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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung eines Basiselements, insbesondere eines Substrats oder eines Preforms, einer Bauzylinder-Anordnung,
wobei die Bauzylinder-Anordnung an einer Maschine zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaler Objekte durch Sintern oder Schmelzen von pulverförmigem Material mit einem Hochenergiestrahl angeordnet ist,
wobei das Basiselement in einem im Wesentlichen zylinderförmigen Grundkörper der Bauzylinder-Anordnung mit einem Kolben verfahrbar ist, insbesondere wobei der Kolben einen oberen Kolben-Teil aufweist, an welchem das Basiselement angeordnet ist, und einen unteren Kolben-Teil aufweist, gegenüber dem der obere Kolben-Teil mittels wenigstens zwei, bevorzugt drei, Stellelementen ausrichtbar ist,
wobei zur Vermessung des Basiselements ein Messmuster aus Laserlicht erzeugt wird, das zumindest einen Teil das Basiselements beleuchtet, und Auftrefforte des Laserlichts mit einer Kamera beobachtet und ausgewertet werden und damit Vermessungsdaten über das Basiselement, umfassend Positionsinformationen und/oder Orientierungsinformationen und/oder Informationen über die dreidimensionale Gestalt zumindest eines Teils der Oberfläche des Basiselements, bestimmt werden.
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Ein solches Verfahren ist aus der
WO 2016/207258 A1 bekannt geworden.
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Durch das schichtweise Fertigen dreidimensionaler Objekte mittels Sintern oder Schmelzen mit einem Hochenergiestrahl, insbesondere einem Laserstrahl oder Elektronenstrahl, können Objektgeometrien gefertigt werden, die mit herkömmlichen Techniken (die beispielweise auf einem Gießprozess oder einem Fräsen eines Vollkörpers beruhen) nicht zugänglich sind.
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Dabei wird auf einem Basiselement, meist einem Substrat (auch Bauplattform genannt) oder einem Preform, in einem Bauzylinder (auch Baukammer genannt) eine dünne Schicht eines pulverförmigen Materials aufgetragen und dann an ausgewählten Orten mit einem Hochenergiestrahl aufgeheizt, bis das pulverförmige Material aufschmilzt oder sintert. Anschließend wird das Basiselement über ein zugehöriges Kolben-Teil in dem Bauzylinder um eine Schichtdicke des Pulvers abgesenkt, eine weitere Schicht des pulverförmigen Materials aufgetragen und wiederum an ausgewählten Orten durch den Hochenergiestrahl erhitzt, und so fort. Der Bauzylinder ist an einem Anschluss einer Prozesskammer befestigt.
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Für eine gute Fertigungsgenauigkeit muss das Basiselement im Bauzylinder ausgerichtet werden. Insbesondere durch ein Vorwärmen des pulverförmigen Material kann es zu Verformungen, insbesondere einem Verkippen, des Basiselements im Bauzylinder bzw. relativ zur übrigen Prozesskammer kommen.
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Aus der
WO 2016/207258 A1 ist eine Bauzylinder-Anordnung bekannt geworden, bei der ein Substrat an einem oberen Kolbenteil befestigt ist, das an einem mittleren Kolbenteil lösbar befestigt ist. Das mittlere Kolbenteil ist wiederum auf einem unteren Kolbenteil angeordnet und gegenüber diesem mittels drei Stellelementen ausrichtbar. Weiterhin ist eine Messeinrichtung vorgesehen, wobei drei Laserdioden jeweils eine Laserlinie unter einem schrägen Winkel an verschiedenen Stellen auf einen Spalt zwischen einer Referenzfläche, etwa einem Prozesskammerboden, und dem Substrat erzeugen, und wobei ein Kamerasystem die verschiedenen Stellen einzeln erfasst. Dabei wird der Strahlengang einer Kamera durch eine Scanneroptik des Bearbeitungslaserstrahls gerichtet, wobei die Scanposition der Kamera mittels der Scanneroptik umgeschaltet wird. Die Scanneroptik ist zentral über dem Substrat angeordnet.
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Mit der Messeinrichtung kann ein Versatz von Laserlinien-Teilen am Spalt erkannt werden, und dadurch eine Verkippung des Substrats bestimmt und mittels der Stellelemente korrigiert werden. Die Anordnung der drei Laserdioden erfordert jedoch relativ viel Bauraum in der Prozesskammer. Die Laserdioden müssen für den eingesetzten Typ von Bauzylinder speziell ausgerichtet werden, wodurch dieses Vorgehen bei der Einrichtung aufwändig und unflexibel ist. Auch sind die mit den Laserdioden erhältlichen Informationen begrenzt.
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Aus der
DE 10 2016 106 403 A1 ist ein Verfahren zur Kalibrierung eines Scansystems einer Lasersinter- oder Laserschmelz-Anlage bekannt geworden, bei dem ein Linienmuster durch ein Scansystem auf einer Oberfläche in der Ebene eines Baufelds erzeugt wird.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und flexibel einsetzbares Verfahren zur Vermessung eines Basiselements vorzustellen, das mit weniger Bauraum in der Prozesskammer auskommt.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist,
dass das Messmuster aus Laserlicht erzeugt wird, indem ein Laserstrahl eines Messlasers von einer Scanneroptik abgelenkt wird, so dass unterschiedlich abgelenkte Laserstrahlen erzeugt werden, und die abgelenkten Laserstrahlen zumindest auf den Teil des Basiselements gerichtet werden,
und dass die Kamera gegenüber den abgelenkten Laserstrahlen seitlich versetzt angeordnet ist.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine Scanneroptik eingesetzt, um einen Laserstrahl in rascher Folge in unterschiedliche Richtungen zu lenken und so unterschiedlich abgelenkte Laserstrahlen zu erzeugen. Diese unterschiedlich abgelenkten Laserstrahlen können zur Vermessung des Basiselements eingesetzt werden, etwa im Rahmen einer Triangulationsmessung.
