ES2967880T3

ES2967880T3 - Método de calibración de pluralidad de escáneres en un aparato de fabricación aditiva

Info

Publication number: ES2967880T3
Application number: ES17719896T
Authority: ES
Inventors: Ceri Brown
Original assignee: Renishaw PLC
Current assignee: Renishaw PLC
Priority date: 2016-04-25
Filing date: 2017-04-25
Publication date: 2024-05-06
Anticipated expiration: 2037-04-25
Also published as: EP3448604A1; WO2017187147A1; CN109070221A; JP2019519760A; US20190118481A1; JP6959698B2; US11731365B2; CN109070221B; EP3448604B1

Abstract

Esta invención se refiere a un método para determinar un atributo de un aparato de fabricación aditiva que comprende una pluralidad de escáneres, comprendiendo cada escáner de la pluralidad de escáneres (106a, 106b, 106c, 106d) ópticas de dirección del haz (121a, 121b, 121c, 121d) para dirigir un haz de radiación correspondiente (118a, 118b, 118c, 118d) a un plano de trabajo en el que el material se consolida en capas. El método puede comprender controlar la óptica de dirección del haz (121a, 121b, 121c, 121d) de un par de escáneres (106a, 106b, 106c, 106d) de manera que un primer escáner del par dirija un haz de radiación para formar una característica (202, 205, 213) en el plano de trabajo y la característica está dentro de un campo de visión (201, 204) de un detector (123a, 123b, 123c, 123d) del segundo escáner del par, el detector (123a, 123b , 123c, 123d) para detectar radiación procedente del plano de trabajo que es recogida por la óptica de dirección del haz (121a, 121b, 121c, 121d) del segundo escáner (106a, 106b, 106c, 106d). Adicional o alternativamente, el método puede comprender controlar la óptica de dirección del haz (121a, 121b, 121c, 121d) del primer y segundo escáner (106a, 106b, 106c, 106d) de un par de escáneres (106a, 106b, 106c, 106d).) de manera que los campos de visión (208, 209, 211, 212) del plano de trabajo para los detectores (123a, 123b, 123c, 123d) del primer y segundo escáner (106a, 106b, 106c, 106d) al menos se superpongan. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Método de calibración de pluralidad de escáneres en un aparato de fabricación aditiva

Campo de la Invención

Esta invención se refiere a un método y aparato para realizar mediciones en un aparato de fabricación aditiva que comprende múltiples escáneres, cada uno de los cuales dirige un haz de radiación a un plano de trabajo. En particular, pero no exclusivamente, la invención se refiere a un método para calibrar escáneres de un aparato de fabricación aditiva que comprende un lecho de material (por ejemplo, un lecho de polvo o resina).

Antecedentes

Los métodos de fabricación aditiva o de creación rápida de prototipos para producir piezas comprenden la solidificación capa por capa de un material. Existen diversos métodos de fabricación aditiva, incluidos sistemas de lecho de polvo, tales como la fusión selectiva por láser (SLM), la sinterización selectiva por láser (SLS), la fusión por haz de electrones (eBeam), los sistemas basados en baños de resina, tales como la estereolitografía, y los sistemas sin lecho de polvo, tales como el modelado por deposición fundida, incluida la fabricación aditiva de arco de alambre (WAAM).

En la fusión selectiva por láser, se deposita una capa de polvo sobre un lecho de polvo en una cámara de construcción y se escanea un rayo láser a través de partes de la capa de polvo que corresponden a una sección transversal (corte) de la pieza de trabajo que se está construyendo. El rayo láser funde o sinteriza el polvo para formar una capa solidificada. Después de la solidificación selectiva de una capa, se reduce el lecho de polvo en un espesor de la capa recién solidificada y se extiende otra capa de polvo sobre la superficie y se solidifica, según sea necesario.

Para formar una pieza de trabajo con precisión, es necesario calibrar el escáner.

El documento WO94/15265 describe colocar una hoja de Mylar con una gran cantidad de celdas cuadradas impresas en ella sobre una superficie objetivo y marcar cada celda con el rayo láser. Después, la hoja se convierte a formato digital escaneando con un escáner digital convencional y la ubicación de la marca láser con respecto al centroide de la celda se utiliza para actualizar los factores de corrección para esa celda. Esta calibración se realiza periódicamente.

El documento US5832415 describe un método para calibrar el control de deflexión de un rayo láser para un sistema de creación rápida de prototipos. Se expone un medio sensible a la luz a un rayo láser en posiciones predeterminadas para generar un patrón de prueba. Se mueve progresivamente una cámara de vídeo a través del patrón de prueba producido para producir partes de patrón correspondientes del patrón de prueba con la cámara. Se utiliza un programa de evaluación para componer las partes del patrón digitalizado en un patrón general. Las coordenadas de la imagen del patrón general se comparan con las coordenadas digitalizadas de un patrón de referencia producido fotomecánicamente. Basándose en la comparación se modifica una tabla de corrección necesaria para el control del escáner para desviar el rayo láser.

