DE102021208911A1

DE102021208911A1 - Verbesserung der Positionsgenauigkeit der Energiezufuhr in einer additiven Fertigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102021208911A1
Application number: DE102021208911.9A
Authority: DE
Inventors: Alois Lohr; Uwe Starr; Thomas Mattes; Alexander Prillwitz; Michael Göth
Original assignee: EOS GmbH
Current assignee: EOS GmbH
Priority date: 2021-08-13
Filing date: 2021-08-13
Publication date: 2023-02-16
Also published as: CN117881527A; WO2023016759A1

Abstract

Bei einem Kalibrierverfahren einer Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung von Objekten, die aufweist:eine Steuereinrichtung zur Steuerung des schichtweisen additiven Herstellvorgangs,eine Schichtauftragsvorrichtung, die ausgelegt ist, eine Schicht eines Aufbaumaterials bereitzustellen, undeine Energiezufuhrvorrichtung, die ausgelegt ist, Stellen der Schicht durch Zufuhr von elektromagnetischer Strahlung zu verfestigen,wobei die Energiezufuhrvorrichtung ausgelegt ist, über das Baufeld bewegt zu werden und der Energiezufuhrvorrichtung für diese Bewegung eine vordefinierte Sollrichtung (X) vorgegeben ist, undwobei die Energiezufuhrvorrichtung eine Anzahl von Strahlungsemittern aufweist, die entlang einer Anordnungsrichtung (Y) quer zur vordefinierten Sollrichtung (X) angeordnet sind, und Strahlungsemittern in Abhängigkeit von den Stellen durch die Steuereinrichtung vorgegeben wird, an welchen Emissionsorten über dem Baufeld Strahlung emittiert werden soll,wird ermittelt, ob es bei der Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung zu einer Abweichung der Bewegungsrichtung (B) von der vordefinierten Sollrichtung (X) kommt, unddie Steuervorrichtung veranlasst, in Abhängigkeit einer ermittelten Abweichung Strahlungsemittern andere Emissionsorte vorzugeben.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kalibrierverfahren einer Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung von dreidimensionalen Objekten sowie auf eine durch solch ein Kalibrierverfahren kalibrierbare Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung einer Anzahl von dreidimensionalen Objekten.
Additive Herstellvorrichtungen und zugehörige Verfahren, auf die sich die Erfindung bezieht, sind allgemein dadurch charakterisiert, dass in ihnen Objekte durch Verfestigen eines formlosen Aufbaumaterials (z.B. eines Metall- oder Kunststoffpulvers) Schicht für Schicht hergestellt werden. Die Verfestigung kann beispielsweise durch Zufuhr von Wärmeenergie zum Aufbaumaterial mittels Bestrahlens desselben mit elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung (z.B. Lasersintern (SLS oder DMLS) oder Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen) herbeigeführt werden. Beispielsweise beim Lasersintern oder Laserschmelzen wird ein Laserstrahl über jene Stellen einer Schicht des Aufbaumaterials bewegt, die dem Objektquerschnitt des herzustellenden Objekts in dieser Schicht entsprechen, so dass an diesen Stellen das Aufbaumaterial verfestigt wird. Nachdem an einer Stelle das Aufbaumaterial durch die Zufuhr von Wärmeenergie aufgeschmolzen bzw. gesintert wurde, liegt nach dem Abkühlen das Aufbaumaterial nicht mehr in formlosem Zustand, sondern als Festkörper vor. Nachdem alle zu verfestigenden Stellen eines Objektquerschnitts abgetastet wurden, wird eine neue Schicht des Aufbaumaterials aufgebracht und ebenfalls an den dem Querschnitt des Objekts in dieser Schicht entsprechenden Stellen verfestigt.
Das selektive Bestrahlen der aufgebrachten Pulverschicht kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein Laserstrahl durch eine Umlenkeinrichtung, die beispielsweise aus Galvanometerspiegeln gebildet ist, so abgelenkt wird, dass sein Auftreffpunkt auf der Pulveroberfläche über die zu verfestigenden Stellen bewegt wird.
Alternativ offenbart WO 2015/091485 A1 eine Bestrahlungsvorrichtung (manchmal auch Belichtungsvorrichtung genannt), die eine Mehrzahl von Laserarrays enthält. Jedes dieser Laserarrays ist aus einer Mehrzahl einzelner VCSEL (vertical cavity surface-emitting laser) aufgebaut, die gemeinsam ein- oder ausgeschaltet werden. Die Laserarrays werden mittels eines optischen Elements auf die Pulveroberfläche abgebildet. Durch selektives Ein- bzw. Ausschalten der Laserarrays und eine Bewegung der Belichtungsvorrichtung parallel zu der Pulveroberfläche kann die gesamte Pulverschicht selektiv belichtet werden. Mit solch einem System, das man auch als Zeilenbelichter bezeichnen kann, kann ein selektiver Bestrahlungsvorgang rascher vonstatten gehen, da unterschiedliche Stellen der Pulverschicht annähernd zeitgleich oder zumindest mit großer zeitlicher Überschneidung bestrahlt werden können.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung mussten allerdings feststellen, dass bei Verwendung eines Zeilenbelichters sich auch neue Probleme hinsichtlich der Positionsgenauigkeit ergeben können, mit der die Strahlung den zu verfestigenden Stellen der Pulverschicht zugeführt wird. Bei Verwendung von Galvanometerspiegeln zum Richten der Strahlung auf die Pulverschicht ist die Positionsgenauigkeit hinsichtlich der Lage des Auftreffpunkts auf der Pulveroberfläche unter anderem davon abhängig, wie rasch die Mechanik die von der Steuerung vorgegebenen Befehle in Winkelbewegungen umsetzen kann. Bei Verwendung eines Zeilenbelichters liegt demgegenüber ein ganz anderer Sachverhalt vor. Hier wird, im Gegensatz zu dem herkömmlichen Einsatz von Galvanometerspiegeln, eine deutlich größere Masse, nämlich der gesamte Belichter, bewegt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, durch welche bei Verwendung einer additiven Herstellvorrichtung mit Zeilenbelichter eine hohe Positionsgenauigkeit bei der Zuführung der Strahlung zu einer Aufbaumaterialschicht erzielbar sind.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Kalibrierverfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 10. Weiterbildungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beansprucht. Insbesondere kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung auch durch untenstehende bzw. in den abhängigen Ansprüchen ausgeführte Merkmale der erfindungsgemäßen Verfahren weitergebildet sein und umgekehrt. Ferner können die im Zusammenhang mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beschriebenen Merkmale auch zur Weiterbildung einer anderen erfindungsgemäßen Vorrichtung benutzt werden, selbst wenn dies nicht explizit angegeben wird.
Bei einem erfindungsgemäßen Kalibrierverfahren einer Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung einer Anzahl von Objekten, wobei die Vorrichtung aufweist:

eine Steuereinrichtung zur Steuerung des schichtweisen additiven Herstellvorgangs,
eine Schichtauftragsvorrichtung, die ausgelegt ist, eine Schicht eines formlosen Aufbaumaterials auf einer Bauunterlage oder einer bereits hergestellten Schicht innerhalb eines Baufelds bereitzustellen, und
eine Energiezufuhrvorrichtung, die ausgelegt ist, festgelegte Stellen der bereitgestellten Schicht, die den Querschnitten der Anzahl von Objekten in dieser Schicht zugeordnet sind, durch Zufuhr von elektromagnetischer Strahlung zu verfestigen,
- wobei die Energiezufuhrvorrichtung ausgelegt ist, zur Zufuhr von elektromagnetischer Strahlung zu den festgelegten Stellen über das Baufeld bewegt zu werden und der Energiezufuhrvorrichtung für diese Bewegung eine vordefinierte Sollrichtung (X) vorgegeben ist und
- wobei die Energiezufuhrvorrichtung eine Anzahl von Strahlungsemittern aufweist, die entlang einer Anordnungsrichtung (Y) quer zur vordefinierten Sollrichtung (X) angeordnet sind, und Strahlungsemittern in Abhängigkeit von den festgelegten Stellen durch die Steuereinrichtung vorgegeben wird, an welchen Emissionsorten über dem Baufeld Strahlung emittiert werden soll,
wird ermittelt, ob es bei der Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung zu einer Abweichung der Bewegungsrichtung (B) der Energiezufuhrvorrichtung von der vordefinierten Sollrichtung (X) kommt, und die Steuervorrichtung veranlasst, in Abhängigkeit einer ermittelten Abweichung Strahlungsemittern andere Emissionsorte vorzugeben.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Kalibrierung von schichtweise arbeitenden additiven Herstellvorrichtungen, bei denen Energie als elektromagnetische Strahlung selektiv einer Schicht des Aufbaumaterials zugeführt wird. Die Arbeitsebene (auch als Bauebene bezeichnet) ist dabei eine Ebene, in der die Oberseite der Schicht liegt, welcher die Energie zugeführt wird, in der Regel die oberste Schicht des bei der schichtweisen Herstellung entstehenden Schichtstapels. Das Baufeld ist dabei jener Bereich der Arbeitsebene, in dem eine schichtweise Herstellung von Objekten stattfinden kann.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf das Lasersintern oder Laserschmelzen, wobei dem Aufbaumaterial durch Strahlung Wärme zugeführt wird, sodass dieses zumindest teilweise aufschmilzt und nach dem Abkühlen in festem, nicht mehr formlosem Zustand vorliegt, also verfestigt ist. Da die Übergänge zwischen teilweisem (bei Pulverkörnern also oberflächlichem) Aufschmelzen (Sintern) und vollständigem Aufschmelzen (Schmelzen) fließend sind, werden die Begriffe Sintern und Schmelzen in der vorliegenden Anmeldung synonym verwendet und nicht zwischen Sintern und Schmelzen unterschieden.
