EP3774125A1 - Verfahren zum kalibrieren einer bearbeitungsmaschine und bearbeitungsmaschine - Google Patents

Verfahren zum kalibrieren einer bearbeitungsmaschine und bearbeitungsmaschine

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EP3774125A1
EP3774125A1 EP19713750.8A EP19713750A EP3774125A1 EP 3774125 A1 EP3774125 A1 EP 3774125A1 EP 19713750 A EP19713750 A EP 19713750A EP 3774125 A1 EP3774125 A1 EP 3774125A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser beam
distance
processing machine
preform
scanner device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP19713750.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Pieger
Frederik SCHAAL
Matthias Allenberg-Rabe
Valentin BLICKLE
Marc GRONLE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Laser und Systemtechnik SE
Original Assignee
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH filed Critical Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a method for calibrating a
  • Processing machine for the production of three-dimensional components by irradiation of powder layers, wherein the processing machine a
  • Powder layers is positioned.
  • the invention also relates to an associated
  • Three-dimensional components is a laser beam on a layer of a
  • Powder material for example, in the form of a metal powder, focused, which is typically arranged in a working plane of the processing machine.
  • the laser beam locally melts or sinters the powder material in order to produce a layer of the three-dimensional component ("laser metal fusion", LMF or "selective laser sintering", SLS).
  • a scanner device for aligning or positioning the laser beam typically has at least one, in the rule two deflectable, rotatable scanner mirrors whose maximum deflections or angular positions limit an edit field of the scanner device.
  • the scanner mirror is pivoted to change the X position and / or the Y position of the laser beam in the processing field.
  • the connection area of the preform, in particular the contour of the preform, in all spatial directions exactly the laser beam must be hit. If this is not the case, the finished component has on the
  • Contour exposure by means of an exposure laser used for this purpose follows exactly the contour of the preform. Typical requirements for accuracy in this case are approx. +/- 50 pm. For a connection that is as precise as possible, it is also typically necessary for the connection zone of the preform to be tilted only by approx. +/- 20 ⁇ m to the working plane.
  • EP 0 734 842 A1 discloses an apparatus and a method for producing a three-dimensional object by successively solidifying layers of a pulverulent, by means of electromagnetic radiation
  • a pad (Energy beam) or particle radiation solidifiable building material described.
  • a pad On the top of a height-adjustable support for applying the material, a pad (preform) is detachably fastened, which is formed of a material to which the building material adheres during solidification.
  • EP 1 048 441 A1 describes a method for calibrating such a device using a calibration plate with reference markings located at a known position in a machine-related position
  • Coordinate system of the device is arranged.
  • the energy beam is deflected to predetermined desired positions in the machine-related coordinate system.
  • the invention has for its object to provide a method for calibrating a processing machine and a processing machine, which allow a precise connection of a layered three-dimensional component to a preform.
  • Correction data for correcting the positioning of the laser beam can be calculated, for example, in order to correct the path data or target positions for the production of the three-dimensional component predetermined by the scanner device. For correcting the position of the build platform in the
  • Processing machine can e.g. Adjusting screws may be provided in the processing machine, to which manual or automated, e.g. by means of an actuator, can be acted to correct the position of the build platform (possibly with the preform attached to this).
  • the actual position or the actual orientation of the construction platform or the preform fixed to the construction platform be relative to one
  • the position of the construction platform in the processing machine, in particular its orientation relative to the (horizontal) working plane can be corrected. In this way it is ensured that the connection of the component to be built on the preform exactly follows the predetermined contour of the preform. It is understood that such a correction may also be useful if no preform is present in the processing machine, i. when the three-dimensional component completely through
  • layered structure is generated from the powder layers.
  • a lateral offset and / or a rotation of the construction platform and / or the preform in the machining plane is / are corrected on the basis of the ascertained deviations.
  • marks can be marked the actual position of the markings (X- Coordinate and Y-coordinate or corresponding angular positions of the /
  • both a lateral offset of the build platform / preform relative to a desired position and a rotation of the build platform / preform relative to a desired orientation in the processing plane of the processing machine can be determined become.
  • the rotation can be determined, for example, based on a deviation of a desired orientation of a distance vector between the desired positions of the two markings and an actual orientation of a distance vector between the actual positions of the two markings.
  • the lateral offset of the construction platform can also be determined based on a difference between a respective actual position and a respective desired position of a respective marking and, if necessary, corrected during the positioning of the laser beam in the processing field. If appropriate
  • Adjusting devices are provided in the processing machine, if necessary, the lateral position of the construction platform or its rotation in the
  • the construction platform can be moved to your desired position in the processing machine, so that a correction in the positioning of the laser beam in the edit field, if necessary
  • Machining plane (or a plane parallel thereto), which leads to a change in length between the detected Ist- Posrtionen the marks, it is required that the building board / preform is leveled prior to calibration, i. is brought into a position aligned parallel to the working plane or that the tilting is taken into account during the calibration.
  • Irradiation device is arranged.
  • the triangulation laser can e.g. coaxial with the machining laser steel in the
  • Beam path of the scanner device are coupled.
  • a further scanner device can be provided in the processing machine for the triangulation or for the triangulation laser.
  • Triangulation also be used in the processing machine already existing pilot laser or working laser, which is to irradiate the
  • Powder layers is used.
  • a camera-based structure evaluation can be used.
  • triangulation usually only works if the preform fixed to the build platform does not have too great a vertical extent (Z direction), because in that case the triangulation laser beam used for the triangulation may be shaded.
  • a deviation between a respective desired distance and a respective actual distance between in each case two of at least three markings typically arranged in a triangle is determined, and a tilting of the construction platform and / or the preform becomes relative based on the determined deviation corrected to the working plane.
  • information about the tilting or about the Z position of the construction platform / preform is determined.
  • the nominal distance here represents the difference vector between the
  • the actual distance represents the difference vector between the
  • a leveling i. a (manual or automated) correction of the tilting of the construction platform in the processing machine, or a consideration of the tilting of the
  • the scan angle under which the laser beam must be aligned increases in order to detect the corner point with the marking. Accordingly, in a misalignment in which a marker forming the vertex is tilted down from a horizontal plane, the scan angle decreases to detect this mark.
  • the positioning of the laser beam in the processing field can be corrected accordingly based on the determined deviation.
  • the target positions of the markings are transferred to the scanner device or a control device of the processing machine used for the production of the three-dimensional component, together with the web data for producing the three-dimensional component.
  • the target positions of the markers are positions that are taken by the markings at a desired target position / orientation of the build platform / preform. For the specification of the desired positions, it is therefore necessary, the positions of the markers relative to know the building board / preform.
  • the nominal positions can basically be assumed to be known if the markings are applied with high precision to the upper side of the building platform or to the upper side of the preform.
  • the construction platform and / or the preform will / will be in one
  • the survey can
  • Construction platform / preform relative to the coordinate system of the processing machine the target positions of the markers are used, which are used for the determination of the deviations described above.
  • the two or more markers are spaced from each other at the top of the build platform or preform.
  • the markings are usually adjacent to the lateral edge or to the outer diameter of the building platform or the preform attached to the manufacture of the
  • the three-dimensional component does not hinder.
  • the markings may, for example, be formed by reflecting, scattering or absorbing surface regions which are applied to a substrate having a different property in each case, such that the markings when passing over the laser beam are read into the scanner device
  • back-reflected or backscattered laser radiation can be detected.
  • laser radiation reflected back into the scanner device is also understood to mean laser radiation which is not specularly scattered back into the scanner device at such a scattering mark.
  • the markers may, for example, have a geometry in the nature of circles, points or crosses.
  • the markings in shape are formed of ring structures of a thin gold layer on a ceramic substrate, which is attached to the building platform or on the preform.
  • the markings can also be reflective surface areas adjoined by a non-retroreflecting, in particular absorbing and / or scattering, area area which is formed from the material of the substrate.
  • Retroreflektors based on an intensity distribution of the detected back
  • a three-dimensional object which reflects a significant proportion of a light incident on the retroreflector laser beam substantially independent of the angle of incidence to the beam source - in the present case to the scanner device - back.
  • a three-dimensional object is understood to mean an object which has an extent of at least 20 ⁇ m, preferably of at least 50 ⁇ m, particularly preferably of at least 100 ⁇ m, in particular of at least 1 mm, in all three spatial dimensions.
  • the retro reflector has a large
  • Incidence angle range has a reflectivity of e.g. more than 5% in the direction of incidence of the laser beam.
  • the reflectivity of the retroreflector in the direction of incidence is thus significantly greater than in conventional reflective objects or
  • Retroreflector to the scanner device back reflected laser radiation increases their detectability and thus the precision in determining the actual position of the retroreflector in the edit box.
  • the retroreflector may be, for example, a (small) ball made of a material that transmits the laser beam, For example, from glass, in particular quartz glass, sapphire, diamond, etc. may be formed and which generally has a diameter in the order of several microns to a few millimeters, usually less than 10 mm.
  • a three-dimensional retroreflector allows a very precise
  • the transparent sphere acts as a retroreflector because it focuses much of the light from a far-flung light source onto a spot in the area of the back surface of the sphere or possibly the front surface of the sphere, due to the difference in refractive index between the sphere and the sphere the environment, typically air, the rear surface or possibly the front surface of the ball acts as a retroreflector.
  • the rear surface or possibly the front surface of the ball acts as a retroreflector.
  • three-dimensional objects which are formed in other ways, for example as prisms or the like, can be used as retroreflectors. It is understood that the ball in the previous and following
  • Embodiments do not necessarily have to be formed transparent to the laser beam when the front surface of the ball acts as a (retro-) reflector.
  • the retroreflector in the form of the three-dimensional object is run over (multiple) by means of the laser beam, wherein the scanner device an area with predetermined spatial
  • Retroreflektors determined.
  • the ball is accommodated in a socket, which is fixed by the calibration on the construction platform or on the preform, preferably screwed.
  • the socket can have a thread and a precision passband, which allows the lateral positioning of the ball with the accuracy of a milling machine, which is used for milling a hole with mating thread (fit screw) in the building platform / preform.
  • the socket preferably additionally has a precisely defined height from an axial stop of the precision nspassb and it to the center of the ball.
  • the ball can in the socket in the form of a (reference) screw by a thermally induced
  • Stress can be taken, for example, by the socket during assembly of the ball is heated to about 80 ° C.
  • a material can be selected for the version, which has as identical as possible a linear thermal expansion coefficient as the material of the ball. If the material of the ball is e.g. Sapphire (Al 2 O 3) may be used as the material for the socket, e.g. Kovar be chosen because both materials have an approximately equal linear thermal expansion coefficient.
  • the markings for performing the calibration are arranged by moving the height-adjustable construction platform in or in the vicinity of a working plane of the processing machine. At the height of the working plane, a working surface is typically formed in the processing chamber. Under an arrangement of marks near the
  • Working plane is understood as a deviation of about one millimeter in the vertical direction from the working plane (down).
  • the marks should not project up beyond the working plane to avoid collision with a pusher arm or the like used to transport powder onto the build platform.
  • the shell surface of the sphere for example, freely project beyond the socket and be installed in such a receptacle, typically a dowel, in the building platform / preform that the lateral surface is a few 1/10 mm below the working plane, if the Build platform / preform is located with its top at the height of the build platform.
  • Machining level can be determined as precisely as possible. Due to the fixation of the markings on the building platform or on the preform is the
  • Height position of the markers relative to the build platform - assuming a level orientation of the build platform - basically known.
  • Reference height can therefore be determined the absolute height position of the build platform.
  • the absolute height position may be at the reference altitude in the
  • Processing machine related, for example, to the height position of the working plane to another reference height of the height-adjustable construction platform to a height position of the
  • Irradiation device or the scanner device e.g. to act on the height position of a pivot point of the scanner device (s.u.). If the absolute height position of the construction platform is known, in particular a zero position of the construction platform relative to the height position of the working plane can be precisely defined, which is otherwise usually burdened with a large degree of inaccuracy.
  • a distance in the height direction between at least one of the markings and the scanner device, preferably a pivot point of the scanner device for aligning the laser beam with the at least one mark is determined by triangulation. For determining the distance in the height direction, it is typically assumed that the build platform is leveled, i. that these are parallel to the working plane
  • the distance in height direction between the pivot point and two of the markings can be determined thereby that the laser beam starting from the fulcrum under a respective
  • the distance between the markers has a comparatively high tolerance ie this is burdened with a large measurement uncertainty.
  • the distance between the markers has a comparatively high tolerance ie this is burdened with a large measurement uncertainty.
  • Processing machine in which the method is carried out for calibration, but one or more positioning systems or actuators, which allow a movement with high precision.
  • this may be an actuator or a drive for the precise displacement of the height-adjustable construction platform in the vertical direction or an actuator in the form of a further scanner device for the high-precision positioning of another
  • markers for the determination of the distance in the height direction with respect to the scanner device this is preferably not taken into account in the triangulation, that is, this is eliminated from the respective equations.
  • the distance between the markers is replaced by another measure of the actuator system (s) used for the triangulation, which is more precisely known or more precisely measured. In this way, the measurement uncertainty is shifted to or on the actuator systems, which contribute due to their high accuracy to a lower measurement uncertainty in the determination of the distance in the height direction.
  • the triangulation for the same mark at least twice, ie this is observed under two or more different (viewing) angles with respect to the height direction (Z axis) or crossed over with the laser beam.
  • the height-adjustable construction platform is moved in the height direction for determining the distance and the distance is determined by a travel distance of the construction platform in the height direction between a first
  • the (observation) angle in the observation of one and the same mark is determined at two different height positions of the construction platform from the same observation point, for example from the same pivot point, and as the third measured variable for the triangulation, the travel distance of the building platform in the height direction is used , It is understood that the distance in the height direction to the scanner device can be determined in this way not only for one but also for two or more of the markings. Is the
  • Construction platform or the preform leveled correctly this should in each case the same distance in height direction result, if the height position of the markers relative to the construction platform or the preform does not differ.
  • a (possibly weighted) averaging can take place over the distances determined for the individual markings.
  • a further laser beam of a further scanner device is aligned with the at least one marking and the distance is determined by a distance of the scanner device to the further scanner device, preferably based on a distance of a pivot point of the scanner device to a pivot point of the further scanner device, and on the basis of a respective angle, under which the laser beam and the other
  • Laser beam are aligned with the at least one mark, through
  • Triangulation determined.
  • the processing machine on which the calibration is performed in this case, two or more scanner devices and can, for example, as described in DE 10 2016 222 186 A1 is formed which, by reference to this aspect, is the content of this
  • the further scanner device can in particular be part of a further irradiation device which is similar or identical to the irradiation device in which the scanner device is provided.
  • one and the same mark is observed twice from different (perspective) angles, but from different observation points which, for example, can correspond to the pivot points described above.
  • the known distance between the two pivot points and between the two scanner devices which is well-known relative to each other during the calibration of the scanner device and the further scanner device, is used in addition to the respective angles for the triangulation. In this way too, the measurement uncertainty in determining the distance in the height direction can be reduced.
  • the measurement uncertainty can be increased to three or more by repeatedly moving the height-adjustable construction platform in the height direction
  • Trajectory between each two of the height positions a respective distance in the height direction is determined.
  • one and the same mark can be observed from three or possibly more (viewing) angles in order to further increase the measuring or the detection accuracy.
  • the approaches described above can in particular be combined or carried out in parallel (simultaneously) in order to determine the measurement accuracy in determining the distance in the height direction of the markers from the scanner device and thus in the case of the (possibly weighted) averaging of the values determined with different measurement strategies Determining the height position of the construction platform or the preform as a whole to increase.
  • a pilot laser beam is used to calibrate the processing machine.
  • the pilot laser beam used for calibration typically has a lower power than that for the irradiation of the Powder layers used machining laser beam. This is beneficial to avoid damage to the retroreflector by the laser beam.
  • Laser source for example, a fiber laser can be used over the fiber and the pilot laser beam of the fiber laser is transmitted, which has a lower power than the processing laser beam and with the aid of
  • the wavelength of the pilot laser beam may also differ from the wavelength of the processing laser beam.
  • the calibration may also be carried out with the processing laser beam used for the irradiation or for the melting of the powder layers.
  • the method additionally comprises: detecting
  • At least one retroreflector in the processing field by scanning at least one predetermined on the basis of the desired position of the retroreflector search range in the edit field by means of the laser beam.
  • (Two-dimensional, i.e. X / Y) desired position of the retroreflectors, in particular in the form of the balls, can in the processing machine, typically in a control device, e.g. be given in the form of a table or the like.
  • a search window in the form of a subarea of the processing field is defined in this example around the predetermined desired position. This search area is first coarse, i.e., by the laser beam. with low resolution, scanned until the respective retroreflector is found. Subsequently, as described above, the retroreflector, typically in the form of the sphere, becomes fine, i. with a higher resolution, run over to determine the exact actual position of the retroreflector.
  • a further aspect of the invention relates to a processing machine for producing three-dimensional components by irradiation of powder layers, comprising: an irradiation device with a scanner device for positioning a laser beam in an edit field, a processing chamber in which an edit field is formed and which has a build platform for applying the
  • At least two markers in particular in the form of retroreflectors on the building platform and / or on the construction platform are fixed to a fixed preform, a detector for detecting laser radiation, which is reflected when passing the markers with the laser beam from the markings in the scanner device, an evaluation device for
  • Laser radiation as well as a control device for determining deviations of the actual positions of the markings of nominal positions of the markers and for correcting the positioning of the laser beam in the processing field and / or the position of the construction platform in the processing machine based on the determined deviations.
  • the markers can be attached to the build platform and not to the preform. This is possibly favorable, since for their fixed attachment the preform may need to be mechanically processed, e.g. by thread bores or the like are introduced for receiving the markings in the preform. Since the material of the preform connects to the powder material and forms a lower part of the component produced in the processing machine, such mechanical processing is possibly undesirable. Also, with certain preforms, e.g. for dental implants, if necessary no space for the attachment of the markings available.
  • the attachment of the markings on the preform makes it possible to detect and correct a faulty fixation, for example a misalignment, of the preform relative to the build platform, which is typically not possible when attaching the markings to the build platform.
  • the preform can be used in different ways (releasably) on the
  • Baure be fixed, for example, by clamping, by a latching connection, by fixing pins that are used in holes of the build platform, etc.
  • control device is designed to correct a lateral offset and / or a rotation of the construction platform and / or the preform in the working plane on the basis of the ascertained deviations.
  • a lateral offset and / or a twist it is sufficient if two spaced-apart markings are attached to the build platform or to the preform.
  • the Markings typically attached to the top of the build platform or preform; In principle, the markings at each point of the
  • Construction platform / preform be attached by the laser beam in the
  • Edit field can be reached. It is understood that two or more preforms can be fixed to the build platform, which may have its own
  • control device can be adjusted by means of actuators to suitable setting devices, e.g. in the form of
  • the processing machine comprises a
  • Control device is formed, the determined by the distance measuring device tilting of the construction platform and / or the preform relative to
  • the distance measuring device may have a
  • triangulation as a transmitter and a receiver, which determines the distance to the build platform and / or the preform at several positions and determines the tilt of the build platform and / or the preform relative to the working plane or to a parallel to this, typically horizontal plane.
  • the working laser or a pilot laser can be used as triangulation laser, but it is also possible that the processing machine has an additional laser which serves as a triangulation laser.
  • Distance measuring device does not necessarily need a laser, but it may be sufficient if a static line projection on the construction platform / preform and this is evaluated by means of an image capture device and image analysis to the tilt of the build platform and / or the preform relative to the working plane relative to the processing plane determine.
  • the use of the distance measuring device is in preforms, the one
  • the triangulation laser beam generated by the triangulation laser is shaded by the preform.
  • the triangulation laser typically forms part of the irradiation device and is thus arranged above the processing chamber or the building platform / preform. However, shading of the triangulation laser beam typically only occurs when the markers are attached to the build platform and not to the preform, as the marks for calibration
  • control device is designed to determine deviations between a respective desired distance and a respective actual distance of in each case two of at least three markings preferably arranged in a triangle, and the control device is designed to tilt the basis of the determined deviations Construction platform and / or the preform relative to the machining plane to correct.