El documento US6483596 describe un método para calibrar el control de un dispositivo de radiación en un sistema de creación rápida de prototipos, en donde una placa de calibración está dispuesta en una posición definida en el sistema de creación rápida de prototipos. La placa de calibración tiene un lado superior con una primera región y una segunda región separada de la primera región. La primera región está provista de cruces de referencia ópticamente detectables y la segunda región presenta un medio sensible a la radiación del dispositivo de radiación. Se produce un patrón de prueba de cruces exponiendo el medio a la radiación en posiciones deseadas predeterminadas definidas por datos de coordenadas de posición. Las primera y segunda regiones se digitalizan, por ejemplo mediante un escáner de píxeles, una cámara de vídeo o una cámara digital, y los datos de corrección se calculan comparando las cruces de referencia y las cruces del patrón de prueba.

El documento EP2186625 describe un método para corregir la distorsión geométrica de proyectores de luz digitales utilizados en un sistema de creación rápida de prototipos. Se utiliza una cámara para ver un patrón de prueba no compensado creado por cada proyector de luz digital. Cada patrón de prueba no compensado se compara con el patrón de prueba ideal para generar un mapa de corrección de patrón.

El documento WO2014/180971 describe un método de calibración automática de un dispositivo para la producción generativa de una pieza de trabajo tridimensional que comprende un primer y un segundo escáner. Sobre una capa aplicada de material o un objetivo, se produce un primer patrón de prueba utilizando el primer escáner y un segundo patrón de prueba utilizando el segundo escáner. Los primer y segundo patrones de prueba pueden ser un patrón de retícula específico con una constante de red específica o un patrón de puntos. Se utiliza una cámara calibrada para capturar una imagen del primer y segundo patrones de prueba y comparar el primer y segundo patrones de prueba con un patrón de referencia almacenado en la memoria de un dispositivo de control. El primer y segundo escáneres se calibran de manera que las desviaciones de los patrones de prueba correspondientes con respecto al patrón de referencia estén por debajo de un valor deseado. El método de calibración puede comprender un método de autocorrelación o un método de coincidencia.

El documento WO2015/083104 A1 describe un método y un dispositivo para calibrar al menos un sistema de escaneo cuando se produce un objeto mediante fabricación aditiva. Las coordenadas de una o varias posiciones de referencia se miden en el sistema de coordenadas relativo de cada sistema de escaneo, después de lo cual se adapta la calibración de cada uno de los sistemas de escaneo a partir de las coordenadas medidas de las posiciones de referencia. En una realización, se proporciona un sensor en cada una de dichas posiciones de detección. Este sensor permite detectar cuando el punto de incidencia del rayo está situado en la posición de detección. En una variante de realización, los sensores se sustituyen por un sistema de cámaras. Un sistema de cámara de este tipo puede comprender una cámara para cada posición de medición. Estas cámaras constan, por ejemplo, de una cámara matricial y permiten determinar las coordenadas del punto de incidencia en el plano de construcción de un rayo de energía con respecto a un sistema de coordenadas de referencia fijo con respecto a estas cámaras.

Es deseable proporcionar un método para calibrar escáneres de un aparato de fabricación aditiva de múltiples haces de manera automatizada. Es deseable proporcionar un método para calibrar los escáneres para la deriva térmica que pueda ocurrir durante la construcción.

Compendio de la Invención

Según un primer aspecto de la invención, se proporciona un método según la reivindicación 1.

La característica puede ser un perfil de radiación, tal como un punto láser, o un charco de fusión formada por el haz de radiación en el plano de trabajo. La característica puede ser una característica formada por ablación de material de una superficie en el plano de trabajo o consolidación de material en el plano de trabajo utilizando el haz de radiación. La característica puede ser un patrón de referencia formado sobre una superficie en el plano de trabajo dentro del campo de visión utilizando el haz de radiación dirigido por el primer escáner. El haz de radiación puede ser luz estructurada dirigida por el primer escáner sobre una superficie en el plano de trabajo.

Según un segundo aspecto de la invención, se proporciona un método según la reivindicación 3.

El método del segundo aspecto puede comprender: registrar los valores de detector cuando un haz de radiación se dirige sobre el material en el plano de trabajo dentro de los campos de visión mediante uno de la pluralidad de escáneres y/o registrar los valores de detector generados por una característica, tal como un patrón de referencia, situado en el plano de trabajo en los campos de visión.

La característica se forma sobre una superficie en el plano de trabajo utilizando uno de los haces de radiación. La característica se puede formar mediante ablación de material o consolidación de material en el plano de trabajo. La característica se puede formar mediante la proyección de radiación detectable, tal como un patrón de luz estructurada, sobre el material en el plano de trabajo. La proyección de radiación detectable puede comprender un primer patrón de luz estructurada de una primera longitud de onda en una primera orientación y un segundo patrón de luz estructurada de una segunda longitud de onda diferente orientada en una segunda dirección diferente. El primer y segundo escáneres comprenden un dispositivo sensible a la posición capaz de detectar tanto la primera longitud de onda como la segunda longitud de onda de luz.

El método puede comprender colocar un artefacto de referencia que comprende el patrón de referencia en el aparato de fabricación aditiva de manera que el patrón de referencia esté situado en el plano de trabajo dentro de los campos de visión.

De esta manera, se puede determinar una corrección en el posicionamiento de la óptica de dirección de haz de una pluralidad de escáneres del aparato de fabricación aditiva referenciando de forma cruzada datos de los dos escáneres del par. Por ejemplo, se pueden hacer referencias cruzadas de los datos para calibrar uno de los escáneres con respecto al otro escáner. La corrección se puede determinar a partir de una diferencia en una posición medida de: un punto de haz de radiación, una característica formada por el haz de radiación y/o campos de visión en el plano de trabajo determinado a partir de los valores de detector desde la posición nominal.