Ferner sei noch bemerkt, dass es bei den Verfahren und Vorrichtungen, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, um die Herstellung dreidimensionaler Objekte geht, mit anderen Worten bezieht sie sich nicht auf die Ausbildung von Schichten auf Trägermaterialien (Beschichtungen). Dennoch soll auch die Verwendung von Rumpf-Bauteilen mit umfasst sein, bei denen ein Teilvolumen des vollständigen Bauteils mittels des additiven Herstellverfahrens ergänzt wird.
Bei dem formlosen Aufbaumaterial kann es sich um ein pulverförmiges oder um ein pastoses Material handeln. Bevorzugt handelt es sich um polymerhaltiges Aufbaumaterial.
Es sei an dieser Stelle auch angemerkt, dass mittels einer erfindungsgemäßen additiven Herstellvorrichtung nicht nur ein Objekt, sondern auch mehrere Objekte gleichzeitig hergestellt werden können. Wenn in der vorliegenden Anmeldung von der Herstellung eines Objekts die Rede ist, dann versteht es sich, dass die jeweilige Beschreibung in gleicher Weise auch auf additive Herstellverfahren und - vorrichtungen anwendbar ist, bei denen mehrere Objekte gleichzeitig hergestellt werden. Weiterhin wird in der vorliegenden Anmeldung der Begriff „Anzahl“ stets im Sinne von „ein oder mehrere“ verwendet. Ferner sei bemerkt, dass ein Objekt in einem additiven Herstellvorgang auch nur eine Komponente oder ein Abschnitt des eigentlichen das Endprodukt darstellenden Objekts sein kann.
Zur Zufuhr der elektromagnetischen Strahlung zum Aufbaumaterial wird die Energiezufuhrvorrichtung in einer Ebene oberhalb des Baufeldes bewegt, die parallel zur Bauebene ist. Wenn in der Praxis unbeabsichtigte geringfügige Abweichungen von der Parallelität der Ebenen auftreten sollten, so sind diese unabhängig von dem hier beschriebenen Vorgehen oder im Zuge des hier beschriebenen Vorgehens korrigierbar. Für die Bewegung ist der Energiezufuhrvorrichtung eine vordefinierte Sollrichtung (X) vorgegeben. Dies bedeutet, die Bewegung wird konstruktiv auf eine lineare Bewegung in einer Dimension in der Ebene beschränkt. Dabei soll der Begriff Sollrichtung (X) nicht zwangsweise implizieren, dass die Bewegung nur in einer Richtung in der Ebene stattfinden kann. Vielmehr wird in der Regel auch eine Bewegung in der Gegenrichtung (sozusagen -X) möglich sein, obwohl sich die Energiezufuhrvorrichtung für die Verfestigung der Gesamtzahl von festgelegten Stellen in einer Schicht normalerweise immer in der gleichen Richtung (also nicht vor und zurück) bewegt.
Bei jeder linearen Bewegungsführung in einer Sollrichtung kann nicht ausgeschlossen werden, dass es zu Abweichungen der Bewegungsrichtung B von der Sollrichtung kommt, selbst bei sorgfältiger Auslegung der Komponenten, die die Bewegung führen. Gemäß dem vorliegenden Vorgehen wird daher geprüft, ob solch eine Abweichung von der Bewegungsrichtung auftritt und die Strahlungszufuhr zur selektiven Verfestigung des Aufbaumaterials entsprechend korrigiert. Die Abweichung kann sich dabei in einer Linearbewegung in anderer Richtung als der Sollrichtung bzw. in unterschiedlichen Richtungen äußern. Weiterhin kann alternativ oder zusätzlich die Abweichung auch durch eine Drehbewegung hervorgerufen werden. In allen genannten Fällen kann die Abweichung nur temporär sein, also nur an bestimmten Positionen in Sollrichtung auftreten, oder aber an nahezu allen Stellen in der Sollrichtung ab dem erstmaligen Auftreten einer Abweichung bei der Bewegung in Sollrichtung. Der letzte Fall bezieht sich insbesondere auf ein kumulatives Anwachsen der Abweichung der Bewegungsrichtung von der Sollrichtung.
Die Abweichung kann lediglich an einer vorgegebenen Maximalzahl von Positionen der Energiezufuhrvorrichtung in der Sollrichtung ermittelt werden oder aber es wird an möglichst vielen Positionen ermittelt, ob eine Abweichung stattfindet. Dies hängt ganz von den Genauigkeitsanforderungen bei der schichtweisen additiven Herstellung von dreidimensionalen Objekten ab. Im letztgenannten Fall kann die Anzahl der Positionen, an denen eine Abweichung ermittelt wird, an die Ortsauflösung der Linearführung in Sollrichtung (z.B. bei Verwendung eines Schrittmotors) gekoppelt werden.
Wenn mehrere Strahlungsemitter in einer Anordnungsrichtung (Y) quer zur Sollrichtung (X), bevorzugt nebeneinander, angeordnet sind, dann kann dadurch mehreren zu verfestigenden Stellen der Aufbaumaterialschicht die elektromagnetische Strahlung zeitgleich oder zumindest mit zeitlicher Überschneidung zugeführt werden, so dass der Verfestigungsschritt für eine Schicht im Vergleich mit z.B. einem Laserscanner in verkürzter Zeit stattfinden kann. Obwohl die Anordnungsrichtung bevorzugt im Wesentlichen senkrecht, vorzugsweise exakt senkrecht zur Sollrichtung ist, sind auch Ausführungsformen möglich, bei denen die Sollrichtung und die Anordnungsrichtung einen von 90° verschiedenen Winkel einschließen. Unabhängig davon ist es möglich, dass die Strahlungsemitter in einer Richtung senkrecht zur Anordnungsrichtung gegeneinander versetzt sind. Denkbar ist es ferner auch, dass die Strahlungsemitter nicht lückenlos in der Anordnungsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Entscheidend ist vielmehr, dass die elektromagnetische Strahlung in Anordnungsrichtung lückenlos zugeführt werden kann, wobei es auch hiervon Ausnahmen geben kann, wenn z.B. einem sich in der Sollrichtung erstreckenden Streifen des Baufelds bewusst keine elektromagnetische Strahlung zugeführt werden soll. Bevorzugt besteht jeder Strahlungsemitter aus einer Anzahl von Diodenlasern, z.B. VCSELn oder VECSELn.
Die Steuereinrichtung, über die die einzelnen Bestandteile der Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung in koordinierter Weise zum Durchführen des schichtweisen additiven Bauprozesses gesteuert werden, kann auch teilweise oder ganz außerhalb der additiven Herstellvorrichtung angeordnet sein. Die Steuereinrichtung enthält bevorzugt eine CPU, deren Betrieb durch ein Computerprogramm (Software) gesteuert wird. Das Computerprogramm kann getrennt von der additiven Herstellvorrichtung in einer Speichervorrichtung gespeichert sein, von wo aus es (z.B. über ein Netzwerk) in die Steuereinrichtung geladen werden kann.
Insbesondere gibt die Steuereinrichtung den einzelnen Strahlungsemittern vor, an welchen Orten in der Ebene parallel zur Bauebene bei der Bewegung der Strahlungszufuhrvorrichtung über das Baufeld die einzelnen Strahlungsemitter Strahlung emittieren sollen. Diesen Emissionsorten der Strahlungsemitter entsprechen festgelegte Stellen der bereitgestellten Schicht, an denen Aufbaumaterial zu verfestigen ist.
Bei dem beschriebenen Kalibrierverfahren wird die Steuereinrichtung bzw. deren Software veranlasst, an Positionen entlang der Sollrichtung, an denen ermittelt wird, dass bei der Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung über die Bauebene eine Abweichung von der Sollrichtung stattfindet, automatisch zumindest einigen der Strahlungsemitter andere Emissionsorte zugewiesen werden als jene, die diesen Strahlungsemittern ohne Vorliegen einer Abweichung zugewiesen worden wären. Mit anderen Worten, da sich infolge der Abweichung die Lage der Strahlungsemitter in der Ebene parallel zur Bauebene ändert, ändert die Steuereinrichtung automatisch die Orte, an denen Strahlungsemitter Strahlung emittieren sollen, ab, damit die Emissionsorte korrekt mit den festgelegten zu verfestigenden Stellen der Aufbaumaterialschicht korrelieren. Es versteht sich daher, dass nicht unbedingt allen der in der Energiezufuhrvorrichtung enthaltenen Strahlungsemitter andere Emissionsorte zugewiesen werden, sondern oftmals auch nur einem Teil der Strahlungsemitter andere Emissionsorte zugewiesen werden. Die Anzahl der Strahlungsemitter, denen andere Emissionsorte zugewiesen werden, hängt oftmals vom Ausmaß der ermittelten Abweichung ab.
Es sei noch bemerkt, dass zusätzlich zur Abänderung der Emissionsorte optional auch noch die von den Strahlungsemittern abgegebene Strahlungsleistung abgeändert werden kann. Dieses Vorgehen bezieht sich auf den Fall, dass die Strahlungsemitter nicht nur an- und abschaltbar sind, sondern darüber hinaus die von Strahlungsemittern abgestrahlte Strahlungsleistung abgeändert werden kann.
Bevorzugt wird bei dem Kalibrierverfahren zur Ermittlung der Abweichung der Winkel (αj) zwischen der vordefinierten Sollrichtung (X) und der Bewegungsrichtung (B) bestimmt und entschieden, dass eine Abweichung vorliegt, wenn dieser Winkel (αj) einen vorgegebenen Toleranzwinkel (α_ref) übersteigt.
In Abhängigkeit von den Genauigkeitsanforderungen bei der additiven Herstellung von Objekten kann manchmal toleriert werden, dass die Emissionsorte der Strahlungsemitter infolge der Abweichung der Bewegungsrichtung von der Sollrichtung geringfügig verschoben sind. Die Toleranz gegenüber geringfügigen Abweichungen kann durch die Vorgabe des Toleranzwinkels berücksichtigt werden. Eine Abänderung bzw. Anpassung von Emissionsorten findet dann nur in jenen Fällen statt, in denen die Verschiebung der Emissionsorte gegenüber den zu verfestigenden Stellen der Aufbaumaterialschicht nicht mehr toleriert werden kann. Sofern die Abweichung den Toleranzwinkel unterschreitet, wird die aus der Abweichung resultierende Verschiebung der Emissionsorte toleriert. Grundsätzlich kann man einen beliebig kleinen Toleranzwinkel (0°) vorgeben. Eine untere Grenze ergibt sich aber automatisch aus der Messgenauigkeit, mit der der Toleranzwinkel ermittelt werden kann.
