EP4298398A1 - Messsystem für ein fertigungssystem zur in-situ erfassung einer eigenschaft und verfahren - Google Patents

Messsystem für ein fertigungssystem zur in-situ erfassung einer eigenschaft und verfahren

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Publication number
EP4298398A1
EP4298398A1 EP22707609.8A EP22707609A EP4298398A1 EP 4298398 A1 EP4298398 A1 EP 4298398A1 EP 22707609 A EP22707609 A EP 22707609A EP 4298398 A1 EP4298398 A1 EP 4298398A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
unit
property
camera unit
plenoptic camera
measuring system
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
EP22707609.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Thomas Grottker
Dennis Jutkuhn
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.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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 Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4298398A1 publication Critical patent/EP4298398A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
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    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
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    • B22F12/90—Means for process control, e.g. cameras or sensors
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    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
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    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/95—Computational photography systems, e.g. light-field imaging systems
    • H04N23/957—Light-field or plenoptic cameras or camera modules

Definitions

  • the invention relates to a measuring system for a manufacturing system for the in-situ detection of a property, a manufacturing system, a method for the in-situ detection of a property, a use, a data processing system and a computer program.
  • Measuring systems for manufacturing systems are known in principle. As a rule, the monitoring of the process conditions and states of
  • Manufacturing processes in particular additive manufacturing processes, for example additive manufacturing processes in a powder bed, are not sufficient to record and evaluate them in detail. Due to this insufficient recording, critical process parameters that have a significant influence on the process stability and thus on the resulting production quality cannot be identified, analyzed, monitored and controlled sufficiently or not at all.
  • Critical process parameters of powder bed-based additive manufacturing processes are, for example, the powder application, in particular the homogeneity, the evenness and the layer thickness, the powder particle size distribution, thermally induced component deformations, in particular superexposures, irregularities in the joining process as well as disruptive particles and/or foreign particles.
  • the monitoring is insufficient with regard to those process variables that are to be detected in an interaction zone between the tool, for example the laser beam, and the workpiece as well as adjacent areas before, during and after the joining process.
  • the currently available technical approaches are generally not sufficient. For example, it is possible to measure the topography of the surface with a line camera during a layer-by-layer construction process of the additive manufacturing of a component.
  • a line camera mounted on a powder coater captures a two-dimensional image of the surface of the powder bed and the most recently created layer of the component located therein by moving the powder coater, whereby the depth of focus and depth resolution of this image are usually low.
  • strip light projection Based on a laser light projection, a stripe pattern is projected onto a building level. By stereo-optically capturing this pattern with at least two cameras in a Scheimpflug configuration, a triangulation for three-dimensional capturing of the topography is realized.
  • EP3581884A1 describes a system for monitored additive manufacturing of a component with structured light projection.
  • the disadvantages of strip light projection are the comparatively high time required for the measurement, since an independent process step is required for measuring the surface, the high costs, a high level of integration effort due to the optical accessibility in the build chamber, and a large amount of space.
  • Another way to measure a surface is to use the shadow measurement method.
  • Shadows caused by unevenness in the surface being viewed are optically recorded. From the shape, position and area of the shadows, a calculation is made to draw conclusions about the topography of the surface.
  • the disadvantages of this technology are the low and direction-dependent resolution, the lack of the possibility of layer thickness measurement, the lack of information about areas that are in shadowed zones and the indirect character of the information determination.
  • Laser triangulation also has several disadvantages. With laser triangulation, the height of the surface is determined by offsetting the back reflection of a laser beam onto the sensor with a fixed emitter-sensor configuration. A disadvantage of laser triangulation is possible shadowing, which can cause insufficient resolution depending on the measurement direction. Furthermore, information losses occur with complex geometries, such as with undercuts.
  • Interferometry relates to a punctiform determination of the height of the surface using an interferometer that is optically arranged in the beam path.
  • a raster scan is carried out to determine the topography.
  • the disadvantage is that raster scanning takes a lot of time, which results in poor profitability.
  • This task is solved with a measuring system, a method, a use, a system for data processing and a
  • the invention relates to the measuring system for a manufacturing system for the in-situ detection of a property, in particular a surface property of a surface.
  • the surface can be a component or workpiece surface, for example.
  • the surface can be a process surface, for example a powder bed surface.
  • the process surface can be an element and/or substance surface of an element and/or substance in the field of view of the plenoptic camera.
  • the surface can also be a combination of the aforementioned surfaces.
  • the surface property can be scattered radiation, reflected radiation and/or emitted radiation.
  • the scattered radiation can be caused, for example, by the powder of a powder bed surface.
  • the reflected radiation is caused in particular by a reflective surface, for example by a component surface or a melt pool.
  • the emitted radiation is caused in particular by a temperature.
  • the temperature can be caused, for example, by the processing laser and/or by a preheating unit.
  • the in-situ detection of the surface property of the surface relates in particular to the detection of the surface property during the use of a manufacturing process. Alternatively, this can also be referred to as process-parallel detection of the surface properties. Parallel to the process means in particular that the surface property can be detected parallel to the main time.
  • the measuring system is designed in particular for the in-situ detection of multispectral topographical properties of the surface.
  • Multispectral topographic properties of the surface relate to properties that can be detected with different wavelength ranges.
  • reflected light, scattered light and emitted light can be detected with the measuring system.
  • the microgeometric structure of the surface can be detected with visible light and/or infrared radiation.
  • discolorations in the visible wavelength spectrum, in particular in the RGB spectrum, and heat radiation can also be detected with specific wavelength ranges.
  • the measurement system includes a plenoptic camera unit.
  • a pie-optical camera unit is also referred to as a light field camera.
  • the plenoptic camera unit has a field of view that can be aligned with the surface.
  • a field of view is generally understood to mean the area in the field of view of an optical device within which events or changes can be detected and/or recorded.
  • a pie-optical camera unit is described, for example, in EP2422525B1.
  • the measurement system has two or more camera units.
  • the two or more pie-optical camera units are preferably movable relative to one another.
  • the invention is based on the finding that the measuring system essentially has no delaying influence on the production process, for example on the additive printing process, by detecting the surface property and can in particular be operated parallel to the main time.
  • the measuring system can create three-dimensional thermal recordings and/or RGB recordings parallel to the production process.
  • only a single camera unit is required to create the topography, so that it is not necessary to calculate the topography based on data from multiple cameras.
  • the use of the plenoptic camera unit for the production system results in a large number of new approaches for evaluating the recorded data.
  • the data evaluation of the in-situ acquisition enables the determination of temporal and spatial gradients, the monitoring of absolute values, for example in SPC charts, and the monitoring of a joining process as such.
  • the latter includes in particular the joining behavior in the sequence of exposure vectors in an additive powder bed process. Every single melt line produced that contributes to the structure of the component is documented and analyzed.
  • the preconditions in the powder bed for the production of the melt paths can be recorded. These include, among other things
  • weld track as such can be measured, analyzed and interpreted spectrally, for example by means of temper colors of the joined material, and topographically, for example by means of the characteristic shape of the melt track caused by fluctuations in the melt pool, over time.
  • the measurement system offers the possibility of quickly capturing the topography of the powder bed surface, especially in the case of the configuration with a plenoptic camera unit arranged on a recoater.
  • the recoater is preferably a layer application unit, in particular a powder layer application unit, and/or a layer-applying and/or layer-generating element, in particular a powder layer applying and/or powder layer generating element.
  • a plenoptic camera unit mounted off- or on-axis there is a further advantage in capturing the topography of the surface in different wavelength ranges as well as the video character of the recordings.
  • a preferred embodiment variant of the measuring system is characterized in that the plenoptic camera unit is designed to be arranged on a production machine.
  • the manufacturing machine is preferably an additive manufacturing machine. Furthermore, it is preferred that the plenoptic camera unit is arranged within the production machine. In addition, it is preferred that the plenoptic camera unit can be arranged within a build chamber of the additive manufacturing machine. In order for the plenoptic camera unit to be able to be arranged on a production machine, in particular the aforementioned construction chamber, different properties adapted to the environmental conditions are generally required.
  • the plenoptic camera unit is preferably designed to be essentially dust-tight and/or temperature-resistant for arrangement in the production machine. In addition, the plenoptic camera unit is preferably designed in such a way that it withstands low and/or high ambient pressures. In addition, it is preferred that the plenoptic camera unit enables reliable detection of the surface properties with vapor, smoke and/or particles in the field of view.
  • the plenoptic camera unit can be arranged in a movable manner.
  • the plenoptic camera unit is preferably of such a robust design that the movement essentially does not or only slightly influence the functionality of the plenoptic camera unit.
  • a further preferred development of the measurement system is characterized in that the plenoptic camera unit is arranged on a movement unit.
  • the moving unit can be a moving unit, for example, which can be moved relative to a workpiece to be machined.
  • the relative movement between the traversing unit and the workpiece to be machined or the component to be produced can be achieved by a moving traversing unit and/or be realized by a moving workpiece or component in relation to a reference point of the production machine.
  • the movement unit can be a robot, in particular an articulated-arm robot, preferably a robot arm.
  • the plenoptic camera unit can be arranged on moving parts of the production machine.
  • the movement unit can be a layer application unit, in particular a powder layer application unit, of an additive manufacturing machine.
  • the movement unit can be a print head unit and/or a process unit of an additive manufacturing machine.
  • it comprises at least one optical element for controlling the field of view of the pie-optical camera unit. Controlling the field of view relates to the shape and/or size of the field of view and/or the orientation of the field of view. Controlling the field of view can also mean controlling a portion of the field of view of the pie-optical camera unit.
  • the at least one optical element is designed as mirror and/or deflection kinematics.
  • the optical element can be, for example, a protective glass, a mirror, in particular a partially transparent mirror or a splitter mirror, a lens, a prism, a filter and/or a shutter.
  • the at least one optical element is arranged to be movable.
  • the movably arranged optical element is in particular rotatable and/or movable in translation.
  • the plenoptic camera unit comprises at least one lens arrangement with a large number of lenses.
  • the lens arrangement can also include lens groups.
  • the lens arrangement is preferably in the form of a microlens arrangement.
  • the microlens array has a multiplicity of microlenses and/or lens groups comprising microlenses.