El método puede comprender ajustar el aparato de fabricación aditiva para corregir una diferencia en la posición medida con respecto a la posición nominal. El valor, función o mapa de corrección se puede basar en una posición medida en el plano de trabajo de haz de radiación o en una característica generada por el haz de radiación, derivada del valor de detector, con respecto a una posición nominal.

El aparato de fabricación aditiva puede comprender más de dos escáneres y el método comprende llevar a cabo el método para múltiples pares de los más de dos escáneres para generar un valor, función o mapa de corrección para uno de los escáneres de cada par, de manera que los más de dos escáneres están alineados con un marco de referencia común.

El método puede comprender calibrar la óptica de dirección de uno primero de la pluralidad de escáneres para proporcionar un primer escáner calibrado y generar el valor, función o mapa de corrección para uno o más de los otros escáneres de la pluralidad de escáneres (en un método descrito anteriormente) para alinear el posicionamiento de la óptica de dirección de uno o más escáneres con el primer escáner calibrado. El primer escáner calibrado se puede calibrar utilizando un método diferente, por ejemplo utilizando el método descrito en el documento EP3429782 A1 (20190123).

El dispositivo sensible a la posición (PSD) puede medir una variación en la intensidad de la radiación a través del campo de visión en una o, preferiblemente, dos dimensiones. El PSD puede comprender un sensor isotrópico o una matriz bidimensional de elementos discretos sensibles a la radiación, tal como un dispositivo de carga acoplada (CCD) o un dispositivo semiconductor de óxido metálico complementario (CMOS). La comparación puede comprender una comparación de una intensidad de radiación a través del PSD del segundo escáner con una posición esperada o una intensidad de radiación a través del PSD del primer escáner.

El método puede comprender dirigir el haz de radiación con el primer escáner del par a través del material en el plano de trabajo para formar un charco de fusión, determinando a partir del valor de detector en el PSD del segundo escáner una posición del charco de fusión en un campo de visión del segundo escáner y generar el valor, función o mapa de corrección para el primer o segundo escáner basándose en la posición del charco de fusión en el campo de visión. El charco de fusión proporciona una característica distintiva que se puede distinguir fácilmente del material no fundido circundante y emite radiación de una longitud de onda diferente a la longitud de onda de la luz de haz de radiación. En consecuencia, se puede utilizar un filtro para separar la radiación emitida desde el charco de fusión de la luz retrorreflejada de haz de radiación, de manera que la luz retrorreflejada no incida sobre el dispositivo sensible a la posición. La utilización del charco de fusión como característica en la que basar una corrección del escáner puede permitir la corrección del escáner durante la construcción, por ejemplo, para corregir la deriva en la posición de un haz de radiación dirigido por el escáner debido a efectos térmicos cuando la temperatura del escáner cambia. Al comienzo de la construcción, un escáner puede estar relativamente frío, pero se puede calentar cuando un haz de radiación, tal como un rayo láser de alta potencia, pasa a través del mismo para fundir el material en el plano de trabajo.

El método puede comprender determinar a partir del valor de detector en el PSD del segundo escáner una posición de la característica en un campo de visión del segundo escáner y generar el valor, función o mapa de corrección para el primer o segundo escáner basándose en la posición de la característica en el campo de visión.

El patrón de referencia puede comprender al menos una característica periódica, capturando una imagen del patrón de referencia con el dispositivo sensible a la posición del segundo escáner, comprendiendo el método determinar a partir de la imagen una propiedad periódica medida del patrón de referencia y determinar el valor, función o mapa de corrección para el control del primer o segundo escáner basados en una comparación de la propiedad periódica medida con una propiedad periódica de referencia. La propiedad periódica de referencia se puede determinar a partir de las instrucciones utilizadas para accionar el otro escáner del par cuando se forma el patrón de referencia o una imagen del patrón de referencia capturada por el dispositivo sensible a la posición del otro escáner del par.

Basando la corrección en la propiedad periódica del patrón de referencia se pueden determinar datos de corrección más precisos. En particular, la propiedad periódica se puede determinar con más precisión que la posición de una característica geométrica o charco de fusión porque la propiedad periódica se basa en información determinada a partir de múltiples características geométricas (por ejemplo, información promediada entre múltiples características geométricas) en lugar de ser dependiente de la resolución de una sola de las características geométricas del dispositivo sensible a la posición.

La propiedad periódica puede ser un desplazamiento de fase medido del patrón de referencia con respecto a una fase de referencia o a una fase medida desde el dispositivo sensible a la posición del otro escáner del par. Una fase del patrón de referencia puede ser indicativa de un error en la posición de haz de radiación al formar el patrón de referencia y/o un error en el posicionamiento del campo de visión y el valor, función o mapa de corrección se puede determinar a partir del desplazamiento de fase para corregir el posicionamiento de la óptica de dirección del primer o segundo escáner.

