CN110785279A - 用于具有组合工作区域的工件的完全并行化增材制造的设备的自动化校准 - Google Patents

用于具有组合工作区域的工件的完全并行化增材制造的设备的自动化校准 Download PDF

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Abstract

一种用于基于粉末床增材制造工件(100)的装置(10)，其中，装置(10)包括：外壳(12)，其包括构造容积(14)，其中，构造容积(14)包括构造区域(16)；至少三个标记装置(20)，其固定在外壳(12)内或外壳(12)上，其中，每个标记装置(20)均适合于将光参考标记(22)投射至布置在构造区域(16)上的工件(100)上和/或投射至构造区域(16)上；激光装置(30)，其用于激光处理粉末床，以借助于增材制造在构造区域(16)上生成工件(100)，其中，激光装置(30)配置为用于激光处理相关联工作区域(32a至32d)，其中，激光装置(30)包括：检测装置(34)，检测装置(34)配置为用于检测光参考标记(22)；以及控制单元(40)，控制单元(40)配置为用于基于由检测装置(34)检测的光参考标记(22)来校准激光装置(30)。

Description

用于具有组合工作区域的工件的完全并行化增材制造的设备 的自动化校准
技术领域
本发明涉及一种用于工件的基于粉末床的增材制造的系统和方法，具体涉及用于具有组合工作区域的工件的并行生产的多个激光装置的校准和同步。
背景技术
与诸如铣削、钻孔和车削的传统减材制造工艺相比，增材制造方法在工业生产中正变得越来越重要，其中在增材制造方法中对材料进行分层添加以及热处理来生产工件，在减材制造工艺中移除材料以便生产工件。基于层的构造是增材制造工艺的特征，使得能够以高度的设计自由度生产高度复杂的几何结构，这是减材方法无法实现的。
增材制造方法的工业重要性的提高是由用于材料热处理的激光源的效率提高驱动的。因此，市场目前正经历着从最初仅将增材制造工艺用于生产原型(“快速原型制造”)到将这种技术大规模工业应用于批量生产(“快速制造”)的转变。这个发展反映在许多经济部门，诸如航空航天工业、汽车工业、医疗技术和修复术。
一种特定类型的增材制造是基于粉末床的工艺，其中粉末原材料被一层一层地沉积在待制造的工件上并且借助于激光来熔化。粉末层通常具有微米范围的厚度。
在提高基于粉末床的部件增材制造系统的效率方面，一个主要作用涉及借助于多个激光装置并行处理工件的可能性，这允许实现更高的生产率。将多个激光装置组合用于工件的同时生产必然需要精确校准各个激光装置并使激光装置彼此同步。然而，这充满了困难，对此目前还没有解决方案。用于工件增材制造系统的常用校准系统是基于激光装置的各个检流计扫描仪(所谓的检流计马达)的调整，并且无法共同考虑整个系统中的与温度相关的不准确性。
因此，在工件增材制造中，在并行操作的多个激光装置的校准和同步方面有改进的余地。
发明内容
本发明的目的是允许并行操作以用于基于粉末床增材制造工件的一个或多个激光装置的校准、再校准和同步。本文使用的术语“并行”具体意指完全并行化的制造工艺，其中制造中所涉及的多个激光装置通过经由相互作用同时处理公共构造区域来实施工件的生产。这个目的是由根据权利要求1所述的系统、根据权利要求12所述的方法、根据权利要求18所述的计算机程序产品和根据权利要求19所述的计算机可读存储介质来实现的。本发明的优选实施方式和扩展在附属权利要求中限定。
本发明涉及一种用于基于粉末床增材制造工件的系统。所述系统包括外壳，所述外壳包括构造容积，其中构造容积包括构造区域。构造区域是构造容积的二维横截面平面，并且覆盖外壳的表面，工件可在所述表面上通过连续的粉末床涂层和随后的热处理来逐层生成。构造区域通常是三维构造容积的竖直投影。这意味着例如在圆柱形构造容积的情况下，构造区域可对应于圆形横截面平面，并且对于立方体形状的构造容积，构造区域可对应于正方形横截面平面，其中构造容积的任意形状都是有可能的。构造容积可对应于例如外壳内部的单独容积子部分，并且构造区域可覆盖外壳下表面的对应区域片段，其表示构造容积在外壳下表面上的二维投影。构造区域还可覆盖可移动表面，原材料的最顶层粉末床搁置在所述可移动表面上。在这种情况下，可移动表面可在每个粉末床层的激光处理之后沿着一个方向移位，使得构造区域或待处理原材料的最上粉末床层与激光装置之间的距离保持恒定。
然而，应当注意的是，构造容积和构造区域两者都可为虚拟几何构造，其可覆盖系统的特定空间区域，但是不需要具有物理性质。尽管构造区域可例如在系统外壳的独立区域部分上延伸，但是其不一定需要用这个独立区域部分识别。这同样适用于构造容积。