  • a microlens can, for example, have a diameter of 50 ⁇ m to 500 ⁇ m, in particular from 100 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • the lenses and/or lens groups have the same and/or different depths of field.
  • a depth of field is understood to mean, in particular, a measure of the extent of the sharp area in the object space and/or field of view of the plenoptic camera unit.
  • the lenses and/or lens groups have the same and/or different focal positions.
  • the lenses and/or lens groups are arranged as lines, matrices and/or lens patterns.
  • the lens pattern can be, for example, a checkerboard pattern, a line and/or stripe pattern, a periodic geometric pattern, one, two or more concentric circles and/or one, two or more concentric polygons.
  • the plenoptic camera unit has at least one sensor unit.
  • the sensor unit preferably interacts with the at least one lens arrangement.
  • the sensor unit is preferably arranged behind the lens arrangement in the beam direction. A beam entering the plenoptic camera unit thus first impinges on the lens arrangement and then on the sensor unit.
  • the sensor unit and the lens arrangement are preferably arranged in such a way that the beam entering the plenoptic camera unit first impinges on the lens arrangement and then on the sensor unit.
  • the sensor unit is set up for the simultaneous detection of one, two or more way length ranges.
  • This has the particular advantage that different surface properties can be recorded.
  • a temperature can be detected by detecting infrared light.
  • the detection of a light visible to a human can be used to detect a geometric topography.
  • Surface properties are detected with the measuring system by detecting ultraviolet light.
  • the sensor unit has two or more sensor areas for the simultaneous detection of two or more wavelength ranges. It is preferred that a first sensor area is designed for detecting a first wavelength range and a second sensor area is designed for detecting a second wavelength range that is different from the first wavelength range,
  • Two or more sensor areas can be provided by providing two or more sensor surfaces on the sensor unit. In addition, two or more sensor areas can be realized by segmented areas of one, two or more of these sensor surfaces. It is preferred that the plenoptic camera unit has a higher number of sensor rods than a number of lenses.
  • a further preferred embodiment variant of the measuring system comprises a beam splitting unit and/or a beam filter unit for the simultaneous detection of one, two or more wavelength ranges.
  • the measuring system include a filter shutter for the simultaneous detection of one, two or more wavelength ranges.
  • a further preferred development of the measuring system includes a screen unit with a rotating screen and translucent recesses. The recesses preferably have filters that transmit different wavelength ranges.
  • the measuring system comprises an illumination unit for directed and/or non-directed illumination within the field of view of the plenoptic camera, in particular the surface. The undirected illumination can in particular be diffuse.
  • the lighting unit for directional illumination is a laser unit, for example.
  • a diffuse, undirected illumination results in a uniform illumination of the construction space with reduced shadows. Shadowing and consequently a loss of information can be avoided or reduced as a result.
  • the lighting unit for non-directional illumination is, for example, a surface or volume light source, preferably an LED, an OLED, halogen and/or neon tubes, and/or a thermal lighting element.
  • a further preferred development of the measuring system comprises a control device which is arranged and designed to receive at least one camera signal from the plenoptic camera unit and to evaluate the property, in particular the surface property of the surface, for detecting it.
  • the control device is preferably coupled in terms of signals to the pie-optical camera unit.
  • the camera signal is in particular an output signal of the pie-optical camera unit.
  • the camera signal can be an input signal for the control device.
  • the control device is preferably set up to multispectrally break down the at least one camera signal into one, two or more wavelength ranges.
  • the control device is set up to determine thermal and/or spatial changes as a function of time of predetermined areas within the field of view, in particular of predetermined surface areas of the surface, based on the at least one camera signal. An analysis of the time-resolved dynamic behavior is thus possible.
  • control device is set up to determine thermal, spatial and/or spectral absolute values based on the at least one camera signal.
  • control device is set up, based on the at least one camera signal, to determine thermal, spatial and/or spectral gradients between To determine pixels and/or predefined areas within the field of view, in particular predefined surface areas of the surface.
  • control device is set up to determine isolines and/or isarithms based on the at least one camera signal.
  • the control device displays the isolines and/or isarithms with a suitable display device, for example a screen.
  • the object mentioned at the outset is achieved by the manufacturing system with in-situ detection of a property, in particular a surface property of a surface, preferably multispectral topographical properties of the surface, comprising a manufacturing machine, in particular for additive manufacturing, for example an additive manufacturing machine based on a powder bed method, and a measuring system according to one of the embodiment variants described above, the plenoptical camera unit being arranged to record the property, in particular the surface property.
  • the measuring system is preferably coupled to the production machine, in particular mechanically and/or coupled in terms of signals.
  • the plenoptic camera unit is arranged on the production machine. It is particularly preferred that the plenoptic camera unit is arranged within the production machine. In addition, it can be preferred that the plenoptic camera unit is arranged within a build chamber of the manufacturing machine, in particular the additive manufacturing machine. Furthermore, it can be preferred that the plenoptic camera unit is arranged on a movement unit.
  • the movement unit can be a separate displacement unit, a separate robot, in particular a robot arm, a machine-internal layer application unit, and/or a machine-internal print head and/or process unit.
  • the plenoptical camera unit is optically equipped with at least is coupled to an optical system of a processing laser.
  • Additive manufacturing machines in particular, for example powder bed-based additive manufacturing machines, usually have a processing laser.
  • processing lasers usually have an optical system to align the laser beam in a predefined area of the surface.
  • This optical system can be used for the plenoptic camera unit for in-situ detection of the surface property of the surface.
  • the use of the optical system of the processing laser is particularly preferred when the exposure area of the laser on the surface and the adjacent areas are to be captured by the plenoptical camera unit.
  • the production system comprises at least one optical element for controlling the field of view of the plenoptic camera unit.
  • an optical element can be provided in addition to the optical system of the processing laser, in particular if the optical system of the processing laser is not intended to be used by the plenoptical camera unit, or not at all times.
  • the optical element is preferably mirror and/or deflection kinematics.
  • the field of view of the plenoptic camera unit can essentially be oriented arbitrarily on the surface, so that different surface areas can be recorded with the plenoptic camera unit.
  • this comprises a build-up welding unit, in particular a build-up welding head, with a material feed line, with the plenoptic camera being arranged and designed in such a way as to monitor a material emerging from the material feed line and/or a trace of melting and /or to analyze.
  • the material feed line is preferably designed for powdery and/or wirelike material.
  • the build-up welding unit can be the moving unit.
  • the build-up welding unit is or preferably includes a laser build-up welding unit with a laser unit.
  • the plenoptic The camera unit is preferably arranged and designed in such a way that it monitors and/or analyzes a melting process of the material using a laser beam from a laser unit.
  • the plenoptic camera unit is coupled to an optical system of the laser unit, a mirror being used, for example, which is translucent for a laser beam and reflective for the field of view of the plenoptic camera unit.
  • the build-up welding unit is preferably or comprises a welding unit, in particular a welding torch.
  • the manufacturing system preferably includes an application unit that has a binder source.
  • this includes a print head for a binder jetting method.
  • the printhead is preferably the moving unit.
  • the print head preferably has dispensing units, in particular nozzles, for dispensing a binder,
  • the plenoptic camera unit is preferably arranged on the print head.
  • the plenoptical camera unit is preferably arranged in such a way that it monitors a binder application, in particular a droplet fall, an entry and/or a wetting of a powder layer and/or the delivery units, in particular a blockage of the delivery units.
  • the plenoptic camera unit arranged on the print head preferably interacts with one, two or more optical elements, in particular mirrors.
  • the object mentioned at the outset is achieved by the method for in-situ detection of a property, in particular a surface property of a surface, preferably multispectral topographical properties of the surface, comprising the steps of: controlling a plenoptical camera unit for plenoptical detection of the property, in particular the Surface property, and/or control of a measuring system according to one of the embodiment variants described above, generation of a camera signal characterizing the property, in particular the surface property, on the basis of the plenoptical detection, and evaluation of the camera signal.
  • the method is preferably at least in part a computer-implemented method.
  • the method preferably includes the step: providing a manufacturing system according to one of the embodiment variants described above.
  • the evaluation of the camera signal can include or be, for example, the multispectral decomposition of the camera signal into one, two or more wavelength ranges.
  • the evaluation can be the determination of thermal and/or spatial changes as a function of time in predetermined surface areas of the surface.
  • thermal, spatial and/or spectral absolute values can be determined.
  • the evaluation can include the determination of thermal, spatial and/or spectral gradients between pixels and/or predefined surface areas of the surface.
  • isolines and/or isarithms can be determined.
  • the object mentioned at the outset is achieved by using a plenoptic camera unit for in-situ recording of a surface property of a surface, preferably of multispectral topographical properties of the surface.
  • the object mentioned at the outset is achieved by a system for data processing, comprising means for carrying out the steps of the method described above.
  • the object mentioned at the outset is achieved by a computer program product, comprising instructions which, when the computer program is executed by a computer, cause the latter to execute the method described above.
  • FIG. 1 a schematic, two-dimensional view of an exemplary embodiment of a measuring system
  • FIG. 2 a further schematic, two-dimensional view of an exemplary embodiment of a measuring system
  • FIG. 3 a further schematic, two-dimensional view of an exemplary embodiment of a measuring system
  • FIG. 4 a further schematic, two-dimensional view of an exemplary embodiment of a measuring system
  • FIG. 5 a further schematic, two-dimensional view of an exemplary embodiment of a measuring system
  • FIG. 6 a further schematic, two-dimensional view of an exemplary embodiment of a measuring system
  • FIG. 1 another schematic, two-dimensional view of an exemplary embodiment of a measuring system
  • FIG. 8 a schematic, two-dimensional view of an exemplary embodiment of a manufacturing system
  • FIG. 9 a further schematic, two-dimensional view of an exemplary embodiment of a manufacturing system
  • FIG. 10 a schematic, two-dimensional view of an exemplary embodiment of a plenoptic camera unit.
  • FIG. 11 a schematic method.
  • FIG. 1 shows a schematic, two-dimensional view of an exemplary embodiment of a measuring system 1 for a manufacturing system 100 for in-situ detection of a surface property of a surface 82, which is also designed for in-situ detection of multispectral topographical properties of the surface 82.