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Mittels der Scanneroptik können je nach Anwendungsfall bzw. Messaufgabe unterschiedliche Messmuster erzeugt werden, wobei lediglich die Ansteuerung der Scanneroptik geändert (umprogrammiert) zu werden braucht. Insbesondere sind keine baulichen Veränderungen an der Hardware erforderlich, um das Messmuster zu verändern. Eine Anpassung des Messmusters an eine (erwartete) Geometrie eines Basiselements, etwa einer Preform, ist problemlos möglich, etwa über Eingaben an der Steuersoftware. Es können flexibel Vermessungsdaten zu Basiselementen bestimmt werden, insbesondere Positionen, etwa Höhenlagen, oder Verkippungen vermessen werden, oder auch dreidimensionale Strukturen (etwa Preforms, oder auch Schichtvermessungen). Die gewonnenen Vermessungsdaten können dazu genutzt werden, die Position und/oder Orientierung des Basiselements vor Beginn einer Fertigung eines dreidimensionalen Objekts zu korrigieren, und/oder einen nachfolgenden Prozess der schichtweisen Fertigung eines dreidimensionalen Objekts an die gefundene Position, Orientierung und/oder Gestalt des Basiselements anzupassen.
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Zudem wird für die Erzeugung des Messmusters nur ein einziger Messlaser benötigt, auch wenn an verschiedenen Stellen des Basiselements (etwa an drei Stellen, die im Randbereich des Basiselements in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind) abgelenkte Laserstrahlen benötigt werden. Mit der Scanneroptik können die gewünschten Stellen in rascher Folge nacheinander beleuchtet werden. Währenddessen kann die Belichtung der Kamera für eine integrale Bildaufnahme erfolgen; alternativ kann auch für verschiedene Stellen (bzw. für jeweilige Teilmessungen) eine eigene Bildaufnahme mit der Kamera erfolgen.
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Das Messmuster kann sich auf das Basiselement oder einen Teil davon beschränken, oder auch zusätzlich Teile einer Referenzstruktur (die in der Maschine ortsfest ist, und insbesondere nicht mit dem Kolben verfährt) beleuchten.
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Der Messlaser kann in der Prozesskammer oder bevorzugt außerhalb der Prozesskammer angeordnet werden, so dass hierfür nur wenig oder gar kein Bauraum in der Prozesskammer benötigt wird; ebenso kann die Scanneroptik innerhalb oder bevorzugt außerhalb der Prozesskammer angeordnet werden.
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Durch den seitlichen Versatz der Kamera (bzw. der bilderfassenden Kameralinse) gegenüber dem jeweiligen abgelenkten Laserstrahl wird erreicht, dass eine Verschiebung des Auftreffortes des abgelenkten Laserstrahls in Strahlausbreitungsrichtung zu einer Verschiebung der Abbildung des Auftreffortes in der Bildebene der Kamera führt. Dadurch kann die lokale Höhe des Basiselements (gemessen meist vertikal, im Wesentlichen entlang des abgelenkten Laserstrahls) bestimmt werden.
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Typischerweise ist für ein bestimmtes Messmuster ein Soll-Bild („kalibrierte Nulllage“) in einer Auswerteeinrichtung gespeichert, und aus den Abweichungen eines gemessenen Bildes der Kamera zum Soll-Bild wird die Messinformation über das Basiselement (etwa eine Verkippung oder eine Höhenlage) bestimmt. Zur Verbesserung der Messgenauigkeit (insbesondere Wiederholgenauigkeit) können mehrere Messungen durchgeführt und ein gemitteltes Messergebnis bestimmt werden.
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Der Messlaser ist typischerweise ein eigener, nur für die Vermessung des Basiselements genutzter Laser. Alternativ kann auch ein Pilotlaser oder ein Bearbeitungslaser als Messlaser genutzt werden. Bevorzugt ist der Messlaser leistungsstabilisiert (beispielsweise auf maximal 5% Leistungsschwankung oder besser), um eine gute Messauflösung zu erzielen. Der Messlaser kann eine reduzierte Kohärenz aufweisen (beispielsweise mit 10 nm Bandbreite oder besser), was eine Verringerung der so genannten Laser Speckle bewirkt und dadurch ebenfalls die Messauflösung verbessert. Die Laserwellenlänge des Messlasers kann im sichtbaren Spektralbereich liegen, beispielweise im roten Spektralbereich (um 650 nm).
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Im Rahmen der Erfindung sind hohe Messauflösungen (Positionsauflösungen) möglich. Typischerweise sind Kamera und Messlaser so eingerichtet, dass eine Messauflösung von 100 µm oder besser, bevorzugt 50 µm oder besser, besonders bevorzugt 15 µm oder besser erreicht wird. Die Messungen sind zuverlässig, robust und schnell möglich (keine Artefakte durch Pulverauftrag, kein iteratives Beschichten nötig); die Messungen erfordern keine Beschichtungen oder Pulververschleiß (etwa durch Oxidation).
