DE102022129042B3 - Calibration system and calibration method for calibrating a building platform system in an additive manufacturing device - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kalibriersystem sowie ein Kalibrierverfahren zur Kalibrierung eines in einem Bauraum (2) einer laserbasierten additiven Fertigungsvorrichtung angeordneten Bauplattformsystems (1). Das Kalibriersystem umfasst eine auf dem Bauplattformsystem (1) fixierbare Kalibrierplatte (5) sowie ein Kameramodul (4). In die Kalibrierplatte (5), die aus einem metallischen Grundwerkstoff besteht und mit einer sich vom metallischen Grundwerkstoff farblich abhebenden Oberflächenschicht versehen ist, wird zur Kalibrierung des Bauplattformsystems (1) ein Kalibriermuster (6) eingebracht, das mit der Kamera (4.1) in Form eine Lichtbildes aufgenommen wird. Durch Auswertung des Lichtbildes werden Korrekturwerte ermittelt, die zur Kalibrierung des Bauplattformsystems (1) in der additiven Fertigungsvorrichtung dienen. Bevorzugte Einsatzgebiete des Kalibriersystems und des Kalibrierverfahrens sind die hybride additive Neuteilfertigung sowie die Reparatur von konventionell oder additiv gefertigten Bauteilen (3).The invention relates to a calibration system and a calibration method for calibrating a build platform system (1) arranged in a build space (2) of a laser-based additive manufacturing device. The calibration system includes a calibration plate (5) that can be fixed on the construction platform system (1) and a camera module (4). In order to calibrate the construction platform system (1), a calibration pattern (6) is introduced into the calibration plate (5), which consists of a metallic base material and is provided with a surface layer that contrasts in color with the metallic base material, and which is shaped using the camera (4.1). a photograph is taken. By evaluating the photograph, correction values are determined which are used to calibrate the building platform system (1) in the additive manufacturing device. The preferred areas of application for the calibration system and the calibration process are hybrid additive manufacturing of new parts and the repair of conventionally or additively manufactured components (3).

Description

Die Erfindung betrifft ein Kalibriersystem sowie ein Kalibrierverfahren zur Kalibrierung eines in einem Bauraum einer laserbasierten additiven Fertigungsvorrichtung angeordneten Bauplattformsystems. Bevorzugte Einsatzgebiete des Kalibriersystems und des Kalibrierverfahrens sind die hybride additive Neuteilfertigung sowie die Reparatur von konventionell oder additiv gefertigten Bauteilen.The invention relates to a calibration system and a calibration method for calibrating a build platform system arranged in a build space of a laser-based additive manufacturing device. The preferred areas of application for the calibration system and the calibration process are hybrid additive manufacturing of new parts and the repair of conventionally or additively manufactured components.

Die Verfahren der additiven Fertigung, wie zum Beispiel das pulverbettbasierte selektive Laserschmelzen (engl. Laser Powder Bed Fusion, kurz: LPBF), sind in erster Linie für die endkonturnahe Herstellung vollständiger Neuteile konzipiert: Auf Grundlage eines virtuellen 3D-Bauteilmodells wird auf einer Bauplattform der additiven Fertigungsvorrichtung Schicht für Schicht Material konsolidiert, bis der durch das 3D-Modell vorgegebene Bauteilformkörper komplettiert ist. Ausgangsmaterial zur Herstellung hochwertiger metallischer Bauteile mit Hilfe des pulverbettbasierten selektiven Laserschmelzens ist regelmäßig ein eng spezifiziertes und damit kostenintensives Metallpulver, das jedoch nur zu einem Bruchteil aufgeschmolzen wird, um das additive gefertigte Bauteil zu bilden. Ein Großteil des Pulvers dient lediglich als Füll- und Stützmaterial.The processes of additive manufacturing, such as powder bed-based selective laser melting (Laser Powder Bed Fusion, or LPBF for short), are primarily designed for the near-net-shape production of completely new parts: Based on a virtual 3D component model, the Additive manufacturing device consolidates material layer by layer until the component molding specified by the 3D model is completed. The starting material for producing high-quality metallic components using powder bed-based selective laser melting is usually a narrowly specified and therefore cost-intensive metal powder, of which only a fraction is melted to form the additively manufactured component. A large part of the powder only serves as filling and supporting material.

Die additive Fertigung metallischer Bauteile durch selektives Laserschmelzen ist infolge langer Fertigungszeiten, unzureichend bekannter Materialdaten und auch aufgrund des hohen Pulververbrauchs in vielen Branchen gegenüber klassischen Herstellverfahren mitunter noch unrentabel. Etabliert hat sich die additive Fertigung aber bereits bei der Herstellung von hochpreisigen, geometrisch komplexen oder individualisierten Bauteilen, insbesondere von Bauteilen aus den Bereichen der Luftfahrtindustrie oder der Medizintechnik.The additive manufacturing of metallic components using selective laser melting is sometimes still unprofitable compared to classic manufacturing processes due to long manufacturing times, insufficiently known material data and also due to the high powder consumption in many industries. However, additive manufacturing has already become established in the production of high-priced, geometrically complex or individualized components, especially components from the aviation industry or medical technology.

Neben der Neuteilfertigung bietet die additive Fertigung zudem die Möglichkeit zur endkonturnahen Reparatur von Bauteilen. In der Flugtriebwerksindustrie beispielsweise werden Teile von Lauf- oder Leitschaufeln durch additiven Aufbau des verschlissenen Materials instandgesetzt.In addition to the production of new parts, additive manufacturing also offers the possibility of repairing components close to the final shape. In the aircraft engine industry, for example, parts of rotor blades or guide blades are repaired by additively building up the worn material.

Die additive Fertigung, bei der Material auf bereits bestehende Bauteile bzw. Bauteilelemente endkonturnah aufgetragen wird, wird auch als hybride (additive) Fertigung bezeichnet. Im Unterschied zur Komplettfertigung erfordert die hybride Fertigung eine exakte Positionierung der Bauteile innerhalb der Fertigungsvorrichtung bzw. die exakte Kenntnis der Bauteillage auf der Bauplattform.Additive manufacturing, in which material is applied to existing components or component elements close to the final shape, is also referred to as hybrid (additive) manufacturing. In contrast to complete production, hybrid production requires precise positioning of the components within the production device or exact knowledge of the component position on the construction platform.

Als Bauplattform wird im Allgemeinen die Komponente der additiven Fertigungsvorrichtung bezeichnet, auf der die Bauteile gefertigt werden. Im Kontext dieser Offenbarung wird die Gesamtheit aller Vorrichtungskomponenten der additiven Fertigungsvorrichtung, die die zu fertigenden Bauteile tragen, als Bauplattformsystem bezeichnet; als Bauplattform im engeren Sinne wird das im Regelfall plattenförmige Vorrichtungselement verstanden, auf dem die additiv gefertigten Bauteile unmittelbar befestigt sind. Das Bauplattformsystem umfasst also mindestens die Bauplattform; in der einfachsten konstruktiven Ausführung beschränkt sich das Bauplattformsystem auf die Bauplattform.The component of the additive manufacturing device on which the components are manufactured is generally referred to as the build platform. In the context of this disclosure, the entirety of all device components of the additive manufacturing device that carry the components to be manufactured is referred to as a build platform system; A construction platform in the narrower sense is understood to be the generally plate-shaped device element on which the additively manufactured components are directly attached. The building platform system therefore includes at least the building platform; In the simplest design, the building platform system is limited to the building platform.

Bei hybrider additiver Fertigung eines Bauteils wird Material durch additiven Aufbau auf einen vorhandenen Grundkörper, nachfolgend Basisformkörper bezeichnet, aufgebracht. Der additive aufgebaute Teil des Bauteils, der Aufbauformkörper, bildet nach Abschluss der additiven Fertigung gemeinsam mit dem Basisformkörper das Bauteil.In hybrid additive manufacturing of a component, material is applied to an existing base body, hereinafter referred to as base molding, through additive construction. The additively constructed part of the component, the built-up molding, forms the component together with the base molding after completion of additive manufacturing.