Bevorzugt wird für die Ermittlung von Abweichungen die Energiezufuhrvorrichtung mit oder ohne Zufuhr von elektromagnetischer Strahlung zu den festgelegten Stellen über das Baufeld bewegt wird.
Bei diesem Vorgehen ist es möglich, während einer Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung über das Baufeld auftretende Abweichungen der Bewegungsrichtung von der Sollrichtung unabhängig von einem in der Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung ablaufenden Herstellvorgang zu ermitteln. Zur Ermittlung von Abweichungen wird dabei die Energiezufuhrvorrichtung über das Baufeld, bevorzugt das gesamte Baufeld bewegt und an einzelnen Positionen in der Sollrichtung wird überprüft, ob eine Abweichung zwischen Bewegungsrichtung und Sollrichtung vorliegt. Basierend auf dem Ergebnis kann dann die Steuereinrichtung so abgeändert werden, dass sie in nachfolgenden Herstellvorgängen an den entsprechenden Positionen der Energiezufuhrvorrichtung in der Sollrichtung die aufgetretenen Abweichungen dadurch berücksichtigt, dass sie an diesen Positionen andere Emissionsorte vorgibt. Insbesondere kann die Ermittlung von Abweichungen vor der erstmaligen Inbetriebnahme der Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung durchgeführt werden oder aber nach längeren Standzeiten, nach Umbauten oder Änderungen der Umgebungsbedingungen, z. B. Änderungen der Umgebungstemperatur am Aufstellort bzw. Übergang zur Herstellung anderer Objekte. Die Ermittlung der Abweichungen kann abgesehen davon auch kontinuierlich während des Herstellvorgangs erfolgen, z.B. um schleichenden Veränderungen entgegenzuwirken.
Weiter bevorzugt wird eine Information über Positionen (XJ) in der Sollrichtung (X), an denen eine Abweichung ermittelt wurde, in einer Speichereinrichtung hinterlegt und für das Vorgeben der anderen Emissionsorte der Strahlungsemitter auf die in der Speichereinrichtung hinterlegte Information zugegriffen.
Bei dieser Vorgehensweise kann dann die Steuereinrichtung die Positionen in Sollrichtung, an denen eine Abweichung auftrat, durch Zugriff auf die Speichereinrichtung erhalten. Bei der Speichereinrichtung kann es sich dabei um jedwede Art von flüchtigem oder nichtflüchtigem Speicher handeln. Dankbar wäre eine in der Steuereinrichtung selbst vorhandene Speichereinrichtung, z.B. ein RAM, EPROM, etc., oder aber ein Speichermedium, auf das die Steuereinrichtung Lesezugriff haben kann, z.B. eine CD-ROM oder DVD, oder aber eine Speichereinrichtung, die an einem ganz anderen Ort angeordnet ist als die Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung, wobei der Zugriff auf die Speichereinrichtung über ein LAN, insbesondere das Internet, erfolgt. Insbesondere wäre auch an eine Cloud-basierte Implementierung der Speichereinrichtung zu denken, was dann auch die Speicherung auf mehreren verschiedenen Speichereinrichtungen umfasst.
Weiter bevorzugt wird weist die Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung eine Schnittstelle zur Entgegennahme von Steuerdaten zur Steuerung des Ablaufs eines schichtweisen additiven Herstellvorgangs auf, wobei die Steuerdaten zumindest ein Datenmodell der herzustellenden Anzahl von Objekten aufweisen, in welchem Strahlungsemittern vorgegeben wird, an welchen Emissionsorten über dem Baufeld Strahlung emittiert werden soll zur Zufuhr von elektromagnetischer Strahlung zu festgelegten Stellen einer bereitgestellten Schicht, die den Querschnitten der Anzahl von Objekten in dieser Schicht zugeordnet sind,
wobei die Steuereinrichtung Strahlungsemittern andere Emissionsorte vorgibt, indem in einem entgegengenommenen Datenmodell Abänderungen vorgenommen werden.
Die Steuerdaten können Anweisungen enthalten, Schichten des Aufbaumaterials nacheinander aufzutragen und Bereichen der jeweiligen Schichten, die dem Querschnitt eines herzustellenden Objektes entsprechen, Strahlung zuzuführen, um dort das Aufbaumaterial zu verfestigen.
Im Detail weisen die Steuerdaten ein Datenmodell auf, das aus einem computerbasierten Modell des oder der herzustellenden Objekte, bevorzugt einem CAD-Modell derselben, abgeleitet ist. Im Detail legen die Steuerdaten für jede Aufbaumaterialschicht fest, an welchen Emissionsorten Strahlungsemitter beim Bewegen der Energiezufuhrvorrichtung über das Baufeld Strahlung emittieren sollen, um Stellen der Aufbaumaterialschicht zu verfestigen. Diese Emissionsorte sind dabei aus einem computerbasierten Modell des oder der herzustellenden Objekte, bevorzugt einem CAD-Modell derselben abgeleitet.
Die Schnittstelle zur Entgegennahme von Steuerdaten kann insbesondere eine im Stand der Technik bekannte Schnittstelle zur Entgegennahme von digitalen Daten sein wie beispielsweise eine PCI-Bus-, AGP-, SCSI-, USB-, oder FireWire-Schnittstelle, die Aufzählung ist nicht abschließend.
Die Verwendung einer Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung mit solch einer Schnittstelle erlaubt es Nutzern der Vorrichtung, der Vorrichtung die Steuerdaten mit einem Datenmodell für die Herstellung der von den Nutzern gewünschten Objekte vorzugeben. In solch einem Fall kann die durch das Kalibrierverfahren abgeänderte Steuereinrichtung automatisch das entgegengenommene Datenmodell an den Positionen der Energiezufuhrvorrichtung in Sollrichtung, an denen eine Abweichung ermittelt wurde, abändern. Mit anderen Worten, das von einem Nutzer vorgegebene Datenmodell der herzustellenden Anzahl von Objekten wird vor Beginn des Herstellvorgangs oder jeweils vor Beginn des Bestrahlungsvorgangs einer Schicht vorverzerrt und der Herstellvorgang auf der Grundlage des vorverzerrten Datenmodells durchgeführt.
Bevorzugt wird die Steuervorrichtung veranlasst, während eines additiven Herstellvorgangs, vorzugsweise während einer Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung über das Baufeld, Strahlungsemittern andere Emissionsorte vorzugeben.
Bei dieser Ausführungsweise des Kalibrierverfahrens werden Abweichungen zwischen Bewegungsrichtung und Sollrichtung während einer Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung über das Baufeld zum Zuführen der Strahlung zum Baumaterial ermittelt. Dabei kann an jeder neuen Position in Sollrichtung, die die Energiezufuhrvorrichtung erreicht, das Vorliegen einer Abweichung ermittelt werden. Wenn eine Abweichung vorliegt, gibt die Steuervorrichtung automatisch Strahlungsemittern andere Emissionsorte vor als jene, die ohne Vorliegen einer Abweichung vorgegeben worden wären. Die Steuereinrichtung der additiven Herstellvorrichtung ist also so ausgelegt, dass sie entweder selbst das Ermitteln von Abweichungen veranlasst oder zumindest die Information über das Vorliegen einer Abweichung entgegen nehmen kann, um in beiden Fällen, falls eine Abweichung vorliegt, automatisch andere Emissionsorte vorzugeben. Bevorzugt wird dabei der auch der Winkel zwischen Bewegungsrichtung und Sollrichtung ermittelt bzw. der Steuereinrichtung mitgeteilt, so dass die Steuereinrichtung für die Abänderung von Emissionsorten dann diese Information verwenden kann.
Bevorzugt erfolgt die Ermittlung einer Abweichung lediglich an einer vorgegebenen Anzahl von Positionen (XJ) in der Sollrichtung (X).
Die Positionen in der Sollrichtung, an denen die Ermittlung einer Abweichung erfolgt, können beispielsweise dort vorgegeben werden, wo bereits im Vorfeld der Verdacht besteht, dass es zu einer Abweichung von der Linearbewegung kommen kann. Solch ein Vorverdacht kann z.B. von einem bereits in der Vergangenheit stattgefundenen Kalibriervorgang herrühren oder durch die Kenntnis begründet sein, dass während des additiven Herstellvorgangs in bestimmten Bereichen des Baufelds besonders hohe Temperaturen oder besonders große Temperaturdifferenzen auftreten. Durch solch ein Vorgehen kann der Aufwand der Kalibrierung verringert werden.
Zwischen den vorgegebenen Positionen werden die zugehörigen Abweichungen rechnerisch ermittelt auf Basis der an den Positionen ermittelten Abweichungen (Interpolation). Es ist ferner möglich, auch eine Höchstzahl von Positionen vorzugeben, so dass, sofern die Randbedingungen dies zulassen, die Ermittlung einer Abweichung auch an einer geringeren Anzahl von Positionen in der Sollrichtung erfolgen kann.
Bevorzugt erfolgt die Ermittlung einer Abweichung an Positionen (XJ) in der Sollrichtung (X), die einen vorgegebenen Abstand (Δx) zueinander aufweisen.
Bei diesem Vorgehen wird einerseits der Aufwand für die Kalibrierung dadurch beschränkt, dass das Vorliegen einer Abweichung nur an bestimmten Positionen ermittelt wird. Andererseits wird durch die Vorgabe des konstanten Abstands zwischen den Positionen erreicht, dass Abweichungen möglichst gleichmäßig entlang der Sollrichtung ermittelt werden.
Optional kann auch ein Höchstabstand zwischen den Positionen in der Sollrichtung vorgegeben werden, der nicht überschritten werden darf.