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Bevorzugte Varianten der Erfindung
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Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mit der Vermessung des Basiselements zumindest auch eine Verkippung des Basiselements gegenüber einer Referenzstruktur bestimmt. Dadurch kann eine bei einer Vorwärmung des pulverförmigen Materials häufige Art von Verformung erfasst werden, wodurch eine entsprechende Korrektur ermöglicht wird. Die Referenzstruktur ist in der Maschine ortsfest, etwa der Boden einer Prozesskammer. Man beachte, dass die Referenzstruktur vom Messmuster nicht notwendigerweise beleuchtet zu werden braucht.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Variante sieht vor, dass das Messmuster eine Beleuchtung zumindest eines Teils des Basiselements in drei verschiedenen Zonen umfasst. Dies ermöglicht eine einfache Bestimmung der Verkippung (d.h. zweier Kippwinkel) ohne weitere Annahmen. Je Zone genügt ein Messpunkt; meist werden aber mehrere Messpunkte je Zone ausgewertet. Alternativ zu dieser Variante ist es auch beispielsweise möglich, zwei Linien über das Basiselement zu legen und deren Abstand gegenüber jeweiligen Sollinien zu bestimmen; das Messmuster kann aber auch mehr als zwei Linien umfassen. Es ist auch möglich, statt Linien Linienzüge oder komplexere, z.B. gekrümmte, Muster einzusetzen.
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Bevorzugt ist dabei, wenn die Orte von zumindest zwei, bevorzugt drei, der Zonen im Wesentlichen den Orten von Stellelementen entsprechen, mit denen das Basiselement gegenüber der Referenzstruktur verkippt werden kann. Dadurch ist die Steuerung (bzw. die Software) für die Stelleelemente besonders einfach.
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Ebenso ist es bevorzugt, wenn das Messmuster in den drei Zonen jeweils mehrere Laserpunkte, insbesondere jeweils eine Laserlinie, umfasst. Durch mehrere Laserpunkte kann ein Rauschen durch Mittelung reduziert werden. Zudem werden durch Verfahren eines Laserpunkts entlang einer Linie Speckle-Muster reduziert. Allgemein ist für die Bestimmung einer einzelnen Messinformation über das Basiselement die Verwendung von mehreren Laserpunkten oder einer Laserlinie (verfahrender Laserpunkt) bevorzugt.
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Bei einer bevorzugten Variante erfolgt mit der Vermessung zumindest auch eine dreidimensionale Bestimmung zumindest eines Teils einer Oberfläche des Basiselements, insbesondere des Preforms. Mittels der Scanneroptik besteht auch die Möglichkeit, die Oberfläche eines Basiselements abzutasten und so dessen Gestalt zu bestimmen bzw. zu überprüfen. Schlechte Basiselemente können erkannt und aussortiert werden. Ebenso ist es möglich, Korrekturen für die nachfolgende schichtweise Auftragung von Material vorzunehmen, und beispielsweise bei Materialüberständen erst später mit pulverförmigem Material anzubauen, oder bei Materialrücksprüngen vorzeitig mit pulverförmigem Material anzubauen.
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Eine vorteilhafte Weiterentwicklung hierzu sieht vor, dass das Messmuster eine zeilenweise Abtastung zumindest des Teils der Oberfläche des Basiselements umfasst, wobei während der zeilenweisen Abtastung eine Vielzahl von Einzelaufnahmen mit der Kamera angefertigt werden. Durch dieses Vorgehen können auch größere Teile der Oberfläche auf einfache Weise erfasst werden. Aus den Einzelaufnahmen (Bildern) kann dann eine Gesamtmessung bzw. Gesamtinformation zusammengesetzt werden.
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Ebenfalls bevorzugt ist eine Variante, bei der durch die Vermessung zumindest auch eine Bestimmung der Höhenlage des Basiselements gegenüber einer Referenzstruktur erfolgt. Damit kann die Höhenlage ggf. korrigiert werden (etwa über ein Verfahren des Kolbens im Grundkörper), um eine korrekte Fokuslage des Bearbeitungslasers zu gewährleisten. Man beachte, dass das Messmuster die Referenzstruktur nicht notwendigerweise beleuchten muss.
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Bei einer vorteilhaften Variante erfolgt zur Vermessung des Basiselements ein Vergleich der mit der Kamera beobachteten Auftrefforte des Laserlichts auf dem Basiselement mit erwarteten Auftrefforten des Laserlichts auf dem Basiselement,
insbesondere wobei das Messmuster ausschließlich das Basiselement beleuchtet und/oder lediglich Auftrefforte des Laserlichts auf dem Basiselement ausgewertet werden. In dieser besonders einfachen Variante braucht keine Referenzstruktur mitbeleuchtet zu werden. Dies ermöglicht auch eine besonders zuverlässige Vermessung des Basiselements; etwaige Verschmutzungen oder Fehler an der Referenzstruktur sind irrelevant.
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Varianten zur mehrfachen Nutzung von Maschinenbauteilen
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Bei einer besonders bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass die Maschine weiterhin einen Bearbeitungslaser umfasst, und dass nach der Vermessung des Basiselements sodann zur Fertigung von Schichten wenigstens eines dreidimensionalen Objekts auf dem Basiselement zumindest Teile von Schichten von pulverförmigem Material auf dem Basiselement mit Bearbeitungsmustern aus Laserlicht beleuchtet werden, wobei die Bearbeitungsmuster erzeugt werden, indem ein Laserstrahl des Bearbeitungslasers von der besagten Scanneroptik abgelenkt wird. Dadurch wird die Scanneroptik doppelt genutzt (für die Triangulationsmessung und für die Bearbeitung). Das Verfahren wird dadurch besonders kostengünstig; die Maschine zur schichtweisen Fertigung kann besonders kompakt ausgebildet werden.
