DE102019009301B4

DE102019009301B4 - Verfahren und Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102019009301B4
Application number: DE102019009301.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Milde; Frank Widulle
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH; Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH; Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2019-12-18
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2023-10-26
Anticipated expiration: 2039-12-19

Abstract

Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks (14), mit den Schritten:a) Empfangen eines Datensatzes (36), der das Werkstück (14) in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten definiert,b) Erzeugen einer Materialschicht (18) mit einer definierten Oberfläche gebildet aus einem partikelförmigen Material (21),c) Selektives Verfestigen des partikelförmigen Materials (21) an der definierten Oberfläche mit Hilfe eines Strukturierungswerkzeugs (28) unter Verwendung des Datensatzes (36), wobei aus der Materialschicht (18) eine definierte Werkstückschicht (16) aus der Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten erzeugt wird, undd) Wiederholen der Schritte b) und c), wobei weitere definierte Werkstückschichten aus der Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten erzeugt werden,wobei die definierte Oberfläche aus einer Vielzahl von verschiedenen Beleuchtungsrichtungen (42a, 42c, 42e, 42f) beleuchtet wird, wobei für die Vielzahl von verschiedenen Beleuchtungsrichtungen (42a, 42c, 42e, 42f) jeweils ein entsprechendes Bild von der definierten Oberfläche aufgenommen wird (66, 70), wobei die entsprechenden Bilder ein erstes Bild (66) mit einer Vielzahl von ersten Pixelwerten, die die definierte Oberfläche mit einer Beleuchtung aus einer ersten Richtung (42a) repräsentieren, und zumindest ein weiteres Bild (70) mit einer Vielzahl von weiteren Pixelwerten, die die definierte Oberfläche mit einer Beleuchtung aus zumindest einer weiteren Richtung (42c) repräsentieren, beinhalten, wobei unter Verwendung der entsprechenden Bilder ein aggregiertes Reflexbild (RI) von der definierten Oberfläche in Abhängigkeit von Differenzen zwischen den ersten Pixelwerten und den weiteren Pixelwerten bestimmt wird (94) und wobei ein Schwellenwert bereitgestellt wird, der einen Helligkeitswertebereich (100) definiert, wobei die Differenzen in Abhängigkeit davon gebildet werden, ob die weiteren Pixelwerte in dem Helligkeitswertebereich (100) liegen oder nicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks, mit den Schritten:

a) Empfangen eines Datensatzes, der das Werkstück in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten definiert,
b) Erzeugen einer Materialschicht mit einer definierten Oberfläche gebildet aus einem partikelförmigen Material,
c) Selektives Verfestigen des partikelförmigen Materials an der definierten Oberfläche mit Hilfe eines Strukturierungswerkzeugs unter Verwendung des Datensatzes, wobei aus der Materialschicht eine definierte Werkstückschicht aus der Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten erzeugt wird, und
d) Wiederholen der Schritte b) und c), wobei weitere definierte Werkstückschichten aus der Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten erzeugt werden,

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks, mit einer Fertigungsplattform, mit einem Strukturierungswerkzeug, mit einem Schichtbildungswerkzeug, mit einer Beleuchtungsanordnung, mit einer Kamera und mit einer Auswerte- und Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, die Fertigungsplattform und/oder das Strukturierungswerkzeug in Abhängigkeit von einem Datensatz, der das Werkstück in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten definiert, zu steuern, um eine Materialschicht mit einer definierten Oberfläche aus einem partikelförmigen Material auf der Fertigungsplattform zu erzeugen und selektiv zu verfestigen, wobei die Auswerte- und Steuereinheit ferner dazu eingerichtet ist, die definierte Oberfläche mit Hilfe der Beleuchtungsanordnung aus einer Vielzahl von verschiedenen Beleuchtungsrichtungen zu beleuchten und mit Hilfe der Kamera eine Vielzahl von Bildern von der definierten Oberfläche aufzunehmen, wobei die Bilder ein erstes Bild mit einer Vielzahl von ersten Pixelwerten, die die definierte Oberfläche mit einer Beleuchtung aus einer ersten Richtung repräsentieren, und zumindest ein weiteres Bild mit einer Vielzahl von weiteren Pixelwerten, die die definierte Oberfläche mit einer Beleuchtung aus zumindest einer weiteren Richtung repräsentieren, beinhalten, und unter Verwendung der entsprechenden Bilder ein aggregiertes Reflexbild von der definierten Oberfläche zu bestimmen, wobei ein Schwellenwert bereitgestellt ist, der einen Helligkeitswertebereich definiert und wobei die Auswerte- und Steuereinheit ferner dazu eingerichtet ist, die Differenzen in Abhängigkeit davon zu bilden, ob die weiteren Pixelwerte in dem Helligkeitswertebereich liegen oder nicht.
Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind dem Grunde nach aus DE 10 2013 214 320 A1 bekannt.
Additive Verfahren zur Herstellung von Werkstücken, wie sie beispielhaft in EP 2 548 718 A1 beschrieben sind, werden zum Teil als 3D-Druck bezeichnet. Es gibt verschiedene additive Herstellungsverfahren. Beim sogenannten selektiven Lasersintern (SLS) wird beispielsweise ein Pulverbett mit einer Vielzahl (üblicherweise metallischer) Pulverpartikel verwendet. Ausgewählte Pulverpartikel in dem Pulverbett werden mithilfe eines Laserstrahls geschmolzen und eine gewünschte Werkstoffstruktur wird so schichtweise aus dem Pulverbett hergestellt. Um möglichst homogene Werkstückschichten zu erhalten und Risse, Poren, Dellen u.a. zu vermeiden, ist es wünschenswert, die Qualität des Pulverbettes vor dem Schmelzen der Pulverpartikel zu inspizieren. Eine Schwierigkeit hierbei sind zahlreiche Reflektionen und Schattenwürfe, die durch die metallischen Pulverpartikel verursacht werden.
DE 10 2015 208 080 A1 offenbart ein Verfahren zur Reflexionskorrektur in einem Objektbild. Vorzugsweise wird das Verfahren im Zusammenhang mit digitalen mikroskopischen Bildern und entsprechenden Vorrichtungen verwendet. Das Objekt wird mit mindestens zwei verschiedenen Beleuchtungsmustern beleuchtet. Die verschiedenen Beleuchtungsmuster beinhalten insbesondere Beleuchtungen aus verschiedenen Richtungen. Anschließend wird eine Differenz zwischen korrespondierenden Pixelwerten von jeweils zwei Bildern bestimmt. Da das Objekt unverändert bleibt, während sich die Lichtreflexe an der Oberfläche des Objekts bei Beleuchtung aus unterschiedlichen Richtungen verändern, kann man auf diese Weise ein reflexionskorrigiertes Bild bestimmen. Das Verfahren eignet sich prinzipiell zum Inspizieren der Oberfläche eines Pulverbettes, wie es zur additiven Herstellung von Werkstücken verwendet wird, auch wenn DE 10 2015 208 080 A1 keinen Hinweis auf eine solche Anwendung enthält. Das Verfahren aus DE 10 2015 208 080 A1 besitzt in so einem Zusammenhang aber den Nachteil, dass Schatten in dem reflexionskorrigierten Bild verstärkt sind. Dies erschwert die Inspektion der Oberfläche.
DE 10 2015 208 087 A1 offenbart ein anderes Verfahren zum Erzeugen eines reflexionsreduzierten Bildes von einer Objektoberfläche. Auch in diesem Fall wird die Objektoberfläche aus verschiedenen Richtungen beleuchtet und die verschiedenen Beleuchtungsbilder werden durch Addition oder Subtraktion miteinander verrechnet, um ein korrigiertes Bild von der Objektoberfläche zu erhalten. Dieses Verfahren benötigt eine hohe Anzahl an Beleuchtungsmustern aus mehreren parallelen und orthogonalen Richtungen und beinhaltet zudem das Erstellen von mehreren Farbverlaufsbildern, was recht aufwändig ist.
