DE102019210125A1

DE102019210125A1 - Kalibrierverfahren und Erfassungseinrichtung für eine Beschichtungseinheit einer additiven Herstellvorrichtung

Info

Publication number: DE102019210125A1
Application number: DE102019210125.9A
Authority: DE
Inventors: Stefan Grünberger; Stefanie Markl
Original assignee: EOS GmbH
Current assignee: EOS GmbH
Priority date: 2019-07-09
Filing date: 2019-07-09
Publication date: 2021-01-14
Also published as: US11752699B2; US20210008806A1

Abstract

Ein Kalibrierverfahren dient für eine Beschichtungseinheit (16) einer additiven Herstellvorrichtung (1) unter Verwendung einer Erfassungseinrichtung (30, 30'), wobei die Beschichtungseinheit (16) in zumindest einer Bewegungsrichtung (H) über ein Baufeld (8) verfahrbar ist und zwei Auftragselemente (17a, 17b) umfasst. Die Erfassungseinrichtung (30, 30') ist dazu ausgebildet, zumindest einen Positionsreferenzwert in Bezug auf einen Referenzpunkt (R, R') außerhalb der Beschichtungseinheit (16) und einen Messpunkt (M, M1, M2, M1', M2') zu erfassen. Das Verfahren weist zumindest die Schritte auf: a) Positionieren der Beschichtungseinheit (16) in einer ersten Messposition und Erfassen eines ersten Positionsreferenzwerts (d1, d1') in Bezug auf den Referenzpunkt (R, R') und einem der Beschichtungseinheit (16) an der ersten Messposition zugeordneten ersten Messpunkt (M1, M1'), b) Positionieren der Beschichtungseinheit (16) in einer zweiten Messposition durch Verfahren der Beschichtungseinheit (16) in der Bewegungsrichtung (H) und Erfassen eines zweiten Positionsreferenzwerts (d2, d2') in Bezug auf den Referenzpunkt (R, R') und einem der Beschichtungseinheit (16) an der zweiten Messposition zugeordneten zweiten Messpunkt (M2, M2') und c) Ermitteln eines Korrekturwertes für zumindest eines der Auftragselemente aus dem erfassten ersten Positionsreferenzwert und dem erfassten zweiten Positionsreferenzwert.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kalibrierverfahren für eine Beschichtungseinheit einer additiven Herstellvorrichtung und auf eine Erfassungseinrichtung zur Durchführung eines solchen Kalibrierverfahrens, sowie auf ein Herstellverfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials und ein Verfahren zur Ansteuerung einer derartigen additiven Herstellvorrichtung und einer Erfassungseinrichtung.
Herstellvorrichtungen und Herstellverfahren dieser Art werden beispielsweise beim Rapid Prototyping, Rapid Tooling oder Additive Manufacturing verwendet. Ein Beispiel eines solchen Herstellverfahrens ist unter dem Namen „Selektives Lasersintern oder Laserschmelzen“ bekannt. Dabei wird wiederholt eine dünne Schicht eines pulverförmigen Aufbaumaterials aufgebracht und das Aufbaumaterial in jeder Schicht durch selektives Bestrahlen von einem Querschnitt des herzustellenden Objekts entsprechenden Stellen mit einem Laserstrahl selektiv verfestigt.
Das Aufbringen der Pulverschichten erfolgt in der Regel durch Verfahren einer Beschichtungsvorrichtung zumindest über den Bereich, in dem ein Schichtauftrag erfolgen soll. Die Beschichtungsvorrichtung weist zumindest ein Auftragselement auf, das beispielsweise als Klinge oder Walze ausgebildet sein kann, und das das Aufbaumaterial während des Verfahrens der Beschichtungsvorrichtung zu einer Pulverschicht auszieht und/oder die aufgebrachte Schicht verdichtet.
Bekannt sind hierzu auch Beschichtungsvorrichtungen, die zwei in der Bewegungsrichtung der Beschichtungsvorrichtung voneinander beabstandete Auftragselemente aufweisen. Mit einer derartigen Beschichtungsvorrichtung ist es beispielsweise möglich, zwei aufeinanderfolgende Pulver-(Teil)schichten durch Bewegen der Beschichtungsvorrichtung in entgegengesetzte Richtungen aufzubringen, d. h. die erste Schicht durch Verfahren der Beschichtungsvorrichtung in einer ersten Richtung und die zweite Schicht durch Verfahren der Beschichtungsvorrichtung in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung. Das Ausziehen des Aufbaumaterials zu einer Schicht kann bei einer derartigen Beschichtungsvorrichtung jeweils durch das in der Bewegungsrichtung der Beschichtungsvorrichtung vorne liegende Auftragselement oder das hinten liegende Auftragselement erfolgen. Wenn das vorne liegende Auftragselement das Aufbaumaterial zu einer Schicht auszieht, kann das hintere Auftragselement beispielsweise die Schicht zusätzlich verdichten.
Um in dem additiven Herstellverfahren Schichten mit guter Qualität und gemäß definierter Vorgaben, insbesondere der Schichtdicke, aufzubringen und/oder Schichtfehler und Schichtdickenschwankungen zu verringern oder zu vermeiden, ist es erforderlich, dass die Auftragselemente einer derartigen Beschichtungsvorrichtung in Bezug auf ihre Höhe einen vorab bekannten bzw. festgelegten Abstand zueinander aufweisen bzw. zumindest vor oder zu Beginn des Herstellvorgangs auf gleicher Höhe eingestellt sind.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kalibrierverfahren für eine Beschichtungseinheit einer additiven Herstellvorrichtung, eine Erfassungseinrichtung zur Durchführung eines solchen Kalibrierverfahrens und ein zugehöriges Herstellverfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials bereitzustellen, um einen verbesserten Schichtauftrag und damit eine bessere Bauteilqualität zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Kalibrierverfahren gemäß Anspruch 1, ein Herstellverfahren gemäß Anspruch 13, eine Erfassungseinrichtung gemäß Anspruch 14 und ein Ansteuerungsverfahren gemäß Anspruch 15. Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben. Dabei können die Verfahren auch durch die untenstehenden bzw. in den Unteransprüchen ausgeführten Merkmale der Vorrichtungen weitergebildet sein oder umgekehrt, bzw. die Merkmale der Vorrichtungen und der Verfahren können auch jeweils untereinander zur Weiterbildung genutzt werden.
Ein erfindungsgemäßes Kalibrierverfahren dient für eine Beschichtungseinheit einer additiven Herstellvorrichtung unter Verwendung einer Erfassungseinrichtung, wobei die additive Herstellvorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts auf einer Bauunterlage durch schichtweises Aufbringen eines Aufbaumaterials und selektives Verfestigen der aufgebrachten Schicht an Stellen, die dem Querschnitt des herzustellenden Objekts in der jeweiligen Schicht entsprechen, ausgebildet ist, wobei die Beschichtungseinheit zum Aufbringen einer Schicht in zumindest einer Bewegungsrichtung über ein Baufeld der Herstellvorrichtung verfahren wird, wobei die Beschichtungseinheit ein erstes Auftragselement und ein zweites Auftragselement umfasst, die in der Bewegungsrichtung der Beschichtungseinheit voneinander beabstandet sind, und wobei die Erfassungseinrichtung dazu ausgebildet ist, zumindest einen Positionsreferenzwert in Bezug auf einen Referenzpunkt außerhalb der Beschichtungseinheit und einen Messpunkt zu erfassen, wobei der Referenzpunkt vorzugsweise in einem Betriebszustand von der Erfassungseinrichtung umfasst ist. Das Kalibrierverfahren weist zumindest die Schritte auf:

a) Positionieren der Beschichtungseinheit in einer ersten Messposition und Erfassen eines ersten Positionsreferenzwerts in Bezug auf den Referenzpunkt und einem der Beschichtungseinheit an der ersten Messposition zugeordneten ersten Messpunkt,
b) Positionieren der Beschichtungseinheit in einer zweiten Messposition durch Verfahren der Beschichtungseinheit in der Bewegungsrichtung und Erfassen eines zweiten Positionsreferenzwerts in Bezug auf den Referenzpunkt und einem der Beschichtungseinheit an der zweiten Messposition zugeordneten zweiten Messpunkt und
c) Ermitteln eines Korrekturwertes für das erste Auftragselement und/oder das zweite Auftragselement aus dem erfassten ersten Positionsreferenzwert und dem erfassten zweiten Positionsreferenzwert.

Allgemein kann das Kalibrierverfahren auch als ein Justageverfahren bezeichnet werden.
Das erste und/oder das zweite Auftragselement der Beschichtungsrichtung dienen vorzugsweise zum Definieren einer Schicht des Aufbaumaterials. Dies umfasst das Ausziehen des Aufbaumaterials zu einer Schicht und/oder eine Verdichtungswirkung auf die Schicht des Aufbaumaterials und wird im Folgenden auch als Aufbringen einer Schicht des Aufbaumaterials bezeichnet. Das erste und/oder das zweite Auftragselement kann beispielsweise eine Walze und/oder eine Klinge und/oder ein flexibles Auftragselement umfassen, beispielsweise eine Bürste und/oder eine Lippe und/oder eine Rakel. Vorzugsweise umfassen das erste und das zweite Auftragselement jeweils eine Walze, weiter bevorzugt sind das erste und das zweite Auftragselement jeweils als Walze ausgebildet. Bei einer Ausbildung der Auftragselemente als Auftragswalzen kann die vorliegende Erfindung beispielsweise besonders vorteilhaft sein, da andere Mess- bzw. Kalibrierverfahren an walzenförmigen Elementen schwerer durchführbar und/oder mit großen Messfehlern behaftet sein können. Eine Walze ist weiter bevorzugt zylindrisch und regelmäßig ausgebildet und weist eine im Wesentlichen ebene Oberfläche auf.
Bei der Verwendung einer oder mehrerer Walzen als Auftragselement(e), welche zum Aufbringen einer Schicht drehbar um eine Längsachse an der Beschichtungseinheit vorgesehen sein können, ist bzw. sind die Auftragswalze(n) während der Durchführung des Kalibrierverfahrens vorzugsweise festgestellt. Dies bedeutet, dass die Winkelposition jeder Auftragswalze festgelegt ist und nicht während des Kalibrierverfahrens verändert wird. Damit ist es beispielsweise möglich, die Genauigkeit des Kalibrierverfahrens zu verbessern, da die Referenzgerade bzw. Referenzebene, welche den ersten und zweiten Messpunkt wie weiter unten beschrieben definiert, gleichbleibend ist. Die Winkelposition, in der die Auftragswalze(n) festgestellt ist/sind, ist weiter bevorzugt vorab festgelegt und wird besonders bevorzugt durch Ermitteln der Positionsreferenzwerte während einer Umdrehung der jeweiligen Auftragswalze ermittelt, beispielsweise als die Winkelposition, die dem Mittelwert der dabei ermittelten Positionsreferenzwerte entspricht.
Die Beschichtungseinheit ist vorzugsweise ein Element bzw. eine Einheit einer in der additiven Herstellvorrichtung vorgesehenen Beschichtungsvorrichtung. Die Beschichtungsvorrichtung umfasst weiter bevorzugt neben der Beschichtungseinheit zumindest ein weiteres Element, beispielsweise einen Pulverbehälter. Das weitere Element kann beispielsweise aus der Beschichtungsvorrichtung auskoppelbar vorgesehen sein und/oder mit der Beschichtungseinheit in der Bewegungsrichtung bewegbar bzw. mitführbar ausgeführt sein.