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Ebenfalls bevorzugt ist eine Variante, bei der vorgesehen ist, dass nach der Vermessung des Basiselements sodann zur Fertigung von Schichten wenigstens eines dreidimensionalen Objekts auf dem Basiselement Schichten von pulverförmigem Material auf dem Basiselement aufgetragen werden, wobei die Schichten von pulverförmigem Material vor einer Anwendung des Hochenergiestrahls mit der besagten Kamera optisch überprüft werden. Dadurch wird die Kamera doppelt genutzt (als Pulverbildkamera und Triangulationskamera). Das Verfahren wird dadurch besonders kostengünstig; die Maschine zur schichtweisen Fertigung kann besonders kompakt ausgebildet werden.
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Erfindungsgemäße Maschinen zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaler Objekte
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In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Maschine zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaler Objekte durch Sintern oder Schmelzen von pulverförmigem Material mit einem Hochenergiestrahl, mit einer Bauzylinder-Anordnung mit einem im Wesentlichen zylinderförmigen Grundkörper und einem im Grundkörper verfahrbaren Kolben, auf dem ein Basiselement, insbesondere ein Substrat oder ein Preform, angeordnet ist, insbesondere wobei der Kolben einen oberen Kolben-Teil aufweist, an welchem das Basiselement angeordnet ist, und einen unteren Kolben-Teil aufweist, gegenüber dem der obere Kolben-Teil mittels wenigstens zwei, bevorzugt drei, Stellelementen ausrichtbar ist,
und mit einem Messsystem zur Vermessung des Basiselements mittels Laserlicht, das Vermessungsdaten über das Basiselement, umfassend Positionsinformationen und/oder Orientierungsinformationen und/oder Informationen über die dreidimensionale Gestalt zumindest eines Teils der Oberfläche des Basiselements, bestimmt,
dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem zur Vermessung des Basiselements umfasst
- - eine Scanneroptik,
- - einen an die Scanneroptik gekoppelten Messlaser,
- - eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, einen vom Messlaser erzeugten Laserstrahl mittels der Scanneroptik so abzulenken, dass unterschiedlich abgelenkte Laserstrahlen gemäß einem programmierten Messmuster erzeugt werden, und die abgelenkten Laserstrahlen zumindest auf einen Teil des Basiselements gerichtet werden,
- - eine Kamera, mit der Auftrefforte der von der Scanneroptik abgelenkten Laserstrahlen beobachtet werden können, und die seitlich versetzt gegenüber allen möglichen abgelenkten Laserstrahlen angeordnet ist, die von der Scanneroptik auf das Basiselement gerichtet werden könnten,
- - und eine Auswerteeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, von der seitlich versetzten Kamera beobachtete Auftrefforte des Laserlichts des mit der Scanneroptik erzeugten Messmusters auszuwerten und daraus die Vermessungsdaten über das Basiselement zu bestimmen. Mit der erfindungsgemäßen Maschine ist ein kompakter Bau möglich, insbesondere wird wenig oder kein Bauraum in der Prozesskammer für das Messsystem benötigt. Das Messsystem ist einfach, insbesondere bezüglich der Installation, und flexibel für unterschiedliche Typen von Bauzylinder-Anordnungen und Basiselementen (Substrate oder Preferoms) anwendbar. Bevorzugt ist die Kamera so angeordnet, dass sie auch gegenüber möglichen Laserstrahlen seitlich versetzt ist, die von der Scanneroptik auf eine Referenzstruktur, die das Basiselement umgibt, gerichtet werden. Typische Vermessungsdaten (Messinformationen) sind Daten über eine Verkippung des Basiselements, Daten über die Höhenlage des Basiselements oder Daten über die dreidimensionale Gestalt zumindest eines Teils der Oberfläche des Basiselements. Die erfindungsgemäße Maschine ist geeignet zur Durchführung eines erfindungsgemäßen, obigen Verfahrens.
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Bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Maschine, die vorsieht, dass die Maschine als Hochenergiestrahlquelle einen Bearbeitungslaser umfasst, und dass der Bearbeitungslaser ebenfalls an die besagte Scanneroptik gekoppelt ist. Dadurch kann die Scanneroptik doppelt genutzt werden, was kostengünstig und besonders kompakt ist.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass im Strahlengang vor der Scanneroptik ein Strahlteiler angeordnet ist, und der Messlaser und der Bearbeitungslaser jeweils auf den Strahlteiler ausgerichtet sind. Mittels des Strahlteilers (typischerweise ein halbdurchlässiger Spiegel, angeordnet im 45°-Winkel zu den Eingangs- und Ausgangsstrahlen) kann auf einfache Weise die Ankopplung von Messlaser und Bearbeitungslaser auf dieselbe Scanneroptik erfolgen. Der Strahlteiler und die Scanneroptik sowie der Messlaser und der Bearbeitungslaser befinden sich typischerweise außerhalb der Prozesskammer.
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Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der die Maschine weiterhin eine Prüfeinrichtung umfasst, die dazu eingerichtet ist, Aufnahmen der besagten Kamera von einer auf dem Basiselement aufgetragenen Schicht pulverförmigen Materials vor einer Bearbeitung mit dem Hochenergiestrahl auszulesen und auszuwerten. Dadurch wird die Kamera doppelt genutzt, was kostengünstig und besonders kompakt ist.
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Eine Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass die Scanneroptik bzw. eine der Scanneroptik nachgelagerte Fokussieroptik oder eine Gruppe von Scanneroptiken, zu denen die Scanneroptik zählt, bzw. eine Gruppe von Fokussieroptiken, die dieser Gruppe von Scanneroptiken nachgelagert sind, über dem Basiselement angeordnet ist, insbesondere zentral über dem Basiselement angeordnet ist, und die Kamera in horizontaler Richtung neben dem Basiselement angeordnet ist. Durch die Anordnung über dem Basiselement (also in vertikaler Richtung oberhalb des Basiselements, und bezüglich der horizontaler Richtung fluchtend mit dem Basiselement), insbesondere (zumindest im Wesentlichen) zentral über dem Basiselement, sind mit der Scanneroptik bzw. der Fokussieroptik alle Teile des Basiselements für abgelenkte Laserstrahlen gut erreichbar; Strahlaufweitungen eines abgelenkten Laserstrahls werden minimiert, was auch eine gute Ortsauflösung ermöglicht. Durch die Anordnung der Scanneroptik bzw. der Fokussieroptik über dem Basiselement und der Anordnung der Kamera neben dem Basiselement (und in vertikaler Richtung oberhalb des Basiselements, meist auf ähnlicher Höhe wie die Scanneroptik) sind diese in horizontaler Richtung voneinander beabstandet, und die Kamera ist auf einfache Weise stets seitlich versetzt gegenüber allen möglichen abgelenkten Laserstrahlen angeordnet, die von der Scanneroptik auf das Basiselement gerichtet werden könnten. Horizontal neben dem Basiselement ist in der Regel ausreichend Platz für die Kamera in der Prozesskammer; alternativ kann die Kamera auch außerhalb der Prozesskammer hinter einem Fenster angeordnet sein.
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Im Rahmen der Erfindung kann das Messsystem zur Vermessung des Basiselements auch mehrere Scanneroptiken umfassen, die jeweils an den Messlaser oder alternativ an mehrere Messlaser gekoppelt sind, und die von der Steuereinrichtung kontrolliert werden, um das Messmuster zu erzeugen. In diesem Fall sind komplexere Messmuster möglich, und ggf. können Abschattungen vermieden oder minimiert werden, insbesondere bei der Vermessung der Oberfläche von Preforms. Falls gewünscht, können auch mehrere Kameras vorgesehen sein, die jeweils seitlich versetzt gegenüber allen möglichen abgelenkten Laserstrahlen angeordnet sind, die von jeweils zugeordneten Scanneroptiken auf das Basiselement gerichtet werden könnten; auch hierdurch können Abschattungen vermieden oder minimiert werden. Bevorzugt ist die Gruppe dieser Scanneroptiken bzw. eine Gruppe von Fokussieroptiken, die dieser Gruppe von Scanneroptiken nachgelagert sind, über dem Basiselement angeordnet, insbesondere zentral über dem Basiselement angeordnet.
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Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, bei der die Kamera als Kamera mit geschifteter Optik ausgebildet ist. Dadurch werden in den Aufnahmen Verzerrungen, insbesondere bei stürzenden Linien, vermieden. Alternativ können beispielsweise auch etwaige Verzerrungen mit einer Software aus den Aufnahmen der Kamera herausgerechnet werden.
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Weiterhin fällt in den Rahmen der vorliegenden Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen, oben angegebenen Maschine in einem erfindungsgemäßen, oben angegebenen Verfahren.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Figurenliste
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Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Maschine zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaler Objekte, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 2 einen schematischen Längsschnitt einer Bauzylinder-Anordnung für die Erfindung;
- 3 eine Illustration einer Triangulationsmessung für die Erfindung;
- 4 eine schematische Aufsicht auf ein Basiselement, auf das ein Messmuster gerichtet ist, ohne Verkippung und mit Verkippung des Basiselements, gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren;
- 5 eine schematische Seitenansicht beim zeilenweisen Abtasten eines Preforms, im Rahmen der Erfindung.
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Die 1 zeigt in einer schematischen Ansicht von der Seite eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Maschine 1 zur schichtweisen Fertigung eines dreidimensionalen Objekts 2 (oder auch mehrerer dreidimensionaler Objekte), auch genannt 3D-Druck-Maschine.
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Die Maschine 1 umfasst eine gasdichte Prozesskammer 3, die in nicht näher dargestellter Weise mit einem Inertgas (Schutzgas), etwa Stickstoff oder einem Edelgas wie Argon, gefüllt und/oder gespült werden kann.
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An die Prozesskammer 3 angeschlossen ist eine Pulverzylinder-Anordnung 4 mit einem Pulverzylinder (Vorratszylinder) 5 für ein pulverförmiges Material 6 (gepunktet dargestellt), aus dem das dreidimensionale Objekt 2 hier durch Sintern oder Schmelzen gefertigt wird. Das pulverförmige Material 6 kann beispielsweise aus Metallpartikeln mit einer mittleren Korngröße (D50) von 25-100 µm bestehen; in anderen Anwendungen können auch Kunststoffpartikel oder Keramikpartikel ähnlicher Größe eingesetzt werden. Durch schrittweises Hochfahren eines Pulver-Kolbens 7 mit einer ersten Hebeeinrichtung (Pulver-Hubeinrichtung) 8 wird eine kleine Menge des pulverförmigen Materials 6 über das Niveau des Bodens 9 der Prozesskammer 3 angehoben, so dass mit einem motorisch betätigbaren Schieber 10 diese kleine Menge zu einer Bauzylinder-Anordnung 11 verbracht werden kann.
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Die ebenfalls an die Prozesskammer 3 angeschlossene Bauzylinder-Anordnung 11 verfügt über den Kolben 12, auf dem oberseitig ein Basiselement 13, hierein Substrat 13a, angeordnet ist. Auf dem Basiselement 13 wird das dreidimensionale Objekt 2 aufgebaut. Das Basiselement 13 ist mit dem Kolben 12 in einem Grundkörper 14 vertikal verfahrbar. Der Kolben 12 ist mehrteilig ausgebildet und mit Stellelementen versehen, um eine Verkippung des Basiselements 13 in der Bauzylinder-Anordnung 11 korrigieren zu können (nicht näher dargestellt, siehe dazu aber 2).
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Jeweils vor der Fertigung einer neuen Schicht des dreidimensionalen Objekts 2 wird der Kolben 12 mit einer zweiten Hebeeinrichtung (Hubeinrichtung) 15 um einen Schritt abgesenkt, und eine kleine Menge des pulverförmigen Materials 6 wird mit dem Schieber 10 in die Bauzylinder-Anordnung 11 gestrichen. Die aufgetragene Schicht des pulverförmigen Materials 6 wird mit einer Kamera 21 und einer an diese angeschlossene Prüfeinrichtung 28 (betreibend eine Bildauswertesoftware) überprüft; gegebenenfalls kann mit dem Schieber 10 und/oder mit weiterem pulverförmigem Material 6 die aufgetragene Schicht korrigiert werden. Insbesondere kann ein beschädigter Schieber 10 anhand eines fehlerhaften Pulverauftrags erkannt und in der Folge ausgetauscht werden, um damit die aufgetragene Schicht zu korrigieren. Die Kamera 21 ist bevorzugt mit einer geschifteten Optik versehen (nicht näher dargestellt). Die Kamera 21 ist hier hinter einem Fenster 21a außerhalb der Prozesskammer 3 angeordnet.
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Sodann wird die neu aufgetragene Pulverschicht von oben mit einem Hochenergiestrahl 16, hier einem Bearbeitungs-Laserstrahl 16a, aus einer Hochenergiestrahlquelle 17, hier einem Bearbeitungslaser 17a, an Stellen, die für eine lokale Verfestigung (Aufschmelzen, Aufsintern) des pulverförmigen Materials 6 vorgesehen sind, lokal beleuchtet und dadurch lokal stark erwärmt.
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Der Bearbeitungs-Laserstrahl 16a wird dabei durch einen Strahlteiler 18 hindurch über eine Scanneroptik 19, enthaltend einen oder mehrere Spiegel, die insgesamt um wenigstens zwei Achsen verschwenkbar sind, über eine Fokussieroptik 29 und durch ein Fenster 20 hindurch geleitet. Die Scanneroptik 19 und die Fokussieroptik 29 sitzen hier zentral über dem Basiselement 13. Mittels der Scanneroptik 19 kann der Bearbeitungs-Laserstrahl 16a das Basiselement 13 bzw. die oberste Pulverschicht darauf entsprechend der vorgesehenen Gestalt des dreidimensionalen Objekts 2 abrastern („Bearbeitungsmuster“).
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Danach werden weitere Schichten gefertigt, bis das dreidimensionale Objekt 2 fertiggestellt ist. Überschüssiges pulverförmiges Material 6 kann mit dem Schieber 10 in einen Sammelbehälter 6a gestrichen werden.
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Die Maschine 1 verfügt erfindungsgemäß über ein Messsystem 22 zur Vermessung des Basiselements 13, insbesondere vor Beginn des Fertigungsprozesses, um etwaige Verformungen (wie eine Verkippung) am Basiselement 13 zu erkennen und gegebenenfalls korrigieren zu können.
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Das Messsystem 22 umfasst hier einen eigenen Messlaser 23, dessen Laserstrahl 24 über den Strahlteiler 18 in die auch vom Bearbeitungs-Laserstrahl 16a genutzte Scanneroptik 19 bzw. deren Strahlengang einkoppelbar ist, so dass von der Scanneroptik 19 abgelenkte Laserstrahlen 24a des Messlasers 23 zumindest auf Teile des Basiselements 13 gemäß einem Messmuster gerichtet werden können. Die abgelenkten Laserstrahlen 24a breiten sich in vertikaler Richtung nach unten oder mit einem kleinen Winkel (meist ≤30°, bevorzugt ≤20°) gegenüber der Vertikalen aus. Die Scanneroptik 19 ist an eine Steuereinrichtung 25 angeschlossen, in der ein oder mehrere Messmuster bzw. entsprechende Steuerbefehle zur Ansteuerung der Scanneroptik 19 für die Vermessung des Basiselements 13 programmiert sind.
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Das Messsystem 22 umfasst hier zudem die Kamera 21, die auch zur Pulverbettüberprüfung eingesetzt wird. Mit der Kamera 21 kann die Oberfläche des Basiselements 13 aufgenommen werden, so dass die tatsächlichen Auftrefforte der abgelenkten Laserstrahlen 24a des Messlasers 23 gemäß dem Messmuster erfasst werden können. Die Kamera 21 ist an eine Auswerteeinrichtung 26 angeschlossen, mit der die beobachteten Auftrefforte ausgewertet und in Vermessungsdaten über das Basiselement 13, etwa eine Verkippung des Basiselements, überführt werden. Hierbei greift die Auswerteeinrichtung typischerweise auf Referenzinformation („Soll-Bilder“) zurück. Mit diesen Vermessungsdaten kann dann eine Korrektur der Position oder Orientierung des Basiselements 13 erfolgen, gegebenenfalls auch iterativ. Die Kamera 21 ist gegenüber dem Basiselement 13 in horizontaler Richtung versetzt, vgl. Versatz 27 (hier eingezeichnet zwischen dem Rand des Basiselements 13 und der Mitte der Kameralinse der Kamera 21; man beachte, dass in der Praxis die Kameralinse meist sehr viel kleiner ist als der Versatz 27). Dadurch wird erreicht, dass die Kamera 21 unter einem Winkel (meist >20°) auf die abgelenkten Laserstrahlen 24a blickt.