In Bezug auf laserbasierte additive Fertigungsverfahren, wie das pulverbettbasierte selektive Laserschmelzen, besteht bei der hybriden additiven Fertigung die Herausforderung, dass der Laser (genauer der Laser-Scanner) in einem separaten Koordinatensystem, dem Laser-Koordinatensystem, gesteuert wird. Die Geometriedaten des Bauplattformsystems und die der ggf. darauf vorhandenen Basisformkörper werden vor Beginn des additiven Fertigungsprozesses an die Steuereinheit des Lasers übergeben, d. h. in das Laser-Koordinatensystem transferiert. Das Laser-Koordinatensystem ist nach der Datenübergabe unabhängig von dem Koordinatensystem, mit dem die reale Lage des Bauplattformsystems und die Lage der bereits auf dem Bauplattformsystem vorhandenen Basisformkörper im Bauraum definiert sind. Letzteres Koordinatensystem wird als Bauraum-Koordinatensystem bezeichnet. Befindet sich ein Basisformkörper an einer bestimmten Position im Bauraum, trifft der Laser (bzw. der Laserspot) bei hybrider additiver Fertigung den Basisformkörper nicht immer hinreichend genau. Für jede Position der im Bauraum befindlichen Objekte, die durch Bauraum-Koordinaten im Bauraum-Koordinatensystem definierbar ist, kann sich eine Abweichung, auch Offset genannt, zwischen den Bauraum-Koordinaten im Bauplattform-Koordinatensystem und den Laser-Koordinaten im Laser-Koordinatensystem ergeben.With regard to laser-based additive manufacturing processes, such as powder bed-based selective laser melting, the challenge in hybrid additive manufacturing is that the laser (more precisely the laser scanner) is controlled in a separate coordinate system, the laser coordinate system. The geometry data of the building platform system and those of any base moldings present on it are transferred to the laser control unit before the additive manufacturing process begins, i.e. H. transferred into the laser coordinate system. After the data transfer, the laser coordinate system is independent of the coordinate system with which the real position of the construction platform system and the position of the base moldings already on the construction platform system in the construction space are defined. The latter coordinate system is referred to as the installation space coordinate system. If a base molding is at a certain position in the construction space, the laser (or the laser spot) does not always hit the base molding with sufficient precision in hybrid additive manufacturing. For each position of the objects located in the build space, which can be defined by build space coordinates in the build space coordinate system, a deviation, also called an offset, can arise between the build space coordinates in the build platform coordinate system and the laser coordinates in the laser coordinate system.

Um eine hochpräzise Steuerung des Lasers zu erreichen - und damit letztlich eine hohe Genauigkeit bei der hybriden additiven Fertigung zu gewährleisten - können die Bauraumkoordinaten mit einem Korrekturwert korrigiert und diese korrigierten Lageinformationen des Bauplattformsystems sowie der Basisformkörper an das Laser-Koordinatensystem übergeben werden.In order to achieve high-precision control of the laser - and thus ultimately ensure high accuracy in hybrid additive manufacturing - the build space coordinates can be corrected with a correction value and this corrected position information of the build platform system and the base molded body can be transferred to the laser coordinate system.

Die Korrekturwerte für die Bauraum-Koordinaten können wiederum durch eine innerhalb der additiven Fertigungsvorrichtung durchgeführten Kalibrierung ermittelt werden. Zu diesem Zweck genutzte Kalibrierverfahren basieren regelmäßig auf der fotografischen Bilderfassung von Mustern und Referenzmarkierungen. Bekannt sind solche Kalibrierverfahren - und die dazu verwendeten Kalibriervorrichtungen oder Kalibriersysteme - unter anderem aus EP 0 792 481 B1 , DE 199 18 631 A1 , US 6 483 596 B1 , WO 2017/158327 A1 oder DE 10 2021 105 918 A1 . In WO 2017/158327 A1 wird ein Kalibrierverfahren beschrieben, bei dem ein Kalibriermuster mittels des Lasers der additiven Fertigungsvorrichtung in eine Aluminiumplatte eingebracht wird.The correction values for the installation space coordinates can in turn be determined by a calibration carried out within the additive manufacturing device. Calibration procedures used for this purpose are regularly based on the photographic image capture of patterns and reference markings. Such calibration methods - and the calibration devices or calibration systems used for this purpose - are known, among other things EP 0 792 481 B1 , DE 199 18 631 A1 , US 6,483,596 B1 , WO 2017/158327 A1 or DE 10 2021 105 918 A1 . In WO 2017/158327 A1 A calibration method is described in which a calibration pattern is introduced into an aluminum plate using the laser of the additive manufacturing device.

EP 4 151 342 A1 offenbart ferner ein Fertigungssystem zur additiven Fertigung eines Werkstücks, wobei das Fertigungssystem unter anderem eine Bauplatte sowie eine optische Vorrichtung zur Erfassung von Bilddaten der Bauplatte aufweist. WO 2020/ 212 108 A1 beschreibt ein Kalibrierverfahren für eine zur Überwachung eines additiven Fertigungsprozesses vorgesehene Kamera, wobei zur Kalibrierung der Kamera ein additiv gefertigtes Bauteil mit einem Muster dieses Bauteils abgeglichen wird. EP 4 151 342 A1 further discloses a manufacturing system for the additive manufacturing of a workpiece, the manufacturing system having, among other things, a building board and an optical device for capturing image data of the building board. WO 2020/ 212 108 A1 describes a calibration method for a camera intended for monitoring an additive manufacturing process, in which an additively manufactured component is compared with a sample of this component to calibrate the camera.

Diese bekannten Kalibrierverfahren und die dazu genutzten Kalibriervorrichtungen oder Kalibriersysteme fokussieren regelmäßig auf die klassische additive Fertigung, d. h. die Fertigung kompletter Neuteile, oder beinhalten einen Eingriff in die Maschinensteuerung.These well-known calibration methods and the calibration devices or calibration systems used regularly focus on classic additive manufacturing, i.e. H. the production of completely new parts, or involve intervention in the machine control.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kalibriersystem sowie ein Kalibrierverfahren zur Kalibrierung eines in einem Bauraum einer additiven Fertigungsvorrichtung angeordneten Bauplattformsystems bereitzustellen, die den präzisen Materialaufbau bei laserbasierter hybrider additiver Fertigung von Bauteilen ermöglicht, ohne dass ein Eingriff in die Maschinensteuerung erforderlich ist.The object of the invention is to provide a calibration system and a calibration method for calibrating a construction platform system arranged in a construction space of an additive manufacturing device, which enables precise material build-up in laser-based hybrid additive manufacturing of components without requiring intervention in the machine control.

Diese Aufgabe wird durch ein Kalibriersystem mit den Merkmalen nach Anspruch 1 sowie ein Kalibrierverfahren nach Anspruch 6 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 5 sowie 7 bis 9 aufgeführt.This task is achieved by a calibration system with the features according to claim 1 and a calibration method according to claim 6. Appropriate developments of the invention are listed in claims 2 to 5 and 7 to 9.

Das nachstehend beschriebene Kalibriersystem und das damit durchgeführte Kalibrierverfahren dienen zur Kalibrierung eines in einem Bauraum einer additiven Fertigungsvorrichtung angeordneten Bauplattformsystems, wobei die additive Fertigungsvorrichtung einen steuerbaren Laser zur Konsolidierung von Material während der additiven Fertigung auf dem Bauplattformsystem aufweist. Der Bauraum befindet sich bei gebräuchlichen additiven Fertigungsvorrichtungen, wie zum Beispiel den Anlagen zum pulverbettbasierten selektiven Laserschmelzen, in einem Bauschacht, in dem das Bauplattformsystem auch zumeist höhenverstellbar installiert ist.The calibration system described below and the calibration method carried out with it serve to calibrate a build platform system arranged in a build space of an additive manufacturing device, the additive manufacturing device having a controllable laser for consolidating material on the build platform system during additive manufacturing. In common additive manufacturing devices, such as systems for powder bed-based selective laser melting, the construction space is located in a construction shaft in which the construction platform system is usually installed in a height-adjustable manner.

Bei derartiger laserbasierter additiver Fertigung von Bauteilen auf einem Bauplattformsystem einer additiven Fertigungseinrichtung wird die Lage des Bauplattformsystems im Bauraum - ebenso wie alle anderen Objekte im Bauraum - durch Bauraum-Koordinaten innerhalb eines Bauraum-Koordinatensystems definiert. Bei hybrider additiver Fertigung eines Bauteils aus einem Basisformkörper und einem additiv darauf aufgebauten Aufbauformkörper wird also auch die Lage der Basisformkörper durch diese Bauraum-Koordinaten innerhalb des Bauraum-Koordinatensystems beschrieben. Die Bauraum-Koordinaten werden vor Beginn der additiven Fertigung an eine zur Steuerung des Lasers vorgesehene Steuerungseinheit der additiven Fertigungsvorrichtung übergeben.With such laser-based additive manufacturing of components on a build platform system of an additive manufacturing facility, the position of the build platform system in the build space - just like all other objects in the build space - is defined by build space coordinates within a build space coordinate system. In the case of hybrid additive manufacturing of a component from a base molded body and a built-up molded body built additively thereon, the position of the base molded bodies is also described by these installation space coordinates within the installation space coordinate system. Before additive manufacturing begins, the installation space coordinates are transferred to a control unit of the additive manufacturing device intended to control the laser.

Die nachfolgend beschriebene Kalibrierung des Bauplattformsystems basiert darauf, dass an die Steuereinheit der additiven Fertigungsvorrichtung die bekannten, zum Beispiel aus Computermodellen oder aus Vormessungen außerhalb der Fertigungsvorrichtung generierten, zur Steuerung des Lasers vorgesehenen Bauraum-Koordinaten zusammen mit einem Korrekturwert bzw. Korrekturfaktor für jede einzelne Bauraum-Koordinate übergeben werden, damit der Laser zielgenau die vorgesehene tatsächliche Position innerhalb des Bauraums trifft.The calibration of the construction platform system described below is based on the fact that the known construction space coordinates intended for controlling the laser, for example generated from computer models or from preliminary measurements outside the production device, are sent to the control unit of the additive manufacturing device together with a correction value or correction factor for each individual construction space -Coordinate must be transferred so that the laser precisely hits the intended actual position within the construction space.

