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Die
Erfindung betrifft Einrichtungen zur unmittelbaren Messung bei schichtweiser
Bearbeitung von Körpern mittels Laserstrahlung wenigstens
eines Lasers.
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Aus
der
DE 10 2006
024 251 A1 ist ein System und ein Verfahren zur dreidimensionalen
Bestimmung der Oberfläche eines Objekts bekannt. Dazu befindet
sich das Objekt auf einem drehbaren Objekthalter. Weiterhin ist
ein Auflicht-Mikroskop zur Aufnahme der Objektoberfläche
angeordnet, so dass die Objektoberfläche in Reflexion aufgenommen
wird. Über ein mit dem Mikroskop zusammengeschalteten Bildmodul
wird für jede Raumrichtung ein dreidimensionaler Bilddatensatz
des Oberflächenabschnitts erzeugt. Die Bilddatensätze
werden anschließend zu einem dreidimensionalen Gesamtbild
kombiniert. Diese Lösung ist auf die dreidimensionale Bestimmung
einer Oberfläche beschränkt.
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Durch
die
DE 10 2004
052 508 B4 ist ein System und ein Verfahren zum Vermessen
und zum Überwachen einer Oberfläche eines Körpers
bekannt. Dieses System weist zumindest ein erstes Untersystem und
zumindest ein zweites Untersystem auf. Mit dem ersten Untersystem
wird eine Dimension des Körpers und eine Position des Körpers
innerhalb des ersten Untersystems bestimmt, und mit dem zweiten
Untersystem wird eine Oberflächenstruktur des Körpers
bestimmt. Beide Untersystem basieren auf einer digitalen Bildverarbeitung
und können jeweils eine geeignete elektronische Kameraeinrichtung
und eine geeignete Lichtquelle aufweisen. Das System und das Verfahren
zum Vermessen und Überwachen basiert auf den beiden Untersystemen, die
mit einer Steuerung zusammengeschaltet sind. Nachteilig ist das
Erfordernis der beiden Untersysteme, die jeweils aus den aufgeführten
Komponenten bestehen. Damit ist ein erhöhter Aufwand sowohl
an gerätetechnischen Ausrüstungen als auch der
Auswertung gegeben.
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Der
im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine schichtweise Bearbeitung einer Oberfläche eines Körpers
einfach unmittelbar zu erfassen.
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Diese
Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen
gelöst.
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Die
Einrichtungen zur unmittelbaren Messung bei schichtweiser Bearbeitung
von Körpern mittels Laserstrahlung wenigstens eines Lasers
zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die lateralen und/oder
vertikalen Geometriedaten des Körpers einfach sowie zeitgleich/zeitnah
zur Bearbeitung erfassbar sind.
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Dazu
ist mindestens ein wenigstens einen Bereich der Bearbeitung abbildender
Detektor angeordnet und mit einem Datenverarbeitungssystem so zusammengeschaltet,
dass ein in Graustufen gewandeltes oder farbechtes/farbkodiertes
digitalisiertes Abbild mit oder ohne Höhen-/Tiefeninformationen des
Bereichs im Datenverarbeitungssystem vorhanden ist. Das Abbild ist
ein wenigstens ein Maß der Bearbeitung repräsentierendes
Abbild, ein Abbild als Bestandteil einer Bildfolge nacheinander
aufgenommener Abbilder des Bereichs oder wenigstens eine Kombination
daraus. Weiterhin ist das Datenverarbeitungssystem ein das Abbild
oder die Abbilder mit oder ohne Höhen-/Tiefeninformationen
speicherndes und mindestens ein Maß der Bearbeitung ermittelndes
Datenverarbeitungssystem. Der wesentliche Vorteil besteht in der
zeitgleichen/zeitnahen Messung der schichtweisen Bearbeitung von
Körpern. Schichtweise Bearbeitung ist das Aufbringen oder das
Abtragen einer Schicht auf oder von der Oberfläche eines
Körpers mittels wenigstens eines Lasers. Dieser jeweilige
Bearbeitungsvorgang wird während der Bearbeitung qualitativ
und/oder quantitativ messtechnisch erfasst. Dazu wird das Abbild
der Bearbeitungsfläche in ihrer Grundfläche mit
oder ohne Höhen-/Tiefeninformationen über einen
Detektor oder mehrere Detektoren erfasst und mittels des Datenverarbeitungssystems
ausgewertet und/oder gespeichert.