Der von der Erfassungseinrichtung umfasste Positionsreferenzwert kann beispielsweise allgemein ein Messwert sein, welcher von der Erfassungseinrichtung erfasst wird. Ein solcher Messwert kann beispielsweise eine Spannung und/oder eine Kraft, insbesondere eine Federkraft, und/oder ein Winkel und/oder eine Länge und/oder eine beliebige andere messbare physikalische Größe sein. Vorzugsweise ist der Positionsreferenzwert ein Maß für einen Abstand bzw. eine Distanz zwischen dem Messpunkt und dem Referenzpunkt und/oder zwischen dem Referenzpunkt und dem Messpunkt, weiter bevorzugt ist der Positionsreferenzwert proportional zu diesem Abstand. Allgemein ist der Positionsreferenzwert vorzugsweise ein Positionsdifferenzwert oder ein Positionsverhältniswert. Ein Positionsdifferenzwert umfasst weiter bevorzugt eine Differenz zwischen einem ersten, dem Referenzpunkt zugeordneten, (Mess-)Wert und einem zweiten, dem Messpunkt zugeordneten, (Mess-)Wert. Ein Positionsverhältniswert umfasst weiter bevorzugt ein Verhältnis, d. h. einen Quotienten, eines ersten, dem Referenzpunkt zugeordneten, (Mess-)Werts zu einem zweiten, dem Messpunkt zugeordneten, (Mess-)Wert.
Die Erfassungseinrichtung kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, aus dem Positionsreferenzwert einen Wert für den Abstand (auch als Abstandswert bezeichnet) zwischen dem Messpunkt und dem Referenzpunkt und/oder zwischen dem Referenzpunkt und dem Messpunkt zu berechnen, beispielsweise mittels eines internen Datenprozessors der Erfassungseinrichtung oder mittels eines externen Datenprozessors. Alternativ oder zusätzlich kann die Erfassungseinrichtung ein Anzeigegerät aufweisen zum Anzeigen des Positionsreferenzwerts bzw. der Positionsreferenzwerte. Zum Erfassen des Positionsreferenzwerts umfasst die Erfassungseinrichtung vorzugsweise einen geeigneten Sensor.
Der erste und/oder zweite Positionsreferenzwert kann beispielsweise auch Null sein. Insbesondere kann der erste Positionsreferenzwert zu Null gewählt werden, d. h. der Nullpunkt einer Skala der Erfassungseinrichtung auf den ersten Messpunkt gesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich können der Referenzpunkt und der erste Messpunkt identisch sein und/oder der Referenzpunkt und der zweite Messpunkt können identisch sein.
Ein Erfassen des Positionsreferenzwerts kann beispielsweise eine direkte Messung und/oder eine Berechnung aus mehreren Messungen und/oder eine sonstige Ableitung sein. Das Zuordnen des ersten und zweiten Messpunkts zu der ersten bzw. zweiten Messposition erfolgt vorzugsweise nach gleichen Regeln, d. h. in demselben bzw. einem konstanten Bezugssystem, sodass insbesondere bei der Erfassung des Positionsreferenzwerts nur der erste und der zweite Messpunkt Variablen sind.
Wie oben erwähnt ist der Referenzpunkt bevorzugt in einem Betriebszustand von der Erfassungseinrichtung erfasst. Ein derartiger Betriebszustand kann beispielsweise eine entspannte Feder der Erfassungseinrichtung sein, die dann einem Null-Kraftwert entspricht. Der Referenzpunkt weist eine definierte Position relativ zur Erfassungseinrichtung auf, wenn diese in ihrer bestimmungsgemäßen Position angeordnet ist. Der Referenzpunkt kann eine Raumkoordinate sein, die z. B. auf der Oberfläche der Erfassungseinrichtung liegt. Der Messpunkt kann eine Raumkoordinate sein, die durch eine Messung ermittelt wird, also erst mit der Messung bestimmt wird. Der Referenzpunkt und/oder der Messpunkt ist nicht zwingend ein geometrischer Punkt, sondern kann auch allgemein ein Ort sein.
Der im Schritt c) ermittelte Korrekturwert ist vorzugsweise ein Höhenwert, d. h. ein Koordinatenpunkt auf einer Achse senkrecht zu der Bewegungsrichtung. Weiter bevorzugt ist der Korrekturwert ein Maß für eine Höhenverstellung des ersten und/oder zweiten Auftragselements. Der Begriff „Höhe“ meint dabei eine vertikale Position bzw. Ausrichtung, wobei die vertikale Richtung vorzugsweise senkrecht zu der Bewegungsrichtung der Beschichtungseinheit verläuft. Die vertikale Richtung ist vorzugsweise durch einen Baufortschritt in dem additiven Herstellvorgang definiert, d. h. eine Richtung, in der die selektiv verfestigten Schichten des Aufbaumaterials aufeinanderfolgen.
Vorzugsweise ist die Erfassungseinrichtung ein separat von der Bauunterlage ausgebildetes Element. Somit ist die Erfassungseinrichtung bevorzugt nicht die Bauunterlage.
Wie oben beschrieben sind die erste Messposition und die zweite Messposition in der Bewegungsrichtung der Beschichtungseinheit voneinander beabstandet. In dem beschriebenen Kalibrierverfahren wird somit der Korrekturwert vorzugsweise in Relation zu der Bewegungsrichtung der Beschichtungsrichtung ermittelt. Dadurch ist es beispielsweise möglich, eine Höheneinstellung bzw. Höhenanpassung der beiden Auftragselemente in Bezug aufeinander in Relation zu der Bewegungsrichtung der Beschichtungseinheit vorzunehmen. Werden die Auftragselemente bzw. deren der Bauunterlage zugewandte Begrenzung (z. B. eine Unterkante der Begrenzungselemente) in dem Kalibrierverfahren beispielsweise auf im Wesentlichen die gleiche Höhe eingestellt, so ist es beispielsweise möglich, die Auftragselemente bzw. deren der Bauunterlage zugewandte Begrenzung im Wesentlichen parallel zu der Bewegungsrichtung auszurichten. Insgesamt kann dadurch in einem nachfolgenden additiven Herstellvorgang beispielsweise die Qualität und/oder Maßhaltigkeit und/oder Reproduzierbarkeit der aufgebrachten Schichten des Aufbaumaterials verbessert werden.
Vorzugsweise umfasst der von der Erfassungseinrichtung erfasste Positionsreferenzwert eine Information über eine vertikale Position des Messpunkts. Der erste Positionsreferenzwert umfasst vorzugsweise eine Information über eine vertikale Position des ersten Messpunkts und der zweite Positionsreferenzwert eine Information über eine vertikale Position des zweiten Messwerts. Die vertikale Richtung ist vorzugsweise eine Richtung senkrecht zum Baufeld und/oder zur Bauunterlage. Vorzugsweise ist die vertikale Richtung senkrecht zu einer Ebene, die aufgespannt wird durch die Bewegungsrichtung der Beschichtungseinheit und eine Längserstreckung des ersten und/oder zweiten Auftragselements. Wie bereits oben erwähnt ist die vertikale Richtung zudem vorzugsweise eine Richtung des Baufortschritts in dem additiven Herstellvorgang. Dadurch, dass der Positionsreferenzwert eine Information über eine vertikale Position des Messpunkts umfasst, ist es beispielsweise möglich, einen Korrekturwert bereitzustellen, der eine Höhenkorrektur, d. h. eine Positionskorrektur in Bezug auf die Höhe, für das erste und/oder zweite Auftragselement bereitstellt.
Vorzugsweise wird die Erfassungseinrichtung vorübergehend ortsfest in der Herstellvorrichtung angebracht, weiter bevorzugt an der Bauunterlage der Herstellvorrichtung. Weiter bevorzugt ist die Erfassungseinrichtung zumindest während des Zeitraums der Durchführung des Kalibrierverfahrens in der Herstellvorrichtung angebracht. Alternativ oder zusätzlich ist die Erfassungseinrichtung weiter bevorzugt entfernbar in der Herstellvorrichtung angebracht. Beispielsweise kann sie während eines Vorgangs der additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts aus der Herstellvorrichtung oder zumindest einem Bauraum derselben entfernt werden. Damit ist es beispielsweise möglich, das Kalibrierverfahren auf einfache Art und Weise durchzuführen. Der Schritt des Anbringens der Erfassungseinrichtung in der Herstellvorrichtung erfolgt vorzugsweise manuell durch einen Benutzer. Die anderen Schritte des Kalibrierverfahrens, welche oben beschrieben wurden bzw. im Folgenden beschrieben werden, können manuell durch einen Benutzer und/oder automatisch durchgeführt werden. Der Begriff „automatisch“ meint dabei ohne einen Benutzereingriff, d. h. insbesondere mittels eines Datenprozessors und einer geeigneten Software (Computerprogramm).
Die Erfassungseinrichtung kann beispielsweise ein Bestandteil einer Kalibriervorrichtung sein, wobei die Kalibriervorrichtung neben der Erfassungseinrichtung weitere Einrichtungen bzw. Einheiten umfasst, um die Beschichtungseinheit und/oder eine Verfestigungseinrichtung der Herstellvorrichtung und/oder die Bauunterlage und/oder weitere Einheiten oder Einrichtungen der additiven Herstellvorrichtung zu kalibrieren bzw. zu justieren, insbesondere in Bezug aufeinander auszurichten. Der Schritt des Anbringens der Erfassungseinrichtung in der Herstellvorrichtung erfolgt vorzugsweise im Rahmen des Anbringens oder Einbringens der Kalibriervorrichtung in der additiven Herstellvorrichtung, insbesondere einer Prozesskammer der additiven Herstellvorrichtung.
Vorzugsweise wird das Kalibrierverfahren zumindest teilweise automatisch durchgeführt, insbesondere mittels eines Computerprogramms, welches auf einem Datenprozessor ausgeführt wird.
Vorzugsweise ist bzw. sind der erste und/oder zweite Messpunkt ein Schnittpunkt einer gemeinsamen Referenzgeraden des ersten und des zweiten Auftragselements und/oder einer gemeinsamen Referenzebene des ersten und des zweiten Auftragselements mit einer vorab festgelegten Vergleichsgeraden, wobei die vorab festgelegte Vergleichsgerade den Referenzpunkt enthält und sich in eine vorab festgelegte Richtung erstreckt, wobei die vorab festgelegte Richtung vorzugsweise die vertikale Richtung ist. Weiter bevorzugt ist die Referenzgerade eine Tangente an der der Bauunterlage im Betrieb zugewandten Oberflächen des ersten und des zweiten Auftragselements oder parallel zu einer Tangente an der der Bauunterlage im Betrieb zugewandten Oberflächen des ersten und des zweiten Auftragselements angeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist weiter bevorzugt die Referenzebene eine Tangentialebene an der der Bauunterlage im Betrieb zugewandten Oberflächen des ersten und des zweiten Auftragselements oder parallel zu einer Tangentialebene an der der Bauunterlage zugewandten Oberflächen des ersten und des zweiten Auftragselements angeordnet. Alternativ oder zusätzlich liegen weiter bevorzugt der Referenzpunkt, der erste Messpunkt und der zweite Messpunkt auf der Vergleichsgeraden. Beispielsweise können der Referenzpunkt und/oder der erste Messpunkt und/oder der zweite Messpunkt durch die Referenzgerade ortsfest festgelegt sein oder festgelegt werden.
Alternativ oder zusätzlich ist es weiter bevorzugt, dass die Erfassungseinrichtung zumindest ein sich in eine Längsrichtung erstreckendes Messelement, bevorzugt eine Messwalze, umfasst, deren der Bauunterlage im Betrieb zugewandte Oberfläche die Referenzgerade bestimmt, wobei die Erfassungseinrichtung noch weiter bevorzugt eine Andruckeinrichtung umfasst, um das Messelement in Kontakt mit dem ersten und zweiten Auftragselement zu bringen und/oder zu halten und/oder wobei das Messelement noch weiter bevorzugt verkippbar um eine Achse quer, vorzugsweise senkrecht, zur Längsrichtung an der Erfassungseinrichtung vorgesehen ist.