Die Ermittlung dieser Korrekturwerte ist mithin das engere Ziel des nachfolgend beschriebenen Kalibrierverfahrens und des hierfür genutzten Kalibriersystems.The determination of these correction values is therefore the narrower goal of the calibration method described below and the calibration system used for this purpose.

Nach Maßgabe der Erfindung weist das vorgeschlagene Kalibriersystem eine auf dem Bauplattformsystem fixierbare, aus einem metallischen Grundwerkstoff bestehende Kalibrierplatte und ein Kameramodul auf.According to the invention, the proposed calibration system has a calibration plate made of a metallic base material and a camera module that can be fixed on the construction platform system.

Das Kameramodul umfasst eine Kamera, eine Kamerahalterung sowie eine Auflageplatte zur Abdeckung des Bauraums der additiven Fertigungsvorrichtung. Die Auflageplatte besitzt eine Lichtdurchtrittsaussparung, in deren Bereich die Kamera mittels der Kamerahalterung so befestigt ist, dass die im Bauraum platzierte Kalibrierplatte optisch erfasst werden kann. Die Kamera befindet sich regelmäßig auf der dem Bauraum gegenüberliegenden Seite der Auflageplatte. Die optische Achse der Kamera ist vorzugsweise senkrecht zur Auflageplatte ausgerichtet.The camera module includes a camera, a camera holder and a support plate to cover the installation space of the additive manufacturing device. The support plate has a light passage recess, in the area of which the camera is attached using the camera holder so that the calibration plate placed in the installation space can be optically recorded. The camera is regularly located on the side of the support plate opposite the installation space. The optical axis of the camera is preferably aligned perpendicular to the support plate.

Bauraumseitig sind Leuchtmittel zur Ausleuchtung des Bauraums an der Auflageplatte angebracht, zum Beispiel in Form von Leuchtdioden, die vorzugsweise gleichmäßig verteilt an der Bauraumseite der Auflageplatte angeordnet sind.On the installation space side, lamps are attached to the support plate to illuminate the installation space brought, for example in the form of light-emitting diodes, which are preferably arranged evenly distributed on the installation space side of the support plate.

Die Kalibrierplatte weist auf einer ihrer beiden flächig ausgedehnten Plattenseiten eine Sichtfläche auf, die bei bestimmungsgemäßen Aufbau des Kalibriersystems der Kamera zugewandt ist. Die Sichtfläche der Kalibrierplatte ist mit einer sich vom metallischen Grundwerkstoff farblich abhebenden Oberflächenschicht versehen, d. h., die Oberflächenschicht besitzt einen farblich deutlichen Kontrast gegenüber der Färbung des metallischen Grundwerkstoffs. Vorzugsweise ist die Oberflächenschicht dunkel, also zum Beispiel schwarz, gefärbt, während der unbeschichtete metallische Grundwerkstoff, wie bei den meisten metallischen Werkstoffen üblich, ein helles, silbrig-metallisches Erscheinungsbild besitzt.The calibration plate has a visible surface on one of its two flat plate sides, which faces the camera when the calibration system is set up as intended. The visible surface of the calibration plate is provided with a surface layer that contrasts in color with the metallic base material, i.e. that is, the surface layer has a clear color contrast to the color of the metallic base material. The surface layer is preferably colored dark, for example black, while the uncoated metallic base material has a light, silvery-metallic appearance, as is usual with most metallic materials.

Das Kalibriersystem kann ferner einen oder mehrere Referenzmarkenträger mit jeweils einer Referenzmarkierung umfassen. Diese Referenzmarkenträger sind jeweils positionsgenau am Bauplattformsystem fixierbar; sie dienen als Bezugspunkte an dem in der additiven Fertigungsvorrichtung fixierten Bauplattformsystem. Um die Sicht der Kamera auf die Referenzmarkierungen zu gewährleisten, können Referenzmarken-Aussparungen in der Kalibrierplatte eingebracht sein.The calibration system can further comprise one or more reference mark carriers, each with a reference mark. These reference mark carriers can each be fixed in the exact position on the building platform system; they serve as reference points on the building platform system fixed in the additive manufacturing device. In order to ensure the camera's view of the reference markings, reference mark recesses can be made in the calibration plate.

Das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren zur Kalibrierung des im Bauraum der laserbasierten additiven Fertigungsvorrichtung bestimmungsgemäß befestigten Bauplattformsystems wird mit dem vorstehend beschriebenen Kalibriersystem, welches das Kameramodul, die Kalibrierplatte sowie die mit den Referenzmarkierungen versehenen Referenzmarkenträger umfasst, und mit einer Auswerteeinheit zur Auswertung von Lageparametern und zur Ermittlung der oben genannten Korrekturwerte durchgeführt.The calibration method according to the invention for calibrating the construction platform system fastened as intended in the construction space of the laser-based additive manufacturing device is carried out using the calibration system described above, which includes the camera module, the calibration plate and the reference mark carriers provided with the reference markings, and with an evaluation unit for evaluating position parameters and for determining the above mentioned correction values are carried out.

Die Kalibrierplatte und die Referenzmarkenträger werden zur Kalibrierung der Bauplattform so an dieser fixiert, dass die Sichtfläche und die Referenzmarkierungen gleichzeitig bei Draufsicht auf die Sichtfläche der Kalibrierplatte sichtbar sind.To calibrate the construction platform, the calibration plate and the reference mark carriers are fixed to the build platform in such a way that the visible surface and the reference markings are visible at the same time when looking at the visible surface of the calibration plate from above.

Auf der Sichtseite der Kalibrierplatte wird mittels des Lasers der additiven Fertigungsvorrichtung ein aus zweidimensionalen Musterelementen bestehendes - ebenfalls zweidimensionales - Kalibriermuster in der Sichtflächenebene der Kalibrierplatte erzeugt. Die Lage der einzelnen Musterelemente ist durch Soll-Lageparameter definiert, die in einem Computermodell hinterlegt sind und in Form der Bauraum-Koordinaten an die Steuereinheit der additiven Fertigungsvorrichtung übergeben werden. Auf Basis der Soll-Lageparameter wird das Kalibriermuster gefertigt, welches im Anschluss fotografisch in Form von Ist-Lageparametern erfasst wird. Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, die Korrekturwerte für die Bauraum-Koordinaten auf Basis eines Soll-Ist-Vergleichs der vorgegebenen Soll-Lageparameter und der fotografisch erfassten Ist-Lageparameter unter Berücksichtigung und in Relation zu den am Bauplattformsystem angebrachten Referenzmarkierungen zu ermitteln. Die mathematischen Methoden zur Ermittlung der Korrekturwerte aus dem zweidimensionalen Soll-Ist-Mustervergleich sind grundsätzlich bekannt und werden an dieser Stelle nicht weiter erläutert.On the visible side of the calibration plate, a calibration pattern consisting of two-dimensional pattern elements - also two-dimensional - is generated in the visible surface plane of the calibration plate using the laser of the additive manufacturing device. The position of the individual pattern elements is defined by target position parameters that are stored in a computer model and are transferred to the control unit of the additive manufacturing device in the form of the installation space coordinates. The calibration pattern is produced based on the target position parameters, which is then photographically recorded in the form of actual position parameters. The evaluation unit is set up to determine the correction values for the construction space coordinates on the basis of a target/actual comparison of the specified target position parameters and the photographically recorded actual position parameters, taking into account and in relation to the reference markings attached to the building platform system. The mathematical methods for determining the correction values from the two-dimensional target/actual pattern comparison are basically known and will not be explained further here.

Erfindungsgemäß wird das Kalibrierverfahren in den folgenden Verfahrensschritten durchgeführt:

  • Im ersten Schritt werden die Kalibrierplatte und der oder die mit den Referenzmarkierungen versehenen Referenzmarkenträger an dem im Bauraum der additiven Fertigungsvorrichtung angeordneten Bauplattformsystem fixiert. Das Bauplattformsystem ist hierzu seinerseits bestimmungsgemäß in der additiven Fertigungsvorrichtung installiert.
According to the invention, the calibration process is carried out in the following process steps:
  • In the first step, the calibration plate and the reference mark carrier(s) provided with the reference markings are fixed to the building platform system arranged in the construction space of the additive manufacturing device. For this purpose, the building platform system is installed as intended in the additive manufacturing device.