  • the surface 82 shown in FIG. 1 is a process surface, namely a powder bed surface. A section of the powder bed surface located above the component 80 is exposed after production with a laser, so that a further component layer is produced. The state after exposure is shown in FIG. There, the surface 82 is a combination of a process surface and a component surface.
  • the measurement system 1 includes a pie-optical camera unit 2 with a field of view 4 that can be aligned with the surface 82 .
  • the surface 82 is a powder surface under which a component 80 is located.
  • the pie-optical camera unit 2 is arranged on the production machine 102 inside the construction chamber 104 .
  • the measuring system 1 shown in FIG. 2 comprises a camera arrangement 5 which, in addition to the plenoptic camera unit 2 described above, has a further, second pieoptic camera unit 8 with a second field of view 8 .
  • the measuring system 1 can also have three or more pie-optical camera units 2, 8.
  • the arrow next to the pie-optical camera units 2, 6 shows that the pie-optical camera units 2, 8 are movably arranged.
  • the pie-optical camera units provided with the reference symbols 2a, 2b, 2c, 2d are intended in particular to represent alternative positions for pie-optical camera units.
  • the pie-optical camera units 2, 8 can thus be arranged in the positions 2a, 2b, 2c, 2d.
  • the displacement unit 16 and the articulated robot 20 usually represent alternative solutions, but they can also be combined in one Manufacturing machine are used.
  • the displacement unit 16 and/or the articulated-arm robot 20 can be arranged inside the construction chamber 104 and/or outside of the construction chamber 104 .
  • the traversing unit 18 can be a traversing unit specially provided for the plenoptic camera units 2, 6 or a print head unit and/or
  • the displacement unit 16 can be moved in the direction of movement 18.
  • the displacement unit 18 can also be moved orthogonally to the direction of movement 18, so that any direction of movement, for example at an angle. are realizable. It is preferred that the displacement unit 18 can be moved in all spatial directions.
  • the articulated-arm robot 20 as a movement unit has a further plenoptic camera unit 12 at one end.
  • a layer application unit 22 is movably arranged within the build chamber 104 .
  • the layer application unit 22 is a movement unit.
  • the layer application unit 22 can be moved in the movement direction 24 .
  • the layer application unit 22 can also be moved in a direction oriented perpendicularly and/or obliquely, in particular when using a round construction plane, to the direction of movement 24.
  • the measuring system 1 shown in Figure 5 comprises the plenoptic camera unit 2 and a plurality of optical elements 26, 28 , 30, 32 for controlling the field of view 4 of the plenoptical camera unit 2.
  • the field of view 4 of the plenoptical camera unit 2 is directed onto optical elements 26, 28 designed as mirrors.
  • the field of view 4 is passed on by the optical elements 26, 28 in the direction of the optical elements 30, 32, so that fields of view 34, 38 directed onto the surface 82 arise.
  • This embodiment variant has the advantage that the field of view 4 can be controlled by means of the optical elements 28, 28, 30, 32 and thus the movement of the plenoptic camera unit 2 can be reduced.
  • the field of view 4 can be specifically adapted, as can be seen from the field of view 38, for example.
  • FIG. 6 shows that the plenoptical camera units 2, 8 are optically coupled to an optical system 44, 48 of a processing laser 40. Of the Laser beam 42 of the processing laser 40 passes the optical deflection element 44 and is deflected by the optical deflection element 46 towards the optical elements 26 ⁇ 32 and then strikes the surface 82.
  • the optical deflection elements 44, 46 are also used for the fields of view of the plenoptic camera units 2, 6 used, so that they also impinge on the component surface 82.
  • the optical deflection elements 44, 46 are designed as splitter mirrors.
  • the optical deflection elements 44, 46 are designed to transmit the laser beam 42 and to reflect the beams emitted by the pie-optical camera units.
  • the optical elements 26, 28 are also arranged to be movable, in this case rotatable.
  • FIG. 6 can also be implemented without using the optical system of the processing laser 40 by providing the optical elements 48, 50 as separate optical elements for the measuring system 1 and having the functionality described above.
  • FIG. 7 shows a further variant of the measuring system 1, two light sources 52, 56 being provided in order to illuminate the surface 82.
  • the light source 52 has directed light beams 54 .
  • the light source 56 has diffuse, undirected light beams 58.
  • the measuring system 1 can have one, two or more light sources 52, 56 of the same and/or different design.
  • the arrangement of the light sources 52, 56 inside and/or outside of the build chamber 104 is arbitrary. For example, these can have the positions 2a-d shown in FIG.
  • the light sources 52, 56 can also be ring-shaped, with such a light source preferably being able to be arranged around a laser beam and/or a laser unit.
  • Figure 8 shows a manufacturing system 100 with a manufacturing machine 102 and a build chamber 104.
  • the manufacturing machine 102 includes a
  • Laser deposition welding head 106 with a laser source 108 and a material feed 112 for feeding material into a process area.
  • the process area is within the field of view 4 of the plenoptic camera unit 2 of the measuring system 1, so that the process area can be monitored.
  • the plenoptic camera unit 4 can be arranged in the position 2e.
  • the field of view of the plenoptic camera unit 4 is deflected into the process area via a splitter mirror 110, so that the area surrounding the laser beam 42 can be monitored.
  • FIG. 9 shows a production system 100 for carrying out a binder jetting method.
  • the manufacturing system 100 includes a printhead 114 having binder nozzles 116 for dispensing a binder in droplet form.
  • the component 80 is a green ring which is essentially located within the powder bed 81 .
  • the droplet fall of the binder, the wetting of the powder particles or the powder layer and the binder nozzles 116 can be monitored with the plenoptic camera unit 4 .
  • the plenoptic camera unit 4 can also be arranged at position 2f or at position 2g. A plenoptic camera unit 4 located at position 2f interacts with the optical elements 118, 120 to monitor the process.
  • FIG. 10 shows an exemplary embodiment of a plenoptic camera unit 2 .
  • the plenoptic camera unit 2 has a main lens 60 .
  • the plenoptic camera unit 2 has a virtual image plane 62 , a microlens arrangement 64 and a sensor unit 66 .
  • the plenoptic camera unit 2 is coupled to a control device 68 .
  • FIG. 11 shows a schematic method for in-situ detection of a surface property of a surface, preferably multispectral topographical properties of the surface.
  • a plenoptical camera unit 2, 6 for the plenoptical detection of the surface 82 is controlled.
  • a measuring system 1 described above is preferably controlled.
  • a camera signal characterizing the surface property is generated on the basis of the plenoptical detection, in step 204 the camera signal is evaluated.
  • plenoptic camera unit 8 field of view 10
  • optical element 24 direction of movement 26 optical element 28 optical element 30 optical element 32 optical element
  • processing lasers 42 laser beam 44 optical deflection element 46 optical deflection element 48 optical element 50 optical element

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messsystem (1) für ein Fertigungssystem (100) zur in-situ Erfassung einer Eigenschaft, ein Fertigungssystem (100), ein Verfahren zur in-situ Erfassung einer Eigenschaft, eine Verwendung, ein System zur Datenverarbeitung und ein Computerprogramm. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Messsystem (1) für ein Fertigungssystem (100) zur in-situ Erfassung einer Eigenschaft, insbesondere einer Oberflächeneigenschaft einer Oberfläche (82), umfassend eine plenoptische Kameraeinheit (2, 6, 12) mit einem Sichtfeld, insbesondere einem auf die Oberfläche ausrichtbaren Sichtfeld (4, 8).

Description

Messsystem für ein Fertigungssystem zur in-situ Erfassung einer Eigenschaft und Verfahren
Die Erfindung betrifft ein Messsystem für ein Fertigungssystem zur in-situ Erfassung einer Eigenschaft, ein Fertigungssystem, ein Verfahren zur in-situ Erfassung einer Eigenschaft, eine Verwendung, ein System zur Datenverarbeitung und ein Computerprogramm. Messsysteme für Fertigungssysteme sind grundsätzlich bekannt. In der Regel ist die Überwachung der Prozessbedingungen und -zustände von
Fertigungsverfahren, insbesondere von additiven Fertigungsverfahren, beispielsweise von additiven Fertigungsverfahren im Pulverbett, nicht ausreichend, um diese im Detail zu erfassen und auszuwerten. Aufgrund dieser nicht ausreichenden Erfassung können kritische Prozessparameter, die einen signifikanten Einfluss auf die Prozessstabilität und somit auf die resultierende Fertigungsqualität haben, nicht oder nicht ausreichend identifiziert, analysiert, überwacht und gesteuert werden. Kritische Prozessparameter von pulverbettbasierten additiven Fertigungsverfahren sind beispielsweise der Pulverauftrag, insbesondere die Homogenität, die Ebenheit und die Schichtdicke, die Pulverpartikelgrößenverteilung, thermisch bedingte Bauteilverformungen, insbesondere Superexpositionen, Unregelmäßigkeiten im Fügeprozess sowie Störpartikel und/oder Fremdpartikel. Insbesondere ist die Überwachung hinsichtlich solcher Prozessgrößen unzureichend, die in einer Interaktionszone zwischen dem Werkzeug, beispielsweise dem Laserstrahl, und dem Werkstück sowie angrenzenden Bereichen vor, während und nach dem Fügeprozess zu erfassen sind.
Die aktuell verfügbaren technischen Ansätze sind, wie eingangs beschrieben, in der Regel nicht ausreichend. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, eine Topografie der Oberfläche während eines schichtweisen Bauprozesses der additiven Fertigung eines Bauteils mit einer Zeilenkamera zu messen. Eine auf einem Pulverbeschichter befestigte Zeilenkamera erfasst durch das Bewegen des Pulverbeschichters ein zweidimensionales Abbild der Oberfläche des Pulverbettes und der darin befindlichen, zuletzt erzeugten Schicht des Bauteiles, wobei die Schärfentiefe und Tiefenauflösung dieses Abbilds in der Regel gering sind.