Bevorzugt wird in dem Kalibrierverfahren zusätzlich ermittelt, ob es bei der Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung zu einer Abänderung des Abstands von Strahlungsemittern von dem Baufeld kommt und falls dies der Fall ist, die Steuereinrichtung veranlasst, die Fokuslage der von Strahlungsemittern emittierten Strahlung abzuändern.
Eine Änderung des Abstands von Strahlungsemittern zu dem Baufeld kann dadurch hervorgerufen werden, dass die Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung über das Baufeld nicht vollständig in einer Ebene verläuft, also die Energiezufuhrvorrichtung als Ganzes in einer Richtung senkrecht zur Ebene, in der die Sollrichtung verläuft, versetzt wird. In diesem Fall ändert sich der Abstand aller Strahlungsemitter. Andererseits kann aber auch die Ebene, in der die Energiezufuhrvorrichtung über das Baufeld bewegt wird, nicht vollständig parallel zur Bauebene, in der das Baufeld liegt, sein. In diesem Fall kann daraus für unterschiedliche Strahlungsemitter ein unterschiedlicher Abstand zum Baufeld resultieren, so dass sich der Abstand lediglich eines Teils der Strahlungsemitter über ein tolerierbares Maß hinaus ändert.
Auch wenn die Abweichungen von der Ebenenparallelität in der Regel vernachlässigbar gering sind, so kann bei hochpräzisen Anwendungen auch dieser Effekt berücksichtigt werden, indem (beispielsweise mittels einer über dem Baufeld angeordneten (IR)-Kamera) überprüft wird, ob es zu Schwankungen des Strahlfokus kommt. Falls dies der Fall ist, so kann die Fokuslage durch eine Änderung des Abstands der Energiezufuhrvorrichtung zur Bauebene und/oder durch Einführen oder Abändern einer Neigung der Energiezufuhrvorrichtung gegenüber der Ebene des Baufelds (der Arbeits- oder Bauebene) und/oder durch Anpassen der Fokussierung korrigiert werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung einer Anzahl von Objekten, die gemäß einem erfindungsgemäßen Kalibrierverfahren kalibrierbar ist, weist auf:

eine Steuereinrichtung zur Steuerung des schichtweisen additiven Herstellvorgangs,
eine Schichtauftragsvorrichtung, die ausgelegt ist, eine Schicht eines formlosen Aufbaumaterials auf einer Bauunterlage oder einer bereits hergestellten Schicht innerhalb eines Baufelds bereitzustellen,
eine Energiezufuhrvorrichtung, die ausgelegt ist, festgelegte Stellen der bereitgestellten Schicht, die den Querschnitten der Anzahl von Objekten in dieser Schicht zugeordnet sind, durch Zufuhr von elektromagnetischer Strahlung zu verfestigen,
- wobei die Energiezufuhrvorrichtung ausgelegt ist, zur Zufuhr von elektromagnetischer Strahlung zu den festgelegten Stellen über das Baufeld bewegt zu werden und der Energiezufuhrvorrichtung für diese Bewegung eine vordefinierte Sollrichtung (X) vorgegeben ist,
- wobei die Energiezufuhrvorrichtung eine Anzahl von Strahlungsemittern aufweist, die entlang einer Anordnungsrichtung (Y) quer zur vordefinierten Sollrichtung (X) angeordnet sind, und Strahlungsemittern in Abhängigkeit von den festgelegten Stellen durch die Steuereinrichtung vorgegeben wird, an welchen Emissionsorten über dem Baufeld Strahlung emittiert werden soll, und
die Steuereinrichtung ausgelegt ist, an Positionen (XJ) in der Sollrichtung (X), an denen im Zuge des Kalibrierverfahrens eine Abweichung ermittelt wird, Strahlungsemittern andere Emissionsorte vorzugeben.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist so eingerichtet, dass sie im Falle von Abweichungen der Bewegungsrichtung der Energiezufuhrvorrichtung von der Sollrichtung automatisch die Orte, an denen Strahlungsemitter Strahlung emittieren sollen, abändert. Mit anderen Worten, die Steuereinrichtung der Vorrichtung ist so ausgestaltet, dass sie entweder die Informationen über vor einem Herstellvorgang ermittelte Abweichungen während des Herstellvorgangs berücksichtigen kann oder aber während des Herstellvorgangs die Informationen selbsttätig ermittelt und sofort berücksichtigt.
Damit ist die Vorrichtung so ausgelegt, dass ein erfindungsgemäßes Kalibrierverfahren für diese Vorrichtung durchgeführt werden kann. Insbesondere kann dadurch für einen Nutzer der Vorrichtung das Erfordernis, die Vorrichtung vor Inbetriebnahme oder aber von Zeit zu Zeit kalibrieren zu müssen, entfallen. Die Ermittlung von Abweichungen der Bewegungsrichtung von der Sollrichtung kann insbesondere auch bereits durch den Hersteller der Vorrichtung vorgenommen werden oder aber die Vorrichtung kann dies selbsttätig im Zuge eines Verfestigungsvorgangs einer Aufbaumaterialschicht tun.
Bevorzugt weist die Vorrichtung eine Linearführung auf, durch welche die Energiezufuhrvorrichtung bei ihrer Bewegung über das Baufeld geführt wird.
Für die Ausgestaltung der Linearführung gibt es hierbei eine Vielzahl von Möglichkeiten. In erster Linie kann die Linearführung mittels einer Anzahl von Schienen, insbesondere eine oder zwei Schienen, bewerkstelligt werden, die zur Geradführung der Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung dienen. Die Energiezufuhrvorrichtung ist hierbei mittels einer Kopplungsvorrichtung (z.B. Schlitten oder Wagen) mit der/den Schiene(n) verbunden.
Weiter bevorzugt weist die Linearführung zwei voneinander beabstandete parallele Schienen auf, auf denen die Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung mittels zweier Schlitten geführt ist.
Solch eine Ausgestaltung der Linearführung hat den Vorteil, dass mit ihr für eine besonders geradlinige Bewegung gesorgt werden kann.
Weiter bevorzugt ist die Energiezufuhrvorrichtung zwischen auf zwei Seiten des Baufelds angeordneten Schienen angeordnet.
Solch eine Ausgestaltung der Linearführung hat den Vorteil, dass mit ihr für einen besonders stabilen Aufbau gesorgt wird, bei dem sich dann die auf den beiden Schienen gelagerte Energiezufuhrvorrichtung wie eine Brücke über das Baufeld spannt.
Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung einer Anzahl von Objekten weiterhin einen Lagedetektor auf, der ausgelegt ist zu ermitteln, ob es bei der Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung zu einer Abweichung der Bewegungsrichtung (B) der Energiezufuhrvorrichtung von der vordefinierten Sollrichtung (X) kommt.
Ein Lagedetektor ermittelt dabei z.B. den Winkel zwischen der Bewegungsrichtung der Energiezufuhreinheit und der Sollrichtung. Beispielsweise kann hierfür eine Kamera verwendet werden, die bevorzugt oberhalb der Energiezufuhreinheit und des Baufelds angeordnet ist. Ferner kann der Lagedetektor ein lineares Messsystem (z.B. einen Glasmaßstab, einen induktiven Wegaufnehmer, ein Interferometer oder eine Kombination aus linearem Messsystem und Winkelmesssystem (Glasmaßstab und Autokollimator) aufweisen.
Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung einer Anzahl von Objekten, bei der die Linearführung zwei voneinander beabstandete parallele Schienen aufweist, weiterhin einen Lagedetektor auf, der ausgelegt ist zu ermitteln, ob es bei der Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung zu einer Abweichung der Bewegungsrichtung (B) der Energiezufuhrvorrichtung von der vordefinierten Sollrichtung (X) kommt,
wobei der Lagedetektor zwei Positionsmesseinheiten aufweist, von denen jede an einer der beiden Schienen angebracht ist und geeignet ist, die Position des jeweiligen Schlittens auf der Schiene zu bestimmen.
Bei dieser Ausgestaltung wird einfach die zu einem gegebenen Zeitpunkt ermittelte Position der Kopplungsvorrichtungen (z.B. der Schlitten), mit denen die Energiezufuhreinheiten an die Schienen angekoppelt ist, ermittelt und hieraus eine Abweichung zwischen Bewegungsrichtung und Sollrichtung ermittelt, beispielsweise über den Abstand der Positionsmesseinheiten, und die ermittelten Positionen der Winkel zwischen der Bewegungsrichtung der Energiezufuhreinheit und der Sollrichtung berechnet. Als Positionsmesseinheiten kommen hierbei lineare Messsysteme (z.B. induktive Wegaufnehmer, Interferometer) in Frage.
Weiter bevorzugt ist der Lagedetektor ausgelegt, einen Winkel (αj) zwischen der vordefinierten Sollrichtung (X) und der Bewegungsrichtung (B) zu bestimmen.
Durch die Bestimmung des Winkels zwischen Bewegungsrichtung und Sollrichtung kann die Information über die aufgetretene Abweichung auf einfache Weise bei der Neufestlegung von Emissionsorten berücksichtigt werden, insbesondere wenn die Anordnung der Strahlungsemitter an der Energiezufuhrvorrichtung einem komplexen Muster folgt.
Weiter bevorzugt handelt es sich bei dem Lagedetektor um eine oberhalb der Energiezufuhrvorrichtung angeordnete Kamera.
Bei der Kamera kann es sich entweder um eine optische Kamera handeln, die dann insbesondere Bilder der Energiezufuhrvorrichtung und ihrer Linearführung aufnimmt, oder um eine Infrarotkamera, die Bilder der bestrahlten Aufbaumaterialschicht aufnimmt, anhand derer Rückschlüsse auf eine Abweichung zwischen Bewegungsrichtung und Sollrichtung gezogen werden. Die bestrahlten Stellen der Aufbaumaterialschicht weisen infolge der Energiezufuhr eine höhere Temperatur als das umgebende Aufbaumaterial auf, was sich im IR-Bild widerspiegelt. Abweichungen können dann durch die Ermittlung von geometrischen Abweichungen zu dem in den Eingangsdaten der additiven Herstellvorrichtung spezifizierten zugehörigen Objektquerschnitt (bzw. einem Teil desselben) ermittelt werden.