El desplazamiento de fase se puede determinarse mediante análisis de Fourier de la imagen. El desplazamiento de fase se puede determinar llevando a cabo una transformada de Fourier discreta de la imagen del patrón de referencia a una frecuencia de referencia y determinando el desplazamiento de fase de un componente de frecuencia resultante de la fase de referencia. Se puede determinar un valor para el desplazamiento de fase para cada una de una pluralidad de posiciones diferentes del campo de visión con respecto al patrón de referencia.

El patrón de referencia puede comprender un primer patrón que comprende una primera característica geométrica repetida en una primera dirección y un segundo patrón que comprende una segunda característica geométrica repetida en una segunda dirección, perpendicular a la primera dirección. La primera y segunda características geométricas pueden ser iguales (pero giradas en la primera y segunda dirección correspondientes) o diferentes. Cada una de la primera y segunda direcciones puede corresponder a una dirección espacial en donde el haz de radiación se mueve mediante una óptica de dirección diferente del escáner. El primer patrón y el segundo patrón se pueden intercalar sin superposición entre las características geométricas de cada patrón.

El patrón de referencia puede comprender una serie de líneas paralelas. El patrón de referencia puede comprender al menos un primer conjunto de líneas paralelas que se repiten en la primera dirección y al menos un segundo conjunto de líneas paralelas que se repiten en la segunda dirección. Los primeros conjuntos de líneas paralelas pueden alternar con líneas paralelas del segundo conjunto a través del plano de trabajo tanto en la primera como en la segunda dirección.

Según un tercer aspecto de la invención, se proporciona un controlador para controlar un aparato de fabricación aditiva, en donde el controlador está dispuesto para llevar a cabo el método del primer o segundo aspecto de la invención.

Según un cuarto aspecto de la invención, se proporciona un aparato de fabricación aditiva para construir una pieza de trabajo capa por capa que comprende una pluralidad de escáneres, cada escáner para dirigir un haz de radiación para consolidar el material en un plano de trabajo y un controlador según el tercer aspecto de la invención.

Según un quinto aspecto de la invención, se proporciona un soporte de datos que contiene instrucciones que, cuando las ejecuta un controlador para controlar un aparato de fabricación aditiva, hacen que el controlador lleve a cabo el método del primer o segundo aspecto de la invención.

El soporte de datos puede ser un medio adecuado para proporcionar instrucciones a una máquina tal como un soporte de datos no transitorio, por ejemplo un disquete, un CD ROM, un DVD ROM/RAM (incluyendo - R/-RW y R/ Rw ), un HD DVD, un disco Blu Ray(TM), una memoria (tal como un Memory Stick(TM), una tarjeta SD, una tarjeta Compact Flash o similar), una unidad de disco (como una unidad de disco duro), una cinta, cualquier almacenamiento magneto/óptico o un soporte de datos transitorio, tal como una señal en un cable o fibra óptica o una señal inalámbrica, por ejemplo, señales enviadas a través de una red cableada o inalámbrica (tal como una descarga de Internet, una transferencia FTP, o similar).

Descripción de los dibujos

La Figura 1 muestra un aparato de fabricación aditiva según una realización de la invención;

la Figura 2 es una vista en planta del aparato de fabricación aditiva mostrado en la Figura 1;

la Figura 3 muestra realizaciones para capturar datos relacionados con un par de escáneres del aparato de fabricación aditiva según la invención;

la Figura 4 es un patrón de referencia según una realización de la invención para calibrar la óptica de dirección de los escáneres; y

la Figura 5 es un patrón de referencia según otra realización de la invención.

Descripción de las realizaciones

Haciendo referencia a las Figuras 1 y 2, un aparato de fabricación aditiva según una realización de la invención comprende una cámara de construcción 101 que tiene en ella particiones 115, 116 que definen un volumen de construcción 117. Una plataforma de construcción 102 se puede descender en el volumen de construcción 117. La plataforma de construcción 102 soporta un lecho de polvo 104 y la pieza de trabajo 103 cuando la pieza de trabajo se construye mediante fusión selectiva por láser del polvo. La plataforma 102 desciende dentro del volumen de construcción 117 bajo el control de un motor a medida que se forman capas sucesivas de la pieza de trabajo 103.

Las capas de polvo 104 son formadas a medida que se construye la pieza de trabajo 103 mediante el aparato de dispensación 108 y un limpiador 109. Por ejemplo, el aparato de dispensación 108 puede ser un aparato como se describe en el documento WO2010/007396. El aparato de dispensación 108 dispensa polvo sobre una superficie superior 115a definida por la partición 115 y es extendido a través del lecho de polvo mediante el limpiador 109. Una posición de un borde inferior del limpiador 109 define un plano de trabajo 110 en donde el polvo es consolidado.

Una pluralidad de módulos láser 105a, 105b, 105c y 105d generan rayos láser 118a, 118b, 118c, 118d para fundir el polvo 104, dirigiéndose los rayos láser 118a, 118b, 118c, 188d según sea necesario mediante un módulo óptico correspondiente 106a, 106b, 106c, 106d. Los rayos láser 118a, 118b, 118c, 118d entran a través de una ventana láser común 107. Cada módulo óptico comprende una óptica de dirección 121, tal como dos espejos montados sobre galvanómetros, para dirigir el rayo láser 118 en direcciones perpendiculares a través del plano de trabajo y enfocar la óptica 120, tal como dos lentes móviles para cambiar el enfoque del rayo láser 118. El escáner es controlado de manera que la posición focal del rayo láser 118 permanezca en el mismo plano cuando el rayo láser 118 se mueve a través del plano de trabajo. En lugar de mantener la posición focal del rayo láser en un plano utilizando elementos de enfoque dinámico, se puede utilizar una lente f-theta.