构造容积可通过外壳与环境隔离，借此可避免环境与构造容积的干扰相互作用，以便保持构造容积中的工件增材制造所需的物理条件，诸如压力、温度、湿度、大气纯度等。然而，外壳可允许从外壳外部与构造容积进行光学相互作用，例如借助于外壳的透明部分。外壳的透明部分可在空间上匹配构造容积或构造区域，以使得能够从外壳外部对构造容积中的制造过程进行视觉观察和光学监控以及对构造容积的光学作用。
所述系统还包括至少两个、优选至少三个固定在外壳内或固定至外壳上的标记装置，其中每个标记装置均适合于将光参考标记投射至位于构造区域上的工件上且/或投射至构造区域上。标记装置优选地固定至外壳上，使得标记装置能够跟随外壳的至少部分的热力学诱发变形。标记装置可位于外壳内部或外部。然而，如果标记装置布置在外壳外部，则标记装置布置成使得它们可例如借助于外壳的透明部分与构造区域和工件成光学接触。
通过将标记装置固定在外壳中或外壳上，可确保外壳的不受控制的热机械变形或其一部分的应变同等地作用于构造容积和光参考标记的位置上。这种变形和应变可能在制造工艺的过程中发生，例如由于构造容积中的温度变化。以这种方式，可避免或减轻光参考标记在构造区域或工件上的放置不受控制地受到上述影响的问题。相反，在外壳应变或变形的情况下，标记装置至少部分地与外壳一起移动，使得由标记装置投射的光参考标记相对于构造容积和/或构造区域的相对位置可得以维持。
标记装置具有非常高的指向稳定性，使得除了由于热力学引起的变形或应变而导致的前述期望的与外壳“一起漂移”之外，没有进一步的漂移作用于标记装置上。
应当理解的是，当构造容积中不包括或不生产工件时，光参考标记直接投射至构造区域上。如果工件放置在构造区域上，则无论是成品工件还是当前正在生产的工件，光参考标记均可投射至工件上，即在工件的最上-可能待处理-粉末层上，以及在构造区域的未由工件覆盖的区域上。另外，这具有如下优点：光参考标记的位置与工件在制造期间的发展阶段无关，因为光参考标记可始终投射至工件的最上粉末层上。
所述系统还包括激光装置，其用于激光处理粉末床，以借助于增材制造在构造区域上生成工件。激光装置配置为用于激光处理对应工作区域。
激光装置可布置在外壳上方，并且可配置为用于通过外壳的透明部分与构造容积或构造区域和/或位于构造容积中的工件进行光学相互作用。这种光学相互作用既可用于出于增材制造工件的目的对粉末材料进行激光处理，也可用于系统的校准。
在这里，术语“激光装置”被理解为是指适合于作为增材制造工艺的部分来激光处理用于制造工件的粉末的装置。具体地，激光装置可包括偏转单元，也称为偏转头，其允许扫描整个构造容积，并且可控制用于生产工件的粉末的精确激光控制熔化。对于本文描述的系统，作为专利申请DE 10 2016 120 523的目标的偏转单元特别适合作为激光装置的部分，其中本公开不限于此，因为使用其他激光装置或其他偏转单元也是有可能的。
激光装置还包括检测装置，其配置为用于检测光参考标记。检测装置对光参考标记的检测可通过对由构造区域或工件反射的光参考标记的光学检测来实行。这种检测可涉及激光装置的部件的机械控制调整，所述部件诸如为反射镜、透镜、检流计、偏转单元或其他光学和/或电子元件。可完全检测到光参考标记。替代地，然而，也可部分检测到光参考标记，使得只有光参考标记中的一个或多个的选定区域或部分被检测到。这两种变型都被表述“检测光参考标记”所涵盖。
检测装置对光参考标记的检测以及激光装置随后针对光参考标记的调整可借助于合适的软件来控制。激光装置的内部结构和操作原理，包括前述软件，从现有技术中已知，在这里将不再详细描述。关于进一步的细节，请改为参考上述专利申请DE 10 2016 120523。
所述系统还包括控制单元，所述控制单元配置为用于基于由检测装置检测到的光参考标记来校准激光装置。为此，控制单元可包括处理器和存储器，在处理器上可执行适当设计的软件，在存储器中存储软件。基于这种基于由标记装置产生的光参考标记的校准，根据本发明的系统允许激光装置的精确操作，以用于作为增材制造工艺的一部分来生产工件。
在操作期间发生的激光装置的温度波动会以偏移漂移和/或增益漂移的形式对激光装置的精度产生负面影响。这些会导致由激光装置或激光装置的处理器关于构造容积指定的点“游荡”或变化，使得当瞄准特定点时实际上被激光装置撞击的构造容积的点随时间变化。借助于校准，为了激光处理的目的，激光装置被调整到实际上撞击构造容积的期望目标点。具体地，校准可补偿或校正偏移漂移和/或增益漂移的影响。
根据本发明的系统允许校准激光装置，其中可考虑操作引起的误差源对系统精度的负面影响。这允许提高系统中的激光装置对工件的激光处理的位置精度，这最终反映在所制造的工件的质量提高上。
根据优选实施方式，标记装置中的至少三个适合于投射线形光参考标记，其中线形光参考标记成对相交于至少三个相关联交点。检测装置配置为用于检测所述至少三个交点，并且控制单元还配置为用于基于由检测装置检测到的至少三个交点校准激光装置。将线形光参考标记交叉所在的交点用于校准允许更好的漂移行为和更好的图像清晰度。