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Die 2 zeigt eine Bauzylinder-Anordnung 11, wie sie etwa in der Maschine von 1 eingesetzt werden kann, in einer schematischen Längsschnittansicht.
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Im näherungsweise zylinderförmigen Grundkörper 14 ist der Kolben 12 entlang der vertikal verlaufenden Zylinderachse mit der zweiten Hebeeinrichtung 15 verfahrbar.
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Der Kolben 12 verfügt über ein oberes Kolben-Teil 12a, auf dem das Basiselement 13, hier ein Substrat 13a, oberseitig angeordnet und befestigt ist. Das obere Kolben-Teil 12 verfügt über eine Pulverdichtung 30, mit der ein Spalt zum Grundkörper 14 verschlossen wird, sodass pulverförmiges Material nicht oder nur in sehr geringen Mengen weiter nach unten in die Bauzylinder-Anordnung 11 vordringen kann. Das obere Kolben-Teil 12a verfügt typischerweise über eine Heizung, mit der das Basiselement 13 und darauf befindliches pulverförmiges Material erwärmt werden kann (nicht näher dargestellt).
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Der oberer Kolben-Teil 12a ist auf einem mittleren Kolben-Teil 12b angeordnet, wobei zwischen dem oberen Kolben-Teil 12a und dem mittleren Kolben-Teil 12b eine keramische Isolationsplatte 31 angeordnet ist.
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Der mittlere Kolben-Teil 12b ist über hier drei Stellelemente 32 auf einem unteren Kolben-Teil 12c gelagert. Die Stellelemente 32 können beispielsweise als Piezo-Aktuatoren ausgebildet sein. Die Stellelemente 32 gestatten die Einstellung einer Verkippung des mittleren Kolben-Teils 12b (und damit auch den oberen Kolben-Teils 12a) gegenüber dem unteren Kolben-Teil 12c bezüglich zweier horizontaler Achsen. Der untere Kolben-Teil 12c verfügt über eine Gasdichtung 33, die den Spalt zum Grundkörper 14 abdichtet und ein Eindringen von Luftsauerstoff in das Innere der Bauzylinder-Anordnung 11 während der Fertigung eines dreidimensionalen Objekts verhindert. Typischerweise verfügt der untere Kolben-Teil 12c über eine Kühlung (nicht näher dargestellt).
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Die 3 erläutert das Prinzip der Vermessung eines Basiselements, etwa der Bestimmung der lokalen Höhenlage eines Teils des Basiselements, im Rahmen der Erfindung. Bevorzugt erfolgt die Vermessung des Basiselements im Rahmen der Erfindung mittels Triangulation. Dabei wird ein Messmuster auf das Basiselement projiziert, wobei die Sollposition des Messmusters (bzw. der Laserstrahl-Auftreffpunkte) auf dem Basiselement aufgrund der Scanneroptik-Ansteuerung und der (Soll-)Geometrie des Basiselements bekannt ist, und aus der Abweichung des tatsächlichen momentanen Messmusters (bzw. der Laserstrahl-Auftreffpunkte) auf dem Basiselement, beobachtet durch eine seitlich versetzte Kamera, wird eine Positions- bzw. Orientierungsinformation gewonnen.
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Der Laserstrahl 24 des Messlasers 23 wird an der Scanneroptik 19 abgelenkt, vgl. den abgelenkten Laserstrahl 24a. Der abgelenkte Laserstrahl 24a hat einen Winkel β gegenüber der Vertikalen, die parallel zu einer z-Achse verläuft; typischerweise liegt β in einem Bereich von +/-30° oder weniger, oder auch +/-20° oder weniger.
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Der abgelenkte Laserstrahl 24a trifft an einem Auftreffort A1 auf eine Oberfläche O1 des Basiselements. Eine Kamera, mit der in horizontaler x-Richtung seitlich versetzt liegenden Kameralinse 40, beobachtet den Auftreffort A1. Der Auftreffort A1 wird als Projektionsort P1 auf einem Kamerasensor 41 bzw. einer entsprechenden Bildebene abgebildet.
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Liegt die Oberfläche des Basiselements in vertikaler z-Richtung um die Höhendifferenz dz tiefer, vgl. die Oberfläche O2, so erkennt die Kamera hingegen den Auftreffort A2, der bei Projektionsort P2 auf den Kamerasensor 41 trifft. Die Projektionsorte P1 und P2 unterscheiden sich um den Projektionsversatz dp in x-Richtung.
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Der Projektionsort P1 auf dem Kamerasensor 41 kann als Referenzgröße verwendet werden, für den die Höhenlage z1 des Auftrefforts A1 bekannt ist. Mittels des Projektionsversatzes dp des Projektionsorts P2 gegenüber dem Projektionsort P1 kann (bei Kenntnis des Winkels β und der Brennweite f0 der Kameralinse 40) die Höhenlage z2 des Auftrefforts A2 dann mit den Gesetzen der geometrischen Optik leicht bestimmt werden. Falls gewünscht, kann entsprechend auch bei bekannter Horizontalllage x1 des Auftrefforts A1 die Horizontallage x2 des Auftrefforts A2 bestimmt werden.