DE 10 2016 108 079 A1 offenbart eine Vorrichtung, die dazu eingerichtet ist, ein Objekt aus mehreren Richtungen zu beleuchten. Um Artefakte aufgrund von Verunreinigungen bei der winkelselektiven Beleuchtung zu reduzieren, wird das Leuchtfeld jeder Beleuchtungsanordnung mithilfe eines Filters aufgeweitet. Zum Inspizieren einer Objektoberfläche mit starken Reflexionen und Schattenwürfen, wie etwa der Oberfläche eines metallischen Pulverbettes, sind die vorgenannten Verfahren nicht optimal.
Die eingangs genannte DE 10 2013 214 320 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum schichtweisen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts. Von einer frisch aufgetragenen und/oder von einer bereits selektiv verfestigten Pulverschicht werden zumindest zwei Bilder mit voneinander verschiedenen Beleuchtungsrichtungen aufgenommen. Dabei kommt es abhängig von der dreidimensionalen Struktur der Schichtoberfläche zu einer Schattenbildung und/oder durch Reflexion des einfallenden Lichts an schrägen Strukturen abhängig von deren Richtung zu einer erhöhten oder erniedrigten Helligkeit an den entsprechenden Stellen des Bildes. Dieser letzte Effekt ist besonders ausgeprägt bei der Verwendung von Metallpulver als Aufbaumaterial. Aus einer Auswertung der aufgenommenen Bilder werden Unregelmäßigkeiten der Schichtoberfläche bestimmt.
Die nachveröffentlichte DE 10 2018 127 754 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Inspizieren einer Objektoberfläche, insbesondere zum Inspizieren der Oberfläche eines Pulverbettes mit einer Vielzahl von Pulverpartikeln. Die Objektoberfläche wird aus einer ersten Richtung und aus zumindest einer weiteren Richtung beleuchtet. Mit einer Kamera werden ein erstes Bild und zumindest ein weiteres Bild aufgenommen. Das erste Bild besitzt eine Vielzahl von ersten Pixelwerten, die die Objektoberfläche mit der Beleuchtung aus der ersten Richtung repräsentieren. Das zumindest eine weitere Bild besitzt eine Vielzahl von weiteren Pixelwerten, die die Objektoberfläche mit der Beleuchtung aus der entsprechenden weiteren Richtung repräsentieren. Unter Verwendung der ersten und der weiteren Pixelwerte wird ein schattenkorrigiertes und/oder ein reflexionskorrigiertes Bild von der Objektoberfläche bestimmt.
DE 10 2015 212 837 A1 offenbart ein weiteres Verfahren zur Überwachung eines Prozesses zur pulverbettbasierten additiven Herstellung eines Bauteils und eine Anlage, die für ein solches Verfahren geeignet ist. Auch hier wird die Oberfläche aus mehreren Richtungen beleuchtet und schattierte Abbilder werden ausgewertet.
US 2019/0257766 A1 offenbart ein weiteres Verfahren, das einen Schichtdefekt davon abhängig macht, ob die Grauwerte eines synthetischen Gesamtbildes gleich sind oder nicht.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur additiven Herstellung von Werkstücken anzugeben, bei denen die Qualität der Materialschichten aus partikelförmigen Material möglichst prozessnah überwacht werden kann. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur additiven Herstellung von Werkstücken anzugeben, wobei das Auftreten von Rissen, Poren, Dellen, Schichtablösungen oder anderen Werkstückdefekten reduziert ist.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 13 gelöst.
Der Begriff „Kamera“ bezeichnet hier ganz allgemein eine Anordnung, die in der Lage ist, von der Oberfläche reflektierte Beleuchtungsanteile mit einer hinreichenden Ortsauflösung zu erfassen, um daraus dann eine räumliche Verteilung von Lichtreflexen zu bestimmen. Das neue Verfahren und die entsprechende Vorrichtung basieren auf der Idee, die räumliche Verteilung von Lichtreflexen an der Oberfläche der Materialschicht als eine charakteristische Kenngröße für die Qualität der Schichtoberfläche zu verwenden. Sind Lichtreflexe räumlich ungleichmäßig verteilt, deutet dies auf Inhomogenitäten bzw. Varianzen in der Oberfläche hin, insbesondere Varianzen hinsichtlich der Anzahl und/oder Dichte und/oder Varianzen in der Art und/oder Größe der Materialpartikel hin. Derartige Varianzen können beim selektiven Verfestigen zu lokalen Defekten führen, etwa weil größere Materialpartikel nicht hinreichend aufgeschmolzen werden oder weil an einer Stelle mit geringerer Partikeldichte sehr leicht Poren in der Werkstückschicht entstehen können. Variiert die Anzahl und/oder Intensität der Lichtreflexe entlang der Materialoberfläche, deutet dies auf entsprechende Varianzen in der Verteilung der Materialpartikel hin. In der selektiv verfestigten Oberfläche können ungleichmäßig verteilte Lichtreflexe auf bereits bestehende lokale Defekte hindeuten. In einigen Ausführungsbeispielen wird die Materialschicht in Abhängigkeit von der räumlichen Verteilung von Lichtreflexen bearbeitet, bevor das partikelförmige Material im Schritt c) selektiv verfestigt wird, um die Entstehung von Defekten aufgrund von Inhomogenitäten zu verhindern. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das Werkstück in Abhängigkeit von der räumlichen Verteilung von Lichtreflexen verworfen werden oder einer gesonderten Nachbearbeitung zur Beseitigung von Defekten zugeführt werden.
Die Bestimmung einer räumlichen Verteilung von Lichtreflexen ist eine sehr einfache und effiziente Möglichkeit, um die Homogenität der Materialschicht vor oder auch nach dem selektiven Verfestigen zu inspizieren. Daher macht dieser Ansatz es einfach möglich, die Inspektion der Materialoberfläche direkt in den Verfahrensablauf zu integrieren. Das Entstehen von Werkstückdefekten kann somit frühzeitig erkannt und ggf. verhindert werden. Vorteilhaft werden mehrere Bilder von der Objektoberfläche, die aus verschiedenen Richtungen beleuchtet wurde, miteinander verrechnet, um die Lichtreflexe in einem gemeinsamen Bild von der Oberfläche verstärkt darzustellen. Das aggregierte Reflexbild lässt sich sehr einfach und schnell bestimmen und kann daher sehr effizient in den Verfahrensablauf integriert werden. Es ermöglicht zudem eine schnelle Inspektion der Oberfläche in Bezug auf die Homogenität der Materialpartikel mit an sich bekannten Methoden der Bildauswertung.
Indem ein Schwellenwert bereitgestellt wird, der einen Helligkeitswertebereich definiert, und indem die Differenzen in Abhängigkeit davon gebildet werden, ob die weiteren Pixelwerte in dem Helligkeitswertebereich liegen oder nicht, kann die Verstärkung von Schatten bei der rechnerischen Bestimmung von Reflexionen oder umgekehrt die Verstärkung von Lichtreflexen bei der rechnerischen Korrektur von Schatten reduziert werden. Insbesondere können die weiteren Pixelwerte in Abhängigkeit davon, ob sie in dem ersten Helligkeitswertebereich liegen oder nicht, selektiv für die Berechnung von Differenzen von Pixelwerten verwendet werden.
In einer Ausgestaltung des neuen Verfahrens und der neuen Vorrichtung wird die Materialschicht bearbeitet, indem neues partikelförmiges Material hinzugefügt wird.
Das neue partikelförmige Material kann vorteilhaft aus einem Reservoir entnommen werden, das sowohl für die Erzeugung der ursprünglichen Materialschicht als auch zur Nachbearbeitung dieser Materialschicht zur Verfügung steht. Ein Vorteil liegt darin, dass nur ein Reservoir benötigt wird und dass für alle Materialschichten „dasselbe“ Material aus dem einen Reservoir verwendet wird, insbesondere etwa aus einer Produktionscharge. Dies kann vorteilhaft sein, um einen Schichtstapel mit gleichbleibenden Eigenschaften zu erzeugen und Schichtablösungen aufgrund Materialvarianzen zu vermeiden. Alternativ oder ergänzend hierzu kann das neue partikelförmige Material aber in einigen Ausführungsbeispielen aus einem „Reparaturreservoir“ entnommen werden. In diesen Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung also zwei oder mehr Reservoire mit partikelförmigen Material besitzen, wobei für die Nachbearbeitung einer Materialschicht Material aus einem anderen Reservoir verwendet werden kann als für den Grundaufbau der Materialschicht. Diese Ausführungsbeispiele besitzen den Vorteil, dass für die Nachbearbeitung ein Material zur Verfügung steht, das genau für diesen Zweck optimiert sein kann, indem es beispielsweise feinkörniger ist, um kleinere Poren besser aufzufüllen. Generell bietet die Ausgestaltung den Vorteil, dass eine inhomogene oder anderweitig mangelhafte Oberfläche mit Hilfe von neuem Material sehr zuverlässig korrigiert werden kann.