Cada módulo óptico 106a, 106b, 106c, 106d comprende un divisor de haz 122 que refleja el rayo láser 118 y transmite longitudes de onda de radiación provenientes del plano de trabajo del lecho de polvo 104. El divisor de haz 122 puede estar dispuesto para transmitir longitudes de onda que difieren de una longitud de onda del rayo láser. La radiación que pasa a través del divisor de haz 122 es captada por un detector 123 en forma de una matriz bidimensional de elementos fotodetectores. El sistema óptico puede comprender filtros adicionales para filtrar longitudes de onda que no son de interés antes de que la radiación incida en el detector 123. Por ejemplo, solo puede ser de interés la luz visible o la luz en el espectro infrarrojo que surge de las emisiones térmicas del lecho 104/charco de fusión.

Se puede proporcionar una iluminación adecuada (no mostrada) para iluminar el plano de trabajo 110 del lecho de polvo 104.

Un controlador 140, que comprende el procesador 161 y la memoria 162, está en comunicación con los módulos del aparato de fabricación aditiva, concretamente con los módulos láser 105a, 105b, 105c, 105d, los módulos ópticos 106a, 106b, 106c, 106d, la plataforma de construcción 102 y el aparato de dispensación 108, el limpiador 109 y los detectores 123a, 123b, 123c, 123d. El controlador 140 controla los módulos basándose en el software almacenado en la memoria 162 como se describe más adelante.

Haciendo referencia a las Figuras 3 y 4, un primero de los módulos ópticos 106 se puede calibrar utilizando métodos conocidos o, por ejemplo, el método como está descrito en el documento EP3429782 A1 (publicado 20190123). La calibración de la pluralidad restante de módulos ópticos 106 se lleva a cabo después mediante comparación con el módulo óptico 106 que ya ha sido calibrado. La Figura 3 ilustra cuatro formas en las que esto se puede realizar.

En el primer método, uno de los módulos ópticos 106 calibrado dirige su correspondiente rayo láser 118 a una posición x, y definida en el plano de trabajo 110 para formar un charco de fusión 203. Al menos uno, y posiblemente todos, los módulos ópticos no calibrados 106 es/son dirigidos a la misma posición. De esta manera, el charco de fusión 202 está dentro de un campo de visión 201 del, o de cada, detector 123 de los módulos no calibrados. Como los módulos ópticos calibrados y no calibrados están nominalmente dirigidos a la misma posición, si los módulos ópticos 106 estuvieran alineados, el charco de fusión 203 debería aparecer en el centro del campo de visión. Sin embargo, si hay una desalineación entre los módulos ópticos 106, el charco de fusión 203 puede parecer descentrada.

Se captura una imagen del charco de fusión 203 en el detector 123 del o cada módulo óptico 106 no calibrado y se envía una señal representativa al controlador 140. El controlador 140 determina una ubicación del centro del charco de fusión 203 en la matriz bidimensional de detector 123 y determina un valor de corrección para corregir la desalineación de los módulos ópticos calibrados y no calibrados 106. Este proceso se puede repetir para múltiples ubicaciones a lo largo del plano de trabajo 110 para construir un mapa de corrección o determinar una función de corrección a partir de la cual se puede determinar el haz 118 en el plano de trabajo 110. El proceso se puede llevar a cabo antes y/o durante una construcción. En particular, la precisión posicional relativa de los módulos ópticos 106 puede variar durante la construcción debido al calentamiento (posiblemente calentamiento diferencial) de los módulos ópticos 106. Los ajustes realizados durante la construcción pueden corregir esta deriva térmica durante la construcción.

En una realización adicional, el módulo óptico calibrado 106 se utiliza para formar una característica en el plano de trabajo 110, por ejemplo mediante ablación de la superficie de un sustrato en el plano de trabajo o construyendo el sustrato solidificando polvo. En esta realización, la característica comprende un patrón de referencia 205 que comprende múltiples cuadrados de líneas paralelas equiespaciadas, algunos de los cuadrados tienen líneas separadas en la dirección x y los otros cuadrados tienen líneas separadas en la dirección y. El módulo óptico no calibrado 106 está ubicado de manera que un campo de visión 204 abarca el patrón de referencia 204 y está nominalmente centrado en el centro del patrón de referencia 205. La imagen del patrón de referencia 205 es registrada en el detector 123 del módulo óptico no calibrado 106 y se utiliza para determinar una posición real del campo de visión con respecto a la posición nominal. Se determina un valor de corrección para el módulo óptico no calibrado 106 basándose en la diferencia entre la posición real y nominal y, como antes, se puede determinar un mapa o función de corrección basándose en valores de corrección determinados para múltiples ubicaciones en el plano de trabajo 110.