Im nächsten Schritt wird mittels des steuerbaren Lasers durch lokales Abtragen der Oberflächenschicht auf der Sichtfläche der Kalibrierplatte das aus den Musterelementen bestehende Kalibriermuster eingebracht. Das Kalibriermuster erstreckt sich hierbei über die gesamte Sichtfläche der Kalibrierplatte. Durch das lokale Abtragen wird im Bereich der Musterelemente eine metallische Oberfläche erzeugt, die sich farblich von der umgebenden Oberflächenschicht abhebt; ein helles Musterelement in dunkler Umgebung hat sich als besonders geeignet erwiesen. Vorzugsweise wird der Laser beim Einbringen des Kalibriermusters in die Kalibrierplatte mit den für die additive Fertigung in der additiven Fertigungsvorrichtung prozesstypischen Parametern betrieben.In the next step, the calibration pattern consisting of the pattern elements is introduced using the controllable laser by locally removing the surface layer on the visible surface of the calibration plate. The calibration pattern extends over the entire visible surface of the calibration plate. The local removal creates a metallic surface in the area of the pattern elements, which contrasts in color with the surrounding surface layer; a light pattern element in a dark environment has proven to be particularly suitable. When introducing the calibration pattern into the calibration plate, the laser is preferably operated with the process-typical parameters for additive manufacturing in the additive manufacturing device.

Im nachfolgenden Schritt wird das Bauplattformsystem mit der darauf befestigten Kalibrierplatte auf eine vorgegebene Position im Bauraum, d. h. auf einen vorgegebenen Arbeitsabstand der Kamera, gebracht, zum Beispiel durch Absenken im Bauschacht der additiven Fertigungsanlage.In the following step, the construction platform system with the calibration plate attached to it is positioned at a predetermined position in the construction space, i.e. H. brought to a predetermined working distance of the camera, for example by lowering it into the construction shaft of the additive manufacturing system.

Im nächsten Schritt wird das Kameramodul am Bauraum angebracht, wobei die Auflageplatte des Kameramoduls den Bauraum abdeckt. Die Auflageplatte ist hierbei vorzugsweise so dimensioniert, dass der Bauraum durch ein geringfügiges Übermaß der Auflageplatte vollständig gegen das Eindringen von Umgebungslicht abgeschirmt ist.In the next step, the camera module is attached to the installation space, with the support plate of the camera module covering the installation space. The support plate is preferably dimensioned so that the installation space is completely shielded from the penetration of ambient light by a slight oversize of the support plate.

In dieser Position wird nun ein Lichtbild der Kalibrierplatte mittels der Kamera aufgenommen. Vorzugsweise ist die Kamera mit ihrer optischen Achse senkrecht zur Kalibrierplatte ausgerichtet, um ein perspektivisch unverzerrtes Lichtbild der Kalibrierplatte aufzunehmen.In this position, a photograph of the calibration plate is taken using the camera. The camera is preferably aligned with its optical axis perpendicular to the calibration plate in order to record a perspectively undistorted light image of the calibration plate.

Das aufgenommene Lichtbild der Kalibrierplatte wird schließlich in der Auswerteeinheit ausgewertet, d. h., es werden die Ist-Lageparameter für jedes einzelne Musterelement des Kalibriermusters bestimmt. Auf dieser Basis werden dann die Korrekturwerte der Bauraum-Koordinaten - ebenfalls mittels der Auswerteeinheit - ermittelt.The recorded light image of the calibration plate is finally evaluated in the evaluation unit, i.e. that is, the actual position parameters are determined for each individual pattern element of the calibration pattern. On this basis, the correction values of the installation space coordinates are then determined - also using the evaluation unit.

Einer der Vorteile des erfindungsgemäßen Kalibriersystems sowie des Kalibrierverfahrens ist die Verwendung der metallischen Kalibrierplatte mit der Oberflächenschicht, die mit dem Laser zum Einbringen des Kalibriermusters lokal abgetragen wird. Dieser Abtrag erfordert nämlich eine Einstellung von Laserparametern, zum Beispiel der Laserleistung, die denen bei additiver Fertigung von Bauteilen relativ nahekommen.One of the advantages of the calibration system according to the invention and the calibration method is the use of the metallic calibration plate with the surface layer, which is locally removed with the laser to introduce the calibration pattern. This removal requires setting laser parameters, for example the laser power, which are relatively close to those used in additive manufacturing of components.

Durch diese Form der Herstellung des Kalibriermusters bilden sich im fotografisch erfassten Lichtbild des Kalibriermusters alle vorrichtungsbedingten Abweichungen exakt ab. Es können für jede Position des Bauplattformsystems ortsaufgelöst sehr genaue Korrekturwerte ermittelt werden. Da an die Steuereinheit zur Steuerung des Lasers die Bauraum-Koordinaten mit den Korrekturwerten übergeben werden, ist keinerlei Eingriff in die Steuerung erforderlich, d. h., in die Maschinensteuerung der additiven Fertigungsanlage wird nicht eingegriffen. Dies ist vor allem dann von Belang, wenn die additive Fertigungsvorrichtung Zertifizierungsauflagen unterliegt. Aufgrund des nicht erforderlichen Eingriffs in die Maschinensteuerung der additiven Fertigungsvorrichtung bei Anwendung der vorliegend beschriebenen Kalibriermethode bleiben Anlagenzertifizierungen insofern erhalten.Through this form of production of the calibration pattern, all device-related deviations are accurately reflected in the photographically captured light image of the calibration pattern. Very precise correction values can be determined for each position of the construction platform system in a spatially resolved manner. Since the installation space coordinates with the correction values are transferred to the control unit for controlling the laser, no intervention in the control is required, i.e. i.e. there is no intervention in the machine control of the additive manufacturing system. This is particularly relevant if the additive manufacturing device is subject to certification requirements. Due to the unnecessary intervention in the machine control of the additive manufacturing device when using the calibration method described here, system certifications are retained.

Ein weiterer Vorteil der kompakten Ausführung des Kameramoduls mit der Auflageplatte besteht darin, dass kein Fremdlicht in den Bauraum während der Lichtbildaufnahme fällt. Die Kalibrierplatte wird in stets gleichbleibender Weise über die vordefinierten, bauraumseitig an der Auflageplatte angebrachten Leuchtmittel während der Aufnahme des Lichtbildes beleuchtet.Another advantage of the compact design of the camera module with the support plate is that no extraneous light falls into the installation space while the photo is taken. The calibration plate is always illuminated in a consistent manner via the predefined lamps attached to the support plate on the installation space side while the photograph is taken.

Die Kalibrierung des Bauplattformsystems in einer additiven Fertigungsvorrichtung mit der vorstehend beschriebenen Kalibriermethode kann schnell und unkompliziert durchgeführt werden; üblicherweise dauert der Kalibriervorgang nur wenige Minuten.The calibration of the build platform system in an additive manufacturing device using the calibration method described above can be carried out quickly and easily; The calibration process usually only takes a few minutes.

Das Kalibriersystem und das Kalibrierverfahren eignen sich - aufgrund der durch die Kalibrierung verbesserten Fertigungsgenauigkeit bei der additiven Fertigung - insbesondere zur Kostensenkung bei hybrider additiver Neuteilfertigung, bei Reparatur additiv designter Bauteile, bei Reparatur konventionell hergestellter Bauteile oder bei Reparatur von additiv gefertigten Bauteilen nach sogenannten „failed build jobs“, d. h. zur Korrektur eines fehlerhaften additiven Aufbaus.The calibration system and the calibration method are - due to the improved manufacturing accuracy in additive manufacturing resulting from calibration - particularly suitable for reducing costs in hybrid additive manufacturing of new parts, in the repair of additively designed components, in the repair of conventionally manufactured components or in the repair of additively manufactured components after so-called "failed build jobs”, i.e. H. to correct an incorrect additive structure.

Gemäß einer Ausgestaltung des Kalibriersystems wird als metallischer Grundwerkstoff, aus dem die Kalibrierplatte besteht, ein Material gewählt, das dem der additiv zu fertigenden Bauteile entspricht oder diesem in Bezug auf Fertigungsparameter besonders ähnlich ist. Es hat sich zum Beispiel herausgestellt, dass Stahlwerkstoffe in dieser Hinsicht vergleichsweise universell einsetzbar sind; im Allgemeinen werden metallische Werkstoffe mit einer Dichte im Bereich von 4 g·cm-3 bis 10 g·cm-3 als Grundwerkstoff der Kalibrierplatte bevorzugt eingesetzt.According to one embodiment of the calibration system, the metallic base material from which the calibration plate is made is chosen to be a material that corresponds to that of the components to be additively manufactured or is particularly similar to it in terms of manufacturing parameters. For example, it has been shown that steel materials can be used comparatively universally in this respect; In general, metallic materials with a density in the range of 4 g cm -3 to 10 g cm -3 are preferably used as the base material of the calibration plate.