Weiter bevorzugt weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung einer Anzahl von Objekten weiterhin eine Prüfeinheit auf, die ausgelegt ist, das Vorliegen einer Abweichung festzustellen, wenn der durch den Lagedetektor ermittelte Winkel (αj) einen vorgegebenen Toleranzwinkel (α_ref) übersteigt.
Die Prüfeinheit kann hierbei insbesondere mittels Software implementiert werden, insbesondere auch mittels eines von einer in der Steuereinrichtung enthaltenen CPU abgearbeiteten Programms. Der Toleranzwinkel ist bevorzugt einstellbar und z.B. abhängig von den Genauigkeitsanforderungen an die herzustellenden Objekte. Dies bedeutet, entweder kann der Hersteller der additiven Herstellvorrichtung durch Vorgabe des Toleranzwinkels die Genauigkeit der additiven Herstellvorrichtung festlegen oder ein Nutzer der Vorrichtung kann durch Abänderung des Toleranzwinkels die Vorrichtung an seine Anforderungen anpassen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur schichtweisen additiven Herstellung einer Anzahl von Objekten, umfasst ein erfindungsgemäßes Kalibrierverfahren.
Mittels solch eines schichtweisen additiven Herstellverfahrens kann die Genauigkeit der hergestellten Objekte auf einfache Weise verbessert werden.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Figuren.

1 zeigt eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht einer beispielhaften Vorrichtung zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß der Erfindung.
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Baufeld mit einem Zeilenbelichter, auf den die vorliegende Erfindung anwendbar ist.
3 veranschaulicht schematisch das durch die Erfindung gelöste Problem.
4 dient der Erläuterung einer erfindungsgemäßen Vorgehensweise.
5a ist eine schematische Ansicht eines in der in 1 gezeigten Vorrichtung enthaltenen Belichters von unten.
5b ist eine schematische Ansicht eines in dem in 5a gezeigten Belichter enthaltenen Lasermoduls.
5c ist eine schematische Ansicht eines in dem in 5b gezeigten Lasermodul enthaltenen Laserarrays.
6 veranschaulicht den Ablauf eines Kalibrierverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform,
7 zeigt schematisch Details des Aufbaus einer Steuereinrichtung einer additiven Herstellvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform.
8 veranschaulicht den Ablauf eines Kalibrierverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform,
9 zeigt schematisch Details des Aufbaus einer Steuereinrichtung einer additiven Herstellvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Nachfolgend wird mit Bezug auf 1 zunächst eine beispielhafte Vorrichtung 1 beschrieben, die gemäß den beiden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kalibriert wird. 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 direkt auf der Grundplatte 11 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 Lasersintervorrichtung 1 enthält weiter einen Vorratsbehälter 14 für ein durch elektromagnetische Strahlung verfestigbares pulverförmiges oder pastoses Aufbaumaterial 15 und einen in einer horizontalen Richtung H bewegbaren Beschichter 16 zum Aufbringen des Aufbaumaterials 15 innerhalb des Baufelds 8. Vorzugsweise erstreckt sich der Beschichter 16 quer zu seiner Bewegungsrichtung über den ganzen zu beschichtenden Bereich.
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 Lasersintervorrichtung 1 enthält als Energiezufuhrvorrichtung zum Zuführen von elektromagnetischer Strahlung zum Aufbaumaterial ferner einen ebenfalls in einer horizontalen Richtung bewegbaren Belichter 18, der eine Laserstrahlung 19 erzeugt, die auf die Arbeitsebene 7 fokussiert wird. Der Belichter 18 ist dabei als Zeilenbelichter ausgebildet, der in der Lage ist, eine sich quer, insbesondere senkrecht zu seiner Bewegungsrichtung erstreckende Fläche zu belichten, die auch als Linie bezeichnet wird und sich über den gesamten zu belichtenden Bereich erstreckt.
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Baufeld 8, die den in der Sollrichtung X zu bewegenden Zeilenbelichter 18 zeigt. Dieser weist einen Belichterarm 31 mit einer Längsachse auf, die sich senkrecht zur Sollrichtung X erstreckt. Zur Führung der Bewegung des Zeilenbelichters 18 ist der Belichterarm 31 starr mit einer Kopplungsvorrichtung 30 verbunden, die in Verlängerung seiner Längsachse angeordnet ist. An der Kopplungsvorrichtung 30 sind zwei Schlitten 30a und 30b angebracht, die jeweils entlang einer der beiden zueinander parallelen Schienen 28a und 28b gleitend verfahrbar sind. Zur Registrierung der Lage jedes Schlittens entlang der Erstreckungsrichtung (Bahnkurve) seiner Schiene ist an jedem der beiden Schlitten eine Positionsmesseinheit 32a bzw. 32b angebracht. Der Motor zur Bewegung des Belichters 18 (z.B. ein Schrittmotor) ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht in den Figuren dargestellt.
Der Zeilenbelichter 18 weist in diesem Beispiel eine Mehrzahl unabhängig voneinander ansteuerbarer Belichtungseinheiten (d.h. Strahlungsemitter) 80 auf, die senkrecht zur Bewegungsrichtung des Zeilenbelichters (in 2 als Y-Richtung bezeichnet) nebeneinander angeordnet sind und jeweils unabhängig voneinander Laserstrahlung auf die unter dem Zeilenbelichter 18 liegende Arbeitsebene 7 richten können. In diesem Beispiel wird angenommen, dass n Belichtungseinheiten 80₁, 80₂, ... 80_n vorhanden sind, wobei n eine natürliche Zahl ist und beispielsweise den Wert 184 aufweist. Dabei wird im weiteren Verlauf der Beschreibung angenommen, dass die Belichtungseinheit 80₁ den kleinsten Abstand zur Schiene 28a aufweist und die Belichtungseinheit 80_n den größten Abstand.
Wieder Bezug nehmend auf 1 enthält die Lasersintervorrichtung 1 eine Steuereinrichtung 20, über die die einzelnen Bestandteile der Vorrichtung 1 (z.B. der Motor zur Bewegung des Belichters 18) in koordinierter Weise zum Durchführen des Bauprozesses gesteuert werden. Alternativ kann die Steuereinrichtung auch teilweise oder ganz außerhalb der Vorrichtung angeordnet sein. Die Steuereinrichtung kann eine CPU enthalten, deren Betrieb durch ein Computerprogramm (Software) gesteuert wird. Das Computerprogramm kann auf einem Speichermedium gespeichert sein, von dem aus es in die Vorrichtung, insbesondere in die Steuereinrichtung, geladen werden kann. In der vorliegenden Anmeldung schließt der Begriff „Steuereinrichtung“ jede computerbasierte Steuereinrichtung ein, die in der Lage ist, den Betrieb einer additiven Herstellvorrichtung oder zumindest einer der Komponenten derselben zu steuern oder zu regeln. Dabei muss die Verbindung zwischen Steuereinrichtung und gesteuerten Komponenten nicht notwendigerweise kabelgestützt sein, sondern kann auch mittels Funk implementiert werden, indem die Steuereinrichtung entsprechende Funkempfänger und -sender aufweist.
In der soeben beispielhaft beschriebenen additiven Herstellvorrichtung geht ein Herstellvorgang so vonstatten, dass die Steuereinrichtung 20 einen Steuerdatensatz abarbeitet, der von der Steuereinrichtung gelesen wird. Der Steuerdatensatz spezifiziert für jede durch den Beschichter 16 aufgetragene Schicht des Aufbaumaterials 15, an welchen Stellen innerhalb des Baufelds 8 Laserstrahlung auf die Arbeitsebene 7 (und damit auf das Aufbaumaterial 15) zu richten ist. Dies bedeutet, im Steuerdatensatz ist spezifiziert, an welchen Positionen Xj des Belichters 18 in der Sollrichtung X welche Belichtungseinheiten 80₁ ... 80_n an dem Belichterarm 31 Laserstrahlung emittieren sollen. Die Angabe der jeweiligen Belichtungseinheit 80_i in dem Steuerdatensatz korrespondiert dabei mit der Position des zu bestrahlenden Ortes in einer Richtung senkrecht zur Sollrichtung X. Mit anderen Worten, im Steuerdatensatz werden durch die Vorgabe von Datentripeln (Xj, 80_i, Pij) Orte oberhalb des Baufelds spezifiziert, an denen Strahlung mit der Leistung P emittiert werden soll. Der Einfachheit halber wird hier angenommen, dass entweder Strahlung emittiert wird oder nicht, mit anderen Worten entweder wird die Leistung P zugeführt oder gar keine Leistung wird zugeführt, d.h. Pij ist ein binärer Parameter. Wenn keine Leistung zugeführt wird, hat P den Wert Null.
Für jede Schicht bei der schichtweisen Herstellung eines Objekts veranlasst die Steuereinrichtung 20 den Beschichter 16, eine Schicht des Aufbaumaterials 15 aufzutragen, um anschließend den Zeilenbelichter 18 mittels einer Linearführung in der Sollrichtung X über das Baufeld 8 zu bewegen und entsprechend den Vorgaben in dem Steuerdatensatz für die selektive Belichtung des Aufbaumaterials anzusteuern.
Erfindungsgemäß werden Abweichungen der Richtung, in der die Linearführung den Belichter 18 über das Baufeld 8 bewegt, von der Sollrichtung X ermittelt und die additive Herstellvorrichtung so kalibriert, dass sie während additiver Herstellvorgänge von Objekten solche Abweichungen automatisch berücksichtigt.