在优选实施方式中，所述系统包括多个激光装置。每个激光装置均配置为用于激光处理对应工作区域。相应激光装置的工作区域覆盖公共重叠区域。这个公共重叠区域可对应于构造区域，这意味着其可与构造区域一致。例如，如果各个激光装置的工作区域覆盖公共正方形重叠区域并且构造区域是正方形构造区域，则可能是这种情况。然而，公共重叠区域可包括构造区域而不与其一致。例如，如果各个激光装置的工作区域覆盖公共正方形重叠区域，但是构造区域是正方形构造区域，则可能是这种情况。
激光装置中的每个均可覆盖或处理单独工作区域，所述工作区域至少部分地与剩余激光装置的工作区域重叠。多个激光装置配置为用于同时并行激光处理这个公共重叠区域，所述公共重叠区域对应于构造区域或包括构造区域。激光装置可布置在外壳上方，并且配置为用于通过外壳的透明部分与构造容积或构造区域和/或位于构造容积中的工件进行光学相互作用。这种光学相互作用既可用于出于工件的增材制造的目的来激光处理粉末材料，也可用于系统的校准和同步。
控制单元还配置为用于基于光参考标记和/或由检测装置检测到的交点来校准多个激光装置且/或使不同激光装置彼此同步。基于这种基于由标记装置产生的光参考标记和/或交点的同步，根据本发明的系统允许多个激光装置的精确且同时并行操作，以用于作为增材制造工艺的一部分进行工件的并行生产。由此，实现了激光装置彼此同步的改善。
在优选实施方式中，所述系统还包括设计为覆盖外壳的盖元件，其中至少两个标记装置优选地固定在盖元件内或固定至盖元件上。“覆盖”在这个上下文中可指在盖元件与外壳之间产生不透流体的连接，利用所述连接可避免环境与容积的干扰性机械或化学相互作用，以确保针对工件的增材制造在构造容积中保持所需的物理或化学条件。然而，盖元件允许从外壳外部与构造容积进行光学相互作用。具体地，盖元件可为完全或部分透明的，以使得能够从外壳外部对制造工艺进行视觉观察和视觉监控以及对构造容积的光学作用。盖元件可包括例如玻璃窗，所述玻璃窗在空间上与构造区域匹配，并且因此覆盖整个构造容积。
根据优选实施方式，至少两个标记装置布置在外壳外部。标记装置接着被外壳或盖元件与外壳内部或构造容积分开。这允许稳定标记装置的操作。同时，同时固定至盖元件的标记装置跟随盖元件的温度诱发变形，这根据预期类似于在构造容积中产生的变形。
在优选实施方式中，多个激光装置包括至少四个激光装置，这些激光装置适合于并行处理整个构造区域以用于制造工件。标记装置的数量因此也可为至少四个，其中标记装置的数量不必与激光装置的数量匹配。标记装置的数量为两个或更多个，优选为三个或更多个。重要的是要注意，具有任何第一数量的激光装置和任何第二数量的标记装置的其他配置也是有可能的。
根据优选实施方式，构造区域具有一个或多个参考标记，并且激光装置中的至少一个的检测装置还配置为用于检测所述一个或多个参考标记。参考标记可为任何种类的标记，例如蚀刻或染色的结构，也可为光学生成的标记。参考标记可为例如通过蚀刻、染色等形成在外壳的与构造区域匹配的表面上的标记。
激光装置中的至少一个的检测装置对参考标记的检测可通过如上所述用于检测光参考标记的相同机制来实行。明确地说，检测装置的相同部件可用于参考标记的检测，如同光参考标记的检测一样。
参考标记允许将标记装置调整到构造区域。例如，标记装置可调整为使得对应光参考标记相对于参考标记中的一个或多个成预定空间关系。明确地说，标记装置可调整为使得光参考标记中的一个或多个与参考标记中的一个或多个重叠。例如，这种调整可在工件生产之前作为基本调整的部分进行。因而，在施加第一层粉末之前，使用参考装置将标记装置调整到构造区域。在将连续的粉末层施加到构造容积中的工件之后，由于投射的光参考标记，参考标记的精确定位以及因而构造区域保持可见。刚才描述的基本调整可在以后重复进行以重新调整系统。
另外，激光装置可基于参考标记调整到构造区域，从而允许激光装置检测构造区域的精确定位和范围，并且在适当的情况下，相应地调整其光学、机械和电磁部件的设置。将激光装置调整到构造区域可包括例如与焦点、光束角度或光束强度相关的设置。
在优选实施方式中，所述系统还包括可移除的参考标记板，其可布置在构造区域中或构造区域上，并且包括一个或多个参考标记。参考标记板可适合于安装在外壳内部，例如安装到外壳的底面上。参考标记板优选与构造区域一致。例如，在圆形构造区域的情况下，参考标记板可为盘形板。参考标记可为任何种类的标记，例如蚀刻或染色在参考标记板上的结构，也可为光学生成的标记。
根据优选实施方式，至少一个标记装置包括激光光源。在一些实施方式中，标记装置中的至少三个可包括激光光源，所述激光光源还配置为用于将对应光参考标记生成为点状或十字形光参考标记。