La posición del patrón de referencia en el campo de visión se puede determinar llevando a cabo transformadas discretas de Fourier (DFT) de la imagen del patrón de referencia 205 en una frecuencia de referencia conocida de las líneas paralelas en el patrón de referencia 205. En esta realización, la DFT se lleva a cabo multiplicando la imagen del patrón de referencia grabado en el detector 123 por representaciones de seno y coseno generadas digitalmente centradas en un punto medio de la imagen de detector 123. Se determina una fase del patrón de referencia en la imagen para cada región de líneas paralelas. Para regiones que tienen un patrón con una característica que se repite en la dirección x, se determina un desplazamiento de fase en la dirección x, y para regiones que tienen un patrón con una característica que se repite en la dirección y, se determina un desplazamiento de fase en la dirección y.

El desplazamiento de fase se determina a partir del arcotangente del cociente de los dos valores obtenidos multiplicando la imagen por las representaciones seno y coseno.

Los desplazamientos de fase en x e y proporcionan valores de corrección para alinear el módulo óptico no calibrado con el módulo óptico calibrado.

La Figura 5 muestra un patrón de referencia alternativo, que comprende características periódicas interconectadas tanto en x como en y.

En una realización adicional, un artefacto de referencia 207 que tiene un patrón de referencia sobre él se coloca en el aparato de fabricación aditiva para localizar el patrón de referencia en el plano de trabajo 110. El patrón de referencia comprende múltiples regiones, en esta realización cuadrados 208a, 208b, de líneas paralelas separadas equidistantemente, algunos de los cuadrados 208a tienen líneas separadas en la dirección x y los otros de los cuadrados 208b tienen líneas separadas en la dirección y. El módulo óptico calibrado 106 y un módulo óptico no calibrado 106 son conducidos nominalmente a la misma ubicación en el plano de trabajo 110, que incluye el patrón de referencia. De este modo se superponen los campos de visión 208, 209 de los dos módulos ópticos 106. Las imágenes del patrón de referencia capturadas por los detectores 123 de los módulos ópticos se comparan y se determina un valor de corrección para alinear el módulo óptico 106 no calibrado con el módulo óptico 106 calibrado. El valor de corrección se puede determinar calculando un desplazamiento de fase del patrón de referencia entre las dos imágenes (por ejemplo, calculado de la manera descrita anteriormente), basándose la corrección en el desplazamiento de fase calculado.

En otra realización más, se forma una característica, tal como un patrón de referencia 213, en el plano de trabajo 110 utilizando otro de los módulos ópticos 106 u otro dispositivo, tal como un dispositivo 124 para proyectar un patrón de luz estructurada sobre el plano de trabajo 110. Los módulos ópticos calibrados y no calibrados 106 son controlados como antes para moverse nominalmente a la misma ubicación en el plano de trabajo 110, de modo que los campos de visión 211,212 incluyan el patrón de característica/referencia y las imágenes capturadas por los detectores 123 se comparen con determinar un desplazamiento de fase del patrón de referencia 213 entre las dos imágenes a partir del cual se determina un valor de corrección para el módulo óptico no calibrado 123.

Primero se puede proyectar un primer patrón de referencia 213 sobre la franja de trabajo 110 dentro de los campos de visión 211,212, teniendo el primer patrón de referencia 213 características que se repiten en una primera dirección, x, y luego se puede proyectar un segundo patrón de referencia a la franja de trabajo 110 dentro de los campos de visión 211,212, teniendo el segundo patrón de referencia 213 características que se repiten en una segunda dirección, y, perpendiculares a la primera dirección.

Alternativamente, el primer y segundo patrones de referencia se pueden proyectar uno al lado del otro dentro de los campos de visión 211, 212. En otra realización más, los detectores 123 de los módulos ópticos 106 son capaces de detectar más de una longitud de onda y el primer y segundo patrones de referencia se proyectan en la misma posición (o al menos superpuestos) en el plano de trabajo 110 dentro de los campos de visión 211, 212 utilizando diferentes longitudes de onda de luz. De esta manera, es posible capturar información relativa al posicionamiento de los campos de visión 211, 211 en más de un eje simultáneamente. En una realización adicional, la característica, tal como un artefacto de referencia, puede ser una característica permanente del aparato de fabricación aditiva.

En lugar de que la luz estructurada sea proyectada por un dispositivo separado 124, se puede proporcionar un elemento óptico en al menos uno de los módulos ópticos 106, de modo que el propio módulo óptico pueda generar el patrón de luz estructurada en el plano de trabajo 110. El rayo láser 118 utilizado para consolidar material se puede utilizar para formar el patrón de luz estructurada o se puede proporcionar una fuente de luz separada en el módulo óptico 106.

Una vez que los módulos ópticos 106a, 160b, 106c, 106d están calibrados, los módulos ópticos se pueden utilizar para determinar una posición de una característica en el plano de trabajo 110 mediante triangulación. Por ejemplo, una posición de una placa de construcción situada en la plataforma de construcción 102 o en la plataforma de construcción 102 se puede medir en múltiples ubicaciones a lo largo del plano de trabajo y la placa de construcción/plataforma de construcción se puede nivelar en función de las posiciones medidas. La posición de una o más piezas preformadas sobre las que se va a construir utilizando el aparato de fabricación aditiva se puede medir utilizando los módulos ópticos y la posición se puede ajustar en base a las mediciones hasta la orientación deseada. Se puede medir la altura del lecho de polvo utilizando los módulos ópticos calibrados 106.