Die der Bauunterlage zugewandte Oberfläche des ersten bzw. zweiten Auftragselements kann beispielsweise eine Unterseite oder Unterkante oder Unterfläche des Auftragselements sein. Die Tangente bzw. Tangentialebene an der der Bauunterlage im Betrieb zugewandten Oberfläche des ersten bzw. zweiten Auftragselements kann insbesondere nicht parallel zu einer horizontalen Ebene verlaufen, d. h. in einem Winkel zu der horizontalen Ebene verlaufen, wobei die horizontale Ebene definiert ist als senkrechte Ebene zu der vertikalen Richtung. Der Begriff „im Betrieb“ meint den bestimmungsgemäßen Betrieb bzw. Einsatz der Beschichtungseinheit, beispielsweise während des Aufbringens einer Schicht des Aufbaumaterials. Vorzugsweise berührt die Tangente bzw. Tangentialebene das erste und das zweite Auftragselement jeweils in einem ersten bzw. zweiten Berührpunkt.
Alternativ zu der um eine Achse verkippbaren Anbringung des Messelements kann das Messelement beispielsweise auch an einer Parallelogramm-Aufhängung oder Ähnlichem vorgesehen sein. Anstelle einer Messwalze kann das Messelement beispielsweise als ein flächiges Messelement, beispielsweise ein Quader oder eine dünne Platte ausgebildet sein.
Dadurch ist beispielsweise ein auf einfache Art und Weise durchführbares Kalibrierverfahren bereitgestellt. Die Referenzgerade bzw. die Referenzebene kann beispielsweise eine definierte Verbindung zwischen den beiden Auftragselementen bereitstellen, an der der Messpunkt vorgesehen ist. Somit ist es beispielsweise möglich, Messpunkte bereitzustellen, die nicht an den Auftragselementen selbst liegen.
Alternativ oder zusätzlich umfasst die Erfassungseinrichtung vorzugsweise zumindest ein Messelement. Weiter bevorzugt umfasst das Messelement eine im Betrieb dem ersten und dem zweiten Auftragselement zugewandte Oberfläche, die zumindest zeitweise an dem ersten und dem zweiten Auftragselement anliegt, und eine im Betrieb dem ersten und dem zweiten Auftragselement abgewandte Oberfläche, die vorzugsweise an einer der den Auftragselementen zugewandten Oberfläche gegenüberliegenden Seite des Messelements vorgesehen ist. Die im Betrieb dem ersten und dem zweiten Auftragselement abgewandte Oberfläche des Messelements ist vorzugsweise eine der Bauunterlage zugewandte Oberfläche des Messelements. Der Begriff „im Betrieb“ meint den bestimmungsgemäßen Betrieb bzw. Einsatz der Erfassungseinrichtung, insbesondere während der Durchführung des Kalibrierverfahrens. Noch weiter bevorzugt liegen der erste und der zweite Messpunkt auf der im Betrieb dem ersten und dem zweiten Auftragselement abgewandten Oberfläche des Messelements. Alternativ oder zusätzlich liegt die dem ersten und dem zweiten Auftragselement zugewandte Oberfläche noch weiter bevorzugt als eine Tangente und/oder Tangentialebene an dem ersten und zweiten Auftragselement an. D. h. insbesondere, dass die den Auftragselementen zugewandte Oberfläche das erste Auftragselement in zumindest einem ersten Berührpunkt berührt und das zweite Auftragselement in zumindest einem zweiten Berührpunkt berührt und die Tangente bzw. Tangentialebene durch den zumindest ersten und zweiten Berührpunkt verläuft.
Die Erfassungseinrichtung ist vorzugsweise im Betrieb in einem Bereich zwischen den Auftragselementen und der Bauunterlage vorgesehen, d. h. das Messelement berührt die Auftragselemente von unten.
Dadurch, dass das Messelement eine definierte Geometrie aufweist, stehen die den Auftragselementen zugewandte Oberfläche und die den Auftragselementen abgewandte Oberfläche des Messelements vorzugsweise in einer festen geometrischen Beziehung bzw. Orientierung (Winkel, Abstand etc.) zueinander. Die den Auftragselementen abgewandte Oberfläche des Messelements definiert vorzugsweise eine gemeinsame Referenzebene oder eine gemeinsame Referenzgerade des ersten und des zweiten Auftragselements. Weiter bevorzugt ist bzw. sind der erste und/oder der zweite Messpunkt ein Schnittpunkt der gemeinsamen Referenzgeraden des ersten und des zweiten Auftragselements und/oder der gemeinsamen Referenzebene des ersten und des zweiten Auftragselements mit einer vorab festgelegten Vergleichsgeraden, wobei die vorab festgelegte Vergleichsgerade den Referenzpunkt enthält und sich in eine vorab festgelegte Richtung erstreckt, wobei die vorab festgelegte Richtung vorzugsweise die vertikale Richtung ist. Noch weiter bevorzugt liegen der Referenzpunkt, der erste Messpunkt und der zweite Messpunkt auf der Vergleichsgeraden. Beispielsweise können der Referenzpunkt und/oder der erste Messpunkt und/oder der zweite Messpunkt durch die Referenzgerade ortsfest festgelegt sein oder festgelegt werden.
Das Messelement ist vorzugsweise ein sich in eine Längsrichtung erstreckendes Messelement und/oder eine Messwalze. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Erfassungseinrichtung vorzugsweise eine Andruckeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Messelement in Kontakt mit dem ersten und zweiten Auftragselement zu bringen und/oder zu halten. Alternativ oder zusätzlich ist das Messelement verkippbar um eine Achse an der Erfassungseinrichtung vorgesehen, wobei die Achse quer, vorzugsweise senkrecht, zu der Längsrichtung des Messelements ist und/oder wobei die Achse quer, vorzugsweise senkrecht zur Bewegungsrichtung der Beschichtungseinheit ist. Alternativ zu der um eine Achse verkippbaren Anbringung des Messelements kann das Messelement beispielsweise auch an einer Parallelogramm-Aufhängung oder Ähnlichem vorgesehen sein. Anstelle einer Messwalze kann das Messelement beispielsweise als ein flächiges Messelement, beispielsweise ein Quader oder eine dünne Platte ausgebildet sein.
Dadurch ist beispielsweise ein auf einfache Art und Weise durchführbares Kalibrierverfahren bereitgestellt. Die Referenzgerade bzw. die Referenzebene kann beispielsweise eine definierte Verbindung zwischen den beiden Auftragselementen bereitstellen, an der der Messpunkt vorgesehen ist. Somit ist es beispielsweise möglich, Messpunkte bereitzustellen, die nicht an den Auftragselementen selbst liegen.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Erfassungseinrichtung ein Verbindungselement. Das Verbindungselement stellt vorzugsweise einen definierten geometrischen Zusammenhang zwischen einer zur Definition einer Schichthöhe ausgebildeten ersten Oberfläche des ersten Auftragselements und einer zur Definition einer Schichthöhe ausgebildeten zweiten Oberfläche des zweiten Auftragselements und/oder zwischen einer Drehachse des ersten und einer Drehachse des zweiten Auftragselements her. Vorzugsweise wird mittels der Erfassungseinrichtung als Positionsreferenzwert ein Abstand zwischen der zur Definition einer Schichthöhe ausgebildeten ersten Oberfläche des ersten Auftragselements und der zur Definition einer Schichthöhe ausgebildeten zweiten Oberfläche des zweiten Auftragselements und/oder ein Abstand zwischen der Drehachse des ersten und der Drehachse des zweiten Auftragselements in einer Richtung ermittelt, die senkrecht zu einer durch die Bewegungsrichtung der Beschichtungseinheit definierten Gerade angeordnet ist. Vorzugsweise wird der Abstand zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche unter Verwendung des Verbindungselements ermittelt, das zu diesem Zweck eine Oberfläche umfasst, die in einer Ebene liegt oder die zumindest teilweise gerade verläuft, wobei der plane oder gerade Bereich der Oberfläche des Verbindungselements im bestimmungsgemäßen Betrieb der Erfassungseinrichtung zumindest teilweise an der ersten und zweiten Oberfläche der Auftragselemente anliegt. Vorzugsweise sind das erste und das zweite Auftragselement als Walzen mit gleichem Radius, d. h. gleichem Abstand der Mantelfläche als erste bzw. zweite Oberfläche zur Drehachse, ausgebildet.
Vorzugsweise ist der erste und/oder der zweite Messpunkt ein Schnittpunkt einer Vergleichsgeraden mit der der Bauunterlage im Betrieb zugewandten Oberfläche des ersten oder zweiten Auftragselements, wobei die Vergleichsgerade den Referenzpunkt enthält und sich in eine vorab festgelegte Richtung erstreckt, wobei die vorab festgelegte Richtung vorzugsweise die vertikale Richtung ist. Weiter bevorzugt wird der Schritt b) mehrmals durchgeführt, um eine Mehrzahl von Positionsreferenzwerten an einer Mehrzahl von Messpositionen zu erfassen, und in dem Schritt c) wird der Korrekturwert aus der Mehrzahl der erfassten Positionsreferenzwerte ermittelt, wobei noch weiter bevorzugt das Erfassen der Mehrzahl von Positionsreferenzwerten kontinuierlich während des Verfahrens der Beschichtungseinheit in der Bewegungsrichtung oder in aufeinanderfolgenden Schritten erfolgt. Alternativ oder zusätzlich ist es weiter bevorzugt, dass die Erfassungseinrichtung eine Strahlungsquelle aufweist, die einen elektromagnetischen Strahl, vorzugsweise einen Laserstrahl, aussendet, und einen Detektor zum Erfassen des elektromagnetischen Strahls, insbesondere des am Messpunkt reflektierten elektromagnetischen Strahls.
Damit ist es beispielsweise möglich, ein Kalibrierverfahren bereitzustellen, bei dem Messpunkte erfasst werden, die auf der Oberfläche der Auftragselemente lokalisiert sind. Damit ist es beispielsweise möglich, die Erfassung der Messpunkte bzw. der Positionsreferenzwerte mittels eines berührungslosen Messverfahrens durchzuführen.
Vorzugsweise wird der Korrekturwert basierend auf einer geometrischen Berechnung und/oder einer Differenz zwischen dem ersten Positionsreferenzwert und dem zweiten Positionsreferenzwert ermittelt.
Alternativ oder zusätzlich können weitere Informationen für die Ermittlung des Korrekturwerts hinzugezogen werden, beispielsweise eine Strecke, um die die Beschichtungseinheit entlang der Bewegungsrichtung von der ersten Messposition in die zweite Messposition verfährt und/oder einen Winkel, den die oben erwähnte Referenzgerade bzw. Referenzebene mit der horizontalen Ebene einschließt. Damit sind beispielsweise verschiedene Verfahren zur Ermittlung des Korrekturwerts bereitgestellt.
Vorzugsweise wird nach dem Ermitteln des Korrekturwerts in einem weiteren Schritt d) eine Positionseinstellung des ersten und/oder zweiten Auftragselements entsprechend des ermittelten Korrekturwerts verändert. Die Positionseinstellung kann insbesondere in Bezug auf die vertikale Position des ersten und/oder zweiten Auftragselements erfolgen. Damit ist es beispielsweise möglich, eine gewünschte relative Höhe der Auftragselemente zueinander einzustellen und/oder die Auftragselemente im Wesentlichen auf die gleiche Höhe einzustellen. Wenn die Höhendifferenz zwischen den Auftragselementen im Wesentlichen Null ist, d. h. die Auftragselemente sich im Wesentlichen auf der gleichen Höhe befinden, sind in dem erfindungsgemäßen Kalibrierverfahren vorzugsweise der erste und der zweite Messpunkt im Wesentlichen identisch und somit der erste und der zweite Positionsreferenzwert, die in dem oben beschriebenen Schritt a) bzw. Schritt b) ermittelt werden, im Wesentlichen gleich. Die oben beschriebene Tangente bzw. Tangentialebene, die das erste und das zweite Auftragselement jeweils in einem ersten bzw. zweiten Berührpunkt berührt, ist dann vorzugsweise im Wesentlichen horizontal ausgerichtet bzw. entsprechen der erste und zweite Berührpunkt dann vorzugsweise einem untersten Punkt der Auftragselemente, d. h. die Berührpunkte liegen auf einer der Bauunterlage zugewandten Begrenzung der Auftragselemente.