Aufgrund der geringen Schärfentiefe der Aufnahme erscheinen unterschiedliche Höhen in der Topografie unterschiedlich scharf. Je unschärfer das Bild, desto größer ist der Höhenunterschied in Bezug zu einer kalibrierten Nullhöhe, in der das Bild scharf ist. Anhand der Unschärfe lässt sich eine Höheninformation errechnen. Eine solche Anordnung ist beispielsweise in der EP3159081 A1 beschrieben. Der Nachteil dieser Technologie liegt insbesondere darin, dass eine Differenzierung zwischen Erhöhung und Vertiefung in der Regel nicht möglich ist. Somit ist eine Schichtdickenmessung nicht möglich. Des Weiteren handelt es sich um ein indirektes Messverfahren, das nur wenige kritische Prozessgrößen erfasst.
Ein weiteres eingesetztes Verfahren betrifft die Streifenlichtprojektion. Auf Basis einer Laserlichtprojektion wird ein Streifenmuster auf eine Bauebene projiziert. Durch die stereooptische Erfassung dieses Musters mit mindestens zwei Kameras in Scheimpflug-Konfiguration wird eine Triangulation zur dreidimensionalen Topografieerfassung realisiert. Die EP3581884A1 beschreibt ein System zur überwachten additiven Fertigung eines Bauteils mit der Streifenlichtprojektion. Die Nachteile der Streifenlichtprojektion bestehen in einem vergleichsweise hohen Zeitaufwand für die Messung, da ein eigenständiger Prozessschritt für das Messen der Oberfläche erforderlich ist, den hohen Kosten, einem hohen Integrationsaufwand aufgrund der optischen Zugänglichkeit in der Baukammer sowie einem hohen Platzbedarf.
Eine weitere Möglichkeit zur Messung einer Oberfläche besteht in der Messmethode des Schattenwurfs. Auf Grundlage einer Kameraeinheit und gerichteter Beleuchtung werden durch Unebenheiten der betrachteten Oberfläche hervorgerufene Schatten optisch erfasst. Aus Form, Lage und Fläche der Schatten wird rechnerisch ein Rückschluss auf die Topografie der Oberfläche gezogen. Die Nachteile dieser Technologie bestehen in der geringen und richtungsabhängigen Auflösung, der fehlenden Möglichkeit der Schichtdickenmessung, den fehlenden Informationen über Bereiche, die in beschatteten Zonen liegen, sowie in dem indirekten Charakter der Informationsbestimmung.
Ferner können Oberflächen mit der Lasertriangulation gemessen werden. Die Lasertriangulation ist ebenfalls mit mehreren Nachteilen verbunden. Bei der Lasertriangulation erfolgt eine Höhenbestimmung der Oberfläche durch Versatz der Rückreflektion eines Laserstrahles auf den Sensor bei fester Emitter-Sensor- Konfiguration. Ein Nachteil der Lasertriangulation sind mögliche Abschattungen, die in Abhängigkeit der Messrichtung unzureichende Auflösungen verursachen können. Ferner treten Informationsverluste bei komplexen Geometrien auf, wie zum Beispiel bei Hinterschneidungen.
Die Interferometrie betrifft eine punktuelle Höhenbestimmung der Oberfläche durch ein Interferometer, das optisch im Strahlengang angeordnet ist. Zur Topografiebestimmung erfolgt ein Rasterscan. Der Nachteil liegt in einem hohen Zeitaufwand für das Rasterscannen, der in einer geringen Wirtschaftlichkeit resultiert.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Messsystem für ein Fertigungssystem zur in-situ Erfassung einer Eigenschaft, ein Fertigungssystem, ein Verfahren zur in-situ Erfassung einer Eigenschaft, eine Verwendung, ein System zur Datenverarbeitung und ein Computerprogramm bereitzustellen, die einen oder mehrere der genannten Nachteile vermindern oder beseitigen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, die eine prozessparallele Aufnahme einer zeitbezogenen Änderung von
Oberflächeneigenschaften einer Oberfläche ermöglicht. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, die eine verbesserte Erfassung einer Oberfläche ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Messsystem, einem Verfahren, einer Verwendung, einem System zur Datenverarbeitung und einem
Computerprogrammprodukt nach den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Aspekte sind in den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden. Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung das Messsystem für ein Fertigungssystem zur in-situ Erfassung einer Eigenschaft, insbesondere einer Oberflächeneigenschaft einer Oberfläche.
Die Oberfläche kann beispielsweise eine Bauteil- oder Werkstückoberfiäche sein. Darüber hinaus kann die Oberfläche eine Prozessoberfiäche sein, beispielsweise eine Pulverbettoberfiäche. Ferner kann die Prozessoberfiäche eine Element- und/oder Stoffoberfläche eines Elements und/oder Stoffes im Sichtfeld der plenoptischen Kamera sein. Ferner kann die Oberfläche auch eine Kombination aus den im Vorherigen genannten Oberflächen sein. Die Oberfiächeneigenschaft kann eine Streustrahlung, eine reflektierte Strahlung und/oder eine emittierte Strahlung sein. Die Streustrahlung kann beispielsweise durch das Pulver einer Pulverbettoberfiäche bewirkt werden. Die reflektierte Strahlung wird insbesondere durch eine spiegelnde Oberfläche verursacht, beispielsweise von einer Bauteiloberfläche oder einem Schmelzbad. Die emittierte Strahlung wird insbesondere durch eine Temperatur bewirkt. Die Temperatur kann beispielsweise von dem Bearbeitungslaser und/oder von einer Vorwärmungseinheit verursacht werden. Die in-situ Erfassung der Qberflächeneigenschaft der Oberfläche betrifft insbesondere die Erfassung der Oberflächeneigenschaff während der Anwendung eines Fertigungsverfahrens. Dies kann alternativ auch als prozessparallele Erfassung der Oberflächeneigenschaff bezeichnet werden. Prozessparallel bedeutet insbesondere, dass die Erfassung der Oberflächeneigenschaft hauptzeitparailel erfolgen kann.
Das Messsystem ist insbesondere zur in-situ Erfassung von multispektralen Topografieeigenschaften der Oberfläche ausgebildet. Multispektrale Topografie- eigenschaften der Oberfläche betreffen solche Eigenschaften, die mit unterschiedlichen Wellenlängenbereichen erfassbar sind. Insbesondere können mit dem Messsystem reflektiertes Licht, gestreutes Licht und emittiertes Licht erfasst werden. Beispielsweise kann mit sichtbarem Licht und/oder infraroter Absfrahlung die mikrogeometrische Struktur der Oberfläche erfasst werden. Ferner können mit spezifischen Wellenlängenbereichen auch Verfärbungen im sichtbaren Wellenlängenspektrum, insbesondere im RGB-Spektrum, sowie eine Wärmeabstrahlung erfasst werden.
Das Messsystem umfasst eine plenoptische Kameraeinheit. Eine pienoptische Kameraeinheit wird auch als Lichtfeldkamera bezeichnet. Die plenoptische Kameraeinheit weist insbesondere ein auf die Oberfläche ausrichtbares Sichtfeld auf. Unter einem Sichtfeld wird allgemein der Bereich im Bildwinkel einer optischen Einrichtung verstanden, innerhalb dessen Ereignisse oder Veränderungen erfasst und/oder aufgezeichnet werden können. Eine pienoptische Kameraeinheit ist beispielsweise in der EP2422525B1 beschrieben.
Es ist bevorzugt, dass das Messsystem zwei oder mehrere Kameraeinheiten aufweist. Die zwei oder mehreren pienoptischen Kameraeinheiten sind vorzugsweise relativ zueinander bewegbar.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Messsystem im Wesentlichen keinen verzögernden Einfluss auf den Fertigungsprozess, beispielsweise auf den additiven Druckprozess, durch die Erfassung der Oberflächeneigenschaft hat und insbesondere hauptzeitparailel betrieben werden kann. Das Messsystem kann parallel zu dem Fertigungsprozess dreidimensionale Thermoaufnahmen und/oder RGB-Aufnahmen erstellen. Darüber hinaus können durch die Erfassung der Topografie auch Veränderungen der Topografie über die Zeit bestimmt werden. Ferner ist für die Erstellung der Topografie lediglich eine einzelne Kameraeinheit erforderlich, sodass keine Berechnung der Topografie auf Basis von Daten mehrerer Kameras erforderlich ist. Durch den Einsatz der plenoptischen Kameraeinheit für das Fertigungssystem ergeben sich eine Vielzahl neuer Ansätze zur Auswertung der erfassten Daten. Durch mehrfache, zeitlich versetzte Aufnahmen der thermischen Eigenschaften und einer Topografiehöhe an einem vordefinierten Punkt, wird die Erfassung des Abkühl- und Verformungsverhaltens möglich, wodurch sich in dieser Hinsicht qualitätskritische Bereiche, zum Beispiel bei einem hohen Unterschied im zeitlichen Verlauf, bestimmen lassen.
Weiterhin ermöglicht die Datenauswertung der in-situ Erfassung die Bestimmung zeitlicher und räumlicher Gradienten, die Überwachung von Absolutwerten, beispielsweise in SPC-Charts, sowie eine Überwachung eines Fügeprozesses als solchem. Letzteres umfasst insbesondere das Fügeverhalten in der Abfolge von Belichtungsvektoren bei einem additiven Pulverbettverfahren. Jede einzelne erzeugte Schmelzbahn, die zum Aufbau des Bauteiles beiträgt, wird dokumentiert und analysiert.
Weiterhin können die Vorbedingungen im Pulverbett für die Erzeugung der Schmelzbahnen erfasst werden. Diese umfassen unter anderem
Partikelgrößenverteilung, Spratzer, Schmauch, Verwirbelungen sowie
Aufwerfungen von Pulver. Weiterhin lässt sich die Schweißspur als solche spektral, beispielsweise mittels Anlauffarben des gefügten Materials, und topografisch, beispielsweise mittels der charakteristischen Form der Schmelzspur, die durch Fluktuation im Schmelzbad hervorgerufen wird, im zeitlichen Verlauf messen, analysieren und interpretieren.
