JP6591068B2 - Ｓｌｓ設備又はｓｌｍ設備の少なくとも１つの走査システムを較正するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部分の別の特徴を有する、レーザ焼結設備又はレーザ溶融設備の少なくとも１つの走査システムを較正するための方法に関するものである。

レーザ焼結設備又はレーザ溶融設備は、特に粉体状の構造材料をレーザビームを用いて凝固化することで、迅速製造方法によって三次元的な対象物を製造するために設けられている。このとき、光源のビーム、多くの場合レーザは、スキャナシステムを介して構造平面へ導かれ、この構造平面上には、構造材料の薄い層が存在している。焦点合わせされたレーザビームは、構造材料を溶解又は溶融するのに適しており、これにより形成される溶融プール又は溶融箇所の冷却後、構造材料は、この箇所で凝固化し、別の層の連続的な付着及び選択的な凝固化によって三次元的な対象物を形成する。

このようなレーザ焼結設備又はレーザ溶融設備の１つ又は複数の走査システムがそのビーム焦点位置に関して正確に描写することが、構造工程の精度及び再現性にとって最も重要であり、このことは、構造プロセスを制御する構造プログラムにメモリされており、換言すれば、レーザビームのライン経過は、構造フィールド平面の範囲において、走査システムによって結像されるべきメモリされた目標ライン経過とは相違しない。

従来技術として、スキャナを手動でできる限り正確に整向し、その後、この手動の整向をソフトウェア技術的にチェックすることが知られている。このことは時間がかかるため、このようなスキャナシステムの調整は多くの場合年に１回又は２回行われる。このような手動の調整に時間がかかるほか、この調整は、多くのエラーの可能性にさらされている。

本発明の基礎をなす課題は、短時間で実行可能であり、自動的に行われることが可能であり、これにより、理論的にはそれぞれ個々の構造工程の前に実行されることが可能であるように、レーザ焼結設備又はレーザ溶融設備の少なくとも１つの走査システムを較正するための方法を形成することにある。

上記課題は、請求項１の特徴部分の特徴によって解決され、特に複数の走査システムにも関する有利な発展形成は、従属請求項から分かる。詳細には、方法は、以下の較正方法ステップが設定されている。

まず第１に、ラインパターン、特に走査格子の形態のライン格子が少なくとも１つの走査システムによって構造フィールドの平面内の表面に生成される。これに対して２つの代替が存在する。第１の代替は、ラインバターンを表示する平面要素上へラインパターンを映写するようになっており、平面要素上の表示は、一時的に、又は永続的に視認可能である。一時的のみの表示は、ラインパターンの永続的な表示と同様に、構造フィールド上に配置された較正されたカメラによって検出されることができるとともに、メモリへ読み込まれることが可能である。

これに代えて、スキャナにより生成されるラインパターンを較正プレートへ映写することが本発明の範囲内にあり、較正プレートは、その表面上で既に設けられた目標ラインパターンを有している。そして、少なくとも１つの走査システムによって生じるラインパターンの、目標ラインパターンとの差異が１つのカメラ又は構造フィールドの上方に配置されたカメラによって検出されることができるとともに、同様にメモリへ読み込まれることが可能である。第１の代替によりメモリされたデータ又は第２の代替による差異データが解析され、プロセッサ内で行われるこの電子的な解析に基づき、補正データの演算によってラインパターンのフィールド補正が行われる。これら補正データは、ラインパターン、特に走査格子のあり得るひずみを補正するのに必要な情報を含んでいる。特に、例えば正方形又はその他の目標パターン及びこれに類するものクッション状、樽形、ひし形又は長方形状のひずみが言及されている。補正は、各観点において考えられ得る。