  • the actual distances and the desired distances between the markers are determined in order to use the deviations of the tilting
  • Distance measuring device can be omitted.
  • the retroreflector is designed as a three-dimensional object, in particular as a sphere.
  • the (transparent) ball is made of quartz glass or of sapphire and / or has a diameter of less than 5 mm.
  • the diameter of the ball may for example be between about 0.5 mm and 5 mm, with a smaller diameter of the ball usually a higher resolution can be achieved in determining the actual position of the retroreflector than a larger diameter of the ball.
  • Laser radiation detected wherein the angular range is superimposed on the retroreflector due to the arrangement of the detector (usually coaxial with the beam path of the laser beam) with the incident and failure direction of the laser beam.
  • the resolution in the determination of the beam profile therefore depends on the use of a ball as a retroreflector in addition to the size or the diameter of the ball (see above) from where the focus of the penetrating into the sphere laser radiation is: If the focus is due to the refractive index Of the transparent material of the ball directly on the back of the ball, the laser radiation is for the most part in a narrow angular range around the direction of incidence of the ball
  • the refractive index of the ball is larger or smaller than the value at which the focus is directly on the back of the ball, so that the laser beam is focused in front of or behind the back of the ball, the backward reflected laser radiation easily expands, so that Only a fraction of the reflected back laser radiation is detected, which is typically in
  • Retroreflektors can be determined when scanning over a higher resolution.
  • the sphere is formed of quartz glass (S1O2) or of sapphire (Al2O3), since both materials have a comparatively small amount
  • other materials such as other glasses, can be used as ball materials. Also, if necessary, materials which have a comparatively large
  • the ball is received in a socket, which preferably has a screw thread for fixing in a dowel screw of a bore of the building platform and / or the preform.
  • the socket may have a precision fitting to increase the accuracy of the lateral positioning of the ball on the build platform / preform.
  • the socket, especially the precision passband, has
  • the dowel typically has one at a precisely predetermined distance from the top of the
  • the socket has at least one opening for the exit of a radiation portion of the laser beam. Due to the at least one opening, radiation portions of the laser beam can emerge from the socket, which would otherwise be absorbed by the socket and lead to undesired heating of the socket.
  • control device is designed to have a spacing in the height direction between at least one of the markings and the scanner device, preferably a pivot point of the scanner device for aligning the laser beam at an angle to the at least one
  • the distance of the mark (s) to the scanner device is thus determined to a defined height position in the processing machine. On the basis of this distance can of course also a distance of the mark (s) in the height direction to another defined height position in the processing machine,
  • the height position of the working plane determined or calculated.
  • the angle at which the mark is observed is known, ie the determination of the coordinates of the actual position of the mark in the Edit field is not required.
  • the laser beam can in the manner described above, ie by crossing the markers and the
  • Detecting the laser radiation reflected back into the scanner device in this case can be aligned with the respective marking, so that the (rotational) angle of the laser beam can be determined when aligning with the marking.
  • control device is designed to shift the height-adjustable construction platform in the height direction for determining the distance and the distance based on a travel distance of the construction platform between a first height position and a second height position and preferably based on an angle at which the laser beam at a respective height position the at least one marker is aligned to determine by triangulation.
  • triangulation in addition to the travel distance or the height difference, as a rule, the two angles from a common reference point, for example from the pivot point, are also used for the same marking. in the
  • the distance of the mark at the first height position of the build platform to the scanner device can be determined by triangulation. But it is also possible, the distance between the mark at the second
  • the processing machine has a further scanner device for aligning a further laser beam to a further processing field, which is formed in the processing chamber and / or a further control device (the further scanner device or a further irradiation device) is designed for determining the distance to align the further laser beam of the other scanner device on the marking and the distance from a distance of the scanner device to the other scanner device, preferably based on a distance of the pivot point of the scanner device to a pivot point of the other scanner device, and based on a respective angle, below which the laser beam and the others
  • Laser beam are aligned with the at least one mark, through
  • the processing machine has two or more Scanner means, which may be part of two or more irradiation means each for irradiating an edit field formed in the processing chamber.
  • the two or more processing fields of the scanner devices usually overlap at least partially, so that at least one, possibly several of the markings of two or more laser beams, which are aligned by two different scanner devices on the processing field, are run over and a respective (rotary ) Angle at which the laser beam is aligned with the mark can be determined.
  • the detector is designed as a non-spatially resolving detector, in particular as a diode.
  • the detector is thus not a spatially resolving detector.
  • the detection of the intensity of the laser radiation by means of a non-spatially resolving detector is sufficient in the present case, since the position of the laser beam in the
  • Edit field using the scanner device which typically has one or two galvanometer mirror can be varied very precisely.
  • a detector in the form of a diode can already be present for process observation in the production of the three-dimensional component in the processing machine, so that this can also be advantageously used for the calibration of the processing machine. It is understood that the (photo) diode for the
  • Wavelength range of the laser beam used for the calibration has a high sensitivity. Due to the precise positioning of the laser beam focus on the construction platform / preform with a position accuracy in the range of micrometers or possibly in the sub-micrometer range, the actual position of the retroreflectors can be determined very precisely in this case.
  • Fig. 2 is an illustration of the top of a building platform, at the three
  • Fig. 3 is an illustration of the change of an actual position of the first
  • Retroreflektors of Figure 2 at a tilt of the build platform from a working plane
  • Fig. 4 is a partial sectional view of a retroreflector in the form of a transparent ball, which is received in a socket, as well as
  • Fig. 5a-c are schematic representations of several triangles for determining a distance in the height direction between two markers and a pivot point of a scanner device by triangulation.
  • Fig. 1a shows an exemplary structure of a processing machine 1 for
  • Processing machine 1 has a height-adjustable construction platform 2, can be applied to the powder layers to build up the three-dimensional component in layers.
  • a preform 3 is fixed to the building platform 2, which forms a lower part of the component to be produced.
  • the usually metallic material of the preform 3 is chosen so that this connects during local irradiation and local melting of the powder layers with the usually also metallic powder material.
  • the fixation of the preform 3 on the building platform 2 is realized by a clamping connection, not shown.
  • the processing machine 1 has an irradiation device 4, which has a laser source 5 in the form of a fiber laser for generating a laser beam 6, which is guided via a light guide 7 and a collimation 8 on a deflecting mirror 9.
  • a laser source 5 in the form of a fiber laser for generating a laser beam 6, which is guided via a light guide 7 and a collimation 8 on a deflecting mirror 9.
  • Laser beam 6 in the example shown is a pilot laser beam which is used for the calibration (see above).
  • a processing laser beam with higher power is used, which is also generated by the laser source 5 in the form of the fiber laser.
  • the pilot laser beam 6 has a wavelength which differs from the wavelength of the processing laser beam.
  • the deflection mirror 9 has a dielectric coating with a reflectivity of more than approximately 99.9% for the wavelength of the processing laser beam and a reflectivity of approximately 30% to approximately 80% for the wavelength of the pilot laser beam 6, so that a significant portion of the intensity of the pilot laser beam 6 at the deflection mirror 9 to a
  • Focusing device 10 is deflected.
  • the laser beam 6 passes through the focusing device 10 a
  • Scanner device 11 the two scanner mirrors 12a, 12b in the form of
  • Galvanometer mirrors has.
  • the scanner device 11 is used for positioning the laser beam 6 in an edit field 13 of the scanner device 11, which is limited by a maximum angular deflection of the scanner mirror 12 a, 12 b and in the example shown in FIG. 1 a substantially the lateral extent of the powder bed or the build platform 2 corresponds.
  • the focusing device 10 focuses the laser beam 6 in a working plane 14, which corresponds to an XY plane of an XYZ coordinate system, in which the top of the powder layers or the top of the powder bed is located in the production of the three-dimensional component, of the laser beam 6 and ., The processing laser beam is melted.
  • the building platform 2 is displaceable or height-adjustable in the Z-direction by means of a drive (not illustrated in the drawing).
  • the building platform 2 is in a processing chamber 15 with a window 16 arranged, through which the laser beam 6 is irradiated into the processing chamber 15. Since the processing plane 14 or the focal plane of the scanner device 1 1, in which the powder material is melted in the manufacture of the
  • the construction platform 2 is lowered by the thickness of a powder layer.
  • New powder material 17 is arranged by means of a slide arm, not shown, from a likewise in the processing chamber 15
  • Powder reservoir 18 removed and spent in the range of a powder bed, which is located in a production of the three-dimensional component above the build platform 2 in a building platform 2 surrounding the construction cylinder.
  • the processing machine 1 is shown in a state prior to the production of the three-dimensional component, in which no
  • Powder material 17 is located on the build platform 2, which allows the
  • two retroreflectors 19a, 19b in the form of a three-dimensional object, more precisely in the form of a transparent sapphire ball (AI2O3), are attached to the preform 3 in the example shown in FIG. 1a.
  • the two retroreflectors 19a, 19b are each adjacent to the outer edge of the
  • Essentially plate-shaped preform 3 attached to diametrically opposite sides of the preform 3.
  • the preform 3, more precisely the top side 3 a of the preform 3, is arranged approximately at the level of the working plane 14 for the calibration. It goes without saying that the retroreflectors 19a, b can also be fastened to the preform 3 at other locations.
  • the retroreflectors 19a, b in the form of the spheres have a diameter of approximately 4 mm and reflect laser radiation 20 which has a content of e.g. more than 5% of the intensity of the laser beam 6, back into the scanner device 11.
  • the diameter of a respective retroreflector 19a, b in the form of the ball can also be less than 1 mm, for example, at about 100 pm or less. For handling reasons, it is advantageous if the
  • Retroreflektoren 19 a, b have a diameter of about 1 mm or more.
  • the laser beam 6 impinges on the first retroreflector 19a essentially perpendicular to the working plane 14, in which the respective powder layers extend, but it is understood that at the first retroreflector 19a also in one of a vertical incidence
  • the back-reflected laser radiation 20 passes through the scanner device 11 and the focusing device 10 in the reverse direction to the laser beam 6 and impinges on the deflection mirror 9. At the deflection mirror 9, a small portion of the back-reflected laser radiation 20 is transmitted and with the aid of a
  • Imaging device 21 which is formed in the example shown in Fig. 1 a as a lens, imaged on a detector 22 in the form of a photodiode or
  • the detector 22 or the photodiode is arranged coaxially with the radiation path of the laser beam 6 and essentially detects laser radiation 20 which originates from an actual position Xpi, YPI of the laser beam 6 in the processing field 13, in the example shown in FIG. 1a the first retroreflector 19a is arranged and reflected back to the scanner device 11, ie the actual position Xpi, Ypi of the laser beam 6 coincides with the actual position XPI, YPI of the first retroreflector 19a.
  • the actual position XPI, YPI of the first retroreflector 19a may deviate from a desired position Xsi, Ysi, which is given to the scanner device 11 by a control device 23, when the preform 3 is from a desired position and / or from a target orientation deviates in the processing machine 1.
  • the preform 3 more precisely its top side 3a, is aligned parallel to the working plane 14.
  • the preform 3 is in one
  • 3-dimensional component to be built on the preform 3 be adapted to the coordinate system, which is predetermined by the preform 3, i. the respective desired positions, which are given to the laser beam 6 for producing the three-dimensional component, can be corrected accordingly.
  • calibration is required, i. It is necessary to determine the position of the preform 3 in the room as precisely as possible.
  • the procedure may be as follows:
  • the scanner device 11 is given a desired position Xsi, Ysi at which the first retroreflector 19a is nominally, i. is arranged in the desired arrangement of the preform 3 in the room.
  • a predetermined search area 24 around the target position Xsi, Ysi of the first retroreflector 19a becomes coarse, i. with a comparatively low resolution, scanned by means of the laser beam 6.
  • the search area is 24
  • Retroreflektors 19a is located in the center, but it can also be a search area 24 with a different geometry, e.g. a rectangular or circular search area 24 may be used.
  • the scanner device 11 scans with the laser beam 6 a smaller area of the processing field 13 around the desired position Xsi, Ysi of the first retroreflector 19a a larger resolution, each reflecting back
  • Laser radiation 20 is detected, i. the laser beam 6 passes over the first one
  • Retroreflector 19a multiple times in a scanning motion.
  • YPI of the first retroreflector 19a is determined from the intensity distribution I (X, Y) of FIG Detected laser radiation 20 detected in an evaluation device 25.
  • FIG. 1 a shows, by way of example, the one-dimensional intensity distribution 1 (X) recorded when the first retroreflector 19 a is scanned, which passes through the center of the two-dimensional intensity distribution 1 (X, Y).
  • an intensity centroid of the intensity distribution l (X, Y) is determined, which in the example shown in Fig. 1a, in which the laser beam 6 has a rotationally symmetrical intensity distribution L (X, Y), the
  • Intensity maximum in the X direction and in the Y direction corresponds.
  • the center of gravity of the intensity distribution l (X, Y) of the detected laser radiation 20 forms the actual position XPI, YPI of the first retroreflector 19a.
  • the actual position Xp2, Y 2 of the second retroreflector 19b can also be determined.
  • the evaluation device 25 transmits the actual positions Xp-i, YPI; XP2, YP2 of the two retroreflectors 19a, b to the control device 23.
  • control device 23 deviations of the actual positions XPI, YPI; XP2, YP2 of the two retroreflectors 19a, b from the target positions XPS, Ysi given to the controller 23; Xs2, Ys2 of the two retroreflectors 19a, b determined.
  • an I st difference vector (XPI-Xp2, YPI-YP2) between the actual positions XPI, YPI; XP2, YP2 of the two retroreflectors 19a, b and a target differential vector (Xsi - Xs2, Ysi - Ys2) between the target positions Xsi, Ysi; Xs2, Ys2 of the two retroreflectors 19a, b are determined.
  • the angle between the instantaneous deviation and the desired difference vector corresponds to the rotation of the preform 3 out of the desired orientation in FIG
  • a lateral offset of the preform 3 relative to a desired position can be determined, for example by a first difference vector (XPI - Xsi, YPI - Ysi) between an actual position XPI, YPI and a desired position Xsi, Ysi of first Retroreflektors 19a and a second difference vector (XP 2 - Xs2, YF> 2 - Ys2) between an actual position XP2, YP2 and a desired position Xs2, Ys2 of the second retroreflector 19b are determined.
  • the lateral offset corresponds to the vectorial sum of the first difference vector (XPI - Xsi, YPI - Ysi) and the second difference vector (XP2 - Xs2, YP2 - Ys2) divided by the number of vectors (here: two).
  • control means 23 for
  • Retroreflektoren 19a, b is adjusted.
  • the processing machine 1 shown in FIG. 1 a has a distance measuring device in the form of a triangulation laser 26, which aligns a triangulation laser beam (not shown) with the processing field 13.
  • the triangulation laser 26 utilizes a structural evaluation of the structures produced in the projection of the triangulation laser beam in the processing field, e.g. in the form of lines, and here measures a respective distance between the preform 3 and the triangulation laser 26 and the
  • a tilting of the preform 3 relative to the working plane 14 or relative to a parallel to this XY plane can be determined.
  • the tilting of the preform 3 can, after the above-described determination of the deviations in the X and Y coordinates of the actual positions XPI, YPI; XP2, YP2 from the target positions Xsi, Ysi; Xs2, Ys2 of the two retroreflectors 19a, b are determined in order to suitably adjust the correction of the positioning of the laser beam 9, as a rule, the determination of the tilting of the preform 3 from the working plane 14, but before
  • the leveling can for example, to use the target positions Xsi, Ysi; Xs2, Ys2 of the two retroreflectors 19a, b in the control device 23 to be modified, as if the retroreflectors 19a, b in the
  • Machining plane 14 arranged and would not be offset in the Z direction to this.
  • Construction platform are attached. In the event that the preform 3 and the building platform 2 are not tilted against each other, not only the
  • tilting of the building platform 2 relative to the working plane 14 is determined on the basis of three retroreflectors 19a-c.
  • the three retroreflectors 19a-c are mounted near the outer edge of the circular top 2a of the build platform 2, on a (imaginary) circle 27, and the three retroreflectors 19a-c form the three vertices an equilateral triangle.
  • FIG. 1 In the simplified example shown in FIG.
  • all three retroreflectors 19a-c are at their desired positions Xsi, Ysi, Xs2, Ys2, Xs3, Ysa in the processing plane 14, i. the construction platform 3 shown in Fig. 2 is arranged exactly at its desired position and aligned correctly.
  • the nominal distance AAB.S between the first and the second retroreflector 19a, b corresponds exactly to the actual distance AAB, I between the first and the second retroreflector 19a, b.
  • Fig. 3 shows a detail of Fig. 2 in the vicinity of the first retroreflector 19a, along the connecting line between the first retroreflector 19a and the second retroreflector 19b.
  • a solid line in Fig. 3 the orientation of the building platform 2 shown in Fig. 2 is shown, in which the building platform 2 in the working plane 14 (XY plane) is located.
  • Dashed lines in Fig. 3 two cases are shown, in which the construction platform 2 in the region of the first retroreflector 19 a tilted by a small tilt angle + d upwards or by a small tilt angle -ö down from the processing plane 14.
  • the actual position Xpi, Ypi of the first retroreflector 19a is shifted toward the target position XP2, YP2 of the second retroreflector 19b, that is, the second retroreflector 19b.
  • Retroreflektoren 19a, b is increased. This is recognized by the scanner device 11 in that the deflection angle, which the laser beam 6 has at the actual position XPI, YPI of the first retroreflector 19a, also increases compared to the case where the build platform 2 is arranged in the working plane 14.
  • the determined actual position XPI, YPI of the first retroreflector 19a moves toward the actual or desired position XP2, Y P2 of the second retroreflector 19b, so that the deflection angle of the laser beam 6 at the actual position XPI, YPI of the first retroreflector 19a and thus the determined actual distance AAB.I between the two retroreflectors 19a, b reduced in size.
  • the tilting axis 28 (cf., FIG. 2) extends through the second retroreflector 19b during the tilting of the building platform 2 and extends in the Y direction, ie perpendicular to the connecting line between the two retroreflectors 19a, 19b, then Difference between the actual distance AAB, I and the target distance AAB, S of the first and the second retroreflector 19a, b directly the tilting of the build platform 2 and the tilt angle +/- d of the build platform 2 are determined in the XZ plane , It is understood that in general the position of the tilting axis 28 about which the build platform 2 is tilted out of the working plane 14 is not known.
  • the three retroreflectors 19a-c and the determined actual distances AAB, I, ABC.I, AAC.I the three retroreflectors 19a-c can be but also in this case, the tilting of the construction platform 2, ie
  • the correction of the positioning of the laser beam 6 to take account of the tilt can also be made in this case to the manner described above in connection with the triangulation laser 26.
  • the target positions Xsi, Ysi, Xs2, Ys2, Xs3, Ysa of the three retroreflectors 19a-c given to the controller 23 depend not only on the target position and the ground orientation of the build platform 2, but also on their (fixed) positions relative to the build platform 2 from. These positions are typically known or, if necessary, can be determined prior to calibration by measuring the build platform 2, for example with the aid of a coordinate measuring machine, before it is introduced into the processing machine 1. It is understood that the build platform 2 does not have to be formed integrally as shown above, but may be.
  • the build platform 2 may form a plate-shaped member which is fixed to a height-adjustable piston, for example screwed.
  • FIG. 4 shows a retroreflector 19a in the form of a transparent sapphire ball, which is received in a socket 30.
  • the socket 30 has a
  • the socket 30 has a
  • Precision passband 33 for increasing the accuracy of the lateral positioning of the ball 19 a and the socket 30 in the threaded bore 32 of the preform 3.
  • the socket 30 also has an axial end stop 34 on the underside of the keyway 33, relative to which the center of the ball 19a is positioned at a predetermined height h.
  • the threaded hole 32 is a
  • the top of the ball 19a are positioned at a distance of a few 1/10 mm from the top 3a of the preform 3.
  • the ball 19a in this case projects slightly upwards beyond the socket 30 in order to prevent the ingress of the
  • the socket 30 has openings 35 distributed along its circumference for emitting radiation portions of the laser beam 6 in order to minimize absorption of the laser beam 6 in the socket 30 and heating associated therewith.