In einer Ausgestaltung des neuen Verfahrens und der neuen Vorrichtung wird die Materialschicht bearbeitet, indem partikelförmiges Material entfernt wird.
In dieser Ausgestaltung wird eine als inhomogen oder anderweitig mangelhaft erkannte Oberfläche korrigiert, indem vorhandenes Material aus dem Schichtstapel entfernt wird. Dies kann vorteilhaft sein, um Platz für neues partikelförmiges Material zu schaffen. Dementsprechend kann diese Ausgestaltung vorteilhaft mit der vorhergehenden Ausgestaltung kombiniert sein. Es ist im Rahmen dieser Ausgestaltung aber auch möglich, bestimmte Materialpartikel selektiv zu entfernen, um eine bessere Homogenität der Oberfläche zu erhalten. Beispielsweise können verklumpte Materialpartikel vorteilhaft entfernt werden, ohne dass es zwingend erforderlich ist, neues Material hinzuzufügen. Die Ausgestaltung trägt vorteilhaft dazu bei, eine gewünschte hohe Material- und Oberflächenqualität vor dem selektiven Verfestigen zu erhalten.
In einer weiteren Ausgestaltung wird die Materialschicht bearbeitet, indem das partikelförmige Material an der definierten Oberfläche durchmischt, verdichtet und/oder geglättet wird. Vorteilhaft kann dies mit einem Rechen, einem rollenden Gewicht und/oder einem Rakel erreicht werden.
Die Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, um lokale Schwankungen in der Partikeldichte zu beseitigen. Dichteschwankungen können beispielsweise entstehen, wenn sich partikelförmiges Material an einer bereits verfestigten Werkstückschicht aufstaut. Eine Nachbearbeitung der Materialoberfläche kann in so einem Fall sehr kostengünstig und effizient zur einer Verbesserung der Materialoberfläche führen.
In einer weiteren Ausgestaltung wird die räumliche Verteilung von Lichtreflexen an der definierten Oberfläche erneut bestimmt, nachdem die Materialschicht bearbeitet wurde und bevor das partikelförmige Material im Schritt c) selektiv verfestigt wird. Bevorzugt wird die räumliche Verteilung von Lichtreflexen an der definierten Oberfläche wiederholt bestimmt, bis die räumliche Verteilung von Lichtreflexen an der definierten Oberfläche ein definiertes Gleichmäßigkeitskriterium erfüllt.
Diese Ausgestaltung trägt dazu bei, die selektive Verfestigung des partikelförmigen Materials an der Oberfläche erst dann zu beginnen, wenn eine gewünschte Oberflächenqualität sichergestellt ist. Das Gleichmäßigkeitskriterium kann beispielsweise ein statistisches Kriterium beinhalten, wie etwa eine definierte Standardabweichung in Bezug auf die räumliche Verteilung der Lichtreflexe und/oder ein definiertes Histogramm. In bevorzugten Ausführungsbeispielen wird die Oberfläche so lange bearbeitet, bis das definierte Gleichmäßigkeitskriterium erfüllt ist, was ggf. durch wiederholtes Bestimmen der Verteilung von Lichtreflexen geprüft wird.
In einer weiteren Ausgestaltung wird im Schritt d) für jede weitere definierte Werkstückschicht aus der Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten eine jeweils aktuelle räumliche Verteilung von Lichtreflexen bestimmt, bevor das partikelförmige Material im Schritt c) selektiv verfestigt wird.
Mit dieser Ausgestaltung wird eine laufende Inspektion der Materialoberfläche in den Herstellungsprozess integriert. Die Ausgestaltung ermöglicht eine prozessnahe Optimierung der Produktionsparameter in Abhängigkeit von der Verteilung von Lichtreflexen. Die Ausgestaltung ist eine besonders effiziente Möglichkeit, um dem Auftreten von Rissen, Poren, Dellen, Schichtablösungen oder anderen Werkstückdefekten im additiven Herstellungsprozess zuvor zu kommen.
In einer weiteren Ausgestaltung wird die räumliche Verteilung von Lichtreflexen an der definierten Oberfläche mit Hilfe einer bidirektionalen Reflexionsverteilungsfunktion (BRDF) bestimmt wird, wobei die Materialschicht in Abhängigkeit von der bidirektionalen Reflexionsverteilungsfunktion bearbeitet wird.
Eine bidirektionale Reflexionsverteilungsfunktion stellt das Reflexionsverhalten der Materialoberfläche unter beliebigen Einfallswinkeln dar. Sie gibt für jeden auf der Oberfläche auftreffenden Lichtstrahl mit einem definierten Eintrittswinkel den Quotienten aus Strahlungsdichte und Bestrahlungsstärke für jeden austretenden Lichtstrahl an. Die bidirektionale Reflexionsverteilungsfunktion ist eine bekannte Funktion, um das Reflexionsverhalten einer Oberfläche zu beschreiben und sie kann daher unter Verwendung bekannter Algorithmen implementiert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung repräsentiert das aggregierte Reflexbild die räumliche Verteilung von Lichtreflexen.
Die Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass sie sehr einfach implementiert werden kann und sehr schnell eine aussagekräftige Repräsentation der Verteilung von Lichtreflexen liefert.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen werden außerdem ein reflexionskorrigiertes und/oder ein schattenkorrigiertes Bild von der Objektoberfläche bestimmt. Das reflexionskorrigierte Bild zeigt weniger Lichtreflexe und das schattenkorrigierte Bild zeigt weniger Schatten als ein Originalbild von der beleuchteten Oberfläche, so dass die individuellen Eigenschaften der Oberfläche noch besser zu sehen sind und die Oberfläche dementsprechend noch genauer inspiziert werden kann. Beispielsweise können in den bevorzugten Ausführungsbeispielen strukturschwache Unebenheiten der Objektoberfläche und kleine Unebenheiten leichter erkannt werden.
In den vorteilhaften Ausführungsbeispielen werden jeweils paarweise Differenzen zwischen den ersten Pixelwerten und den weiteren Pixelwerten bestimmt. Es ist aber auch möglich, Differenzen gruppenweise zu bilden, wie zum Beispiel zwischen Gruppen von ersten und zweiten Pixelwerten oder zwischen jeweils einem ersten Pixelwert und mehreren weiteren Pixelwerten.
Wie weiter unten ausgeführt wird, kann die Berücksichtigung der weiteren Pixelwerte bei der Bestimmung der korrigierten Pixelwerte vorteilhaft mithilfe einer Gewichtsfunktion implementiert werden, die einen zur Korrektur geeigneten Helligkeitswertebereich definiert.
In einer Ausgestaltung wird ein maximaler Helligkeitswert über alle ersten und weiteren Pixelwerte bestimmt, und der erste Helligkeitswertebereich wird relativ zu dem maximalen Helligkeitswert definiert.
In dieser Ausgestaltung werden die Pixelwerte aus dem ersten Bild und aus den weiteren Bildern auf einen über alle Pixelwerte bestimmten Maximalwert normiert. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine sehr effiziente Implementierung, da der Helligkeitswertebereich sehr einfach in Bruchteilen, wie etwa Prozentangaben, definiert werden kann..
In einer weiteren Ausgestaltung besitzt das aggregierte Reflexbild Pixelwerte, die unter Verwendung folgender Funktion bestimmt werden: ${UR}_{k} = 1 (J_{k} - l \leq 0) \cdot 1 (l - J_{k} \leq MH \cdot 0 .1) \cdot (I - J_{k}) / 0.1 / MH + 1 (l - J_{k} > 0 .1 \cdot MH),$
wobei die Funktion 1 (...) den Wert 1 liefert, wenn die in der Klammer angegebene Bedingung erfüllt ist, und den Wert 0 liefert, wenn die Bedingung in der Klammer nicht erfüllt ist, wobei I ein erster Pixelwert ist, wobei J_k ein weiterer Pixelwert ist, und wobei MH ein maximaler Helligkeitswert über alle ersten Pixelwerte und alle weiteren Pixelwerte ist.