3 veranschaulicht schematisch das durch die Erfindung gelöste Problem. Wie 2 zeigt auch 3 eine schematische Draufsicht auf das Baufeld 8 mit dem in der Sollrichtung X zu bewegenden Zeilenbelichter 18. Dabei sind in 3 Merkmale, die identisch zu jenen in 2 sind, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Geradlinigkeit der Bewegung des Belichters 18 hängt von der Geradlinigkeit der der Linearführung dienenden Schienen 28a und 28b ab. Gerade bei einer Schienenlänge/Baufeldlänge im Bereich von ca. 50 cm kann nicht ausgeschlossen werden, dass Fertigungstoleranzen zu Abweichungen von der Geradlinigkeit führen. In 3 ist dabei aus Gründen der Veranschaulichung eine Abweichung der Geradlinigkeit der Schienen übergroß dargestellt. Wie man erkennt, bewirkt die Krümmung der Schienen, dass sich bei der Bewegung des Belichters 18 in der Sollrichtung X noch eine zusätzliche Drehbewegung um den Winkel β hinzuaddiert. Als Folge davon nehmen die Belichtungseinheiten in der Sollrichtung nicht eine Position Xj ein, die in dem Steuerdatensatz spezifiziert sind. Insbesondere ist der Versatz der Belichtungseinheiten in X-Richtung auch vom Abstand einer Belichtungseinheit von den Schienen abhängig, was in 3 anhand der Belichtungseinheiten 80_j und 80_m veranschaulicht ist. Für die Belichtungseinheiten 80_j und 80_m ist gestrichelt die Position an der Stelle Xj gezeigt, die die Belichtungseinheiten 80_j und 80_m für eine exakt geradlinige Bewegung des Belichters 18 in Sollrichtung einnehmen würden. Die Folge des Versatzes der Belichtungseinheiten ist die, dass Belichtungseinheiten an anderen Positionen Laserstrahlung emittieren als jenen, die ihnen vorgegeben sind, wodurch Baufehler hervorgerufen werden. Es sei angemerkt, dass für den Fall, dass die Vorgabe der dem Material zugeführten Leistung P nicht binär, sondern in mehr als zwei Stufen erfolgt, ebenfalls Baufehler daraus resultieren, dass an einzelnen Orten in der Arbeitsebene 7 die falsche Leistung dem Aufbaumaterial zugeführt wird.
Es sei noch angemerkt, dass die soeben beschriebene Ausgestaltung und die soeben beschriebene Funktionsweise der Steuereinrichtung 20 nicht nur auf die nachfolgende erste Ausführungsform zutreffen, sondern auch auf die Steuereinrichtung 200 der weiter unten beschriebenen zweiten Ausführungsform.
Erste Ausführungsform
Bei der ersten Ausführungsform werden Abweichungen der Richtung, in der die Linearführung den Belichter 18 über das Baufeld 8 bewegt, von der Sollrichtung X vor Beginn eines Herstellvorgangs ermittelt und die additive Herstellvorrichtung so kalibriert, dass sie während additiver Herstellvorgänge von Objekten solche Abweichungen automatisch berücksichtigt.
Für die Durchführung des Kalibrierverfahrens ist es notwendig, dass eine Steuereinrichtung 20 der additiven Herstellvorrichtung in besonderer Weise ausgelegt ist. Nachfolgend wird der Ablauf des Kalibrierverfahrens anhand von 6 beschrieben, wobei 7 relevante Details des Aufbaus der Steuereinrichtung 20 veranschaulicht.
In dem in 6 gezeigten Schritt S1 wird vor Beginn des Herstellvorgangs eines Objekts der Belichter 18 entlang der Schienen 28a und 28b über das gesamte Baufeld 8 verfahren. Dabei werden an ausgewählten Positionen Xj in der Sollrichtung X die von den Positionsmesseinheiten 32a bzw. 32b gelieferten Werte miteinander verglichen. Sofern an einer Position Xj die Differenz δj der von den Positionsmesseinheiten 32a bzw. 32b gelieferten Werte einen Toleranzwert überschreitet, wird diese Differenz δj in einen Winkel αj umgerechnet. Der Winkel αj ergibt sich dabei zu arctan (δj/L1 ), wobei L1 der Abstand der Schienen senkrecht zur Verlaufsrichtung der Schienen ist. Anschließend wird der Winkel αj zusammen mit der zugehörigen Position Xj in einer Abweichungstabelle hinterlegt.
Die ausgewählten Positionen Xj werden bevorzugt so gewählt, dass sie möglichst die gesamte Länge des Baufelds 8 in der Sollrichtung X abdecken. Je dichter die Positionen Xj aneinander liegen, mit anderen Worten je größer die Anzahl der ausgewählten Positionen ist, desto genauer können Abweichungen vom geradlinigen Verlauf erfasst werden. Dabei wird für einen hohen Toleranzwert eine geringere Anzahl von Positionen Xj ausreichen als für einen geringen Toleranzwert. Es sei bemerkt, dass dem im Vorhinein festgelegten Toleranzwert ein Toleranzwinkel entsprechend der Beziehung Toleranzwinkel = arctan (Toleranzwert/L1 ) entspricht.
In dem in 6 gezeigten Schritt S2 werden aus den in der Abweichungstabelle hinterlegten Wertepaaren Korrekturdaten berechnet und in einer Korrekturdatentabelle hinterlegt. Diese enthält Korrekturdatentripel (Xj, 80_i, Δij), in denen für jede der Positionen Xj jeder der Belichtungseinheiten 80_i (1 ≤ i ≤ n) ein Positionsfehler Δij zugeordnet ist, der den Unterschied in X-Richtung zwischen der tatsächlichen Position der Belichtungseinheit 80_i und der Position Xj angibt.
Bezug nehmend auf 4 wird nachfolgend erläutert, wie für eine beispielhafte Belichtungseinheit 80_i der Positionsfehler Δij ermittelt wird. Dabei sind in 4 gegenüber 3 jene Merkmale weggelassen, die für die Erläuterung nicht notwendig sind. Ansonsten sind Merkmale, die identisch zu jenen in 3 sind, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. 4 zeigt die Lage der Belichtungseinheit 80_i in Richtung der Längsachse des Belichterarms 31, wobei Li den Abstand der Belichtungseinheit 80_i von der Schiene 28b kennzeichnet. Hier wird davon ausgegangen, dass die Längsachse des Belichterarms senkrecht zur Schiene 28b verläuft. Man erkennt, dass sich der Positionsfehler Δij zu Δij = Li • sin αj berechnen lässt.
Wie in 7 gezeigt, enthält die Steuereinrichtung 20 unter anderem eine Steuerdatenzugriffseinheit 101, eine Korrekturdatenspeichereinheit 102, eine Steuerdatenkorrektureinheit 103 sowie eine Belichteransteuereinheit 104. In dem in 6 gezeigten Schritt S3 wird die zuvor im Schritt S2 generierte Korrekturdatentabelle in der Korrekturdatenspeichereinheit 102 der Steuereinrichtung 20 abgespeichert. Wie man in 7 erkennt, ist die Steuerdatenkorrektureinheit 103 zwischen die Steuerdatenzugriffseinheit 101 und die Belichteransteuereinheit 104 geschaltet. Dadurch kann nach dem Einlesen eines Steuerdatensatzes mit den Steuerdaten für die Herstellung einer Anzahl von Querschnitten eines Objekts, optional auch für das gesamte Objekt, was durch die Steuerdatenzugriffseinheit 101 geschieht, die Steuerdatenkorrektureinheit 103 die nachfolgenden Schritte (i) bis (ii) ausführen, sodass die Belichteransteuereinheit 104 nicht automatisch eine Bestrahlung basierend auf den eingelesen Steuerdaten-Tripeln durchführt.
Im Schritt i) wird für jedes der im Steuerdatensatz spezifizierten Steuerdaten-Tripel (Xj, 80_i, Pij) abgeprüft, ob für die Position Xj im Steuerdaten-Tripel in der Korrekturdatenspeichereinheit 102 ein Korrekturdatentripel (Xj, 80_i, Δij) hinterlegt ist. Für die Steuerdaten-Tripel, bei denen dies der Fall ist, wird der Schritt ii) ausgeführt.
Im Schritt ii) wird das entsprechende Steuerdaten-Tripel zu (Xj, 80_i, Pi(Xj+Δij)) abgeändert. Mit anderen Worten der Wert von Pij, der ursprünglich für eine an der Position Xj angeordnete Belichtungseinheit 80_i spezifiziert war, wird auf einen Wert gesetzt, der ursprünglich für eine an der Position Xj+Δij angeordnete Belichtungseinheit 80_i spezifiziert war.
Der auf diese Weise abgeänderte Steuerdatensatz kann nun (ggf. nach Zwischenspeicherung) von der Belichteransteuereinheit 104 der Ansteuerung des Belichters 18 zugrunde gelegt werden. In diesem Fall wird bei einem Herstellvorgang in der additiven Herstellvorrichtung zunächst vor dem Baubeginn ein abgeänderter Steuerdatensatz erzeugt. Alternativ ist es auch möglich vor der Bestrahlung einer Schicht zunächst die sich auf diese Schicht beziehenden Steuerdaten abzuändern (z.B. während des Schichtauftrags).
Zweite Ausführungsform
Bei der zweiten Ausführungsform erfolgt die Ermittlung von Abweichungen der Richtung, in der die Linearführung den Belichter 18 über das Baufeld 8 bewegt, von der Sollrichtung X während eines Herstellvorgangs. Die additive Herstellvorrichtung kalibriert sich also während additiver Herstellvorgänge von Objekten selbst, indem sie solche Abweichungen während additiver Herstellvorgänge ermittelt und automatisch bei der Bestrahlung einer Aufbaumaterialschicht berücksichtigt. Die additive Herstellvorrichtung weist hierfür eine Steuereinrichtung 200 auf.
Nachfolgend wird der Ablauf des Kalibrierverfahrens anhand von 8 beschrieben, wobei 9 relevante Details des Aufbaus der Steuereinrichtung 200 veranschaulicht, die für eine entsprechende Kalibration ausgelegt ist.