  • the transparent ball 19a is gripped in the socket 30 in the example shown by a thermally induced voltage.
  • the socket 30 is heated to about 80 ° C when inserting the ball 19a. To the voltage of the socket 30 during operation of the
  • the socket 30 is formed in the example shown from Kovar, which has a sapphire practically identical linear thermal expansion coefficients.
  • the balls 19a-c can be attached to the building platform 2 in an analogous manner.
  • the retroreflectors 19a-c for example in the form of balls, but also another type of - detachable or non-detachable - attachment can be selected, which allows precise positioning of the retroreflectors 19a-c.
  • transparent balls it is also possible to use balls made of a material which is not transparent to the laser beam, provided that the (retro) reflection takes place at the top of the ball.
  • retroreflectors 19a-c other types of markers may be used that do not necessarily have retroreflective properties.
  • the markings may be surface areas in the form of a coating, which are applied to a substrate which is attached to the building platform 2 or to the preform 3.
  • the markings in the form of the surface areas are detected by means of at least one different property of an adjacent surface area, which may, for example, be a section of the substrate.
  • the markings in the form of the retroreflectors 19a-c can also be used, namely by determining a distance h of one or more of the retroreflectors 19a-c with respect to the given height reference, which is, for example, a fulcrum D1 of the scanner device 11 can act whose height position with respect to the processing machine 1 or on the machine frame is known. It is understood that the determination of the distance h to the fulcrum D1 is equivalent to determining the distance to another height reference whose height position in the processing machine 1 is known.
  • Retroreflektoren 19 a, 19 b and the fulcrum D1 lie in the XZ plane.
  • the laser beam 6 is rotated by means of one of the scanner mirrors 12a about an axis of rotation extending in the Y direction and containing the pivot point D1 in order to align it with the processing field 13.
  • the first scanner mirror 12a is first rotated about the pivot point D1 of the scanner device 11 until the laser beam 6 is aligned at an angle a at which the laser beam 6 impinges on the first retroreflector 19a.
  • the alignment of the laser beam 6 with the first retroreflector 19a is detected by detecting laser radiation 20 reflected back into the scanner device 11, as described above.
  • the first scanner mirror 12a is rotated about the pivot point D1 until the laser beam 6 is aligned at a second (viewing) angle ⁇ at which the laser beam 6 strikes the second retroreflector 19b.
  • the distance AAB between the two retroreflectors 19a, 19b can not be determined precisely because the
  • Retroreflektoren 19 a, 19 b as described above was formed in the form of the balls and placed in a respective socket 30, which via a
  • the distance AAB between the two retroreflectors 19a, 19b is therefore burdened with a comparatively large measurement inaccuracy.
  • the measurement may be carried out in the manner described below in connection with Fig. 5b, c: Dor will be used to determine the distance h in the Z direction instead of the distance AAB between the two retroreflectors 19a, 19b other length size used for the triangulation, which is associated with a lower measurement inaccuracy.
  • the processing machine 1 has actuators which enable a movement of components of the processing machine 1 with a very high accuracy.
  • Travel distance D of the height-adjustable construction platform 2 used for the triangulation is covered when the construction platform 2 for the determination of the distance h is displaced by means of an unspecified actuator between a first height position Hi and a second height position H2.
  • Height position Hi out determined or measured. It is understood, however, that the distance h can also be determined analogously starting from the second height position H2.
  • the travel distance D of the construction platform 2 can typically be determined with a higher precision than the distance AAB between the two retroreflectors 19a, 19b, so that the distance h in the Z-direction to the in
  • a further possibility for the exact determination of the distance h between the retroreflectors 19a, 19b and the scanner device 11 can be carried out in the case of the processing machine 1 shown in FIG. 1b
  • Processing machine 1 shown differs from the processing machine 1 shown in Fig. 1a essentially in that this another
  • Irradiation device 4a which is identical to that shown in FIG.
  • Irradiation device 4 is constructed, i. this includes another
  • Scanner device 11a for positioning a further laser beam 6a in a further processing field 13a, which partially overlaps with the processing field 13 of the scanner device 11.
  • Irradiation device 4a are also identical in construction to the components of the irradiation device 4 and have been correspondingly designated by reference numerals 6a to 11a, 21a to 24a. Both irradiation devices 4, 4a become the
  • Laser beam 6 which starts from the first pivot point D1, to the first or
  • second retroreflector 19a, 19b is aligned, also a respective angle g, d is used for the triangulation, in which the further laser beam 6a of the further scanner device 11a, that of a further pivot point D2 of the other
  • Scanner device 11a is aligned with the first and the second retroreflector 19a, 19b.
  • the distance ADID2 in the horizontal direction between the two fulcrums D1, D2 of the scanner device 11 and the other scanner device 11a is determined beforehand by a calibration of the two scanner devices 11, 11a relative to each other with high accuracy, i. the measurement inaccuracy in the determination of the distance ADID2 is less than in the determination of the distance AAB between the two retroreflectors 19a, 19b.
  • the distance h can be considered as (possibly
  • corresponding angles of the distance h in the Z direction can be measured several times and a (possibly weighted) average can be formed.
  • a (possibly weighted) average can be formed.
  • the accuracy can be further increased.
  • one and the same retroreflector 19a-c can be observed, for example, from more than two (viewing) angles, and the distance h can be determined for every two (viewing) angles.
  • the measurement or detection accuracy can be further increased by averaging (if appropriate weighted) the values determined in each case for the distance h.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer Bearbeitungsmaschine zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen durch Bestrahlen von Pulverschichten, wobei die Bearbeitungsmaschine eine Scannereinrichtung zur Positionierung eines Laserstrahls in einem Bearbeitungsfeld aufweist, in dem eine höhenverstellbare Bauplattform zum Aufbringen der Pulverschichten positioniert ist. Die Erfindung betrifft auch eine zugehörige Bearbeitungsmaschine zum Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen.

Description

Verfahren zum Kalibrieren einer Bearbeitungsmaschine und Bearbeitunqsmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer
Bearbeitungsmaschine zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen durch Bestrahlen von Pulverschichten, wobei die Bearbeitungsmaschine eine
Scannereinrichtung zur Positionierung eines Laserstrahls in einem Bearbeitungsfeld aufweist, in dem eine höhenverstellbare Bauplattform zum Aufbringen der
Pulverschichten positioniert ist. Die Erfindung betrifft auch eine zugehörige
Bearbeitungsmaschine zum Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen.
Bei der oben beschriebenen Bearbeitungsmaschine zur Herstellung von
dreidimensionalen Bauteilen wird ein Laserstrahl auf eine Schicht aus einem
Pulvermaterial, z.B, in Form eines Metallpulvers, fokussiert, die typischerweise in einer Bearbeitungsebene der Bearbeitungsmaschine angeordnet ist. Durch den Laserstrahl wird das Pulvermaterial lokal aufgeschmolzen bzw. gesintert, um eine Schicht des dreidimensionalen Bauteils zu erzeugen („laser metal fusion“, LMF bzw. „selective laser sintering“, SLS). Eine Scannereinrichtung zur Ausrichtung bzw. zur Positionierung des Laserstrahls weist typischerweise mindestens einen, in der Regei zwei auslenkbare, drehbare Scannerspiegel auf, deren maximale Auslenkungen bzw. Winkelstellungen ein Bearbeitungsfeld der Scannereinrichtung begrenzen.
Bei der Ausrichtung des Bearbeitungsstrahls auf unterschiedliche Positionen in dem Bearbeitungsfeld wird der bzw. werden die Scannerspiegel verschwenkt, um die X- Position und/oder die Y-Position des Laserstrahls in dem Bearbeitungsfeld zu verändern. Insbesondere bei der generativen Fertigung von dreidimensionalen Bauteilen, die nicht ausschließlich aus dem Pulvermateria! bestehen, sondern bei denen lediglich ein Oberteil des Bauteils durch das Bestrahlen von Pulverschichten gefertigt wird, das auf einem vorgefertigten Unterteil (Preform) aufgebaut wird, besteht das Problem, dass der Anbindungsbereich der Preform, insbesondere die Kontur der Preform, in allen Raumrichtungen exakt mit dem Laserstrahl getroffen werden muss. Ist dies nicht der Fall, weist das fertige Bauteil an dem
Anbindungsbereich Versatzstellen und/oder eine unzureichende Anbindung auf.
Beim Aufbau auf eine Preform muss somit sichergestellt sein, dass die
Konturbelichtung mittels eines zu diesem Zweck verwendeten Belichtungslasers exakt der Kontur der Preform folgt. Übliche Anforderungen für die Genauigkeit liegen in diesem Fall bei ca. +/- 50 pm. Für eine möglichst präzise Anbindung ist es typischerweise zudem erforderlich, dass die Anbindungszone der Preform nur um ca. +/- 20 pm zur Bearbeitungsebene verkippt ist.
In der EP 0 734 842 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines pulverförmigen, mittels elektromagnetischer Strahlung
(Energiestrahl) oder Teilchenstrahlung verfestigbaren Aufbaumaterials beschrieben. Auf der Oberseite eines höhenverstellbaren Trägers zum Aufbringen des Materials ist eine Unterlage (Preform) lösbar befestigt, die aus einem Material gebildet ist, an dem das Aufbaumaterial bei der Verfestigung anhaftet.
In der EP 1 048 441 A1 wird ein Verfahren zur Kalibrierung einer solchen Vorrichtung beschrieben, bei der eine Kalibrierungsplatte mit Referenzmarkierungen verwendet wird, die an einer bekannten Position in einem maschinenbezogenen
Koordinatensystem der Vorrichtung angeordnet wird. Der Energiestrahl wird an vorgegebene Soll-Positionen in dem maschinenbezogenen Koordinatensystem abgelenkt. Es erfolgt eine Erfassung der Abweichung der Ist-Positionen der
Auftreffpunkte des Energiestrahls von den Soll-Positionen unter Verwendung der Referenzmarkierungen. In Abhängigkeit von den Abweichungen erfolgt das
Einstellen einer Steuerung zum Ablenken des gerichteten Energiestrahls und somit eine Kalibration der Vorrichtung.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Kalibrieren einer Bearbeitungsmaschine und eine Bearbeitungsmaschine bereitzustellen, welche eine präzise Anbindung eines schichtweise aufgebauten dreidimensionalen Bauteils an einer Preform ermöglichen.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, welches gekennzeichnet ist durch die Schritte: Überfahren von
mindestens zwei, bevorzugt von mindestens drei Markierungen, insbesondere in Form von Retroreflektoren, die an der Bauplattform und/oder an einer an der Bauplattform fixierten Preform angebracht sind, mittels des Laserstrahls, Detektieren von Laserstrahlung, die beim Überfahren der mindestens zwei Markierungen in die Scannereinrichtung zurück reflektiert wird, Ermitteln von Ist-Positionen der
Markierungen anhand der detektierten Laserstrahlung, Ermitteln von Abweichungen der Ist-Positionen der Markierungen von (vorgegebenen) Soll-Positionen der Markierungen, sowie Kalibrieren der Bearbeitungsmaschine durch Korrigieren der Positionierung des Laserstrahls in dem Bearbeitungsfeld und/oder der Position der Bauplattform in der Bearbeitungsmaschine anhand der ermittelten Abweichungen. Für das Korrigieren der Positionierung des Laserstrahls können beispielsweise Korrekturdaten berechnet werden, um die der Scannereinrichtung vorgegebenen Bahndaten bzw. Soll-Positionen für die Erzeugung des dreidimensionalen Bauteils zu korrigieren. Für das Korrigieren der Position der Bauplattform in der
Bearbeitungsmaschine können z.B. Stellschrauben in der Bearbeitungsmaschine vorgesehen sein, auf die manuell oder automatisiert, z.B. mittels eines Aktors, eingewirkt werden kann, um die Position der Bauplattform (ggf. mit der an dieser angebrachten Preform) zu korrigieren.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Ist-Lage bzw. die Ist-Ausrichtung der Bauplattform bzw. der an der Bauplattform fixierten Preform relativ zu einem
Koordinatensystem der Scannereinrichtung bzw. der Bearbeitungsmaschine zu bestimmen und die Positionierung des Laserstrahls in dem Bearbeitungsfeld erforderlichenfalls zu korrigieren, d.h. an die Ist-Lage/Ausrichtung der Bauplattform bzw. der Preform anzu passen. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Position der Bauplattform in der Bearbeitungsmaschine, insbesondere deren Ausrichtung relativ zur (horizontalen) Bearbeitungsebene, korrigiert werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Anbindung des auf der Preform aufzubauenden Bauteils exakt der vorgegebenen Kontur der Preform folgt. Es versteht sich, dass eine solche Korrektur auch sinnvoll sein kann, wenn in der Bearbeitungsmaschine keine Preform vorhanden ist, d.h. wenn das dreidimensionale Bauteil vollständig durch
schichtweisen Aufbau aus den Pulverschichten erzeugt wird.
Bei einer Variante wird/werden anhand der ermittelten Abweichungen ein lateraler Versatz und/oder eine Verdrehung der Bauplattform und/oder der Preform in der Bearbeitungsebene korrigiert. Zu diesem Zweck werden die Ist-Positionen, genauer gesagt die (zweidimensionalen) Orts-Koordinaten bzw. äquivalent dazu die
Winkelstellungen des bzw. der Scannerspiegel der Scannereinrichtung, von
(mindestens) zwei Markierungen bestimmt, die an der Bauplattform oder an der Preform (ortsfest) angebracht sind. Beim Überfahren der mindestens zwei
Markierungen lässt sich durch Rückrechnen der lateralen Bahn des Laserstrahls im Koord i natensystem der Scannereinrichtung die Ist-Position der Markierungen (X- Koordinate und Y-Koordinate bzw. entsprechende Winkel-Stellungen des/der
Scannerspiegel) bestimmen.
Anhand eines Vergleichs der Ist-Positionen mit den Soll-Positionen der beiden Markierungen können sowohl ein lateraler Versatz der Bauplattform/Preform relativ zu einer Soll-Position als auch eine Verdrehung der Bauplattform/Preform relativ zu einer Soll-Ausrichtung in der Bearbeitungsebene der Bearbeitungsmaschine bestimmt werden. Die Verdrehung kann beispielsweise anhand einer Abweichung einer Soll-Ausrichtung eines Abstandsvektors zwischen den Soll-Positionen der beiden Markierungen und einer Ist-Ausrichtung eines Abstandsvektors zwischen den Ist-Positionen der beiden Markierungen bestimmt werden. Zusätzlich zur Verdrehung der Bauplattform/Preform kann auch der laterale Versatz der Bauplattform anhand einer Differenz zwischen einer jeweiligen Ist-Position und einer jeweiligen Soll- Position einer jeweiligen Markierung ermittelt und ggf. bei der Positionierung des Laserstrahls in dem Bearbeitungsfeld korrigiert werden. Falls geeignete
Stelleinrichtungen in der Bearbeitungsmaschine vorgesehen sind, kann/können ggf. die laterale Position der Bauplattform bzw. deren Verdrehung in der
Bearbeitungsebene korrigiert werden. Im Idealfall kann hierbei die Bauplattform an Ihre Soll-Position in der Bearbeitungsmaschine bewegt werden, so dass auf eine Korrektur bei der Positionierung des Laserstrahls in dem Bearbeitungsfeld ggf.
verzichtet werden kann.
Um zu vermeiden, dass es bei der Ermittlung der Abweichung zu falschen
Ergebnissen aufgrund einer Verkippung der Bauplattform/Preform relativ zur
Bearbeitungsebene (oder einer zu dieser parallelen Ebene) kommt, die zu einer Längenänderung zwischen den detektierten Ist-Posrtionen der Markierungen führt, ist es erforderlich, dass die Bauplatte/Preform vor dem Kalibrieren nivelliert wird, d.h. in eine parallel zur Bearbeitungsebene ausgerichtete Lage verbracht wird bzw. dass die Verkippung bei der Kalibrierung berücksichtigt wird.
Bei einer Variante wird eine Verkippung der Bauplattform und/oder der Preform relativ zur Bearbeitungsebene der Bearbeitungsmaschine durch eine
Abstandsmessung ermittelt und es wird die ermittelte Verkippung der Bauplattform und/oder der Preform relativ zur Bearbeitungsebene korrigiert. Für die Triangulation kann beispielsweise ein T riangulationslaser verwendet werden, der ggf. zusätzlich zu einem Arbeitslaser, der zur Bestrahlung der Pulverschichten dient, in einer
Bestrahlungseinrichtung angeordnet ist. Der Triangulations-Laserstrahl des
T riangulationslasers kann z.B. koaxial zum Bearbeitungs-Laserstahl in den
Strahlengang der Scannereinrichtung eingekoppelt werden. Alternativ kann für die Triangulation bzw. für den Triangulationslaser eine weitere Scannereinrichtung in der Bearbeitungsmaschine vorgesehen sein. Die Verwendung eines zusätzlichen
T riangulationslasers ist aber nicht zwingend erforderlich, vielmehr kann zur
Triangulation auch ein ohnehin in der Bearbeitungsmaschine vorhandener Pilot- Laser oder der Arbeitslaser verwendet werden, der zu Bestrahlen der
Pulverschichten dient. Für die Triangulation bzw. die Abstandsmessung kann eine kamerabasierte Strukturauswertung eingesetzt werden. Die Triangulation funktioniert in der Regel jedoch nur, wenn die an der Bauplattform fixierte Preform keine zu große Ausdehnung in vertikaler Richtung (Z-Richtung) aufweist, da in diesem Fall der für die Triangulation verwendete T riangulations-Laserstrahl ggf. abgeschattet wird.
Bei einer alternativen Variante wird eine Abweichung zwischen einem jeweiligen Soll- Abstand und einem jeweiligen Ist-Abstand zwischen jeweils zwei von mindestens drei typischerweise in einem Dreieck angeordneten Markierungen ermittelt, und es wird anhand der ermittelten Abweichung eine Verkippung der Bauplattform und/oder der Preform relativ zur Bearbeitungsebene korrigiert. Bei dieser Variante wird anhand der Ist-Positionen bzw. der Ist-Abstände der (mindestens) drei Markierungen eine Information über die Verkippung bzw. über die Z-Lage der Bauplattform/Preform ermittelt. Der Soll-Abstand stellt hierbei den Differenz-Vektor zwischen den
(zweidimensionalen) Soll-Positionen von jeweils zwei Markierungen dar.
Entsprechend stellt der Ist-Abstand den Differenz-Vektor zwischen den
(zweidimensionalen) Ist-Positionen von jeweils zwei der Markierungen dar.
Durch die Verwendung der mindestens drei Markierungen ist eine Nivellierung, d.h. eine (manuelle oder automatisierte) Korrektur der Verkippung der Bauplattform in der Bearbeitungsmaschine, bzw. eine Berücksichtigung der Verkippung der
Bauplattform/Preform bei der Positionierung des Laserstrahls in dem
Bearbeitungsfeld auch für den Fall möglich, dass die Preform eine nennenswerte Ausdehnung in vertikaler Richtung aufweist, die zu der weiter oben beschriebenen Abschattung des Triangulations-Laserstrahls führt, so dass durch die Triangulation keine Nivellierung stattfinden kann.