替代地或另外地，标记装置中的至少三个可包括激光光源，其配置为用于将对应光参考标记生成为激光线，其中至少三条激光线成对相交于总共至少三个对应交点。例如，三个标记装置可产生三条激光线，这三条激光线成对相交于三个对应交点，并且将激光标记三角形投射至位于构造区域上的工件和/或构造区域上。激光标记三角形的每个顶点均对应于激光线中的两个的交点。以类似方式，四个标记装置可生成例如四条激光线，这四条激光线成对相交于四个对应交点，并形成激光标记四边形，其中激光标记四边形的每个顶点均对应于激光线中的两个的交点。具体地，由标记装置投射的四条激光线可成对地相互垂直或平行定位，使得投射的激光标记四边形是矩形或正方形。检测装置和控制单元可接着配置成使得光参考标记的交点可形成校准和/或同步的基础。
替代地或另外地，至少一个标记装置配置为用于生成用于生成光参考标记的光，所述光具有介于405nm与850nm之间、优选介于490nm与640nm之间并且特别优选介于490nm与540nm之间的一个或多个波长。
根据另一优选实施方式，标记装置中的一个或多个配置为用于将对应光参考标记投射至构造区域的外周上或者投射在与外周相距不超过构造区域尺寸的10％的距离处。如果构造区域具有矩形形状，这被证明特别有利，因为光参考标记不仅可接着确定构造区域的定位，而且还可确定其精确尺寸和外边缘。在圆形构造区域的情况下，光参考标记优选位于构造区域内。
在优选实施方式中，激光装置中的至少一个包括：激光光源，其配置为用于生成用于工件激光处理的激光；以及偏转单元，其配置为用于偏转和扫描光。所述激光装置中的至少一个还包括波长选择性光学元件，其布置在偏转单元与激光光源之间，并且对于激光的一个或多个波长为至少部分反射性的且对于光参考标记的一个或多个波长为至少部分透明的。反向配置也是有可能的，其中波长选择性光学元件对于激光的一个或多个波长为至少部分透明的，并且对于光参考标记的一个或多个波长为至少部分反射性的，这取决于激光光源和检测装置的位置。波长选择性光学元件还配置为用于解耦光参考标记的光并将其引导到检测装置。
偏转单元可包括例如第一扫描镜和第二扫描镜，其中第一扫描镜配置为用于在第一方向上偏转和扫描光，并且第二扫描镜配置为用于在第二方向上偏转和扫描光，其中第一方向被定向为垂直于第二方向。激光装置的检测装置接着布置在光进入激光装置所遵循的光路上，在第一扫描镜、第二扫描镜和光学元件之后，其中，第二扫描镜即为偏转单元。重要的是要注意，光路的这部分可至少部分对应于用于激光处理的光所采用的光路，但是方向相反。
在偏转单元的一些实施方式中，进入激光装置的光在光学元件的方向上偏转。撞击波长选择性光学元件的光由波长选择性光学元件完全或部分地在检测装置的方向上透射或反射，以用于感测。另一方面，由激光光源生成的用于激光处理工件的光由波长选择性光学元件反射并聚焦到构造容积上，使得在这点处，用于激光的光路和用于光参考标记检测和/或光参考标记的光路分开。
当然，还可使用波长选择性光学元件，该波长选择性光学元件透射激光并反射待由检测装置检测的光。另外，波长选择性光学元件可在与检测装置的方向不同的方向上偏转撞击光学元件的光的一部分，使得这部分光可在激光装置中针对其他目的进行检测。检测装置可包括例如单色相机，其具有专门配置用于记录光参考标记和/或参考标记的透镜。检测装置还可包括自动聚焦透镜，以使得相机能够更清晰地检测光参考标记和/或参考标记。
本发明还涉及一种用于校准且/或同步根据任何前述实施方式的用于基于粉末床增材制造工件的系统的激光装置或多个激光装置的方法。所述方法包括用激光装置或激光装置中的每个检测至少两个、优选至少三个光参考标记。所述方法还包括基于所检测到的光参考标记来校准激光装置和/或激光装置中的每个且/或使多个激光装置彼此同步。因此，所述方法可包括校准至少一个激光装置、使多个激光装置彼此同步或所述两者，其中所述校准或同步是基于所检测到的光参考标记。
根据优选实施方式，光参考标记中的至少三个是线形的，其中线形光参考标记成对相交于至少三个相关联交点。在此类实施方式中，光参考标记的检测包括至少三个交点的检测。然而，在此类实施方式中，光参考标记的检测还可包括检测至少三个交点。激光装置或激光装置中的每个的校准和/或多个激光装置的彼此同步是基于至少三个所检测到的交点。
在优选实施方式中，激光装置中的至少一个包括偏转单元，其中由相关联激光装置生成的激光束可用偏转单元偏转以扫描构造容积，并且校准包括偏转单元的偏移的校正和/或增益漂移的补偿。本领域的技术人员通过术语“偏转单元的偏移”理解一个或多个偏转单元的实际偏转角度与预期偏转角度之间的恒定差值，其中偏转单元的偏转角度定义其射束方向。所述偏移是由于检流计的参考零点相对于偏转单元的偏转角度范围的实际中心的偏差引起的。术语“增益漂移”涉及偏转角度的预期变化与偏转角度的实际诱发变化之间的偏差。这种偏差还可理解为通过增大或减小一个或多个偏转单元的偏转角度范围来改变构造区域的大小。
根据优选实施方式，所述方法还包括如下步骤，其中任何一个标记装置对准为使得相关联光参考标记相对于一个或多个参考标记成预定空间关系，具体是与一个参考标记重叠。
在优选实施方式中，激光装置中的至少一个的校准是基于光参考标记和/或交点当中的选择，其中优选较远离相关联激光装置的工作区域的中心的光参考标记和/或交点。因此，校准优选地基于与相关联激光装置的工作区域的中心的距离大于最靠近这个中心的光参考标记或交点的光参考标记或交点。
在另一优选实施方式中，在增材制造工艺的过程中重复各个激光装置的校准和/或多个激光装置的同步。所述重复优选以规则的间隔进行。因此，可执行激光装置的连续调整，这考虑到了用于生产工件的系统的操作的过程中的变化条件。校准或同步的重复可在工件上每次沉积新的粉末层之后进行。这允许连续地调适或优化激光装置的工作设置以适应工件与相应激光装置之间的当前距离。
本发明的再一方面涉及一种包括命令的计算机程序产品，当由与根据本文描述的任一实施方式的系统相关联的处理器执行程序时，所述命令致使所述处理器实行根据任一上述实施方式的方法。
本发明的再一方面涉及一种存储这种计算机程序产品的计算机可读存储介质。
附图说明
图1示出了根据本发明的一个实施方式的用于基于粉末床的增材制造的系统。
图2示出了根据本发明的另一个实施方式的系统。
图3示出了根据本发明的一个实施方式的系统的激光装置的部件的示意性结构。
图4示出了根据本发明的一个实施方式的系统的四个激光装置的工作区域的示意图。
图5示出了根据本发明的一个实施方式的构造区域上的十字形光参考标记或参考标记的示例空间分布。
图6示出了根据本发明的一个实施方式的线形光参考标记的示例空间分布。
图7示出了根据本发明的一个实施方式的用于校准和同步系统的多个激光装置的方法的流程图。
具体实施方式
本发明的附加优点和特征可从以下描述中推断出来，其中本发明是基于不同的示例性实施方式并参考附图来描述的。
图1示出了根据本发明的一个实施方式的用于基于粉末床增材制造工件的系统10(见图2)。系统10包括外壳12、构造容积14、构造区域16、四个标记装置20、四个激光装置30、控制单元40和可移除的参考标记板50。
构造区域16是构造容积14的二维横截面平面，其覆盖外壳12的内底面的部分。如图1所示，构造区域16对应于构造容积14在外壳12的上述底面上的竖直投影。构造容积14对应于外壳12内部的容积子部分，其在图中用虚线标记。
四个标记装置20固定至外壳12，使得四个标记装置能够跟随外壳12的热力学诱发变形。标记装置20中的每个均适合于将光参考标记投射至构造区域16上或投射至放置于构造区域16上的工件上。标记装置20布置在外壳12的顶侧上，位于外壳外部。
四个激光装置30布置在外壳12上方，并且适合于并行处理整个构造区域16，以借助于增材制造来制造工件。外壳12具有透明部分19，其在空间上与构造容积14匹配，并且位于构造区域16上方。激光装置30和标记装置20两者通过外壳12的透明部分19与构造容积14或构造区域16成光学接触。
所示实施方式中的参考标记板50是玻璃板，其搁置在外壳12的内底面上，并且与构造区域16一致。参考标记板50具有四个参考标记52，其蚀刻在参考标记板50的上表面上。参考标记52位于构造区域16上，并且可被视为构造区域16的参考标记。
控制单元40在功能上连接至激光装置30和标记装置20，并且配置为用于校准激光装置30，并使它们彼此同步。
图2示出了根据本发明的另一实施方式的用于工件100的基于粉末床的增材制造的系统10。同样存在于图1所示的实施方式中的系统10的元件用与图1中相同的参考符号指示。在这个实施方式中实现与已经关于图1描述的实施方式中相同功能的项目不再进行解释。在所示的实施方式中，工件100形成在可沿竖直方向移位的移动支承元件102上，在每次施加粉末材料层之后，移动支承元件102可向下移动，使得粉末材料顶层与激光装置之间的距离保持恒定。
图2的系统10与图1的系统的不同之处还在于，其包括盖元件18，所述盖元件18覆盖外壳12，并形成外壳12的上侧或上外壁。盖元件18具有透明部分19，其对应于图1的外壳的透明部分19。激光装置30通过盖元件18的透明部分19与构造容积16和/或工件100成光学接触。
另外，在这个实施方式中，标记装置20在外壳12内固定至盖元件18。该图还示出了在构造容积14中生产的工件100。标记装置20中的每个均将光参考标记22投射至工件100上。在所示实施方式中，标记装置20配置为用于生成光，该光用于生成光参考标记22，所述光的光波长在490nm与540nm之间的范围内。构造区域16具有参考标记17，所述参考标记17在外壳12的底面上染色，并且在所示情况下由工件100覆盖。