Zur Kontrastverbesserung besitzt die Oberflächenschicht an der Sichtfläche der Kalibrierplatte nach Möglichkeit ein mattes Erscheinungsbild. Die Oberflächenschicht ist eine Umwandlungsschicht, d. h. eine durch oberflächliche Umwandlung des metallischen Grundwerkstoffs erzeugte Oberflächenschicht. Erfindungsgemäß ist die Oberflächenschicht eine oxidische Umwandlungsschicht aus dem metallischen Grundwerkstoff der Kalibrierplatte, zum Beispiel eine Brünierschicht, wenn der Grundwerkstoff ein Stahlwerkstoff ist, oder eine Anodisierschicht, wenn der Grundwerkstoff ein Titan- oder Aluminiumwerkstoff ist. Die oxidischen Umwandlungsschichten bieten eine sehr gute Haftung, d. h. sind abriebfest, besitzen üblicherweise ein mattes Erscheinungsbild und können, sofern sie nicht bereits dunkel gefärbt sind, in geeigneter Weise gefärbt werden.To improve contrast, the surface layer on the visible surface of the calibration plate has a matt appearance if possible. The surface layer is a conversion layer, i.e. H. a surface layer created by superficial transformation of the metallic base material. According to the invention, the surface layer is an oxidic conversion layer made of the metallic base material of the calibration plate, for example a burnishing layer if the base material is a steel material, or an anodizing layer if the base material is a titanium or aluminum material. The oxidic conversion layers offer very good adhesion, i.e. H. are abrasion-resistant, usually have a matt appearance and, if they are not already dark colored, can be colored in a suitable manner.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist das Kameramodul des Kalibriersystems einen oder mehrere Sensoren auf. Ein solcher Sensor kann beispielsweise ein Entfernungssensor zur Detektion des Abstandes der auf dem Bauplattformsystem fixierten Kalibrierplatte zu der am Bauraum angebrachten Kamera sein; geeignete Entfernungssensoren sind unter anderem induktiv arbeitende Abstandssensoren oder laserbasierte Abstandssensoren. Der Entfernungssensor ermöglicht es, den vorgegebenen Arbeitsabstand der Kamera präzise einzustellen bzw. nachzujustieren.According to a further embodiment, the camera module of the calibration system has one or more sensors. Such a sensor can, for example, be a distance sensor for detecting the distance between the calibration plate fixed on the construction platform system and the camera attached to the construction space; Suitable distance sensors include inductively operating distance sensors or laser-based distance sensors. The distance sensor makes it possible to precisely set or readjust the specified working distance of the camera.

Ferner kann das Kameramodul einen Neigungssensor zur Bestimmung der Ausrichtung der Kamera und/oder zur Überwachung der lotrechten Ausrichtung der Kamera aufweisen. Mittels des Neigungssensors wird sichergestellt, dass die Kamera im Kameramodul verkippungsfrei (lotrecht) ausgerichtet ist. Die Kalibrierplatte und/oder das darunter liegende Bauplattformsystem können ebenfalls mit einem Neigungssensor ausgestattet sein, um die senkrechte Ausrichtung der optischen Achse der Kamera zur Kalibrierplatte zu überprüfen bzw. sicherzustellen. Bei Detektion einer Verkippung kann diese im Nachgang im Rahmen der Auswertung mathematisch ausgeglichen bzw. korrigiert werden.Furthermore, the camera module can have an inclination sensor for determining the orientation of the camera and/or for monitoring the vertical orientation of the camera. The inclination sensor ensures that the camera in the camera module is aligned without tilting (vertically). The calibration plate and/or what is underneath Lying construction platform systems can also be equipped with an inclination sensor to check or ensure the vertical alignment of the camera's optical axis to the calibration plate. If a tilt is detected, this can subsequently be mathematically compensated or corrected as part of the evaluation.

Alternativ kann die Verkippung auch über mehrere der Entfernungssensoren überprüft werden, die beispielsweise an drei oder vier Positionen den Abstand zwischen dem Kameramodul und der Kalibrierplatte ermitteln.Alternatively, the tilting can also be checked using several of the distance sensors, which, for example, determine the distance between the camera module and the calibration plate at three or four positions.

Weiterhin kann im Kameramodul ein Temperatursensor installiert sein. Mittels des Temperatursensors kann überprüft werden, ob für die Kamera und die Kalibrierplatte eine vorgegebene Messtemperatur oder ein vorgegebener Messtemperaturbereich eingehalten wird.A temperature sensor can also be installed in the camera module. The temperature sensor can be used to check whether a specified measuring temperature or a specified measuring temperature range is maintained for the camera and the calibration plate.

Das Kameramodul kann ferner einen RFID-Transponder zur kontaktlosen Datenspeicherung und Datenabfrage von Identifikationsdaten aufweisen. Das Kürzel RFID (engl.: radio-frequency identification) beschreibt eine bekannte Technologie zum automatischen und berührlosen Identifizieren und Lokalisieren von Objekten mittels Radiowellen; ein RFID-System umfasst regelmäßig einen RFID-Transponder und ein Lesegerät. Mittels des RFID-Transponders des Kameramoduls kann der Zugriff auf das Kalibriersystem gesteuert werden, zum Beispiel durch eine vom Bediener zu autorisierende Freigabe des Kalibriersystems.The camera module can also have an RFID transponder for contactless data storage and data retrieval of identification data. The abbreviation RFID (radio-frequency identification) describes a well-known technology for the automatic and contactless identification and localization of objects using radio waves; An RFID system regularly includes an RFID transponder and a reader. Using the RFID transponder of the camera module, access to the calibration system can be controlled, for example by releasing the calibration system to be authorized by the operator.

Bei größeren additiven Fertigungsanlagen, zum Beispiel solchen, die mehrere Laser aufweisen, d. h. bei sogenannten Multilasersystemen, kann vorgesehen sein, dass das Kameramodul mehrere der Kameras aufweist, wobei jedem der Laser eine der Kameras zugeordnet ist. Hierdurch kann die Kalibrierung simultan für das jeweilige Bearbeitungsfeld jedes spezifischen Lasers vorgenommen werden. Gemäß einer anderen Ausgestaltung des Kameramoduls kann dieses eine verfahrbare, zum Beispiel eine positionsverstellbare, Kamera aufweisen. Die Kamera wird hierzu auf definierte Positionen verfahren, um nacheinander Lichtbilder für das jeweilige Bearbeitungsfeld jedes spezifischen Lasers aufzunehmen.For larger additive manufacturing systems, for example those that have multiple lasers, i.e. H. In so-called multi-laser systems, it can be provided that the camera module has several of the cameras, with one of the cameras being assigned to each of the lasers. This allows the calibration to be carried out simultaneously for the respective processing field of each specific laser. According to another embodiment of the camera module, it can have a movable, for example a position-adjustable, camera. For this purpose, the camera is moved to defined positions in order to successively record light images for the respective processing field of each specific laser.

Die Referenzmarkenträger des Kalibriersystems können in unterschiedlicher Weise ausgebildet sind, zum Beispiel als Passstifte, die im Bauplattformsystem positionsfixiert einbringbar sind. Die Referenzmarkierungsträger werden - zur Vermeidung von perspektivischen Fehlern bei der Lichtbildaufnahme - vorzugsweise so am Bauplattformsystem befestigt, dass ihre Referenzmarkierung sich in der gleichen Ebene wie die Sichtfläche der Kalibrierplatte befindet.The reference mark carriers of the calibration system can be designed in different ways, for example as dowel pins that can be inserted in a fixed position in the building platform system. To avoid perspective errors when taking the photo, the reference marking carriers are preferably attached to the building platform system in such a way that their reference marking is in the same plane as the visible surface of the calibration plate.

Vorzugsweise wird eine Mehrzahl von gleichmäßig verteilten Referenzmarkenträgern bzw. Referenzmarkierungen am Bauplattformsystem angebracht, zum Beispiel vier auf den Ecken und eine mittig in einem Rechteck angeordnete Referenzmarkierung. Über die Referenzmarkierungen kann eine mögliche Verkippung der Kamera relativ zur Kalibrierplatte mathematisch ausgeglichen werden. Hierbei wird über die definiert bekannten Referenzmarkierungen eine Homographie-Matrix ermittelt. Auf dieser Basis kann ein „nicht verkipptes“ Lichtbild errechnet werden, indem jeder Punkt des Lichtbildes mit der Homographie-Matrix multipliziert wird.Preferably, a plurality of evenly distributed reference mark carriers or reference markings are attached to the building platform system, for example four on the corners and one reference mark arranged in the middle of a rectangle. A possible tilting of the camera relative to the calibration plate can be mathematically compensated for using the reference markings. Here, a homography matrix is determined using the well-defined reference markings. On this basis, a “non-tilted” light image can be calculated by multiplying each point of the light image by the homography matrix.

Alternativ zu Passstiften kann jede andere Form von Referenzmarkenträgern verwendet werden, die definiert am Bauplattformsystem fixierbar ist, wie zum Beispiel magnetische Halbkugeln.As an alternative to dowel pins, any other form of reference mark carrier can be used that can be fixed to the building platform system in a defined manner, such as magnetic hemispheres.

Die Fixierung der Kalibrierplatte am Bauplattformsystem kann beispielsweise mittels Schraubenverbindungen erfolgen. Alternativ sind auch Magnethalterungen einsetzbar, deren Vorteil insbesondere darin besteht, dass auf der Sichtfläche kein Flächenverlust durch die Befestigungselemente eintritt, d. h. mehr Raum für die Musterelemente des Kalibriermusters zur Verfügung steht.The calibration plate can be fixed to the building platform system using screw connections, for example. Alternatively, magnetic holders can also be used, the advantage of which is in particular that there is no loss of area on the visible surface due to the fastening elements, i.e. H. More space is available for the pattern elements of the calibration pattern.

Gemäß einer Ausgestaltung des Kalibrierverfahrens besteht das mittels des Lasers in die Oberflächenschicht auf der Sichtfläche der Kalibrierplatte eingebrachte Kalibriermuster aus einer Vielzahl der einzelnen Musterelemente, die jeweils eine identische zweidimensionale Geometrie besitzen. Die Musterelemente sind hierbei beabstandet zueinander in Reihen und Spalten auf der Sichtfläche der Kalibrierplatte platziert. Vorzugsweise sind die Musterelemente so angeordnet, dass jedes der Musterelemente zu jedem seiner innerhalb der gleichen Reihe oder Spalte benachbarten Musterelement einen Mindestabstand aufweist, der größer oder gleich der Erstreckung bzw. der Ausdehnung des Musterelements ist.According to one embodiment of the calibration method, the calibration pattern introduced by means of the laser into the surface layer on the visible surface of the calibration plate consists of a large number of individual pattern elements, each of which has an identical two-dimensional geometry. The pattern elements are placed at a distance from each other in rows and columns on the visible surface of the calibration plate. Preferably, the pattern elements are arranged in such a way that each of the pattern elements has a minimum distance to each of its adjacent pattern elements within the same row or column that is greater than or equal to the extent or extent of the pattern element.

Jedes einzelne der Musterelemente weist bevorzugt jeweils eine vierzählige Drehsymmetrie, mindestens zwei senkrecht zueinanderstehende Geradenabschnitte und ein einzelnes Kreis- oder Punktelement auf. Ein Beispiel für eine derartige Gestaltung des Musterelements ist ein Fadenkreuz aus zwei sich mittig kreuzenden, senkrecht zueinanderstehenden Geradenabschnitten, deren Schnittpunkt gleichzeitig das einzelne Punktelement bildet. Eine andere Gestaltung des Musterelements ist ein Quadrat mit einem einbeschriebenen Kreiselement. Aufgrund der vierzähligen Drehsymmetrie befindet sich das einzelne Kreis- oder Punktelement notwendigerweise stets im Mittelpunkt des Musterelements. Anhand des Kreis- oder Punktelements werden als Teil der Lageparameter der Musterelemente deren Lagekoordinaten bzw. deren Position in der Ebene bestimmt; anhand der Geradenabschnitte wird eine Winkelverdrehung als Teil der Lageparameter ermittelt. Bei vorgegebenen Soll-Lageparametern für ein spezifisches Musterelement des Kalibriermusters, definiert zum Beispiel in Form einer Soll-X-Lagekoordinate, einer Soll-Y-Lagekoordinate und einer Soll-Winkellage, ergibt sich nach Auswertung des Lichtbildes des Kalibriermusters für dieses Musterelement eine Ist-X-Lagekoordinate, eine Ist-Y-Lagekoordinate und eine Ist-Winkellage. Aus den Differenzen, d. h. durch Soll-Ist-Vergleich der Lageparameter, werden mittels der Auswerteeinheit die Korrekturwerte für jede der Bauraumkoordinaten im Bauraum-Koordinatensystem ermittelt.Each of the pattern elements preferably has a four-fold rotational symmetry, at least two straight line sections that are perpendicular to one another and a single circle or point element. An example of such a design of the pattern element is a crosshair made of two centrally crossing, perpendicular straight line sections, the intersection of which simultaneously forms the individual point element. Another design of the pattern element is a square with an inscribed circle element. Due to the fourfold rotational symmetry, the individual circle or point element is necessary obviously always at the center of the pattern element. Based on the circle or point element, their position coordinates or their position in the plane are determined as part of the position parameters of the pattern elements; An angular rotation is determined as part of the position parameters based on the straight line sections. Given specified target position parameters for a specific pattern element of the calibration pattern, defined for example in the form of a target X position coordinate, an actual Y position coordinate and an actual angular position. The correction values for each of the installation space coordinates in the installation space coordinate system are determined by means of the evaluation unit from the differences, ie through a target/actual comparison of the position parameters.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind; dazu zeigen:

  • 1: ein mit Bauteilen bestücktes Bauplattformsystem in Perspektivdarstellung,
  • 2: das in einer additiven Fertigungsvorrichtung installierte Kalibriersystem in Perspektivdarstellung,
  • 3: das Kalibriersystem vor dem Aufbringen des Kalibriermusters in Perspektivdarstellung,
  • 4: das Kalibriersystem nach dem Aufbringen des Kalibriermusters in Perspektivdarstellung,
  • 5: die Kalibrierplatte mit Kalibriermuster in der Draufsicht, und
  • 6: einen Soll-Ist-Vergleich der Lageparameter anhand eines Musterelements.
The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments and with reference to the schematic drawings, where the same or similar features are provided with the same reference numerals; show this:
  • 1 : a building platform system equipped with components in perspective view,
  • 2 : the calibration system installed in an additive manufacturing device in perspective view,
  • 3 : the calibration system in perspective before applying the calibration pattern,
  • 4 : the calibration system in perspective after applying the calibration pattern,
  • 5 : the calibration plate with calibration pattern in top view, and
  • 6 : a target/actual comparison of the position parameters using a sample element.

Gemäß Ausführungsbeispiel besteht - siehe hierzu 1 - das zu kalibrierende Bauplattformsystem 1 aus einer Maschineninterfaceeinheit 1.1 und einer darauf passgenau fixierbaren Bauplattform 1.2, die wiederum die Bauteile 3 trägt. In 2 sind 48 durch hybride additive Fertigung hergestellte Bauteile 3, hier beispielhaft Turbinenschaufeln für Flugtriebwerke, dargestellt. Auf die Basisformkörper 3.1 der Bauteile 3 wird im Rahmen der hybriden additiven Fertigung der Aufbauformkörper 3.2, hier beispielhaft die Schaufelspitze der Turbinenschaufel, additiv aufgebaut, sodass aus dem Basisformkörper 3.1 und dem Aufbauformkörper 3.2 jeweils wieder ein komplettes Bauteil 3 entsteht. Da vor Beginn der Fertigung die Basisformkörper 3.1 lagefixiert auf der Bauplattform 1.2 verankert sind und diese wiederum lagefixiert auf der Maschineninterfaceeinheit 1.1 arretiert wird, ist es für dieses Bauplattformsystem 1 lediglich notwendig, die Maschineninterfaceeinheit 1.1 zu kalibrieren.According to the exemplary embodiment - see here 1 - The building platform system 1 to be calibrated consists of a machine interface unit 1.1 and a building platform 1.2 that can be precisely fixed on it and which in turn carries the components 3. In 2 48 components 3 produced by hybrid additive manufacturing, here as an example turbine blades for aircraft engines, are shown. As part of hybrid additive manufacturing, the structural molding 3.2, here for example the blade tip of the turbine blade, is additively built onto the base molding 3.1 of the components 3, so that a complete component 3 is created from the base molding 3.1 and the structural molding 3.2. Since the base moldings 3.1 are anchored in a fixed position on the building platform 1.2 before production begins and this in turn is locked in a fixed position on the machine interface unit 1.1, it is only necessary for this building platform system 1 to calibrate the machine interface unit 1.1.

In Bezug auf das im Ausführungsbeispiel dargestellte Bauplattformsystem 1, insbesondere dessen spezifischen Aufbau, wird ferner auf die Patentanmeldung DE 10 2022 129 035.2 Bezug genommen, deren Inhalt als Teil der vorliegenden Offenbarung zu berücksichtigen ist.With regard to the construction platform system 1 shown in the exemplary embodiment, in particular its specific structure, reference is also made to the patent application DE 10 2022 129 035.2 Referenced, the content of which is to be considered as part of the present disclosure.

Die in 1 dargestellte additive Fertigungsvorrichtung besitzt einen Bauschacht, dessen Innenraum der Bauraum 2 ist. Im Bauraum 2 ist das Bauplattformsystem 1 in Form der Maschineninterfaceeinheit 1.1 mit der darauf angebrachten Kalibrierplatte 5 eingebracht.In the 1 The additive manufacturing device shown has a construction shaft, the interior of which is the construction space 2. The construction platform system 1 in the form of the machine interface unit 1.1 with the calibration plate 5 attached thereto is installed in the construction space 2.

Auf dem Bauschacht ist das Kameramodul 4 installiert, wobei die Auflageplatte 4.3 überdeckend auf den Bauschachtwänden aufsitzt, sodass kein Umgebungslicht in den Bauraum 2 während der Aufnahme des Lichtbildes der Kalibrierplatte 5 eindringt. Die zur Lichtbildaufnahme genutzte Kamera 4.1 ist mittels der Kamerahalterung 4.2 so an der Auflageplatte 4.3 befestigt, dass die optische Achse bzw. Blickrichtung der Kamera 4.1 senkrecht zur Auflageplatte 4.3 ausgerichtet ist; bei bestimmungsgemäßer Installation des Kameramoduls 4 ist die optische Achse der Kamera 4.1 somit lotrecht in den Bauraum 2 der additiven Fertigungsvorrichtung und senkrecht auf die Kalibrierplatte 5 gerichtet.The camera module 4 is installed on the construction shaft, with the support plate 4.3 sitting on top of the construction shaft walls so that no ambient light penetrates into the installation space 2 while the photograph of the calibration plate 5 is recorded. The camera 4.1 used to take photographs is attached to the support plate 4.3 by means of the camera holder 4.2 in such a way that the optical axis or viewing direction of the camera 4.1 is aligned perpendicular to the support plate 4.3; When the camera module 4 is installed as intended, the optical axis of the camera 4.1 is thus directed vertically into the installation space 2 of the additive manufacturing device and vertically onto the calibration plate 5.

In 3 ist das Kalibriersystem zum Kalibrieren des Bauplattformsystems 1 in Form der Maschineninterfaceeinheit 1.1 im detaillierten Aufbau wiedergegeben.In 3 the calibration system for calibrating the construction platform system 1 is shown in the form of the machine interface unit 1.1 in detailed structure.

Die Auflageplatte 4.3 besitzt an ihrer (nicht sichtbaren) Unterseite Leuchtdioden zur Beleuchtung der Kalibrierplatte 5. Die Kamera 4.1 des Kameramoduls 4 ist oberhalb der (nicht bezeichneten) Lichtdurchtrittsaussparung der Auflageplatte 4.3 mittels der Kamerahalterung 4.2 befestigt.The support plate 4.3 has light-emitting diodes on its (not visible) underside for illuminating the calibration plate 5. The camera 4.1 of the camera module 4 is attached above the (not designated) light passage recess in the support plate 4.3 by means of the camera holder 4.2.

Die auf der Maschineninterfaceeinheit 1.1 fixierte Kalibrierplatte 5 - in 3 vor dem Einbringen des Kalibriermusters 6 - besitzt fünf Referenzmarken-Aussparungen 5.1, die die Sicht der Kamera 4.1 auf die mittig an den Stirnseiten der Referenzmarkenträgern 7 angebrachten Referenzmarkierungen 8 freigeben. Die Referenzmarkenträger 7 sind gemäß Ausführungsbeispiel als in der Maschineninterfaceeinheit 1.1 eingepasste Kalibrierpassstifte 7.1 bzw. als ein in der Maschineninterfaceeinheit 1.1 magnetisch fixierbares Halbkugelelement 7.2 ausgebildet.The calibration plate 5 - in. fixed on the machine interface unit 1.1 3 before introducing the calibration pattern 6 - has five reference mark recesses 5.1, which allow the camera 4.1 to view the reference marks 8 attached centrally to the end faces of the reference mark carriers 7. According to the exemplary embodiment, the reference mark carriers 7 are designed as calibration dowel pins 7.1 fitted in the machine interface unit 1.1 or as a hemispherical element 7.2 that can be magnetically fixed in the machine interface unit 1.1.

Die Kalibrierplatte 5 ist mittels der Befestigungsschrauben 9 auf der Maschineninterfaceeinheit 1.1 befestigt, wobei zwischen Kalibrierplatte 5 und Maschineninterfaceeinheit 1.1 die Abstandshalter 10 eingefügt sind, die sicherstellen, dass sich die Referenzmarkierungen 8 in einer Ebene mit der Sichtfläche der Kalibrierplatte 5 befinden.The calibration plate 5 is attached to the machine interface unit 1.1 by means of the fastening screws 9, with the calibration plate 5 between them and machine interface unit 1.1, the spacers 10 are inserted, which ensure that the reference markings 8 are in a plane with the visible surface of the calibration plate 5.

Das Kalibriersystem nach 4 entspricht dem nach 3, zeigt aber zusätzlich das auf der Sichtseite der Kalibrierplatte 5 mittels des Lasers der additiven Fertigungsvorrichtung eingebrachte Kalibriermuster 6 aus den einzelnen periodisch in Reihen und Spalten angeordneten Musterelementen 6.1.The calibration system 4 corresponds accordingly 3 , but also shows the calibration pattern 6 made of the individual pattern elements 6.1 arranged periodically in rows and columns on the visible side of the calibration plate 5 using the laser of the additive manufacturing device.

In 5 ist die Sichtseite der in 4 gezeigten Kalibrierplatte 5 in der Draufsicht wiedergegeben. Das im Rahmen des Kalibrierverfahrens erstellte Lichtbild entspricht der Darstellung in 5. Anhand dieses Lichtbildes werden die Ist-Lageparameter für jedes der zweidimensionalen Musterelemente 6.1 erfasst und mittels der Auswerteeinheit verarbeitet.In 5 is the visible side of the in 4 Calibration plate 5 shown shown in plan view. The photograph created as part of the calibration process corresponds to the illustration in 5 . Using this photograph, the actual position parameters for each of the two-dimensional pattern elements 6.1 are recorded and processed using the evaluation unit.

Den Soll-Ist-Vergleich der Soll-Lageparameter und der Ist-Lageparameter anhand eines der Musterelemente 6.1 im Koordinatensystem veranschaulicht 6. Die Soll-Lageparameter des zweidimensionalen Musterelements 6.1 sind die beiden vorgegebenen Soll-Lagekoordinaten X, Y und die Sollwinkellage in der zweidimensionalen Ebene, wobei das Musterelement 6.1 gemäß Vorgabe keine Verdrehung, d. h. stets eine Soll-Winkellage von 0°, aufweist. Die fotografisch bestimmten Ist-Lageparameter sind die beiden gemessenen Ist-Lagekoordinaten X', Y` und die gemessene Winkellageabweichung R' des Musterelements 6.1.The target/actual comparison of the target position parameters and the actual position parameters is illustrated using one of the sample elements 6.1 in the coordinate system 6 . The target position parameters of the two-dimensional pattern element 6.1 are the two predetermined target position coordinates The photographically determined actual position parameters are the two measured actual position coordinates X', Y' and the measured angular position deviation R' of the sample element 6.1.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
BauplattformsystemBuilding platform system
1.11.1
MaschineninterfaceeinheitMachine interface unit
1.21.2
Bauplattformconstruction platform
22
BauraumInstallation space
33
BauteilComponent
3.13.1
BasisformkörperBasic moldings
3.23.2
AufbauformkörperBody moldings
44
KameramodulCamera module
4.14.1
Kameracamera
4.24.2
KamerahalterungCamera mount
4.34.3
AuflageplatteSupport plate
55
KalibrierplatteCalibration plate
5.15.1
Referenzmarken-AussparungenReference mark recesses
66
KalibriermusterCalibration pattern
6.16.1
MusterelementPattern element
77
ReferenzmarkenträgerReference mark carrier
7.17.1
KalibrierpassstiftCalibration dowel pin
7.27.2
HalbkugelelementHemispherical element
88th
ReferenzmarkierungReference mark
99
BefestigungsschraubenFastening screws
1010
AbstandshalterSpacers
X, YX, Y
vorgegebene Soll-Lagekoordinatenspecified target position coordinates
X,' Y'X, 'Y'
gemessene Ist-Lagekoordinatenmeasured actual position coordinates
R'R'
gemessene Winkellageabweichungmeasured angular position deviation

Claims (9)