Ein weiterer Vorteil des Messsystems besteht darin, dass die Möglichkeit einer schnellen Erfassung der Topografie der Pulverbettoberfläche besteht, insbesondere im Falle der Konfiguration mit einer auf einem Recoater angeordneten plenoptischen Kameraeinheit. Der Recoater ist vorzugsweise eine Schichtauftragseinheit, insbesondere eine Pulverschichtauftragseinheit, und/oder ein schichtauftragendes und/oder schichterzeugendes Element, insbesondere ein pulverschichtauftragendes und/oder pulverschichterzeugendes Element. In einer Konfiguration mit Off- oder On-Axis angebrachter plenoptischer Kameraeinheit besteht ein weiterer Vorteil in der Erfassung der Topografie der Oberfläche in unterschiedlichen Wellenbereichen sowie des Videocharakters der Aufnahmen. Eine bevorzugte Ausführungsvariante des Messsystems zeichnet sich dadurch aus, dass die plenoptische Kameraeinheit ausgebildet ist, um an einer Fertigungsmaschine angeordnet zu werden. Die Fertigungsmaschine ist vorzugsweise eine additive Fertigungsmaschine. Ferner ist es bevorzugt, dass die plenoptische Kameraeinheit innerhalb der Fertigungsmaschine angeordnet ist. Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass die plenoptische Kameraeinheit innerhalb einer Baukammer der additiven Fertigungsmaschine anordenbar ist. Damit die plenoptische Kameraeinheit an einer Fertigungsmaschine, insbesondere der im Vorherigen genannten Baukammer, anordenbar ist, sind in der Regel unterschiedliche, den Umgebungsbedingungen angepasste Eigenschaften erforderlich. Die plenoptische Kameraeinheit ist zur Anordnung in der Fertigungsmaschine vorzugsweise im Wesentlichen staubdicht und/oder temperaturbeständig ausgebildet. Darüber hinaus ist die plenoptische Kameraeinheit vorzugsweise derart ausgebildet dass diese geringen und/oder hohen Umgebungsdrücken standhält. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die plenoptische Kameraeinheit mit Dampf, Rauch und/oder Partikeln im Sichtfeld eine zuverlässige Erfassung der Oberflächeneigenschaften ermöglicht.
Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass die plenoptische Kameraeinheit bewegbar anordenbar ist. Hierfür ist die plenoptische Kameraeinheit vorzugsweise derart robust ausgebiidet, dass die Bewegung die Funktionalität der pienoptischen Kameraeinheit im Wesentlichen nicht oder lediglich geringfügig beeinflusst.
Eine weitere bevorzugte Fortbildung des Messsystems zeichnet sich dadurch aus, dass die plenoptische Kameraeinheit an einer Bewegungseinheit angeordnet ist. Die Bewegungseinheit kann beispielsweise eine Verfahreinheit sein, die relativ zu einem zu bearbeitenden Werkstück bewegbar ist. Die relative Bewegung zwischen der Verfahreinheit und dem zu bearbeitenden Werkstück bzw. dem zu erzeugenden Bauteil kann durch eine sich bewegende Verfahreinheit und/oder durch ein sich bewegendes Werkstück bzw. Bauteil jeweils in Bezug auf einen Bezugspunkt der Fertigungsmaschine realisiert werden.
Darüber hinaus kann die Bewegungseinheit ein Roboter, insbesondere ein Knickarm-Roboter, vorzugsweise ein Roboterarm, sein. Ferner kann die plenoptische Kameraeinheit an bewegten Teilen der Fertigungsmaschine anordenbar sein. Insbesondere kann die Bewegungseinheit eine Schichtauftragseinheit, insbesondere eine Puiverschichtauftragseinheit, einer additiven Fertigungsmaschine sein. Darüber hinaus kann die Bewegungseinheit eine Druckkopfeinheit und/oder eine Prozesseinheit einer additiven Fertigungsmaschine sein. in einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Messsystems ist vorgesehen, dass dieses mindestens ein optisches Element zur Steuerung des Sichtfelds der pienoptischen Kameraeinheit umfasst. Die Steuerung des Sichtfelds betrifft die Form und/oder Größe des Sichtfelds und/oder die Ausrichtung des Sichtfelds. Steuerung des Sichtfelds kann auch bedeuten, dass es sich um eine Steuerung eines Abschnitts des Sichtfelds der pienoptischen Kameraeinheit handelt.
Es ist bevorzugt, dass das mindestens eine optische Element als eine Spiegel- und/oder Ablenkkinematik ausgebildet ist. Das optische Element kann beispielsweise ein Scbutzglas, ein Spiegel, insbesondere ein teildurchiässiger Spiegel bzw. ein Teilerspiegel, eine Linse, ein Prisma, ein Filter und/oder ein Shutter sein.
Es ist ferner bevorzugt, dass das mindestens eine optische Element bewegbar angeordnet ist. Das bewegbar angeordnete optische Element ist insbesondere rotierbar und/oder translatorisch bewegbar.
Eine weitere bevorzugte Fortbildung des Messsystems zeichnet sich dadurch aus, dass die plenoptische Kameraeinheit mindestens eine Linsenanordnung mit einer Vielzahl an Linsen umfasst. Die Linsenanordnung kann darüber hinaus auch Linsengruppen umfassen. Die Unsenanordnung ist vorzugsweise als Mikrolinsen- anordnung ausgebildet. Die Mikrolinsenanordnung weist eine Vielzahl an Mikrolinsen und/oder Unsengruppen, umfassend Mikrolinsen, auf. Eine Mikrolinse kann beispielsweise einen Durchmesser von 50 pm bis 500 pm, insbesondere von 100 μm bis 200 pm, aufweisen.
Es ist bevorzugt, dass die Linsen und/oder Linsengruppen gleiche und/oder unterschiedliche Schärfentiefenbereiche aufweisen. Unter einer Schärfentiefe wird insbesondere ein Maß für die Ausdehnung des scharfen Bereichs im Objektraum und/oder Sichtfeld der plenoptischen Kameraeinheit verstanden.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Linsen und/oder Linsengruppen gleiche und/oder unterschiedliche Fokuslagen aufweisen.
Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, dass die Linsen und/oder Linsengruppen als Linien, Matrizen und/oder Linsenmuster angeordnet sind. Das Linsenmuster kann beispielsweise ein Schachbrettmuster, ein Zeilen- und/oder Streifenmuster, ein periodisch-geometrisches Muster, ein, zwei oder mehrere konzentrische Kreise und/oder ein, zwei oder mehrere konzentrische Vielecke sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Messsystems ist vorgesehen, dass die plenoptische Kameraeinheit mindestens eine Sensoreinheit aufweist. Die Sensoreinheit wirkt vorzugsweise mit der mindestens einen Linsenanordnung zusammen. In einer Lichteintrittsrichtung in die plenoptische Kameraeinheit ist die Sensoreinheit vorzugsweise in Strahlrichtung hinter der Linsenanordnung angeordnet. Ein in die plenoptische Kameraeinheit eintretender Strahl trifft somit zunächst auf die Linsenanordnung und anschließend auf die Sensoreinheit. Vorzugsweise sind die Sensoreinheit und die Linsenanordnung derart angeordnet, dass der in die plenoptische Kameraeinheit eintretende Strahl zunächst auf die Linsenanordnung und anschließend auf die Sensoreinheit trifft.
Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass die Sensoreinheit zur simultanen Erfassung von einem, zwei oder mehreren Weisenlängenbereichen eingerichtet ist. Dies hat den besonderen Vorteil, dass unterschiedliche Oberflächeneigenschaften erfasst werden können. Beispielsweise kann mittels einer Erfassung von infrarotem Licht eine Erfassung einer Temperatur ermöglicht werden. Darüber hinaus kann die Erfassung eines für einen Menschen sichtbaren Lichts zur Erfassung einer geometrischen Topografie verwendet werden. Ferner können Oberflächeneigenschaften mit dem Messsystem mittels einer Erfassung von ultraviolettem Licht erfasst werden.
Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass die Sensoreinheit für die simultane Erfassung von zwei oder mehreren Wellenlängenbereichen zwei oder mehrere Sensorbereiche aufweist. Es ist bevorzugt, dass ein erster Sensorbereich zur Erfassung eines ersten Wellenlängenbereichs und ein zweiter Sensorbereich zur Erfassung eines von dem ersten Welienlängenbereichs verschiedenen, zweiten Wellenlängenbereich ausgebildet Ist,
Zwei oder mehrere Sensorbereiche können dadurch bereitgestellt werden, indem zwei oder mehrere Sensorfiächen an der Sensoreinheit vorgesehen sind. Darüber hinaus können zwei oder mehrere Sensorbereiche durch segmentierte Bereiche einer, zwei oder mehrerer dieser Sensorflächen realisiert werden. Es ist bevorzugt, dass die plenoptische Kameraeinheit eine höhere Anzahl an Sensorherelchen als eine Anzahl an Linsen aufweist, Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Messsystems umfasst eine Strahlteileinheit und/oder eine Strahlfiltereinheit zur simultanen Erfassung von einem, zwei oder mehreren Wellenlängenbereichen, Darüber hinaus kann das Messsystem einen Filterverschluss zur simultanen Erfassung von einem, zwei oder mehreren Wellenlängenbereichen umfassen. Eine weitere bevorzugte Fortbildung des Messsystems umfasst eine Blendeneinheit mit einer rotierenden Blende und lichtdurchlässigen Aussparungen. Die Aussparungen weisen vorzugsweise Filter auf, die unterschiedliche Wellenlängenbereiche transmittieren. in einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass das Messsystem eine Beieuchtungseinheit zur gerichteten und/oder ungerichteten Ausleuchtung innerhalb des Sichtfelds der plenoptischen Kamera, insbesondere der Oberfläche, umfasst. Die ungerichtete Ausleuchtung kann insbesondere diffus ausgebildet sein.
Mit einer gerichteten Ausleuchtung lassen sich hohe Lichtintensitäten im Sichtfeld erreichen, wodurch eine erforderliche Beiichtungszeit für die Aufnahme eines Bildes bzw. Videoframes verkürzt wird und die Bewegungsunschärfe minimiert werden kann. Zudem kann das zu erfassende Objekt homogener ausgeleuchtet werden. Die Beleuchtungseinheit zur gerichteten Ausleuchtung ist beispielsweise eine Lasereinheit. Eine diffus ungerichtete Ausleuchtung resultiert in einer gleichmäßigen Beleuchtung des Bauraumes mit vermindertem Schattenwurf. Dadurch lassen sich Abschattungen und folglich ein Informationsverlust vermeiden oder verringern. Die Beieuchtungseinheit zur ungerichteten Ausleuchtung ist beispielsweise eine Flächen- oder Volumenlichtquelle, vorzugsweise eine LED, eine OLED, Halogen- und/oder Neonröhren, und/oder ein thermischer Leuchtkörper.