Weiter bevorzugt werden die Schritte a) bis d) iterativ durchgeführt, wobei eine Anzahl der Iterationen vorab festgelegt ist und/oder die Schritte a) bis d) werden so lange iterativ durchgeführt, bis der Korrekturwert einen vorab festgelegten Schwellenwert unterschreitet. Durch das iterative Vorgehen ist es beispielsweise möglich, Messfehler und/oder strukturelle und/oder verfahrensbedingte Unregelmäßigkeiten, beispielsweise ein Verkippen der Längsachsen der Auftragselemente zueinander und/oder Unebenheiten der Oberflächen der Auftragselemente und/oder Abweichungen der Vergleichsgeraden von der vorab festgelegten Richtung, zu kompensieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogramm bereitgestellt, welches Programmcodemittel umfasst, um zumindest einen Teil der Schritte, vorzugsweise alle Schritte, eines oben beschriebenen Kalibrierverfahrens auszuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Datenprozessor, insbesondere auf einem mit der additiven Herstellvorrichtung und der Erfassungseinrichtung zusammenwirkenden Datenprozessor, ausgeführt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Steuereinheit für eine additive Herstellvorrichtung bereitgestellt, wobei die additive Herstellvorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts auf einer Bauunterlage durch schichtweises Aufbringen eines Aufbaumaterials und selektives Verfestigen der aufgebrachten Schicht an Stellen, die dem Querschnitt des herzustellenden Objekts in der jeweiligen Schicht entsprechen, ausgebildet ist und die Herstellvorrichtung eine Beschichtungseinheit umfasst, die zum Aufbringen einer Schicht in zumindest einer Bewegungsrichtung über ein Baufeld der Herstellvorrichtung verfahrbar vorgesehen ist, wobei die Beschichtungseinheit ein erstes Auftragselement und ein zweites Auftragselement umfasst, die in der Bewegungsrichtung der Beschichtungseinheit voneinander beabstandet sind, und in der additiven Herstellvorrichtung eine Erfassungseinrichtung anbringbar und/oder positionierbar ist, wobei die Erfassungseinrichtung dazu ausgebildet ist, zumindest einen Positionsreferenzwert in Bezug auf einen Referenzpunkt außerhalb der Beschichtungseinheit und einen Messpunkt zu erfassen, wobei der Referenzpunkt vorzugsweise in einem Betriebszustand von der Erfassungseinrichtung umfasst ist, und wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, die Herstellvorrichtung und die Erfassungseinrichtung so zu steuern, dass sie zumindest die Schritte a) und b), vorzugsweise die Schritte a) und b) sowie weitere Schritte, eines oben beschriebenen Kalibrierverfahrens ausführen. Vorzugsweise wird der Schritt c) von der Steuereinheit ausgeführt.
Ein erfindungsgemäßes Herstellverfahren dient zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts in einer additiven Herstellvorrichtung auf einer Bauunterlage durch schichtweises Aufbringen eines Aufbaumaterials und selektives Verfestigen der aufgebrachten Schicht an Stellen, die dem Querschnitt des herzustellenden Objekts in der jeweiligen Schicht entsprechen, wobei zum Aufbringen einer Schicht eine in der Herstellvorrichtung vorgesehene Beschichtungseinheit in zumindest einer Bewegungsrichtung über ein Baufeld der Herstellvorrichtung verfahren wird. Die Beschichtungseinheit umfasst ein erstes Auftragselement und ein zweites Auftragselement, die in der Bewegungsrichtung der Beschichtungseinheit voneinander beabstandet sind. Weiter umfasst die Herstellvorrichtung eine Erfassungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, zumindest einen Positionsreferenzwert in Bezug auf einen Referenzpunkt außerhalb der Beschichtungseinheit und einen Messpunkt zu erfassen, wobei der Referenzpunkt vorzugsweise in einem Betriebszustand von der Erfassungseinrichtung umfasst ist. Zumindest einmal, vorzugsweise vor der Herstellung des dreidimensionalen Objekts, wird ein oben beschriebenes Kalibrierverfahren durchgeführt.
Eine erfindungsgemäße Erfassungseinrichtung ist ausgebildet zur Durchführung eines Kalibrierverfahrens für eine Beschichtungseinheit einer additiven Herstellvorrichtung, wobei die additive Herstellvorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts auf einer Bauunterlage durch schichtweises Aufbringen eines Aufbaumaterials und selektives Verfestigen der aufgebrachten Schicht an Stellen, die dem Querschnitt des herzustellenden Objekts in der jeweiligen Schicht entsprechen, ausgebildet ist und die Beschichtungseinheit zum Aufbringen einer Schicht in zumindest einer Bewegungsrichtung über ein Baufeld der Herstellvorrichtung verfahrbar vorgesehen ist und die Beschichtungseinheit ein erstes Auftragselement und ein zweites Auftragselement umfasst, die in der Bewegungsrichtung der Beschichtungseinheit voneinander beabstandet sind. Die Erfassungseinrichtung ist dazu ausgebildet, zumindest einen Positionsreferenzwert in Bezug auf einen Referenzpunkt außerhalb der Beschichtungseinheit und einen Messpunkt zu erfassen, wobei der Referenzpunkt vorzugsweise in einem Betriebszustand von der Erfassungseinrichtung umfasst ist, und die Erfassungseinrichtung ist dazu ausgebildet und/oder so angesteuert, ein oben beschriebenes Kalibrierverfahren durchzuführen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zur Ansteuerung einer additiven Herstellvorrichtung und einer in der Herstellvorrichtung vorgesehenen Erfassungseinrichtung, wobei die additive Herstellvorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts auf einer Bauunterlage durch schichtweises Aufbringen eines Aufbaumaterials und selektives Verfestigen der aufgebrachten Schicht an Stellen, die dem Querschnitt des herzustellenden Objekts in der jeweiligen Schicht entsprechen, ausgebildet ist und die Herstellvorrichtung eine Beschichtungseinheit umfasst, die zum Aufbringen einer Schicht in zumindest einer Bewegungsrichtung über ein Baufeld der Herstellvorrichtung verfahrbar vorgesehen ist und ein erstes Auftragselement und ein zweites Auftragselement umfasst, die in der Bewegungsrichtung der Beschichtungseinheit voneinander beabstandet sind. Die Erfassungseinrichtung ist dazu ausgebildet, zumindest einen Positionsreferenzwert in Bezug auf einen Referenzpunkt außerhalb der Beschichtungseinheit und einen Messpunkt zu erfassen, wobei der Referenzpunkt vorzugsweise in einem Betriebszustand von der Erfassungseinrichtung umfasst ist. Die Erfassungseinrichtung und die Herstellvorrichtung werden so angesteuert, dass sie zumindest die Schritte ausführen:

a) Positionieren der Beschichtungseinheit in einer ersten Messposition und Erfassen eines ersten Positionsreferenzwerts in Bezug auf den Referenzpunkt und einem der Beschichtungseinheit an der ersten Messposition zugeordneten ersten Messpunkt,
b) Positionieren der Beschichtungseinheit in einer zweiten Messposition durch Verfahren der Beschichtungseinheit in der Bewegungsrichtung und Erfassen eines zweiten Positionsreferenzwerts in Bezug auf den Referenzpunkt und einem der Beschichtungseinheit an der zweiten Messposition zugeordneten zweiten Messpunkt und

Mit dem oben beschriebenen Computerprogramm, der Steuereinheit, dem Herstellverfahren, der Erfassungseinrichtung und/oder dem Ansteuerungsverfahren ist es beispielsweise ebenfalls möglich, die oben in Bezug auf das Kalibrierverfahren beschriebenen Wirkungen zu erzielen.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.

1 ist eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht einer Vorrichtung zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts, in der die vorliegende Erfindung Anwendung findet.
2 ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer Erfassungseinrichtung gemäß vorliegender Erfindung, die zur Verwendung in der in 1 gezeigten Vorrichtung bestimmt ist.
3a zeigt die in 1 gezeigten Auftragswalzen in einer ersten Messposition und 3b in einer zweiten Messposition zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens.
4 ist ein schematisches Diagramm, das schematisch die Schritte des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens zeigt.
5a und 5b zeigen schematisch eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Erfassungseinrichtung gemäß vorliegender Erfindung zur Verwendung in der in 1 gezeigten Vorrichtung, wobei die in 1 gezeigten Auftragswalzen schematisch in 5a in einer ersten Messposition und in 5b in einer zweiten Messposition gezeigt sind.

Im Folgenden wird mit Bezug auf 1 eine beispielhafte additive Herstellvorrichtung beschrieben, in der vorliegende Erfindung zur Anwendung kommen kann. Die in 1 dargestellte Vorrichtung ist eine Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 1. Zum Aufbauen eines Objekts 2 enthält sie eine Prozesskammer 3 mit einer Kammerwandung 4.
In der Prozesskammer 3 ist ein nach oben offener Behälter 5 mit einer Behälterwandung 6 angeordnet. Durch die obere Öffnung des Behälters 5 ist eine Arbeitsebene 7 definiert, wobei der innerhalb der Öffnung liegende Bereich der Arbeitsebene 7, der zum Aufbau des Objekts 2 verwendet werden kann, als Baufeld 8 bezeichnet wird.
In dem Behälter 5 ist ein in einer vertikalen Richtung V bewegbarer Träger 10 angeordnet, an dem eine Grundplatte 11 angebracht ist, die den Behälter 5 nach unten abschließt und damit dessen Boden bildet. Die Grundplatte 11 kann eine getrennt von dem Träger 10 gebildete Platte sein, die an dem Träger 10 befestigt ist, oder sie kann integral mit dem Träger 10 gebildet sein. Je nach verwendetem Pulver und Prozess kann auf der Grundplatte 11 noch eine Bauplattform 12 als Bauunterlage angebracht sein, auf der das Objekt 2 aufgebaut wird. Das Objekt 2 kann aber auch auf der Grundplatte 11 selber aufgebaut werden, die dann als Bauunterlage dient. In 1 ist das in dem Behälter 5 auf der Bauplattform 12 zu bildende Objekt 2 unterhalb der Arbeitsebene 7 in einem Zwischenzustand dargestellt mit mehreren verfestigten Schichten, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial 13.
Die Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 1 enthält weiter einen Vorratsbehälter 14 für ein durch elektromagnetische Strahlung verfestigbares pulverförmiges Aufbaumaterial 15 und eine in einer horizontalen Richtung H, im Folgenden als Bewegungsrichtung H bezeichnet, bewegbare Beschichtungsvorrichtung 16 zum Aufbringen des Aufbaumaterials 15 innerhalb des Baufelds 8. An ihrer Unterseite, d. h. der dem Baufeld 8 bzw. der Bauunterlage zugewandten Seite, sind zwei als Auftragswalzen 17a, 17b ausgebildete Auftragselemente an der Beschichtungsvorrichtung 16 vorgesehen. Die Auftragswalzen 17a, 17b sind im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und erstrecken sich in eine Längsrichtung quer, vorzugsweise senkrecht, zur Bewegungsrichtung H der Beschichtungsvorrichtung 16 (in 1 in die Zeichenebene hinein). Die Auftragswalzen 17a, 17b sind in der Bewegungsrichtung H voneinander beabstandet. Die Auftragswalzen 17a, 17b weisen jeweils eine Längsachse (in den Figuren nicht gezeigt) auf, um die sie drehbar an der Beschichtungsvorrichtung 16 vorgesehen sind.