Wie nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert ist, ermöglicht diese Funktion eine sehr schnelle und effiziente Bestimmung eines aggregierten Reflexbildes. Zusätzlich kann mit dieser Funktion auch sehr schnell ein reflexkorrigiertes Bild bestimmt werden, weshalb diese Ausgestaltung eine sehr gründliche Inspektion der Materialoberfläche ermöglicht. Potentielle Defekte in und zwischen den Werkstückschichten können sehr effizient erkannt werden.
In einigen Ausführungsbeispielen beinhaltet das Aufnehmen von zumindest einem weiteren Bild von der Objektoberfläche das Aufnehmen einer Vielzahl von weiteren Bildern, wobei die Vielzahl der weiteren Bilder jeweils mit einer anderen Beleuchtung der Objektoberfläche aufgenommen werden, und wobei die ersten korrigierten Pixelwerte in Abhängigkeit von der Vielzahl von weiteren Bildern bestimmt werden. Vorteilhaft können zwei weitere Bilder von der Objektoberfläche aufgenommen werden und die Objektoberfläche wird bei der Aufnahme des ersten Bildes und bei der Aufnahme der zwei weiteren Bilder aus drei benachbarten bzw. seitlich zueinander versetzten, insbesondere parallel versetzten, Richtungen beleuchtet. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Objektoberfläche aus vier verschiedenen „Hauptrichtungen“ beleuchtet, von denen jeweils zwei Hauptrichtungen entgegengesetzt zueinander liegen und die jeweils anderen zwei Hauptrichtungen quer dazu. Mit anderen Worten wird die Objektoberfläche in diesem Ausführungsbeispiel aus vier umfänglich verteilten Hauptrichtungen beleuchtet. Innerhalb jeder Hauptrichtung wird die Beleuchtung in zumindest drei „Teilrichtungen“ unterteilt, wobei die Teilrichtungen einer Hauptrichtung seitlich versetzt zueinander liegen. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Objektoberfläche also aus zwölf Beleuchtungsrichtungen beleuchtet, von denen jeweils drei seitlich versetzt, etwa parallel versetzt, zueinander liegen und entweder quer, insbesondere orthogonal, oder entgegengesetzt zu den anderen Beleuchtungsrichtungen sind. Ein solches Ausführungsbeispiel ist besonders vorteilhaft zum Inspizieren einer Objektoberfläche, von der man erwartet, dass sie weitgehend homogen in Bezug auf alle Beleuchtungsrichtungen erscheint. Zum Inspizieren von Objektoberflächen, bei denen man eine Inhomogenität bzw. definierte Eigenschaften in einer oder mehreren Vorzugsrichtungen erwartet, kann es hingegen vorteilhaft sein, die erste Beleuchtungsrichtung und die Vielzahl der weiteren Beleuchtungsrichtungen in Abhängigkeit von der Vorzugsrichtung und/oder der erwarteten Inhomogenität zu verteilen. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Objektoberfläche aus drei oder vier verschiedenen Richtungen beleuchtet werden, die um die Objektoberfläche herum verteilt sind, ohne dass es auf eine exakte Anordnung der Lichtquellen relativ zueinander ankommt. Dementsprechend können Lichtquellen in diesen Ausführungsbeispielen relativ einfach in den zur Verfügung stehenden Bauraum oberhalb der Fertigungsplattform eingebaut werden. Beispielsweise kann die Beleuchtungsanordnung also drei Lichtquellen beinhalten, die voneinander in Umfangsrichtung der Fertigungsplattform beabstandet sind, wobei der Abstand zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Lichtquellen im Bereich zwischen 80° und 140° liegt. Beispielsweise kann die Beleuchtungsanordnung also drei Lichtquellen beinhalten, die in Umfangsrichtung zu der Fertigungsplattform in etwa 120° voneinander beabstandet sind. Alternativ oder ergänzend könnte die Beleuchtung aus mehreren Richtungen mit einem Ringlicht mit einer Vielzahl ringförmig zueinander angeordneter Lichtquellen realisiert sein, die einzeln oder segmentweise eingeschaltet werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung beinhalten die Vielzahl von verschiedenen Beleuchtungsrichtungen zumindest zwei verschiedene Beleuchtungsrichtungen, die weitgehend parallel und seitlich versetzt zueinander liegen.
In dieser Ausgestaltung wird die Objektoberfläche aus zumindest zwei Beleuchtungsrichtungen beleuchtet, die im Wesentlichen parallel zueinander liegen. Die Ausgestaltung trägt dazu bei, Lichtreflexe in definierter Weise „seitlich wandern“ zu lassen, was eine sehr effiziente Differenzbildung ermöglicht. Besonders vorteilhaft ist eine Implementierung mit drei seitlich versetzten, im Wesentlichen parallelen Beleuchtungen, wobei das erste Bild dann einen „rechten Nachbarn“ und einen „linken Nachbarn“ erhält und Reflexe oder auch Schattenwürfe durch Differenzbildung der drei Bilder sehr wirkungsvoll verstärkt oder minimiert werden können. Die Bezeichnung „rechter Nachbar“ verweist in diesem Zusammenhang auf ein weiteres Bild der Objektoberflächen, das mit einer nach rechts versetzten Beleuchtung aufgenommen wurde. Entsprechendes gilt für die Bezeichnung „linker Nachbar“.
Alternativ oder ergänzend kann die zumindest eine weitere Richtung eine zweite Richtung beinhalten, die weitgehend orthogonal zu der ersten Richtung liegt. Diese Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass Schattenwürfe und Reflexe an linear ausgedehnten Strukturen wirkungsvoll minimiert werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung wird die Objektoberfläche mit Licht beleuchtet, das überwiegend rote Farbwellenlängen besitzt.
In dieser Ausgestaltung dominieren langwellige Lichtanteile aus dem sichtbaren Spektralbereich gegenüber Lichtanteilen im mittleren (grünen) und kürzeren (blauen) Wellenlängenbereich. Dementsprechend kann die Beleuchtung vorteilhaft mit Wellenlängen oberhalb von etwa 500nm und vorzugsweise oberhalb von etwa 600nm erfolgen. Die Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass langwelliges Licht für stärkere Reflexe sorgt, wenn es auf mikrostrukturierte Oberflächen trifft, wie dies insbesondere bei der rauen Oberfläche von Metallpartikeln der Fall ist. Somit ist die Reflexdichte in dieser Ausgestaltung ein besonders gutes Maß für die Dichte der Partikel.
In einer weiteren Ausgestaltung wird eine Gewichtsfunktion bestimmt, die repräsentiert, ob ein ausgewählter weiterer Pixelwert in dem ersten Helligkeitswertebereich liegt oder nicht, und die Differenzen zwischen den ersten Pixelwerten und den weiteren Pixelwerten werden mit der Gewichtsfunktion gewichtet, um die korrigierten Pixelwerte zu bestimmen.
Diese Ausgestaltung ermöglicht einen „gleitenden Übergang“ zwischen Pixelwerten, die zur Bestimmung des korrigierten Bildes verwendet werden, und solchen, die zur Bestimmung des aggregierten Bildes unberücksichtigt bleiben. Dies trägt dazu bei, künstliche Artefakte in dem aggregierten Bild zu reduzieren. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Gewichtsfunktion stetige und differenzierbare Flanken aufweist, die den Helligkeitswertebereich definieren, da hierdurch ein „weicher“ Übergang bei der Auswahl der zur Bestimmung des aggregierten Bildes verwendeten Pixel erreicht wird.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung,
2 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels des neuen Verfahrens,
3 ein Flussdiagramm zur Erläuterung der Inspektion der Materialoberfläche bei dem verfahren aus 2, und
4 beispielhafte Gewichtsverläufe, die bei der Inspektion gemäß 3 Verwendung finden können.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 besitzt eine Fertigungsplattform 12, auf der ein Werkstück 14 gemäß einem Ausführungsbeispiel des neuen Verfahrens additiv hergestellt wird. Das Werkstück 14 wird in zeitlich aufeinanderfolgenden Schritten schichtweise von unten nach oben aus einem Materialstapel aufgebaut. Bei der Bezugsziffer 16 ist eine momentan oberste Werkstückkontur bzw. oberste Werkstückschicht angedeutet. Eine oberste Materialschicht, aus der die Werkstückschicht 16 erzeugt wird, ist mit der Bezugsziffer 18 bezeichnet.