上述した方法は、これまで、１つのみのスキャナの較正に関するものであったが、当然、２つのスキャナがそれぞれ別々に及び場合によっては互いに独立して上述のように補正されることが可能である。方法の発展形成においては、複数の走査システムの場合に、ラインパターンのひずみの補正後、１つかつ同一の構造フィールドにわたる露光と、このとき、位置ラインパターンの生成とを行うこと、並びに、位置ラインパターン、特にあり得るひずみに関して別々に既に走査システム内部で補正されている複数の各走査システムの位置格子の互いに対する調整を行うことが可能である。このために、場合によっては必要な回転、オフセット、スケーリング及び／又はシステムについての互いに対する変位に関する別の補正データを、この別の補正データを複数の走査システムに適用することで、複数の走査システムの相互の整向及び調節が互いに対してなされるように演算が行われる。これにより、例えば、複数の走査システムのラインパターンが正確に一直線とされることができるか、又は側方で互いに隣接するように正確に整向されることが可能である。

このとき、各走査システムについての別の補正データの演算は、個別になされ、補正データを用いて各走査システムへ個別にアクセスされることができ、この走査システムは、隣接する走査システム又は構造フィールドの縁部に関して正確に整向されることが可能である。しかし、各走査システムについて算出された補正データを全体補正データセットについての全てのシステムへ統合することも可能である。そして、全ての走査システムへのこの全体補正データセットの適用により、複数の走査システムの互いに対する正確な整向に至る。別の補正データの演算は、構造フィールドの外側の境界に関して個別に行われることができ、その結果、例えば、位置ラインパターンの縁部が構造フィールドの縁部に対して平行化されている。

既に上述したように、互いに並んで配置された走査システムの位置ラインパターンは範囲ごとに重なることが可能である。そして、相互の補正及び整向は、例えば異なる走査システムにより生成された位置ラインパターンの縁部ラインが合同に重ねて配置されることができるか、又は少なくとも部分的に合同に整向されることが可能であるように行われることができる。

基本的に、相互の回転、相互のオフセット及びこれに類するものに関する、互いに並んで位置するか、又は範囲ごとに重なる位置ラインパターンの差異データをレーザ焼結設備又はレーザ溶融設備のディスプレイに表示することも本発明の範囲内にある。例えば「角度差３°」が表示され得る。このような表示は、走査システムが１つ又は同一の画像を構造フィールド上に生成させることができるように互いに並んで位置する走査システムを実際に相互に調整するために、補正がまだ完了しておらず、手動又は部分的に自動的な補正が必要であるという情報を設備のユーザに与える。

走査システムのレーザビームによって露光される平面要素は、積層されることが可能である。この積層部は、永続的に視認可能な画像がレーザビームによって積層部へ焼き付けられるように形成されることができる。

本発明の発展形成では、較正方法を部分プログラムとして三次元的な対象物のための構造プログラムへ統合するとともに、この部分プログラムを構造ジョブの開始から進行させることも可能であり、その結果、実際の構造ジョブの開始時に、構造ジョブを実行する設備のスキャナが互いに実際に調整されることが保証されている。

本発明を、図面における実施例に基づき詳細に説明する。

スキャナにより生成されたラインパターンのスキャナの較正を実行する前の、スキャナ及び較正されたカメラが設けられたレーザ焼結設備又はレーザ溶融設備の構造フィールドを大きく簡略化して示す図である。 図１によるクッション状のひずみが各個々のスキャナについて既に補正されている、図１に従う図である。 位置ラインパターンの平行化のためにスキャナの相互の整向及び較正が行われた、図１及び図２に従う図である。 較正時に進行する工程の概略的なフローチャートである。