Weiter ist zumindest eine der Auftragswalzen 17a, 17b höhenverstellbar an der Beschichtungsvorrichtung 16 angeordnet, d. h. eine vertikale Position der Auftragswalze ist einstellbar. Vorzugsweise erstrecken sich die Beschichtungsvorrichtung 16 und die Auftragswalzen 17a, 17b quer zur Bewegungsrichtung H über den ganzen zu beschichtenden Bereich. Optional kann die Beschichtungsvorrichtung 16 weitere, in den Figuren nicht gezeigte, Elemente, beispielsweise einen Pulverbehälter, umfassen, die aus der Beschichtungsvorrichtung 16 auskoppelbar sind und/oder mit dieser in der Bewegungsrichtung H mitgeführt werden. In diesem Fall umfasst die Beschichtungsvorrichtung 16 zumindest eine Beschichtungseinheit, die die Auftragswalzen 17a, 17b umfasst und die in der Bewegungsrichtung H verfahrbar in der Vorrichtung 1 vorgesehen ist.
In einem kartesischen Koordinatensystem ist die Bewegungsrichtung H der Beschichtungsvorrichtung 16 parallel zur x-Achse und die vertikale Richtung V, in der der Träger 10 und somit auch die Bauunterlage bewegbar angeordnet sind, ist parallel zur z-Achse. Die Höhenverstellbarkeit zumindest einer Auftragswalze 17a, 17b meint somit, dass die Position der Auftragswalze in z-Richtung verstellbar ist. Die Längsrichtungen bzw. Längsachsen (in den Figuren nicht gezeigt) der Auftragswalzen 17a, 17b erstrecken sich jeweils vorzugsweise in der y-Richtung.
Optional ist in der Prozesskammer 3 eine Strahlungsheizung 17 angeordnet, die zum Beheizen des aufgebrachten Aufbaumaterials 15 dient. Als Strahlungsheizung 17 kann beispielsweise ein Infrarotstrahler vorgesehen sein.
Die Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 1 enthält ferner eine Belichtungsvorrichtung 20 mit einem Laser 21, der einen Laserstrahl 22 erzeugt, der über eine Umlenkvorrichtung 23 umgelenkt und durch eine Fokussiervorrichtung 24 über ein Einkoppelfenster 25, das an der Oberseite der Prozesskammer 3 in der Kammerwandung 4 angebracht ist, auf die Arbeitsebene 7 fokussiert wird.
Weiter enthält die Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 1 eine Steuereinheit 29, über die die einzelnen Bestandteile der Vorrichtung 1 in koordinierter Weise zum Durchführen des Bauprozesses gesteuert werden. Alternativ kann die Steuereinheit auch teilweise oder ganz außerhalb der Vorrichtung angebracht sein. Die Steuereinheit kann eine CPU enthalten, deren Betrieb durch ein Computerprogramm (Software) gesteuert wird. Das Computerprogramm kann getrennt von der Vorrichtung auf einem Speichermedium gespeichert sein, von dem aus es in die Vorrichtung, insbesondere in die Steuereinheit geladen werden kann.
Als Aufbaumaterial können verschiedene Arten von Pulver verwendet werden, insbesondere Metallpulver, Kunststoffpulver, Keramikpulver, Sand, gefüllte oder gemischte Pulver.
Im Betrieb wird zum Aufbringen einer Pulverschicht zunächst der Träger 10 um eine Höhe abgesenkt, die der gewünschten Schichtdicke entspricht. Die Beschichtungsvorrichtung 16 fährt zunächst zu dem Vorratsbehälter 14 und nimmt aus ihm eine zum Aufbringen einer Schicht ausreichende Menge des Aufbaumaterials 15 auf. Dann fährt die Beschichtungsvorrichtung 16 über das Baufeld 8, bringt dort pulverförmiges Aufbaumaterials 15 auf die Bauunterlage oder eine bereits vorher vorhandene Pulverschicht auf und zieht es mittels zumindest einer der Auftragswalzen 17a, 17b zu einer Pulverschicht aus. Das Aufbringen erfolgt zumindest über den gesamten Querschnitt des herzustellenden Objekts 2, vorzugsweise über das gesamte Baufeld 8, also den durch die Behälterwandung 6 begrenzten Bereich. Optional wird das pulverförmige Aufbaumaterial 15 mittels einer Strahlungsheizung 17 auf eine Arbeitstemperatur aufgeheizt.
Anschließend wird der Querschnitt des herzustellenden Objekts 2 von dem Laserstrahl 22 abgetastet, sodass das pulverförmige Aufbaumaterial 15 an den Stellen verfestigt wird, die dem Querschnitt des herzustellenden Objekts 2 entsprechen. Dabei werden die Pulverkörner an diesen Stellen mittels der durch die Strahlung eingebrachte Energie teilweise oder vollständig aufgeschmolzen, so dass sie nach einer Abkühlung miteinander verbunden als Festkörper vorliegen. Diese Schritte werden solange wiederholt, bis das Objekt 2 fertiggestellt ist und der Prozesskammer 3 entnommen werden kann.
Um die Auftragswalzen 17a, 17b der additiven Herstellvorrichtung 1 zu kalibrieren bzw. zu justieren, d. h. insbesondere in ihrer Höhe in Bezug aufeinander einzustellen, wird vorab, d. h. vorzugsweise vor Beginn des Herstellungsvorgangs und/oder bei Inbetriebnahme der Vorrichtung 1, und/oder im Bedarfsfall, mittels einer Erfassungseinrichtung ein Kalibrierverfahren, auch als Justageverfahren bezeichnet, durchgeführt. Die Erfassungseinrichtung wird im Folgenden mit Bezug auf 2 beschrieben und das Kalibrierverfahren wird mit Bezug auf 3a, 3b und 4 beschrieben.
Die in 2 gezeigte Erfassungseinrichtung 30 weist ein als Messwalze 31 ausgebildetes Messelement, eine Erfassungseinheit 32 und eine als Trägerplatte 33 ausgebildete Basis auf. Die Messwalze 31 ist vorzugsweise aus einem harten Material gefertigt, beispielsweise aus gehärtetem Stahl.
Die Messwalze 31 ist im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet mit einer Längsachse A. In Bezug auf den Querschnitt der Messwalze 31 senkrecht zur Längsachse A verläuft die Längsachse A mittig, d. h. durch einen Mittelpunkt des kreisförmigen Querschnitts (in den Figuren nicht gezeigt). Entlang der Längsachse A, d. h. in der Längsrichtung der Messwalze 31, erstreckt sich die Messwalze 31 von einem ersten Ende 31a zu einem zweiten Ende 31b über eine Länge L. An der Messwalze 31 sind seitlich zwei sich senkrecht zur Längsachse A erstreckende, als Haltestäbe 34a, 34b ausgebildete, Halteelemente angebracht. Die Haltestäbe 34a, 34b sind an gegenüberliegenden Seiten der Messwalze 31 und jeweils mittig in Bezug auf die Länge L der Messwalze 31 an dieser befestigt. Die Haltestäbe 34a, 34b weisen eine gemeinsame Längsachse auf, die eine Querachse Q der Messwalze 31 bildet. Die Querachse Q der Messwalze 31 verläuft senkrecht zur Längsachse A und schneidet die Messwalze 31 in Bezug auf ihre Länge L mittig. Die Haltestäbe 34a, 34b sind drehbar um die Querachse Q an jeweils einer Stütze 35a, 35b angebracht. Die Stützen 35a, 35b erstrecken sich von den Haltestäben 34a, 34b im Wesentlichen vertikal nach unten, d. h. senkrecht zur Querachse Q, und sind an ihren den Haltestäben 34a, 34b entgegengesetzten Enden an der Trägerplatte 33 befestigt. Somit ist die Messwalze 31 drehbar bzw. verkippbar um die Querachse Q oberhalb der Trägerplatte 33 vorgesehen.
Die Länge der Stützen 35a, 35b, d. h. die vertikale Erstreckung der Stützen 35a, 35b von einer Oberfläche 36 der Trägerplatte 33 zu der Querachse Q, ist veränderbar. Hierzu können die Stützen 35a, 35b beispielsweise als Teleskopstäbe ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest eine der Stützen 35a, 35b jeweils zwei Stäbe umfassen, wobei ein erster Stab entlang der vertikalen Richtung verschiebbar in einem zweiten Stab vorgesehen ist und mittels Gleitlager in dem ersten Stab geführt ist bzw. wird, wobei vorzugsweise einer der Stäbe sich vertikal erstreckende Langlöcher aufweist und der andere Stab in die Langlöcher eingreifende Stifte, um einen vertikalen Versatz, d. h. einen Höhenversatz, der Stäbe in Bezug aufeinander zu begrenzen. Damit ist die Höhe, d. h. die vertikale Position, der Haltestäbe 34a, 34b und somit auch der Messwalze 31 in Bezug auf die Oberfläche 36 der Trägerplatte 33 veränderbar.
Weiter umfasst die Erfassungseinrichtung 30 zwei Andruckeinrichtungen 40a, 40b. Die erste Andruckeinrichtung 40a ist an dem ersten Ende 31a der Messwalze 31 angebracht und die zweite Andruckeinrichtung 40b ist an dem zweiten Ende 31b der Messwalze 31 angebracht. Die Andruckeinrichtungen 40a, 40b erstrecken sich jeweils von einem Ende 31a, 31b der Messwalze 31 im Wesentlichen vertikal nach unten, d. h. senkrecht zur Querachse Q der Messwalze 31, und sind an ihren der Messwalze 31 entgegengesetzten Enden jeweils an der Trägerplatte 33 befestigt. Die Andruckeinrichtungen 40a, 40b sind dazu ausgebildet, eine nach oben, d. h. von der Trägerplatte 33 weg gerichtet, wirkende Kraft auf die Messwalze 31 auszuüben. Beispielsweise können die Andruckeinrichtungen 40a, 40b jeweils eine Feder 39a, 39b umfassen, wobei die Federkraft die Messwalze 31 nach oben drückt.
Die Trägerplatte 33 weist an ihrer Unterseite 37 zumindest ein Befestigungs- und/oder Zentrierelement 38 auf. Das Befestigungs- und/oder Zentrierelement 38 dient der Befestigung der Erfassungseinrichtung 30 in der in auf 1 beschriebenen additiven Herstellvorrichtung 1, vorzugsweise der Befestigung an der Bauunterlage der additiven Herstellvorrichtung 1, und/oder der Zentrierung der Erfassungseinrichtung 33 in der additiven Herstellvorrichtung 1, insbesondere in Bezug auf die Auftragswalzen 17a, 17b der Beschichtungsvorrichtung 16. Die Zentrierung der Erfassungseinrichtung 30 meint vorzugsweise eine reproduzierbare Positionierung, insbesondere in einer vorab festgelegten Position, der Erfassungseinrichtung 30 in der additiven Herstellvorrichtung 1. Das Befestigungs- und/oder Zentrierelement 38 weist vorzugsweise ein Schnellspannsystem auf, beispielsweise einen Zapfen und/oder eine Buchse, die in eine korrespondierende Buchse bzw. einen korrespondierenden Zapfen der additiven Herstellvorrichtung 1, insbesondere deren Bauunterlage, einbringbar ist. In 2 ist lediglich ein Befestigungs- und/oder Zentrierelement 38 gezeigt, es können jedoch auch mehrere Befestigungs- und/oder Zentrierelemente vorgesehen sein.