Beim Überfahren von z.B. drei Markierungen entsteht ein virtuelles Dreieck, dessen drei Eckpunkte von den Markierungen gebildet werden. Aus den Bahndaten zur Erzeugung des dreidimensionalen Bauteils sind sowohl die Soll-Positionen der drei Markierungen als auch die Soll-Abstände zwischen jeweils zwei der Markierungen, d.h. die Soll-Längen der drei Schenkel des Dreiecks, bekannt. Kommt es
betriebsbedingt zu einer Schiefstellung der Ba u p I attfo rm/Prefo rm , wird diese beim Überfahren der Markierungen mittels des Laserstrahls erfasst, da die Länge der Schenkel des Dreiecks sich aus dem Blickwinkel der Scannereinrichtung verändert:
Bei einem Auskippen eines der Eckpunkte des Dreiecks nach oben aus einer horizontalen Ebene (Bearbeitungsebene) vergrößert sich der Scanwinkel, unter dem der Laserstrahl ausgerichtet werden muss, um den Eckpunkt mit der Markierung zu erfassen. Entsprechend verringert sich bei einer Schiefstellung, bei welcher eine den Eckpunkt bildende Markierung nach unten aus einer horizontalen Ebene verkippt wird, der Scanwinkel, um diese Markierung zu erfassen. Anhand der Veränderung des Scanwinkels und somit der Ist-Position der jeweiligen Markierung bzw. der Vergrößerung oder der Verkleinerung des Ist-Abstands und der Kenntnis des Soll- Abstands zwischen jeweils zwei Markierungen lässt sich somit zweifelsfrei erkennen, ob die jeweilige Markierung in Z-Richtung oberhalb (Vergrößerung des Ist-Abstands zum Soll-Abstand) oder unterhalb (Verkleinerung des Ist-Abstands zum Soll- Abstand) einer horizontalen Ebene bzw. einer Nennlage in Z-Richtung liegt. Die Positionierung des Laserstrahls in dem Bearbeitungsfeld kann anhand der ermittelten Abweichung entsprechend korrigiert werden.
Die Soll-Positionen der Markierungen werden der Scannereinrichtung bzw. einer für die Herstellung des dreidimensionalen Bauteils verwendeten Steuerungseinrichtung der Bearbeitungsmaschine zusammen mit den Bahndaten zur Herstellung des dreidimensionalen Bauteils übergeben. Bei den Soll-Positionen der Markierungen handelt es sich um Positionen, die bei einer gewünschten Soll-Lage/Ausrichtung der Bauplattform/Preform von den Markierungen eingenommen werden. Für die Vorgabe der Soll-Positionen ist es daher erforderlich, die Positionen der Markierungen relativ zur Bauplatte/Preform zu kennen. Die Soll-Positionen können grundsätzlich als bekannt vorausgesetzt werden, wenn die Markierungen mit einer hohen Präzision an der Oberseite der Bauplattform bzw. an der Oberseite der Preform angebracht werden.
Bevorzugt wird/werden die Bauplattform und/oder die Preform in einem
vorausgehenden Schritt zum Bestimmen der Soll-Positionen der Markierungen relativ zur Bauplattform und/oder zur Preform vermessen. Die Vermessung kann
beispielsweise mit Hilfe einer Koordinaten-Messmaschine erfolgen. Anhand der Positionen der Markierungen relativ zur Bauplattform/Preform können unter
Verwendung der bekannten Soll-Position bzw. der Soll-Lage der
Bauplattform/Preform relativ zum Koordinatensystem der Bearbeitungsmaschine die Soll-Positionen der Markierungen festgelegt werden, die für die weiter oben beschriebene Ermittlung der Abweichungen verwendet werden.
Typischerweise werden die zwei oder mehr Markierungen voneinander beabstandet an der Oberseite der Bauplattform bzw. der Preform angebracht. Die Markierungen werden in der Regel benachbart zum seitlichen Rand bzw. zum Außendurchmesser der Bauplattform bzw. der Preform angebracht, um die Herstellung des
dreidimensionalen Bauteils nicht zu behindern. Für die Genauigkeit der Kalibrierung ist es zudem in der Regel günstig, wenn die Markierungen möglichst große Abstände zueinander aufweisen.
Die Markierungen können beispielsweise durch reflektierende, streuende oder absorbierende Flächenbereiche gebildet sein, die auf einem Substrat mit einer jeweils anderen Eigenschaft aufgebracht sind, so dass die Markierungen beim Überfahren mit dem Laserstrahl anhand von in die Scannereinrichtung
zurückreflektierter bzw. zurückgestreuter Laserstrahlung detektiert werden können.
Im Sinne dieser Anmeldung wird unter in die Scannereinrichtung zurück reflektierter Laserstrahlung auch Laserstrahlung verstanden, die an einer solchen streuenden Markierung nicht spekular in die Scannereinrichtung zurück gestreut wird.
Die Markierungen können beispielsweise eine Geometrie in der Art von Kreisen, Punkten oder Kreuzen aufweisen. Beispielsweise können die Markierungen in Form von Ringstrukturen aus einer dünnen Goldschicht auf einem Keramiksubstrat gebildet werden, welches an der Bauplattform bzw. an der Preform angebracht wird. Bei den Markierungen kann es sich auch um reflektierende Flächenbereiche handeln, an die ein nicht retroreflektierender, insbesondere absorbierender und/oder streuender Flächenbereich angrenzt, welcher aus dem Material des Substrats gebildet ist.
Bei einer weiteren Variante wird der Laserstrahl an einem Retroreflektor in Form eines dreidimensionalen Objekts, insbesondere einer Kugel, in die
Scannereinrichtung zurück reflektiert, wobei bevorzugt die Ist-Position des
Retroreflektors anhand einer Intensitätsverteilung der detektierten zurück
reflektierten Laserstrahlung ermittelt wird.
Bei dieser Variante wird für das Kalibrieren bzw. Registrieren der
Bearbeitungsmaschine ein Retroreflektor in Form eines reflektierenden
dreidimensionalen Objekts verwendet, welches einen erheblichen Anteil eines auf den Retroreflektor auftreffenden Laserstrahls im Wesentlichen unabhängig vom Einfallswinkel zur Strahlquelle - im vorliegenden Fall zur Scannereinrichtung - zurück reflektiert. Unter einem dreidimensionalen Objekt wird ein Objekt verstanden, das in allen drei Raumdimensionen eine Ausdehnung von mindestens 20 pm, bevorzugt von mindestens 50 pm, besonders bevorzugt von mindestens 100 pm, insbesondere von mindestens 1 mm aufweist. Der Retroreflektor weist über einen großen
Einfallswinkelbereich eine Reflektivität von z.B. mehr als 5% in die Einfallsrichtung des Laserstrahls auf. Die Reflektivität des Retroreflektors in die Einfallsrichtung ist somit deutlich größer als bei herkömmlichen reflektierenden Objekten bzw.
Materialien, bei denen die einfallende Strahlung (nur) spekular reflektiert wird, so dass nur ein sehr kleiner Anteil an gestreuter Laserstrahlung in die Einfallsrichtung des Laserstrahls zurück reflektiert wird. Die erhöhte Intensität der von dem
Retroreflektor zur Scannereinrichtung zurück reflektierten Laserstrahlung erhöht deren Detektierbarkeit und somit die Präzision bei der Ermittlung der Ist-Position des Retroreflektors in dem Bearbeitungsfeld.
Bei dieser Variante kann es sich bei dem Retroreflektor beispielsweise um eine (kleine) Kugel handeln, die aus einem den Laserstrahl transmittierenden Material, beispielsweise aus Glas, insbesondere Quarzglas, Saphir, Diamant etc. gebildet sein kann und die in der Regel einen Durchmesser in der Größenordnung von mehreren Mikrometern bis zu wenigen Millimetern, in der Regel weniger als 10 mm, aufweist. Ein solcher dreidimensionaler Retroreflektor ermöglicht eine sehr präzise
Bestimmung der Ist-Position des Retroreflektors in dem Bearbeitungsfeld, welche durch die Position, genauer gesagt durch die XY-Koordinaten des Zentrums der transparenten Kugel vorgegeben ist.
Die transparente Kugel wirkt als Retroreflektor, da diese einen Großteil des von einer weit entfernten Lichtquelle einfallenden Lichts auf einen Fleck im Bereich der hinteren Oberfläche der Kugel oder ggf. an der vorderen Oberfläche der Kugel fokussiert, wobei durch den Unterschied im Brechungsindex zwischen der Kugel und der Umgebung, typischerweise Luft, die hintere Oberfläche oder ggf. die vordere Oberfläche der Kugel als Retroreflektor wirkt. Es versteht sich, dass ggf. auch dreidimensionale Objekte, die auf andere Weise, beispielsweise als Prismen oder dergleichen ausgebildet sind, als Retroreflektoren verwendet werden können. Es versteht sich, dass die Kugel in den vorherigen und nachfolgenden
Ausführungsformen nicht zwingend transparent für den Laserstrahl ausgebildet sein muss, wenn die vordere Oberfläche der Kugel als (Retro-) Reflektor wirkt.
Für die Ermittlung der Ist-Position des Retroreflektors kann beispielsweise wie nachfolgend beschrieben vorgegangen werden: Der Retroreflektor in Form des dreidimensionalen Objekts wird mittels des Laserstrahls (mehrfach) überfahren, wobei die Scannereinrichtung einen Bereich mit vorgegebener räumlicher
Erstreckung abscannt und wobei jeweils die zurück reflektierte Laserstrahlung detektiert wird. Entspricht die Position des Laserstrahls in dem Bearbeitungsfeld exakt der Ist-Position des Retroreflektors, so kommt es zu einer maximalen Reflexion des Laserstrahls an dem Retroreflektor, d.h. es wird eine maximale Intensität der reflektierten Laserstrahlung detektiert. Bei Abweichungen zwischen der Ist-Position des Laserstrahls und der Ist-Position des Retroreflektors wird eine geringere
Intensität der reflektierten Laserstrahlung detektiert. Aus der zweidimensionalen Intensitätsverteilung (Bitmap) der detektierten Laserstrahlung wird mit Hilfe eines Bildauswertealgorithmus ein Intensitätsschwerpunkt als Ist-Position des
Retroreflektors bestimmt. Bei einer Weiterbildung ist die Kugel in einer Fassung aufgenommen, die von dem Kalibrieren an der Bauplattform oder an der Preform fixiert, bevorzugt angeschraubt wird. Für eine möglichst präzise Kalibration der Bearbeitungsmaschine ist es erforderlich, dass die laterale Position der Kugel an der Bauplatte/Preform möglichst präzise definiert ist und insbesondere das Spiel zwischen der Kugel bzw. der Fassung und der Bauplattform/Preform minimiert wird. Zu diesem Zweck kann die Fassung ein Gewinde sowie einen Präzisionspassbund aufweisen, welcher die laterale Positionierung der Kugel mit der Genauigkeit einer Fräsmaschine ermöglicht, die zum Fräsen einer Bohrung mit Gegengewinde (Passschraube bzw. Passung) in die Bauplattform/Preform verwendet wird.
Die Fassung weist bevorzugt zusätzlich eine exakt definierte Höhe von einem axialen Anschlag des Präzisio nspassb und es zur Mitte der Kugel auf. Die Kugel kann in der Fassung in Form einer (Referenz-)Schraube durch eine thermisch induzierte
Spannung gefasst werden, beispielsweise indem die Fassung bei der Montage der Kugel auf ca. 80°C erwärmt wird. Um die Spannung der Fassung während des Betriebs der Bearbeitungsmaschine nicht zu verlieren, kann für die Fassung ein Werkstoff gewählt werden, welcher einen möglichst identischen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Material der Kugel aufweist. Handelt es sich bei dem Material der Kugel z.B. um Saphir (AI2O3), kann als Material für die Fassung z.B. Kovar gewählt werden, da beide Materialien einen annähernd gleichen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Bei einer weiteren Variante werden die Markierungen für das Durchführen des Kalibrierens durch Bewegen der höhenverstellbaren Bauplattform in oder in der Nähe einer Bea rbeitu ngsebene der Bearbeitungsmaschine angeordnet. Auf der Höhe der Bearbeitungsebene ist typischerweise eine Arbeitsfläche in der Bearbeitungskammer gebildet. Unter einer Anordnung der Markierungen in der Nähe der
Bearbeitungsebene wird eine Abweichung von ca. einem Millimeter in vertikaler Richtung von der Bearbeitungsebene (nach unten) verstanden. Die Markierungen sollten nicht über die Bearbeitungsebene nach oben überstehen, um eine Kollision mit einem Schieberarm oder dergleichen, der zum Transport von Pulver auf die Bauplattform verwendet wird, zu verhindern. Bei dem weiter oben beschriebenen Retrorefiektor in Form einer Kugel kann die Mantelfläche der Kugel beispielsweise frei über die Fassung hinaus ragen und derart in einer Aufnahme, typischerweise einer Passschraube, in der Bauplattform/Preform eingebaut werden, dass die Mantelfläche wenige 1/10 mm unterhalb der Bearbeitungsebene liegt, wenn die Bauplattform/Preform sich mit ihrer Oberseite auf der Höhe der Bauplattform befindet.
Neben einer präzisen Vermessung der Ist-Positionen der Markierungen in dem Bearbeitungsfeld ist es in der Regel auch erforderlich bzw. günstig, wenn die absolute Position der Markierungen in Höhenrichtung, d.h. senkrecht zur
Bearbeitungsebene, möglichst präzise bestimmt werden kann. Aufgrund der Fixierung der Markierungen an der Bauplattform bzw. an der Preform ist die
Höhenposition der Markierungen relativ zur Bauplattform - eine ebene Ausrichtung der Bauplattform vorausgesetzt - grundsätzlich bekannt. Durch die Bestimmung eines Abstands in Höhenrichtung zwischen den Markierungen und einer
Referenzhöhe kann daher die absolute Höhenposition der Bauplattform bestimmt werden. Die absolute Höhenposition kann auf die Referenzhöhe in der
Bearbeitungsmaschine bezogen werden, bei der es sich beispielsweise um die Höhenposition der Bearbeitungsebene, um eine andere Referenzhöhe der höhenverstellbaren Bauplattform, um eine Höhenposition der
Bestrahlungseinrichtung bzw. der Scannereinrichtung, z.B. auf um die Höhenposition eines Drehpunkts der Scannereinrichtung (s.u.), handeln kann. Ist die absolute Höhenposition der Bauplattform bekannt, kann insbesondere eine Nulllage der Bauplattform relativ zur Höhenposition der Bearbeitungsebene präzise definiert werden, die ansonsten in der Regel mit einer großen Ungenauigkeit belastet ist.
Bei einer Variante des Verfahrens wird ein Abstand in Höhenrichtung zwischen mindestens einer der Markierungen und der Scannereinrichtung, bevorzugt einem Drehpunkt der Scannereinrichtung zur Ausrichtung des Laserstrahls auf die mindestens eine Markierung, durch Triangulation bestimmt. Für die Bestimmung des Abstandes in Höhenrichtung wird typischerweise davon ausgegangen, dass die Bauplattform nivelliert ist, d.h. dass diese parallel zur Bearbeitungsebene
ausgerichtet ist. Wie bei der Triangulation üblich, kann der Abstand in Höhenrichtung zwischen dem Drehpunkt und zwei der Markierungen dadurch bestimmt werden, dass der Laserstrahl ausgehend von dem Drehpunkt unter einem jeweiligen
(Beobachtungs-)Winkel in Bezug auf die Höhenrichtung (Z-Achse) auf die erste bzw. auf die zweite Markierung ausgerichtet wird und anhand der beiden (Beobachtungs- JWinkel und anhand des (bekannten) Abstands zwischen den beiden Markierungen der Abstand in Höhenrichtung bestimmt wird. Der Ausrichtung bzw. die Drehung des Laserstrahls wird durch die S ca n ne re i n richtu ng der Bearbeitungsmaschine ermöglicht. Der Drehpunkt des Laserstrahls bzw. der Scannereinrichtung liegt bei der Verwendung von zwei Scannerspiegeln zwischen den beiden Drehachsen der Scannerspiegel.
Für den Fall, dass es sich bei den Markierungen wie weiter oben beschrieben um in eine Fassung aufgenommene Kugeln handelt, die vor dem Kalibrieren an der Bauplattform oder an der Preform gehaltert bzw. fixiert werden, weist der Abstand zwischen den Markierungen eine vergleichsweise hohe Toleranz auf, d.h. dieser ist mit einer großen Messunsicherheit belastet. In der Regel weist die
Bearbeitungsmaschine, in der das Verfahren zum Kalibrieren durchgeführt wird, jedoch eines oder mehrere Positionierungssysteme bzw. Aktoren auf, die eine Bewegung mit einer hohen Präzision ermöglichen. Beispielsweise kann es sich hierbei um einen Aktor bzw. um einen Antrieb zur präzisen Verschiebung der höhenverstellbaren Bauplattform in Höhenrichtung oder um einen Aktor in Form einer weiteren Scannereinrichtung zur hochpräzisen Positionierung eines weiteren
Laserstrahls handeln.
Um den mit der Messunsicherheit behafteten Abstand zwischen den beiden
Markierungen nicht für die Bestimmung des Abstandes in Höhenrichtung in Bezug zu der Scannereinrichtung zu verwenden, wird dieser bei der Triangulation bevorzugt nicht berücksichtigt, d.h. dieser wird aus den jeweiligen Gleichungen eliminiert. Der Abstand zwischen den Markierungen wird durch eine andere Messgröße des bzw. der Aktor-System(e) ersetzt, welche für die Triangulation verwendet wird und welche präziser bekannt ist bzw. präziser vermessen werden kann. Auf diese Weise wird die Messunsicherheit auf das bzw. auf die Aktor-Systeme verlagert, die aufgrund ihrer hohen Genauigkeit zu einer geringeren Messunsicherheit bei der Bestimmung des Abstandes in Höhenrichtung beitragen. Idealerweise wird in diesem Fall für die Triangulation ein- und dieselbe Markierung mindestens zwei Mal vermessen, d.h. diese wird unter zwei oder mehr unterschiedlichen (Blick- )Winkeln in Bezug auf die Höhenrichtung (Z-Achse) beobachtet bzw. mit dem Laserstrahl überfahren.
Bei einer Weiterbildung wird zum Bestimmen des Abstands die höhenverstellbare Bauplattform in Höhenrichtung verschoben und der Abstand wird anhand einer Verfahrstrecke der Bauplattform in Höhenrichtung zwischen einer ersten
Höhenposition und einer zweiten Höhenposition und bevorzugt anhand eines Winkels, unter dem der Laserstrahl an einer jeweiligen Höhenposition auf die mindestens eine Markierung ausgerichtet ist, durch Triangulation bestimmt. In diesem Fall wird der (Beobachtungs-)Winkel bei der Beobachtung ein- und derselben Markierung bei zwei unterschiedlichen Höhenpositionen der Bauplattform ausgehend von demselben Beobachtungspunkt, beispielsweise von demselben Drehpunkt, ermittelt und als dritte Messgröße für die Triangulation wird die Verfahrstrecke der Bauplattform in Höhenrichtung verwendet. Es versteht sich, dass der Abstand in Höhenrichtung zu der Scannereinrichtung auf diese Weise nicht nur für eine, sondern auch für zwei oder mehr der Markierungen bestimmt werden kann. Ist die
Bauplattform bzw. die Preform korrekt nivelliert, sollte sich hierbei jeweils derselbe Abstand in Höhenrichtung ergeben, sofern sich die Höhenposition der Markierungen relativ zur Bauplattform bzw. zur Preform nicht unterscheidet. Zur Bestimmung des Abstandes aller Markierungen bzw. der Ebene mit den Markierungen (bzw. der Bauplattform und/oder der Preform) von der Scannereinrichtung kann eine (ggf. gewichtete) Mittelung über die Abstände erfolgen, die für die einzelnen Markierungen bestimmt wurden.
Bei einer weiteren Weiterbildung wird zum Bestimmen des Abstands ein weiterer Laserstrahl einer weiteren Scannereinrichtung auf die mindestens eine Markierung ausgerichtet und der Abstand wird anhand einer Distanz der Scannereinrichtung zu der weiteren Scannereinrichtung, bevorzugt anhand einer Distanz eines Drehpunkts der Scannereinrichtung zu einem Drehpunkt der weiteren Scannereinrichtung, sowie anhand eines jeweiligen Winkels, unter dem der Laserstrahl und der weitere
Laserstrahl auf die mindestens eine Markierung ausgerichtet sind, durch
Triangulation bestimmt. Die Bearbeitungsmaschine, an welcher die Kalibration durchgeführt wird, weist in diesem Fall zwei oder mehr Scannereinrichtungen auf und kann beispielsweise wie in der DE 10 2016 222 186 A1 beschrieben ist ausgebildet sein, welche durch Bezugnahme bezüglich dieses Aspekts zum Inhalt dieser
Anmeldung gemacht wird. Die weitere Scannereinrichtung kann insbesondere Teil einer weiteren Bestrahlungseinrichtung sein, die ähnlich oder baugleich zu der Bestrahlungseinrichtung ist, in der die Scannereinrichtung vorgesehen ist.
Auch bei dieser Weiterbildung wird ein- und dieselbe Markierung zwei Mal aus unterschiedlichen (Blick-)winkeln beobachtet, allerdings von unterschiedlichen Beobachtungspunkten aus, die beispielsweise den weiter oben beschriebenen Drehpunkten entsprechen können. In diesem Fall wird die bekannte und während der Kalibrierung der Scannereinrichtung und der weiteren Scannereinrichtung relativ zueinander gut zu bestimmende Distanz zwischen den beiden Drehpunkten bzw. zwischen den beiden Scannereinrichtungen zusätzlich zu den jeweiligen Winkeln für die Triangulation verwendet. Auch auf diese Weise kann die Messunsicherheit bei der Bestimmung des Abstandes in Höhenrichtung reduziert werden.
Die Messunsicherheit kann zusätzlich durch das mehrmalige Verfahren der höhenverstellbaren Bauplattform in Höhenrichtung an drei oder mehr
unterschiedliche Höhenpositionen verringert werden, wobei anhand einer
Verfahrstrecke zwischen jeweils zwei der Höhenpositionen ein jeweiliger Abstand in Höhenrichtung bestimmt wird. Gleiches gilt für eine Bestimmung des Abstandes zu der bzw. den Scannereinrichtungen unter Zuhilfenahme von weiteren (dritten, vierten, ...) Scannereinrichtungen. In diesem Fall kann ein- und dieselbe Markierung aus drei oder ggf. mehr (Blick-)Winkeln beobachtet werden, um die Mess- bzw. die Detektionsgenauigkeit weiter zu erhöhen. Die weiter oben beschriebenen Ansätze können insbesondere kombiniert bzw. parallel (gleichzeitig) durchgeführt werden, um durch eine (ggf. gewichtete) Mittelung der bei unterschiedlichen Messstrategien bestimmten Werte die Messgenauigkeit bei der Bestimmung des Abstandes in Höhenrichtung der Markierungen von der Scannereinrichtung und somit bei der Bestimmung der Höhenposition der Bauplattform bzw. der Preform als Ganzes zu erhöhen.
In einer weiteren Variante wird zum Kalibrieren der Bearbeitungsmaschine ein Pilot- Laserstrahl verwendet. Der für das Kalibrieren verwendete Pilot-Laserstrahl weist typischerweise eine geringere Leistung auf als der für die Bestrahlung der Pulverschichten verwendete Bearbeitungs-Laserstrahl. Dies ist günstig, um eine Beschädigung des Retroreflektors durch den Laserstrahl zu vermeiden. Als
Laserquelle kann beispielsweise ein Faserlaser verwendet werden, über dessen Faser auch der Pilot-Laserstrahl des Faserlasers übertragen wird, der eine geringere Leistung aufweist als der Bearbeitungs-Laserstrahl und der mit Hilfe der
Scannereinrichtung in dem Bearbeitungsfeld positioniert wird. Auch die Wellenlänge des Pilot-Laserstrahls kann sich von der Wellenlänge des Bearbeitungs-Laserstrahls unterscheiden. Alternativ kann die Kalibrierung ggf. auch mit dem für die Bestrahlung bzw. für das Aufschmelzen der Pulverschichten verwendeten Bearbeitungs- Laserstrahl vorgenommen werden.
Bei einer weiteren Variante umfasst das Verfahren zusätzlich: Detektieren
mindestens eines Retroreflektors in dem Bearbeitungsfeld durch Abscannen mindestens eines anhand der Soll-Position des Retroreflektors vorgegebenen Suchbereichs in dem Bearbeitungsfeld mittels des Laserstahls. Die
(zweidimensionale, d.h. X/Y) Soll-Position der Retroreflektoren, insbesondere in Form der Kugeln, kann in der Bearbeitungsmaschine, typischerweise in einer Steuerungseinrichtung, z.B. in Form einer Tabelle oder dergleichen vorgegeben werden. Um die Retroreflektoren an ihrer jeweiligen Ist-Position aufzufinden, wird bei diesem Beispiel um die vorgegebene Soll-Position ein Suchfenster in Form eines Teilbereichs des Bearbeitungsfeldes definiert. Dieser Suchbereich wird zunächst mittels des Laserstrahls grob, d.h. mit geringer Auflösung, abgescannt, bis der jeweilige Retroreflektor aufgefunden wird. Anschließend wird wie weiter oben beschrieben der Retroreflektor, typischerweise in Form der Kugel, fein, d.h. mit einer höheren Auflösung, überfahren, um die genaue Ist-Position des Retroreflektors zu bestimmen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Bearbeitungsmaschine zum Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen durch Bestrahlen von Pulverschichten, umfassend: eine Bestrahlungseinrichtung mit einer Scannereinrichtung zum Positionieren eines Laserstrahls in einem Bearbeitungsfeld, eine Bearbeitungskammer, in der ein Bearbeitungsfeld gebildet ist und die eine Bauplattform zum Aufbringen der
Pulverschichten aufweist, mindestens zwei Markierungen, insbesondere in Form von Retroreflektoren, die an der Bauplattform und/oder an einer an der Bauplattform fixierten Preform angebracht sind, einen Detektor zur Detektion von Laserstrahlung, die beim Überfahren der Markierungen mit dem Laserstrahl von den Markierungen in die Scannereinrichtung zurück reflektiert wird, eine Auswerteeinrichtung zum
Ermitteln von Ist-Positionen der Markierungen anhand der detektierten
Laserstrahlung, sowie eine Steuerungseinrichtung zum Ermitteln von Abweichungen der Ist-Positionen der Markierungen von Soll-Positionen der Markierungen und zum Korrigieren der Positionierung des Laserstrahls in dem Bearbeitungsfeld und/oder der Position der Bauplattform in der Bearbeitungsmaschine anhand der ermittelten Abweichungen.
Es versteht sich, dass auch für den Fall, dass eine Preform an der Bauplattform (ortsfest) fixiert ist, die Markierungen an der Bauplattform und nicht an der Preform angebracht werden können. Dies ist ggf. günstig, da zu deren ortsfester Anbringung die Preform ggf. mechanisch bearbeitet werden muss, z.B. indem Gewinde- Bohrungen oder dergleichen für die Aufnahme der Markierungen in die Preform eingebracht werden. Da sich das Material der Preform mit dem Pulvermaterial verbindet und ein Unterteil des in der Bearbeitungsmaschine hergestellten Bauteils bildet, ist eine solche mechanische Bearbeitung ggf. unerwünscht. Auch ist bei bestimmten Preformen, z.B. für Zahnimplantate, ggf. kein Raum für die Anbringung der Markierungen vorhanden. Die Anbringung der Markierungen an der Preform ermöglicht es aber, eine fehlerhafte Fixierung, beispielsweise eine fehlerhafte Ausrichtung, der Preform relativ zur Bauplattform zu erkennen und zu korrigieren, was bei der Anbringung der Markierungen an der Bauplattform typischerweise nicht möglich ist. Die Preform kann auf unterschiedliche Weise (lösbar) an der
Bauplattform fixiert werden, beispielsweise durch Klemmen, durch eine rastende Verbindung, durch Fixierstifte, die in Bohrungen der Bauplattform eingesetzt werden, etc.
Bei einer Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung ausgebildet, anhand der ermittelten Abweichungen einen lateralen Versatz und/oder eine Verdrehung der Bauplattform und/oder der Preform in der Bearbeitungsebene zu korrigieren. Für die Korrektur eines lateralen Versatzes und/oder einer Verdrehung ist es ausreichend, wenn zwei voneinander beabstandete Markierungen an der Bauplattform oder an der Preform angebracht sind. Wie weiter oben beschrieben wurde, sind die Markierungen typischerweise an der Oberseite der Bauplattform bzw. der Preform angebracht; grundsätzlich können die Markierungen an jeder Stelle der
Bauplattform/Preform angebracht sein, die von dem Laserstrahl in dem
Bearbeitungsfeld erreicht werden kann. Es versteht sich, dass auch zwei oder mehr Preforms an der Bauplattform fixiert werden können, die ggf. mit eigenen
Markierungen versehen sind. Das Korrigieren der Positionierung des Laserstrahls in dem Bearbeitungsfeld kann auf die weiter oben beschriebene Weise erfolgen. Für die automatisierte Korrektur der Position der Bauplattform, insbesondere von deren Verkippung in Bezug auf die Bearbeitungsebene, kann die Steuerungseinrichtung mit Hilfe von Aktuatoren auf geeignete Stelleinrichtungen, z.B. in Form von
Stellschrauben, einwirken.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Bearbeitungsmaschine eine
Abstandsmesseinrichtung, insbesondere einen Triangulationslaser, die zur
Ermittlung einer Verkippung der Bauplattform und/oder der Preform relativ zur Bearbeitungsebene der Bearbeitungsmaschine ausgebildet ist, wobei die
Steuerungseinrichtung ausgebildet ist, die durch die Abstandsmesseinrichtung ermittelte Verkippung der Bauplattform und/oder der Preform relativ zur
Bearbeitungsebene zu korrigieren. Die Abstandsmesseinrichtung kann einen
Triangulationslaser als Sender sowie einen Empfänger aufweisen, welcher den Abstand zur Bauplattform und/oder zur Preform an mehreren Positionen bestimmt und daraus die Verkippung der Bauplattform und/oder der Preform relativ zur Bearbeitungsebene bzw. zu einer zu dieser parallelen, typischerweise horizontalen Ebene bestimmt. Als T riangulationslaser kann ggf. der Arbeitslaser oder ein Pilot- Laser verwendet werden, es ist aber auch möglich, dass die Bearbeitungsmaschine einen zusätzlichen Laser aufweist, der als Triangulationslaser dient. Die
Abstandsmesseinrichtung benötigt nicht zwingend einen Laser, vielmehr kann es ausreichend sein, wenn eine statische Linienprojektion auf die Bauplattform/Preform erfolgt und diese mittels einer Bilderfassungseinrichtung und Bildauswertung ausgewertet wird, um die Verkippung der Bauplattform und/oder der Preform relativ zur Bearbeitungsebene relativ zur Bearbeitungsebene zu ermitteln.
Die Verwendung der Abstandsmesseinrichtung ist bei Preformen, die eine
vergleichsweise große Höhe und/oder eine ungünstige Geometrie aufweisen, ggf. nicht ohne weiteres möglich, da in diesem Fall der von dem Triangulationslaser erzeugte Triangulations-Laserstrahl durch die Preform abgeschattet wird. Der Triangulationslaser bildet typischerweise einen Teil der Bestrahlungseinrichtung und ist somit oberhalb der Bearbeitungskammer bzw. der Bauplattform/Preform angeordnet. Die Abschattung des Triangulations-Laserstrahls tritt allerdings typischerweise nur dann auf, wenn die Markierungen an der Bauplattform und nicht an der Preform angebracht sind, da die Markierungen für die Kalibrierung
typischerweise in bzw. in der Nähe der Bearbeitungsebene positioniert werden. Für den Fall, dass die Markierungen an der Oberseite der Preform angebracht sind, lässt sich bei vielen Geometrien der Preform dieser Nachteil ausgleichen.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung ausgebildet, Abweichungen zwischen einem jeweiligen Soll-Abstand und einem jeweiligen Ist- Abstand von jeweils zwei von mindestens drei bevorzugt in einem Dreieck angeordneten Markierungen zu ermitteln, und die Steuerungseinrichtung ist ausgebildet, anhand der ermittelten Abweichungen eine Verkippung der Bauplattform und/oder der Preform relativ zur Bearbeitungsebene zu korrigieren. Bei dieser Ausführungsform werden die Ist-Abstände und die Soll-Abstände zwischen den Markierungen ermittelt, um anhand der Abweichungen die Verkippung der
Bauplattform/Preform in Bezug auf die Bearbeitungsebene zu ermitteln und erforderlichenfalls zu korrigieren. Im Gegensatz zu der weiter oben beschriebenen Ermittlung der Verkippung durch Triangulation kann auf eine zusätzliche
Abstandsmesseinrichtung verzichtet werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Retroreflektor als dreidimensionales Objekt, insbesondere als Kugel, ausgebildet. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann durch eine Markierung in Form eines solchen Retroreflektors die Präzision bei der Ermittlung der Ist-Position des Retroreflektors deutlich gesteigert werden. Bei einer Weiterbildung ist die (transparente) Kugel aus Quarzglas oder aus Saphir gebildet und/oder diese weist einen Durchmesser von weniger als 5 mm auf. Der Durchmesser der Kugel kann beispielsweise zwischen ca. 0,5 mm und 5 mm liegen, wobei bei kleinerem Durchmesser der Kugel in der Regel eine höhere Auflösung bei der Ermittlung der Ist-Position des Retroreflektors erreicht werden kann als bei einem größeren Durchmesser der Kugel. Bei der Verwendung eines nicht ortsauflösenden Detektors zur Detektion der in die Scannereinrichtung zurück reflektierten Laserstrahlung wird von diesem
zwangsläufig nur in einem bestimmten Winkelbereich zurückreflektierte
Laserstrahlung detektiert, wobei der Winkelbereich aufgrund der Anordnung des Detektors (in der Regel koaxial zum Strahlengang des Laserstrahls) mit der Einfallsund Ausfallsrichtung des Laserstrahls auf den Retroreflektor überlagert ist. Die Auflösung bei der Bestimmung des Strahlprofils hängt daher bei der Verwendung einer Kugel als Retroreflektor neben der Größe bzw. dem Durchmesser der Kugel (s.o.) auch davon ab, wo der Fokus der in die Kugel eindringenden Laserstrahlung sich befindet: Liegt der Fokus aufgrund des Brechungsindexes des transparenten Materials der Kugel direkt auf der Rückseite der Kugel, wird die Laserstrahlung zu einem großen Teil in einen engen Winkelbereich um die Einfallsrichtung des
Laserstrahls zurück reflektiert, so dass die Auflösung des Messverfahrens
vergleichsweise gering ist. Ist der Brechungsindex der Kugel größer oder kleiner als der Wert, bei dem der Fokus sich direkt auf der Rückseite der Kugel befindet, so dass der Laserstrahl vor oder hinter der Rückseite der Kugel fokussiert wird, weitet sich die zurück reflektierte Laserstrahlung leicht auf, so dass jeweils nur ein Bruchteil der zurück reflektierten Laserstrahlung detektiert wird, der typischerweise im
Wesentlichen zentrisch in die Kugel einfällt, so dass die Ist-Position des
Retroreflektors beim scannenden Überfahren mit einer höheren Auflösung bestimmt werden kann.
Der Brechungsindex, bei dem der Fokus ungefähr an der Rückseite der Kugel liegt, liegt ungefähr bei n = 2,0. Bevorzugt ist die Kugel aus Quarzglas (S1O2) oder aus Saphir (AI2O3) gebildet, da beide Materialien einen vergleichsweise geringen
Brechungsindex aufweisen, so dass der Fokus des Laserstrahls sich in diesem Fall hinter der Rückseite der Kugel befindet. Insbesondere Quarzglas, welches über einen vergleichsweise großen Wellenlängenbereich einen vergleichsweise kleinen Brechungsindex von ungefähr n = 1 ,54 aufweist, hat sich als vorteilhaft für die Durchführung des Verfahrens erwiesen. Es versteht sich aber, dass auch andere Materialien, beispielsweise andere Gläser, als Kugel-Materialien verwendet werden können. Auch können ggf. Materialien, welche einen vergleichsweise großen
Brechungsindex aufweisen, z.B. Diamant mit n = 2,42, als Materialien für die Kugel verwendet werden, da in diesem Fall der Fokus vor der Kugel rückseite liegt und die zurück reflektierte Laserstrahlung ebenfalls aufgeweitet wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Kugel in einer Fassung aufgenommen, die bevorzugt ein Schraubgewinde zur Fixierung in einer Passschraube einer Bohrung der Bauplattform und/oder der Preform aufweist. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann die Fassung einen Präzisionspassbund zur Erhöhung der Genauigkeit der lateralen Positionierung der Kugel an der Bauplattform/Preform aufweisen. Die Fassung, insbesondere der Präzisionspassbund, weist
typischerweise einen axialen Anschlag auf, der in einem genau vorgegebenen Abstand zur Mitte der Kugel angeordnet ist. Die Passschraube weist typischerweise ebenfalls einen in einem präzise vorgegebenen Abstand zur Oberseite der
Bauplattform/Preform angebrachten axialen Anschlag in Form eines Absatzes oder dergleichen auf.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Fassung mindestens eine Öffnung zum Austritt eines Strahlungsanteils des Laserstrahls auf. Durch die mindestens eine Öffnung können Strahlungsanteile des Laserstrahls aus der Fassung austreten, die ansonsten von der Fassung absorbiert und zu einer unerwünschten Erwärmung der Fassung führen würden.
Bei einerweiteren Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung ausgebildet, einen Abstand in Höhenrichtung zwischen mindestens einer der Markierungen und der Scannereinrichtung, bevorzugt einem Drehpunkt der Scannereinrichtung zur Ausrichtung des Laserstrahls unter einem Winkel auf die mindestens eine
Markierung, durch Triangulation zu bestimmen. Bei dieser Ausführungsform wird der Abstand der Markierung(en) zur Scannereinrichtung uns somit zu einer definierten Höhenposition in der Bearbeitungsmaschine bestimmt. Anhand dieses Abstandes kann selbstverständlich auch ein Abstand der Markierung(en) in Höhenrichtung zu einer anderen definierten Höhenposition in der Bearbeitungsmaschine,
beispielsweise der Höhenposition der Bearbeitungsebene, bestimmt bzw. berechnet werden. Für die Bestimmung des Abstandes in Höhenrichtung ist es ausreichend, wenn der Winkel, unter dem die Markierung beobachtet wird, bekannt ist, d.h. die Bestimmung der Koordinaten der Ist-Position der Markierung in dem Bearbeitungsfeld ist nicht erforderlich. Der Laserstrahl kann auf die weiter oben beschriebene Weise, d.h. durch das Überfahren der Markierungen und das
Detektieren der hierbei in die Scannereinrichtung zurück reflektierten Laserstrahlung auf die jeweilige Markierung ausgerichtet werden, so dass der (Dreh-)Winkel des Laserstrahls beim Ausrichten auf die Markierung bestimmt werden kann.
Bei einer Weiterbildung ist die Steuerungseinrichtung ausgebildet, zum Bestimmen des Abstands die höhenversteilbare Bauplattform in Höhenrichtung zu verschieben und den Abstand anhand einer Verfahrstrecke der Bauplattform zwischen einer ersten Höhenposition und einer zweiten Höhenposition und bevorzugt anhand eines Winkels, unter dem der Laserstrahl an einer jeweiligen Höhenposition auf die mindestens eine Markierung ausgerichtet ist, durch Triangulation zu bestimmen. Für die Triangulation werden neben der Verfahrstrecke bzw. der Höhendifferenz in der Regel auch die beiden Winkel von einem gemeinsamen Bezugspunkt, beispielsweise von dem Drehpunkt, zu ein- und derselben Markierung herangezogen. Im
vorliegenden Fall kann der Abstand der Markierung bei der ersten Höhenposition der Bauplattform zu der Scannereinrichtung durch Triangulation bestimmt werden. Es ist aber ebenso möglich, den Abstand zwischen der Markierung bei der zweiten
Höhenposition der Bauplattform und der Scannereinrichtung zu bestimmen.
Bei einer weiteren Weiterbildung weist die Bearbeitungsmaschine eine weitere Scannereinrichtung zur Ausrichtung eines weiteren Laserstrahls auf ein weiteres Bearbeitungsfeld auf, das in der Bearbeitungskammer gebildet ist und die und/oder eine weitere Steuerungseinrichtung (der weiteren Scannereinrichtung bzw. einer weiteren Bestrahlungseinrichtung) ist ausgebildet, zum Bestimmen des Abstands den weiteren Laserstrahl der weiteren Scannereinrichtung auf die Markierung auszurichten und den Abstand anhand einer Distanz der Scannereinrichtung zu der weiteren Scannereinrichtung, bevorzugt anhand einer Distanz des Drehpunkts der Scannereinrichtung zu einem Drehpunkt der weiteren Scannereinrichtung, sowie anhand eines jeweiligen Winkels, unter dem der Laserstrahl und der weitere
Laserstrahl auf die mindestens eine Markierung ausgerichtet sind, durch
Triangulation zu bestimmen.
In diesem Fall weist die Bearbeitungsmaschine zwei oder mehr Scannereinrichtungen auf, die Teil von zwei oder mehr Bestrahlungseinrichtungen sein können, die jeweils zur Bestrahlung eines in der Bearbeitungskammer gebildeten Bearbeitungsfeldes dienen. Die zwei oder mehr Bearbeitungsfelder der Scannereinrichtungen überlappen sich in der Regel zumindest teilweise, so dass zumindest eine, ggf. mehrere der Markierungen von zwei oder mehr Laserstrahlen, die von zwei unterschiedlichen Scannereinrichtungen auf das Bearbeitungsfeld ausgerichtet werden, überfahren werden und ein jeweiliger (Dreh-)Winkel, unter dem der Laserstrahl auf die Markierung ausgerichtet ist, bestimmt werden kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Detektor als nicht ortsauflösender Detektor, insbesondere als Diode, ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform handelt sich bei dem Detektor somit nicht um einen ortsauflösenden Detektor. Die Detektion der Intensität der Laserstrahlung mittels eines nicht ortsauflösenden Detektors ist im vorliegenden Fall ausreichend, da die Position des Laserstrahls in dem
Bearbeitungsfeld mit Hilfe der Scannereinrichtung, die typischerweise einen oder zwei Galvanometer-Spiegel aufweist, sehr präzise variiert werden kann. Ein Detektor in Form einer Diode kann ohnehin zur Prozessbeobachtung bei der Herstellung des dreidimensionalen Bauteils in der Bearbeitungsmaschine vorhanden sein, so dass dieser zusätzlich auch vorteilhaft für die Kalibration der Bearbeitungsmaschine eingesetzt werden kann. Es versteht sich, dass die (Foto-)Diode für den
Wellenlängenbereich des Laserstrahls, der für die Kalibration verwendet wird, eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Aufgrund der präzisen Positionierung des Laserstrahl- Fokus auf der Bauplattform/Preform mit einer Positionsgenauigkeit im Bereich von Mikrometern oder ggf. im Sub-Mikrometer-Bereich lässt sich in diesem Fall die Ist- Position der Retroreflektoren sehr präzise ermitteln.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschlie- ßende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen: Fig. 1 a,b schematische Darstellungen einer Bearbeitungsmaschine zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen, die eine Bauplattform mit einer Preform aufweist, an der zwei Retroreflektoren angebracht sind,
Fig. 2 eine Darstellung der Oberseite einer Bauplattform, an der drei
Markierungen in Form von Retroreflektoren angebracht sind, welche die Eckpunkte eines Dreiecks bilden,
Fig. 3 eine Darstellung der Veränderung einer Ist-Position des ersten
Retroreflektors von Fig. 2 bei einer Verkippung der Bauplattform aus einer Bearbeitungsebene,
Fig. 4 eine teilweise Schnitt-Darstellung eines Retroreflektors in Form einer transparenten Kugel, die in einer Fassung aufgenommen ist, sowie
Fig. 5a-c schematische Darstellungen von mehreren Dreiecken zur Bestimmung eines Abstands in Höhenrichtung zwischen zwei Markierungen und einem Drehpunkt einer Scannereinrichtung durch Triangulation.
In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw.
funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
Fig. 1a zeigt einen beispielhaften Aufbau einer Bearbeitungsmaschine 1 zum
Herstellen eines nicht bildlich dargestellten dreidimensionalen Bauteils. Die
Bearbeitungsmaschine 1 weist eine höhenverstellbare Bauplattform 2 auf, auf der Pulverschichten aufgebracht werden können, um das dreidimensionale Bauteil schichtweise aufzu bauen. Im gezeigten Beispiel ist an der Bauplattform 2 eine Preform 3 fixiert, die ein Unterteil des herzustellenden Bauteils bildet. Das in der Regel metallische Material der Preform 3 ist so gewählt, dass sich dieses beim lokalen Bestrahlen und lokalen Aufschmelzen der Pulverschichten mit dem in der Regel ebenfalls metallischen Pulvermaterial verbindet. Die Fixierung der Preform 3 an der Bauplattform 2 ist durch eine nicht näher dargestellte Klemmverbindung realisiert. Für die Bestrahlung der Pulverschichten weist die Bearbeitungsmaschine 1 eine Bestrahlungseinrichtung 4 auf, die eine Laserquelle 5 in Form eines Faserlasers zur Erzeugung eines Laserstrahls 6 aufweist, der über ein Lichtleitkabel 7 und eine Kollimationseinrichtung 8 auf einen Umlenkspiegel 9 geführt wird. Bei dem
Laserstrahl 6 handelt es sich im gezeigten Beispiel um einen Pilot-Laserstrahl, der für die Kalibration verwendet wird (s.u.). Für die Bestrahlung bzw. zum lokalen Aufschmelzen der Pulverschichten wird ein Bearbeitungs-Laserstrahl mit höherer Leistung verwendet, der ebenfalls von der Laserquelle 5 in Form des Faserlasers erzeugt wird. Im gezeigten Beispiel weist der Pilot-Laserstrahl 6 eine Wellenlänge auf, die sich von der Wellenlänge des Bearbeitungs-Laserstrahls unterscheidet. Der Umlenkspiegel 9 weist bei dem in Fig. 1a gezeigten Beispiel eine dielektrische Beschichtung mit einer Reflektivität von mehr als ca. 99,9 % für die Wellenlänge des Bearbeitungs-Laserstrahls und eine Reflektivität von ca. 30 % bis ca. 80 % für die Wellenlänge des Pilot-Laserstrahls 6 auf, so dass ein signifikanter Anteil der Intensität des Pilot- Laserstrahls 6 an dem Umlenkspiegel 9 zu einer
Fokussiereinrichtung 10 umgelenkt wird.
Der Laserstrahl 6 durchläuft nach der Fokussiereinrichtung 10 eine
Scannereinrichtung 11 , die zwei Scannerspiegel 12a, 12b in Form von
Galvanometer-Spiegeln aufweist. Die Scannereinrichtung 11 dient zur Positionierung des Laserstrahls 6 in einem Bearbeitungsfeld 13 der Scannereinrichtung 11 , das durch eine maximale Winkel-Auslenkung der Scannerspiegel 12a, 12b begrenzt ist und bei dem in Fig. 1 a gezeigten Beispiel im Wesentlichen der lateralen Erstreckung des Pulverbetts bzw. der Bauplattform 2 entspricht. Die Fokussiereinrichtung 10 fokussiert den Laserstrahl 6 in einer Bearbeitungsebene 14, welche einer XY-Ebene eines XYZ-Koordinatensystems entspricht, in der sich bei der Herstellung des dreidimensionalen Bauteils die oberste der Pulverschichten bzw. die Oberseite des Pulverbetts befindet, die von dem Laserstrahl 6 bzw. dem Bearbeitungs-Laserstrahl aufgeschmolzen wird.
Wie in Fig. 1a ebenfalls zu erkennen ist, ist die Bauplattform 2 mittels eines nicht bildlich dargestellten Antriebs in Z-Richtung verschiebbar bzw. höhenverstellbar. Die Bauplattform 2 ist in einer Bearbeitungskammer 15 mit einem Fenster 16 angeordnet, durch das der Laserstrahl 6 in die Bearbeitungskammer 15 eingestrahlt wird. Da die Bearbeitungsebene 14 bzw. die Fokusebene der Scannereinrichtung 1 1 , in dem das Pulvermaterial aufgeschmolzen wird, bei der Herstellung des
dreidimensionalen Bauteils in konstantem Abstand zur Scannereinrichtung 11 verbleibt, wird zum Aufträgen einer neuen Pulverschicht die Bau Plattform 2 um die Dicke einer Pulverschicht abgesenkt.
Neues Pulvermaterial 17 wird mit Hilfe eines nicht bildlich dargestellten Schieber- Arms aus einem ebenfalls in der Bearbeitungskammer 15 angeordneten
Pulverreservoir 18 entnommen und in den Bereich eines Pulverbetts verbracht, das sich bei der Herstellung des dreidimensionalen Bauteils oberhalb der Bauplattform 2 in einem die Bauplattform 2 umgebenden Bauzylinder befindet. Bei der in Fig. 1a gezeigten Darstellung ist die Bearbeitungsmaschine 1 in einem Zustand vor der Herstellung des dreidimensionalen Bauteils gezeigt, bei dem sich noch kein
Pulvermaterial 17 auf der Bauplattform 2 befindet, was es ermöglicht, die
Bearbeitungsmaschine 1 zu kalibrieren.
Zu diesem Zweck sind bei dem in Fig. 1 a gezeigten Beispiel an der Preform 3 zwei Retroreflektoren 19a, 19b in Form eines dreidimensionalen Objekts, genauer gesagt in Form einer transparenten Kugel aus Saphir (AI2O3), angebracht. Die beiden Retroreflektoren 19a, 19b sind jeweils benachbart zum äußeren Rand der im
Wesentlichen piattenförmigen Preform 3 an einander diametral gegenüberliegenden Seiten der Preform 3 angebracht. Die Preform 3, genauer gesagt die Oberseite 3a der Preform 3, ist für die Kalibrierung ungefähr auf Höhe der Bearbeitungsebene 14 angeordnet. Es versteht sich, dass die Retroreflektoren 19a,b auch an anderen Stellen an der Preform 3 befestigt werden können.
Die Retroreflektoren 19a,b in Form der Kugeln weisen im gezeigten Beispiel einen Durchmesser von ca. 4 mm auf und reflektieren Laserstrahlung 20, die einen Anteil von z.B. mehr als 5 % der Intensität des Laserstrahls 6 ausmacht, zurück in die Scannereinrichtung 11. Der Durchmesser eines jeweiligen Retroreflektors 19a,b in Form der Kugel kann auch kleiner sein als 1 mm, beispielsweise bei ca. 100 pm oder weniger liegen. Aus Handhabungsgründen ist es aber vorteilhaft, wenn die
Retroreflektoren 19a,b einen Durchmesser von ca. 1 mm oder darüber aufweisen. Bei dem in Fig. 1a gezeigten Beispiel trifft der Laserstrahl 6 im Wesentlichen senkrecht zur Bearbeitungsebene 14, in der auch die jeweiligen Pulverschichten verlaufen, auf den ersten Retroreflektor 19a auf, es versteht sich aber, dass an dem ersten Retroreflektor 19a auch bei einer von einem senkrechten Einfall
abweichenden Einfallsrichtung des Laserstrahls 6 ein erheblicher Strahlungsanteil des Laserstrahls 6 von typischerweise mehr als ca. 5 %, ggf. von mehr als ca. 90%, zur Scannereinrichtung 11 zurück reflektiert wird.
Die zurückreflektierte Laserstrahlung 20 durchläuft die Scannereinrichtung 11 sowie die Fokussiereinrichtung 10 in umgekehrter Richtung zum Laserstrahl 6 und trifft auf den Umlenkspiegel 9. An dem Umlenkspiegel 9 wird ein geringer Anteil der zurückreflektierten Laserstrahlung 20 transmittiert und mit Hilfe einer
Abbildungseinrichtung 21 , die bei dem in Fig. 1 a gezeigten Beispiel als Linse ausgebildet ist, auf einen Detektor 22 in Form einer Fotodiode abgebildet bzw.
fokussiert. Der Detektor 22 bzw. die Fotodiode ist koaxial zum Strahiengang des Laserstrahls 6 angeordnet und detektiert im Wesentlichen Laserstrahlung 20, die von einer Ist-Position Xpi, YPI des Laserstrahls 6 in dem Bearbeitungsfeld 13 ausgeht, an der bei dem in Fig. 1a gezeigten Beispiel der erste Retroreflektor 19a angeordnet ist und die von diesem zur Scannereinrichtung 11 zurück reflektiert wird, d.h. die Ist- Position Xpi, Ypi des Laserstrahls 6 stimmt mit der Ist-Position XPI, YPI des ersten Retroreflektors 19a überein.
Die Ist-Position XPI , YPI des ersten Retroreflektors 19a kann von einer Soll-Position Xsi, Ysi abweichen, die der Scannereinrichtung 11 von einer Steuerungseinrichtung 23 vorgegeben wird, wenn die Preform 3 von einer Soll-Position und/oder von einer Soll-Ausrichtung in der Bearbeitungsmaschine 1 abweicht. In der Soll-Ausrichtung ist die Preform 3, genauer gesagt deren Oberseite 3a, parallel zur Bearbeitungsebene 14 ausgerichtet. In der Soll-Position befindet sich die Preform 3 in einer
vorgegebenen lateralen Position relativ zum ortsfesten Koord i natensystem der Bearbeitungsmaschine 1 und weist eine vorgegebene Orientierung relativ zu dem ortsfesten Koordinatensystem auf.
Um einen möglichst präzisen Anschluss des dreidimensionalen Bauteils beim Aufbauen auf die Preform 3 zu ermöglichen, d.h. um die Kontur des auf der Preform 3 aufgebauten Abschnitt des Bauteils möglichst präzise an eine durch die Preform 3 vorgegebene Kontur anzuschließen, ist es erforderlich, die Lage bzw. die
Positionierung der Preform 3 relativ zum Koordinatensystem der Scannereinrichtung
11 bzw. zum ortsfesten Koordinatensystem der Bearbeitungsmaschine 1 zu kennen und eine Kalibrierung vorzunehmen, bei der Abweichungen von der Soll-Position und der Soll-Ausrichtung der Preform 3 korrigiert werden können. Für die Korrektur können beispielsweise die Positionen bzw. die Bauteil-Koordinaten des
dreidimensionalen Bauteils, weiches auf der Preform 3 aufgebaut werden soll, an das Koordinatensystem angepasst werden, welches durch die Preform 3 vorgegeben wird, d.h. die jeweiligen Soll-Positionen, die dem Laserstrahl 6 zur Herstellung des dreidimensionalen Bauteils vorgegeben werden, können entsprechend korrigiert werden. Zu diesem Zweck ist eine Kalibration erforderlich, d.h. es ist erforderlich, die Lage der Preform 3 im Raum möglichst präzise zu bestimmen.
Um dies zu erreichen, kann wie nachfolgend beschrieben vorgegangen werden: Der Scannereinrichtung 11 wird eine Soll-Position Xsi, Ysi vorgegeben, an welcher der erste Retroreflektor 19a nominell, d.h. bei der gewünschten Anordnung der Preform 3 im Raum, angeordnet ist. Mittels des Laserstrahls 6 wird ein vorgegebener Suchbereich 24 um die Soll-Position Xsi, Ysi des ersten Retroreflektors 19a grob, d.h. mit einer vergleichsweise geringen Auflösung, mittels des Laserstahls 6 abgescannt. Bei dem in Fig. 1a gezeigten Beispiel ist der Suchbereich 24
quadratisch ausgebildet, wobei sich die Soll-Position Xsi, Ysi des ersten
Retroreflektors 19a im Zentrum befindet, es kann aber auch ein Suchbereich 24 mit einer anderen Geometrie, z.B. ein rechteckiger oder kreisförmiger Suchbereich 24 verwendet werden.
Wird der Retroreflektor 19a detektiert, beispielsweise weil die gemessene Intensität I der zurück reflektierten Laserstrahlung 20 oberhalb eines Schwellwerts liegt, scannt die Scannereinrichtung 11 mit dem Laserstrahl 6 einen kleineren Bereich des Bearbeitungsfeldes 13 um die Soll-Position Xsi, Ysi des ersten Retroreflektors 19a herum mit einer größeren Auflösung ab, wobei jeweils die zurück reflektierte
Laserstrahlung 20 detektiert wird, d.h. der Laserstrahl 6 überfährt den ersten
Retroreflektor 19a mehrfach in einer scannenden Bewegung. Die Ist-Position XPI,
YPI des ersten Retroreflektors 19a wird anhand der Intensitätsverteilung l(X, Y) der detektierten Laserstrahlung 20 in einer Auswerteeinrichtung 25 ermittelt. Die
Ermittlung der Ist-Position XPI , YPI des ersten Retroreflektors 19a kann
beispielsweise auf die nachfolgend beschriebene Weise erfolgen:
Zunächst wird von der Auswerteeinrichtung 25 die zweidimensionale
Intensitätsverteilung l(X,Y) (Bitmap) der beim mehrfachen Überfahren des ersten Retroreflektors 19a detektierten Laserstrahlung 20 aufgenommen. In Fig. 1a ist beispielhaft die beim Abscannen des ersten Retroreflektors 19a aufgenommene eindimensionale Intensitätsverteilung l(X) dargestellt, die durch das Zentrum der zweidimensionalen Intensitätsverteilung l(X, Y) verläuft. Mit Hilfe eines
Bildauswertealgorithmus wird ein Intensitätsschwerpunkt der Intensitätsverteilung l(X, Y) bestimmt, der bei dem in Fig. 1a gezeigten Beispiel, bei dem der Laserstrahl 6 eine rotationssymmetrische Intensitätsverteilung l(X, Y) aufweist, dem
Intensitätsmaximum in X-Richtung sowie in Y-Richtung entspricht. Der Schwerpunkt der Intensitätsverteilung l(X, Y) der detektierten Laserstrahlung 20 bildet die Ist- Position XPI , YPI des ersten Retroreflektors 19a. Auf entsprechende Weise kann auch die Ist-Position Xp2, Y 2 des zweiten Retroreflektors 19b ermittelt werden. Die Auswerteeinrichtung 25 übermittelt die Ist-Positionen Xp-i, YPI ; XP2, YP2 der beiden Retroreflektoren 19a,b an die Steuerungseinrichtung 23.
In der Steuerungseinrichtung 23 werden Abweichungen der Ist-Positionen XPI , YPI ; XP2, YP2 der beiden Retroreflektoren 19a, b von den der Steuerungseinrichtung 23 vorgegebenen Soll-Positionen XPS, Ysi; Xs2, Ys2 der beiden Retroreflektoren 19a,b ermittelt. Beispielsweise können zu diesem Zweck ein I st-Differenz-Vekto r (XPI - Xp2, YPI - YP2) zwischen den Ist-Positionen XPI , YPI ; XP2, YP2 der beiden Retroreflektoren 19a,b und ein Soll-Differenz-Vektor (Xsi - Xs2, Ysi - Ys2) zwischen den Soll- Positionen Xsi, Ysi; Xs2, Ys2 der beiden Retroreflektoren 19a, b ermittelt werden. Der Winkel zwischen dem I st-D iffe renz-Ve kto r und dem Soll-Differenz-Vektor entspricht in diesem Fall der Verdrehung der Preform 3 aus der Soll-Ausrichtung in der
Bearbeitungsebene 14.
Auch ein lateraler Versatz der Preform 3 relativ zu einer Soll-Position kann ermittelt werden, beispielsweise indem ein erster Differenz-Vektor (XPI - Xsi, YPI - Ysi) zwischen einer Ist-Position XPI , YPI und einer Soll-Position Xsi, Ysi des ersten Retroreflektors 19a und ein zweiter Differenz-Vektor (XP2 - Xs2, YF>2 - Ys2) zwischen einer Ist-Position XP2, YP2 und einer Soll-Position Xs2, Ys2 des zweiten Retroreflektors 19b bestimmt werden. Der laterale Versatz entspricht der vektoriellen Summe des ersten Differenz-Vektors (XPI - Xsi, YPI - Ysi) und des zweiten Differenz-Vektors (XP2 - Xs2, YP2 - Ys2) geteilt durch die Anzahl der Vektoren (hier: zwei). Die
Kalibrierung kann bei dem hier beschriebenen Beispiel erfolgen, indem die
Positionen bzw. die Orts-Koordinaten, die der Steuerungseinrichtung 23 zur
Herstellung des dreidimensionalen Bauteils vorgegeben werden, geeignet korrigiert werden, beispielsweise indem das Koordinatensystem der Scannereinrichtung 11 an das gegenüber der Soll-Lage gedrehte und/oder verschobene Koord inatensystem der Preform 3, d.h. an die Ist-Positionen XPI , YPI ; XP2, YP2 der beiden
Retroreflektoren 19a,b, angepasst wird.
Eine fehlerfreie Kalibration bzw. Korrektur der Positionierung des Laserstrahls 6 auf die weiter oben beschriebene Weise ist nur möglich, wenn die Preform 3 nivelliert wurde, d.h. wenn die Preform 3 nicht bezüglich der Bearbeitungsebene 14 verkippt ist bzw. wenn die Verkippung der Preform 3 zur Bearbeitungsebene 14 korrigiert wird. Für die Nivellierung weist die in Fig. 1a gezeigte Bearbeitungsmaschine 1 eine Abstandsmesseinrichtung in Form eines T riangulationslasers 26 auf, der einen nicht gezeigten T riangulations-Laserstrahl auf das Bearbeitungsfeld 13 ausrichtet. Der Triangulationslaser 26 nutzt zu diesem Zweck eine Strukturauswertung der bei der Projektion des Triangulations-Laserstrahls in dem Bearbeitungsfeld erzeugten Strukturen, z.B. in Form von Linien, und misst hierbei einen jeweiligen Abstand zwischen der Preform 3 und dem Triangulationslaser 26 bzw. der
Bestrahlungseinrichtung 4. Auf diese Weise kann eine Verkippung der Preform 3 relativ zur Bearbeitungsebene 14 bzw. relativ zu einer zu dieser parallel verlaufenden XY-Ebene ermittelt werden. Die Verkippung der Preform 3 kann nach der weiter oben beschriebenen Bestimmung der Abweichungen in den X- bzw. Y-Koordinaten der Ist-Positionen XPI , YPI ; XP2, YP2 von den Soll-Positionen Xsi, Ysi; Xs2, Ys2 der beiden Retroreflektoren 19a,b ermittelt werden, um die Korrektur der Positionierung des Laserstrahls 9 geeignet anzupassen, in der Regel erfolgt die Ermittlung der Verkippung der Preform 3 aus der Bearbeitungsebene 14, jedoch vor der
Bestimmung der Abweichungen der X- bzw. Y-Koordinaten der beiden
Retroreflektoren 19a,b in der Bearbeitungsebene 14. Die Nivellierung kann beispielsweise dazu verwendet werden, die Soll-Positionen Xsi, Ysi ; Xs2, Ys2 der beiden Retroreflektoren 19a,b in der Steuerungseinrichtung 23 geeignet zu modifizieren, und zwar derart, als ob die Retroreflektoren 19a,b in der
Bearbeitungsebene 14 angeordnet und nicht in Z-Richtung zu dieser versetzt wären. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die Verkippung der Bauplattform 2 relativ zur Bearbeitungsebene 14 zu korrigieren, indem die Steuerungseinrichtung 23 auf geeignete, nicht bildlich dargestellte Stelleinrichtung(en), beispielsweise in Form von Stellschrauben, einwirkt, die an der Bauplattform 2 bzw. in der Nähe der
Bauplattform angebracht sind. Für den Fall, dass die Preform 3 und die Bauplattform 2 nicht gegeneinander verkippt sind, können auf diese Weise nicht nur die
Bauplattform 2, sondern auch die Preform 3 parallel zur Bearbeitungsebene 14 ausgerichtet werden.
Für den Fall, dass die Preform 3 eine verhältnismäßig große Höhe oder ggf. eine ungünstige Geometrie aufweist, welche den T riangulations-Laserstrahl abschattet, kann die Verkippung durch Triangulation nicht ohne weiteres bestimmt werden. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel wird daher Verkippung der Bauplattform 2 relativ zur Bearbeitungsebene 14 anhand von drei Retroreflektoren 19a-c ermittelt. Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, sind die drei Retroreflektoren 19a-c in der Nähe des Außenrandes der kreisförmigen Oberseite 2a der Bauplattform 2 angebracht, und zwar auf einem (gedachten) Kreis 27 und die drei Retroreflektoren 19a-c bilden die drei Eckpunkte eines gleichseitigen Dreiecks. Bei dem in Fig. 2 gezeigten vereinfachten Beispiel befinden sich alle drei Retroreflektoren 19a-c an ihren Soll-Positionen Xsi, Ysi, Xs2, Ys2, Xs3, Ysa in der Bearbeitungsebene 14, d.h. die in Fig. 2 gezeigte Bauplattform 3 ist exakt an ihrer Soll-Lage angeordnet und korrekt ausgerichtet.
In diesem Fall entspricht der Soll-Abstand AAB.S zwischen dem ersten und dem zweiten Retroreflektor 19a,b genau dem Ist-Abstand AAB,I zwischen dem ersten und dem zweiten Retroreflektor 19a,b Gleiches gilt für die Soll-Abstände ABC.S, AAC.S und die Ist-Abstände ABC.I, AACJ zwischen dem zweiten und dem dritten Retroreflektor 19b, 19c und dem ersten und dem dritten Retroreflektor 19a, 19c.
Fig. 3 zeigt ein Detail von Fig. 2 in der Nähe des ersten Retroreflektors 19a, und zwar entlang der Verbindungslinie zwischen dem ersten Retroreflektor 19a und dem zweiten Retroreflektor 19b. Mit einer durchgezogenen Linie ist in Fig. 3 die in Fig. 2 dargestellte Ausrichtung der Bauplattform 2 gezeigt, in der die Bauplattform 2 in der Bearbeitungsebene 14 (XY-Ebene) liegt. Gestrichelt sind in Fig. 3 zwei Fälle dargestellt, bei denen die Bauplattform 2 im Bereich des ersten Retroreflektors 19a um einen kleinen Kippwinkel +d nach oben bzw. um einen kleinen Kippwinkel -ö nach unten aus der Bearbeitungsebene 14 verkippt ist.
Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, wird bei einer Verkippung der Bauplattform 2 im
Bereich des ersten Retroreflektors 19a nach oben, d.h. in positiver Z-Richtung (+Dz), die Ist-Position Xpi , Ypi des ersten Retroreflektors 19a in Richtung auf die Ist- bzw. Soll-Position XP2, YP2 des zweiten Retroreflektors 19b verschoben, d.h. der ermittelte Abstand AAB,I zwischen den Ist-Positionen XPI , YPI , XP2, YP2 der beiden
Retroreflektoren 19a,b wird vergrößert. Dies wird von der Scannereinrichtung 11 dadurch erkannt, dass der Ablenkwinkel, den der Laserstrahl 6 an der Ist-Position XPI , YPI des ersten Retroreflektors 19a aufweist, gegenüber dem Fall, dass die Bauplattform 2 in der Bearbeitungsebene 14 angeordnet ist, sich ebenfalls vergrößert.
Entsprechend wird durch eine Verkippung der Bauplattform 2 im Bereich des ersten Retroreflektors 19a nach unten, d.h. in negative Z-Richtung (-Dz), die ermittelte Ist- Position XPI , YPI des ersten Retroreflektors 19a auf die Ist- bzw. die Soll-Position XP2, Y P2 des zweiten Retroreflektors 19b zu bewegt, so dass sich der Ablenkwinkel des Laserstrahls 6 an der Ist-Position XPI , YPI des ersten Retroreflektors 19a und somit der ermittelte Ist-Abstand AAB.I zwischen den beiden Retroreflektoren 19a,b verkleinert.
Wird davon ausgegangen, dass die Kippachse 28 (vgl. Fig. 2) bei der Verkippung der Bauplattform 2 durch den zweiten Retroreflektor 19b verläuft und sich in Y- Richtung, d.h. senkrecht zur Verbindungslinie zwischen den beiden Retroreflektoren 19a, 19b erstreckt, kann anhand der Differenz zwischen dem Ist-Abstand AAB,I und dem Soll-Abstand AAB,S des ersten und des zweiten Retroreflektors 19a,b unmittelbar die Verkippung der Bauplattform 2 bzw. der Kippwinkel +/- d der Bauplattform 2 in der XZ-Ebene bestimmt werden. Es versteht sich, dass im Allgemeinen die Lage der Kippachse 28, um welche die Bauplattform 2 aus der Bearbeitungsebene 14 verkippt wird, nicht bekannt ist.
Anhand der bekannten Soil-Abstände AAB.S, ABC.S, AAC.S der drei Retroreflektoren 19a-c und der ermittelten Ist-Abstände AAB,I, ABC.I, AAC.I der drei Retroreflektoren 19a- c lassen sich aber auch in diesem Fall die Verkippung der Bauplattform 2, d.h.
sowohl der Kippwinkel d als auch die Lage und die Ausrichtung der Kippachse 28 ermitteln. Die Korrektur der Positionierung des Laserstrahls 6 zur Berücksichtigung der Verkippung kann auch in diesem Fall auf die weiter oben im Zusammenhang mit dem Triangulationslaser 26 beschriebene Weise erfolgen.
Die Soll-Positionen Xsi, Ysi, Xs2, Ys2, Xs3, Ysa der drei Retroreflektoren 19a-c, die der Steuerungseinrichtung 23 vorgegeben werden, hängen selbstverständlich nicht nur von der Soll-Position und der Soil-Ausrichtung der Bauplattform 2, sondern auch von deren (ortsfesten) Positionen relativ zur Bauplattform 2 ab. Diese Positionen sind typischerweise bekannt oder können erforderlichenfalls vor dem Kalibrieren ermittelt werden, indem die Bauplattform 2 beispielsweise mit Hilfe einer Koordinaten- Messmaschine vermessen wird, bevor diese in die Bearbeitungsmaschine 1 eingebracht wird. Es versteht sich, dass die Bauplattform 2 nicht wie weiter oben dargestellt einteilig ausgebildet sein muss, sondern ggf. mehrteilig ausgebiidet sein kann, insbesondere kann die Bauplattform 2 ein plattenförmiges Bauteil bilden, das auf einem höhenverstellbaren Kolben fixiert, beispielsweise aufgeschraubt ist.
Fig. 4 zeigt einen Retrorefiektor 19a in Form einer transparenten Kugel aus Saphir, die in einer Fassung 30 aufgenommen ist. Die Fassung 30 weist ein
Schraubgewinde 31 auf, um die Fassung 30 in einer in Fig. 1 a dargestellten
Gewindebohrung 32 der Preform 2 zu fixieren bzw. um die Fassung 30 in der Gewindebohrung 32 festzuschrauben. Die Fassung 30 weist einen
Präzisionspassbund 33 zur Erhöhung der Genauigkeit der lateralen Positionierung der Kugel 19a bzw. der Fassung 30 in der Gewindebohrung 32 der Preform 3 auf.
Die Fassung 30 weist auch einen axialen End-Anschlag 34 an der Unterseite des Passbundes 33 auf, relativ zu dem die Mitte der Kugel 19a in einer vorgegebenen Höhe h positioniert ist. Bei der Gewindebohrung 32 handelt es sich um eine
Sackbohrung mit einem Absatz, der ebenfalls einen vorgegebenen Abstand zur Oberseite 3a der Preform 3 aufweist. Auf diese Weise kann die Oberseite der Kugel 19a in einem Abstand von wenigen 1/10 mm von der Oberseite 3a der Preform 3 positioniert werden. Wie in Fig. 4 ebenfalls zu erkennen ist, steht die Kugel 19a hierbei geringfügig nach oben über die Fassung 30 über, um den Eintritt des
Laserstrahls 6 aus unterschiedlichen Richtungen zu ermöglichen.
Wie in Fig. 4 ebenfalls zu erkennen ist, weist die Fassung 30 entlang ihres Umfangs verteilte Öffnungen 35 zum Austritt von Strahlungsanteilen des Laserstrahls 6 auf, um eine Absorption des Laserstrahls 6 in der Fassung 30 und eine mit dieser verbundene Erwärmung möglichst zu minimieren. Die transparente Kugel 19a wird in der Fassung 30 im gezeigten Beispiel durch eine thermisch induzierte Spannung gefasst. Zu diesem Zweck wird die Fassung 30 beim Einsetzen der Kugel 19a auf ca. 80°C erwärmt. Um die Spannung der Fassung 30 während des Betriebs der
Bearbeitungsmaschine 1 nicht zu verlieren, ist die Fassung 30 im gezeigten Beispiel aus Kovar gebildet, welches einen zu Saphir praktisch identischen linearen thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.
Es versteht sich, dass die Kugeln 19a-c in analoger Weise an der Bauplattform 2 angebracht werden können. Für die ortsfeste Anbringung der Retroreflektoren 19a-c, beispielsweise in Form der Kugeln, kann aber auch eine andere Art der - lösbaren oder unlösbaren - Befestigung gewählt werden, die eine präzise Positionierung der Retroreflektoren 19a-c ermöglicht. An Stelle von transparenten Kugeln können ggf. auch Kugeln aus einem Material verwendet werden, das für den Laserstrahl nicht transparent ist, sofern die (Retro-)Reflexion an der Oberseite der Kugel erfolgt. An Stelle von Retroreflektoren 19a-c können auch andere Arten von Markierungen verwendet werden, die nicht zwingend retroreflektierende Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise kann es sich bei den Markierungen um Flächenbereiche in Form einer Beschichtung handeln, die auf ein Substrat aufgebracht sind, welches an der Bau Plattform 2 oder an der Preform 3 angebracht wird. Die Markierungen in Form der Flächenbereiche werden anhand mindestens einer unterschiedlichen Eigenschaft eines angrenzenden Flächenbereichs detektiert, bei dem es sich beispielsweise um einen Abschnitt des Substrats handeln kann.
Für das Kalibrieren der Bearbeitungsmaschine 1 ist es erforderlich, eine Referenz- Höhenposition (Nulllage) der Bauplattform 2 in einer Höhenrichtung Z (im Folgenden: Z-Richtung) absolut, d.h. in Bezug auf eine vorgegebene Höhen-Referenz der Bearbeitungsmaschine 1 zu bestimmen. Zu diesem Zweck können ebenfalls die Markierungen in Form der Retroreflektoren 19a-c verwendet werden, und zwar indem ein Abstand h einer oder mehrerer der Retroreflektoren 19a-c in Bezug auf die vorgegebene Höhen-Referenz bestimmt wird, bei der es sich beispielsweise um einen Drehpunkt D1 der Scannereinrichtung 11 handeln kann, dessen Höhenposition in Bezug auf die Bearbeitungsmaschine 1 bzw. auf deren Maschinenrahmen bekannt ist. Es versteht sich, dass die Bestimmung des Abstandes h zu dem Drehpunkt D1 äquivalent zur Bestimmung des Abstandes zu einer anderen Höhen-Referenz ist, deren Höhenposition in der Bearbeitungsmaschine 1 bekannt ist.
Nachfolgend wird anhand von Fig. 5a-c anhand eines zur Vereinfachung der Darstellung zweidimensionalen Falls die Bestimmung des Abstandes h zwischen zwei der Retroreflektoren 19a, 19b, die in einer gemeinsamen Ebene parallel zur Bearbeitungsebene 14 angeordnet sind, zum Drehpunkt D1 der Scannereinrichtung 11 beschrieben. Zur Vereinfachung wird angenommen, dass die beiden
Retroreflektoren 19a, 19b und der Drehpunkt D1 in der XZ-Ebene liegen. In diesem vereinfachten Beispiel wird der Laserstrahl 6 mittels eines der Scannerspiegel 12a um eine den Drehpunkt D1 enthaltende, in Y-Richtung verlaufende Drehachse gedreht, um diesen auf das Bearbeitungsfeld 13 auszurichten.
Für die Bestimmung des Abstandes h in Z-Richtung wird der erste Scannerspiegel 12a zunächst um den Drehpunkt D1 der Scannereinrichtung 11 gedreht, bis der Laserstrahl 6 unter einem Winkel a ausgerichtet ist, unter dem der Laserstrahl 6 auf den ersten Retroreflektor 19a auftrifft. Die Ausrichtung des Laserstrahls 6 auf den ersten Retroreflektor 19a wird wie weiter oben beschrieben durch das Detektieren von in die Scannereinrichtung 11 zurück reflektierter Laserstrahlung 20 erkannt.
In einem nachfolgenden Schritt wird der erste Scannerspiegel 12a um den Drehpunkt D1 gedreht, bis der Laserstrahl 6 unter einem zweiten (Blick-)Winkel ß ausgerichtet ist, unter dem der Laserstrahl 6 auf den zweiten Retroreflektor 19b trifft. Wie sich aus der Darstellung in Fig. 5a ergibt, kann der Abstand h in Z-Richtung durch eine klassische Triangulation unter Berücksichtigung des Abstandes AAB zwischen den beiden Markierungen 19a, 19b, der senkrecht zur Höhenrichtung verläuft, gemäß folgender Formel bestimmt werden: h = AAB / (tan (a) + tan (ß)) (1 ) Bei der Bestimmung des Abstandes h in Z-Richtung auf die in Fig. 5a beschriebene Weise besteht jedoch das Problem, dass der Abstand AAB zwischen den beiden Retroreflektoren 19a, 19b nicht präzise bestimmt werden kann, da die
Retroreflektoren 19a, 19b wie weiter oben beschrieben wurde in Form der Kugeln ausgebildet und in eine jeweilige Fassung 30 eingebracht sind, die über ein
Schraubgewinde 31 in einer Gewindebohrung 32 der Preform 3 bzw. der
Bauplattform 2 fixiert sind. Der Abstand AAB zwischen den beiden Retroreflektoren 19a, 19b ist daher mit einer vergleichsweise großen Messungenauigkeit belastet. Um diese Messungenauigkeit zu eliminieren, kann die Messung auf die nachfolgend in Zusammenhang mit Fig. 5b, c beschriebene Weise durchgeführt werden: Dor wird für die Bestimmung des Abstandes h in Z-Richtung an Stelle des Abstands AAB zwischen den beiden Retroreflektoren 19a, 19b eine andere Längen-Größe für die Triangulation verwendet, die mit einer geringeren Messungenauigkeit behaftet ist. Zu diesem Zweck kann ausgenutzt werden, dass die Bearbeitungsmaschine 1 Aktoren aufweist, welche eine Bewegung von Komponenten der Bearbeitungsmaschine 1 mit einer sehr hohen Genauigkeit ermöglichen.
Bei dem in Fig. 5b gezeigten Beispiel wird an Stelle des Abstandes AAB eine
Verfahrstrecke D der höhenverstellbaren Bauplattform 2 für die Triangulation verwendet. Die Verfahrstrecke D wird zurückgelegt, wenn die Bauplattform 2 für die Bestimmung des Abstandes h mittels eines nicht näher bezeichneten Aktors zwischen einer ersten Höhenposition Hi und einer zweiten Höhenposition H2 verschoben wird. Der Abstand h in Z-Richtung kann anhand eines Winkels a, unter dem der Laserstrahl 6 an der ersten Höhenposition Hi auf den ersten Retroreflektor 19a ausgerichtet ist, sowie anhand eines Winkels a‘, unter dem der Laserstrahl 6 an der zweiten Höhenposition H2 auf den ersten Retroreflektor 19a ausgerichtet ist, sowie anhand der Verfahrstrecke D gemäß folgender Formel bestimmt werden: h = tan (ct‘) / (tan (Q‘)- tan (a)) D (2a) Entsprechend kann der Abstand h in Z-Richtung zwischen dem Drehpunkt D1 und dem zweiten Retroreflektor 19b anhand der Verfahrstrecke D und den beiden
Winkeln ß, ß‘, unter denen der Laserstrahl 6 an den beiden Höhenpositionen Hi, H2 ausgerichtet werden muss, um den zweiten Retroreflektor 19b zu treffen, gemäß folgender Formel bestimmt werden: h = tan (ß‘) / (tan (ß‘) - tan (b)) D (2b)
Der Abstand h zu dem Drehpunkt D1 wird in beiden Fällen von der ersten
Höhenposition Hi aus bestimmt bzw. gemessen. Es versteht sich aber, dass der Abstand h analog auch ausgehend von der zweiten Höhenposition H2 aus bestimmt werden kann. Die Verfahrstrecke D der Bauplattform 2 kann typischerweise mit höherer Präzision bestimmt werden als der Abstand AAB zwischen den beiden Retroreflektoren 19a, 19b, so dass der Abstand h in Z-Richtung auf die in
Zusammenhang mit Fig. 5b beschriebene Weise mit höherer Genauigkeit bestimmt werden kann als in Fig. 5a.
Eine weitere Möglichkeit zur genauen Bestimmung des Abstandes h zwischen den Retroreflektoren 19a, 19b und der Scannereinrichtung 11 kann bei der in Fig, 1b dargestellten Bearbeitungsmaschine 1 durchgeführt werden: Die in Fig. 1 b
dargestellte Bearbeitungsmaschine 1 unterscheidet sich von der in Fig. 1a gezeigten Bearbeitungsmaschine 1 im Wesentlichen dadurch, dass diese eine weitere
Bestrahlungseinrichtung 4a aufweist, die identisch zu der in Fig. 1 gezeigten
Bestrahlungseinrichtung 4 aufgebaut ist, d.h. diese umfasst eine weitere
Scannereinrichtung 11a zur Positionierung eines weiteren Laserstrahls 6a in einem weiteren Bearbeitungsfeld 13a, welches sich teilweise mit dem Bearbeitungsfeld 13 der Scannereinrichtung 1 1 überlappt. Die übrigen Komponenten der weiteren
Bestrahlungseinrichtung 4a sind ebenfalls baugleich zu den Komponenten der Bestrahlungseinrichtung 4 und wurden entsprechend mit Bezugszeichen 6a bis 11 a, 21a bis 24a bezeichnet. Beide Bestrahlungseinrichtungen 4, 4a werden zur
Herstellung desselben dreidimensionalen Bauteils verwendet, welches analog zu Fig. 1a durch das lokale Aufschmelzen von in Fig. 1 b nicht gezeigten Pulverschichten erzeugt wird, die auf die Bauplattform 2 bzw. auf die Preform 3 aufgebracht werden. Mit Hilfe der weiteren Scannereinrichtung 11a kann der Abstand h in Z-Richlung bestimmt werden» indem zusätzlich zu dem jeweiligen Winkel a, ß» bei dem der
Laserstrahl 6, der von dem ersten Drehpunkt D1 ausgeht, auf den ersten bzw.
zweiten Retroreflektor 19a, 19b ausgerichtet ist, auch ein jeweiliger Winkel g, d für die Triangulation verwendet wird, bei dem der weitere Laserstrahl 6a der weiteren Scannereinrichtung 11a, der von einem weiteren Drehpunkt D2 der weiteren
Scannereinrichtung 11a ausgeht, auf den ersten bzw. den zweiten Retroreflektor 19a, 19b ausgerichtet ist. Bei dem in Fig. 5c dargestellten Beispiel ergibt sich der Abstand h aus dem Winkel a, unter dem der Laserstrahl 6 zur Z-Richtung ausgerichtet ist, wenn er auf den ersten Retroreflektor 19a trifft, sowie aus dem Winkel g, unter dem der weitere Laserstrahl 6a zur Z-Richtung ausgerichtet ist, wenn er auf den ersten Retroreflektor 19a trifft, sowie aus der Distanz ADID2 zwischen den beiden Drehpunkten D1 , D2 gemäß folgender Formel: h = ADID2 / (tan (g) - tan (a)) (3a)
Entsprechend ergibt sich der Abstand h aus dem Winkel ß» unter dem der Laserstrahl 6 zur Z-Richtung ausgerichtet ist, wenn er auf den zweiten Retroreflektor 19b trifft, sowie aus dem Winkel d, unter dem der weitere Laserstrahl 6a zur Z-Richtung ausgerichtet ist, wenn er auf den zweiten Retroreflektor 19b trifft, sowie aus der Distanz ADID2 zwischen den beiden Drehpunkten D1 , D2 gemäß folgender Formel: h = ADID2 / (tan (ß) - tan (d)) (3b)
Die Distanz ADID2 in horizontaler Richtung zwischen den beiden Drehpunkten D1 , D2 der Scannereinrichtung 11 und der weiteren Scannereinrichtung 11a wird vorab durch eine Kalibrierung der beiden Scannereinrichtungen 11 , 11a relativ zueinander mit hoher Genauigkeit bestimmt, d.h. die Messungenauigkeit bei der Bestimmung der Distanz ADID2 ist geringer als bei der Bestimmung des Abstands AAB zwischen den beiden Retroreflektoren 19a, 19b.
Für die Erhöhung der Genauigkeit bei der Bestimmung des Abstands h zwischen den Retroreflektoren 19a, 19b und der Scannereinrichtung 11 bzw. dem Drehpunkt D1 können die beiden in Zusammenhang mit Fig. 5b und Fig. 5c beschriebenen
Verfahren kombiniert werden: Beispielsweise kann der Abstand h als (ggf.
gewichteter) Mittelwert aus den beiden gemäß der obigen Formeln (2a) und (3a) bzw. (2b) und (3b) bestimmten Abständen h ermittelt werden. Sowohl bei dem in Zusammenhang mit Fig. 5b als auch bei dem in Zusammenhang mit Fig. 5c beschriebenen Vorgehen kann die Genauigkeit bei der Bestimmung des Abstandes h zusätzlich erhöht werden, indem mehr als zwei Winkel-Messungen durchgeführt werden:
Beispielsweise kann bei dem in Zusammenhang mit Fig. 5b beschriebenen
Vorgehen die Bauplattform 2 in Z-Richtung an drei oder mehr unterschiedliche Höhenpositionen Hi, H2, ... verschoben werden, wobei anhand einer jeweiligen Verfahrstrecke D zwischen jeweils zwei der Höhenpositionen und den
entsprechenden Winkeln der Abstand h in Z-Richtung mehrmals vermessen und ein (ggf. gewichteter) Mittelwert gebildet werden kann. Entsprechend kann bei dem in Zusammenhang mit Fig. 5c beschriebenen Vorgehen bei der Bestimmung des Abstandes h unter Zuhilfenahme von weiteren (dritten, vierten, ...)
Scannereinrichtungen der Bearbeitungsmaschine 1 die Genauigkeit weiter erhöht werden. In diesem Fall kann ein- und derselbe Retroreflektor 19a-c beispielsweise aus mehr als zwei (Blick-)Winkeln beobachtet werden und für jeweils zwei der (Blick- )Winkel der Abstand h bestimmt werden. Auch in diesem Fall kann durch eine (ggf. gewichtete) Mittelung der jeweils für den Abstand h bestimmten Werte die Mess- bzw. Detektionsgenauigkeit weiter erhöht werden.
Es versteht sich, dass das weiter oben in Zusammenhang mit Fig. 5a-c beschriebene Vorgehen zwar anhand von Retroreflektoren 19a-c beschrieben wurde, aber grundsätzlich auch mit anderen Arten von Markierungen durchgeführt werden kann. Auch die Verallgemeinerung des in Fig. 5a-c beschriebenen zweidimensionalen Falls auf den dreidimensionalen Fall ist offensichtlich und verändert die grundsätzliche Vorgehensweise nicht.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Kalibrieren einer Bearbeitungsmaschine (1 ) zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen durch Bestrahlen von Pulverschichten, wobei die
Bearbeitungsmaschine (1 ) eine Scannereinrichtung (11 ) zur Positionierung eines Laserstrahls (6) in einem Bearbeitungsfeld (13) aufweist, in dem eine
höhenverstellbare Bauplattform (2) zum Aufbringen der Pulverschichten positioniert ist,
umfassend:
Überfahren von mindestens zwei, bevorzugt von mindestens drei Markierungen (19a-c), insbesondere in Form von Retroreflektoren, die an der Bauplattform (2) und/oder an einer an der Bauplattform (2) fixierten Preform (3) angebracht sind, mittels des Laserstrahls (6),
Detektieren von Laserstrahlung (20), die beim Überfahren der mindestens zwei Markierungen (19a-c) in die Scannereinrichtung (11 ) zurück reflektiert wird, Ermitteln von Ist-Positionen (XPI , YPI , XP2, YP2, XP3, YP3) der Markierungen (19a- c) anhand der detektierten Laserstrahlung (20),
Ermitteln von Abweichungen der Ist-Positionen (XPI , YPI , XP2, YP2, XP3, YP3) der Markierungen (19a-c) von Soll-Positionen (Xsi, Ysi, Xs2, Ys2, Xs3, Ys3) der Markierungen (19a-c), sowie
Kalibrieren der Bearbeitungsmaschine (1 ) durch Korrigieren der Positionierung des Laserstrahls (6) in dem Bearbeitungsfeld (13) und/oder der Position der Bauplattform (2) in der Bearbeitungsmaschine (1 ) anhand der ermittelten Abweichungen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem anhand der ermittelten Abweichungen ein lateraler Versatz und/oder eine Verdrehung der Bau Plattform (2) und/oder der Preform (3) in einer Bearbeitungsebene (14) der Bearbeitungsmaschine (1 ) korrigiert wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem eine Verkippung der Bauplattform (2) und/oder der Preform (3) relativ zu einer Bearbeitungsebene (14) der Bearbeitungsmaschine (1 ) durch eine Abstandsmessung ermittelt wird und bei dem die ermittelte Verkippung der Bauplattform (2) und/oder der Preform (3) relativ zur Bearbeitungsebene (14) korrigiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem Abweichungen zwischen einem
jeweiligen Soll-Abstand (AAB.S, ABC.S, AAC.S) und einem jeweiligen Ist-Abstand (AAB,I , ABC.I, AAC.I) zwischen jeweils zwei von mindestens drei bevorzugt in einem Dreieck angeordneten Markierungen (19a-c) ermittelt werden, und bei dem anhand der ermittelten Abweichungen eine Verkippung der Bauplattform (2) und/oder der Preform (3) relativ zu einer Bearbeitungsebene (14) der
Bearbeitungsmaschine (1 ) korrigiert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bauplattform (2) und/oder die Preform (3) in einem vorausgehenden Schritt zum Bestimmen der Soll-Positionen (Xsi, Ysi, Xs2, Ys2, Xs3, Ys3) der Markierungen (19a-c) vermessen wird/werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Laserstrahl (6) an einem Retroreflektor in Form eines dreidimensionalen Objekts,
insbesondere einer Kugel (19a-c), in die Scannereinrichtung (1 1 ) zurück reflektiert wird, wobei bevorzugt die Ist-Position (XPI , YPI , XP2, YP2, XP3, YP3) des Retroreflektors anhand einer Intensitätsverteilung (l(X, Y)) der detektierten zurück reflektierten Laserstrahlung (20) ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Kugel (19a-c) in einer Fassung (30) aufgenommen ist, die von dem Kalibrieren an der Bauplattform (2) oder an der Preform (3) fixiert, bevorzugt angeschraubt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die
Markierungen (19a-c) für das Durchführen des Kalibrierens durch Bewegen der höhenverstelibaren Bauplattform (2) in oder in der Nähe einer Bearbeitungsebene (14) der Bearbeitungsmaschine (1 ) angeordnet werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Abstand (h) in Höhenrichtung (Z) zwischen mindestens einer der Markierungen (19a-c) und der Scannereinrichtung (11 ), bevorzugt einem Drehpunkt (D1 ) der
Scannereinrichtung (11) zur Ausrichtung des Laserstrahls (6) unter einem Winkel (a, a‘; ß, ß‘) auf die mindestens eine Markierung (19a-c), durch Triangulation bestimmt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem zum Bestimmen des Abstands (h) die
höhenverstellbare Bauplattform (2) in Höhenrichtung (Z) verschoben wird und der Abstand (h) anhand einer Verfahrstrecke (D) der Bauplattform (2) zwischen einer ersten Höhenposition (Hi) und einer zweiten Höhenposition (H2) in Höhenrichtung (Z) und bevorzugt anhand eines Winkels (a, a‘; ß, ß‘), unter dem der Laserstrahl (6) an einer jeweiligen Höhenposition (Hi, H2) auf die mindestens eine Markierung (19a-c) ausgerichtet ist, durch Triangulation bestimmt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem zum Bestimmen des Abstands (h) ein weiterer Laserstrahl (6a) einer weiteren Scannereinrichtung (11a) auf die mindestens eine Markierung (19a-c) ausgerichtet wird und der Abstand (h) anhand einer Distanz der Scannereinrichtung (11 ) zu der weiteren
Scannereinrichtung (11a), bevorzugt anhand einer Distanz (ADI D2) eines
Drehpunkts (D1 ) der Scannereinrichtung (11 ) zu einem Drehpunkt (D2) der weiteren Scannereinrichtung (11a), sowie anhand eines jeweiligen Winkels (a, g; ß, ö), unter dem der Laserstrahl (6) und der weitere Laserstrahl (6a) auf die mindestens eine Markierung (19a-c) ausgerichtet sind, durch Triangulation bestimmt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Laserstrahl zum Kalibrieren der Bearbeitungsmaschine (1) ein Pilot-Laserstrahl (6) verwendet wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend:
Detektieren mindestens eines Retroreflektors (19a) in dem Bearbeitungsfeld (13) durch Abscannen mindestens eines anhand der Soll-Position (Xsi, Ysi) des Retroreflektors (19a) vorgegebenen Suchbereichs (25) in dem Bearbeitungsfeld (13) mitels des Laserstahls (6).
14. Bearbeitungsmaschine (1 ) zum Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen durch Bestrahlen von Pulverschichten, umfassend:
eine Bestrahiungseinrichtung (4) mit einer Scannereinrichtung (1 1 ) zur
Positionierung eines Laserstrahls (6) in einem Bearbeitungsfeld (13),
eine Bearbeitungskammer (15), in der ein Bearbeitungsfeld (13) gebildet ist und die eine Bauplatform (14) zum Aufbringen der Pulverschichten (3) aufweist, mindestens zwei Markierungen, insbesondere in Form von Retroreflektoren (19a- c), die an der Bauplatform (2) und/oder an einer an der Bauplattform (2) fixierten Preform (3) angebracht sind,
einen Detektor (22) zur Detektion von Laserstrahlung (20), die beim Überfahren der Markierungen (19a-c) mit dem Laserstrahl (6) von den Markierungen (19a-c) in die Scannereinrichtung (1 1 ) zurück reflektiert wird,
eine Auswerteeinrichtung (25) zum Ermitteln von Ist-Positionen (XPI , YPI ; XP2,
YP2; XP3, YP3) der Markierungen (19a-c) anhand der detektierten Laserstrahlung (20), sowie
eine Steuerungseinrichtung (23) zum Ermitteln von Abweichungen der Ist- Positionen (XPI , Ypi , Xp2, YP2, XP3, YP3) der Markierungen (19a-c) von Soll- Positionen (Xsi, Ysi, Xs2, Ys2, Xs3, Ys3) der Markierungen (19a-c) und zum Korrigieren der Positionierung des Laserstrahls (6) in dem Bearbeitungsfeld (13) und/oder der Position der Bauplattform (2) in der Bearbeitungsmaschine (1 ) anhand der ermittelten Abweichungen.
15. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 14, bei welcher die Steuerungseinrichtung (23) ausgebildet ist, anhand der ermitelten Abweichungen einen lateralen Versatz und/oder eine Verdrehung der Bauplattform (2) und/oder der Preform (3) in der Bearbeitungsebene (14) zu korrigieren.
16. Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 14 oder 15, weiter umfassend: eine Abstand smessei n richtu ng (26), insbesondere einen T riangulationslaser, die zur Ermittlung einer Verkippung der Bauplattform (2) und/oder der Preform (3) relativ zur Bearbeitungsebene (14) der Bearbeitungsmaschine (1 ) ausgebildet ist, wobei die Steuerungseinrichtung (23) ausgebildet ist, die durch die Abstandsmesseinrichtung ermittelte Verkippung der Bauplatform (2) und/oder der Preform (3) relativ zur Bearbeitungsebene (14) zu korrigieren.
17. Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei welcher die
Steuerungseinrichtung (23) ausgebiidet ist, Abweichungen zwischen einem jeweiligen Soll-Abstand (AAB.S, ABC.S, AAC.S) und einem jeweiligen Ist-Abstand (AAB,I, ABC.I, AAC.I) von jeweils zwei von mindestens drei bevorzugt in einem Dreieck angeordneten Markierungen (19a-c) zu ermitteln, und bei welcher die
Steuerungseinrichtung (23) ausgebildet ist, anhand der ermittelten Abweichungen eine Verkippung der Bauplattform (2) und/oder der Preform (3) relativ zur
Bearbeitungsebene (14) zu korrigieren.
18. Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei welcher der Retroreflektor als dreidimensionales Objekt, insbesondere als Kugel (19a-c), ausgebildet ist.
19. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 18, bei welcher die Kugel (19a-c) aus Quarzglas oder aus Saphir gebildet ist und/oder einen Durchmesser (D) von weniger als 5 mm aufweist.
20. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 18 oder 19, bei welcher die Kugel (19a) in einer Fassung (30) aufgenommen ist, die bevorzugt ein Schraubgewinde (31 ) zur Fixierung in einer Gewindebohrung (32) der Bauplattform (2) und/oder der Preform (3) aufweist.
21. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 20, bei welcher die Fassung (30)
mindestens eine Öffnung (35) zum Austritt eines Strahlungsanteils des
Laserstrahls (6) aufweist.
22. Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 14 bis 21 , bei welcher die Steuerungseinrichtung (23) ausgebildet ist, einen Abstand (h) in Höhenrichtung (Z) zwischen mindestens einer der Markierungen (19a-c) und der
Scannereinrichtung (11), bevorzugt einem Drehpunkt (D1 ) der
Scannereinrichtung (11 ) zur Ausrichtung des Laserstrahls (6) unter einem Winkel (a, a'; b, ß‘) auf die mindestens eine Markierung (19a-c), durch Triangulation zu bestimmen.
23. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 22, bei welcher die Steuerungseinrichtung (23) ausgebildet ist, zum Bestimmen des Abstands (h) die höhenverstellbare Bauplattform (2) zwischen einer ersten Höhenposition (H-i) und einer zweiten Höhenposition (H2) in Höhenrichtung (Z) zu verschieben und den Abstand (h) anhand einer Verfahrstrecke (D) der Bauplattform (2) in Höhenrichtung (Z) zwischen der ersten und zweiten Höhenposition (Hi, H2) und bevorzugt anhand eines Winkels (a, a‘; ß, ß‘), unter dem der Laserstrahl (6) an einer jeweiligen Höhenposition (Hi, H2) auf die mindestens eine Markierung (19a-c) ausgerichtet ist, durch Triangulation zu bestimmen.
24. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 22 oder 23, weiter umfassend:
eine weitere Scannereinrichtung (1 1a) zur Ausrichtung eines weiteren
Laserstrahls (6a) auf ein weiteres Bearbeitungsfeld (13a), das in der
Bearbeitungskammer (15) gebildet ist,
wobei die Steuerungseinrichtung (23) und/oder eine weitere
Steuerungseinrichtung (23a) ausgebildet ist, zum Bestimmen des Abstands (h) den weiteren Laserstrahl (6a) der weiteren Scannereinrichtung (1 1 a) auf die Markierung (19a-c) auszurichten und den Abstand (h) anhand einer Distanz der Scannereinrichtung (1 1 ) zu der weiteren Scannereinrichtung (1 1 a), bevorzugt anhand einer Distanz (ADID2) des Drehpunkts (D1 ) der Scannereinrichtung (11 ) zu einem Drehpunkt (D2) der weiteren Scannereinrichtung (11 a), sowie anhand eines jeweiligen Winkels (a, g; ß, ö), unter dem der Laserstrahl (6) und der weitere Laserstrahl (6a) auf die mindestens eine Markierung (19a-c) ausgerichtet sind, durch Triangulation zu bestimmen.
25. Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 14 bis 24, bei welcher der Detektor als nicht ortsauflösender Detektor, insbesondere als Diode (22), ausgebildet ist.
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