Kalibriersystem zur Kalibrierung eines in einem Bauraum (2) einer additiven Fertigungsvorrichtung angeordneten Bauplattformsystems (1), wobei die additive Fertigungsvorrichtung einen steuerbaren Laser zur Konsolidierung von Material während der additiven Fertigung auf dem Bauplattformsystems (1) aufweist, und wobei das Kalibriersystem eine auf dem Bauplattformsystem (1) fixierbare Kalibrierplatte (5) und ein Kameramodul (4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass - die Kalibrierplatte (5) aus einem metallischen Grundwerkstoff besteht, wobei die Kalibrierplatte (5) eine Sichtfläche auf einer ihrer beiden flächig ausgedehnten Plattenseiten aufweist, die mit einer sich vom metallischen Grundwerkstoff farblich abhebenden Oberflächenschicht versehen ist, wobei die Oberflächenschicht auf der Sichtseite der Kalibrierplatte (5) eine oxidische Umwandlungsschicht aus dem metallischen Grundwerkstoff der Kalibrierplatte (5) ist, und - das Kameramodul (4) eine Kamera (4.1), eine Kamerahalterung (4.2) und sowie eine Auflageplatte (4.3) zur Abdeckung des Bauraums (2) der additiven Fertigungsvorrichtung umfasst, wobei die Kamera (4.1) mittels der Kamerahalterung (4.2) an der Auflageplatte (4.3) im Bereich einer Lichtdurchtrittsaussparung in der Auflageplatte (4.3) zur optischen Bilderfassung der auf dem Bauplattformsystem (1) fixierten Kalibrierplatte (5) befestigt ist, und wobei an der Auflageplatte (4.3) bauraumseitig Leuchtmittel zur Ausleuchtung des Bauraums (2) angebracht sind.Calibration system for calibrating a build platform system (1) arranged in a build space (2) of an additive manufacturing device, wherein the additive manufacturing device has a controllable laser for consolidating material during additive manufacturing on the build platform system (1), and wherein the calibration system has a build platform system on the build platform system (1) fixable calibration plate (5) and a camera module (4), characterized in that - the calibration plate (5) consists of a metallic base material, the calibration plate (5) having a visible surface on one of its two flat plate sides, which is provided with a surface layer that contrasts in color with the metallic base material, the surface layer on the visible side of the calibration plate (5) being an oxidic conversion layer made of the metallic base material of the calibration plate (5), and - the camera module (4) is a camera (4.1), a camera holder (4.2) and a support plate (4.3) for covering the installation space (2) of the additive manufacturing device, the camera (4.1) being attached to the support plate (4.3) by means of the camera holder (4.2) in the area of a light passage recess in the support plate ( 4.3) for optical image capture of the calibration plate (5) fixed on the construction platform system (1), and lamps for illuminating the construction space (2) are attached to the support plate (4.3) on the installation space side. Kalibriersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierplatte (5) aus einem Stahlwerkstoff besteht und wobei die Oberflächenschicht auf der Sichtseite der Kalibrierplatte (5) eine Brünierschicht ist.Calibration system Claim 1 , characterized in that the calibration plate (5) consists of a steel material and the surface layer on the visible side of the calibration plate (5) is a burnishing layer. Kalibriersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Auflageplatte (4.3) bauraumseitig angebrachten Leuchtmittel gleichmäßig verteilte Leuchtdioden sind.Calibration system Claim 1 or 2 , characterized in that the light sources attached to the support plate (4.3) on the installation space side are evenly distributed light-emitting diodes. Kalibriersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kameramodul (4) einen oder mehrerer Sensoren aufweist, wobei mindestens einer der Sensoren ein Entfernungssensor zur Detektion des Abstandes der auf dem Bauplattformsystem (1) fixierten Kalibrierplatte (5) zu der am Bauraum (2) angebrachten Kamera (4.1) ist.Calibration system according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the camera module (4) has one or more sensors, at least one of the sensors being a distance sensor for detecting the distance between the calibration plate (5) fixed on the construction platform system (1) and the camera (4.1.) attached to the construction space (2). ) is. Kalibriersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieses einen oder mehrere Referenzmarkenträger (7) mit jeweils einer Referenzmarkierung (8) umfasst, wobei die Referenzmarkenträger (7) positionsgenau am Bauplattformsystem (1) fixierbar sind und wobei die Kalibrierplatte (5) Referenzmarken-Aussparungen (5.1) aufweist, die bei am Bauplattformsystem (1) befestigter Kalibrierplatte (5) die Sicht der Kamera (4.1) auf die Referenzmarkierungen (8) der am Bauplattformsystem (1) fixierten Referenzmarkenträger (7) freigeben.Calibration system according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that it comprises one or more reference mark carriers (7), each with a reference mark (8), wherein the reference mark carriers (7) can be fixed in precise position on the building platform system (1) and wherein the calibration plate (5) has reference mark recesses (5.1). , which, when the calibration plate (5) is attached to the building platform system (1), enable the camera (4.1) to see the reference markings (8) of the reference mark carriers (7) fixed to the building platform system (1). Kalibrierverfahren zur Kalibrierung eines in einem Bauraum (2) einer additiven Fertigungsvorrichtung angeordneten Bauplattformsystems (1), wobei die additive Fertigungsvorrichtung einen steuerbaren Laser zur Konsolidierung von Material während der additiven Fertigung auf dem Bauplattformsystem (1) aufweist und wobei - die Lage des Bauplattformsystems (1) und darauf angebrachter Objekte im Bauraum (2) durch Bauraum-Koordinaten innerhalb eines Bauraum-Koordinatensystems definiert sind, und - mittels einer Auswerteeinheit Korrekturwerte für die Bauraum-Koordinaten auf Basis eines Soll-Ist-Vergleichs von vorgegebenen Soll-Lageparametern und fotografisch erfassten Ist-Lageparametern von zweidimensionalen Musterelementen (6.1) eines mittels des Lasers erzeugten Kalibriermusters (6) in Relation zu einem oder mehrerer am Bauplattformsystem (1) angebrachten Referenzmarkierungen (8) ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalibrierverfahren mittels der Auswerteeinheit sowie eines Kalibriersystems nach Anspruch 5 mit den folgenden Verfahrensschritten durchgeführt wird: - Fixieren der Kalibrierplatte (5) und des oder der die Referenzmarkierungen (8) aufweisenden Referenzmarkenträger (7) an dem im Bauraum (2) der additiven Fertigungsvorrichtung angeordneten Bauplattformsystem (1), - Einbringen eines sich über die Sichtfläche der Kalibrierplatte (5) erstreckenden Kalibriermusters (6) auf die Kalibrierplatte (5) mittels des steuerbaren Lasers der additiven Fertigungsvorrichtung durch lokales Abtragen der Oberflächenschicht auf der Sichtfläche der Kalibrierplatte (5), - Positionieren des Bauplattformsystems (1) mit der Kalibrierplatte (5) auf einen vorgegebenen Arbeitsabstand der Kamera (4.1) im Bauraum (2), - Anbringen des Kameramoduls (4) am Bauraum (2) und Abdecken des Bauraums (2) durch die Auflageplatte (4.3) des Kameramoduls (4), - Aufnehmen eines Lichtbildes der Kalibrierplatte (5) mittels der Kamera (4.1), und - Auswerten des Lichtbildes der Kalibrierplatte (5) und Ermitteln der Korrekturwerte der Bauraum-Koordinaten mittels der Auswerteeinheit.Calibration method for calibrating a build platform system (1) arranged in a build space (2) of an additive manufacturing device, wherein the additive manufacturing device has a controllable laser for consolidating material during additive manufacturing on the build platform system (1) and wherein - the position of the build platform system (1 ) and objects attached thereto in the construction space (2) are defined by construction space coordinates within a construction space coordinate system, and - by means of an evaluation unit, correction values for the construction space coordinates based on a target/actual comparison of predetermined target position parameters and photographically recorded actuals -Position parameters of two-dimensional pattern elements (6.1) of a calibration pattern (6) generated by means of the laser are determined in relation to one or more reference markings (8) attached to the construction platform system (1), characterized in that the calibration method is carried out by means of the evaluation unit and a calibration system Claim 5 is carried out with the following method steps: - fixing the calibration plate (5) and the reference mark carrier (7) having the reference markings (8) to the building platform system (1) arranged in the construction space (2) of the additive manufacturing device, - introducing a Calibration pattern (6) extending from the visible surface of the calibration plate (5) onto the calibration plate (5) by means of the controllable laser of the additive manufacturing device by locally removing the surface layer on the visible surface of the calibration plate (5), - positioning the building platform system (1) with the calibration plate (5 ) to a predetermined working distance of the camera (4.1) in the installation space (2), - attaching the camera module (4) to the installation space (2) and covering the installation space (2) with the support plate (4.3) of the camera module (4), - recording a Photograph of the calibration plate (5) using the camera (4.1), and - evaluating the photograph of the calibration plate (5) and determining the correction values of the installation space coordinates using the evaluation unit. Kalibrierverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mittels des Lasers in der Oberflächenschicht auf der Sichtfläche der Kalibrierplatte (5) eingebrachte Kalibriermuster (6) eine Vielzahl der einzelnen Musterelemente (6.1) mit identischer zweidimensionaler Geometrie aufweist, wobei die Musterelemente (6.1) beabstandet zueinander in Reihen und Spalten auf der Sichtfläche der Kalibrierplatte (5) angeordnet sind und wobei jedes einzelne der Musterelemente (6.1) jeweils - eine vierzählige Drehsymmetrie, - mindestens zwei, senkrecht zueinanderstehende Geradenabschnitte und - ein einzelnes Kreis- oder Punktelement aufweist.Calibration procedure Claim 6 , characterized in that the calibration pattern (6) introduced by means of the laser into the surface layer on the visible surface of the calibration plate (5) has a large number of individual pattern elements (6.1) with identical two-dimensional geometry, the pattern elements (6.1) being spaced apart from one another in rows and Columns are arranged on the visible surface of the calibration plate (5) and each of the pattern elements (6.1) has - a four-fold rotational symmetry, - at least two straight line sections that are perpendicular to one another and - a single circle or point element. Kalibrierverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Musterelemente (6.1) zu jedem seiner innerhalb der gleichen Reihe oder Spalte benachbarten Musterelemente (6.1) einen Mindestabstand aufweist, der größer oder gleich der Erstreckung des Musterelements (6.1) ist.Calibration procedure Claim 7 , characterized in that each of the pattern elements (6.1) has a minimum distance to each of its pattern elements (6.1) adjacent within the same row or column that is greater than or equal to the extent of the pattern element (6.1). Kalibrierverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser beim Einbringen des Kalibriermusters (6) in die Kalibrierplatte (5) mit für die additive Fertigung in der additiven Fertigungsvorrichtung prozesstypischen Parametern betrieben wird.Calibration procedure according to one of the Claims 6 until 8th , characterized in that the laser is operated with process-typical parameters for additive manufacturing in the additive manufacturing device when the calibration pattern (6) is introduced into the calibration plate (5).
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