Eine weitere bevorzugte Fortbildung des Messsystems umfasst eine Steuerungsvorrichtung, die angeordnet und ausgebildet ist, um mindestens ein Kamerasignal der plenoptischen Kameraeinheit zu empfangen und zur Erfassung der Eigenschaft, insbesondere der Oberflächeneigenschaft der Oberfläche, auszuwerten. Die Steuerungsvorrichtung ist vorzugsweise mit der pienoptischen Kameraeinheit signaltechnisch gekoppelt. Das Kamerasignal ist insbesondere ein Ausgangssignal der pienoptischen Kameraeinheit. Das Kamerasignal kann ein Eingangssignal für die Steuerungsvorrichtung sein.
Vorzugsweise ist die Steuerungsvorrichtung eingerichtet, um das mindestens eine Kamerasignal multispektral in ein, zwei oder mehrere Wellenlängenbereiche zu zerlegen. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, um basierend auf dem mindestens einen Kamerasignal thermische und/oder räumliche Veränderungen in Abhängigkeit der Zeit von vorbestimmten Bereichen innerhalb des Sichtfelds, insbesondere von vorbestimmten Oberflächenbereichen der Oberfläche, zu bestimmen. Somit wird eine Analyse des zeitlich aufgelösten dynamischen Verhaltens möglich.
Eine weitere bevorzugte Fortbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, um basierend auf dem mindestens einen Kamerasignal thermische, räumliche und/oder spektrale Absolutwerte zu bestimmen. Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, dass die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, um basierend auf dem mindestens einen Kamerasignal thermische, räumliche und/oder spektrale Gradienten zwischen Pixeln und/oder vordefinierten Bereichen innerhalb des Sichtfelds, insbesondere von vordefinierten Oberflächenbereichen der Oberfläche, zu bestimmen.
Des Weiteren kann es bevorzugt sein, dass die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, um basierend auf dem mindestens einen Kamerasignal Isolinien und/oder Isarithmen zu bestimmen. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Steuerungsvorrichtung die Isolinien und/oder Isarithmen mit einer geeigneten Anzeigevorrichtung, beispielsweise einem Bildschirm, darstellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch das Fertigungssystem mit einer in-situ Erfassung einer Eigenschaft, insbesondere einer Oberflächeneigenschaft einer Oberfläche, vorzugsweise von multispektralen Topografieeigenschaften der Oberfläche, umfassend eine Fertigungsmaschine, insbesondere zur additiven Fertigung, beispielsweise einer additiven Fertigungsmaschine basierend auf einem Pulverbettverfahren, und ein Messsystem nach einer der im Vorherigen beschriebenen Ausführungsvarianten, wobei die plenoptische Kameraeinheit zur Erfassung der Eigenschaft, insbesondere der Oberflächeneigenschaft, angeordnet ist. Das Messsystem ist vorzugsweise mit der Fertigungsmaschine gekoppelt, insbesondere mechanisch und/oder signaltechnisch gekoppelt.
Es ist bevorzugt, dass die plenoptische Kameraeinheit an der Fertigungsmaschine angeordnet ist. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die plenoptische Kamera- einheit innerhalb der Fertigungsmaschine angeordnet ist. Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, dass die plenoptische Kameraeinheit innerhalb einer Baukammer der Fertigungsmaschine, insbesondere der additiven Fertigungsmaschine, angeordnet ist. Des Weiteren kann es bevorzugt sein, dass die plenoptische Kameraeinheit auf einer Bewegungseinheit angeordnet ist. Die Bewegungseinheit kann eine separate Verfahreinheit, ein separater Roboter, insbesondere ein Roboterarm, eine maschineninterne Schichtauftragseinheit, und/oder eine maschineninterne Druckkopf- und/oder Prozesseinheit sein. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Fertigungssystems ist vorgesehen, dass die plenoptische Kameraeinheit optisch mit mindestens einem optischen System eines Bearbeitungslasers gekoppelt ist. Insbesondere additive Fertigungsmascbinen, beispielsweise pulverbettbasierte additive Fertigungsmaschinen, weisen üblicherweise einen Bearbeitungsiaser auf. Derartige Bearbeitungsiaser weisen in der Regel ein optisches System auf, um den Laserstrahl in einen vordefinierten Bereich der Oberfläche auszurichten. Dieses optische System kann für die plenoptische Kameraeinheit zur in-situ Erfassung der Oberflächeneigenschaft der Oberfläche verwendet werden. Die Nutzung des optischen Systems des Bearbeitungslasers ist insbesondere dann bevorzugt, wenn der Belichtungsbereich des Lasers auf der Oberfläche sowie die angrenzenden Bereiche von der plenoptischen Kameraeinheit erfasst werden sollen.
Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, dass das Fertigungssystem mindestens ein optisches Element zur Steuerung des Sichtfelds der plenoptischen Kameraeinheit umfasst. Ein solches optisches Element kann zusätzlich zum optischen System des Bearbeitungslasers vorgesehen werden, insbesondere wenn das optische System des Bearbeitungslasers nicht oder nicht zu jeder Zeit von der plenoptischen Kameraeinheit verwendet werden soll. Das optische Element ist vorzugsweise eine Spiegel- und/oder Ablenkkinematik.
Mit einem derartigen optischen Element kann das Sichtfeld der plenoptischen Kameraeinheit im Wesentlichen beliebig auf die Oberfläche ausgerichtet werden, sodass unterschiedliche Öberfiächenbereiche mit der plenoptischen Kameraeinheit erfassbar sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Fertigungssystems ist vorgesehen, dass dieses eine Auftragsschweißeinheit, insbesondere einen Auftragsschweißkopf, mit einer Werkstoffzuleitung, umfasst, wobei die plenoptische Kamera derart angeordnet und ausgebildet ist, um einen aus der Werkstoffzuleitung austretenden Werkstoff und/oder eine Schmelzspur zu überwachen und/oder zu analysieren. Die Werkstoffzuieitung ist vorzugsweise für puiverförmigen und/oder drahtförmigen Werkstoff ausgebiidet. Die Auftragsschweißeinbeit kann die Bewegungseinheit sein. Die
Auftragsscbweißeinheit ist oder umfasst vorzugsweise eine Laserauftragsschweißeinheit mit einer Lasereinbeit. Die plenoptische Kameraeinheit ist vorzugsweise derart angeordnet und ausgebildet, um einen Schmeizprozess des Werkstoffes mittels eines Laserstrahls einer Lasereinbeit zu überwachen und/oder zu analysieren. Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass die plenoptische Kameraeinheit mit einem optischen System der Lasereinheit gekoppelt ist, wobei beispielsweise ein für einen Laserstrahl transluzenter und für das Sichtfeld der plenoptlschen Kameraeinheit refiektiver Spiegel eingesetzt wird.
Ferner vorzugsweise ist oder umfasst die Auftragsschweißeinheit eine Schweißeinheit, insbesondere einen Schweißbrenner. Ferner vorzugsweise umfasst das Fertigungssystem eine Auftragseinheit, die eine Binderquelle aufweist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Fertigungssystems ist vorgesehen, dass dieses einen Druckkopf für ein Binder Jetting Verfahren umfasst. Der Druckkopf ist vorzugsweise die Bewegungseinheit. Der Druckkopf weist vorzugsweise Abgabeeinheiten, insbesondere Düsen, zur Abgabe eines Binders auf,
Die plenoptische Kameraeinheit ist vorzugsweise an dem Druckkopf angeordnet. Vorzugsweise ist die plenoptische Kameraeinheit derart angeordnet, um einen Binderauftrag, insbesondere einen Tropfenfall, einen Eintrag und/oder eine Benetzung einer Pulverschicht und/oder die Abgabeeinheiten, insbesondere eine Verstopfung der Abgabeeinheiten, zu überwachen. Ferner vorzugsweise wirkt die am Druckkopf angeordnete plenoptische Kameraeinheit mit einem, zwei oder mehreren optischen Elementen, insbesondere Spiegeln, zusammen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch das Verfahren zur in-situ Erfassung einer Eigenschaft, insbesondere einer Oberflächeneigenschaft einer Oberfläche, vorzugsweise von multispektralen Topografieeigenschaften der Oberfläche, umfassend die Schritte: Ansteuern einer plenoptischen Kameraeinheit zur plenoptischen Erfassung der Eigenschaft, insbesondere der Oberflächeneigenschaft, und/oder Ansteuern eines Messsystems nach einer der im Vorherigen beschriebenen Ausführungsvarianten, Erzeugen eines die Eigenschaft, insbesondere die Oberflächeneigenschaft, charakterisierenden Kamerasignals auf Grundlage der plenoptischen Erfassung, und Auswertung des Kamerasignals. Das Verfahren ist vorzugsweise zumindest teilweise ein computerimplementiertes Verfahren.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren den Schritt: Bereitstellen eines Fertigungssystems nach einer der im Vorherigen beschriebenen Ausführungsvarianten.
Die Auswertung des Kamerasignals kann beispielsweise die multispektrale Zerlegung des Kamerasignals in ein, zwei oder mehrere Wellenlängenbereiche umfassen oder sein. Darüber hinaus kann die Auswertung die Bestimmung von thermischen und/oder räumlichen Veränderungen in Abhängigkeit der Zeit von vorbestimmten Qberflächenbereichen der Oberfläche sein. Darüber hinaus können thermische, räumliche und/oder spektrale Absolutwerte bestimmt werden. Ferner kann die Auswertung die Bestimmung von thermischen, räumlichen und/oder spektralen Gradienten zwischen Pixeln und/oder vordefinierten Oberflächenbereichen der Oberfläche umfassen. Des Weiteren können Isolinien und/oder Isarithmen bestimmt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch eine Verwendung einer plenoptischen Kameraeinheit zur in-situ Erfassung einer Oberflächeneigenschaft einer Oberfläche, vorzugsweise von multispektralen Topografieeigenschaften der Oberfläche. Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein System zur Datenverarbeitung, umfassend Mittel zur Ausführung der Schritte des im Vorherigen beschriebenen Verfahrens.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, das im Vorherigen beschriebene Verfahren auszuführen.
Für weitere Vorteile, Ausführungsvarianten und Ausführungsdetails der weiteren Aspekte und ihrer möglichen Fortbildungen wird auch auf die zuvor erfolgte Beschreibung zu den entsprechenden Merkmalen und Fortbildungen des Messsystems verwiesen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden exemplarisch anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen:
Figur 1: eine schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Messsystems; Figur 2: eine weitere schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Messsystems;
Figur 3: eine weitere schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Messsystems;
Figur 4: eine weitere schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Messsystems;
Figur 5: eine weitere schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Messsystems;
Figur 6: eine weitere schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Messsystems; Figur /: eine weitere schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Messsystems;
Figur 8: eine schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Fertigungssystems;
Figur 9: eine weitere schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Fertigungssystems;
Figur 10: eine schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer plenoptischen Kamera- einheit; und
Figur 11: ein schematisches Verfahren, In den Figuren sind gleiche oder im Wesentlichen funktionsgleiche beziehungsweise -ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Figur 1 zeigt eine schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Messsystems 1 für ein Fertigungssystem 100 zur in-situ Erfassung einer Oberflächeneigenschaft einer Oberfläche 82, das ferner zur in-situ Erfassung von multispektralen Topografieeigenschaften der Oberfläche 82 ausgebildet ist. Die in Figur 1 gezeigte Oberfläche 82 ist eine Prozessoberfläche, nämlich eine Pulverbettoberfläche. Ein über dem Bauteil 80 befindlicher Abschnitt der Pulverbettoberfläche wird nach dem Erzeugen mit einem Laser belichtet, sodass eine weitere Bauteilschicht erzeugt wird. Der Zustand nach dem Belichten ist in Figur 2 gezeigt. Dort ist die Oberfläche 82 eine Kombination aus einer Prozessoberfläche und einer Bauteiloberfläche.
Das Messsystem 1 umfasst eine pienoptische Kameraeinheit 2 mit einem auf die Oberfläche 82 ausrichtbaren Sichtfeld 4. Bei dieser bevorzugten Ausführungs- Variante ist zudem eine Fertigungsmaschine 102 gezeigt, die als additive Fertigungsmaschine mit einer Baukammer 104 ausgebildet ist. Die Oberfläche 82 ist eine Pulveroberfläche, unter der sich ein Bauteil 80 befindet. Die pienoptische Kameraeinheit 2 ist an der Fertigungsmaschine 102 Innerhalb der Baukammer 104 angeordnet.
Das in Figur 2 gezeigte Messsystem 1 umfasst eine Kameraanordnung 5, die neben der zuvor beschriebenen plenoptischen Kameraeinheit 2 eine weitere, zweite pienoptische Kameraeinheit 8 mit einem zweiten Sichtfeld 8 aufweist. Das Messsystem 1 kann auch drei oder mehr pienoptische Kameraeinheiten 2, 8 aufweisen. Der Pfeil bei den pienoptischen Kameraeinbeiten 2, 6 stellt dar, dass die pienoptischen Kameraeinheiten 2, 8 bewegbar angeordnet sind. Die mit den Bezugszeichen 2a, 2b, 2c, 2d versehenen pienoptischen Kameraeinheiten sollen insbesondere Alternativpositionen für pienoptische Kameraeinheiten darsteilen. Die pienoptischen Kameraeinheiten 2, 8 können also in den Positionen 2a, 2b, 2c, 2d angeordnet werden. in Figur 3 sind zwei unterschiedliche Möglichkeiten zur bewegbaren Anordnung der pienoptischen Kameraeinheiten 2, 6, 12 gezeigt. Die Bewegung kann einerseits mit der Verfahreinheit 18 und andererseits mit dem Knickarmroboter 20 erfolgen. Die Verfahreinheit 16 und der Knickarmroboter 20 stellen üblicherweise Alternativiösungen dar, können jedoch auch gemeinsam in einer Fertigungsmaschine verwendet werden. Die Verfahreinheit 16 und/oder der Knickarmroboter 20 können innerhalb der Baukammer 104 und/oder außerhalb der Baukammer 104 angeordnet sein.
Die Verfahreinheit 18 kann eine spezielle für die plenoptische Kameraeinheiten 2, 6 vorgesehene Verfahreinheit sein oder eine Druckkopfeinheit und/oder
Prozesseinheit der Fertigungsmaschine 102. Die Verfahreinheit 16 ist in Bewegungsrichtung 18 bewegbar. Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, dass die Verfahreinheit 18 auch orthogonal zur Bewegungsrichtung 18 bewegbar ist, sodass jegliche Bewegungsrichtungen, beispielsweise schrägwinklig. realisierbar sind. Es ist bevorzugt, dass die Verfahreinheit 18 in alle Raumrichtungen bewegbar ist. Der Knickarmroboter 20 als Bewegungseinheit weist an einem Ende eine weitere plenoptische Kameraeinheit 12 auf.
In Figur 4 ist eine additive Fertigungsmaschine 102 mit einer Baukammer 104 gezeigt. Innerhalb der Baukammer 104 ist eine Schichtauftragseinheit 22 bewegbar angeordnet. Die Schichtauftragseinheit 22 ist eine Bewegungseinheit, Die Schichtauftragseinheit 22 ist in Bewegungsrichtung 24 bewegbar. Darüber hinaus kann die Schichtauftragseinheit 22 auch in einer senkrecht und/oder schräg, insbesondere bei Verwendung einer rund ausgebildeten Bauebene, zur Bewegungsrichtung 24 ausgerichteten Richtung bewegbar sein, Das in Figur 5 gezeigte Messsystem 1 umfasst die plenoptische Kameraeinheit 2 sowie mehrere optische Elemente 26, 28, 30, 32 zur Steuerung des Sichtfelds 4 der plenoptischen Kameraeinheit 2. Das Sichtfeld 4 der pienoptischen Kameraeinheit 2 ist auf als Spiegel ausgebildete optische Elemente 26, 28 gerichtet. Von den optischen Elementen 26, 28 wird das Sichtfeld 4 in Richtung der optischen Elemente 30, 32 weitergeleitet, sodass auf die Oberfläche 82 gerichtete Sichtfelder 34, 38 entstehen. Diese Ausführungsvariante hat den Vorteil, dass mittels der optischen Elemente 28, 28, 30, 32 eine Steuerung des Sichtfelds 4 möglich ist und somit die Bewegung der plenoptischen Kameraeinheit 2 reduziert werden kann. Darüber hinaus kann das Sichtfeld 4 spezifisch angepasst werden, wie es beispieisweise an dem Sichtfeld 38 ersichtlich ist. in Figur 6 ist gezeigt, dass die plenoptischen Kameraeinheiten 2, 8 optisch mit einem optischen System 44, 48 eines Bearbeitungsiasers 40 gekoppelt ist. Der Laserstrahl 42 des Bearbeitungslasers 40 passiert das optische Ablenkelement 44 und wird vom optischen AblenkeSement 46 hin zu den optischen Elementen 26 ~ 32 gelenkt und trifft anschließend auf die Oberfläche 82. Die optischen Ablenkelemente 44, 46 werden auch für die Sichtfelder der plenoptischen Kameraeinheiten 2, 6 verwendet, sodass diese ebenfalls auf die Bauteiloberfläche 82 auftreffen. Die optischen Ablenkelemente 44, 46 sind als Teilerspiegel ausgebildet. Die optischen Ablenkelemente 44, 46 sind für den Laserstrahl 42 transmittierend und für die von den pienoptischen Kameraeinheiten emittierten Strahlen reflektierend ausgebildet. Die optischen Elemente 26, 28 sind darüber hinaus bewegbar angeordnet, vorliegend rotierbar.
Der in Figur 6 gezeigte Aufbau kann auch ohne die Nutzung des optischen Systems des Bearbeitungsiasers 40 realisiert werden, indem die optischen Elemente 48, 50 als separate optische Elemente für das Messsystem 1 vorgesehen werden und die im Vorherigen beschriebene Funktionalität aufweisen. Figur 7 zeigt eine weitere Variante des Messsystems 1, wobei zwei Lichtquellen 52, 56 vorgesehen sind, um die Oberfläche 82 zu beleuchten. Die Lichtquelle 52 weist gerichtete Lichtstrahlen 54 auf. Die Lichtquelle 56 weist diffus ungerichtete Lichtstrahlen 58 aut. Das Messystem 1 kann eine, zwei oder mehrere Lichtquellen 52, 56 der gleichen und/oder unterschiedlicher Bauart aufweisen. Die Anordnung der Lichtquellen 52, 56 innerhalb und/oder außerhalb der Baukammer 104 ist beliebig. Beispielsweise können diese die in Figur 2 gezeigten Positionen 2a-d aufweisen. Die Lichtquellen 52, 56 können auch ringförmig ausgebildet werden, wobei eine solche Lichtquelle vorzugsweise um einen Laserstrahl und/oder eine Lasereinheit herum anordenbar ist. Figur 8 zeigt ein Fertigungssystem 100 mit einer Fertigungsmaschine 102 und einer Baukammer 104. Die Fertigungsmaschine 102 umfasst einen
Laserauftragsschweißkopf 106 mit einer Laserquelle 108 und einer Materiaizuführung 112 zur Zuführung von Material bzw. Werkstoff in einen Prozessbereich, In dem Prozessbereich wird der zugeführte Werkstoff mit dem Laserstrahl 42 der Laserquelle 108 aufgeschmolzen, sodass ein Schmelzbad 84 entsteht. Der Prozessbereich befindet sich innerhalb des Sichtfelds 4 der plenoptischen Kameraeinheit 2 des Messsystems 1, sodass der Prozessbereich überwachbar ist.
Alternativ oder ergänzend kann die plenoptische Kameraeinheit 4 in der Position 2e angeordnet sein. Über einen Teilerspiegel 110 wird das Sichtfeld der plenoptischen Kameraeinheit 4 in den Prozessbereich umgelenkt, sodass das Umfeld des Laserstrahls 42 überwachbar ist.
Figur 9 zeigt ein Fertigungssystem 100 zur Ausführung eines Binder Jetting Verfahrens. Das Fertigungssystem 100 umfasst einen Druckkopf 114 mit Binderdüsen 116 zur Abgabe eines Binders in Tropfenform. Das Bauteii 80 ist bei diesem Verfahren ein Grüniing, der sich im Wesentlichen innerhalb des Puiverbetts 81 befindet. Mit der plenoptischen Kameraeinheit 4 kann bzw, können der Tropfenfall des Binders, die Benetzung der Pulverpartikel bzw. der Puiverschicht und die Binderdüsen 116 überwacht werden. Alternativ oder ergänzend kann die plenoptische Kameraeinheit 4 auch an der Position 2f oder an der Position 2g angeordnet sein. Eine an der Position 2f angeordnete plenoptische Kameraeinheit 4 wirkt mit den optischen Elementen 118, 120 zusammen, um das Verfahren zu überwachen.
Figur 10 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer plenoptischen Kamera- einheit 2. Die plenoptische Kameraeinheit 2 weist eine Hauptlinse 60 auf. Darüber hinaus weist die plenoptische Kameraeinheit 2 eine virtuelle Bildebene 62, eine Mikrolinsenanordnung 64 und eine Sensoreinheit 66 auf. Die plenoptische Kameraeinheit 2 ist mit einer Steuerungs-Vorrichtung 68 gekoppelt.
In Figur 11 wird ein schematisches Verfahren zur in-situ Erfassung einer oberflächeneigenschaft einer Oberfläche, vorzugsweise von multispektralen Topografieeigenschaften der Oberfläche gezeigt. In Schritt 200 wird eine plenoptische Kameraeinheit 2, 6 zur plenoptischen Erfassung der Oberfläche 82 angesteuert. Vorzugsweise wird ein im Vorherigen beschriebenes Messsystem 1 angesteuert. In Schritt 202 wird ein die oberflächeneigenschaft charakterisierendes Kamerasignal auf Grundlage der plenoptischen Erfassung erzeugt, in Schritt 204 wird das Kamerasignal ausgewertet. BEZUGSZEICHEN
1 Messsystem
2 plenoptische Kameraeinheit
2a-g Positionen plenoptischer Kameraeinheiten 4 Sichtfeld
5 Kameraanordnung
6 plenoptische Kameraeinheit 8 Sichtfeld 10 Kameraanordnung 12 plenoptische Kameraeinheit 14 Sichtfeld 16 Verfahreinheit 18 Bewegungsrichtung 20 Knickarmroboter 22 Schichtauftragseinheit
24 Bewegungsrichtung 26 optisches Element 28 optisches Element 30 optisches Element 32 optisches Element
34 Sichtfeld 36 Sichtfeld
38 Lasersystem
40 Bearbeitungslaser 42 Laserstrahl 44 optisches Ablenkelement 46 optisches Ablenkelement 48 optisches Element 50 optisches Element
52 Lichtquelle 54 gerichtete Lichtstrahlen 56 Lichtquelle 58 diffus ungerichtete Lichtstrahlen 60 Hauptlinse 62 virtuelle Bildebene 64 Mikrolinsenanordnung 66 Sensoreinheit 68 Steuerungsvorrichtung 80 Bauteil
81 Pulverbett 82 Oberfläche 84 Schmelzbad 100 Fertigungssystem 102 Fertigungsmaschine 104 Baukammer 106 Laserauftragsschweißkopf 108 Laserquelle
110 Teilerspiegel 112 Materialzuführung
114 Druckkopf
116 Binderdüsen
118 optisches Element 120 optisches Element

Claims

ANSPRÜCHE
1. Messsystem (1) für ein Fertigungssystem (100) zur in-situ Erfassung einer Eigenschaft, insbesondere einer Oberflächeneigenschaft einer Oberfläche (82), umfassend - eine plenoptische Kameraeinheit (2, 6, 12) mit einem Sichtfeld, insbesondere einem auf die Oberfläche ausrichtbaren Sichtfeld (4, 8).
2. Messsystem (1) nach Anspruch 1, wobei die plenoptische Kameraeinheit (2, 6, 12) ausgebildet ist, um an einer Fertigungsmaschine (102), insbesondere innerhalb einer Baukammer
(104), angeordnet zu werden, und/oder die plenoptische Kameraeinheit (2, 6, 12) bewegbar anordenbar ist, und/oder die plenoptische Kameraeinheit (2, 6, 12) an einer Bewegungseinheit (16, 20, 22) angeordnet ist.
3. Messystem nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend mindestens ein optisches Element (26, 28, 30, 32) zur Steuerung des Sichtfelds (4, 8) der plenoptischen Kameraeinheit (2, 6, 12), - wobei vorzugsweise das mindestens eine optische Element (26, 28,
30, 32) als eine Spiegel- und/oder Ablenkkinematik ausgebildet ist, und/oder wobei vorzugsweise das mindestens eine optische Element (26, 28, 30, 32) bewegbar, insbesondere rotierbar und/oder translatorisch bewegbar, angeordnet ist.
4. Messystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die plenoptische Kameraeinheit (2, 6, 12) mindestens eine
Linsenanordnung (64) mit einer Vielzahl an Linsen und/oder Linsengruppen umfasst, und vorzugsweise die Linsen und/oder Linsengruppen gleiche und/oder unterschiedliche Schärfentiefenbereiche aufweisen, und/oder die Linsen und/oder Linsengruppen gleiche und/oder unterschiedliche Fokuslagen aufweisen, und/oder die Linsen und/oder Linsengruppen als Linien, Matrizen und/oder Linsenmuster angeordnet sind.
5. Messystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die plenoptische Kameraeinheit (2, 6, 12) mindestens eine
Sensoreinheit (66) aufweist, die vorzugsweise mit der mindestens einen Linsenanordnung (64) zusammenwirkt, und - vorzugsweise die Sensoreinheit (66) zur simultanen Erfassung von einem, zwei oder mehreren Wellenlängenbereichen eingerichtet ist, und vorzugsweise die Sensoreinheit (66) für die simultane Erfassung von zwei oder mehreren Wellenlängenbereichen zwei oder mehrere Sensorbereiche aufweist.
6. Messystem nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend eine Strahlteileinheit und/oder eine Strahlfiltereinheit zur simultanen Erfassung von einem, zwei oder mehreren Wellenlängenbereichen, und/oder einen Filterverschluss zur simultanen Erfassung von einem, zwei oder mehreren Wellenlängenbereichen.
7. Messystem nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend - eine Beleuchtungseinheit (52, 56) zur gerichteten und/oder ungerichteten, insbesondere diffus ungerichteten, Ausleuchtung innerhalb des Sichtfelds der plenoptischen Kamera, insbesondere der Oberfläche. 8. Messystem nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend eine Steuerungsvorrichtung (68), die angeordnet und ausgebildet ist, um mindestens ein Kamerasignal der plenoptischen Kameraeinheit (2, 6, 12) zu empfangen und zur Erfassung der Eigenschaft, insbesondere der Oberflächeneigenschaft der Oberfläche (82), auszuwerten, wobei vorzugsweise die Steuerungsvorrichtung (68) eingerichtet ist, um o das mindestens eine Kamerasignal multispektral in ein, zwei oder mehrere Wellenlängenbereiche zu zerlegen, und/oder o basierend auf dem mindestens einen Kamerasignal thermische und/oder räumliche Veränderungen in Abhängigkeit der Zeit von vorbestimmten Bereichen innerhalb des Sichtfelds, insbesondere von vorbestimmten Oberflächenbereichen der Oberfläche, zu bestimmen, und/oder o basierend auf dem mindestens einen Kamerasignal thermische, räumliche und/oder spektrale Absolutwerte zu bestimmen, und/oder o basierend auf dem mindestens einen Kamerasignal thermische, räumliche und/oder spektrale Gradienten zwischen Pixeln und/oder vordefinierten Bereichen innerhalb des Sichtfelds, insbesondere von vordefinierten Oberflächenbereichen der Oberfläche, zu bestimmen und/oder o basierend auf dem mindestens einen Kamerasignal Isolinien und/oder Isarithmen zu bestimmen.
9. Fertigungssystem (100) mit einer in-situ Erfassung einer Eigenschaft, insbesondere einer Oberflächeneigenschaft einer Oberfläche (82), umfassend eine Fertigungsmaschine (102), insbesondere zur additiven Fertigung, und ein Messsystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1-8, wobei die plenoptische Kameraeinheit (2, 6, 12) zur Erfassung der Eigenschaft, insbesondere der Oberflächeneigenschaft, angeordnet ist.
10. Fertigungssystem nach dem vorherigen Anspruch 9, wobei die plenoptische Kameraeinheit (2, 6, 12) an, insbesondere innerhalb, der Fertigungsmaschine (102), insbesondere innerhalb einer Baukammer (104) der Fertigungsmaschine, angeordnet ist, und/oder die plenoptische Kameraeinheit (2, 6, 12) auf einer Bewegungseinheit (16, 20, 22) angeordnet ist.
11. Fertigungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche 9-10, wobei die plenoptische Kameraeinheit (2, 6, 12) optisch mit mindestens einem optischen System eines Bearbeitungslasers (40) gekoppelt ist, und/oder umfassend mindestens ein optisches Element, insbesondere eine Spiegel- und/oder Ablenkkinematik, zur Steuerung des Sichtfelds der plenoptischen Kameraeinheit (2, 6, 12). 12. Verfahren zur in-situ Erfassung einer Eigenschaft, insbesondere einer
Oberflächeneigenschaft einer Oberfläche (82), umfassend die Schritte:
Ansteuern einer plenoptischen Kameraeinheit (2, 6, 12) zur plenoptischen Erfassung der Eigenschaft, insbesondere einer Oberflächeneigenschaft, vorzugsweise Ansteuern eines Messsystems (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1-8,
Erzeugen eines die Eigenschaft, insbesondere die Oberflächeneigenschaft, charakterisierenden Kamerasignals auf Grundlage der plenoptischen Erfassung, und Auswertung des Kamerasignals.
13. Verwendung einer plenoptischen Kameraeinheit (2, 6, 12) zur in-situ Erfassung einer Eigenschaft, insbesondere einer Oberflächeneigenschaft einer Oberfläche (82). 14. System zur Datenverarbeitung, umfassend Mittel zur Ausführung der
Schritte des Verfahrens nach Anspruch 12.
15. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach Anspruch 12 auszuführen.
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