まず、図１〜図３を参照する。図１には、単純化する理由から、レーザ焼結設備又はレーザ溶融設備１における本発明にとって本質的な要素のみ、すなわち、レーザ３の照射によって走査されることが可能な構造フィールド２が図示されている。このために、レーザのビーム４がビームスプリッタ５を介して２つのスキャナ６ａ，６ｂへ供給される。プロセッサ及びメモリ７を介して制御されるスキャナ６ａ，６ｂのミラーは、レーザのビーム４を構造フィールド２へ向けて偏向させるとともに、この箇所で、図１ではまだクッション状のひずみを有している走査格子８ａ，８ｂを生じさせる。これら走査格子は、較正されたカメラ９によって走査され、カメラ９の出口１０はプロセッサ７の入口１１に接続されている。これにより、検出されたラインパターン８ａ，８ｂがプロセッサ７のメモリへ読み込まれることが可能である。プロセッサ７内では、フィールド補正が算出され、これは、各走査システム６ａ，６ｂについての補正データの演算によって行われ、補正データは、ラインパターン８ａ，８ｂのあり得るひずみを補正するための情報を含んでいる。この補正データは、プロセッサ７における関連する目標データと結び付けられており、その結果、図２に図示されているように、第１の結果としてラインパターン８ａ，８ｂの補正が得られる。このとき、スキャナ６ａ，６ｂによって生じるラインパターン８ａ，８ｂにおいて、クッション状のひずみが除去され、スキャナのミラーによって生じるレーザ焦点の経過が、例えばチェス盤状のパターンであるメモリされたパターンの基準に正確に従う。ただし、スキャナ６ｂのラインパターン８ｂがスキャナ６ａのラインパターン８ａに対してわずかな度合いだけ全体的に傾斜していることが図２から見て取れる。したがって、複数のスキャナが１つ又は同一の構造フィールドにわたって配置されている場合には、ラインパターンの相互の整向が必要である。いまや位置ラインパターン８ｃ，８ｄと呼ばれるこれらラインパターンは、ここでもカメラによって読み取られ、第１の補正段階におけるクッション状のひずみを除去するために、メモリ７内にメモリされた、既に読み取られたラインパターンについてのデータも読み出されることが可能である。いまや存在するこれらデータに基づき、複数の走査システムに対するこの補正データを用いることで、複数の走査システムの相互の整向及び調節が互いに対してなされるように、相互の旋回、オフセット、スケーリング及び／又はシステムについての互いに対する変位に関する別の補正データが演算される。このことは、本発明により、ソフトウェアによってのみ行われ、例えば装置の最初の起動時に行われ得るスキャナの互いに対する機械的な基本整向が極端に目的にかなうものである。別の補正データのこの応用の結果は、図３から明らかである。いまや、ラインパターンあるいは位置ラインパターン８ｃ，８ｄは、正確に整向されて互いに隣接しており、覆うように配置されることも可能である。換言すれば、スキャナ６ｂは、位置ラインパターン範囲８ａに配置されている構造フィールド範囲も正確に巡回することが可能である。

基本的には、補正データ又は測定された変位、角度及びこれに類するものを装置１の装置のディスプレイ１５に表示し、場合によってはキーボード１６の形態の入力装置を介して手動で補正過程に介入することが考えられ得る。

図４によるフローチャートは、２つの部分図４ａ及び４ｂに分割されている。部分図４ａによれば、ライン格子を露光することができるか、又は較正プレートを入れることができ、そして、露光パターンの読み込み又は測定がなされ、フィールド補正の演算がなされ、図１から図２への移行時に見られるように、例えばクッション状のひずみを除去するために１つ又は複数のシステムへのフィールド補正データの適用がなされる。

図１〜図３による概略的な図示において設定されているように、複数のレーザシステムが設けられていれば、位置ラインパターンと呼ばれるラインパターンは、露光され、カメラ９によって測定され、そして、回転、システムごとのオフセットに関する補正データが、システムについて互いに対して算出される。この別の補正データをシステムへ適用することにより、図２から図３への移行時に見て取れるように、互いに対するラインパターンの相互の正確な整向に至る。

１ レーザ焼結設備／過程又はレーザ溶融設備／過程
２ 構造フィールド
３ レーザ
４ ビーム
５ ビームスプリッタ
６ａ／ｂ 走査格子、走査システム
７ プロセッサ及びメモリ
８ａ／ｂ 走査格子
８ｃ／ｄ 位置ラインパターン
９ 較正されたカメラ
１０ 出口
１１ 入口
１５ ディスプレイ
１６ キーボード

Claims (10)