Nach Fertigstellung einer jeweiligen Werkstückschicht 16 wird eine neue Materialschicht 18 aus einem pulverförmigen Material 21, etwa einem metallischen, Kunststoff- und/oder Keramikmaterial, mithilfe eines Rakels 20 auf dem Schichtstapel 22 verteilt. Typischerweise wird die Fertigungsplattform 12 dafür in Richtung des Pfeils 24 um die Höhe der nächsten Materialschicht abgesenkt und das partikelförmige Material 21 wird aus einem Reservoir 26 entnommen und mit Hilfe des Rakels 20 auf dem vorhandenen Schichtstapel 22 verteilt. Andere Ausführungsbeispiele können die Ausbringung eines Werkstückmaterials ohne Rakel beinhalten, wie etwa eine lokal-selektive Zuführung eines Werkstückmaterials 26 mit einem Werkzeugkopf (hier nicht dargestellt), der relativ zu der Fertigungsplattform bewegbar ist.
Bei der Bezugsziffer 28 ist hier ein Strukturierungswerkzeug vereinfacht dargestellt. In einigen Ausführungsbeispielen erzeugt das Strukturierungswerkzeug 28 einen Laserstrahl 30 und bewegt diesen relativ zu der Fertigungsplattform 12 und der zu strukturierenden Materialschicht 18. Mit dem Laserstrahl 30 werden die Materialpartikel selektiv aufgeschmolzen, so dass sie sich mit dem Abkühlen verfestigen.
In anderen Ausführungsbeispielen kann das Strukturierungswerkzeug 28 einen Elektronenstrahl erzeugen, um eine Werkstückschicht auf der Fertigungsplattform 12 zu strukturieren. Des Weiteren könnte das Strukturierungswerkzeug 28 in weiteren Ausführungsbeispielen alternativ oder ergänzend zu dem Energiestrahl 30 ein Werkstückmaterial lokal-selektiv auf der Fertigungsplattform 12 bzw. der obersten Werkstückschicht 16 ausbringen, beispielsweise in Form eines Materialpulvers, das in ein Schmelzbad eingebracht wird. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung 10 mehr als ein Strukturierungswerkzeug 28 beinhalten, also etwa zwei oder mehr Laser- und/oder Elektronenstrahlen zum Erzeugen einer Werkstückschicht verwenden.
Das Strukturierungswerkzeug 28, im Folgenden zum Teil einfach als Schreiblaser bezeichnet, ist mit einer Steuerung 32 verbunden, die die Bewegung des Laserstrahls 30 entlang der Materialoberfläche steuert. Die Steuerung 32 besitzt eine Schnittstelle 34, über die ein Datensatz 36 eingelesen werden kann, der das herzustellende Werkstück 14 in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Schichten definiert. Mit anderen Worten steuert die Steuerung 32 die Bewegung des Laserstrahls 30 in Abhängigkeit von dem Datensatz 36, wobei der Laserstrahl 30 in jeder herzustellenden Werkstückschicht 16 eine jeweilige Trajektorie beschreibt, die sich aus dem Datensatz 36 ergibt. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Steuerung 32 mithilfe handelsüblicher Personal Computer realisiert, auf denen ein handelsübliches Betriebssystem, wie etwa Microsoft Windows, MacOS oder Linux, und ein oder mehrere Steuerprogramme 37, mit denen Ausführungsbeispiele des neuen Verfahrens implementiert sind, ausgeführt werden. In einigen Fällen kann die Steuerung 32 als Soft-SPS auf einem handelsüblichen PC realisiert sein. Alternativ oder ergänzend kann Steuerung 32 mithilfe dedizierter Steuerungshardware in Form von einem oder mehrere ASICs, FPGAs, Mikrocontrollern, Mikroprozessoren oder vergleichbaren Logikschaltkreisen realisiert sein.
Die Vorrichtung 10 besitzt ferner eine Messanordnung, die dazu eingerichtet ist, die Oberfläche des Schichtstapels 22 zu inspizieren. Die Messanordnung beinhaltet hier eine Beleuchtungsanordnung 38 und eine Kamera 40, die jeweils mit der Steuerung 32 (oder einer separaten Steuerung für die Messanordnung, hier nicht dargestellt) verbunden sind. Die Kamera 40 ist dazu eingerichtet, mehrere Bilder von der Oberfläche des Materialstapels 22 aufzunehmen, während die Oberfläche aus den unterschiedlichen Richtungen beleuchtet wird. Zu diesem Zweck beinhaltet die Beleuchtungsanordnung 38 hier eine Vielzahl von Beleuchtungsmodulen 38a - 38f, die an verschiedenen Positionen relativ zu der Fertigungsplattform 12 angeordnet sind. Alternativ oder ergänzend kann die Beleuchtungsanordnung 38 relativ zu der Fertigungsplattform 12 bewegbar sein, um die Materialoberfläche aus verschiedenen Richtungen zu beleuchten. Beispielsweise könnte die Fertigungsplattform 12 auf einem Drehtisch angeordnet sein.
In 1 sind drei Beleuchtungsmodule 37a, 38b, 38c nebeneinander angeordnet. Die Beleuchtungsmodule 37a, 38b, 38c sind somit in der Lage, drei weitgehend parallel verlaufende Beleuchtungsrichtungen 42a, 42b (hier nicht dargestellt), 42c zu erzeugen. Drei weitere Beleuchtungsmodule 37d, 38e, 38f sind hier quer zu den Beleuchtungsmodulen 37a, 38b, 38c und parallel zueinander an einer zweiten Seite der Fertigungsplattform 12 angeordnet. Die Beleuchtungsmodule 37d, 38e, 38f können drei weitere Beleuchtungsrichtungen 42d (hier nicht dargestellt), 42e, 42f erzeugen. In einigen Ausführungsbeispielen besitzt die Vorrichtung 10 sechs weitere Beleuchtungsmodule (hier nicht dargestellt), von denen drei gegenüber den Beleuchtungsmodulen 38a-38c und drei weitere gegenüber den Beleuchtungsmodulen 38d-38f angeordnet sein können. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Vorrichtung 10 in der Lage, die Materialoberfläche aus zumindest drei verschiedenen Hauptrichtungen zu beleuchten. In einigen Ausführungsbeispielen können die Hauptrichtungen jeweils drei parallel zueinander versetzte Beleuchtungsteilrichtungen beinhalten, weil dies eine besonders schnelle und detailgetreue Rekonstruktion der Materialoberfläche ermöglicht.
Alternativ oder ergänzend zu der in 1 dargestellten Anordnung könnte die Vorrichtung 10 ein Ringlicht mit einer Vielzahl von einzeln und/oder segmentweise ansteuerbaren Lichtquellen besitzen, wobei das Ringlicht (hier nicht dargestellt) beispielsweise oberhalb von der Fertigungsplattform 12 und vorzugsweise um den Materialstapel 22 herum angeordnet ist, um eine Beleuchtung der Objektoberfläche 18 aus verschiedenen Richtungen zu ermöglichen.
Im Folgenden wird unter ergänzender Bezugnahme auf die 2 und 3 ein Ausführungsbeispiel des neuen Verfahrens erläutert. Gemäß Schritt 50 wird in die Steuerung 32 ein Datensatz 36 eingelesen, der das Werkstück 14 in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten 16 definiert. Gemäß Schritt 52 wird eine Materialschicht 18 auf dem Schichtstapel 22 erzeugt. Beispielsweise kann die Steuerung 32 zu diesem Zweck partikelförmiges Material 21 mit Hilfe des Rakels 20 aus dem Reservoir 26 entnehmen und auf dem Schichtstapel 22 verteilen. Die Verteilung des partikelförmiges Materials 21 soll üblicherweise gleichmäßig und möglichst homogen sein.