Se entenderá que se pueden realizar modificaciones y alteraciones de las realizaciones descritas anteriormente sin apartarse del alcance de la invención tal como está definida en las reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método para determinar una corrección en el posicionamiento de la óptica de dirección de haz (121a, 121b, 121c, 121d) de un escáner (106a, 106b, 106c, 106d) de un aparato de fabricación aditiva que comprende una pluralidad de escáneres, cada escáner de la pluralidad de escáneres que comprenden ópticas de dirección de haz (121a, 121b, 121c, 121d) para dirigir un haz de radiación correspondiente (118a, 118b, 118c, 118d) a un plano de trabajo (110) en el que el material (104) es consolidado en capas, comprendiendo el método controlar la óptica de dirección de haz (121a, 121b, 121c, 121d) de un par de escáneres (106a, 106b, 106c, 106d) de manera que un primer escáner (106a, 106b, 106c, 106d) del par dirija un haz de radiación (118a, 118b, 118c, 118d) para formar una característica (203, 205) en el plano de trabajo (110) y la característica (203, 205) está dentro de un campo de visión (201, 204) de un dispositivo sensible a la posición (123a, 123b, 123c, 123d) del segundo escáner (106a, 106b, 106c, 106d) del par, el dispositivo sensible a la posición (123a, 123b, 123c, 123d) para detectar radiación proveniente del plano de trabajo (110) que es recogido por la óptica de dirección de haz (121a, 121b, 121c, 121d) del segundo escáner (106a, 106b, 106c, 106d), registrar al menos un valor de detector con el dispositivo sensible a la posición (123a, 123b, 123c, 123d) del segundo escáner (106a, 106b, 106c, 106d) para el campo de visión (201,204), determinar a partir del al menos un valor de detector una posición de la característica en el campo de visión (201,204) y determinar un valor, mapa o función de corrección para corregir al menos una posición de la óptica de dirección de uno del primer y segundo escáneres (106a, 106b, 106c, 106d) a partir de una comparación de la posición de la característica en el campo de visión (201, 204) con una posición nominal determinada a partir de un posicionamiento de la óptica de dirección de haz (121a, 121b, 121c, 121d) del primer escáner (106a, 106b, 106c, 106d) del par cuando se forma la característica, en donde la característica:

i) es un perfil de radiación o charco de fusión (203) formado por el haz de radiación (118a, 118b, 118c, 118d) en el plano de trabajo (110);

ii) es formada por ablación en una superficie o se forma consolidando el material (104) en el plano de trabajo (110) utilizando el haz de radiación (118a, 118b, 118c, 118d); o

iii) es luz estructurada dirigida sobre el material en el plano de trabajo (110) por el primer escáner (106a, 106b, 106c, 106d).

2. Un método según la reivindicación 1, en donde la característica formada por ablación en una superficie o formada consolidando material (104) en el plano de trabajo (110) utilizando el haz de radiación (118a, 118b, 118c, 118d) comprende un patrón de referencia (205) formado sobre una superficie en el plano de trabajo (110) dentro del campo de visión del dispositivo sensible a la posición (123a, 123b, 123c, 123d) del segundo escáner (106a, 106b, 106c, 106d) utilizando el haz de radiación dirigido por el primer escáner .

3. Un método para determinar la corrección en el posicionamiento de la óptica de dirección de haz (121a, 121b, 121c, 121d) de un escáner (106a, 106b, 106c, 106d) de un aparato de fabricación aditiva que comprende una pluralidad de escáneres, comprendiendo cada escáner (121a, 121b, 121c, 121d) de la pluralidad de escáneres ópticas de dirección de haz para dirigir un haz de radiación correspondiente (118a, 118b, 118c, 118d) a un plano de trabajo (110) en el que el material es consolidado en capas y comprendiendo cada escáner (106a, 106b, 106c, 106d) además un dispositivo sensible a la posición (123a, 123b, 123c, 123d) para detectar radiación procedente del plano de trabajo (110) que es recogida por la óptica de dirección de haz (121a, 121b, 121c, 121d), comprendiendo el método controlar la óptica de dirección de haz (121a, 121b, 121c, 121d) del primer y segundo escáner de un par de escáneres (106a, 106b, 106c, 106d), de manera que los campos de visión (208, 209; 211, 212) del plano de trabajo (110) para los dispositivos sensibles a la posición (123a, 123b, 123c, 123d) del primer y segundo escáner (106a, 106b, 106c, 106d) al menos se superponen, registrar al menos un valor de detector con el dispositivo sensible a la posición (123a, 123b, 123c, 123d) de cada uno del primer y segundo escáner (106a, 106b, 106c, 106d) para el campo de visión correspondiente (208, 209; 211, 212), determinar a partir de al menos un valor de detector para cada uno del primero y segundo escáner (106a, 106b, 106c, 106d) una posición relativa de los campos de visión (208, 209; 211, 212) y determinar un valor, mapa o función de corrección para corregir al menos una posición de la óptica de dirección de uno del primer y segundo escáneres (106a, 106b, 106c, 106d) desde las posiciones relativas de los campos de visión (208, 209; 211, 212) comparadas con una posición nominal.

4. Un método de acuerdo con la reivindicación 3, en donde los campos de visión (208, 209; 211, 212) son nominalmente colindantes.