In dem in 8 gezeigten Schritt S1 wird zunächst durch die in 9 gezeigte Steuerdatenzugriffseinheit 201 ein Steuerdatensatz eingelesen, der die Steuerdaten für die Herstellung einer Anzahl von Querschnitten eines Objekts, optional auch für das gesamte Objekt, enthält. Im Schritt S2 wird anschließend der Beschichter 16 veranlasst, eine Schicht des Aufbaumaterials 15 aufzutragen, um danach den Zeilenbelichter 18 in der Sollrichtung X über das Baufeld 8 zu bewegen und entsprechend den Vorgaben in dem Steuerdatensatz für die selektive Belichtung des Aufbaumaterials anzusteuern. Die hierfür erforderlichen Komponenten der Steuereinrichtung 200 sind im Stand der Technik bekannt und daher nicht explizit in 9 gezeigt.
Der Schritt S2 enthält darüber hinaus aber noch einen Teilschritt, der so nicht im Stand der Technik bekannt ist. Während der Bewegung des Belichters 18 werden durch die in 9 gezeigte Abweichungsermittlungseinheit 202 die von den Positionsmesseinheiten 32a bzw. 32b gelieferten Werte ausgelesen und miteinander verglichen. Wenn an einer Position Xj die Differenz δj der von den Positionsmesseinheiten 32a bzw. 32b gelieferten Werte einen Toleranzwert überschreitet, dann werden von einer in 9 gezeigten Steuerdatenkorrektureinheit 203 die in den Steuerdaten für diese Position Xj für die Belichtungseinheit 80_i spezifizierten Werte abgeändert. Das Vorgehen wird Bezug nehmend auf 4 für eine beispielhafte Belichtungseinheit 80_i erläutert.
Für jede Position Xj des Zeilenbelichters 18 bei der Bewegung in der Sollrichtung X wird wie bei der ersten Ausführungsform ein Positionsfehler Δij ermittelt, der den Unterschied in X-Richtung zwischen der tatsächlichen Position der Belichtungseinheit 80_i und der Position Xj angibt. Hierzu kann man wie bei der ersten Ausführungsform die Differenz δj in einen Winkel αj umrechnen und daraus Δij als Δij = Li • sin αj bestimmen. Alternativ kann Δij aber auch direkt zu Δij = L / L1 • δj bestimmt werden, was ebenso auch bei der ersten Ausführungsform möglich ist. Man macht sich hier zunutze, dass die Abweichungen von der Geradlinigkeit so minimal sind, dass in guter Näherung die von den Positionsmesseinheiten 32a bzw. 32b gelieferte Differenz δj, die sich ja auf unterschiedliche Positionen entlang der Bahnkurven der Schienen 28a und 28b bezieht, gleich dem Unterschied dieser Positionen in der Sollrichtung X ist.
Wenn an einer Position Xj festgestellt wird, dass die Differenz δj der von den Positionsmesseinheiten 32a bzw. 32b gelieferten Werte einen Toleranzwert überschreitet, dann werden die Steuerdaten-Tripel, die an der Position Xj die Ansteuerung der Belichtereinheiten 80i definieren, abgeändert, in dem die Steuerdaten-Tripel (Xj, 80_i, Pij) (1≤ i ≤ n) durch Datentripel (Xj, 80_i, Pi(Xj+Δij)) ersetzt werden. Die abgeänderten Datentripel (Xj, 80_i, Pi(Xj+Δij) (1 ≤ i ≤ n) werden nun der Belichteransteuereinheit 204 zur selektiven Bestrahlung des Aufbaumaterials an der Belichterposition Xj zur Verfügung gestellt.
Sofern der oben erwähnte durch die Abweichungsermittlungseinheit 202 durchgeführte Vergleich der von den Positionsmesseinheiten 32a bzw. 32b gelieferten Werte keine Überschreitung des Toleranzwerts ergibt, werden die eingelesenen Steuerdaten-Tripel (Xj, 80_i, Pij) (1≤ i ≤ n), die sich auf eine Belichterposition Xj in Sollrichtung beziehen, von der Abweichungsermittlungseinheit 202 direkt an die Belichteransteuereinheit 204 weitergereicht ohne die Steuerdatenkorrektureinheit 203 zu involvieren.
Auf diese Weise erfolgt also bei der Bewegung des Zeilenbelichters 18 über eine Schicht des Aufbaumaterials an jeder Position Xj zunächst eine Abprüfung der Positionsmesseinheiten 32a bzw. 32b bevor der Zeilenbelichter 18 an der Position Xj dem Aufbaumaterial Strahlung zuführt.
Abwandlung der Ausführungsformen
Es hat sich gezeigt, dass das in den beiden Ausführungsformen geschilderte Vorgehen gerade dann vorteilhaft ist, wenn ein Zeilenbelichter zum Einsatz kommt, bei dem Belichtungseinheiten 80 nicht nur quer zur Sollrichtung X sondern auch in der Sollrichtung X nebeneinander angeordnet sind. Nachfolgend wird ein Beispiel solch eines Belichters beschrieben:

Die 5a bis 5c zeigen schematisch eine Ansicht des Belichters 18 von unten. Die Bewegungsrichtung des Belichters über das Baufeld ist dabei durch einen Pfeil X angegeben. Dabei zeigt 5a, wie auf der Unterseite des Belichters 18 eine Mehrzahl von Lasermodulen 30 in gegeneinander versetzten Reihen angeordnet ist. 5b zeigt, wie jedes Lasermodul 30 aus einer Mehrzahl von Laserarrays 31, die die Belichtungseinheiten bzw. Strahlungsemitter 80 darstellen, gebildet ist. 5c zeigt, wie jedes Laserarray 31 aus einer Mehrzahl einzelner Laser 32 gebildet ist.

Die einzelnen Laser 32 sind als Halbleiter-Diodenlaser vom Typ VCSEL (vertical cavity surface-emitting laser) oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) ausgebildet. Diese Laserquellen haben eine Abstrahlrichtung senkrecht zur Haupterstreckung (Waferebene) und eine kreissymmetrische Strahldivergenz und sind besonders gut zur Anordnung in zweidimensionalen Arrays geeignet. Bei dem in 5c gezeigten Laserarray 31 sind die einzelnen Laser 32 hexagonal angeordnet, aber beliebige andere Anordnungen sind möglich. Alle Laser 32 eines Laserarrays 31 werden bevorzugt gleichzeitig angesteuert. Die kleinste einzeln ansteuerbare Belichtungseinheit 80 des Belichters 18 ist dann das Laserarray 31. Das hat den Vorteil, dass bei Ausfall eines einzelnen Lasers nicht gleich eine vollständige Belichtungseinheit ausfällt, sondern der Leistungsabfall von den anderen Lasern des Laserarrays ausgeglichen werden kann.
Mehrere Laserarrays 31 sind zu einem Lasermodul 30 zusammengefasst. Für jedes Lasermodul 30 ist ferner ein (in der Figur nicht gezeigtes) optisches Element bereitgestellt, mit dem die Laserarrays 31 auf die Arbeitsebene 7 abgebildet werden. Jedes Laserarray 31 wird dabei auf einen Bildpunkt (Pixel) in der Arbeitsebene 7 abgebildet. Jedes Lasermodul 30 wird auf einen bestimmten Bereich in der Arbeitsebene 7 gerichtet. Wenn der Belichter 18 in der Sollrichtung X bewegt wird, bilden die Bildpunkte der eingeschalteten Laserarrays 31 eine Spur.
Bei dem in 5b gezeigten Lasermodul 30 sind die einzelnen Laserarrays 31 in zwei versetzten Reihen so angeordnet, dass die Spuren ihrer Bildpunkte in der Arbeitsebene bei einer Bewegung des Lasermoduls 30 in der Sollrichtung X aneinandergrenzen. Wenn beispielsweise die Laserarrays 31 quer zur Sollrichtung X (also quer zur intendierten Bewegungsrichtung des Belichters) eine Breite von 0,1 mm haben und das optische Element einen verkleinernden Abbildungsmaßstab von 1:5 aufweist, dann haben die aneinandergrenzenden Spuren der Laserarrays 31 eine Breite von 0,02 mm. Anders ausgedrückt hat der Belichter 18 in einer Richtung quer zu seiner intendierten Bewegungsrichtung eine Auflösung von 0,02 mm.
Um die gesamte Breite des Belichters 18 auszunutzen, sind mehrere Lasermodule 30 in der Richtung quer zur Sollrichtung X in einer Reihe angeordnet. Wegen der optischen Verkleinerung der Lasermodule 30 durch das optische Element ist die Gesamtbreite einer bei einer Bewegung eines Lasermoduls 30 in der Sollrichtung aus den Bildpunkten aller Laserarrays 31 des Lasermoduls 30 gebildeten Spur um den Verkleinerungsmaßstab schmaler als das Lasermodul 30 selber. Das Rastermaß der Spuren aller Lasermodule in einer Reihe, also der Mittenabstand der Spuren zueinander, entspricht aber dem (unverkleinerten) Rastermaß der Lasermodule 30. Somit verbleibt zwischen den durch eine einzelne Reihe von Lasermodulen 30 belichtbaren Spuren ein nicht belichtbarer Bereich.
Um eine kontinuierliche Belichtung der Arbeitsebene in der Richtung quer zur Sollrichtung X zu ermöglichen, sind daher mehrere Reihen von Lasermodulen 30 versetzt zueinander angeordnet. Anders ausgedrückt werden einzelne Kaskaden aus Lasermodulen 30 gebildet, die in der Sollrichtung X hintereinander liegen, aber in der Richtung quer zur Sollrichtung X gegeneinander versetzt sind. In 5a bilden beispielsweise die am weitesten links gelegenen Lasermodule 30 der fünf Reihen eine Kaskade. Mehrere solcher Kaskaden sind dann in der Richtung quer zur Sollrichtung X nebeneinander angeordnet. Innerhalb jeder Kaskade sind die Lasermodule 30 so weit versetzt zueinander angeordnet, dass die Spuren der Bildpunkte ihrer Laserarrays 31 aneinandergrenzen.