Gemäß Schritt 54 wird dann die Oberfläche der neuen Materialschicht 18 mit Hilfe der Messvorrichtung 38, 40 inspiziert, um etwaige Inhomogenitäten, wie Wellen, Aufhäufungen, Dichtevariationen in dem partikelförmigen Material u.a. zu erkennen. Entspricht die Oberfläche der neuen Materialschicht 18 den gewünschten Kriterien, verzweigt das Verfahren gemäß Schritt 56 zum Schritt 58, in dem eine neue Werkstückschicht 16 in der obersten Materialschicht 18 mit Hilfe des Strukturierungswerkzeugs 28 erzeugt wird. Entspricht die Oberfläche der neuen Materialschicht 18 den gewünschten Kriterien nicht, verzweigt das Verfahren gemäß Schleife 60 zurück zum Schritt 52, um die Oberfläche der neuen Materialschicht 18 nachzuarbeiten oder komplett neu zu erzeugen. Gemäß Schritt 62 werden die Schritte 52 - 58 wiederholt, bis das Werkstück 14 entsprechend dem Datensatz 36 fertiggestellt ist.
3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für den Verfahrensschritt 54 aus 2. Vorzugsweise wird die Objektoberfläche der Materialschicht 18 hier mit kurzwelligem Licht aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet. Dementsprechend besitzt die Beleuchtungsanordnung 38 hier vorwiegend bläulich leuchtende Lichtquellen. Gemäß Schritt 64 wird die Objektoberfläche aus einer ersten Richtung beleuchtet. Die erste Richtung kann beispielsweise die Beleuchtungsrichtung 42a gemäß 1 sein. Mithilfe der Kamera 40 wird gemäß Schritt 66 ein erstes Bild I von der beleuchteten Objektoberfläche aufgenommen. Anschließend wird die Objektoberfläche gemäß Schritt 68 aus einer weiteren Richtung beleuchtet, beispielsweise aus der Beleuchtungsrichtung 42c gemäß 1. Mithilfe der Kamera 40 wird gemäß Schritt 70 ein weiteres Bild J_k von der Objektoberfläche aufgenommen, während die Objektoberfläche aus der weiteren Richtung 42c beleuchtet wird. Gemäß Schritt 72 erfolgt dann eine Entscheidung, ob noch weitere Bilder von der Objektoberfläche mit Beleuchtungen aus weiteren Richtungen aufgenommen werden sollen, etwa aus den Beleuchtungsrichtungen 42e, 42f gemäß 1. Ggf. springt das Verfahren gemäß Schleife 74 zu Schritt 68 zurück. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen werden zumindest zwei weitere Bilder J₁ und J₂ aufgenommen, wenngleich eine höhere Anzahl k an weiteren Bildern J_k vorteilhaft sein kann.
Nach der Aufnahme aller gewünschten Bilder I, J_k wird in Schritt 76 ein maximaler Helligkeitswert MH über alle Pixelwerte der aufgenommen Bilder I, J_k bestimmt. Der maximale Helligkeitswert MH wird nachfolgend bei der Bestimmung eines aggregierten Reflexbildes und vorteilhaft auch bei der Bestimmung eines schattenkorrigierten Bildes und/oder eines reflexkorrigierten Bildes von der Objektoberfläche verwendet, um die Pixelwerte in den Bildern I, J_k als relative Helligkeiten, beispielsweise zwischen 0 und 1, betrachten zu können. In anderen Ausführungsbeispielen kann Schritt 76 entfallen und die Pixelwerte der Bilder I, J_k können als absolute Werte verwendet werden.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 wird in den Schritten 78 bis 88 ein schattenkorrigiertes Bild SC von der Objektoberfläche bestimmt, während in den Schritten 90 bis 98 ein aggregiertes Reflexbild RI und zusätzlich noch ein reflexkorrigiertes Bild RC von der Objektoberfläche 18 bestimmt wird. Die Schritte 78 bis 88 und die Schritte 90 bis 98 sind in 3 parallel zueinander dargestellt und können prinzipiell parallel zueinander ausgeführt werden, wenn die Steuerung 32 eine entsprechende Parallelverarbeitung ermöglicht. Alternativ hierzu können die Schritte 78 bis 88 einerseits und andererseits die Schritte 90 bis 96 und ggf. 98 nacheinander ausgeführt werden und es ist ebenso möglich, lediglich ein aggregiertes Reflexbild gemäß den Schritten 90 - 96 zu bestimmen, um in Anschluss daran individuelle Eigenschaften der Oberfläche 18 zu bestimmen.
Gemäß Schritt 78 werden ein erster Indikatorwert US_k und ein zweiter Indikatorwert VS_k bestimmt. Vorteilhaft kann der Indikatorwert US_k folgendermaßen bestimmt werden: ${US}_{k} = 1 (l - J_{k} \leq 0) \cdot 1 (J_{k} - I \leq MH \cdot 0 .1) \cdot (J_{k} - I) / 0.1 / MH + 1 (J_{k} - I > 0 .1 \cdot MH),$
wobei die Funktion 1 (...) den Wert 1 liefert, wenn die in der Klammer angegebene Bedingung erfüllt ist, und den Wert 0 liefert, wenn die Bedingung in der Klammer nicht erfüllt ist. Der Indikatorwert US_k wird für alle korrespondierenden Pixelpaare der Bilder I, J_k, die bei der Bestimmung des schattenkorrigierten Bildes SC ausgewertet werden sollen, bestimmt und besitzt den Wert 1, wenn ein betrachtetes Pixel in einem Bild J_k um mehr als 10 % heller ist als das entsprechende Pixel in dem Bild I. Der Prozentwert bezieht sich dabei auf den maximalen Helligkeitswert MH und er bildet einen Schwellenwert, der eine Grenze eines Helligkeitswertebereichs definiert.
Der hier angenommene Schwellenwert in der Größe von 10 % ist beispielhaft und kann in anderen Ausführungsbeispielen kleiner oder größer gewählt werden. Für relative Helligkeiten eines betrachteten Pixels in dem Bild J_k zwischen 0 und dem angenommenen Schwellenwert wird durch die obige Formel ein stetiger Übergang realisiert. Grob gesagt signalisiert der Indikatorwert US_k mit dem Wert 1, wenn ein betrachtetes Pixel in einem Bild J_k heller ist als das entsprechende Pixel in dem ersten Bild I, wobei aufgrund des Schwellenwertes von 10 % gewährleistet ist, dass jeweils ein „deutlicher“ Unterschied in der Helligkeit zwischen den betrachteten Bildpixeln besteht.
Der zweite Indikatorwert VS_k wird vorteilhaft folgendermaßen berechnet: ${VS}_{k} = 1 (0 .1 \leq BL - J_{k} / MH) + 1 (0.1 > BL - J_{k} / MH) \cdot 1 (J_{k} / MH \leq BL) \cdot (1 + ((BL - 0.1) - J_{k} / MH) / 0.1),$
wobei BL (Bright Limit) einen weiteren Schwellenwert definiert. Der Indikatorwert VS_k besitzt den Wert 1, wenn das betrachtete Pixel in dem Bild J_k einen relativen Helligkeitswert zwischen mindestens 0 und einem Maximalwert besitzt, der hier beispielsweise 10 % von MH unterhalb des Schwellenwerts BL ·MH liegt. Auch hier wird im Übergang zu dem oberen Schwellenwert BL vorteilhaft eine stetige Verbindung realisiert. Grob gesagt nimmt der Indikatorwert VS_k den Wert 1 an, wenn der Pixelwert eines betrachteten Pixels in einem Bild J_k zwischen 0 und dem oberen Schwellenwert definiert durch BL liegt.
Gemäß Schritt 80 wird ein kombinierter Indikatorwert WS_k gemäß folgender Formel ${WS}_{k} = {({US}_{k} \cdot {VS}_{k})}^{1 / 2}$
aus den zuvor genannten Indikatorwerten bestimmt. Der kombinierte Indikatorwert WS_k verhindert, dass ein betrachtetes Pixel in einem Bild J_k in die weitere Rechnung einbezogen wird, wenn es zu hell oder zu dunkel ist. Der Exponent ½ repräsentiert hier eine Quadratwurzeloperation, die sich in einem Ausführungsbeispiel bei der Inspektion eines Metallpulvers als vorteilhaft gezeigt hat. Das Produkt kann prinzipiell aber auch ohne weitere Operation bestehen bleiben oder mit anderen Exponenten p<1 potenziert werden. Es kann darüber hinaus Anwendungen geben, bei denen Exponenten p>1 besser sind. Je nachdem ob der Exponent p>1 ist, wird ein Verlauf mit Werten nahe Null geglättet, oder bei Exponenten p<1 wird ein Verlauf mit Werten nahe 1 geglättet. Es ist also applikativ ein Exponent p>0 möglich. Besonders vorteilhaft ist ein Exponent 0<p≤1.