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Grundlage
für die laterale Messung, beispielsweise mit einer Videokamera,
bilden insbesondere vorhandene oder sich während der Bearbeitung ausbildende
Kanten, die detektiert werden. Kanten werden hierzu im Datenverarbeitungssystem
von Farb änderungen und/oder Kontraständerungen
im Abbild/in den Abbildern bestimmt. Diese Kanten bilden die Grundlage
für die anschließende zeitgleiche/zeitnahe Auswertung,
wobei auch einzelne Maße der Bearbeitung ermittelbar sind.
Zur Bestimmung von Kanten werden bekannte Detektionsverfahren wie
zum Beispiel das Wasserscheidenverfahren genutzt.
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Höhen-/Tiefeninformationen
werden mit alternativen oder zusätzlichen Abstandsdetektoren, beispielsweise
Triangulations- oder Konfokalsensoren, erfasst und ebenfalls zeitgleich/zeitnah
ausgewertet.
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Die
Erzeugung des Abbildes/der Abbilder der Bearbeitung/Bearbeitungen
erfolgt in vorbestimmbaren Zeitintervallen mit einzelnen Bildern
oder kontinuierlich als Bildfolge. Ersteres ist wenigstens eine
Abbildung des Endzustands der Bearbeitung. Mittels Bildfolgen kann
der Bearbeitungsprozess kontinuierlich erfasst werden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen
2 bis 11 angegeben.
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Wenigstens
ein Detektor ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 in
den Strahlengang der Laserstrahlen integriert, so dass der Bereich
der Bearbeitung in Draufsicht abgebildet und/oder vermessen wird.
Damit gilt dieser Bereich der Bearbeitungsstelle als unmittelbar
erfasst.
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Der
Detektor ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 ein konfokaler
Sensor zur vertikalen Abbildung eines schichtweisen Auf- oder Abtrags als
Bearbeitung. Konfokale Sensoren besitzen vorteilhafterweise eine
hohe Auflösung, so dass auch Höhen-/Tiefeninformationen
erfassbar sind.
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Zwischen
Bereich der Bearbeitung und einem konfokalen Sensor als Detektor
ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 ein Scanner angeordnet,
so dass der Bereich sowohl vertikal als auch lateral abgebildet
wird.
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Damit
ist die Bearbeitung des Bereichs dreidimensional erfassbar und im
Datenverarbeitungssystem bestimm- und/oder speicherbar.
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Der
konfokale Sensor ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs
5 als chromatisch konfokaler Sensor ausgebildet. Damit fällt
eine ansonsten notwendige zusätzliche mechanische Bewegung
im Strahlengang des Sensors weg.
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Der
Detektor ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 eine Videokamera
zur lateralen Abbildung eines schichtweisen Auf- oder Abtrags als Bearbeitung.
Damit ist die Bearbeitung des Bereichs kontinuierlich erfassbar
und im Datenverarbeitungssystem bewert- und/oder speicherbar. Das
ist eine ökonomische und eine einfache Datenübermittlung erlaubende
Lösung.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass verschiedene Objektive einsetzbar
sind. Damit können hohe Auflösungen erreicht oder
größere Bereiche der Bearbeitung dargestellt werden.
Die Objektive können einfach entsprechend der Erfordernisse
gewechselt werden.
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Weiterhin
besteht die Möglichkeit, wenigstens einen Filter vor das
Objektiv zu platzieren, so dass unerwünschte Wellenlängenbereiche
des Lichts des Bereichs der Bearbeitung ausgeblendet werden können.
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Der
Detektor ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 ein den
Bereich vertikal linienweise abbildender Detektor, so dass ein schichtweiser Auf-
oder Abtrag erfassbar ist.
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In
Fortführung ist der Detektor nach der Weiterbildung des
Patentanspruchs 8 ein Triangulationssensor. Weiterhin ist der Triangulationssensor
an einer Rakel zum schichtweisen Auftragen von Partikeln auf den
Bereich angeordnet.
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Der
Detektor ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 an ein
Positioniersystem gekoppelt, so dass der Detektor relativ zum Bereich
verfahr- und platzierbar ist. Das Positioniersystem ist vorteilhafterweise
ein separates System, das frei im gesamten Bearbeitungsraum platzierbar
ist. Die Einrichtung ist damit universell einsetzbar.
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Wenigstens
ein Leuchtmittel ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs
10 so angeordnet, dass die Lichtstrahlen wenigstens auf den Bereich
und die davon reflektierten Lichtstrahlen auf den abbildenden Detektor
als Abbild des Bereichs gelangen. Vorhandene oder sich während
der Bearbeitung ausbildende Kanten können durch entstehende
Schatten kontrastreicher abgebildet werden. Dadurch sind eindeutigere
Kantendetektionen im Datenverarbeitungssystem durchführbar.
Das ist insbesondere auch bei Materialien gleicher Farbe besonders
vorteilhaft.
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Das
Datenverarbeitungssystem ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs
11 ein den ermittelten Wert des lateralen und/oder vertikalen schichtweisen
Ab- oder Auftrags mit einem bestimmten Wert vergleichendes Datenverarbeitungssystem.
Weiterhin ist das Datenverarbeitungssystem mit dem Laser so zusammengeschaltet,
dass eine Schicht bestimmter Dicke und Kontur auf- oder abgetragen
wird. Durch den Vergleich können über das Datenverarbeitungssystem
die Bearbeitungsparameter zum Auf- oder Abtrag geändert
und angepasst werden, so dass eine Schicht bestimmter Dicke und
Kontur auf- oder abgetragen wird. Der Bearbeitungsprozess ist damit
an die jeweiligen realen Gegebenheiten anpassbar.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen
jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher
beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
Einrichtung zur unmittelbaren Messung bei schichtweiser Bearbeitung
von Körpern mittels Laserstrahlung wenigstens eines Lasers
mit einer Videokamera und
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2 einen
Bereich der Bearbeitung mit geschlossener Außenkante und
eingeschlossenem Bereich mit innen liegender Kante.
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Eine
Einrichtung zur unmittelbaren Messung bei schichtweiser Bearbeitung
von Körpern 1 mittels Laserstrahlung 3 wenigstens
eines Lasers 2 besteht im Wesentlichen aus wenigstens einem
abbildenden Detektor und einem Datenverarbeitungssystem 6.
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Der
abbildende Detektor ist so angeordnet, dass wenigstens ein Bereich
der Bearbeitung erfasst wird.
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Der
Detektor ist
- – ein konfokaler Sensor
zur vertikalen Messung und mit einem vorgesetzten Scanner zur lateralen Erfassung
von Höhen-/Tiefeninformationen der Bearbeitung,
- – ein Triangulationssensor als Abstandssensor oder
- – eine Videokamera 7 zur schnellen lateralen
Abbildung des Bereichs der Bearbeitung.
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Der
Detektor ist mit dem Datenverarbeitungssystem 6 so zusammengeschaltet,
dass das in Graustufen gewandelte oder farbechte/farbkodierte digitalisierte
Abbild des Bereichs der Bearbeitung im Datenverarbeitungssystem 6 vorhanden
ist.
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Das
Abbild als Einzelbild oder als Bestandteil einer nacheinander aufgenommenen
Bildfolge repräsentiert wenigstens ein Maß der
Bearbeitung. Im Datenverarbeitungssystem 6 werden die Abbilder
gespeichert und wenigstens das eine Maß ermittelt. Grundlage
dazu sind Kantendetektionen im Abbild. Dazu werden bekannte Verfahren,
wie zum Beispiel das Wasserscheidenverfahren, eingesetzt. Die Kanten
sind durch Farbübergänge oder durch unterschiedliche
Grauwertstufen bestimmt. Mit der Kantendetektion können
die geometrischen Abmaße aus den Abbildungen ermittelt
werden.
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Durch
die Abmaße aus den Abbildungen wird über das Datenverarbeitungssystem 6 der
Laser 2 gesteuert. Dazu ist das Datenverarbeitungssystem 6
- – entweder ein den ermittelten Wert
des lateralen und vertikalen schichtweisen Abtrags mit einem bestimmten
Wert vergleichendes Datenverarbeitungssystem 6, so dass
eine Schicht bestimmter Dicke und Kontur abgetragen wird,
- – oder ein den ermittelten Wert des lateralen und vertikalen
schichtweisen Auftrags mit einem bestimmten Wert vergleichendes
Datenverarbeitungssystem 6, wobei mittels einer Vorrichtung zum
schichtweisen Auftrag von Partikeln auf die Oberfläche
des Körpers 1 eine Schicht bestimmter Dicke aufgetragen
wird.
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Der
Detektor ist zur Aufnahme des Abbildes ein Bestandteil eines separat
zu der Bearbeitungsstelle anordenbares Gerätes.
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Die 1 zeigt
eine Einrichtung zur unmittelbaren Messung bei schichtweiser Bearbeitung
von Körpern 1 mittels Laserstrahlung 3 wenigstens
eines Lasers 2 mit einer Videokamera 7 in einer
prinzipiellen Darstellung.
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Mit
der im Strahlengang 3 des Lasers 2 befindlichen
Videokamera 7 wird ein Bild jeweils nach einer abgearbeiteten
Schicht während der schichtweisen Bearbeitung in einfacher
Weise über einen definierten Spiegel 4 aufgenommen.
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Dazu
besitzt die Videokamera 7 ein Objektiv 8, welches
je nach Anwendung einsetzbar ist. Damit können hohe Auflösungen
erreicht oder größere Bereiche der Bearbeitung
dargestellt werden. Objektive 8 können einfach
entsprechend der Erfordernisse gewechselt werden. Vor dem Objektiv 8 ist
ein Filter 9 platziert, so dass unerwünschte Wellenlängenbereiche
des Lichts des Bereichs der Bearbeitung ausgeblendet werden können.
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Die
Videokamera 7 erlaubt eine schnelle Übermittlung
der Bilddaten. Alternativ sind auch andere bildaufnehmende Geräte,
die eine schnelle Ausgabe der Bilddaten realisieren, einsetzbar.
Die Bearbeitung kann sowohl ein Abtragen als auch ein Aufbau von
Strukturen sein. Mit dem Datenverarbeitungssystem 6 und
einem darin vorhandenen Modul zur Kantendetektion wird die Übereinstimmung
zwischen Soll- und Istwerten ermittelt. Bei Übereinstimmung
wird eine nächste Schicht bearbeitet oder die Bearbeitung
ist abgeschlossen. Bei einer Differenz wird der gesamte Bereich
oder Teile des Bereichs bearbeitet. Für den letzteren Fall
werden jeweils nur die durch die Kantendetektion neu ermittelten
Bereiche bearbeitet. Hierfür werden ausgehend von den Daten der
Kanten Flächen erzeugt, welche dann voneinander subtrahiert
werden.
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Dazu
besitzt die Sollstruktur beispielsweise eine geschlossene Außenkante
und bildet somit ein durch die Kante eingeschlossenen Bereich A1
(Darstellung in der 2). Nach der Kantendetektion
des aufgenommenen Abbildes des Bereichs wurde neben der sollkonformen
Außenkante eine weitere innen liegende geschlossene Kante
detektiert, dass heißt, während der Bearbeitung
wurde ein Teilbereich A2 des abzutragenden/aufzubauenden Bereichs
nicht korrekt bearbeitet. Der gebildete Bereich A1 der Ist-Struktur
weist damit ein Loch als Teilbereich A2 auf. Durch Subtraktion der
Bereiche A1 und A2 erhält man den noch zu bearbeitenden
Bereich A2. Dieser wird im Folgenden weiter bearbeitet und über
Soll-Ist-Analysen im Datenverarbeitungssystem 6 kontrolliert,
bis die Abweichung einen durch den Anwender vorgegebenen Wert erreicht
oder unterschreitet.
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In
einer Ausführungsform wird zur Höhendetektion
bei einer schichtweisen Bearbei tung nach jeder abgearbeiteten Schicht
mittels des konfokalen Sensors im Strahlengang unter Zuhilfenahme
des davor angeordneten Scanners in Form eines Galvanometerscanners
die Topografie des soeben bearbeiteten Bereichs erstellt. Der konfokale
Sensor erlaubt eine sehr genaue Erfassung der Höheninformation.
In einer weiteren Ausführungsform als chromatischer konfokaler
Sensor werden die Höhendaten ohne zusätzliche
mechanische Bewegung im Strahlengang des Sensors schnell erfasst.
Die Topografie oder Höheninformation kann aus einer vom
Anwender gewünschten/vorgegebenen Zahl von Messpunkten
bestehen. Nun wird analog der Kantendetektion ein Soll-Ist-Vergleich
der Tiefen durchgeführt. Die Differenzen werden wiederum
durch eine Subtraktion, diesmal jedoch der Höhenkarte,
gebildet. Bei positiven Abweichungen oberhalb einer gewählten
Mess- und Toleranzgrenze, dass heißt es wurde bei einem
Abtrag zu wenig abgetragen, muss der durch die Höhensubtraktion
bestimmte Teilbereich erneut, auch mit verminderter Leistung, bearbeitet werden.
Danach wird ein erneuter Höhenscan durchgeführt.
Bei negativen Höhenabweichungen werden diese Teilbereiche
aus der nächsten zu bearbeiteten Schicht herausgenommen
und damit nicht bearbeitet.
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In
einer weiteren Ausführungsform wird zur Höhendetektion
bei einem schichtweisen Auftrag nach jeder gesinterten und nach
jeder gerakelten Schicht mittels des Triangulationssensors als Abstandssensor
die Topografie des soeben bearbeiteten Bereichs erstellt. Der Triangulationssensor
befindet sich dazu an einer Rakel zum Aufbringen von Pulver für
die Schicht. Diese Topografie oder Höheninformation kann
aus einer vom Anwender gewünschten/vorgegebenen Zahl von
Messpunkten bestehen. Der Körper befindet sich dazu in
einem Bauraum, dessen Boden absenkbar ist, so dass ein schichtweiser
Auftrag von Pulver zur Realisierung des Körpers gegeben
ist. Der Aufzug des Pulvers wird mit dem Triangulationssensor detektiert
und wenn nötig ohne Bauraumabsenkung wiederholt. Analog
zur Kantendetektion wird ein Soll-Ist-Vergleich der Tiefen der gesinterten
Struktur durchgeführt. Die Differenzen werden wiederum
durch eine Subtraktion, diesmal jedoch der Höhenkarte,
gebildet. Bei positiven Abweichungen oberhalb einer gewählten
Mess- und Toleranzgrenze, dass heißt es wurde zu wenig
aufgetragen, muss der durch die Höhensubtraktion bestimmte
Teilbereich erneut bearbeitet werden. Hierzu findet ein Pulveraufzug
und eine selektive Bestrahlung statt. Bei einer generellen Höhenab weichung
werden die Bauraumabsenkung und damit die Schichtdicke vergrößert
sowie die Laserparameter angepasst. Danach wird ein erneuter Höhenscan
durchgeführt. Bei negativen Höhenabweichungen
werden diese Teilbereiche aus der nächsten zu bearbeiteten
Schicht herausgenommen also nicht bearbeitet. Bei einer generellen
Höhenabweichung werden die Bauraumabsenkung und damit die
Schichtdicke verkleinert sowie die Laserparameter angepasst.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist zur verbesserten Bestimmung
der Kanten ein Leuchtmittel so angeordnet, dass die Lichtstrahlen
auf die Oberfläche des Körpers 1 und
die davon reflektierten und gestreuten Lichtstrahlen auf den abbildenden Detektor
als Abbild des Bereiches der Oberfläche des Körpers 1 gelangen.
Der auf der Oberfläche des Körpers 1 sich
abbildende Schatten liefert einen erhöhten Kontrast auf
der Oberfläche, so dass eine eindeutige Bestimmung der
Kanten im Datenverarbeitungssystem 6 erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006024251
A1 [0002]
- - DE 102004052508 B4 [0003]