不同控制生成这些发射中的数个，这意味着可以使用不同的焦点控制。通常，使这些各种发射的Z控制从一个点到另一个点增加，以便从理论上获得围绕图案中点的高斯分布。

在图8a的示例中，高斯分布是对称轴为Y的分布。

作为变形方案，该分布在X和Y方向上都可以是高斯分布(根据二维高斯分布的分布)。

下表给出了增量分布的一个示例。发射图案采用矩阵形式，在Z方向的控制值逐列(在这种情况下从左到右)和逐行(从下到上)增加。

…

…

-4Δ

+3Δ

…

…

…

…

…

-5Δ

+2Δ

+4Δ

…

…

…

…

-6Δ

+Δ

+3Δ

…

…

…

…

-7Δ

0

+Δ

…

…

…

…

-8Δ

-Δ

-3Δ

…

…

…

…

-9Δ

-2Δ

+5Δ

…

…

…

…

…

-3Δ

+4Δ

…

…

增量0的中心点对应于图案的中点，而Δ对应于Z方向上控制的单个增量值。在7x7发射矩阵的情况下(仅作为示例给出)，可以测试49个Z控制值。

一旦图案已经产生，则通过由处理器13执行的处理来分析冲击点的直径的分布，并基于该分布确定图案区域中与“腰”相对应的点。

该“腰”点对应于最小直径的冲击点或对应于根据冲击点的直径分布曲线推导出的推断点。

在图8a所示的示例中，已经描绘了各个不同的冲击点I1至I4以及穿过这些点的高斯最佳拟合的曲线G。

推断点是与所述高斯G的最小值相对应的点E。

然后，将针对这样选择的冲击点的Z控制(或对应于由此确定的推断点的推断控制)用作标记的理论目标位置的控制(以校正ΔZm的形式)。

作为补充，也可以考虑该理论目标点和最小直径的或者被确定为与“腰”相对应的冲击点之间的光路长度的变化，进行可能的校正。

该校正例如通过参考图表来确定，该图表根据理论目标点和最小直径的或者被确定为对应于“腰”的冲击点之间的距离的测量来给出该附加的聚焦校正。

应当理解，如果冲击点整体描绘出矩阵形式的校准图案，则使这种处理特别容易。校准图案的许多其他配置当然是可以的。

然后，对测量值Xm和Ym进行处理，以便由此得出在头部控制系统S处所需的校正值ΔX和ΔY(以比特为单位)，以使图案15在下一次校准发射时在目标位置14上居中。

以相同的方式，根据Xm、Ym和ΔZm确定将要应用于DFM模块以校正焦点的校正ΔZ，并以比特为单位加载到所述模块。

作为一个数量级的概念，三轴头的振镜通常控制在24位以上(这是每个轴在2²⁴比特以上的引导)，而校正光栅上X、Y的步长增量是分布在4225个值上(262144位的步长)。控制Z同样控制在24位以上，校正表的尺寸与X和Y的尺寸相同。

还应当指出，所提出的类型的矩阵形式的图案是特别有利的，并且允许在发射点的位置以及辐射束在粉末床上的聚焦方面进行精确校准。然而，其他图案也是可以的(以交错配置分布的矩阵形式的图案、圆形图案、椭圆形图案等)。

校准步骤

在第一步骤(图9中的步骤21)中，将三个轴上的预校正表加载到处理器13中。

这些表是使用理论模型预先获得的。这使得可以在很大程度上消除与光学序列相关的误差。以此方式，可以在与摄像机的视场兼容的非常狭窄的区域中进行校准发射，并且具有足够的聚焦以进行蚀刻。

在第二步骤(步骤22)中，将板7安装在通过选择性印刷制造物体的装置中。校准板7的尺寸使其可以容易且直接地安装在所述装置的板承载系统上。

在第二实施方案中，发射支撑件8位于校准板7上。

在第三步骤(步骤23)，控制束源和头部在不同的理论目标点14处发射一系列图案。在第一实施方案中，一系列发射指向参考板7。在第二实施方案中，一系列发射指向支撑件8。

选择理论目标点以对应于与校准板上的所有或某些参考标记相似的点。

通过使用与用于校正表的点的矩阵相对应的理论点的矩阵，可以限制校正的影响。

然而，所使用的参考点的数量可以低于校正表中要确定的点的数量。在这种情况下，可以从与目标点有关的结果中推导出缺失点。

在第二实施方案中，图案的发射是在Y板上的7.5毫米处瞄准，以发射到支撑件8的材料上而不是窗口11上，这样就可以在支撑件8上看到冲击并且可以用摄像机9b进行测量(图10)。

在第四步骤(图9中的步骤24)中，将测量装置9引入选择性印刷装置中，以便进行允许校正的光学测量。

操作者使用两轴支撑件12，用手或利用电动装置移动所述装置9，以连续地拍摄各种发射点的集合的图像。在第一实施方案中，发射点位于参考板7上。在第二实施方案中，发射点位于支撑件8上。应当注意，校准板7可以在各个参考标记10附近带有编号系统，从而可以进行扫描而无需在参考标记上施加测量顺序。