4 zeigt beispielhaft drei verschiedene Gewichtsverläufe des kombinierten Indikatorwertes WS_k, wobei hier der obere Schwellenwert durch BL = 0,6 definiert wurde. Die durchgezogene Linie zeigt den Gewichtsverlauf für den Fall, dass das betrachtete Pixel in dem ersten Bild I schwarz ist, also den Pixelwert 0 besitzt. Die gestrichelte Linie zeigt den Fall, dass das betrachtete Pixel in dem ersten Bild I einen relativen Helligkeitswert von 0,3 besitzt. Die gepunktete Linie zeigt den Fall, dass das betrachtete Pixel in dem ersten Bild I einen relativen Helligkeitswert von 0,45 besitzt. Wie man anhand 4 erkennen kann, definiert der kombinierte Indikatorwert WS_k einen Helligkeitswertebereich 100, der hier relativ zu dem maximalen Helligkeitswert MH in Prozent angegeben ist.
Gemäß Schritt 82 wird nun für alle betrachteten Pixelpaare in den Bildern I und J_k eine Differenz RS_k gebildet, wobei diese Differenz mit dem kombinierten Indikatorwert WS_k gemäß nachfolgender Formel gewichtet wird ${RS}_{k} = (I - J_{k}) \cdot {WS}_{k}$
Die Differenzwerte RS_k bilden jeweils einen Korrekturvektor für ein Pixel im ersten Bild, der mit dem kombinierten Indikatorwert WS_k gewichtet ist.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen werden die Korrekturvektoren RS_k gemittelt, um ein schattenkorrigiertes Bild SC zu bestimmen. Aus diesem Grund wird im Schritt 84 ein Faktor Z gemäß folgender Formel bestimmt: $Z = 1 / sum ({WS}_{k}, k) .$
Die Mittelung der Korrekturvektoren erfolgt hier vorteilhaft mithilfe der Summe der kombinierten Indikatorwerte WS_k. Gemäß Schritt 86 wird vorteilhaft ein Dämpfungsfaktor in der Form des maximalen kombinierten Indikatorwertes über alle kombinierten Indikatorwerte WS_k bestimmt, d.h. $M = max ({WS}_{k}, k)$
Gemäß Schritt 88 wird dann ein schattenkorrigiertes Bild gemäß folgender Formel bestimmt: $SC = I - Gaussfilt (sum ({RS}_{k}, k) \cdot M,1) .$
Hierbei bezeichnet die Funktion Gaussfilt(..., 1) ein Gaussfilter mit einer Standardabweichung, die hier beispielsweise mit 1 angenommen ist. Prinzipiell könnte der Wert für die Standardabweichung abweichend gewählt werden.
Dementsprechend wird im Schritt 88 ein schattenkorrigiertes Bild bestimmt, indem eine Differenz zwischen den Pixelwerten im ersten Bild I und korrespondierenden Pixelwerten in einem gewichteten und gefilterten Korrekturbild bestimmt wird. Das Korrekturbild ergibt sich hier aus der Gauss-gefilterten Summe aller Korrekturvektoren, wobei die Korrekturvektoren wiederum mit dem kombinierten Indikatorwert WS_k gewichtet sind. Durch den Schwellenwert BL wird erreicht, dass sich die Reflexe in den Bildern I, J_k bei der Bestimmung des schattenkorrigierten Bildes SC nicht in unerwünschter Weise aufaddieren. Die Filterung im abschließenden Schritt 88 vermeidet oder verringert künstliche Artefakte. Durch die Multiplikation der summierten Korrekturvektoren mit dem Maximum des kombinierten Indikatorwertes gemäß Schritt 86 werden sprunghafte Änderungen der summierten Korrektur weitgehend vermieden.
Die Bestimmung eines aggregiertes Reflexbildes und - vorzugsweise - eines reflexkorrigierten Bildes erfolgt auf ähnliche Weise, wobei in Schritt 90 zunächst ein Indikatorwert UR_k gemäß folgender Formel berechnet wird: ${UR}_{k} = 1 (J_{k} - l \leq 0) \cdot 1 (l - J_{k} \leq MH \cdot 0 .1) \cdot (I - J_{k}) / 0.1 / MH + 1 (l - J_{k} > 0 .1 \cdot MH) .$
Demnach geht ein betrachtetes Pixel in den Bildern J_k in die Korrektur des ersten Bildes I ein, wenn sein Helligkeitswert dunkler ist als der Helligkeitswert des korrespondierenden Pixels in dem ersten Bild I. Des Weiteren wird in Schritt 90 ein Indikatorwert VR_k gemäß folgender Formel berechnet: ${VR}_{k} = 1 (J_{k} / MH > DL + 0.1) + 1 (J_{k} / MH > DL) \cdot 1 (J_{k} / MH \leq DL + 0 .1) \cdot (J_{k} / MH - DL) / 0.1.$
Das betrachtete Pixel in den Bildern J_k soll eine Mindesthelligkeit besitzen, die hier durch den Schwellenwert DL (Dark Limit) eingestellt ist.
Mit anderen Worten soll ein betrachtetes Pixel in den Bildern J_k in einem zweiten Helligkeitswertebereich liegen, der gemäß Schritt 92 wiederum mithilfe eines kombinierten Indikatorwertes WR_k definiert wird. Beispielsweise wird der kombinierte Indikatorwert WR_k gemäß folgender Formel berechnet: ${WR}_{k} = {({UR}_{k} \cdot {VR}_{k})}^{1 / 2} .$
Gemäß Schritt 94 werden die korrespondierenden Pixelwerte in dem ersten Bild I und in den weiteren Bildern J_k für alle k voneinander subtrahiert und mit dem kombinierten Indikatorwert WR_k gewichtet. Mit anderen Worten werden im Schritt 94 Korrekturvektoren RR_k gemäß folgender Formel berechnet: ${RR}_{k} = (I - J_{k}) \cdot {WR}_{k} .$
Im Schritt 96 wird nun ein aggregiertes Reflexbild berechnet, indem das Maximum der Korrekturvektoren RR_k über alle k Bilder bestimmt wird: $RI = max ({RR}_{k}, k) .$
Das aggregierte Reflexbild ist somit ein aus den Bildern I, J_k berechnetes Ersatzbild, das im Wesentlichen die Reflexe an der Oberfläche der Materialschicht 18 zeigt. Dieses Reflexbild zeigt die räumliche Verteilung der Lichtreflexe an der Materialoberfläche und ist damit repräsentativ für die Homogenität der Verteilung der Materialpartikel.
Im Schritt 98 wird hier dann vorteilhaft noch ein reflexkorrigiertes Bild nach folgender Formel berechnet: $RC = I - RI .$
Mit anderen Worten wird das reflexkorrigierte Bild berechnet, indem die Pixelwerte des aggregierten Reflexbildes von den Pixelwerten des ersten Bildes I subtrahiert werden. Da das aggregierte Reflexbild die Reflexe an der Oberfläche repräsentiert, werden die Lichtreflexe in dem ersten Bild durch die Subtraktion weitgehend eliminiert. Bei der Reflexionskorrektur wird hier - im Unterschied zu der Schattenkorrektur - die maximale Wirkung vorteilhaft verwendet, da Reflexe typischerweise lokal begrenzt und zum Teil auch stark übersteuert sind. Alternativ kann hier aber in entsprechender Weise wie bei der Schattenkorrektur mit einem Gaussfilter gearbeitet werden.
Gemäß Schritt 102 werden individuelle Eigenschaften der Materialoberfläche 18, wie Unebenheiten, individuelle Partikelgrößen der Pulverpartikel und/oder die Homogenität der Verteilung der Pulverpartikel bestimmt. Insbesondere wird hier geprüft, ob die räumliche Verteilung der Lichtreflexe in dem aggregierten Reflexbild ein definiertes Gleichmä-ßigkeitskriterium erfüllt. Wenn dies der Fall ist, wird gemäß Schritt 58 (2) eine Werkstückschicht 16 erzeugt.