5. Un método de acuerdo con la reivindicación 3 o la reivindicación 4, que comprende registrar los valores de detector cuando un haz de radiación (118a, 118b, 118c, 118d) es dirigido sobre el material en el plano de trabajo (110) dentro de los campos de visión (208, 209; 211, 212) mediante uno de la pluralidad de escáneres (106a, 106b, 106c, 106d) o registrar valores de detector basados en la característica (213) dentro de los campos de visión (208, 209; 211, 212) que se forman utilizando una de los haces de radiación (118a, 118b, 118c, 118d).

6. Un método de acuerdo con la reivindicación 3 o la reivindicación 4, que comprende registrar valores de detector basados en un patrón de referencia (208a, 208b, 213) situado dentro de los campos de visión (208, 209; 211, 212).

7. Un método de acuerdo con la reivindicación 6, en donde el patrón de referencia (208a, 208b, 213) es:

i) formado utilizando uno de los haces de radiación (118a, 118b, 118c, 118d), en donde el patrón de referencia (213) se puede formar en el plano de trabajo (110) utilizando uno de los haces de radiación (118a, 118b, 118c, 118d) mediante ablación de una superficie en el plano de trabajo (110) o consolidando material en el plano de trabajo (110);

ii) formado utilizando luz estructurada; o

iii) realizado sobre un artefacto de referencia (207) que se coloca en el aparato de fabricación aditiva de manera que el patrón de referencia (208a, 208b) esté en los campos de visión (208, 209; 211, 212).

8. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7, en donde el patrón de referencia (208a, 208b, 213) comprende al menos una característica periódica, comprendiendo el método capturar una imagen del patrón de referencia (208a, 208b, 213) con el dispositivo sensible a la posición (123a, 123b, 123c, 123d) del segundo escáner (106a, 106b, 106c, 106d), determinar a partir de la imagen una propiedad periódica medida del patrón de referencia (208a, 208b, 213) y determinar una corrección para el control del primer o segundo escáner (106a, 106b, 106c, 106d) basándose en una comparación de la propiedad periódica medida con una propiedad periódica de referencia, en donde la propiedad periódica de referencia se puede determinar a partir de las instrucciones utilizadas para accionar el primer escáner (106a, 106b , 106c, 106d) cuando se forma el patrón de referencia (213) o una imagen del patrón de referencia (208a, 208b, 213) capturada por el dispositivo sensible a la posición (123a, 123b, 123c, 123d) del primer escáner (106a, 106b, 106c, 106d) y, en donde la propiedad periódica puede ser un desplazamiento de fase medido del patrón de referencia (208a, 208b, 213) con respecto a una fase de referencia o una fase medida desde el dispositivo sensible a la posición (123a, 123b, 123c, 123d) del otro escáner (106a, 106b, 106c, 106d) del par y el desplazamiento de fase se puede determinar mediante análisis de Fourier de los valores de detector registrados por el dispositivo sensible a la posición (123a, 123b, 123c, 123d).

9. Un método de acuerdo cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el aparato de fabricación aditiva comprende más de dos escáneres (106a, 106b, 106c, 106d) y el método comprende llevar a cabo el método para múltiples pares de más de dos escáneres (106a, 106b, 106c, 106d) para generar valores, mapas o funciones de corrección que corrijan la al menos una posición de la óptica de dirección de haz (121a, 121b, 121c, 121d) de uno de los escáneres (106a, 106b, 106c, 106d) de cada par, de manera que los más de dos escáneres (106a, 106b, 106c, 106d) estén alineados con un marco de referencia común.

10. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende calibrar la óptica de dirección de haz (121a, 121b, 121c, 121 d) de un primero de la pluralidad de escáneres (106a, 106b, 106c, 106d) para proporcionar un primer escáner calibrado (106a, 106b, 106c, 106d) y generar el valor, mapa o función de corrección para uno o más de los otros escáneres (106a, 106b, 106c, 106d) de la pluralidad de escáneres (106a, 106b, 106c, 106d) para alinear el posicionamiento de la óptica de dirección de haz (121a, 121b, 121c, 121d) de uno o más escáneres (106a, 106b, 106c, 106d) con el primer escáner calibrado (106a, 106b, 106c, 106d).

11. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el dispositivo sensible a la posición (PSD) (123a, 123b, 123c, 123d) está dispuesto para medir una variación en la intensidad de la radiación a través del campo de visión (201,204, 208, 209, 211,212) en al menos una dimensión y, en donde el PSD puede estar dispuesto para medir la variación en la intensidad de la radiación a través del campo de visión (201, 204, 208, 209, 211,212) en dos dimensiones.

12. Un controlador para controlar un aparato de fabricación aditiva, en donde el controlador está dispuesto para llevar a cabo el método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

13. Un aparato de fabricación aditiva para construir una pieza de trabajo capa por capa que comprende una pluralidad de escáneres (106a, 106b, 106c, 106d), cada escáner (106a, 106b, 106c, 106d) para dirigir un haz de radiación (118a, 118b, 118c, 118d) para consolidar material en un plano de trabajo (110) en capas y un controlador de acuerdo con la reivindicación 12.

14. Un soporte de datos que contiene instrucciones que, cuando son ejecutadas por un controlador para controlar un aparato de fabricación aditiva, hacen que el controlador lleve a cabo el método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11.