1. レーザ焼結（ＳＬＳ）設備又はレーザ溶融（ＳＬＭ）設備（１）の少なくとも１つの走査システム（６ａ／６ｂ）を較正するための方法であって、前記設備内では、構造過程において構造フィールドで焼結可能な又は溶融可能な構造材料を溶解又は溶融させ、これによりこの冷却後に選択的に構造材料を凝固化させるために、少なくとも１つのビーム源から集められたビーム（４）が前記少なくとも１つの走査システム（６ａ／６ｂ）を用いて構造フィールド（２）へ偏向される、前記方法において、
   前記少なくとも１つの走査システム（６ａ／６ｂ）によって前記構造フィールド（２）の層の表面に少なくとも１つのラインパターンを生成するステップであって、前記少なくとも１つのラインパターンが、目標ラインパターンが永続的に付されて提供される較正プレートの表面の上側へ映写され、前記少なくとも１つの走査システム（６ａ／６ｂ）によって生成される前記ラインパターンの前記目標ラインパターンとの差異が、前記構造フィールド（２）の上方に配置されたカメラ（９）によって検出され、メモリ（７）に読み込まれる前記少なくとも１つのラインパターンを生成するステップと、
   前記ラインパターンのひずみの補正のための情報を含む、前記少なくとも１つの走査システム（６ａ／６ｂ）に関する補正データの演算によって、前記ラインパターンのフィールド補正を行うステップと、
   前記較正プレートの表面で、一時的に視認可能であり、前記構造フィールド（２）の上方のカメラ(９）で検出可能な前記ラインパターンの前記差異を計測し、該差異を、前記走査システム（６ａ／６ｂ）によって生成された前記ラインパターンと前記較正プレートに永続的に付された前記目標ラインパターンとが一致するように補正するステップと、
   を備えた方法。
2. 前記ラインパターンのひずみの補正を行うための前記ラインパターンのフィールド補正によって較正されたカメラ（９）を用いながら、前記構造フィールド（２）を照射するステップと、
   前記カメラ（９）を用いて検出し、前記ラインパターンのひずみが既に補正されたラインパターンをメモリ（７）に読み込むステップと、
   回転、オフセット、スケーリング、及び／又は複数の走査システム（６ａ／６ｂ）の相互の相対的変位に関する別の補正データを、前記複数の走査システム（６ａ／６ｂ）のいずれかに適用することで、前記複数の走査システム（６ａ／６ｂ）のいずれか及び該走査システムによって生成されたラインパターンが、相互に整向及び調節がなされるように、前記別の補正データを算出するステップを備えた請求項１に記載の方法。
3. 前記複数の走査システム（６ａ／６ｂ）について、前記別の補正データを算出するステップを備える請求項２に記載の方法。
4. 前記複数の走査システム（６ａ／６ｂ）について算出された補正データが、組み合わされた補正データセットへ統合される請求項３に記載の方法。
5. 前記構造フィールド（２）の外側の境界に関して、前記別の補正データを算出するステップを備える請求項２又は３に記載の方法。
6. 隣接する走査システム（６ａ／６ｂ）に対応する前記ラインパターンが、互いに交差する請求項２〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 隣接する走査システム（６ａ／６ｂ）の前記ラインパターンが、互いに離れて並んで配置されている請求項２〜５のいずれか１項に記載の方法。
8. 相互の回転、相互のオフセット、相互のスケーリング、若しくは変位によって生じる、隣接するラインパターン又は範囲ごとに重なるラインパターンの差異を、ディスプレイ（１５）に表示するステップを備えた請求項２〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記走査システム（６ａ／６ｂ）のレーザビーム（４）が、前記構造フィールド（２）の上方に設けられた前記カメラ（９）によって検出可能である常に視認可能なラインパターンを生成するように、前記表面に照射される請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記少なくとも１つの走査システム（６ａ／６ｂ）を備える場合に、回転、スケーリング、及び変位についての算出された補正値が、構造チャンバ内における前記ラインパターンの位置又は前記構造チャンバのエッジ部に関する位置である請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。

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