Die Erfassungseinheit 32 ist an der Trägerplatte 33 angebracht, beispielsweise mittels einer weiteren Halterung 43, und berührt einen nach unten gerichteten Bereich der zylindermantelförmigen Oberfläche bzw. kurz die Unterseite 41 der Messwalze 31, d. h. die der Trägerplatte 33 zugewandte Seite der Messwalze 31, in einem Messpunkt M. In 2 ist der Messpunkt M rein beispielhaft mittig in Bezug auf die Länge L der Messwalze 31 vorgesehen, d. h. vertikal unter der Querachse Q. Die Erfassungseinheit 32 ist dazu ausgebildet, einen Abstand zwischen dem Messpunkt M und einem Referenzpunkt (in 2 nicht gezeigt) zu erfassen. Der Referenzpunkt liegt außerhalb der Beschichtungsvorrichtung 16 und kann beispielsweise ein interner Referenzpunkt der Erfassungseinheit 32 sein oder ein Referenzpunkt der Erfassungsvorrichtung 30 außerhalb der Erfassungseinheit 32, beispielsweise ein Punkt auf der Oberfläche 36 der Trägerplatte 33. Vorzugsweise liegen der Messpunkt M und der Referenzpunkt (in 2 nicht gezeigt) auf einer Geraden, auch als Vergleichsgerade bezeichnet, die sich in die vertikale Richtung erstreckt. Mit anderen Worten liegt der Messpunkt M vorzugsweise vertikal über dem Referenzpunkt, d. h. die Erfassungseinheit 32 ist dazu ausgebildet, einen vertikalen Abstand zwischen dem Messpunkt M und dem Referenzpunkt zu erfassen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Erfassungseinheit 32 als ein Messtaster ausgebildet, der die Position des Messpunkts M in Bezug auf den Referenzpunkt, z.B. mittels eines Sensors, erfasst und den Abstand zwischen dem Messpunkt M und dem Referenzpunkt berechnet und/oder anzeigt. Zum Anzeigen des Abstands kann die Erfassungseinheit 32 beispielsweise ein Anzeigegerät, beispielsweise eine Messuhr (in den Figuren nicht gezeigt) aufweisen. Die Berechnung des Abstands kann intern in dem Messtaster erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die Erfassungseinheit 32 mit einem internen oder externen Datenprozessor verbunden sein, in dem mittels geeigneter Software die Berechnung des Abstands erfolgt und/oder der berechnete Abstand kann über eine Datenausgabeschnittstelle (in den Figuren nicht gezeigt) ausgegeben werden. Als Datenprozessor kann beispielsweise die Steuereinheit 29 der additiven Herstellvorrichtung 1 verwendet werden.
Im Folgenden wird mit Bezug auf 3a, 3b und 4 ein unter Verwendung der Erfassungseinrichtung 30 durchgeführtes Kalibrierverfahren beschrieben. 3a und 3b zeigen dabei jeweils die erste und zweite Auftragswalze 17a, 17b und die Messwalze 31 im Schnitt, wobei die Schnittebene im Wesentlichen senkrecht zur Längserstreckung der Auftragswalzen und parallel zur Längsrichtung A der Messwalze verläuft, d. h. parallel zur x-z-Ebene. In 3a, 3b sind zudem jeweils schematisch der Referenzpunkt sowie die Messpunkte gezeigt, welche durch die in 3a, 3b nicht gezeigte Erfassungseinheit 32 erfasst werden.
Bei dem Kalibrierverfahren wird in einem ersten Schritt 51 die Erfassungseinrichtung 30 ortsfest in der additiven Herstellvorrichtung 1 angebracht. Hierzu wird die Trägerplatte 33 mittels des Befestigungs- und/oder Zentrierelements 38 an bzw. auf der Bauunterlage der additiven Herstellvorrichtung 1 angebracht. Die Erfassungseinrichtung 30 ist dabei vorzugsweise so in der additiven Herstellvorrichtung 1 positioniert und ausgerichtet, dass die Querachse Q im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung H der Beschichtungsvorrichtung 16 verläuft und im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung der Auftragswalzen 17a, 17b. Die Querachse Q liegt somit in einer horizontalen Ebene der additiven Herstellvorrichtung 1 parallel zur x-y-Ebene. Die Stützen 35a, 35b und die Andruckeinrichtungen 40a, 40b erstrecken sich im Wesentlichen in der z-Richtung der additiven Herstellvorrichtung 1, d. h. parallel zur vertikalen Richtung V.
Anschließend wird ein nach oben gerichteter Bereich der zylindermantelförmigen Oberfläche bzw. kurz die Oberseite 42 der Messwalze 31 in Kontakt mit den beiden Auftragswalzen 17a, 17b der Beschichtungsvorrichtung 16 gebracht, beispielsweise indem der Träger 10 der additiven Herstellvorrichtung 1 in der vertikalen Richtung V, d. h. der z-Richtung, nach oben verfahren wird. Vorzugsweise ist die vertikale Position, in die der Träger 10 dabei verfahren wird, vorab festgelegt. Die Oberseite 42 der Messwalze 31 berührt die erste Auftragswalze 17a dabei in einem ersten Berührpunkt B1 und die zweite Auftragswalze 17b in einem zweiten Berührpunkt B2. Da sich die Auftragswalzen 17a, 17b zu diesem Zeitpunkt in der Regel noch nicht auf gleicher Höhe befinden, ist die Messwalze 31 um die Querachse Q in Bezug auf die x-y-Ebene der additiven Herstellvorrichtung 1 verkippt. Die Längsachse A der Messwalze 31 ist somit in einem Winkel a zur x-y-Ebene vorgesehen.
In einem zweiten Schritt 52 des Kalibrierverfahrens wird die Beschichtungsvorrichtung 16, beispielsweise durch Verfahren der Beschichtungsvorrichtung 16 in der Bewegungsrichtung H und/oder durch das oben beschriebene In-Kontakt-bringen der Oberseite 42 der Messwalze 31 mit den beiden Auftragswalzen 17a, 17b, in einer ersten Messposition positioniert, welche in 3a gezeigt ist. In dieser ersten Messposition berührt die Erfassungseinheit 32 die Unterseite 41 der Messwalze 31 in einem ersten Messpunkt M1. Vorzugsweise liegt der erste Messpunkt M1, wie in 3a gezeigt, in Bezug auf eine horizontale Richtung zwischen den beiden Berührpunkten B1 und B2, in denen die Oberseite 42 der Messwalze 31 die erste bzw. zweite Auftragswalze 17a, 17b berührt. In dem zweiten Schritt 52 erfasst die Erfassungseinheit 32 einen ersten Abstand d1 zwischen dem Referenzpunkt R und dem ersten Messpunkt M1.
Anschließend wird die Beschichtungsvorrichtung 16 in einem dritten Schritt 53 des Kalibrierverfahrens durch Verfahren in der Bewegungsrichtung H in einer zweiten Messposition positioniert, welche in 3b gezeigt ist. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Beschichtungsvorrichtung aus der ersten Messposition (3a) heraus nach links bewegt, um in der in 3b gezeigten zweiten Messposition positioniert zu werden. Während dem Verfahren der Beschichtungsvorrichtung wird die Messwalze 31 durch die Andruckeinrichtungen 40a, 40b bzw. die Höhenverstellbarkeit der Stützen 35a, 35b weiterhin von unten an die Auftragswalzen 17a, 17b gedrückt und berührt diese. In der in 3b gezeigten zweiten Messposition berührt die Erfassungseinheit 32 die Unterseite 41 der Messwalze 31 in einem zweiten Messpunkt M2. Vorzugsweise liegt der zweite Messpunkt M2, wie in 3b gezeigt, in Bezug auf eine horizontale Richtung zwischen den beiden Berührpunkten B1 und B2, in denen die Oberseite 42 der Messwalze 31 die erste bzw. zweite Auftragswalze 17a, 17b berührt. In dem dritten Schritt 53 erfasst die Erfassungseinheit 32 einen zweiten Abstand d2 zwischen dem Referenzpunkt R und dem ersten Messpunkt M1.
Dadurch, dass die Messwalze 31 bzw. ihre Längsachse A in Bezug auf eine horizontale Richtung in der x-y-Ebene um die Querachse Q verkippt ist, verändern sich beim Verfahren der Beschichtungsvorrichtung 16 in der Bewegungsrichtung H die Abstände der Berührpunkte B1, B2 in Bezug auf die ortsfeste Erfassungseinheit 32 und somit auch der Abstand des Referenzpunkts R zum Messpunkt an der Unterseite 41 der Messwalze 31. Somit unterscheiden sich der in der ersten Messposition erfasste erste Abstand d1 und der in der zweiten Messposition erfasste zweite Abstand d2 voneinander. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der zweite Abstand d2 größer als der erste Abstand d1.
In einem vierten Schritt 54 des Kalibrierverfahrens wird aus dem im zweiten Schritt 52 ermittelten ersten Abstand d1 und dem im dritten Schritt 53 ermittelten zweiten Abstand d2 ein Korrekturwert für die erste und/oder zweite Auftragswalze 17a, 17b ermittelt. Der Korrekturwert kann beispielsweise anhand einer Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Abstand berechnet werden und/oder anhand einer Strecke, um die die Beschichtungsvorrichtung von der ersten Messposition in die zweite Messposition verfahren wird und/oder anhand des (gemessenen oder berechneten) Winkels a, um den die Längsachse A der Messwalze 31 in Bezug auf die x-y-Ebene verkippt ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Korrekturwert basierend auf einer geometrischen Berechnung ermittelt werden.
In einem fünften Schritt 55 des Kalibrierverfahrens wird eine Positionseinstellung der ersten und/oder der zweiten Auftragswalze 17a, 17b entsprechend des im vierten Schritt 54 ermittelten Korrekturwerts verändert. Insbesondere wird ein relativer vertikaler Abstand der Auftragswalze 17a, 17b zueinander, d. h. eine Höhendifferenz zwischen der ersten Auftragswalze 17a und der zweiten Auftragswalze 17b, verringert.
Optional werden der oben beschriebene zweite Schritt 52, der dritte Schritt 53, der vierte Schritt 54 und der fünfte Schritt 55 in dem Kalibrierverfahren einmal oder mehrmals wiederholt, d. h. die Schritte 52 bis 55 werden iterativ durchgeführt. Die Anzahl der Wiederholungen kann dabei vorab festgelegt sein und/oder die Schritte 52 bis 55 können so oft wiederholt werden, bis der Korrekturwert einen vorab festgelegten Schwellenwert unterschreitet. Vorzugsweise werden die Schritte 52 bis 55 so lange durchgeführt, bis die Auftragswalzen 17a, 17b bzw. deren Unterseiten im Wesentlichen auf derselben Höhe sind, d. h. bis der erste Messpunkt M1 und der zweite Messpunkt M2 im Wesentlichen identisch sind. Dies ist gleichbedeutend damit, dass der erste Abstand d1 und der zweite Abstand d2 im Wesentlichen gleich sind. Die Messwalze 31 ist dann im Wesentlichen horizontal ausgerichtet, d. h. der Winkel a, den die Längsachse A der Messwalze 31 mit der x-y-Ebene einschließt, ist im Wesentlichen Null (in den Figuren nicht gezeigt). Die Berührpunkte B1, B2, an denen die Messwalze 31 die Auftragswalzen 17a, 17b berührt, liegen dann auf den Unterkanten, d. h. den jeweils unteren Begrenzungen, der Auftragswalzen.
Die Erfassungseinrichtung 30 kann von der oben beschriebenen Ausführungsform abweichen. Beispielsweise kann die Basis als ein von einer Platte abweichendes Element ausgebildet sein oder die Erfassungseinrichtung kann ohne Basis ausgebildet sein, wobei die Stützen 35a, 35b und die Andruckeinrichtungen 40a, 40b beispielsweise direkt auf der Bauunterlage der Lasersinter- bzw. Laserschmelzvorrichtung 1 angebracht sein können.
Die oben beschriebene Erfassungseinrichtung 30 weist zwei Haltestäbe 34a, 34b und zwei Stützen 35a, 35b auf. Alternativ kann die Erfassungseinrichtung zum drehbaren bzw. verkippbaren Anbringen der Messwalze 31 auch nur einen Haltestab aufweisen und/oder nur eine oder mehr als zwei Andruckeinrichtungen zum Ausüben einer nach oben wirkenden Kraft auf die Messwalze 31.
Die oben beschriebene Erfassungseinheit 32 ist als ein Messtaster ausgebildet, der einen Abstand, vorzugsweise einen vertikalen Abstand, zwischen dem Messpunkt M und dem Referenzpunkt R als einen Positionsreferenzwert in Bezug auf den Referenzpunkt R und den Messpunkt M erfasst. Alternativ kann die Erfassungseinheit 32 dazu ausgebildet sein, als Positionsreferenzwert in Bezug auf den Referenzpunkt R und den Messpunkt M einen anderen Messwert als den Abstand zu erfassen. Der Positionsreferenzwert kann beispielsweise eine Spannung sein und/ oder eine Kraft, insbesondere eine Federkraft, und/oder ein Winkel. Der Positionsreferenzwert ist vorzugsweise ein Maß für den Abstand, weiter bevorzugt für den vertikalen Abstand, zwischen dem Referenzpunkt R und dem Messpunkt M. Vorzugsweise ist der Positionsreferenzwert proportional zu dem (vertikalen) Abstand zwischen dem Referenzpunkt R und dem Messpunkt M.
Allgemein wird in dem oben in Bezug auf 3a, 3b und 4 beschriebenen Kalibrierverfahren jeweils ein erster und ein zweiter Positionsreferenzwert in Bezug auf den Referenzpunkt R und den ersten bzw. zweiten Messpunkt M1, M2 ermittelt, wobei der Messpunkt jeweils ein Schnittpunkt der Unterseite 41 der Messwalze 31, welche eine gemeinsame Referenzgerade der ersten und der zweiten Auftragswalze 17a, 17b ist, mit einer vorab festgelegten Vergleichsgeraden ist, die den Referenzpunkt enthält und sich in eine vorab festgelegte Richtung erstreckt, wobei die vorab festgelegte Richtung vorzugsweise die vertikale Richtung ist. Die gemeinsame Referenzgerade der ersten und der zweiten Auftragswalze 17a, 17b, d. h. die Unterseite 41 der Messwalze 31, ist dabei parallel zur Oberseite 42 der Messwalze 31 angeordnet, welche eine Tangente an den Unterseiten der Auftragswalzen 17a, 17b ist.
Als Referenzgerade kann auch ein von der Unterseite 41 der Messwalze 31 abweichendes Element verwendet werden. Auch kann anstelle der Referenzgerade eine gemeinsame Referenzebene der ersten und zweiten Auftragswalze 17a, 17b vorgesehen sein, wobei der erste und der zweite Messpunkt jeweils ein Schnittpunkt der gemeinsamen Referenzebene mit der vorab festgelegten Vergleichsgerade ist. Die Referenzebene ist parallel zu einer Tangentialebene an der Unterseite der Auftragswalzen 17a, 17b. Beispielsweise kann anstelle der Messwalze 31 ein anderes Messelement mit einer gemeinsamen Referenzgeraden oder einer gemeinsamen Referenzebene der ersten und der zweiten Auftragswalze vorgesehen sein. Beispielsweise kann das Messelement quaderförmig oder als eine dünne Platte ausgebildet sein, wobei eine Oberseite des Quaders bzw. der Platte als Tangentialebene dient und eine Unterseite des Quaders bzw. der Platte als Referenzebene. Alternativ kann die gemeinsame Referenzgerade eine Tangente an die Unterseite der ersten und der zweiten Auftragswalze sein bzw. kann die gemeinsame Referenzebene eine Tangentialebene an die Unterseite der ersten und der zweiten Auftragswalze sein.
Im Folgenden wird unter Bezug auf 5a und 5b eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Erfassungseinrichtung 30' beschrieben. 5a zeigt dabei, analog zu 3a, schematisch die Auftragswalzen 17a, 17b in einer ersten Messposition und 5b zeigt, analog zu 3b, schematisch die Auftragswalzen 17a, 17b in einer zweiten Messposition.
Die Erfassungseinrichtung 30' ist dazu ausgebildet, in einer jeweiligen Messposition der Beschichtungsvorrichtung 16 als Positionsreferenzwert einen Abstand, vorzugsweise einen vertikalen Abstand, zwischen einem Messpunkt und einem Referenzpunkt R' zu erfassen. In der in 5a gezeigten ersten Messposition erfasst die Erfassungseinrichtung 30' einen ersten Abstand d1' zwischen dem Referenzpunkt R' und einem ersten Messpunkt M1' und in der in 5b gezeigten zweiten Messposition erfasst die Erfassungseinrichtung 30' einen zweiten Abstand d1' zwischen dem Referenzpunkt R' und einem zweiten Messpunkt M2'. Die Messpunkte M1', M2' liegen jeweils direkt auf der Oberfläche bzw. der Unterseite, d. h. der der Bauunterlage 11, 12 zugewandten Seite, der Auftragswalzen 17a, 17b.
Allgemein ist die Erfassungseinrichtung 30' dazu ausgebildet, in der jeweiligen Messposition der Beschichtungsvorrichtung 16 einen Messpunkt M1', M2' zu erfassen, der ein Schnittpunkt einer Vergleichsgeraden mit der Unterseite der ersten oder zweiten Auftragswalze 17a, 17b ist, wobei die Vergleichsgerade den Referenzpunkt R' enthält und sich in eine vorab festgelegte Richtung erstreckt, wobei die vorab festgelegte Richtung vorzugsweise die vertikale Richtung ist.
Vorzugsweise ist die Erfassungseinrichtung 30' dazu ausgebildet, in einer Messposition den jeweiligen Messpunkt M1', M2' bzw. den jeweiligen Abstand d1', d2' durch eine berührungslose Messmethode zu erfassen. Beispielsweise kann die Erfassungseinrichtung 30' eine Strahlungsquelle aufweisen, die einen elektromagnetischen Strahl, vorzugsweise einen Laserstrahl, aussendet, sowie einen Detektor zum Erfassen des elektromagnetischen Strahls, insbesondere des am Messpunkt M1', M2', d. h. der Oberfläche der ersten oder zweiten Auftragswalze 17a, 17b, reflektierten elektromagnetischen Strahls. Der Referenzpunkt R' kann beispielsweise ein Punkt bzw. ein Ort sein, an dem die Strahlungsquelle oder der Detektor lokalisiert ist.
Das Kalibrierverfahren unter Verwendung der Erfassungseinrichtung 30' gemäß der weiteren Ausführungsform wird analog zu dem oben beschriebenen Kalibrierverfahren durchgeführt. Der dritte Schritt 53 des Kalibrierverfahrens, in dem die Beschichtungsvorrichtung 16 in einer zweiten bzw. allgemein einer weiteren Messposition positioniert wird und die Erfassungseinheit 30' einen zweiten bzw. allgemein einen weiteren Abstand d2' zwischen dem Referenzpunkt R' und dem der zweiten bzw. weiteren Messposition zugeordneten Messpunkt M2' erfasst, wird vorzugsweise mehrmals durchgeführt. Dadurch wird eine Mehrzahl von Positionsreferenzwerten bzw. Abständen an einer Mehrzahl von Messpositionen erfasst. In dem vierten Schritt 54 wird der Korrekturwert aus der Mehrzahl der erfassten Positionsreferenzwerte bzw. Abständen ermittelt. Weiter bevorzugt erfolgt das Erfassen der Mehrzahl von Positionsreferenzwerten bzw. Abständen kontinuierlich während dem Verfahren der Beschichtungsvorrichtung 16 in der Bewegungsrichtung H oder iterativ. Damit kann beispielsweise eine kontinuierliche Erfassung des Positionsreferenzwerts bzw. Abstands in Abhängigkeit einer Verfahrposition der Beschichtungsvorrichtung 16 durchgeführt werden.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ist die Bewegungsrichtung H der Beschichtungsvorrichtung 16 eine horizontale Richtung, die die x-Achse eines kartesischen Koordinatensystems festlegt. Somit werden die Auftragswalzen 17a, 17b bzw. die Auftragselemente in der horizontalen Richtung ausgerichtet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass die Bewegungsrichtung H der Beschichtungsvorrichtung 16 von einer horizontalen Richtung abweicht bzw. zumindest eine vertikale Richtungskomponente umfasst. Allgemein werden die Auftragswalzen 17a, 17b bzw. die Auftragselemente bei dem oben beschriebenen Kalibrierverfahren in der Bewegungsrichtung der Beschichtungsvorrichtung ausgerichtet.
Die in Bezug auf 1 beschriebene additive Herstellvorrichtung ist eine Lasersinter- bzw. Laserschmelzvorrichtung. Die Ausführungsform einer Lasersinter- bzw. Laserschmelzvorrichtung ist rein beispielhaft, die erfindungsgemäße Erfassungseinrichtung bzw. das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren kann auch in anderen additiven Herstellvorrichtungen verwendet bzw. angewendet werden.
Die oben beschriebenen Auftragselemente der additiven Herstellvorrichtung sind als Auftragswalzen 17a, 17b ausgebildet. Die vorliegende Erfindung kann auch bei Beschichtungsvorrichtungen angewendet werden, die zumindest ein Auftragselement aufweisen, welches abweichend von einer Auftragswalze ausgebildet ist. Das oder die Auftragselement(e) kann/können beispielsweise als Auftragsklinge oder als ein flexibles Auftragselement, beispielsweise als eine Bürste oder Lippe oder Rakel, ausgebildet sein und/oder ein derartiges Auftragselement umfassen. Auch kann die Beschichtungsvorrichtung mehr als zwei Auftragselemente aufweisen und/oder die Auftragselemente können unterschiedlich ausgebildet sein.
Der Belichter der additiven Herstellvorrichtung kann beispielsweise einen oder mehrere Gas- oder Festkörperlaser oder jede andere Art von Laser wie z.B. Laserdioden, insbesondere VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser), oder eine Zeile dieser Laser umfassen. Statt des Ablenkens eines Strahls kann auch das Belichten mit einem verfahrbaren Zeilenbelichter angewendet werden. Allgemein kann als Belichter jede Einrichtung verwendet werden, mit der Energie als Wellen- oder Teilchenstrahlung selektiv auf eine Schicht des Aufbaumaterials aufgebracht werden kann. Auch auf das selektive Maskensintern, bei dem eine ausgedehnte Lichtquelle und eine Maske verwendet werden, oder auf das High-Speed-Sintern (HSS), bei dem auf dem Aufbaumaterial selektiv ein Material aufgebracht wird, das die Strahlungsabsorption an den entsprechenden Stellen erhöht (Absorptionssintern) oder verringert (Inhibitionssintern), und dann unselektiv großflächig oder mit einem verfahrbaren Zeilenbelichter belichtet wird, kann die Erfindung angewendet werden. Anstelle des Einbringens von Energie kann das selektive Verfestigen des aufgetragenen Aufbaumaterials auch durch 3D-Drucken erfolgen, beispielsweise durch Aufbringen eines Klebers. Allgemein bezieht sich die Erfindung auf das additive Herstellen eines Objekts mittels schichtweisen Auftragens und selektiven Verfestigens eines Aufbaumaterials unabhängig von der Art und Weise, in der das Aufbaumaterial verfestigt wird. Als Aufbaumaterial könne anstelle eines Pulvers auch andere geeignete Materialien verwendet werden.
Allgemein kann die Erfindung in beliebigen Vorrichtungen zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials angewendet werden.