In einer Abwandlung oder Ergänzung des Verfahrens kann die Inspektion der Oberfläche gemäß Schritt 54, insbesondere die Bestimmung eines aggregierten Reflexbildes, nach dem Erzeugen der Werkstückschicht gemäß Schritt 58 erfolgen, was in 2 bei der Bezugsziffer 54' angedeutet ist. Dementsprechend kann die Homogenität der zuvor erzeugten Werkstückschicht mit Hilfe eines aggregierten Reflexbildes bzw. mit Hilfe der räumlichen Verteilung von Lichtreflexen inspiziert werden. In Abhängigkeit von der räumlichen Verteilung von Lichtreflexen an der erzeugten Werkstückschicht kann das Werkstück nachbearbeitet werden, um etwaige Defekte zu korrigieren, oder das teilfertige Werkstück wird verworfen, wenn es Defekte aufweist, die eine erfolgreiche Korrektur aus wirtschaftlichen und/oder technischen Gründen nicht erwarten lassen. In einigen Ausführungsbeispielen kann der Schritt 54' an die Stelle des Schrittes 54 treten.

Claims

Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks (14), mit den Schritten: a) Empfangen eines Datensatzes (36), der das Werkstück (14) in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten definiert, b) Erzeugen einer Materialschicht (18) mit einer definierten Oberfläche gebildet aus einem partikelförmigen Material (21), c) Selektives Verfestigen des partikelförmigen Materials (21) an der definierten Oberfläche mit Hilfe eines Strukturierungswerkzeugs (28) unter Verwendung des Datensatzes (36), wobei aus der Materialschicht (18) eine definierte Werkstückschicht (16) aus der Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten erzeugt wird, und d) Wiederholen der Schritte b) und c), wobei weitere definierte Werkstückschichten aus der Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten erzeugt werden, wobei die definierte Oberfläche aus einer Vielzahl von verschiedenen Beleuchtungsrichtungen (42a, 42c, 42e, 42f) beleuchtet wird, wobei für die Vielzahl von verschiedenen Beleuchtungsrichtungen (42a, 42c, 42e, 42f) jeweils ein entsprechendes Bild von der definierten Oberfläche aufgenommen wird (66, 70), wobei die entsprechenden Bilder ein erstes Bild (66) mit einer Vielzahl von ersten Pixelwerten, die die definierte Oberfläche mit einer Beleuchtung aus einer ersten Richtung (42a) repräsentieren, und zumindest ein weiteres Bild (70) mit einer Vielzahl von weiteren Pixelwerten, die die definierte Oberfläche mit einer Beleuchtung aus zumindest einer weiteren Richtung (42c) repräsentieren, beinhalten, wobei unter Verwendung der entsprechenden Bilder ein aggregiertes Reflexbild (RI) von der definierten Oberfläche in Abhängigkeit von Differenzen zwischen den ersten Pixelwerten und den weiteren Pixelwerten bestimmt wird (94) und wobei ein Schwellenwert bereitgestellt wird, der einen Helligkeitswertebereich (100) definiert, wobei die Differenzen in Abhängigkeit davon gebildet werden, ob die weiteren Pixelwerte in dem Helligkeitswertebereich (100) liegen oder nicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht in Abhängigkeit von der räumlichen Verteilung von Lichtreflexen bearbeitet wird (60, 52), bevor das partikelförmige Material im Schritt c) selektiv verfestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (18) bearbeitet wird, indem partikelförmiges Material (21) entfernt und/oder hinzugefügt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (18) bearbeitet wird, indem das partikelförmige Material (21) an der definierten Oberfläche durchmischt, verdichtet und/oder geglättet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Verteilung von Lichtreflexen an der definierten Oberfläche erneut bestimmt wird (60, 54), nachdem die Materialschicht (18) bearbeitet wurde und bevor das partikelförmige Material im Schritt c) selektiv verfestigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt d) für jede weitere definierte Werkstückschicht aus der Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten eine jeweils aktuelle räumliche Verteilung von Lichtreflexen bestimmt wird, bevor das partikelförmige Material (21) im Schritt c) selektiv verfestigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Verteilung von Lichtreflexen an der definierten Oberfläche mit Hilfe einer bidirektionalen Reflexionsverteilungsfunktion (BRDF) bestimmt wird, wobei die Materialschicht in Abhängigkeit von der bidirektionalen Reflexionsverteilungsfunktion bearbeitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das aggregierte Reflexbild (RI) die räumliche Verteilung von Lichtreflexen repräsentiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das aggregierte Reflexbild (RI) Pixelwerte besitzt, die unter Verwendung folgender Funktion bestimmt werden: ${UR}_{k} = 1 (J_{k} - l \leq 0) \cdot 1 (l - J_{k} \leq MH \cdot 0 .1) \cdot (I - J_{k}) / 0.1 / MH + 1 (l - J_{k} > 0 .1 \cdot MH),$
wobei die Funktion 1 (...) den Wert 1 liefert, wenn die in der Klammer angegebene Bedingung erfüllt ist, und den Wert 0 liefert, wenn die Bedingung in der Klammer nicht erfüllt ist, wobei I ein erster Pixelwert ist, wobei J_k ein weiterer Pixelwert ist, und wobei MH ein maximaler Helligkeitswert über alle ersten Pixelwerte und alle weiteren Pixelwerte ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von verschiedenen Beleuchtungsrichtungen (42a, 42c, 42e, 42f) zumindest zwei verschiedene Beleuchtungsrichtungen (42a, 42c) beinhaltet, die parallel und seitlich versetzt zueinander liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von verschiedenen Beleuchtungsrichtungen (42a, 42c, 42e, 42f) zumindest zwei verschiedene Beleuchtungsrichtungen (42a, 42e) beinhaltet, die quer zueinander liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Oberfläche mit Licht beleuchtet wird, das überwiegend rote Farbwellenlängen besitzt.
Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks (14), mit - einer Fertigungsplattform (12), - einem Strukturierungswerkzeug (28), - einem Schichtbildungswerkzeug (20), - einer Beleuchtungsanordnung (38a, 38b, 38c, 38d, 38e, 38f), - einer Kamera (40), und - einer Auswerte- und Steuereinheit (32), die dazu eingerichtet ist, die Fertigungsplattform (12) und/oder das Strukturierungswerkzeug (28) in Abhängigkeit von einem Datensatz (36), der das Werkstück (14) in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten (16) definiert, zu steuern, um eine Materialschicht (18) mit einer definierten Oberfläche aus einem partikelförmigen Material (21) auf der Fertigungsplattform zu erzeugen und selektiv zu verfestigen, wobei die Auswerte- und Steuereinheit (32) ferner dazu eingerichtet ist, die definierte Oberfläche mit Hilfe der Beleuchtungsanordnung (38a, 38b, 38c, 38d, 38e, 38f) aus einer Vielzahl von verschiedenen Beleuchtungsrichtungen (42a, 42c, 42e, 42f) zu beleuchten und mit Hilfe der Kamera (40) eine Vielzahl von Bildern von der definierten Oberfläche aufzunehmen, wobei die Bilder ein erstes Bild (66) mit einer Vielzahl von ersten Pixelwerten, die die definierte Oberfläche mit einer Beleuchtung aus einer ersten Richtung (42a) repräsentieren, und zumindest ein weiteres Bild (70) mit einer Vielzahl von weiteren Pixelwerten, die die definierte Oberfläche mit einer Beleuchtung aus zumindest einer weiteren Richtung (42c) repräsentieren, beinhalten, und unter Verwendung der entsprechenden Bilder ein aggregiertes Reflexbild (RI) von der definierten Oberfläche in Abhängigkeit von Differenzen zwischen den ersten Pixelwerten und den weiteren Pixelwerten zu bestimmen (90-96), wobei ein Schwellenwert bereitgestellt ist, der einen Helligkeitswertebereich (100) definiert, und wobei die Auswerte- und Steuereinheit (32) ferner dazu eingerichtet ist, die Differenzen in Abhängigkeit davon zu bilden, ob die weiteren Pixelwerte in dem Helligkeitswertebereich (100) liegen oder nicht.