图3示出了根据本发明的一个实施方式的系统的激光装置30中的一个的部件中的一些的示意图。激光装置30包括具有第一扫描镜35和第二扫描镜36的偏转单元、以及波长选择性光学元件38和检测装置34。激光装置30还包括激光光源33，其用于生成用于工件激光处理的激光。波长选择性光学元件38布置在偏转单元与激光光源33之间的光路上，由激光光源33生成的激光和/或待由检测装置34检测的光遵循所述光路，偏转单元即为扫描镜35和36。
光，具体是从系统的构造区域16或正在系统中生产的工件100反射的光，可进入激光装置30。偏转单元配置为用于偏转并扫描光。为此，第一扫描镜35配置为用于在第一方向上偏转并扫描光，以及第二扫描镜36配置为用于在第二方向上偏转并扫描光，第一方向和第二方向彼此垂直定向。偏转单元的扫描镜35和36配置为用于反射借助于光学元件38沿检测装置34的方向进入激光装置30的光。波长选择性光学元件38配置为用于对由扫描镜35和36反射的光参考标记22的光的波长范围为透明的，所述光参考标记22的光从构造容积的方向进入激光装置30，使得这个光在检测装置34的方向上传输并通过检测装置34检测。被引导到检测装置34上的光的这个波长范围被优化到检测装置34的检测设置。如图3所示，在第一扫描镜35、第二扫描镜36和光学元件38之后，检测装置34沿着进入激光装置30的光所遵循的光路布置。
波长选择性光学元件38还反射由激光装置33的激光光源30生成的激光，用于工件的激光处理，使得由激光光源33生成的激光从第一扫描镜35和第二扫描镜36沿构造容积的方向反射。
第一扫描镜35和第二扫描镜36的定位和/或角度设置可例如借助于对应的检流计来设置，以在构造容积的目标点的方向上偏转激光束，并且以便在检测装置的方向上偏转进入激光装置的光参考标记22的光通过波长选择性光学元件38。
激光在图中由从激光光源33向下指向的箭头指示。如图所示，激光的光路和由检测装置34检测的光的光路在光学元件38的左侧重叠。在所示实施方式中，检测装置34包括相机39和透镜37，所述透镜37被特别配置用于检测光参考标记和参考标记，并且可包括自动聚焦透镜，所述自动聚焦透镜可配置为用于聚焦检测装置34的光检测。相机39可为单色相机。
图4示出了根据本发明的一个实施方式的系统的四个激光装置30的工作区域的示意图。图1或图2所示的实施方式的系统的激光装置30中的每个均配置为用于激光处理对应的正方形工作区域。第一激光装置至第四激光装置30各自配置为用于激光处理第一工作区域至第四工作区域32a至32d。在所示实施方式中，工作区域32a至32d中的每个均覆盖608mm×608mm的区域。在所示实施方式中，相邻工作区域的中心点偏移202.63mm。
四个工作区域32a至32d具有公共重叠区域32，在所示实施方式中，所述公共重叠区域32与构造区域16一致。换句话说，正方形重叠区域32形成正方形构造区域16。在所示实施方式中，构造区域16覆盖大约402mm×402mm的区域。四个激光装置30配置为用于同时并行激光处理构造区域16。在所示实施方式中，标记装置20可配置为用于将其各自光参考标记22投射至构造区域16的外周上。图1和图2所示的实施方式的四个标记装置20可被配置为例如将光参考标记22中的一个投射至正方形构造区域16的角中的一个上。
图5示出了根据本发明的另一实施方式的圆形构造区域16上的光参考标记22的示例性分布。在所示实施方式中，可看到四个激光装置30的正方形重叠区域32，其包围圆形构造区域16，但是不完全与其一致。
图6示出了一个替代实施方式，其中代替如图5所示的四个十字形光参考标记，投射四条激光线22，它们成对相交于四个交点22’处。激光线22可各自由线激光光源生成。由标记装置投射的四条激光线22成对地相互垂直并且平行定向，并且如图所示，形成激光标记四边形，其顶点对应于交点22’。交点22’可用于校准和/或同步。激光线22的交点22’的检测是光参考标记的上述检测的特殊情况。应当理解的是，激光线22不需要在它们的整个长度上进行检测，而只需要在交点22’的区域中进行检测。
对于本领域的技术人员来说明显的是，图5和图6的实施方式可组合，使得例如三个或四个交点以及还有一个或多个额外个体例如点状或成形光参考标记可用作校准和/或同步的基础，其中三条或四条对应激光线在所述交点处交叉。点状或十字形和交点的任何组合都是可能的，只要存在前者中的至少三个或后者中的至少三个。
图7示出了说明根据本发明的一个实施方式的用于校准和同步系统的激光装置的方法200的流程图。方法200可应用于根据本发明的任何实施方式的系统。这里关于图1和图2所示的实施方式描述了所述方法的一个示例。
方法200包括步骤202，其中调整标记装置20，使得每个相关联光参考标记22均与参考标记17/52中的一个重叠。
方法200包括步骤204，其中激光装置30中的每个均检测由标记装置20投射的光参考标记22中的至少三个。
方法200还包括步骤206，其中基于所检测到的光参考标记22校准各个激光装置30。具体地，校准包括校正偏移和补偿增益漂移，相应激光装置30的偏转单元(在图中未示出)可能受到增益漂移。在所示实施方式中，使用光参考标记22的选择来实行校准。在这个选择中，优选较远离相关联激光装置的工作区域的中心点的光参考标记22。
从图4中可更好地理解这一点。配置为用于执行工作区域32a的激光处理的第一激光装置30可例如基于三个光参考标记22来进行校准，这三个光参考标记22比离这个中心点最近的光参考标记更远离工作区域32a的中心。如果图1和图2所示的实施方式的四个标记装置20中的每个均将例如光参考标记22中的一个投射至正方形构造区域16的一个角上，则前述最靠近的光参考标记位于正方形构造区域16的左上角。接着可在方法步骤206中基于其他三个光参考标记22，即，位于右上角、左下角和右下角的光参考标记，来校准第一激光装置。
方法200还包括步骤208，其中基于所检测到的光参考标记来使系统的四个激光装置30彼此同步。对于根据上述本发明的一些实施方式仅包括一个激光装置30的系统，可省略这个步骤208。
方法步骤206至208可按任何次序执行，这不需要对应于图7所示的顺序。另外，方法200可包括以规则间隔重复所述方法的所有步骤。
附图标记的说明
10 系统
12 外壳
14 构造容积
16 构造区域
18 盖元件
19 盖元件的透明部分
20 标记装置
22 光参考标记
22’ 光参考标记的交点
30 激光装置
32 工作区域的重叠区域
32a至32d 工作区域
33 激光光源
34 检测装置
35 第一扫描镜
36 第二扫描镜
37 透镜
38 波长选择性光学元件
39 相机
40 控制单元
50 参考标记板
52 参考标记
100 工件
102 可移动支承元件
200 方法
202至208 方法步骤

Claims (19)

1.一种用于基于粉末床增材制造工件(100)的系统(10)，所述系统(10)包括：
外壳(12)，其包括构造容积(14)，其中，所述构造容积(14)包括构造区域(16)；
至少三个标记装置(20)，其固定在所述外壳(12)内或所述外壳(12)上，其中，每个标记装置(20)均适合于将光参考标记(22)投射至布置在所述构造区域(16)上的工件(100)上和/或投射至所述构造区域(16)上；
激光装置(30)，其用于激光处理粉末床，以借助于增材制造在所述构造区域(16)上生成工件(100)，其中，所述激光装置(30)配置为用于激光处理相关联的工作区域(32a至32d)，其中，所述激光装置(30)包括：检测装置(34)，所述检测装置(34)配置为用于检测所述光参考标记(22)；以及控制单元(40)，所述控制单元(40)配置为用于基于由所述检测装置(34)检测的所述光参考标记(22)来校准所述激光装置(30)。
2.根据权利要求1所述的系统(10)，其中，所述标记装置(20)中的至少三个各自适合于投射相应的线形光参考标记(22)，其中，所述线形光参考标记(22)成对相交于对应的至少三个交点(22’)；
其中，所述检测装置(34)配置为用于检测所述至少三个交点(22’)；以及其中，所述控制单元(40)还配置为用于基于由所述检测装置(34)检测的所述至少三个交点(22’)来校准所述激光装置(30)。
3.根据权利要求1或2所述的系统(10)，其包括多个激光装置(30)，其中，每个激光装置(30)均配置为用于激光处理相关联的工作区域(32a至32d)，其中，所述工作区域覆盖对应于所述构造区域(16)或包括所述构造区域(16)的公共重叠区域(32)，其中，所述多个激光装置(30)配置为用于同时并行激光处理所述构造区域(16)，其中，每个激光装置(30)均包括配置为用于检测所述光参考标记(24)和/或交点(22’)的检测装置(34)；以及
其中，所述控制单元(40)配置为用于基于由所述检测装置(34)检测的所述光参考标记(22)和/或所述交点(22’)来校准所述多个激光装置(30)且/或使不同激光装置(30)彼此同步。
4.根据前述权利要求中任一项所述的系统(10)，其还包括适合于覆盖所述外壳(12)的盖元件(18)，其中，所述至少两个标记装置(20)优选地固定在所述盖元件(18)中或固定至所述盖元件(18)上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的系统(10)，其中，所述至少三个标记装置(20)布置在所述外壳(12)外部。
6.根据前述权利要求中任一项所述的系统(10)，其中，所述多个激光装置(30)包括至少四个激光装置(30)，所述激光装置中的每个均适合于并行处理所述整个构造区域(16)，以用于制造所述工件(100)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的系统(10)，其中，所述构造区域(16)具有一个或多个参考标记(17)，并且其中，所述激光装置(30)中的至少一个的所述检测装置(34)还配置为用于检测所述一个或多个参考标记(17)。
8.根据权利要求7所述的系统(10)，其中，所述系统(10)还包括可移除的参考标记板(50)，所述可移除的参考标记板(50)能够布置在所述构造区域(16)中或所述构造区域(16)上，其中，所述可移除的参考标记板(50)包括一个或多个参考标记(52)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的系统(10)，其中，所述标记装置(20)中的至少一个包括激光光源(33)，和/或其中所述标记装置(20)中的至少一个配置为用于生成用于生成所述光参考标记(22)的激光，所述激光具有介于405nm与850nm之间、优选介于490nm与640nm之间并且特别优选介于490nm与540nm之间的一个或多个波长。
10.根据前述权利要求中任一项所述的系统(10)，其中，所述标记装置(20)中的一个或多个配置为用于将对应的光参考标记(22)投射至所述构造区域(16)的外周上，或者投射在距所述外周不超过所述构造区域的尺寸的10％的距离处。
11.根据前述权利要求中任一项所述的系统(10)，其中，所述激光装置(30)和/或所述激光装置(30)中的至少一个包括：
激光光源(33)，其配置为用于生成用于激光处理工件(100)的激光；
偏转单元，其配置为用于偏转和扫描光；以及波长选择性光学元件(38)，其布置在所述偏转单元与所述激光光源(33)之间，其中，所述波长选择性光学元件(38)对于所述激光的一个或多个波长为至少部分反射性的，并且对于所述光参考标记(22)的一个或多个波长为至少部分透明的，反之亦然；
其中，所述波长选择性光学元件(38)还配置为用于解耦所述光参考标记(22)的光，并将其引导在所述检测装置(34)处。
12.一种用于校准且/或同步根据前述权利要求中任一项所述的用于基于粉末床增材制造的系统(10)的激光装置(30)或多个激光装置(30)的方法，所述方法包括：
用所述激光装置(30)或用所述激光装置(30)中的每个检测至少三个光参考标记(22)；以及
基于所检测到的光参考标记(22)，校准所述激光装置(30)或所述激光装置(30)中的每个且/或使所述多个激光装置(30)彼此同步。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述光参考标记(22)中的至少三个是线形的，其中，所述线形光参考标记(22)成对相交于对应的至少三个交点(22’)，并且其中，所述光参考标记(22)的所述检测包括所述至少三个交点(22’)的检测或由所述至少三个交点(22’)的检测组成；以及
其中，所述校准所述激光装置(30)或所述激光装置(30)中的每个和/或所述使所述多个激光装置(30)彼此同步是基于所检测到的至少三个交点(22’)而进行。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述激光装置(30)中的每个均包括偏转单元，其中，由所述相关联激光装置(30)生成的激光束能够用所述偏转单元偏转，以扫描所述构造区域(16)，并且其中，所述校准包括所述偏转单元的偏移的校正和/或增益漂移的补偿。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其还包括以下步骤：调整所述标记装置(20)中的每个，使得对应的光参考标记(22)相对于所述参考标记(17；52)中的一个或多个呈预定空间关系，具体地与所述参考标记(17；52)中的一个重叠。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的方法，其中，所述激光装置(30)中的至少一个的所述校准是基于所述光参考标记(22)和/或所述交点(22’)当中的选择而进行的，其中，优选较远离对应的激光装置(30)的工作区域的中心的光参考标记(22)和/或交点(22’)。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的方法，其中，所述校准所述激光装置(30)中的每个和/或同步所述多个激光装置(30)在所述增材制造的过程中重复进行，优选以规则的间隔重复进行。
18.一种计算机程序产品，其包括命令，当由与根据权利要求1至11中任一项所述的系统相关联的处理器执行程序时，所述命令致使所述处理器实行根据权利要求12至17中任一项所述的方法。
19.一种计算机可读存储介质，其存储根据权利要求18所述的计算机程序产品。
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