Claims

Kalibrierverfahren für eine Beschichtungseinheit (16) einer additiven Herstellvorrichtung (1) unter Verwendung einer Erfassungseinrichtung (30, 30'), wobei die additive Herstellvorrichtung (1) zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (2) auf einer Bauunterlage (11, 12) durch schichtweises Aufbringen eines Aufbaumaterials (15) und selektives Verfestigen der aufgebrachten Schicht an Stellen, die dem Querschnitt des herzustellenden Objekts (2) in der jeweiligen Schicht entsprechen, ausgebildet ist, wobei die Beschichtungseinheit (16) zum Aufbringen einer Schicht in zumindest einer Bewegungsrichtung (H) über ein Baufeld (8) der Herstellvorrichtung (1) verfahren wird, wobei die Beschichtungseinheit (16) ein erstes Auftragselement (17a, 17b) und ein zweites Auftragselement (17a, 17b) umfasst, die in der Bewegungsrichtung (H) der Beschichtungseinheit (16) voneinander beabstandet sind, wobei die Erfassungseinrichtung (30, 30') dazu ausgebildet ist, zumindest einen Positionsreferenzwert in Bezug auf einen Referenzpunkt (R, R') außerhalb der Beschichtungseinheit (16) und einen Messpunkt (M, M1, M2, M1', M2') zu erfassen, wobei der Referenzpunkt (R, R') vorzugsweise in einem Betriebszustand von der Erfassungseinrichtung (30, 30') umfasst ist, und wobei das Verfahren zumindest die Schritte aufweist: a) (52) Positionieren der Beschichtungseinheit (16) in einer ersten Messposition und Erfassen eines ersten Positionsreferenzwerts (d1, d1') in Bezug auf den Referenzpunkt (R, R') und einem der Beschichtungseinheit (16) an der ersten Messposition zugeordneten ersten Messpunkt (M1, M1'), b) (53) Positionieren der Beschichtungseinheit (16) in einer zweiten Messposition durch Verfahren der Beschichtungseinheit (16) in der Bewegungsrichtung (H) und Erfassen eines zweiten Positionsreferenzwerts (d2, d2') in Bezug auf den Referenzpunkt (R, R') und einem der Beschichtungseinheit (16) an der zweiten Messposition zugeordneten zweiten Messpunkt (M2, M2') und c) (54) Ermitteln eines Korrekturwertes für das erste Auftragselement (17a, 17b) und/oder das zweite Auftragselement (17a, 17b) aus dem erfassten ersten Positionsreferenzwert (d1, d1') und dem erfassten zweiten Positionsreferenzwert (d2, d2').
Kalibrierverfahren nach Anspruch 1, wobei der von der Erfassungseinrichtung (30) erfasste Positionsreferenzwert (d1, d2, d1', d2') eine Information über eine vertikale Position des Messpunkts (M, M1, M2, M1', M2') umfasst.
Kalibrierverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Erfassungseinrichtung (30, 30') vorübergehend ortsfest in der Herstellvorrichtung (1) angebracht wird, vorzugsweise an der Bauunterlage (11, 12).
Kalibrierverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste und/oder zweite Messpunkt (M1, M2) ein Schnittpunkt einer gemeinsamen Referenzgeraden des ersten und des zweiten Auftragselements (17a, 17b) und/oder einer gemeinsamen Referenzebene des ersten und des zweiten Auftragselements (17a, 17b) mit einer vorab festgelegten Vergleichsgeraden sind/ist, wobei die vorab festgelegte Vergleichsgerade den Referenzpunkt (R) enthält und sich in eine vorab festgelegte Richtung erstreckt, wobei die vorab festgelegte Richtung vorzugsweise die vertikale Richtung ist.
Kalibrierverfahren nach Anspruch 4, wobei die Erfassungseinrichtung (30) zumindest ein sich in eine Längsrichtung (A) erstreckendes Messelement, bevorzugt eine Messwalze (31), umfasst, deren der Bauunterlage (11, 12) im Betrieb zugewandte Oberfläche (41) die Referenzgerade bestimmt, wobei die Erfassungseinrichtung (30) vorzugsweise eine Andruckeinrichtung (40a, 40b) umfasst, um das Messelement in Kontakt mit dem ersten und zweiten Auftragselement (17a, 17b) zu bringen und/oder zu halten und/oder wobei das Messelement vorzugsweise verkippbar um eine Achse (Q) quer, vorzugsweise senkrecht, zur Längsrichtung (A) an der Erfassungseinrichtung (30) vorgesehen ist.
Kalibrierverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste und/oder der zweite Messpunkt (M1', M2') ein Schnittpunkt einer Vergleichsgeraden mit der der Bauunterlage (11, 12) im Betrieb zugewandten Oberfläche des ersten oder zweiten Auftragselements (17a, 17b) ist, wobei die Vergleichsgerade den Referenzpunkt (R') enthält und sich in eine vorab festgelegte Richtung erstreckt, wobei die vorab festgelegte Richtung vorzugsweise die vertikale Richtung ist.
Kalibrierverfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt b) mehrmals durchgeführt wird zum Erfassen einer Mehrzahl von Positionsreferenzwerten an einer Mehrzahl von Messpositionen und wobei in dem Schritt c) der Korrekturwert aus der Mehrzahl der erfassten Positionsreferenzwerte ermittelt wird, vorzugsweise wobei das Erfassen der Mehrzahl von Positionsreferenzwerten kontinuierlich während des Verfahrens der Beschichtungseinheit (16) in der Bewegungsrichtung (H) oder in aufeinanderfolgenden Schritten erfolgt.
Kalibrierverfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Erfassungseinrichtung (30') eine Strahlungsquelle aufweist, die einen elektromagnetischen Strahl, vorzugsweise einen Laserstrahl, aussendet, und einen Detektor zum Erfassen des elektromagnetischen Strahls, insbesondere des am Messpunkt (M1', M2') reflektierten elektromagnetischen Strahls.
Kalibrierverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Korrekturwert basierend auf einer geometrischen Berechnung und/oder einer Differenz zwischen dem ersten Positionsreferenzwert (d1, d1') und dem zweiten Positionsreferenzwert (d2, d2') ermittelt wird.
Kalibrierverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei nach dem Ermitteln des Korrekturwerts in einem weiteren Schritt d) (55) eine Positionseinstellung des ersten und/oder zweiten Auftragselements (17a, 17b) entsprechend des ermittelten Korrekturwerts verändert wird.
Kalibrierverfahren nach Anspruch 10, wobei die Schritte a) bis d) iterativ durchgeführt werden, wobei eine Anzahl der Iterationen vorab festgelegt ist und/oder die Schritte a) bis d) so lange iterativ durchgeführt werden, bis der Korrekturwert einen vorab festgelegten Schwellenwert unterschreitet.
Kalibrierverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das erste und das zweite Auftragselement jeweils eine Walze umfasst, vorzugsweise als Walze ausgebildet ist.
Herstellverfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (2) in einer additiven Herstellvorrichtung (1) auf einer Bauunterlage (11, 12) durch schichtweises Aufbringen eines Aufbaumaterials (15) und selektives Verfestigen der aufgebrachten Schicht an Stellen, die dem Querschnitt des herzustellenden Objekts (2) in der jeweiligen Schicht entsprechen, wobei zum Aufbringen einer Schicht eine in der Herstellvorrichtung (1) vorgesehene Beschichtungseinheit (16) in zumindest einer Bewegungsrichtung (H) über ein Baufeld (8) der Herstellvorrichtung (1) verfahren wird, wobei die Beschichtungseinheit (16) ein erstes Auftragselement (17a, 17b) und ein zweites Auftragselement (17a, 17b) umfasst, die in der Bewegungsrichtung (H) der Beschichtungseinheit (16) voneinander beabstandet sind, und wobei die Herstellvorrichtung (1) weiter eine Erfassungseinrichtung (30, 30') umfasst, die dazu ausgebildet ist, zumindest einen Positionsreferenzwert in Bezug auf einen Referenzpunkt (R, R') außerhalb der Beschichtungseinheit (16) und einen Messpunkt (M, M1, M2, M1', M2') zu erfassen, wobei der Referenzpunkt (R, R') vorzugsweise in einem Betriebszustand von der Erfassungseinrichtung (30, 30') umfasst ist, und wobei zumindest einmal, vorzugsweise vor der Herstellung des dreidimensionalen Objekts (2), ein Kalibrierverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 durchgeführt wird.
Erfassungseinrichtung, ausgebildet zur Durchführung eines Kalibrierverfahrens für eine Beschichtungseinheit (16) einer additiven Herstellvorrichtung (1), wobei die additive Herstellvorrichtung (1) zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (2) auf einer Bauunterlage (11, 12) durch schichtweises Aufbringen eines Aufbaumaterials (15) und selektives Verfestigen der aufgebrachten Schicht an Stellen, die dem Querschnitt des herzustellenden Objekts (2) in der jeweiligen Schicht entsprechen, ausgebildet ist und die Beschichtungseinheit (16) zum Aufbringen einer Schicht in zumindest einer Bewegungsrichtung (H) über ein Baufeld (8) der Herstellvorrichtung (1) verfahrbar vorgesehen ist, wobei die Beschichtungseinheit (16) ein erstes Auftragselement (17a, 17b) und ein zweites Auftragselement (17a, 17b) umfasst, die in der Bewegungsrichtung (H) der Beschichtungseinheit (16) voneinander beabstandet sind, und wobei die Erfassungseinrichtung (30, 30') dazu ausgebildet ist, zumindest einen Positionsreferenzwert in Bezug auf einen Referenzpunkt (R, R') außerhalb der Beschichtungseinheit (16) und einen Messpunkt (M, M1, M2, M1', M2') zu erfassen, wobei der Referenzpunkt (R, R') vorzugsweise in einem Betriebszustand von der Erfassungseinrichtung (30, 30') umfasst ist, und die Erfassungseinrichtung (30, 30') dazu ausgebildet ist und/oder so angesteuert ist, ein Kalibrierverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen.
Verfahren zur Ansteuerung einer additiven Herstellvorrichtung (1) und einer in der Herstellvorrichtung vorgesehenen Erfassungseinrichtung (30, 30'), wobei die additive Herstellvorrichtung (1) zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (2) auf einer Bauunterlage (11, 12) durch schichtweises Aufbringen eines Aufbaumaterials (15) und selektives Verfestigen der aufgebrachten Schicht an Stellen, die dem Querschnitt des herzustellenden Objekts (2) in der jeweiligen Schicht entsprechen, ausgebildet ist und die Herstellvorrichtung (1) eine Beschichtungseinheit (16) umfasst, die zum Aufbringen einer Schicht in zumindest einer Bewegungsrichtung (H) über ein Baufeld (8) der Herstellvorrichtung (1) verfahrbar vorgesehen ist, wobei die Beschichtungseinheit (16) ein erstes Auftragselement (17a, 17b) und ein zweites Auftragselement (17a, 17b) umfasst, die in der Bewegungsrichtung (H) der Beschichtungseinheit (16) voneinander beabstandet sind, wobei die Erfassungseinrichtung (30, 30') dazu ausgebildet ist, zumindest einen Positionsreferenzwert in Bezug auf einen Referenzpunkt (R, R') außerhalb der Beschichtungseinheit (16) und einen Messpunkt (M, M1, M2, M1', M2') zu erfassen, wobei der Referenzpunkt (R, R') vorzugsweise in einem Betriebszustand von der Erfassungseinrichtung (30, 30') umfasst ist, und wobei die Erfassungseinrichtung (30, 30') und die Herstellvorrichtung (1) so angesteuert werden, dass sie zumindest die Schritte ausführen: a) (52) Positionieren der Beschichtungseinheit (16) in einer ersten Messposition (M1, M1') und Erfassen eines ersten Positionsreferenzwerts (d1, d1') in Bezug auf den Referenzpunkt (R, R') und einem der Beschichtungseinheit (16) an der ersten Messposition zugeordneten ersten Messpunkt (M1, M1'), b) (53) Positionieren der Beschichtungseinheit (16) in einer zweiten Messposition durch Verfahren der Beschichtungseinheit (16) in der Bewegungsrichtung (H) und Erfassen eines zweiten Positionsreferenzwerts (d2, d2') in Bezug auf den Referenzpunkt (R, R') und einem der Beschichtungseinheit (16) an der zweiten Messposition zugeordneten zweiten Messpunkt (M2, M2') und wobei in einem weiteren Schritt c) (54) ein Korrekturwert für das erste Auftragselement (17a, 17b) und/oder das zweite Auftragselement (17a, 17b) aus dem erfassten ersten Positionsreferenzwert (d1, d1') und dem erfassten zweiten Positionsreferenzwert (d2, d2') ermittelt wird.