Beispielsweise kann ein soeben beschriebener Zeilenbelichter 108 Lasermodule enthalten, jedes Lasermodul 32 Laserarrays (Belichtungseinheiten) enthalten, und jedes Laserarray 282 VCSEL enthalten. In diesem Fall weist der Belichter 3456 einzeln ansteuerbare Belichtungseinheiten (Laserarrays) auf.
Es sei noch erwähnt, dass ein Winkel zwischen der Bewegungsrichtung der Energiezufuhreinheit und der Sollrichtung auch mittels eines Autokollimators ermittelt werden kann, der einen Messstrahl parallel zur Bauebene aussendet.
Schließlich sei noch erwähnt, dass es bei einer Abweichung der Bewegungsrichtung der Energiezufuhreinheit von der Sollrichtung nicht nur zu einem Versatz der Belichtungseinheiten in X-Richtung, sondern zu einem Versatz in Y-Richtung (also in einer Ebene parallel zur Bauebene senkrecht zur X-Richtung) kommt, der jedoch um mindestens einen Faktor 10 geringer ist als der Versatz in X-Richtung und daher in der Regel vernachlässigbar ist. Sollte dennoch ausnahmsweise der Versatz in Y-Richtung in der Größenordnung des Abstands der Belichtungseinheiten in Y-Richtung sein, so können zur Korrektur die Werte von Pij in der Y-Richtung versetzt werden, also der ursprünglich einer Belichtungseinheit zugeordnete Wert Pij der in Y-Richtung benachbarten Belichtungseinheit zugeordnet werden.
Abschließend sei noch erwähnt, dass neben der beschriebenen Software-Kompensation von Abweichungen auch eine Kompensation mittels Hardware möglich ist. Hierzu kann z. B. (gerade bei der Korrektur eines Versatzes in Y-Richtung) die Lage des optischen Elements abgeändert werden. Denkbar wäre auch eine Ausgestaltung des optischen Elements als Array von Spatial Light Modulatoren, die in ihren Eigenschaften entsprechend angepasst werden könnten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2015091485 A1 [0004]

Claims

Kalibrierverfahren einer Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung einer Anzahl von Objekten, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Steuereinrichtung zur Steuerung des schichtweisen additiven Herstellvorgangs, eine Schichtauftragsvorrichtung, die ausgelegt ist, eine Schicht eines formlosen Aufbaumaterials auf einer Bauunterlage oder einer bereits hergestellten Schicht innerhalb eines Baufelds bereitzustellen, und eine Energiezufuhrvorrichtung, die ausgelegt ist, festgelegte Stellen der bereitgestellten Schicht, die den Querschnitten der Anzahl von Objekten in dieser Schicht zugeordnet sind, durch Zufuhr von elektromagnetischer Strahlung zu verfestigen, wobei die Energiezufuhrvorrichtung ausgelegt ist, zur Zufuhr von elektromagnetischer Strahlung zu den festgelegten Stellen über das Baufeld bewegt zu werden und der Energiezufuhrvorrichtung für diese Bewegung eine vordefinierte Sollrichtung (X) vorgegeben ist und wobei die Energiezufuhrvorrichtung eine Anzahl von Strahlungsemittern aufweist, die entlang einer Anordnungsrichtung (Y) quer zur vordefinierten Sollrichtung (X) angeordnet sind, und Strahlungsemittern in Abhängigkeit von den festgelegten Stellen durch die Steuereinrichtung vorgegeben wird, an welchen Emissionsorten über dem Baufeld Strahlung emittiert werden soll, wobei in dem Kalibrierverfahren ermittelt wird, ob es bei der Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung zu einer Abweichung der Bewegungsrichtung (B) der Energiezufuhrvorrichtung von der vordefinierten Sollrichtung (X) kommt, und die Steuervorrichtung veranlasst wird, in Abhängigkeit einer ermittelten Abweichung Strahlungsemittern andere Emissionsorte vorzugeben.
Kalibrierverfahren nach Anspruch 1, wobei zur Ermittlung der Abweichung der Winkel (αj) zwischen der vordefinierten Sollrichtung (X) und der Bewegungsrichtung (B) bestimmt wird und entschieden wird, dass eine Abweichung vorliegt, wenn dieser Winkel (αj) einen vorgegebenen Toleranzwinkel (α_ref) übersteigt.
Kalibrierverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei für die Ermittlung von Abweichungen die Energiezufuhrvorrichtung mit oder ohne Zufuhr von elektromagnetischer Strahlung zu den festgelegten Stellen über das Baufeld bewegt wird.
Kalibrierverfahren nach Anspruch 3, wobei eine Information über Positionen (XJ) in der Sollrichtung (X), an denen eine Abweichung ermittelt wurde, in einer Speichereinrichtung hinterlegt wird und für das Vorgeben der anderen Emissionsorte der Strahlungsemitter auf die in der Speichereinrichtung hinterlegte Information zugegriffen wird.
Kalibrierverfahren nach Anspruch 4, bei dem die Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung eine Schnittstelle zur Entgegennahme von Steuerdaten zur Steuerung des Ablaufs eines schichtweisen additiven Herstellvorgangs aufweist, wobei die Steuerdaten zumindest ein Datenmodell der herzustellenden Anzahl von Objekten aufweisen, in welchem Strahlungsemittern vorgegeben wird, an welchen Emissionsorten über dem Baufeld Strahlung emittiert werden soll zur Zufuhr von elektromagnetischer Strahlung zu festgelegten Stellen einer bereitgestellten Schicht, die den Querschnitten der Anzahl von Objekten in dieser Schicht zugeordnet sind, wobei die Steuereinrichtung Strahlungsemittern andere Emissionsorte vorgibt, indem in einem entgegengenommenen Datenmodell Abänderungen vorgenommen werden.
Kalibrierverfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Steuervorrichtung veranlasst wird, während eines additiven Herstellvorgangs, vorzugsweise während einer Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung über das Baufeld, Strahlungsemittern andere Emissionsorte vorzugeben.
Kalibrierverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Ermittlung einer Abweichung lediglich an einer vorgegebenen Anzahl von Positionen (XJ) in der Sollrichtung (X) erfolgt.
Kalibrierverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Ermittlung einer Abweichung an Positionen (XJ) in der Sollrichtung (X) erfolgt, die einen vorgegebenen Abstand (Δx) zueinander aufweisen.
Kalibrierverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zusätzlich ermittelt wird, ob es bei der Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung zu einer Abänderung des Abstands von Strahlungsemittern von dem Baufeld kommt und falls dies der Fall ist, die Steuereinrichtung veranlasst wird, die Fokuslage der von Strahlungsemittern emittierten Strahlung abzuändern.
Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung einer Anzahl von Objekten, die gemäß einem Kalibrierverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 kalibrierbar ist, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Steuereinrichtung zur Steuerung des schichtweisen additiven Herstellvorgangs, eine Schichtauftragsvorrichtung, die ausgelegt ist, eine Schicht eines formlosen Aufbaumaterials auf einer Bauunterlage oder einer bereits hergestellten Schicht innerhalb eines Baufelds bereitzustellen, eine Energiezufuhrvorrichtung, die ausgelegt ist, festgelegte Stellen der bereitgestellten Schicht, die den Querschnitten der Anzahl von Objekten in dieser Schicht zugeordnet sind, durch Zufuhr von elektromagnetischer Strahlung zu verfestigen, wobei die Energiezufuhrvorrichtung ausgelegt ist, zur Zufuhr von elektromagnetischer Strahlung zu den festgelegten Stellen über das Baufeld bewegt zu werden und der Energiezufuhrvorrichtung für diese Bewegung eine vordefinierte Sollrichtung (X) vorgegeben ist, wobei die Energiezufuhrvorrichtung eine Anzahl von Strahlungsemittern aufweist, die entlang einer Anordnungsrichtung (Y) quer zur vordefinierten Sollrichtung (X) angeordnet sind, und Strahlungsemittern in Abhängigkeit von den festgelegten Stellen durch die Steuereinrichtung vorgegeben wird, an welchen Emissionsorten über dem Baufeld Strahlung emittiert werden soll, und die Steuereinrichtung ausgelegt ist, an Positionen (XJ) in der Sollrichtung (X), an denen im Zuge des Kalibrierverfahrens eine Abweichung ermittelt wird, Strahlungsemittern andere Emissionsorte vorzugeben.
Vorrichtung nach Anspruch 10 mit einer Linearführung, durch welche die Energiezufuhrvorrichtung bei ihrer Bewegung über das Baufeld geführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Linearführung zwei voneinander beabstandete parallele Schienen aufweist, auf denen die Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung mittels zweier Schlitten geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Energiezufuhrvorrichtung zwischen auf zwei Seiten des Baufelds angeordneten Schienen angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, weiterhin aufweisend: einen Lagedetektor, der ausgelegt ist zu ermitteln, ob es bei der Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung zu einer Abweichung der Bewegungsrichtung (B) der Energiezufuhrvorrichtung von der vordefinierten Sollrichtung (X) kommt.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, weiterhin aufweisend: einen Lagedetektor, der ausgelegt ist zu ermitteln, ob es bei der Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung zu einer Abweichung der Bewegungsrichtung (B) der Energiezufuhrvorrichtung von der vordefinierten Sollrichtung (X) kommt, wobei der Lagedetektor zwei Positionsmesseinheiten aufweist, von denen jede an einer der beiden Schienen angebracht ist und geeignet ist, die Position des jeweiligen Schlittens auf der Schiene zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, bei der der Lagedetektor ausgelegt ist, einen Winkel (αj) zwischen der vordefinierten Sollrichtung (X) und der Bewegungsrichtung (B) zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 16, bei der es sich bei dem Lagedetektor um eine oberhalb der Energiezufuhrvorrichtung angeordnete Kamera handelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, weiterhin aufweisend: eine Prüfeinheit, die ausgelegt ist, das Vorliegen einer Abweichung festzustellen, wenn der durch den Lagedetektor ermittelte Winkel (αj) einen vorgegebenen Toleranzwinkel (α_ref) übersteigt.
Verfahren zur schichtweisen additiven Herstellung einer Anzahl von Objekten, das ein Kalibrierverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst.