DE112019007890T5

DE112019007890T5 - Vorrichtung zur additiven fertigung

Info

Publication number: DE112019007890T5
Application number: DE112019007890.9T
Authority: DE
Inventors: Shigeru Takushima; Hiroyuki Kawano; Yoshitsugu Sawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-11-11
Filing date: 2019-11-11
Publication date: 2022-08-25
Also published as: CN114630721B; WO2021095096A1; JPWO2021095096A1; JP7186898B2; CN114630721A; US20220297192A1

Abstract

Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, eine einfache und kompakte Vorrichtung zur additiven Fertigung bereitzustellen, bei der es nicht notwendig ist, ein Werkstück entsprechend einer Richtung zu drehen, in der ein Bearbeitungsmaterial zugeführt wird.Die Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß der vorliegenden Offenbarung beinhaltet: eine Höhenmesseinheit, die ein Ergebnis der Messung der Höhe an einer Messposition eines Baugegenstands (4) ausgibt, der auf einem Werkstück (3) während der additiven Bearbeitung gebildet wird, bei der der Baugegenstand (4) gebildet wird, indem auf wiederholte Weise ein geschmolzenes Bearbeitungsmaterial (7) auf eine Oberfläche des Werkstücks (3) gestapelt wird; und eine Steuerungseinheit (52), die eine Bearbeitungsbedingung bei der Durchführung eines neuen Stapelvorgangs an der Messposition in Übereinstimmung mit dem Messergebnis steuert. Die Höhenmesseinheit beinhaltet ein Messbeleuchtungssystem (8), das die Messposition mit Messbeleuchtungslicht (41, 42) bestrahlt, wobei eine optische Achse des Messbeleuchtungslichts (41, 42) in Bezug auf eine optische Achse eines Lichtempfangs-Optiksystems geneigt ist, und wobei das Messbeleuchtungslicht (41, 42) kontinuierlich in einem Winkelbereich von wenigstens ±90 Grad bezogen auf eine Richtung entgegengesetzt zu einer Zufuhrrichtung des Bearbeitungsmaterials mit der optischen Achse des Lichtempfangs-Optiksystems als Mitte eines Drehwinkelbereichs ausgesendet wird.

Description

Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung zur additiven Fertigung, die einen Baugegenstand durch Schmelzen und Aufeinanderstapeln eines Bearbeitungsmaterials an einer Bearbeitungsposition bildet.
Hintergrund
Es ist eine Vorrichtung zur additiven Fertigung wie z. B. ein 3D-Drucker bekannt, der eine Technologie mit der Bezeichnung additive Fertigung (Additive Manufacturing, AM) verwendet, bei der ein dreidimensionaler Baugegenstand durch Aufeinanderstapeln eines Bearbeitungsmaterials gebildet wird. Es gibt auch eine Vorrichtung zur additiven Fertigung, die ein Verfahren der gerichteten Energieabscheidung (Directed Energy Deposition, DED) als Verfahren zum Aufeinanderstapeln von Metall als Bearbeitungsmaterial verwendet. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung, die das Verfahren der gerichteten Energieabscheidung verwendet, liefert als Bearbeitungsmaterial ein Metallmaterial wie z. B. einen Metalldraht oder ein Metallpulver von einem Zufuhranschluss zu einer Basis zum Formen eines Baugegenstands und bildet den Baugegenstand, der eine gewünschte Form aufweist, indem sie das Metallmaterial zum Beispiel unter Verwendung eines Laser- oder Elektronenstrahls schmilzt und aufeinanderstapelt.
In einigen Fällen weist der gebildete Baugegenstand jedoch nicht die geplante Form auf, obwohl die Vorrichtung zur additiven Fertigung den Zufuhranschluss entlang eines vorbestimmten Pfads bewegt. Insbesondere kann, wenn der Abstand zwischen einer Oberseite der Basis und dem Zufuhranschluss außerhalb eines geeigneten Wertebereichs liegt, das Metallmaterial nicht gleichmäßig aufeinandergestapelt werden. Bei der Festlegung der Menge der Ausgabe von Metallmaterial aus dem Zufuhranschluss kann auch die Höhe einer Spitze des Metallmaterials berechnet werden. Wenn beispielsweise das Metallmaterial von dem Zufuhranschluss bereitgestellt wird, der sich an einer Stelle befindet, an der der Abstand zwischen der Oberseite der Basis und dem Zufuhranschluss des Metallmaterials größer als der geeignete Wertebereich ist, anders ausgedrückt, wenn die Höhe des Baugegenstands geringer als ein geplanter Wert ist, wird das zugeführte Metallmaterial zu einem Tropfen und verursacht Unregelmäßigkeiten in dem Baugegenstand. Wenn hingegen das Metallmaterial von dem Zufuhranschluss bereitgestellt wird, der sich an einer Stelle befindet, an der der Abstand zwischen der Oberseite der Basis und dem Zufuhranschluss des Metallmaterials kleiner als der geeignete Wertebereich ist, anders ausgedrückt, wenn die Höhe des Baugegenstands größer als der geplante Wert ist, wird das Metallmaterial übermäßig gegen den Baugegenstand gedrückt, und es entsteht ein ungeschmolzener Rückstand.
Daher gibt es ein Laserschweißverfahren, bei dem eine Bearbeitungsbedingung für das nächste Mal geändert wird, indem ein Schweißwulstformsensor verwendet wird, der einen Wulst unmittelbar nach dem Schweißen mit einem schlitzförmigen Laserstrahl bestrahlt und eine Schweißwulstform als Querschnitt von Unregelmäßigkeiten einer der Messung unterzogenen Oberfläche misst (siehe zum Beispiel Patentliteratur 1).
Liste der zitierten Dokumente
Patentliteratur
Patentliteratur 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 2000-167678
Kurzdarstellung
Technisches Problem
Eine solche herkömmliche Technik misst jedoch die Wulstform, indem die Längsrichtung des schlitzförmigen Laserstrahls so angeordnet wird, dass sie orthogonal zu seiner Bewegungsrichtung ist, sodass, wenn die Zufuhrrichtung des metallischen Bearbeitungsmaterials einer +X-Richtung entspricht, im Falle einer Formung in einer anderen Richtung als einer Richtung parallel zur +X-Richtung, wie z. B. in einer +Y-Richtung, d. h. in einer Richtung orthogonal zur +X-Richtung, der Baugegenstand nicht mit dem schlitzförmigen Laserstrahl bestrahlt wird und die Höhe des Baugegenstands nicht gemessen werden kann. Wenn die Formung in der +Y-Richtung durchgeführt werden soll, war es daher notwendig, ein Werkstück, auf dem der Baugegenstand angeordnet ist, um 90 Grad zu drehen und das Werkstück in einer Richtung parallel zur +X-Richtung und orthogonal zur Längsrichtung des Laserstrahls neu anzuordnen. D. h. bei jeder Veränderung der Bearbeitungsrichtung musste die Bearbeitung vorübergehend unterbrochen werden, um das Werkstück zu drehen, sodass der Baugegenstand mit dem Laserstrahl bestrahlt werden kann.
Wenn die Bearbeitung beispielsweise in drei Richtungen, nämlich einer -Y-Richtung, einer -X-Richtung und der +Y-Richtung, durchgeführt werden soll, ist es ferner notwendig, drei Beleuchtungseinrichtungen anzuordnen, die Laserstrahlen aussenden, um den Laserstrahl in jeder der drei Richtungen aussenden zu können, was zu einer Zunahme der Größe der Vorrichtung zur additiven Fertigung geführt hat.
Die vorliegende Offenbarung wurde entwickelt, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, wobei eine Aufgabe von ihr darin besteht, eine einfache und kompakte Vorrichtung zur additiven Fertigung zu schaffen, bei der es nicht notwendig ist, ein Werkstück entsprechend einer Richtung zu drehen, in der ein Bearbeitungsmaterial zugeführt wird.
Lösung des Problems
Eine Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß der vorliegenden Offenbarung beinhaltet: eine Höhenmesseinheit zum Messen einer Höhe an einer Messposition eines Baugegenstands, der auf einem Werkstück gebildet wird, und zum Ausgeben eines Messergebnisses, das ein Ergebnis der Messung während der additiven Bearbeitung angibt, bei der der Baugegenstand gebildet wird, indem auf wiederholte Weise ein Bearbeitungsmaterial aufeinandergestapelt wird, das an einer Bearbeitungsposition auf einer Oberfläche des Werkstücks geschmolzen wird; und eine Steuerungseinheit zum Steuern einer Bearbeitungsbedingung bei der Durchführung eines neuen Stapelvorgangs an der Messposition in Übereinstimmung mit dem Messergebnis, wobei die Höhenmesseinheit Folgendes beinhaltet: ein Messbeleuchtungssystem zum Bestrahlen der Messposition mit Beleuchtungslicht zur Messung; ein Lichtempfangs-Optiksystem zum Empfangen, durch ein Lichtempfangselement, von reflektiertem Licht, das durch Reflexion des Beleuchtungslichts zur Messung an der Messposition erhalten wird; und eine Berechnungseinheit zum Berechnen der Höhe des auf dem Werkstück gebildeten Baugegenstands auf der Grundlage einer Lichtempfangsposition des reflektierten Lichts auf dem Lichtempfangselement, wobei eine optische Achse des Beleuchtungslichts zur Messung in Bezug auf eine optische Achse des Lichtempfangs-Optiksystems geneigt ist und wobei das Beleuchtungslicht zur Messung kontinuierlich in einem Winkelbereich von wenigstens ±90 Grad bezogen auf eine Richtung entgegengesetzt zu einer Zufuhrrichtung des Bearbeitungsmaterials mit der optischen Achse des Lichtempfangs-Optiksystems als Mitte eines Drehwinkelbereichs ausgesendet wird.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Die Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß der vorliegenden Offenbarung bestrahlt den Winkelbereich von ±90 Grad in der Richtung entgegengesetzt zur Zufuhrrichtung des Bearbeitungsmaterials in Bezug auf eine optische Achse des Bearbeitungslichts und misst die Höhe, sodass es auch dann, wenn das Bearbeitungsmaterial aus einer frei gewählten Richtung zugeführt wird, nicht notwendig ist, das Werkstück entsprechend der Zufuhrrichtung des Bearbeitungsmaterials zu drehen, und der Baugegenstand mit der einfachen und kompakten Vorrichtung zur additiven Fertigung hergestellt werden kann.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Konfiguration einer Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
2 ist ein Diagramm, das eine innere Konfiguration eines Bearbeitungskopfs der Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
3 ist ein Diagramm, das eine dedizierte Hardware zur Implementierung von Funktionen einer Messpositions-Berechnungseinheit, einer Berechnungseinheit und einer Steuerungseinheit zeigt, die in der Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthalten sind.
4 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Steuerschaltung zur Implementierung der Funktionen der Berechnungseinheit und der Steuerungseinheit zeigt, die in der Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthalten sind.
5 ist ein schematisches Diagramm, das eine Höhe eines Bearbeitungsmaterials in Bezug auf einen Baugegenstand gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
6 ist eine Seitenansicht eines Zustands, in dem die Bearbeitung unter Verwendung der Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung durchgeführt wird, die aus einer Y-Richtung betrachtet wird.
7 zeigt einen Zustand, in dem die Bearbeitung unter Verwendung der Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung durchgeführt wird, die aus einer X-Richtung betrachtet wird, und in dem Linienstrahlen von einer Messsystem-Beleuchtungseinheit projiziert werden.
8 ist eine Seitenansicht eines Zustands, in dem die Bearbeitung derart durchgeführt wird, dass sich ein Wulst in einer +X-Richtung erstreckt, wobei die Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet wird, die aus der Y-Richtung betrachtet wird.
9 ist ein Diagramm einer XY-Ebene der Linienstrahlen, die durch eine Messbeleuchtungseinheit gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung auf ein ebenes Werkstück projiziert werden.
10 ist ein Diagramm einer XY-Ebene, wenn ein Wulst, der sich in einer -X-Richtung und in ±Y-Richtungen erstreckt, mit den Linienstrahlen gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung bestrahlt wird.
11 ist ein Diagramm, das ein Bild zeigt, das auf einem Lichtempfangselement gebildet wird, wenn der Baugegenstand mit den Linienstrahlen gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung bestrahlt wird.
12 zeigt ein Bild auf dem Lichtempfangselement, wenn die Bearbeitung in der +Y-Richtung unter Verwendung der Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung durchgeführt wird.
13 zeigt ein Bild auf dem Lichtempfangselement, wenn die Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung eine X-Plattform und eine Y-Plattform gleichzeitig bewegt, um das Formen in einer 135-Grad-Richtung in Bezug auf die +X-Richtung durchzuführen.
14 ist ein Fließdiagramm, das ein Verfahren zur Steuerung der Höhe des Baugegenstands durch die Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
15 ist ein Diagramm, das eine Höhe einer Bearbeitungsmaterial-Zufuhreinheit zeigt, wenn die Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung eine zweite Schicht bearbeitet.
16 ist ein Diagramm, das eine Höhe eines Zufuhranschlusses der Bearbeitungsmaterial-Zufuhreinheit zeigt, wenn die Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung die zweite Schicht bearbeitet.
17 ist ein Diagramm zur Erläuterung einer Einstrahlungsposition der Linienstrahlen ausgehend von einer Bearbeitungsposition in Bezug auf eine Höhe des Baugegenstands.
18 ist ein Diagramm zur Erläuterung einer Referenzpixelposition und einer Zielhöhe in Bezug auf eine Form des Baugegenstands.
19 ist ein Diagramm einer XY-Ebene von Linienstrahlen, die durch eine Messbeleuchtungseinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung auf ein ebenes Werkstück projiziert werden.
20 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration einer Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
21 ist ein Diagramm, das eine innere Konfiguration eines Bearbeitungskopfs der Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.

Beschreibung von Ausführungsformen
Erste Ausführungsform.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Konfiguration einer Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt. Wie in 1 dargestellt, beinhaltet die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 einen Bearbeitungslaser 1, einen Bearbeitungskopf 2, ein Befestigungsorgan 5 zum Befestigen eines Werkstücks 3, eine Antriebsplattform 6, eine Messbeleuchtungseinheit 8, eine Gasdüse 9, eine Bearbeitungsmaterial-Zufuhreinheit 10, eine Messpositions-Berechnungseinheit 50, eine Berechnungseinheit 51 und eine Steuerungseinheit 52. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 bildet einen Baugegenstand 4, der auch als gestapelter Gegenstand bezeichnet wird.
Es ist zu beachten, dass die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 in den folgenden Ausführungsformen eine Vorrichtung zur additiven Fertigung für Metall ist, die Metall als Bearbeitungsmaterial 7 verwendet, wobei jedoch auch ein anderes Bearbeitungsmaterial, wie zum Beispiel Harz, verwendet werden kann.
Darüber hinaus schmilzt die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 das Bearbeitungsmaterial 7 mithilfe des Bearbeitungslasers 1, um eine Stapelbearbeitung durchzuführen, es kann aber auch ein anderes Bearbeitungsverfahren, wie zum Beispiel Bogenentladung, verwendet werden.
Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 wiederholt die additive Bearbeitung des Schmelzens und Aufbringens des Bearbeitungsmaterials 7 auf das Werkstück 3, um den Baugegenstand 4 zu bilden. Dabei weist die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 eine Funktion des Messens der Höhe des bereits gebildeten Baugegenstands 4 und des Steuerns einer Bearbeitungsbedingung für die nächste additive Bearbeitung auf der Grundlage eines Messergebnisses auf. Bei der ersten additiven Bearbeitung stapelt die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 das geschmolzene Bearbeitungsmaterial 7 auf dem Werkstück 3 auf. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 liefert das Bearbeitungsmaterial 7 zu einer Bearbeitungsposition und bestrahlt die Bearbeitungsposition mit Bearbeitungslicht 30, wodurch auf wiederholte Weise eine additive Bearbeitung durchgeführt wird, bei der eine neue Schicht auf den bereits gebildeten Baugegenstand 4 gestapelt wird und ein neuer Baugegenstand 4 gebildet wird.
Außerdem ist die zu messende Höhe des Baugegenstands 4 die Position einer oberen Oberfläche des Baugegenstands 4 in Z-Richtung.
Der Bearbeitungslaser 1 sendet das Bearbeitungslicht 30 aus, das bei der formgebenden Bearbeitung zur Formung des Baugegenstands 4 auf dem Werkstück 3 verwendet wird. Der Bearbeitungslaser 1 ist zum Beispiel eine Faserlasereinrichtung mit einem Halbleiterlaser oder eine CO₂-Lasereinrichtung. Die Wellenlänge des von dem Bearbeitungslaser 1 ausgesendeten Bearbeitungslichts 30 beträgt zum Beispiel 1070 nm.
Der Bearbeitungskopf 2 beinhaltet ein Bearbeitungs-Optiksystem und ein Lichtempfangs-Optiksystem.
Das Bearbeitungs-Optiksystem bündelt das von dem Bearbeitungslaser 1 ausgesendete Bearbeitungslicht 30 und bildet es an der Bearbeitungsposition auf dem Werkstück 3 ab.
Im Allgemeinen wird das Bearbeitungslicht 30 an der Bearbeitungsposition punktförmig gebündelt, die daher in der folgenden Beschreibung der vorliegenden Ausführungsform als Bearbeitungsposition bezeichnet wird. Der Bearbeitungslaser 1 und das Bearbeitungs-Optiksystem sind in einer Bearbeitungseinheit enthalten. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Höhe des Baugegenstands 4, der an der Bearbeitungsposition gebildet wurde, durch ein Lichtschnittverfahren gemessen.
Außerdem ist das Lichtempfangs-Optiksystem bei der vorliegenden Ausführungsform im Bearbeitungskopf 2 angeordnet, und das Bearbeitungs-Optiksystem und das Lichtempfangs-Optiksystem sind integriert.
Das Werkstück 3 wird auf der Antriebsplattform 6 platziert und mit dem Befestigungsorgan 5 auf der Antriebsplattform 6 befestigt. Das Werkstück 3 dient als Grundlage bei der Bildung des Baugegenstands 4, und das Bearbeitungsmaterial 7 wird auf eine Oberfläche des Werkstücks 3 gestapelt. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Werkstück 3 eine Grundplatte, es kann jedoch auch ein Gegenstand mit einer dreidimensionalen Form sein.
Wenn die Antriebsplattform 6 angetrieben wird, verändert sich die Position des Werkstücks 3 in Bezug auf den Bearbeitungskopf 2, wodurch sich die Bearbeitungsposition auf dem Werkstück 3 bewegt. Die Abtastung der Bearbeitungsposition bedeutet eine Bewegung der Bearbeitungsposition entlang eines vorbestimmten Pfads.
Es ist zu beachten, dass die Bewegung der Bearbeitungsposition eine Bewegung in einer Richtung orthogonal zur Höhenrichtung des Baugegenstands 4 beinhaltet. D. h. die Position der Bearbeitungsposition vor der Bewegung und die Position der Bearbeitungsposition nach der Bewegung unterscheiden sich voneinander in der Position, die auf eine Ebene orthogonal zur Höhenrichtung projiziert wird. Darüber hinaus befindet sich eine Messposition in einer Richtung, in der sich die Bearbeitungsposition auf dem Werkstück bewegt.
Die Antriebsplattform 6 ist imstande, eine Abtastbewegung entlang von drei Achsen, d. h. der X-, Y- und Z-Achse, durchzuführen. Es ist zu beachten, dass die Z-Richtung die Höhenrichtung ist, in der der Baugegenstand 4 aufgestapelt wird. Eine X-Richtung ist eine Richtung orthogonal zur Z-Richtung und eine Richtung, in der die Bearbeitungsmaterial-Zufuhreinheit 10 zum Zuführen des Bearbeitungsmaterials 7 in 1 installiert ist. Eine Y-Richtung ist eine Richtung, die sowohl zur X-Richtung als auch zur Z-Richtung orthogonal ist.
Die Antriebsplattform 6 ist imstande, eine Translationsbewegung in Richtung jeder der drei Achsen, d. h. der X-, Y- und Z-Achse, auszuführen. Darüber hinaus verwendet die Antriebsplattform 6 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine fünfachsige Plattform, die sich auch in einer XY-Ebene und in einer YZ-Ebene drehen kann. Die Drehung in der XY-Ebene und in der YZ-Ebene kann die Lage und die Position des Werkstücks 3 verändern.
Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 kann eine Einstrahlungsposition des Bearbeitungslichts 30 in Bezug auf das Werkstück 3 bewegen, indem die Antriebsplattform 6 gedreht wird. Dadurch kann zum Beispiel eine komplizierte Form, einschließlich einer sich verjüngenden Form, geformt werden. Die vorliegende Ausführungsform ermöglicht es der Antriebsplattform 6, eine Abtastbewegung entlang der fünf Achsen durchzuführen, es kann jedoch auch der Bearbeitungskopf 2 veranlasst werden, eine Abtastbewegung durchzuführen.
Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 liefert das Bearbeitungsmaterial 7 zu der Bearbeitungsposition, während sie das Werkstück 3 in einer +X-Richtung abtastet, indem die Antriebsplattform 6 angetrieben wird. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 führt die additive Bearbeitung durch, indem das geschmolzene Bearbeitungsmaterial 7 an der Bearbeitungsposition gestapelt wird, die sich auf dem Werkstück 3 bewegt. Genauer gesagt treibt die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 die Antriebsplattform 6 an, um Kandidatenpunkte der Bearbeitungsposition auf dem Werkstück 3 zu bewegen, sodass wenigstens einer der Kandidatenpunkte auf dem Bewegungspfad als Bearbeitungsposition dient, an der das Bearbeitungsmaterial 7 aufgestapelt wird.
Dadurch wird bei jedem Abtasten der Bearbeitungsposition das Bearbeitungsmaterial 7 durch das Bearbeitungslicht 30 an der Bearbeitungsposition geschmolzen und nach dem Schmelzen verfestigt, sodass ein Wulst gebildet wird, der sich in -X-Richtung erstreckt. Bei jedem Abtasten der Bearbeitungsposition wird erneut ein Wulst auf das als Basis dienende Werkstück 3 oder einen Teil des bereits geformten Baugegenstands 4 gestapelt, wodurch ein Teil des Baugegenstands 4 neu gebildet wird. Durch die Wiederholung dieses Vorgangs wird das Bearbeitungsmaterial 7 aufeinandergestapelt, sodass der Baugegenstand 4 als Endprodukt in einer gewünschten Form gebildet wird.
Das Bearbeitungsmaterial 7 ist zum Beispiel ein Metalldraht oder Metallpulver. Das Bearbeitungsmaterial 7 wird von der Bearbeitungsmaterial-Zufuhreinheit 10 zur Bearbeitungsposition geliefert. Beispielsweise dreht die Bearbeitungsmaterial-Zufuhreinheit 10 eine Drahtspule, um die der Metalldraht gewickelt ist, indem ein Drehmotor angetrieben wird, und führt den Metalldraht der Bearbeitungsposition zu.
Die Bearbeitungsmaterial-Zufuhreinheit 10 kann auch den der Bearbeitungsposition zugeführten Metalldraht herausziehen, indem der Motor in einer umgekehrten Richtung gedreht wird. Die Bearbeitungsmaterial-Zufuhreinheit 10 ist einstückig mit dem Bearbeitungskopf 2 vorgesehen und wird durch die Antriebsplattform 6 zusammen mit dem Bearbeitungskopf 2 als Ganzes angetrieben. Es ist zu beachten, dass das Verfahren zum Zuführen des Metalldrahts nicht auf das obige Beispiel beschränkt ist.
Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 wiederholt das Abtasten der Bearbeitungsposition, um die durch die Verfestigung des geschmolzenen Bearbeitungsmaterials 7 erzeugten Wulste aufeinanderzustapeln, wodurch der Baugegenstand 4 auf dem Werkstück 3 gebildet wird. D. h. die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 wiederholt die additive Bearbeitung, um den Baugegenstand 4 zu erzeugen. Bei dem Wulst handelt es sich um einen Gegenstand, der durch die Verfestigung des geschmolzenen Bearbeitungsmaterials 7 erzeugt wird und zum Baugegenstand 4 wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein Gegenstand unmittelbar nach der Verfestigung während der Bearbeitung als Wulst bezeichnet, und ein Gegenstand, der durch die Verfestigung des Wulstes gebildet wurde, wird als Baugegenstand 4 bezeichnet.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Messbeleuchtungseinheit 8 an einer seitlichen Oberfläche des Bearbeitungskopfs 2 angebracht. Um die Höhe des Baugegenstands 4 zu messen, der auf dem Werkstück 3 gebildet wurde, sendet die Messbeleuchtungseinheit 8 bei der vorliegenden Ausführungsform Linienstrahlen 41 und 42 zur Messung als Beleuchtungslicht in Richtung einer Messposition auf dem Werkstück 3 oder dem bereits gebildeten Baugegenstand 4 aus.
Die Messposition ist eine Position, die sich von der Bearbeitungsposition unterscheidet, und sie ist eine Position, an der die Linienstrahlen 41 und 42 zur Messung reflektiert werden, wobei sie sich mit der Bewegung der Bearbeitungsposition bewegt. Das Lichtempfangs-Optiksystem ist in dem Bearbeitungskopf 2 derart angeordnet, dass es imstande ist, das an der Messposition reflektierte Licht zu empfangen.
Des Weiteren ist das Lichtempfangs-Optiksystem derart angeordnet, dass seine optische Achse in einer Richtung verläuft, die in Bezug auf die optischen Achsen der Linienstrahlen 41 und 42 schräg ist. Da eine Spitzenwellenlänge des bei der Bearbeitung erzeugten Wärmestrahlungslichts im infraroten Wellenlängenbereich liegt, ist es wünschenswert, als Lichtquelle der Messbeleuchtungseinheit 8 einen grünen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von etwa 550 nm oder einen blauen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von etwa 420 nm zu verwenden, die von der Spitzenwellenlänge des Wärmestrahlungslichts entfernt sind.
Die Gasdüse 9 sprüht ein Schutzgas in Richtung des Werkstücks 3, um eine Oxidation des Baugegenstands 4 zu verhindern oder zu verringern und den Wulst zu kühlen. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Schutzgas ein Inertgas. Die Gasdüse 9 ist an einem unteren Abschnitt des Bearbeitungskopfs 2 angebracht und über der Bearbeitungsposition angeordnet. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Gasdüse 9 koaxial mit dem Bearbeitungslicht 30 angeordnet, das Gas kann jedoch auch in einer Richtung schräg zur Z-Achse auf die Bearbeitungsposition gesprüht werden.
Die Messpositions-Berechnungseinheit 50 berechnet auf der Grundlage von Daten eines vorab eingestellten Bearbeitungspfads eine zukünftige Bearbeitungsrichtung in Bezug auf die aktuelle Bearbeitungsposition.
Die Messpositions-Berechnungseinheit 50 wird später im Einzelnen beschrieben.
Die Berechnungseinheit 51 berechnet die Höhe des Baugegenstands 4 an der Bearbeitungsposition unter Verwendung eines von der Messpositions-Berechnungseinheit 50 erhaltenen Ergebnisses. Die Höhe des Baugegenstands 4 wird während der Bearbeitung gemessen, während die Bearbeitungsposition bewegt wird.
Die Berechnungseinheit 51 berechnet die Höhe des Baugegenstands 4 an der Bearbeitungsposition unter Verwendung des Triangulationsprinzips auf der Grundlage einer Lichtempfangsposition des reflektierten Lichts der Linienstrahlen 41 und 42, was später im Einzelnen beschrieben wird.
Hierbei ist die Lichtempfangsposition eine Position der Linienstrahlen 41 und 42 in einem Lichtempfangselement, das in dem Lichtempfangs-Optiksystem enthalten ist.
Unter Verwendung der Höhe des Baugegenstands 4, die durch die Berechnungseinheit 51 berechnet wurde, steuert die Steuerungseinheit 52 die Bearbeitungsbedingungen, die zum Beispiel eine Antriebsbedingung des Bearbeitungslasers 1, eine Antriebsbedingung der Bearbeitungsmaterial-Zufuhreinheit 10, die das Bearbeitungsmaterial 7 zuführt, und eine Antriebsbedingung der Antriebsplattform 6 beinhalten. Die Antriebsbedingung der Bearbeitungsmaterial-Zufuhreinheit 10 beinhaltet eine Bedingung betreffend die Höhe des zuzuführenden Bearbeitungsmaterials 7.
Die Messbeleuchtungseinheit 8, das Lichtempfangs-Optiksystem, die Messpositions-Berechnungseinheit 50 und die Berechnungseinheit 51 werden gemeinsam als Höhenmesseinheit bezeichnet.
2 ist ein Diagramm, das eine innere Konfiguration des in 1 dargestellten Bearbeitungskopfs 2 zeigt. Der Bearbeitungskopf 2 beinhaltet eine Senderlinse 11, einen Strahlteiler 12, eine Objektivlinse 13, einen Bandpassfilter 14, eine Kondensorlinse 15 und einen Lichtempfänger 16.
Die Senderlinse 11 sendet das vom Bearbeitungslaser 1 ausgesendete Bearbeitungslicht 30 zum Strahlteiler 12.
Der Strahlteiler 12 reflektiert das von der Senderlinse 11 einfallende Bearbeitungslicht 30 auf das Werkstück 3.
Die Objektivlinse 13 bündelt das über die Senderlinse 11 und den Strahlteiler 12 einfallende Bearbeitungslicht 30 und bildet das Bearbeitungslicht 30 an der Bearbeitungsposition auf dem Werkstück 3 ab.
Das Bearbeitungs-Optiksystem beinhaltet die Senderlinse 11, den Strahlteiler 12 und die Objektivlinse 13. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Brennweite der Senderlinse 11 zum Beispiel auf 200 mm eingestellt, und die Brennweite der Objektivlinse 13 ist auf 460 mm eingestellt. Eine Oberfläche des Strahlteilers 12 ist beschichtet, um den Reflexionsgrad der Wellenlänge des von dem Bearbeitungslaser 1 ausgesendeten Bearbeitungslichts 30 zu erhöhen und Licht mit einer Wellenlänge zu übertragen, die kürzer als die Wellenlänge des Bearbeitungslichts 30 ist.
Darüber hinaus wird in der vorliegenden Ausführungsform bei der Beschreibung davon ausgegangen, dass das Werkstück 3 in +X-Richtung als Bearbeitungsrichtung abgetastet wird und ein Wulst gebildet wird, der sich in -X-Richtung erstreckt, d. h. in einer Richtung, die der Richtung entgegengesetzt ist, in der die Bearbeitungsmaterial-Zufuhreinheit 10 zur Zufuhr des Bearbeitungsmaterials 7 installiert ist. Obwohl bei der Beschreibung von der Annahme ausgegangen wird, dass der Wulst derart gebildet wird, dass er sich in einer linearen Form erstreckt, wie dies auch bei den folgenden Ausführungsformen der Fall ist, kann zum Beispiel auch ein anderes Wulstbildungsverfahren verwendet werden, bei dem z. B. punktförmige Wulste verbunden werden, um einen Wulst zu bilden. Alternativ dazu kann der Wulst ein Wulst mit Kugelform sein.
Die Linienstrahlen 41 und 42, die von der Messbeleuchtungseinheit 8 ausgesendet werden und an der Messposition reflektiert werden, treten über die Objektivlinse 13 und den Strahlteiler 12 in den Bandpassfilter 14 ein.
Der Strahlteiler 12 sendet die an der Messposition reflektierten Linienstrahlen 41 und 42 zum Bandpassfilter 14. In 2 sind der Klarheit halber die Mittelachsen der Linienstrahlen 41 und 42 als Mittelachse 40 dargestellt.
Der Bandpassfilter 14 lässt selektiv Licht mit den Wellenlängen der Linienstrahlen 41 und 42 durch und blockiert Licht, das eine andere Wellenlänge als die Wellenlängen der Linienstrahlen 41 und 42 hat. Der Bandpassfilter 14 entfernt Licht mit einer unerwünschten Wellenlänge, wie z. B. das Bearbeitungslicht 30, Wärmestrahlungslicht und Umgebungslicht und sendet die Linienstrahlen 41 und 42 zur Kondensorlinse 15.
Die Kondensorlinse 15 bündelt die Linienstrahlen 41 und 42 und bildet sie auf dem Lichtempfänger 16 ab.
Der Lichtempfänger 16 ist beispielsweise eine Flächenkamera, die mit dem Lichtempfangselement ausgestattet ist, wie z. B. mit einem Bildsensor des Typs Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS). Der Lichtempfänger 16 ist nicht auf einen CMOS-Sensor beschränkt, sondern muss lediglich ein Lichtempfangselement enthalten, in dem Pixel in zwei Dimensionen angeordnet sind.
Das Lichtempfangs-Optiksystem beinhaltet die Objektivlinse 13 und die Kondensorlinse 15. Bei der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet das Lichtempfangs-Optiksystem zwei Linsen, nämlich die Objektivlinse 13 und die Kondensorlinse 15, es können aber auch drei oder mehr Linsen verwendet werden. Hinsichtlich der Konfiguration des Lichtempfangs-Optiksystems gibt es keine Einschränkungen, solang die Linienstrahlen 41 und 42 auf dem Lichtempfänger 16 abgebildet werden können. Eine Lichtempfangseinheit 17 beinhaltet das Lichtempfangs-Optiksystem und das Lichtempfangselement.
Als nächstes wird eine Hardware-Konfiguration der Messpositions-Berechnungseinheit 50, der Berechnungseinheit 51 und der Steuerungseinheit 52 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Die Messpositions-Berechnungseinheit 50, die Berechnungseinheit 51 und die Steuerungseinheit 52 werden durch Verarbeitungsschaltungen implementiert. Die Verarbeitungsschaltungen der Messpositions-Berechnungseinheit 50, der Berechnungseinheit 51 und der Steuerungseinheit 52 können durch dedizierte Hardware implementiert werden oder eine Steuerschaltung sein, die eine zentrale Bearbeitungseinheit (CPU) verwendet.
Wenn sie durch dedizierte Hardware implementiert werden, werden die obigen Verarbeitungsschaltungen durch die in 3 dargestellten Verarbeitungsschaltungen 190 implementiert. 3 ist ein Diagramm, das eine dedizierte Hardware zur Implementierung der Funktionen der Messpositions-Berechnungseinheit 50, der Berechnungseinheit 51 und der Steuerungseinheit 52 zeigt, die in 1 dargestellt sind. Bei den Verarbeitungsschaltungen 190 handelt es sich um eine einzelne Schaltung, eine komplexe Schaltung, einen programmierten Prozessor, einen parallel programmierten Prozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), ein Field Programmable Gate Array (FPGA) oder eine Kombination davon.
Wenn die Verarbeitungsschaltungen 190 durch die Steuerschaltung implementiert wird, die eine CPU verwendet, wird die Steuerschaltung gemäß der vorliegenden Ausführungsform durch eine Steuerschaltung 200 dargestellt, die beispielsweise eine Konfiguration wie in 4 aufweist. 4 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration der Steuerschaltung 200 zur Implementierung der Funktionen der Berechnungseinheit 51 und der Steuerungseinheit 52 zeigt, die in 1 dargestellt sind.
Wie in 4 dargestellt, beinhaltet die Steuerschaltung 200 einen Prozessor 200a und einen Speicher 200b.
Der Prozessor 200a ist eine CPU und wird zum Beispiel als zentraler Prozessor, Verarbeitungseinheit, Recheneinheit, Mikroprozessor, Mikrocomputer oder digitaler Signalprozessor (DSP) bezeichnet.
Der Speicher 200b ist zum Beispiel ein nichtflüchtiger oder flüchtiger Halbleiterspeicher, wie z. B. ein Direktzugriffsspeicher (RAM), ein Festwertspeicher (ROM), ein Flash-Speicher, ein löschbarer programmierbarer ROM (EPROM) oder ein elektrischer EPROM (EEPROM (eingetragenes Warenzeichen), EM), eine Magnetplatte, eine flexible Platte, eine optische Platte, eine Compact Disk, eine Mini-Disk oder eine Digital Versatile Disk (DVD).
Wenn sie durch die Steuerschaltung 200 implementiert werden, werden die Verarbeitungsschaltungen 190 durch den Prozessor 200a implementiert, der ein in dem Speicher 200b gespeichertes Programm liest und ausführt, wobei das Programm der Verarbeitung jeder Komponente entspricht. Der Speicher 200b wird auch als temporärer Speicher für jede Verarbeitung verwendet, die von dem Prozessor 200a ausgeführt wird.
5 ist ein schematisches Diagramm, das eine Höhe des Bearbeitungsmaterials 7 in Bezug auf den Baugegenstand 4 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. In 5 ist die Höhe des Bearbeitungsmaterials 7 eine Länge zwischen einer oberen Oberfläche 4a des bereits gebildeten Baugegenstands 4 und einem Zufuhranschluss für das Bearbeitungsmaterial 7 der Bearbeitungsmaterial-Zufuhreinheit 10. Die Höhe des Bearbeitungsmaterials 7 wird unter Bezugnahme auf 5 beschrieben.
Wenn eine Ausgabemenge des Bearbeitungsmaterials 7 aus dem Zufuhranschluss eingestellt wird, kann die Höhe einer Spitze des Bearbeitungsmaterials 7 berechnet werden. Darüber hinaus hängt ein geeigneter Höhenbereich des Bearbeitungsmaterials 7 von der Höhe des bereits geformten Baugegenstands 4 ab. Wie in 5 dargestellt, wird ein Defekt im Bearbeitungsergebnis erzeugt, wenn das Bearbeitungsmaterial 7 nicht in einer geeigneten Höhe zugeführt wird, die dem bereits gebildeten Baugegenstand 4 entspricht.
Der geeignete Höhenbereich des Bearbeitungsmaterials 7, der dem bereits gebildeten Baugegenstand 4 entspricht, wird unter Bezugnahme auf 5 beschrieben. In 5 wird der geeignete Höhenbereich des Bearbeitungsmaterials 7 durch ha±a dargestellt.
In einem Abschnitt (a) von 5 liegt eine Höhe „ha“ des Bearbeitungsmaterials 7 im Bereich von ha±α. Daher wird kein Defekt im Bearbeitungsergebnis erzeugt.
In einem Abschnitt (b) von 5 ist die Höhe eines Wulstes, der bereits gebildet wurde und als zu bearbeitende Oberfläche dient, geringer als ein vorbestimmter geplanter Wert, und eine Höhe „hb“ des Bearbeitungsmaterials 7 erfüllt hb>ha+a und liegt außerhalb des Bereichs von ha±α. Das Bearbeitungsmaterial 7, das durch die Bestrahlung mit dem Bearbeitungslicht 30 geschmolzen wurde, haftet daher nicht ausreichend an dem bereits gebildeten Baugegenstand 4, wodurch ein Tropfen 71 erzeugt wird, der nach der Bearbeitung Unregelmäßigkeiten in dem Baugegenstand 4 verursacht.
In einem Abschnitt (c) von 5 ist die Höhe eines Wulstes, der bereits gebildet wurde und als zu bearbeitende Oberfläche dient, größer als der geplante Wert, und eine Höhe „hc“ des Bearbeitungsmaterials 7 erfüllt hc<ha-a und liegt außerhalb des Bereichs von ha±α. Daher wird das Bearbeitungsmaterial 7 zu stark an den bereits gebildeten Baugegenstand 4 gedrückt, wodurch das Bearbeitungsmaterial 7 nicht vollständig geschmolzen wird, auch wenn es mit dem Bearbeitungslicht 30 bestrahlt wird, und es wird ein ungeschmolzener Rückstand 72 des Bearbeitungsmaterials 7 erzeugt. Dadurch ist in dem Baugegenstand 4 nach der Bearbeitung ungeschmolzen gebliebenes Bearbeitungsmaterial 7 enthalten.
Wie in 5 dargestellt, ist es für eine hochpräzise Bearbeitung wesentlich, die Höhe des Bearbeitungsmaterials 7, die dem bereits gebildeten Baugegenstand 4 entspricht, während der Bearbeitung auf einem geeigneten Wert zu halten.
Im Falle einer ersten Schicht, mit der die Herstellung des Baugegenstands 4 auf dem Werkstück 3 beginnt, muss, wenn die Höhe des Werkstücks 3 gleichmäßig ist, die Bearbeitung lediglich so durchgeführt werden, dass die Höhe des Bearbeitungsmaterials 7 konstant gehalten wird. In zweiten und nachfolgenden Schichten kann es jedoch vorkommen, dass die Höhe des Baugegenstands 4, der bis zur vorherigen Schicht gebildet wurde, nicht so hoch wie der geplante Wert ist. Falls die Höhe nicht so hoch wie der geplante Wert ist, kann es, selbst wenn das Metallmaterial beim Stapelvorgang ausgehend von der Höhe des Bearbeitungsmaterials 7 um die geplante Höhe einer Schicht angehoben wird, in der Praxis vorkommen, dass in einem Abschnitt, in dem sich die Höhe des Baugegenstands 4 bis zum vorherigen Stapelvorgang vom geplanten Wert unterscheidet, die Höhe des Bearbeitungsmaterials 7 nicht in den geeigneten Bereich für das Bearbeitungsmaterial 7 fällt, der einem Abschnitt entspricht, in dem der Stapelvorgang dieses Mal durchgeführt werden soll. Darüber hinaus ist die Höhe des Baugegenstands 4 abhängig von der Position möglicherweise nicht konstant.
Auch wenn die Höhe der zweiten Schicht innerhalb von ha±α liegt, was der geeignete Höhenbereich ist, wird, wenn die Bearbeitung mehrmals durchgeführt wird und eine n-te Schicht (n≥2) bearbeitet wird, ein Stapelfehler „n“ Mal addiert, sodass die Höhe möglicherweise nicht innerhalb von ha±α liegt, was der geeignete Höhenbereich ist.
Daher wird bei der vorliegenden Ausführungsform die Höhe des bereits gebildeten Baugegenstands 4 während der Bearbeitung gemessen und die Bearbeitungsbedingung auf der Grundlage des Messergebnisses gesteuert. Durch das Messen der Höhe des bereits gebildeten Baugegenstands 4 während der Bearbeitung können sowohl die additive Bearbeitung als auch die Messung der Höhe des bereits gebildeten Baugegenstands 4 durchgeführt werden, während die Abtastung des Bearbeitungspfads für die additive Bearbeitung einer Schicht ein Mal durchgeführt wird, wodurch die additive Bearbeitung effizient durchgeführt werden kann.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 6 und 7 ein Höhenmessvorgang beschrieben, bei dem das Lichtschnittverfahren verwendet wird, um eine Wulsthöhe nach der Bearbeitung unter Verwendung der Höhe des bereits gebildeten Baugegenstands 4 zu messen, um das Bearbeitungsmaterial 7 auf einer geeigneten Höhe in Bezug auf den bereits gebildeten Baugegenstand 4 zu halten.
6 ist eine Seitenansicht eines Zustands, in dem die Bearbeitung unter Verwendung der Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 der vorliegenden Ausführungsform durchgeführt wird, die aus der Y-Richtung betrachtet wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden die Linienstrahlen 41 und 42 von der Messbeleuchtungseinheit 8 projiziert.
6 zeigt einen Zustand, in dem ein Wulst derart gebildet wird, dass er sich in -X-Richtung erstreckt, d. h. in einer Richtung, die einer Zufuhrposition des Bearbeitungsmaterials 7 in Bezug auf eine optische Achse CL des Bearbeitungslichts 30 entgegengesetzt ist.
7 zeigt einen Zustand, in dem die Linienstrahlen 41 und 42 von der in X-Richtung betrachteten Messbeleuchtungseinheit 8 projiziert werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Messbeleuchtungseinheit 8, wie in 6 dargestellt, in einer Richtung installiert, die einer Zufuhrrichtung des Bearbeitungsmaterials 7 der Bearbeitungsmaterial-Zufuhreinheit 10 in Bezug auf die optische Achse CL des Bearbeitungslichts 30 entgegengesetzt ist. Darüber hinaus wird, wie in 7 dargestellt, davon ausgegangen, dass die Messbeleuchtungseinheit 8 auf der X-Achse installiert ist.
In 6 wird die Höhe des Baugegenstands 4 in Bezug auf die obere Oberfläche des Werkstücks 3 mit ΔZ bezeichnet, und der Einstrahlungswinkel der Linienstrahlen 41 und 42 wird mit θ bezeichnet.
Wenn ΔX eine Differenz zwischen einer Einstrahlungsposition der Linienstrahlen 41 und 42 auf der oberen Oberfläche des Werkstücks 3 und einer Einstrahlungsposition L der Linienstrahlen 41 und 42 auf dem Baugegenstand 4 ist, wird ΔX durch ΔX=ΔZ×tanθ dargestellt. Bei der vorliegenden Ausführungsform entspricht die optische Achse des Lichtempfangs-Optiksystems einer vertikalen Richtung, die koaxial mit der optischen Achse CL des Bearbeitungslichts 30 ist, sodass die optischen Achsen der Linienstrahlen 41 und 42 in Bezug auf die optische Achse des Lichtempfangs-Optiksystems um θ geneigt sind.
Wie oben beschrieben, tritt in dem Fall, in dem die Messbeleuchtungseinheit 8 in -X-Richtung in Bezug auf das Lichtempfangs-Optiksystem installiert ist und die Linienstrahlen 41 und 42 so ausgesendet werden, dass sie in Bezug auf die optische Achse des Lichtempfangs-Optiksystems in der XZ-Ebene um θ geneigt sind, bei der Höhenveränderung in der X-Richtung unabhängig von der Messposition innerhalb des Winkelbereichs von ±90 Grad, der auf die Richtung zentriert ist, die der +X-Richtung, d. h. der Richtung, in der das Bearbeitungsmaterial 7 zugeführt wird, entgegengesetzt ist, eine Verschiebung der Projektionspositionen der Linienstrahlen 41 und 42 auf.
Ein Pfeil F zeigt einen Zustand an, in dem sich die Antriebsplattform 6, auf der das Werkstück 3 angeordnet ist, in der +X-Richtung bewegt.
Zudem ist in 6 die Position zur Messung der Höhe des bereits gebildeten Baugegenstands 4 eine Position, die in Bezug auf die Bearbeitungsposition in -X-Richtung verschoben ist. Wie in 6 dargestellt, bewegt sich, wenn die Antriebsplattform 6 in +X-Richtung abgetastet wird, die Bearbeitungsposition auf dem Werkstück 3 in -X-Richtung, wodurch der Baugegenstand 4, der eine lineare Form aufweist, derart hergestellt werden kann, dass er sich in -X-Richtung erstreckt.
Ein Bereich, in dem die Bearbeitungsposition bei der additiven Bearbeitung mit dem auf dem Werkstück 3 geschmolzenen Bearbeitungsmaterial 7 mit dem Bearbeitungslicht 30 bestrahlt wird, wird als Schmelze 31 bezeichnet. In 6 ist der Baugegenstand 4 bereits auf dem Werkstück 3 gebildet, und die Schmelze 31, d. h. der Bereich, in dem das Bearbeitungsmaterial 7 geschmolzen ist, befindet sich auf dem Baugegenstand 4.
Es wird davon ausgegangen, dass sich ein Rand der Schmelze 31 an einer Position befindet, die mit einem Abstand W von der optischen Achse CL des Bearbeitungslichts 30, d. h. von der Mitte der Bearbeitungsposition, entfernt ist. Außerdem wird davon ausgegangen, dass sich ein Hochtemperaturabschnitt 32, in dem der Wulst eine hohe Temperatur aufweist und nicht ausreichend verfestigt ist, an einer Position befindet, die mit einem Abstand U vom Rand der Schmelze 31 entfernt ist.
Darüber hinaus entspricht bei der vorliegenden Ausführungsform die optische Achse CL des Bearbeitungslichts 30 der optischen Achse des Lichtempfangs-Optiksystems.
Die Umgebung der Schmelze 31 an der Bearbeitungsposition weist eine hohe Temperatur auf, und wenn die Antriebsplattform 6 in +X-Richtung bewegt wird, wird die Schmelze 31 auf natürliche Weise gekühlt. Indessen wird der Hochtemperaturabschnitt 32 nach der Bearbeitung in der +X-Richtung an der Außenseite der Schmelze 31 erzeugt, wobei er sich nach Ablauf einer ausreichenden Zeit zu einer bestimmten Form als Wulst des Bearbeitungsmaterials 7 verfestigt. Der Baugegenstand 4 wird durch Stapeln des Wulstes gebildet.
Die Richtung, in der sich die Bearbeitungsposition auf dem Werkstück 3 bewegt, gibt eine Richtung entlang des Bewegungspfads der Bearbeitungsposition an. Der Hochtemperaturabschnitt 32 wird in einer Richtung erzeugt, die der Richtung entgegengesetzt ist, in der sich die Bearbeitungsposition auf dem Werkstück 3 bewegt.
Im Fall von 6 wird, da sich die Bearbeitungsposition auf dem Werkstück 3 in -X-Richtung bewegt, der Hochtemperaturabschnitt 32 in +X-Richtung in Bezug auf die Bearbeitungsposition erzeugt. Andererseits wird die Höhe des bereits gebildeten Baugegenstands 4 an einer Position in -X-Richtung gemessen, bei der es sich um die gleiche Richtung wie die Richtung handelt, in der sich die Bearbeitungsposition auf dem Werkstück 3 bewegt.
In der Schmelze 31 wird das Bearbeitungsmaterial 7 geschmolzen, was die Genauigkeit der Messung der Höhe des bereits gebildeten Baugegenstands 4 verringert. Da die Schmelze 31 eine Temperatur aufweist, die hoch genug ist, das metallische Bearbeitungsmaterial 7 zu schmelzen, wird darüber hinaus Wärmestrahlungslicht mit sehr hoher Helligkeit erzeugt, das die Höhenmessung stören kann. Daher ist es wünschenswert, dass sich die Messposition an einer Position befindet, die wenigstens W oder mehr von der Mitte der Bearbeitungsposition entfernt ist. D. h. es ist wünschenswert, dass sich die Messposition nicht mit der Schmelze 31 überlappt.
Wenn die Messposition in der Schmelze 31 festgelegt wird, besteht darüber hinaus die Möglichkeit, dass die Messbeleuchtung nicht ausreichend reflektiert wird und eine Beleuchtungsstärkeverteilung an dem Wulst nicht gemessen werden kann, da der Wulst nicht vollständig verfestigt ist und sich in einem flüssigen Zustand befindet. Da darüber hinaus das Schmelzen in Abhängigkeit von der Messposition unterschiedlich verläuft, kommt es zu einem Messfehler der Wulsthöhe in Bezug auf die Messposition. Aufgrund der thermischen Kontraktion des Metalls kommt es zu einem Fehler zwischen einem Zustand nach der Verfestigung und einem geschmolzenen Zustand.
Indem, wie oben beschrieben, die Messposition von der Schmelze 31 entfernt festgelegt wird, ist es daher möglich, das Wärmestrahlungslicht von der Bearbeitungsposition und dem reflektierten Licht der Linienstrahlen 41 und 42 zu trennen.
In einem Fall, in dem eine ausreichende Messgenauigkeit für die geforderte Formungsgenauigkeit des Baugegenstands 4 erzielt werden kann, kann jedoch die Umgebung der Bearbeitungsposition, wie z. B. der Bereich auf der Schmelze 31 oder der Hochtemperaturabschnitt 32, gemessen werden.
Da die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 der vorliegenden Ausführungsform die Messung in der Bewegungsrichtung der Bearbeitungsposition in Bezug auf die Bearbeitungsposition durchführt, kann die Höhe des Baugegenstands 4 mit hoher Genauigkeit gemessen werden, ohne durch den im Hochtemperaturabschnitt 32 geschmolzenen Wulst beeinflusst zu werden, solang die Messposition vom Rand der Schmelze 31 entfernt ist.
6 zeigt hier den Fall, in dem der Wulst derart gebildet wird, dass er sich in der -X-Richtung erstreckt, d. h. in der Richtung entgegengesetzt zur Bearbeitungsmaterial-Zufuhreinheit 10, der Wulst kann jedoch auch derart gebildet werden, dass er sich in der +X-Richtung erstreckt, d. h. in der gleichen Richtung wie die Bearbeitungsmaterial-Zufuhreinheit 10.
8 zeigt als nächstes eine Seitenansicht eines Zustands, in dem die Bearbeitung derart durchgeführt wird, dass sich ein Wulst in +X-Richtung erstreckt, wobei die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, die aus der Y-Richtung betrachtet wird.
In 8 ist die Position zur Messung der Höhe des bereits gebildeten Baugegenstands 4 eine Position, die in Bezug auf die Bearbeitungsposition in -X-Richtung verschoben ist. Der Hochtemperaturabschnitt 32 liegt innerhalb eines Abstands W+U von der Mitte der Bearbeitungsposition in -X-Richtung in Bezug auf die Bearbeitungsposition. In dem Hochtemperaturabschnitt 32 ist der Wulst nicht vollständig verfestigt, sodass die Genauigkeit der Messung der Höhe des Baugegenstands 4 verringert ist.
Daher wird in dem Fall, dass die Höhe an der Position gemessen wird, die in Bezug auf die Bearbeitungsposition in -X-Richtung verschoben ist, die Einstrahlungsposition L der Linienstrahlen 41 und 42 auf dem Baugegenstand 4 auf stärker bevorzugte Weise auf eine Position eingestellt, die von der Mitte der Bearbeitungsposition wenigstens mit dem Abstand W+U oder mehr entfernt ist. D. h. es wird stärker bevorzugt, dass die Messposition, an der die Höhe gemessen wird, eine Position außerhalb des Bereichs ist, in dem das Bearbeitungsmaterial 7 bei der Bearbeitung geschmolzen wird. In einem Fall, in dem eine ausreichende Messgenauigkeit für die geforderte Formgenauigkeit des Baugegenstands erzielt werden kann, kann jedoch die Umgebung der Bearbeitungsposition gemessen werden.
Wie in 8 dargestellt, ist auch in dem Fall, dass die Messposition in Bezug auf die Bearbeitungsposition in der gleichen Richtung liegt wie die Richtung, in der der Hochtemperaturabschnitt 32 erzeugt wird, der Wulst ausreichend verfestigt, wenn die Einstrahlungsposition L der Linienstrahlen 41 und 42 auf dem Baugegenstand 4 ausreichend weit von der Bearbeitungsposition entfernt ist.
In einem Fall, in dem die Einstrahlungswinkel der Linienstrahlen 41 und 42 fix sind, ist es jedoch notwendig, die Messbeleuchtungseinheit 8 und das Lichtempfangs-Optiksystem an Positionen zu installieren, die vom Bearbeitungskopf 2 entfernt sind, was zu einer Zunahme der Größe der Vorrichtung führt.
Außerdem muss die Vergrößerung des Lichtempfangs-Optiksystems so bestimmt werden, dass das Sichtfeld so vergrößert wird, dass die Linienstrahlen 41 und 42 in einen Abbildungsbereich des Lichtempfängers 16 eintreten, was das Problem mit sich bringt, dass die Auflösung pro Pixel des Lichtempfängers 16 reduziert ist. Es ist auch möglich, dass die Messung mit einer Konfiguration, bei der der Bearbeitungskopf 2 und die Messbeleuchtungseinheit 8 integriert sind, nicht durchgeführt werden kann.
Wenn die Höhenmessposition von der Bearbeitungsposition aus gesehen in der Richtung eingestellt wird, in der sich die Bearbeitungsposition auf dem Werkstück 3 bewegt, d. h. in der Bewegungsrichtung des Bearbeitungspfads, kann die Höhe an einer Position in der Nähe der Bearbeitungsposition gemessen werden. Wie in 6 dargestellt, kann daher dadurch, dass die Messposition in der Richtung eingestellt wird, die in Bezug auf die Bearbeitungsposition der Richtung entgegengesetzt ist, in der der Hochtemperaturabschnitt 32 erzeugt wird, die Messung an einer Position in der Nähe der Bearbeitungsposition durchgeführt werden, ohne von dem Wulst beeinflusst zu werden, der eine hohe Temperatur aufweist und geschmolzen ist, ohne sich verfestigt zu haben.
Bei der Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 der vorliegenden Ausführungsform werden die Linienstrahlen 41 und 42, wie in 6 dargestellt, von der Bearbeitungsposition aus gesehen in der Bewegungsrichtung des Bearbeitungspfads ausgesendet, es kann jedoch auch die Konfiguration von 8 verwendet werden.
9 ist ein Diagramm einer XY-Ebene der Linienstrahlen 41 und 42, die durch die bei der vorliegenden Ausführungsform verwendete Messbeleuchtungseinheit 8 auf das ebene Werkstück 3 projiziert werden. In 9 ist die Mitte der Bearbeitungsposition auf einen Schnittpunkt einer XO-Achse und einer Y0-Achse eingestellt, und die Richtung, in der das Bearbeitungsmaterial 7 zugeführt wird, d. h. die Richtung, in der das Bearbeitungsmaterial von der Bearbeitungsposition aus gesehen liegt, ist auf eine +X0-Richtung eingestellt. Die Beschreibung erfolgt anhand von 9, in der die +X0-Richtung auf eine 0-Grad-Richtung eingestellt ist, eine +Y0-Richtung auf 90 Grad eingestellt ist, eine -X0-Richtung, bei der es sich um eine Richtung handelt, die entgegengesetzt zu der Richtung ist, in der das Bearbeitungsmaterial 7 zugeführt wird, auf 180 Grad eingestellt ist und eine -YO-Richtung auf eine 270-Grad-Richtung eingestellt ist.
Der Linienstrahl 41 wird so projiziert, dass seine Längsrichtung ausgehend von der X-Achse in Bezug auf die optische Achse des Linienstrahls 41 der Messbeleuchtungseinheit 8 um φ gedreht ist, sodass er die -X0-Richtung und die +Y0-Richtung in Bezug auf die Bearbeitungsposition kreuzt. Die Länge des Linienstrahls 41 bezieht sich auf die Länge des auf einen Zielgegenstand projizierten Strahls und nicht auf die Einstrahlungsbreite, bei der es sich um die Dicke handelt, wenn der Linienstrahl 41 projiziert wird.
Der Linienstrahl 42 wird so projiziert, dass seine Längsrichtung ausgehend von der X-Achse in Bezug auf die optische Achse des Linienstrahls 42 der Messbeleuchtungseinheit 8 um -φ gedreht ist, sodass er die -X0-Richtung und die -YO-Richtung in Bezug auf die Bearbeitungsposition kreuzt.
In 9 schneiden sich die Linienstrahlen 41 und 42 auf der -X0-Achse, sie müssen sich aber nicht unbedingt schneiden. So kann zum Beispiel eine der Linien gekrümmt sein.
D. h. es ist ausreichend, dass die Linienstrahlen in einem Winkelbereich von wenigstens ±90 Grad bezogen auf die -X0-Richtung kontinuierlich ausgesendet werden, wobei es sich dabei um einen Bereich handelt, der in 9 durch BA dargestellt wird, wobei die optische Achse CL des Bearbeitungslichts 30 die Mitte des Winkelbereichs bildet.
Wünschenswerterweise wird wie bei den Linienstrahlen 41 und 42 von 9 die Bestrahlung vorzugsweise in dem Bereich von wenigstens ±90 Grad oder mehr bezogen auf die -X-Richtung durchgeführt. Der Grund dafür ist der, dass in einem Fall, in dem zum Beispiel ein in den ±Y0-Richtungen gebildeter Wulst gemessen wird, die Genauigkeit der Ermittlung der Höhe des Baugegenstands 4 zunimmt, wenn die Linienstrahlen so ausgesendet werden, dass sie den Wulst kreuzen.
Darüber hinaus muss die Position, an der die Linienstrahlen 41 und 42 einander schneiden, nicht unbedingt auf der XO-Achse liegen, sondern sie muss lediglich innerhalb des Winkelbereichs von ±90 Grad in Bezug auf eine Richtung entgegengesetzt zur +X0-Richtung relativ zur optischen Achse CL des Bearbeitungslichts 30 liegen. Obwohl die Beträge der Drehung der Längsrichtung der Linienstrahlen 41 und 42 ausgehend von der XO-Achse hinsichtlich der Richtung unterschiedlich sind, aber den gleichen Wert von φ aufweisen, muss darüber hinaus der Wert nicht unbedingt der gleiche sein. D. h. die Linienstrahlen müssen lediglich innerhalb des Winkelbereichs von ±90 Grad bezogen auf die Richtung entgegengesetzt zur +X0-Richtung relativ zur optischen Achse CL des Bearbeitungslichts 30 ausgesendet werden.
Es ist ausreichend, dass die Linienstrahlen über den Winkelbereich von wenigstens ±90 Grad oder mehr bezogen auf die Richtung entgegengesetzt zur Zufuhrrichtung des Bearbeitungsmaterials 7 ausgesendet werden, wobei sich die optische Achse CL des Bearbeitungslichts 30 dazwischen befindet, sodass die Linienstrahlen 41 und 42 bei der vorliegenden Ausführungsform lineare Formen aufweisen, wobei sie jedoch nicht unbedingt linear sein müssen, d. h. sie können zum Beispiel gekrümmte Linien oder wellenförmige Linien sein.
Darüber hinaus ist, wie in 6 dargestellt, die Projektionsposition L des Linienstrahls in jeder Richtung wünschenswerterweise mit dem Abstand W von der Mitte der Bearbeitungsposition entfernt. Wenn sich die Messposition auf dem Baugegenstand in der -X0-Richtung und in den ±Y0-Richtungen beispielsweise in einem Abstand L1 von der Bearbeitungsposition befindet, ist es wünschenswert, dass ein Abstand L2 der Messposition von der Bearbeitungsposition in jeder von einer 135-Grad-Richtung (Mittelpunkt zwischen der +Y0-Richtung und der -X0-Richtung) und einer 225-Grad-Richtung (Mittelpunkt zwischen der -YO-Richtung und der -X0-Richtung), wo die Messposition der Bearbeitungsposition am nächsten liegt, gleich W oder mehr ist.
10 ist ein Diagramm einer XY-Ebene, wenn ein Wulst, der sich in der -X-Richtung und den ±Y-Richtungen erstreckt, mit den Linienstrahlen bestrahlt wird. Da sich die Höhe der auf den Wulst ausgesendeten Linienstrahlen von jener auf einem ebenen Abschnitt unterscheidet, werden die Einstrahlungspositionen der Linienstrahlen in der X-Richtung entsprechend der Höhe eines Gegenstands durch das Triangulationsprinzip verschoben.
11 ist ein Diagramm, das ein Bild zeigt, das auf dem Lichtempfangselement gebildet wird, wenn der Baugegenstand 4 mit den Linienstrahlen 41 und 42 gemäß der vorliegenden Ausführungsform bestrahlt wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine X-Richtungs-Pixel-Mittellinie 81 der Bearbeitungsposition auf die Mitte des Lichtempfangselements in X-Richtung eingestellt, und eine Sichtfeld-Mittellinie 80 wird auf die Mitte des Lichtempfangselements in Y-Richtung eingestellt, die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Darüber hinaus liegt die Messposition innerhalb des Sichtfelds des Lichtempfangselements.
Wie in 6 dargestellt, sind in der XZ-Ebene die optischen Achsen der Linienstrahlen 41 und 42 in Bezug auf die optische Achse CL des Bearbeitungslichts 30 des Lichtempfangs-Optiksystems um θ geneigt, wobei die optische Achse CL bei der vorliegenden Ausführungsform der vertikalen Richtung entspricht.
In einem Fall, in dem die Messung während der Bearbeitung durchgeführt wird, ist die Bearbeitungsposition ein lichtaussendender Punkt mit hoher Leuchtdichte, sodass ein Bild der Schmelze 31 in der Mitte des Bilds erscheint. In 11 ist die Mitte der Schmelze 31 auf die Bildmitte in X-Richtung eingestellt, und eine Breite W1 der Schmelze 31 auf dem Lichtempfangselement ist W1=M×W, wobei eine Vergrößerung M des Lichtempfangs-Optiksystems verwendet wird. Durch den Einbau des Bandpassfilters 14 in das Lichtempfangs-Optiksystem und die Einstellung einer ausreichend hohen Ausgangsleistung der Messbeleuchtungseinheit 8 kann die Höhe des Baugegenstands 4 ausgehend von der Projektionsposition der Linienstrahlen 41 und 42 auf dem Lichtempfangselement gemessen werden, ohne von der Lichtemission in der Schmelze 31 beeinflusst zu werden. Ferner entspricht die Projektionsposition der Linienstrahlen 41 und 42 in X-Richtung an einer Position, die der Bearbeitungsposition in Y-Richtung entspricht, der Höhe des Baugegenstands 4.
In 11 kann, wenn die Bearbeitung in der -X-Richtung erfolgt, die Höhe des Baugegenstands 4 ausgehend von der Projektionsposition der Linienstrahlen 41 und 42 auf der X-Achse berechnet werden.
Eine Pixelposition in X-Richtung, die bei der Höhenberechnung als Referenz für die Verschiebung des Schwerpunkts auf dem Lichtempfangselement dient, wird als Referenzpixelposition eingestellt. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Pixelposition in X-Richtung der Projektionsposition der Linienstrahlen 41 und 42 auf dem Lichtempfangselement, wenn das Lichtempfangs-Optiksystem auf die Brennpunktposition eingestellt ist, als Referenzpixelposition 60 festgelegt. Da die Linienstrahlen 41 und 42 bei der vorliegenden Ausführungsform in Bezug auf die X-Achse gedreht sind, ist die Referenzpixelposition 60 für jedes Pixel in Y-Richtung unterschiedlich. In 11 ist die Referenzpixelposition 60 beispielsweise die Projektionsposition der Linienstrahlen 41 und 42, die dem Brennpunkt des Lichtempfangs-Optiksystems entspricht, und sie ist eine Position, die von der Mitte der Pixel in X-Richtung 81 um L₁P entfernt ist.
Darüber hinaus ist bei der vorliegenden Ausführungsform die Referenzpixelposition 60 die Projektionsposition der Linienstrahlen 41 und 42 in X-Richtung, wenn die Einstellung auf den Brennpunkt des Lichtempfangs-Optiksystems erfolgt, sie kann jedoch beliebig festgelegt werden. Darüber hinaus werden die Brennpunkte der Linienstrahlen 41 und 42 wünschenswerterweise auf die gleiche Höhe wie der Brennpunkt des Lichtempfangs-Optiksystems eingestellt.
Wie oben beschrieben, variiert die Position des Lichtempfangselements in X-Richtung, die als Referenzpixelposition 60 dient, in Abhängigkeit von der Bearbeitungsrichtung, d. h. von der Position auf dem Lichtempfangselement in Y-Richtung. Daher ist es notwendig, die Messposition, d. h. die Position auf dem Lichtempfangselement in Y-Richtung, aus einer zukünftigen Bearbeitungsrichtung in Bezug auf die aktuelle Bearbeitungsposition zu berechnen.
Die Messpositions-Berechnungseinheit 50 berechnet somit die zukünftige Bearbeitungsrichtung in Bezug auf die aktuelle Bearbeitungsposition auf der Grundlage von Daten eines vorab eingestellten Bearbeitungspfads. Dadurch ist es möglich, die Position auf dem Lichtempfangselement in Y-Richtung zu berechnen, an der der Schwerpunkt berechnet wird.
Die zukünftige Bearbeitungsrichtung wird als Winkel auf der XY-Ebene in Bezug auf die Bearbeitungsposition ausgedrückt. In 11 ist die Bearbeitungsrichtung zum Beispiel eine 180-Grad-Richtung in Bezug auf die +X-Richtung. An einem Schnittpunkt der Projektionspositionen der Linienstrahlen 41 und 42 auf dem Lichtempfangselement und einer Bearbeitungsrichtung P fällt bei einer Einstellung auf den Brennpunkt des Lichtempfangs-Optiksystems die Position in Y-Richtung mit der Position der Sichtfeldmitte 80 zusammen, d. h. sie ist auf der X-Achse die gleiche wie die Bearbeitungsposition, wodurch die Höhe des Baugegenstands 4 berechnet werden kann, indem die Schwerpunktposition in X-Richtung für die Sichtfeldmitte 80 in Y-Richtung berechnet wird und eine Differenz zwischen der berechneten Position und der Referenzpixelposition 60 ermittelt wird.
Ausgehend von einer Differenz zwischen der Höhe des Baugegenstands 4 und der Referenzpixelposition 60 werden die Einstrahlungspositionen der Linienstrahlen 41 und 42 so projiziert, dass sie um ΔX1 verschoben sind, wobei ΔX1=M×ΔX.
Unter der Annahme, dass „p“ die Größe eines Pixels des Lichtempfängers 16 ist, wird eine Höhenverschiebung ΔZ1 pro Pixel als ΔZ1=p×tanθ/M ausgedrückt. Wenn zum Beispiel gilt: p=5,5 µm, M=1/2 und θ=72 deg, so beträgt die Höhenverschiebung ΔZ1=33,8 µm.
Auf diese Weise kann die Höhe des Baugegenstands 4 durch das Triangulationsprinzip auf Basis der in dem Lichtempfänger 16 gebildeten Projektionspositionen der Linienstrahlen 41 und 42 berechnet werden.
Darüber hinaus wird in einem Fall, in dem die additive Bearbeitung für eine Vielzahl von Schichten durchgeführt wird, die Antriebsplattform 6 jedes Mal, wenn eine Schicht aufgestapelt wird, um einen bestimmten Betrag in Z-Richtung angehoben, sodass die Höhen des Bearbeitungskopfs 2 und eines Höhensensors in Bezug auf die obere Oberfläche des Werkstücks 3 angehoben werden. D. h. die Brennpunktposition des Höhensensors wird ebenfalls angehoben, wenn die Antriebsplattform 6 angehoben wird. Dadurch erhöht sich auch die Höhe in Z-Richtung, die die Referenzpixelposition 60 sein soll.
Indem wie oben beschrieben die Berechnung der Differenz zur Referenzpixelposition 60 wiederholt wird, kann, auch wenn die Höhe des Baugegenstands 4 in Bezug auf die obere Oberfläche des Werkstücks 3 zunimmt und das von der oberen Oberfläche des Werkstücks 3 reflektierte Licht der Linienstrahlen 41 und 42 nicht empfangen werden kann, die Höhe des Baugegenstands 4 aus einem Integralwert des bisherigen Betrags des Anstiegs in Richtung der Z-Achse und der Differenz zwischen den Einstrahlungspositionen der von der oberen Oberfläche des Baugegenstands 4 reflektierten Linienstrahlen 41 und 42 im Sichtfeld auf dem Lichtempfangselement und der Referenzpixelposition 60 berechnet werden.
Wenn „D“ ein Bereich der zu messenden Höhe in Bezug auf die Höhe des Brennpunkts des Lichtempfangs-Optiksystems ist, wird ein Betrag der Bewegung S der Linienstrahlen 41 und 42 in Bezug auf den Abstand D durch S=D×M/tanθ dargestellt, sodass es wünschenswert ist, die Anzahl der Pixel N in der X-Richtung des Lichtempfangselements so zu gestalten, dass das Sichtfeld W+S in Bezug auf den Abstand W von der Bildmitte zum Rand der Schmelze 31 mindestens als Lichtempfangs-Optiksystem gesichert werden kann.
Als nächstes wird im Rahmen der vorliegenden Ausführungsform als ein anderes Beispiel als der Fall, in dem die Formung in der Richtung parallel zur Zufuhrrichtung des Bearbeitungsmaterials 7 durchgeführt wird, ein Fall beschrieben, in dem die Formung in der +Y-Richtung durchgeführt wird. 12 zeigt ein Bild auf dem Lichtempfangselement, wenn die Bearbeitung in der +Y-Richtung durchgeführt wird. Die Linienstrahlen werden in einem Winkelbereich von wenigstens ±90 Grad bezogen auf die -X-Richtung kontinuierlich ausgesendet, wobei es sich dabei um einen Bereich handelt, der in 12 durch BA dargestellt wird, wobei die optische Achse CL des Bearbeitungslichts 30 die Mitte des Drehwinkelbereichs bildet. Dadurch kann die Höhe des Baugegenstands 4 gemessen werden, auch wenn die Formung in einer anderen Richtung als der -X-Richtung, wie dies in 11 der Fall ist, durchgeführt wird.
Darüber hinaus zeigt 13 ein Bild auf dem Lichtempfangselement, wenn eine X-Plattform und eine Y-Plattform gleichzeitig bewegt werden, um die Formung in einer schrägen Richtung, wie zum Beispiel in der 135-Grad-Richtung in Bezug auf die +X-Richtung, durchzuführen.
Da in 12 die Bearbeitung in der +Y-Richtung durchgeführt wird, liegt der Schnittpunkt der Projektionspositionen der Linienstrahlen 41 und 42 auf dem Lichtempfangselement und der Bearbeitungsrichtung P bei einer Einstellung auf den Brennpunkt des Lichtempfangs-Optiksystems in der 90-Grad-Richtung in Bezug auf die +X-Richtung, und die Referenzpixelposition 60 auf dem Lichtempfangselement liegt in der +Y-Richtung ausgehend von der Bearbeitungsposition. Daher befindet sich das als Referenzpixelposition 60 verwendete Pixel in Y-Richtung an einer Position, die von der Mitte des Sichtfelds um L₁P in +Y-Richtung entfernt ist, und wenn ΔX2 eine Differenz zwischen der Projektionsposition des Linienstrahls 41 in X-Richtung und der Referenzpixelposition 60 ist, kann die Höhe des Baugegenstands 4 aus ΔX2 berechnet werden.
Da darüber hinaus in 13 die X-Plattform und die Y-Plattform gleichzeitig bewegt werden, um eine Formung in der 135-Grad-Richtung in Bezug auf die +X-Richtung durchzuführen, liegt der Schnittpunkt zwischen den Projektionspositionen der Linienstrahlen 41 und 42 auf dem Lichtempfangselement und der Bearbeitungsrichtung P bei einer Einstellung auf den Brennpunkt des Lichtempfangs-Optiksystems an der Position, die von der Mitte des Sichtfelds um L₂P in Y-Richtung entfernt ist, und wenn ΔX3 eine Differenz zwischen der Projektionsposition des Linienstrahls 41 in X-Richtung und der Referenzpixelposition 60 ist, kann die Höhe des Baugegenstands 4 aus ΔX3 berechnet werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wurde der Bereich von 90 Grad bis 180 Grad auf der oberen Seite in Bezug auf die X-Achse beschrieben, die Höhe des Baugegenstands 4 kann jedoch auf ähnliche Weise für 180 Grad bis 270 Grad auf der unteren Seite in Bezug auf die X-Achse berechnet werden.
Da wie oben beschrieben die Höhe des Baugegenstands 4 unabhängig von der Bearbeitungsrichtung aus der Differenz zwischen den Projektionspositionen der Linienstrahlen 41 und 42 in X-Richtung und der Referenzpixelposition 60 berechnet werden kann, ist es nicht notwendig, die Richtung der Schwerpunktberechnung für jede Bearbeitungsrichtung zu ändern. Auch wenn die Messposition verändert wird, muss die Schwerpunktposition der Linienstrahlen auf dem Lichtempfangselement nur in der X-Richtung berechnet werden, sodass die Höhenberechnungsverarbeitung einfach ist.
Als Höhe des Baugegenstands 4 kann ein Wert verwendet werden, der auf Basis eines Pixels in Y-Richtung berechnet wird, oder es kann ein Durchschnitt einer Vielzahl von Pixeln verwendet werden. Im Fall der Verwendung einer Vielzahl von Pixeln kann die Höhe des Baugegenstands 4 berechnet werden, indem eine Differenz zwischen der Referenzpixelposition 60, die vorab für jede Y-Richtung festgelegt wurde, und der berechneten Schwerpunktposition berechnet wird und indem ein Durchschnitt davon berechnet wird.
Die Einstrahlungspositionen der Linienstrahlen 41 und 42 werden typischerweise aus der Schwerpunktposition der Projektionsmuster der Linienstrahlen 41 und 42 in X-Richtung berechnet.
Die Berechnungseinheit 51 berechnet eine Ausgabe in X-Richtung für jedes Pixel in Y-Richtung und berechnet die Schwerpunktposition aus einer Querschnittsintensitätsverteilung der Linienstrahlen 41 und 42.
Das Verfahren zur Berechnung der Einstrahlungspositionen der Linienstrahlen 41 und 42 ist nicht auf die Berechnung der Schwerpunktposition beschränkt, sondern wird je nach Bedarf ausgewählt, wie z. B. eine Berechnung einer Spitzenposition der Lichtmenge.
Die Einstrahlungsbreiten der Linienstrahlen 41 und 42 müssen für die Berechnung der Einstrahlungspositionen ausreichend groß sein.
Im Fall der Schwerpunktberechnung kann der Schwerpunkt beispielsweise nicht berechnet werden, wenn die Einstrahlungsbreiten zu gering sind; wenn die Einstrahlungsbreiten hingegen zu groß sind, ist es wahrscheinlich, dass ein Fehler aufgrund des Einflusses einer Veränderung der Intensitätsmuster der Linienstrahlen 41 und 42 auftritt. Daher beträgt die Einstrahlungsbreite wünschenswerterweise etwa 5 bis 10 Pixel.
Wie oben beschrieben, wird die Schwerpunktposition in X-Richtung für jedes Pixel in der Y-Richtung des Bilds berechnet, und das Ergebnis wird in die Höhe umgerechnet, um eine Querschnittsverteilung der Höhe des Baugegenstands 4 in der Breitenrichtung des Baugegenstands 4 messen zu können.
Es ist jedoch nicht notwendig, die Höhe zu berechnen, indem der Schwerpunkt für alle Pixel in der Y-Richtung der projizierten Linienstrahlen berechnet wird. Wenn zum Beispiel nur die aus dem Bearbeitungspfad berechnete Messposition genügt, ist es möglich, nur einen Bereich der Y-Richtungs-Position der Messposition zu verwenden.
In der Beschreibung der vorliegenden Ausführungsform liegt die Messbeleuchtungseinheit 8 auf der -X-Achse, sie muss jedoch nicht unbedingt auf der -X-Achse liegen. Es gibt keine Einschränkungen bezüglich der Einbauposition, solang die Linienstrahlen 41 und 42 der Messbeleuchtungseinheit 8 so ausgesendet werden, dass ihre optischen Achsen gegenüber der optische Achse CL des Bearbeitungslichts 30 des Lichtempfangs-Optiksystems geneigt sind.
Im Fall der Konfiguration, bei der das Bearbeitungsmaterial 7 von der seitlichen Oberfläche des Bearbeitungskopfs 2 zugeführt wird, wie dies bei der vorliegenden Ausführungsform der Fall ist, befindet sich die Einbauposition wünschenswerterweise im Bereich zwischen der -Y-Richtung, der -X-Richtung und der +Y-Richtung, d.h. in einer Richtung von ±90 Grad bezogen auf die Richtung, die der Richtung entgegengesetzt ist, in der das Bearbeitungsmaterial 7 zugeführt wird, d. h. im Bereich von 90 bis 270 Grad. Der Bereich kann jedoch auch größer sein.
Darüber hinaus können, obwohl die Messbeleuchtungseinheit 8 so beschrieben wurde, dass sie die Linienstrahlen 41 und 42 von einer einzigen Beleuchtungseinrichtung aussendet, zwei Beleuchtungseinrichtungen nahe beieinander angeordnet sein, um jeweils den Linienstrahl auszusenden, oder es ist möglich, eine Beleuchtungseinrichtung und ein optisches Element wie z. B. ein Hologrammelement zu verwenden, um eine Strahlform zu erzeugen.
14 ist ein Fließdiagramm, das ein Verfahren zur Steuerung der Höhe des Baugegenstands 4 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. In 14 wird ein Fall des Formens eines gestapelten Gegenstands mit „n“ Schichten dargestellt.
Zunächst wird im Schritt S11 die additive Bearbeitung einer ersten Schicht gestartet. Da es sich bei dem Werkstück 3 um die Grundplatte handelt, die bei der additiven Bearbeitung der ersten Schicht eine ebene obere Oberfläche ohne Wulst an der Messposition aufweist, ist es nicht notwendig, die Höhe des Baugegenstands 4 zu messen, sodass in 14 der Schritt des Messens der Höhe entfällt. Wenn jedoch zum Beispiel ein Wulst auf den Baugegenstand 4 gestapelt wird oder wenn die Grundplatte verformt ist, kann die Höhe des Baugegenstands 4 ausgehend von der ersten Schicht gemessen werden, um die additive Bearbeitung exakt durchzuführen.
Im Schritt 12 hebt die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 die Antriebsplattform 6 in Z-Richtung an, um nach Abschluss der additiven Bearbeitung der ersten Schicht die additive Bearbeitung einer zweiten Schicht durchzuführen.
Im Schritt 13 startet die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 die additive Bearbeitung der zweiten Schicht.
Im Schritt 14 berechnet die Messpositions-Berechnungseinheit die Position in Y-Richtung auf dem Lichtempfangselement, die einen Messpunkt darstellen soll.
Im Schritt 15 wird beim Start der additiven Bearbeitung die Höhe des Baugegenstands 4 anhand einer Differenz zwischen den Projektionspositionen der Linienstrahlen 41 und 42 und der Referenzpixelposition gemessen.
Im Schritt 16 wird ein Ergebnis der Messung der Höhe des Baugegenstands 4 für die Messposition gespeichert.
Im Schritt 17 wird, wenn die nächste Bearbeitung an der gemessenen Position des Baugegenstands 4 durchgeführt wird, eine Bearbeitungssteuerung unter Verwendung des im Schritt S16 gespeicherten Messergebnisses durchgeführt. Das Intervall, in dem die Höhe des Baugegenstands 4 im Schritt S15 gemessen werden kann, wird durch die Bildfrequenz eines Bildsensors, der als Lichtempfangselement in dem Lichtempfänger 16 verwendet wird, und durch die Abtastgeschwindigkeit für die Bearbeitungsposition bestimmt. Wenn die Bildfrequenz zum Beispiel F [fps] ist und die Geschwindigkeit der Bewegung der Antriebsplattform 6 v [mm/s] ist, ist ein Messintervall A [mm] der Höhe des Baugegenstands 4 in der Abtastrichtung der Bearbeitungsposition A=v/F. Wenn „L“ der Abstand von der Bearbeitungsposition zur Messposition ist, dient daher ein Messergebnis, das L/A Perioden zuvor erhalten wurde, als Messergebnis, das der aktuellen Bearbeitungsposition entspricht.
Da in der Praxis die Position der Plattform an der Bearbeitungsposition und die Messposition miteinander verknüpft sind, ist es möglich, sich auf das Messergebnis der aktuellen Bearbeitungsposition zu beziehen. D. h. wenn eine n-te Schicht bearbeitet wird, wird die Höhe des gestapelten Gegenstands einer (n-1)-ten Schicht an einer bestimmten Messposition gemessen, und nach L/A Perioden ab dieser Messung wird das Messergebnis, das die Bearbeitungsposition darstellt, verwendet, um eine optimale Bearbeitungssteuerung durchzuführen.
Im Schritt S17 steuert die Steuerungseinheit 52 die Bearbeitungsbedingung für das erneute Stapeln einer Schicht an der Messposition entsprechend dem Messergebnis.
Schließlich bestimmt die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 im Schritt S18, ob das Formen der n Schichten abgeschlossen ist oder nicht.
Im Fall von „nein“ im Schritt S18, d. h. wenn das Formen der n Schichten nicht abgeschlossen ist, kehrt die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 zur Verarbeitung von Schritt S2 zurück. Im Fall von „ja“ im Schritt S8, d. h. wenn das Formen der n Schichten abgeschlossen ist, beendet die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 die additive Bearbeitung.
Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 wiederholt die Verarbeitung der Schritte S12 bis S18, um durch die Stapelbearbeitung den Baugegenstand 4 mit einer frei gewählten Form erhalten zu können.
15 ist ein Diagramm, das die Höhe der Bearbeitungsmaterial-Zufuhreinheit 10 zeigt, wenn die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 die zweite Schicht bearbeitet. In 15 wird eine Ziel-Stapelhöhe des in der ersten Schicht gebildeten Baugegenstands 4 mit T0 bezeichnet. Die obere Oberfläche des Werkstücks 3 wird als Referenz für die Höhe verwendet. Im Bereich I wird die Stapelhöhe des in der ersten Schicht gebildeten Baugegenstands 4 mit T1 bezeichnet. Auf ähnliche Weise wird im Bereich II und im Bereich III die Höhe des in der ersten Schicht gebildeten Baugegenstands 4 mit T2 bzw. T3 bezeichnet. Ein Verfahren der Bearbeitungssteuerung wird unter Bezugnahme auf 15 beschrieben.
In einem Abschnitt (a) von 15 wird davon ausgegangen, dass im Bereich I die Stapelhöhe T1 des in der ersten Schicht gebildeten Baugegenstands 4 gleich der Ziel-Stapelhöhe T0 ist, d. h. T1=T0. Im Bereich II wird davon ausgegangen, dass die Stapelhöhe T2 des in der ersten Schicht gebildeten Baugegenstands 4 größer als die Ziel-Stapelhöhe T0 ist, d. h. T2>T0. Im Bereich III wird davon ausgegangen, dass die Stapelhöhe T2 des in der ersten Schicht gebildeten Baugegenstands 4 kleiner als die Ziel-Stapelhöhe T0 ist, d. h. T3<T0.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Einfachheit halber davon ausgegangen, dass der Baugegenstand 4 so bearbeitet werden kann, dass er die Ziel-Stapelhöhe aufweist, wenn die Höhe der zu formenden Oberfläche des Baugegenstands 4 gleich der Höhe der Spitze des Bearbeitungsmaterials 7 ist, wie dies in 15 der Fall ist. D. h. wenn die Stapelhöhe T1 des in der ersten Schicht gebildeten Baugegenstands 4 gleich der Ziel-Stapelhöhe T0 ist, d. h. wenn T1=T0, wird davon ausgegangen, dass die Höhe der Spitze des Bearbeitungsmaterials 7 zum Stapeln der zweiten Schicht, sodass diese die Ziel-Stapelhöhe T0 aufweist, gleich der Ziel-Stapelhöhe T0 des Baugegenstands 4 der ersten Schicht ist, sie muss aber nicht gleich sein.
Nun wird die Bearbeitungsbedingung zum Ändern einer Stapelmenge unter Bezugnahme auf einen Abschnitt (b) von 15 beschrieben.
Bei der Bearbeitungsbedingung zum Ändern der Stapelmenge handelt es sich zum Beispiel um einen Parameter wie z. B. die Ausgangsleistung des Bearbeitungslasers, eine Vorschubgeschwindigkeit des Bearbeitungsmaterials 7 oder eine Vorschubgeschwindigkeit der Plattform.
Im Rahmen der vorliegenden Ausführungsform wird ein Fall beschrieben, in dem die Vorschubgeschwindigkeit des Bearbeitungsmaterials 7 gesteuert wird.
Wenn die Vorschubgeschwindigkeit des Bearbeitungsmaterials 7 gesteuert wird, kann die Menge der Zufuhr des Bearbeitungsmaterials 7 gesteuert werden, die während der Bestrahlung mit dem Bearbeitungslicht 30 der Bearbeitungsposition zugeführt werden soll. Die Vorschubgeschwindigkeit des Bearbeitungsmaterials 7 zum Stapeln einer Schicht, sodass diese die Ziel-Stapelhöhe T0 aufweist, wird als v1 ausgedrückt.
Bei der Bearbeitung der zweiten Schicht im Bereich I wird die Bearbeitungsbedingung nicht verändert, da das Messergebnis T1 der ersten Schicht gleich der Ziel-Stapelhöhe T0 ist, sodass die Vorschubgeschwindigkeit des Bearbeitungsmaterials 7 auf v1 eingestellt wird.
Bei der Bearbeitung der zweiten Schicht im Bereich II beträgt die Stapelmenge der zweiten Schicht 2×T0-T2, da das Messergebnis T2 der ersten Schicht größer als die Ziel-Stapelhöhe T0 ist.
Daher steuert die Steuerungseinheit 52 eine Vorschubgeschwindigkeit v2 des Bearbeitungsmaterials 7 so, dass sie langsamer als v1 ist, d. h. V2<V1. Die Zufuhrmenge des Bearbeitungsmaterials 7 wird reduziert, sodass die Höhe des Baugegenstands 4 am Ende der Bearbeitung der zweiten Schicht auf der ersten Schicht gleich 2×T0 ist.
Auf ähnliche Weise ist bei der Bearbeitung der zweiten Schicht im Bereich III die Stapelmenge der zweiten Schicht 2×T0-T3, da das Messergebnis T3 der ersten Schicht kleiner als die Ziel-Stapelhöhe T0 ist. Daher steuert die Steuerungseinheit 52 eine Vorschubgeschwindigkeit v3 des Bearbeitungsmaterials 7 so, dass sie schneller als v1 ist. Die Zufuhrmenge des Bearbeitungsmaterials 7 wird erhöht, sodass die Höhe des Baugegenstands 4 am Ende der Bearbeitung der zweiten Schicht auf der ersten Schicht gleich 2×T0 ist.
D. h. die Bearbeitungsbedingung wird durch die Steuerungseinheit 52 entsprechend der Differenz zwischen der voreingestellten Höhe des gestapelten Gegenstands, der neu auf dem Baugegenstand 4 gestapelt werden soll, und dem Messergebnis gesteuert.
Es muss lediglich der Steuerwert für die Vorschubgeschwindigkeit des Bearbeitungsmaterials 7 ermittelt werden, indem die Beziehung zwischen der Vorschubgeschwindigkeit des Bearbeitungsmaterials 7 und der Höhe des zu stapelnden Wulstes vorab berechnet und festgehalten wird. Darüber hinaus kann in einem Fall, dass eine Vielzahl von Schichten gestapelt wird, der Steuerwert während der Stapelbearbeitung dynamisch verändert werden, indem ein Ergebnis der Stapelung verwendet wird, das auf einer gemessenen Wulsthöhe einer vorherigen Schicht basiert.
16 ist ein Diagramm, das den Spitzenabschnitt des Bearbeitungsmaterials im Fall der Bearbeitung der zweiten Schicht zeigt, um ein Verfahren zu veranschaulichen, bei dem die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 die Höhe des Zufuhranschlusses der Bearbeitungsmaterial-Zufuhreinheit 10 auf der Grundlage des Messergebnisses der Höhe des Baugegenstands 4 steuert. Es wird davon ausgegangen, dass ein Zustand am Ende der Bearbeitung der ersten Schicht jenem in 15 ähnlich ist.
Im Bereich II und im Bereich III weicht die Höhe des Baugegenstands 4 der ersten Schicht stark von der Zielhöhe T0 ab, sodass, wenn die Bearbeitungsmaterial-Zufuhreinheit 10 bei der additiven Bearbeitung der zweiten Schicht um T0 angehoben wird, die Höhe des Zufuhranschlusses der Bearbeitungsmaterial-Zufuhreinheit 10 relativ zu der Oberfläche, die der additiven Bearbeitung unterzogen wird, möglicherweise nicht in den in 5 dargestellten zulässigen Bereich ha±α fällt. In einem solchen Fall ist es vorzuziehen, die Höhe der Spitze des Bearbeitungsmaterials 7 zu steuern, indem der Betrag verändert wird, um den die Antriebsplattform 6 in Z-Richtung angehoben wird.
Bei der Bearbeitung der zweiten Schicht muss im Bereich I die Höhe der Spitze des Bearbeitungsmaterials 7 der Bearbeitungsmaterial-Zufuhreinheit 10 nur auf T0 eingestellt werden, da das Messergebnis T1 der ersten Schicht gleich der Ziel-Stapelhöhe T0 ist.
Bei der Bearbeitung der zweiten Schicht ist im Bereich II das Messergebnis T2 der ersten Schicht größer als die Ziel-Stapelhöhe T0, sodass die Höhe der Spitze des Bearbeitungsmaterials 7 nicht in den zulässigen Bereich fällt, wenn die Höhe der Spitze des Bearbeitungsmaterials 7 ausgehend von der oberen Oberfläche des Werkstücks 3 auf T0 eingestellt wird. Durch das Einstellen der Höhe der Spitze des Bearbeitungsmaterials 7 auf T2 kann daher die additive Bearbeitung der zweiten Schicht durchgeführt werden, ohne einen Bearbeitungsdefekt hervorzurufen.
Bei der Bearbeitung der zweiten Schicht ist im Bereich III das Messergebnis T3 der ersten Schicht kleiner als die Ziel-Stapelhöhe T0, sodass die Höhe der Spitze des Bearbeitungsmaterials 7 nicht in den zulässigen Bereich fällt, wenn die Höhe der Spitze des Bearbeitungsmaterials 7 ausgehend von der oberen Oberfläche des Werkstücks 3 auf T0 eingestellt wird. Durch das Einstellen der Höhe der Spitze des Bearbeitungsmaterials 7 auf T3 kann daher die additive Bearbeitung der zweiten Schicht durchgeführt werden, ohne einen Bearbeitungsdefekt hervorzurufen.
Wie oben beschrieben, kann das Auftreten eines Bearbeitungsdefekts verhindert werden, indem die Höhe der Spitze des Bearbeitungsmaterials 7 auf der Grundlage des Messergebnisses der Höhe des bereits gebildeten Baugegenstands 4 eingestellt wird.
Darüber hinaus ist die Höhe der Spitze des Bearbeitungsmaterials 7 ein Beispiel für die Bearbeitungsbedingung. Die Höhe der Spitze des Bearbeitungsmaterials 7 wird vorzugsweise in Übereinstimmung mit einer Bearbeitungsbedingung zur Veränderung der Stapelhöhe gesteuert, die eine andere ist als die Höhe der Spitze des Bearbeitungsmaterials 7, wobei es sich bei der Bearbeitungsbedingung zum Beispiel um die Vorschubgeschwindigkeit des Bearbeitungsmaterials 7, die Ausgangsleistung des Bearbeitungslasers 1 oder die Einstrahlungszeit des Bearbeitungslichts 30 handelt.
Darüber hinaus kann als anderes Beispiel für das Verfahren zur Steuerung der Höhe der Spitze des Bearbeitungsmaterials 7 vor der Bearbeitung einer (n-1)-ten Schicht in einem Fall, in dem eine durchschnittliche Höhe einer (n-2)-ten Schicht in den Bereichen I bis III größer als die Ziel-Stapelhöhe T0 ist, ein Betrag, um den die Höhe der Bearbeitungsmaterial-Zufuhreinheit 10 nach dem Abschluss der Bearbeitung der (n-1)-ten Schicht anzuheben ist, auf eine durchschnittliche Höhe der (n-2)-ten Schicht eingestellt werden, wobei während der Bearbeitung der n-ten Schicht eine optimale Bearbeitungssteuerung unter Verwendung des Messergebnisses der (n-1)-ten Schicht durchgeführt werden kann.
Als weiteres Beispiel für das Verfahren zur Steuerung der Höhe der Spitze des Bearbeitungsmaterials 7 kann in einem Fall, in dem das Messergebnis der Höhe des Baugegenstands 4 in der n-ten Schicht im Bereich I, in der n-ten Schicht im Bereich II und in der n-ten Schicht im Bereich III, wie in 16 dargestellt, jeweils unterschiedlich ist, der Betrag, um den die Höhe der Spitze des Bearbeitungsmaterials 7 anzuheben ist, für jeden Bereich geändert werden.
Wie oben beschrieben, kann durch eine optimale Steuerung der Bearbeitungsbedingung unter Verwendung des unmittelbar vor der Bearbeitung der n-ten Schicht gemessenen Messergebnisses der Stapelhöhe der (n-1)-ten Schicht die Ziel-Stapelhöhe immer auf ha±α gehalten werden, wie dies in 5 dargestellt ist, und die Bearbeitung kann fortgesetzt werden, ohne einen Bearbeitungsdefekt hervorzurufen.
In 15 und 16 wird die Steuerung durchgeführt, indem die Vorschubgeschwindigkeit des Bearbeitungsmaterials 7 und die Höhe der Spitze des Bearbeitungsmaterials 7 geändert werden, sie kann jedoch auch durchgeführt werden, indem ein anderer Parameter oder eine Vielzahl von Parametern verändert werden. So ist es zum Beispiel in einem Fall, in dem eine Verringerung der Stapelmenge gewünscht wird, möglich, ein Verfahren des Reduzierens der Ausgangsleistung des Bearbeitungslasers 1 und des Erhöhens der Plattformgeschwindigkeit zur Bewegung der Bearbeitungsposition zu adaptieren.
Darüber hinaus wird, wie in 8 dargestellt, in dem Fall, in dem die Messposition in Bezug auf die Bearbeitungsposition in der gleichen Richtung liegt wie die Richtung, in der der Hochtemperaturabschnitt 32 erzeugt wird, beim Stapeln der n-ten Schicht die Höhe der n-ten Schicht nach dem Stapeln gemessen. In einem Fall, in dem die Bearbeitungsbedingung unter Verwendung der gemessenen Höhe der Bearbeitungsmaterial-Zufuhreinheit 10 gesteuert wird, ist es daher ausreichend, wenn alle Messergebnisse der Höhe der Bearbeitungsmaterial-Zufuhreinheit 10 in Bezug auf die Messposition für eine Schicht gespeichert werden und beim Stapeln einer (n+1)-ten Schicht verwendet werden. Ferner wird die Referenzpixelposition zur Messung der Höhe des Baugegenstands 4 vorzugsweise auf die Position der Ziel-Stapelhöhe der n-ten Schicht anstatt auf die Position der Ziel-Stapelhöhe der (n-1)-ten Schicht eingestellt.
Wie oben beschrieben, misst die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 der vorliegenden Ausführungsform während der Bearbeitung die Wulsthöhe in der Vorschubrichtung der Stapelbearbeitung und steuert die Bearbeitungsbedingung so, dass sie zum Zeitpunkt der nächsten Bearbeitung angemessen ist, wodurch die Ziel-Stapelhöhe beibehalten werden kann.
Da die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 der vorliegenden Ausführungsform die Höhe zwischen dem Zufuhranschluss und dem Wulst konstant halten kann, kann die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 darüber hinaus eine Abnahme der Genauigkeit bei der Bildung des Baugegenstands 4 verhindern und eine hochpräzise Stapelbearbeitung erreichen.
Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 der vorliegenden Ausführungsform wurde als eine Vorrichtung beschrieben, die kompakt gestaltet wird, indem das Lichtempfangs-Optiksystem in den Bearbeitungskopf 2 integriert wird, um die Wulsthöhe an einer Position in der Nähe der Bearbeitungsposition zu messen. Es ist jedoch nicht notwendig, dass das Lichtempfangs-Optiksystem und der Bearbeitungskopf 2 strikt miteinander integriert sind, wobei es sich von selbst versteht, dass eine ähnliche Wirkung auch in einem Fall erzielt werden kann, in dem das Lichtempfangs-Optiksystem als ein vom Bearbeitungskopf 2 getrennter Körper vorgesehen ist, um die Höhe des gestapelten Gegenstands in der Umgebung der Bearbeitungsposition 50 zu messen.
Da hier das Lichtempfangs-Optiksystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Höhe unter Verwendung der Linienstrahlen 41 und 42 misst, ist die Kondensorlinse 15, die weder für die Bearbeitung noch für die Höhenmessung verwendet wird, vorzugsweise ein optisches System, das nur ein Bild der Linienstrahlen 41 und 42 auf dem Lichtempfänger 16 erzeugen kann.
Die vorliegende Ausführungsform verwendet die Antriebsplattform 6, bei der es sich um eine fünfachsige Plattform handelt, die sich in einer schrägen Richtung bewegen kann, indem gleichzeitig zwei beliebige oder alle Achsen der X-, Y- und Z-Richtung bewegt werden, und die sich auch in der XY-Ebene und der YZ-Ebene drehen kann, wodurch die Höhe des Baugegenstands 4 gemessen werden kann, selbst wenn eine andere Form als eine gerade Linie geformt wird.
Da darüber hinaus bei der vorliegenden Ausführungsform das Beleuchtungslicht in einem Winkel in Bezug auf die vertikale Richtung ausgesendet wird, verändert sich die Einstrahlungsposition der Linienstrahlen 41 und 42 ausgehend von der Bearbeitungsposition in Abhängigkeit von der Form des Baugegenstands 4 und der Drehung der Antriebsplattform 6.
17 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Einstrahlungsposition der Linienstrahlen 41 und 42 ausgehend von der Bearbeitungsposition in Bezug auf die Höhe des Baugegenstands 4. In 17 ist die Bearbeitungsmaterial-Zufuhreinheit 10 der Einfachheit halber nicht dargestellt. Darüber hinaus werden der Klarheit halber die Mittelachsen der Linienstrahlen 41 und 42 als Mittelachse 40 dargestellt.
Ein Abschnitt (a) in 17 zeigt einen Fall, in dem ein Wulst wie geplant geformt wird, wenn die Zielhöhe des Stapelns T1 beträgt. Beim Stapeln einer zweiten Schicht wird der Bearbeitungskopf 2 um die gleiche Höhe wie die Wulsthöhe T1 angehoben, sodass, wenn die Antriebsplattform 6 an eine Position zur Messung der Bearbeitungsposition bewegt wird, der Abstand einer Messposition CH in Bezug auf die optische Achse CL des Bearbeitungslichts 30 ΔK1 beträgt.
Ein Abschnitt (b) in 17 zeigt einen Fall, in dem die Stapelhöhe T2 der ersten Schicht größer als die Ziel-Stapelhöhe T1 ist. Wenn bei der Bearbeitung einer zweiten Schicht der Bearbeitungskopf 2 um T1 angehoben wird und die Antriebsplattform 6 an eine Position zur Messung der Bearbeitungsposition bewegt wird, beträgt der Abstand der Messposition CH in Bezug auf die optische Achse CL des Bearbeitungslichts 30 ΔK2>ΔK1.
Ein Abschnitt (c) in 17 zeigt einen Fall, in dem die Stapelhöhe T3 der ersten Schicht kleiner als die Ziel-Stapelhöhe T1 ist. Wenn bei der Bearbeitung einer zweiten Schicht der Bearbeitungskopf 2 um T1 angehoben wird und die Antriebsplattform 6 an eine Position zur Messung der Bearbeitungsposition bewegt wird, beträgt der Abstand der Messposition CH in Bezug auf die optische Achse CL des Bearbeitungslichts 30 ΔK3<ΔK1. Wie oben beschrieben, führt das Lichtschnittverfahren, bei dem die Linienstrahlen 41 und 42 in einem Winkel ausgesendet werden, zu einer Verschiebung der Messposition, wenn die Höhe des bereits gebildeten Baugegenstands 4 von der Ziel-Stapelhöhe T1 abweicht. Der Einfluss der Verschiebung der Messposition ist gering, wenn die obere Oberfläche des Baugegenstands 4 eben ist, doch wenn die obere Oberfläche eine gekrümmte Form wie z. B. eine komplizierte dreidimensionale Form aufweist, kommt es zu einer Verschiebung der Messposition.
Die Messpositions-Berechnungseinheit 50 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann jedoch die Messposition für die Bearbeitungsposition anhand der Projektionspositionen der Linienstrahlen 41 und 42 auf dem Lichtempfangselement berechnen.
Indem nicht nur die Höhe des Baugegenstands 4, sondern auch die Messposition der Linienstrahlen 41 und 42 für die Bearbeitungsposition berechnet wird und die Messposition und die gemessene Höhe des Baugegenstands 4 gespeichert werden, kann die Bearbeitungsbedingung für die Bearbeitungsposition eine höhere Genauigkeit aufweisen.
Ferner wird die Referenzpixelposition 60 als Brennpunkt der Linienstrahlen 41 und 42, d. h. als Brennpunkt des Lichtempfangs-Optiksystems, festgelegt, doch in einem Fall, in dem die Form des Baugegenstands in Bezug auf die Brennebene der Referenzpixelposition geneigt ist, weicht die Referenzpixelposition 60 von der Zielhöhe des Baugegenstands 4 ab.
18 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Referenzpixelposition und der Zielhöhe in Bezug auf die Form des Baugegenstands 4. Darüber hinaus werden der Klarheit halber die Mittelachsen der Linienstrahlen 41 und 42 als Mittelachse 40 dargestellt.
Ein Abschnitt (a) in 18 zeigt einen Fall, in dem ein ebener Wulst mit der Ziel-Stapelhöhe T1 wie geplant geformt wird. Bei der Bearbeitung einer zweiten Schicht wird der Bearbeitungskopf 2 um die gleiche Höhe wie die Höhe T1 des Wulstes angehoben, sodass, wenn die Antriebsplattform 6 an eine Position zum Messen der Bearbeitungsposition bewegt wird, eine Differenz zur Ziel-Stapelhöhe gemessen werden kann, wenn der Brennpunkt der Linienstrahlen 41 und 42, d. h. der Brennpunkt des Lichtempfangs-Optiksystems, als Referenzpixelposition 60 festgelegt wird.
Ein Abschnitt (b) in 18 zeigt einen Fall, in dem sich die Bearbeitungsposition auf einem ebenen Wulst mit der Zielhöhe T1 befindet, aber die Messposition auf dem Baugegenstand 4 liegt, der in Bezug auf die Formungsebene geneigt ist.
Bei der Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 ist es wünschenswert, die Formung durchzuführen, indem das Werkstück 3 senkrecht mit dem Bearbeitungslicht 30 bestrahlt wird, und daher wird, wenn eine geneigte Form wie im Abschnitt (b) von 18 geformt wird, die der Formung unterzogene Oberfläche in Bezug auf das Bearbeitungslicht 30 geneigt, indem die Antriebsplattform 6 gedreht wird, sodass die Formung in einem Zustand durchgeführt wird, in dem das Bearbeitungslicht 30 senkrecht zu der der Formung unterzogenen Oberfläche ist.
Bei der vorliegenden Ausführungsform variiert jedoch die Messposition für die Bearbeitungsposition, sodass es denkbar ist, die Höhe der der Formung unterzogenen Oberfläche zu messen, die in Bezug auf die Bearbeitungsfläche geneigt ist, wie dies im Abschnitt (b) von 18 der Fall ist. Wenn in diesem Fall die Höhe des Baugegenstands 4 mit dem Brennpunkt der Linienstrahlen 41 und 42, d. h. dem Brennpunkt des Lichtempfangs-Optiksystems, als Referenzpixelposition berechnet wird, ergibt die Messung eine Differenz von ΔZ1 in Bezug auf die Zielhöhe. Wenn jedoch der Baugegenstand in geneigtem Zustand entsprechend der Zielhöhe geformt wird, ist die Formungsgenauigkeit verringert, wenn die Bearbeitungsbedingung unter Verwendung der nicht korrekt gemessenen Höhe ΔZ1 gesteuert wird.
Da jedoch die Berechnungseinheit 51 der vorliegenden Ausführungsform bestimmen kann, ob die der Formung unterzogene Oberfläche, die die Messposition sein soll, in Bezug auf die Bearbeitungsfläche ab dem zukünftigen Bearbeitungspfad geneigt ist, ist es möglich, die Ziel-Stapelhöhe in Bezug auf jede Messposition für eine frei gewählte Form zu berechnen.
Indem das Ergebnis der gemessenen Höhe zum Beispiel unter Verwendung des Betrags der Drehung des Baugegenstands durch die Antriebsplattform 6 korrigiert wird, kann daher die Messung mit höherer Genauigkeit durchgeführt werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform, wird die Höhe des aus dem Wulst gebildeten Baugegenstands 4 gemessen, eine ähnliche Wirkung kann jedoch auch in dem Fall eines Kugelwulstes erzielt werden.
Wie oben beschrieben, werden bei der vorliegenden Ausführungsform die Linienstrahlen 41 und 42 von der Messbeleuchtungseinheit 8 kontinuierlich aus einer Richtung ausgesendet, die in Bezug auf die optische Achse CL des Bearbeitungslichts 30 des Lichtempfangs-Optiksystems in einem Winkelbereich von ±90 Grad in der Richtung entgegengesetzt zu der Richtung (+X-Richtung), in der das Bearbeitungsmaterial 7 zugeführt wird, geneigt ist, wodurch die Höhe des Baugegenstands 4 mithilfe einer kleinen Vorrichtung gemessen werden kann, auch wenn sich die Bearbeitungsrichtung ändert. Daher kann auch im Fall der Formung einer komplizierten dreidimensionalen Form die Höhe des Baugegenstands 4 gemessen werden, sodass die Stapelbearbeitung mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden kann. Anstatt den Linienstrahl für jede Bearbeitungsrichtung bereitzustellen, werden darüber hinaus die Linienstrahlen 41 und 42 derart bereitgestellt, dass sie den Winkelbereich von ±90 Grad in der Richtung entgegengesetzt zu der Richtung, in der das Bearbeitungsmaterial 7 bereitgestellt wird, bestrahlen, wodurch es lediglich notwendig ist, die Schwerpunktposition in der Richtung zu messen, in der das Bearbeitungsmaterial 7 zugeführt wird, was die Höhenberechnungsverarbeitung vereinfacht.
Zweite Ausführungsform.
Ein Unterschied zwischen der ersten Ausführungsform und einer zweiten Ausführungsform betrifft die Form der Linienstrahlen.
Die Linienstrahlen gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind die Linienstrahlen 41 und 42, die eine Bogenform in der XY-Ebene aufweisen.
Es ist zu beachten, dass im Folgenden nur Unterschiede zur ersten Ausführungsform beschrieben werden und auf eine Beschreibung von Teilen verzichtet wird. Auch was die Bezugszeichen betrifft, so werden Teile, die mit jenen der ersten und zweiten Ausführungsform identisch sind oder diesen entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wie sie diesen Teilen in der ersten und zweiten Ausführungsform zugewiesen wurden, wobei auf ihre Beschreibung verzichtet wird.
In der ersten Ausführungsform werden die Linienstrahlen 41 und 42 mit einer linearen Form verwendet, wodurch sich die Messposition ab der Bearbeitungsposition in Abhängigkeit von der Bearbeitungsrichtung ändert, wie dies in 10 dargestellt ist.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Höhe des Baugegenstands unabhängig von der Bearbeitungsrichtung im gleichen Abstand von der Bearbeitungsposition gemessen, wodurch sich die Form der Linienstrahlen 412 und 422 von jener in der ersten Ausführungsform unterscheidet.
19 ist ein Diagramm der XY-Ebene der Linienstrahlen 412 und 422, die durch die Messbeleuchtungseinheit 8 gemäß der vorliegenden Ausführungsform auf das ebene Werkstück 3 projiziert werden. Wie in 19 dargestellt, verwendet die vorliegende Ausführungsform die Linienstrahlen 412 und 422, die in der XY-Ebene eine Bogenform aufweisen. Die Einbauposition der Messbeleuchtungseinheit 8 und die Neigung θ der optischen Achse der Linienstrahlen in Bezug auf die vertikale Richtung in der XZ-Ebene sind ähnlich wie jene in der ersten Ausführungsform.
Wenn wie oben beschrieben die Linienstrahlen 412 und 422 mit der Bogenform in der XY-Ebene verwendet werden, befinden sich die Projektionspositionen der Linienstrahlen auf der Ebene, die die Referenzpixelposition sein soll, unabhängig von der Bearbeitungsrichtung immer in einem Abstand L₁ von der Bearbeitungsposition.
Bei der ersten Ausführungsform ist der Abstand L₂ der Messposition von der Bearbeitungsposition in jeder aus der 135-Grad-Richtung, bei der es sich um die Mitte zwischen der +Y-Richtung und der -X-Richtung handelt, und der 225-Grad-Richtung, bei der es sich um die Mitte zwischen der -Y-Richtung und der -X-Richtung handelt, wo die Messposition der Bearbeitungsposition am nächsten liegt, gleich W oder mehr, und der Abstand L₁>L₂ von der Messposition auf dem Baugegenstand 4 in der -X-Richtung und den ±Y-Richtungen und der Bearbeitungsposition ist an der Position, die weiter von der Bearbeitungsposition entfernt ist.
Andererseits kann bei der vorliegenden Ausführungsform die der Bearbeitungsposition am nächsten liegende Position in allen Bearbeitungsrichtungen gemessen werden, sodass, wenn die Einstrahlungswinkel der Linienstrahlen 41 und 42 fix sind, die Einbauposition der Messbeleuchtungseinheit 8 nahe an den Bearbeitungskopf 2 gebracht werden kann, was eine weitere Verkleinerung im Vergleich zur ersten Ausführungsform ermöglicht.
Da darüber hinaus der Abbildungsbereich des Lichtempfängers 16, in dem die Linienstrahlen 41 und 42 eintreten, klein ist, kann die Auflösung des Lichtempfängers 16 pro Pixel erhöht werden, und die Messgenauigkeit kann verbessert werden.
Dritte Ausführungsform.
Ein Unterschied zwischen der ersten und zweiten Ausführungsform und einer dritten Ausführungsform betrifft die Positionen, an denen die Messbeleuchtungseinheit und das Lichtempfangs-Optiksystem vorgesehen sind.
Es ist zu beachten, dass im Folgenden lediglich Unterschiede zur ersten und zweiten Ausführungsform beschrieben werden und auf eine Beschreibung von Teilen verzichtet wird. Auch was die Bezugszeichen betrifft, so werden Teile, die mit jenen der ersten und zweiten Ausführungsform identisch sind oder diesen entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wie sie diesen Teilen in der ersten und zweiten Ausführungsform zugewiesen wurden, wobei auf ihre Beschreibung verzichtet wird.
20 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration einer Vorrichtung zur additiven Fertigung 103 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Bei der Vorrichtung zur additiven Fertigung 103 ist die Messbeleuchtungseinheit 8 in den Bearbeitungskopf 2 integriert, und die Lichtempfangseinheit 17, die das Lichtempfangs-Optiksystem und das Lichtempfangselement beinhaltet, ist an einer seitlichen Oberfläche des Bearbeitungskopfs 2 angebracht.
Bei der Vorrichtung zur additiven Fertigung 103 projiziert die Messbeleuchtungseinheit 8 die Linienstrahlen 41 und 42, bei denen es sich um die Linienstrahlen 41 und 42 handelt, parallel zur optischen Achse CL des Bearbeitungslichts 30. Darüber hinaus empfängt die Lichtempfangseinheit 17 das reflektierte Licht, das in einer schrägen Richtung reflektiert wird.
Dadurch kommt es zu keiner Verschiebung der Messposition der Linienstrahlen 41 und 42, sodass die Höhe des Baugegenstands 4 mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann.
21 ist ein Diagramm, das eine innere Konfiguration des in 20 dargestellten Bearbeitungskopfs 2 zeigt. 21 zeigt eine Seitenansicht der Vorrichtung zur additiven Fertigung 103. Ein Bearbeitungskopf 23 beinhaltet die Senderlinse 11, den Strahlteiler 12, die Objektivlinse 13 und die Messbeleuchtungseinheit 8.
Die aus der Messbeleuchtungseinheit 8 ausgegebenen Linienstrahlen 41 und 42 werden durch den Strahlteiler 12 gesendet und durch die Objektivlinse 13 auf die Bearbeitungsposition auf dem Baugegenstand 4, d. h. die Messposition, ausgesendet. In 21 werden der Klarheit halber die Mittelachsen der Linienstrahlen 41 und 42 als Mittelachse 40 dargestellt.
Wenn die Strahlen zur Bearbeitung die Objektivlinse 13 passieren, sendet die Messbeleuchtungseinheit 8 die Strahlen aus, die das Merkmal aufweisen, durch die Objektivlinse 13 auf dem Baugegenstand 4 gebündelt zu werden.
Das Lichtempfangseinheit 17 beinhaltet die Kondensorlinse 15 und den Lichtempfänger 16. Wie bei der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet die Lichtempfangseinheit 17 vorzugsweise den Bandpassfilter 14, der auf selektive Weise die Bestrahlungswellenlängen der Linienstrahlen 41 und 42 durchlässt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform projiziert die Messbeleuchtungseinheit 8 die Linienstrahlen 41 und 42, bei denen es sich um die Linienstrahlen 41 und 42 handelt, parallel zur optischen Achse des Bearbeitungslichts 30, und die Lichtempfangseinheit 17 empfängt das reflektierte Licht, das in schräger Richtung reflektiert wird, sodass die Höhe des Baugegenstands 4 gemessen werden kann, ohne von der Verschiebung der Messposition aufgrund der Höhe des in 17 dargestellten Baugegenstands 4 beeinflusst zu werden. Auch wenn eine komplizierte dreidimensionale Form gemessen wird, kann daher die Höhe des Baugegenstands, der immer einen konstanten Abstand in Bezug auf die Bearbeitungsposition aufweist, gemessen werden, sodass die Bearbeitungsbedingung mit hoher Genauigkeit gesteuert werden kann und die Formungsgenauigkeit verbessert werden kann.
Außerdem wird in 21 ein Beispiel für die Konfiguration beschrieben, bei der die Messbeleuchtungseinheit 8 in den Bearbeitungskopf 23 integriert ist, die vorliegende Ausführungsform ist jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt. So können die Messbeleuchtungseinheit 8 und der Bearbeitungskopf 2 zum Beispiel separate Körper sein. In diesem Fall ist es ausreichend, wenn die optischen Achsen der von der Messbeleuchtungseinheit 8 ausgesendeten Linienstrahlen 41 und 42 und die optische Achse des Bearbeitungslichts 30 parallel zueinander sind und die Messposition, die sich in einem vorbestimmten Abstand von der Bearbeitungsposition befindet, mit den Linienstrahlen bestrahlt wird. Ferner versteht es sich von selbst, dass eine ähnliche Wirkung erzielt werden kann, solang die Lichtempfangseinheit 17 so konfiguriert ist, dass sie das reflektierte Licht empfängt, das in schräger Richtung reflektiert wird.
Die im Rahmen der obigen Ausführungsform gezeigte Konfiguration veranschaulicht lediglich ein Beispiel für den Inhalt der vorliegenden Erfindung und kann daher mit einer anderen bekannten Technik kombiniert werden oder teilweise weggelassen und/oder abgeändert werden, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Bezugszeichenliste

1: Bearbeitungslaser;
2, 23: Bearbeitungskopf;
3: Werkstück;
4: Baugegenstand;
41, 42: Linienstrahl;
5: Befestigungsorgan;
6: Antriebsplattform;
7: Bearbeitungsmaterial;
8: Messbeleuchtungseinheit;
9: Gasdüse;
10: Bearbeitungsmaterial-Zufuhreinheit;
50: Messpositions- Berechnungseinheit;
51: Berechnungseinheit;
52: Steuerungseinheit.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2000167678 [0005]

Claims

Vorrichtung zur additiven Fertigung, umfassend: eine Höhenmesseinheit zum Messen einer Höhe an einer Messposition eines Baugegenstands, der auf einem Werkstück gebildet wird, und zum Ausgeben eines Messergebnisses, das ein Ergebnis der Messung während der additiven Bearbeitung angibt, bei der der Baugegenstand gebildet wird, indem auf wiederholte Weise ein Bearbeitungsmaterial aufeinandergestapelt wird, das an einer Bearbeitungsposition auf einer Oberfläche des Werkstücks geschmolzen wird; und eine Steuerungseinheit zum Steuern einer Bearbeitungsbedingung bei der Durchführung eines neuen Stapelvorgangs an der Messposition in Übereinstimmung mit dem Messergebnis, wobei die Höhenmesseinheit Folgendes beinhaltet: ein Messbeleuchtungssystem zum Bestrahlen der Messposition mit Beleuchtungslicht zur Messung; ein Lichtempfangs-Optiksystem zum Empfangen, durch ein Lichtempfangselement, von reflektiertem Licht, das durch Reflexion des Beleuchtungslichts zur Messung an der Messposition erhalten wird; und eine Berechnungseinheit zum Berechnen der Höhe des auf dem Werkstück gebildeten Baugegenstands auf der Grundlage einer Lichtempfangsposition des reflektierten Lichts auf dem Lichtempfangselement, wobei eine optische Achse des Beleuchtungslichts zur Messung in Bezug auf eine optische Achse des Lichtempfangs-Optiksystems geneigt ist, und wobei das Beleuchtungslicht zur Messung kontinuierlich in einem Winkelbereich von wenigstens ±90 Grad bezogen auf eine Richtung entgegengesetzt zu einer Zufuhrrichtung des Bearbeitungsmaterials mit der optischen Achse des Lichtempfangs-Optiksystems als Mitte eines Drehwinkelbereichs ausgesendet wird.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach Anspruch 1, wobei die Messposition eine Position ist, an der das Bearbeitungsmaterial verfestigt wird, wobei die Position mit einer Bewegung der Bearbeitungsposition bewegt wird.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Messposition innerhalb eines Sichtfelds des Lichtempfangselements liegt.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach einem der 1 bis 3, wobei die Messposition von der Bearbeitungsposition aus gesehen in einer Bewegungsrichtung der Bearbeitungsposition auf dem Werkstück angeordnet ist.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Messbeleuchtungssystem einen bogenförmigen Linienstrahl projiziert.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend ein Bearbeitungs-Optiksystem zum Abbilden von Bearbeitungslicht, das das Bearbeitungsmaterial an der Bearbeitungsposition schmilzt.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach Anspruch 6, wobei das Lichtempfangs-Optiksystem einstückig mit dem Bearbeitungs-Optiksystem vorgesehen ist.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach Anspruch 6, wobei das Messbeleuchtungssystem einstückig mit dem Bearbeitungs-Optiksystem vorgesehen ist.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Höhenmesseinheit eine Messpositions-Berechnungseinheit zum Berechnen einer zukünftigen Bearbeitungsrichtung in Bezug auf die Messposition beinhaltet.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Steuerungseinheit eine Zufuhrmenge des der Bearbeitungsposition zuzuführenden Bearbeitungsmaterials verringert, wenn das Messergebnis höher als ein Zielwert ist, bei dem es sich um eine voreingestellte Höhe eines gestapelten Gegenstands handelt, oder die Zufuhrmenge erhöht, wenn das Messergebnis niedriger als der Zielwert ist.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Steuerungseinheit eine Ausgabe des Bearbeitungslichts verringert, wenn das Messergebnis höher als ein Zielwert ist, bei dem es sich um eine voreingestellte Höhe eines gestapelten Gegenstands handelt, oder die Ausgabe des Bearbeitungslichts erhöht, wenn das Messergebnis niedriger als der Zielwert ist.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Steuerungseinheit eine Bewegungsgeschwindigkeit der Bearbeitungsposition erhöht, wenn das Messergebnis höher als ein Zielwert ist, bei dem es sich um eine voreingestellte Höhe eines gestapelten Gegenstands handelt, oder die Bewegungsgeschwindigkeit der Bearbeitungsposition verringert, wenn das Messergebnis niedriger als der Zielwert ist.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Steuerungseinheit eine Höhe einer Spitze des Bearbeitungsmaterials entsprechend einem Zielwert anhebt, bei dem es sich um eine voreingestellte Höhe eines gestapelten Gegenstands handelt, wobei sie einen Betrag, um den die Höhe der Spitze des Bearbeitungsmaterials angehoben wird, erhöht, wenn das Messergebnis höher als der Zielwert ist, oder wobei sie den Betrag, um den die Höhe der Spitze des Bearbeitungsmaterials angehoben wird, verringert, wenn das Messergebnis niedriger als der Zielwert ist.