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Um die Verkippung eines Basiselements 13 zu bestimmen, umfasst ein Messmuster 50 typischerweise eine Beleuchtung des Basiselements 13 in drei verschiedenen Zonen 51a, 51b, 51c, wie in der Aufsicht auf das Basiselement 13 in 4 ersichtlich ist. Das Messmuster 50 umfasst hier in jeder Zone 51a, 51b, 51c eine (durchgezogen dargestellte) Laserlinie 52a, 52b, 52c; jede Laserlinie 52a, 52b, 52c besteht aus einer Vielzahl von Laserpunkten (nicht aufgelöst in 4). Die Laserlinien 52a-52c werden hier von einem Messlaser und einer Scanneroptik zentral über dem Basiselement 13 erzeugt (nicht dargestellt).
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Im Falle einer Verkippung des Basiselements 13, etwa mit dem in 4 oberen Abschnitt nach unten in die Zeichenebene hinein, verschieben sich die Laserlinien auf der Oberfläche des Basiselements, vgl. die gestrichelten Laserlinien 53a, 53b, 53c, was mit einer seitlich versetzen Kamera (nicht dargestellt) leicht erfasst werden kann. Für jede der Zonen 51a, 51b, 51c kann eine eigene lokale Höhenlage des Basiselements 13 bestimmt werden; hierbei werden typischerweise Höhenlagen-Informationen der verschiedenen Laserpunkte einer jeweiligen Laserlinie gemittelt. Aus den drei lokalen Höhenlagen ergibt sich die Verkippung des Basiselements 13.
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Bevorzugt liegen Stellelemente (nicht dargestellt) zur Einstellung der Orientierung des Basiselements 13 gegenüber einer ortsfesten Referenzstruktur 54, die etwa Teil des Bodens der Prozesskammer ist, jeweils direkt unter den Zonen 51a, 51b, 51c.
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Die 5 illustriert schematisch die Vermessung eines Basiselements 13, das als ein Preform 13b ausgebildet ist. Das Preform 13b weist bereits eine komplexe dreidimensionale Gestalt auf, auf der das schichtweise zu fertigende, eigentliche dreidimensionale Objekt (nicht dargestellt) aufgebaut werden soll. Vor Beginn der Fertigung des dreidimensionalen Objekts kann mit abgelenkten Laserstrahlen 24a, die aus dem Laserstrahl 24 eines Messlasers mit der Scanneroptik 19 erzeugt werden, die Oberfläche (Kontur) O3 des Preform 13b abgetastet werden (limitiert durch etwaige Abschattung). In 5 ist die Abtastung einer Zeile des Preforms 13b in einem Winkelbereich σ angedeutet; die gesamte Vermessung umfasst weitere Zeilen vor und hinter der Zeichenebene der 5, für die jeweils eine eigene Bildaufnahme erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Maschine
- 2
- dreidimensionales Objekt
- 3
- Prozesskammer
- 4
- Pulverzylinder-Anordnung
- 5
- Pulverzylinder
- 6
- pulverförmiges Material
- 6a
- Sammelbehälter
- 7
- Pulver-Kolben
- 8
- erste Hebeeinrichtung
- 9
- Boden
- 10
- Schieber
- 11
- Bauzylinder-Anordnung
- 12
- Kolben der Bauzylinder-Anordnung
- 12a
- oberer Kolben-Teil
- 12b
- mittlerer Kolben-Teil
- 12c
- unterer Kolben-Teil
- 13
- Basiselement
- 13a
- Substrat
- 13b
- Preform
- 14
- Grundkörper
- 15
- zweite Hebeeinrichtung
- 16
- Hochenergiestrahl
- 16a
- Bearbeitungs-Laserstrahl
- 17
- Hochenergiestrahlquelle
- 17a
- Bearbeitungslaser
- 18
- Strahlteiler
- 19
- Scanneroptik
- 20
- Fenster der Scanneroptik
- 21
- Kamera
- 21a
- Fenster der Kamera
- 22
- Messsystem
- 23
- Messlaser
- 24
- Laserstrahl des Messlasers
- 24a
- abgelenkter Laserstrahl des Messlasers
- 25
- Steuereinrichtung
- 26
- Auswerteeinrichtung
- 27
- Versatz
- 28
- Prüfeinrichtung
- 29
- Fokussieroptik
- 30
- Pulverdichtung
- 31
- Isolationsplatte
- 32
- Stellelement
- 33
- Gasdichtung
- 40
- Kameralinse
- 41
- Kamerasensor
- 50
- Messmuster
- 51a-51c
- Zonen
- 52a-52c
- Laserlinien bei unverkipptem Basiselement
- 53a-53c
- Laserlinien bei verkipptem Basiselement
- 54
- Referenzstruktur
- A1, A2
- Auftrefforte
- dx
- Horizontalversatz
- dp
- Projektionsversatz
- dz
- Höhenversatz
- f0
- Brennweite
- O1-O3
- Oberfläche des Basiselements
- P1, P2
- Projektionsorte
- x1, x2
- Horizontallagen
- z1, z2
- Höhenlagen
- β
- Winkel des abgelenkten Laserstrahls gegenüber der Vertikalen
- σ
- Winkelbereich der abgelenkten Laserstrahlen einer Abtast-Zeile
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2016/207258 A1 [0002, 0006]
- DE 102016106403 A1 [0008]