这样拍摄的图像可以由处理器13实时处理(步骤25)或存储以供以后处理。

测量和处理如下进行。

对给定参考标记上的图像进行分析可以确定发射图案中心(中间)点的坐标Xm和Ym。

这还允许确定校正值ΔZm。

头部不能相对于校准板7机械地定位在一微米之内，因此处理器13执行改变参照系的处理操作以将测量结果转换为头部的参照系。

图11以夸张的方式示出了两个参照系之间可能存在的平移和旋转偏移。

为了评估平移偏移量，将其中一个图案的中心(中点)用作参考点(图12中的点A)。

该点最好选择为位于源头部的下方(在X和Y方向，控制头部的振镜的以比特为单位的坐标(0,0))。

对应于参考标记10的图像处理允许处理器确定板的参照系中相应点的位置Xm0和Ym0，并由此推导要应用于测量的平移校正，以便将其转换为头部的参照系。

为了评估旋转偏移量，处理器13使用与点A和第二发射点(图12中的点B)相对应的图案，该第二发射点理论上位于X方向与点A相同的线上。

因为在这两个位置上反射镜控制Y均为零，所以连接这两个点的向量是头部参照系的横向。

点B在板7的参照系中的位置允许处理器确定板的参照系与头部系统S的参照系之间的夹角θ0(图13)。

使用这些参数，处理器13对所有记录的图像执行期望的参照系转换。

因此，对于坐标为Xm和Ym的每个测量点，它在头部系统的参照系中确定相应的坐标Xmt和Ymt。

然后对这些测量值进行处理，以便获得以比特为单位的校正值，以控制两个反射镜的移动(X和Y方向)。

X和Y的这种校正本身引起了在板7上的冲击点的偏移，因此引起了焦点的变化(该变化对应于图14中的Zd)。处理器13使用光学定律估计该变化量Zd，并确定振镜比特的相应值(ΔZd)。

对于每个图案15(即，每个校准点)，对于相关图案，该校正添加到由处理器13确定的Z的校正控制值中，以便由此得出用于Z方向的校准的正确值。

当已经建立校正时，处理器13将新的校正表存储在存储器中。

然后，装置准备好进行检查发射(步骤26)。

在第一实施方案中，一旦获得校正表，就将校准板7翻转，并且操作者开始新的检查发射序列。记录在校准板7上的冲击(发射图案)的位置，并且由处理器13确定新的校正。

在第二实施方案中，一旦如此获得校正表，发射支撑件8翻转并且操作者开始检查发射的新序列。记录发射支撑件8上的冲击(发射图案)的位置，并且由处理器13确定进一步的校正。

如果适当，可以发布测试报告。

如果检查测试表明位置和聚焦精度相对于预期精度不足，则可以计算新的校正表，然后执行新的检查发射。

因此，迭代地重复该过程，直到认为校准足以满足预期的定位公差为止。

Claims (11)

1.一种用于校准增材制造装置的功率辐射源的头部系统的方法，其中，为了确定要应用于所述系统的控制的校正，执行以下步骤：

在增材制造装置中布置包括多个参考标记的校准板，

控制所述源在校准板上标记至少一个由多个冲击点形成的校准图案，

获取所述校准图案和至少一个参考标记的至少一个图像，

根据如此获得的一个或更多个图像确定至少一个校正的控制，

其特征在于，确定校正的控制的步骤在获取的图像中确定出现在所述图像中的校准图案的冲击点的直径的分布，所述校正的控制取决于所述冲击点的直径的分布并成为焦点控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在控制所述源的步骤中，利用不同的焦点控制来生成与不同的冲击点相对应的各种发射。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，在控制所述源的步骤中，利用焦点控制生成与不同的冲击点相对应的各种发射，所述焦点控制递增而使得直径围绕所述图案的中点呈高斯分布。

4.根据权利要求2和3中任一项所述的方法，其中，确定校正的焦点控制的步骤根据所述冲击点的直径的分布来确定最小直径的冲击点或推导的“腰点”。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，与标记的中点相关联的校正的控制是针对这样确定的所述冲击点的焦点控制，或者是与推导的所述“腰点”相对应的推导控制。

6.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其中，所述冲击点形成的校准图案是矩阵，并且所述焦点控制值逐列地、逐行地增加。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，利用头部系统控制所述源，以便在所述校准板上产生在理论上以预设理论目标点为中心的多个校准图案的标记。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述获取步骤中，使光学测量装置在所述校准板上方移动，以便针对校准板的每个参考标记获取这样的区域的至少一个图像，一方面，在所述区域中存在所述参考标记，另一方面，在所述区域中存在紧邻的理论目标位置。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，对于每个参考标记，处理一个或更多个所获取的图像，以便由此推导出所述参考标记的正交参照系中具有最小直径的冲击点或推导的“腰点”的位置，并确定所述点的位置与理论目标位置之间的偏移量，并且，根据该偏移量确定附加的校正。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，为了确定校正，执行处置以从所述校准板的参照系转换到与所述头部相关的参照系。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述处理包括：识别与所述校准板上的两个给定参考标记相对应的图案，并且根据所述识别来确定校准板的参照系和与头部相关的参照系之间的平移方面和角旋转方面的偏移量。

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