KR20200078604A - 스캐닝 시스템들의 캘리브레이션 - Google Patents

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KR20200078604A
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요른 데루요크
덴 에커 피에트 반
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머티어리얼리스 엔브이
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Abstract

본 출원은, 캘리브레이션을 위한 기준으로서 디지털 이미지(502)를 사용하는, 레이저 스캐닝 시스템들과 같은 스캐닝 시스템들의 캘리브레이션에 관한 것이다. 캘리브레이션은 스캐닝 시스템(444)이 적층 제조 장치(400)에서 대상물들을 구축하는 것과 같은 태스크들을 완료하고 있는 동안 수행될 수도 있다.

Description

스캐닝 시스템들의 캘리브레이션
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 2017년 10월 30일자로 출원된 미국 가특허 제62/578,952호의 이익을 주장한다. 이 가출원의 내용은 이로써 그 전체가 참조로 포함된다.
본 발명의 분야
본 출원은 레이저 스캐닝 시스템들과 같은 스캐닝 시스템들의 캘리브레이션(calibration)에 관한 것이다. 본 출원은 캘리브레이션을 위한 기준으로서 이미지를 사용하여 스캐닝 시스템을 캘리브레이션하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 캘리브레이션은 스캐닝 시스템이 적층 제조 장치(additive manufacturing apparatus)에서 대상물(object)들을 구축(build)하는 것과 같은 태스크들을 완료하고 있는 동안 수행될 수도 있다.
레이저 스캐닝 시스템들과 같은 스캐닝 시스템들이 상이한 응용예들에서 사용된다. 이들 응용예들 중 하나는 3차원 고체 대상물들이 디지털 모델로부터 형성되는 적층 제조 분야이다. 제조된 대상물들은 3차원이기 때문에, 적층 제조는 통상적으로 3차원("3D") 프린팅으로 지칭된다. 적층 제조에서의 레이저 스캐닝 시스템들의 사용은 스테레오리소그래피(stereolithography) 및 선택적 레이저 소결(selective laser sintering)("SLS") 제조 기법들에서 특히 보편적이다. 이들 기법들은 원하는 3차원("3D") 대상물을 생성하는 데 사용되는 구축 재료들의 층들을 중합 또는 응고시키기 위해 특정된 위치에 스캐닝 빔을 지향시키는 데 스캐닝 시스템들을 사용한다.
적층 제조와 관련하여 사용되는 스캐닝 시스템들은 매우 높은 정도의 정밀성을 제공해야 한다. 이 높은 정도의 정밀성은 제조된 대상물이 디지털 모델과 일치한다는 것을 보장하는 것을 돕는다. 그러나, 시간이 지남에 따라 이 정밀성을 유지하기 위해, 다양한 이유들로 스캐닝 시스템들이 캘리브레이션될 필요가 있을 수도 있다. 일부 경우들에서, 디바이스의 사용으로 전개되는 스캐닝 빔의 변화들로 인해 캘리브레이션이 필요하다. 다른 경우들에서, 온도 변동들이 스캐닝 시스템의 정확성에 영향을 줄 수도 있다. 부가적으로, 검류계(galvanometer)들을 포함하는 것들과 같은, 스캐닝 시스템들에서의 미러들의 지오메트리(geometry)가 오차들의 다른 소스일 수도 있다.
스캐닝 시스템들을 캘리브레이션하기 위한 다양한 기존 기법들이 있지만, 일부는 비싸고 복잡하며, 대부분은 기법들이 빈번하게 수행하기에는 비실용적이게 만드는 장비 및 조정들을 요구한다. 그 결과, 사용자들은, 편리하지만 적층 제조 장치 상의 각각의 개별 구축에 대한 정확성을 보장할 만큼 충분히 빈번하지 않을 수도 있는 선택 시간들에서만 단지 스캐닝 시스템들을 전형적으로 캘리브레이션한다. 예를 들어, 스캐닝 시스템은 옵틱(optic)들이 정렬된 후에 단지 한 번만 캘리브레이션될 수도 있지만 구축들 사이에서는 캘리브레이션되지 않을 수도 있다. 현재 방법들을 사용하면, 캘리브레이션 플레이트가 적층 제조 디바이스에 포지셔닝될 때 구축을 시작하는 것이 가능하지 않아서, 구축 동안 캘리브레이션이 수행될 수 없다.
스캐닝의 정확성이 적층 제조 장치에서의 구축의 성공에 중요하기 때문에, 스캐닝 시스템이 더 빈번하게 캘리브레이션될 수 있는 경우에 유리할 것이다. 심지어 구축 동안에도, 언제든지 스캐닝 시스템의 편리하고 빈번한 캘리브레이션을 가능하게 하는 방법들 및 시스템들에 대한 필요성이 본 기술분야에 남아 있다.
본 개시내용은 적층 제조 디바이스에서 스캐닝 시스템을 캘리브레이션하기 위한 컴퓨터 구현 방법에 관한 것으로, 이 컴퓨터 구현 방법은, 기준 포지션에서의 이미지 취득 어셈블리를 사용하여, 적층 제조 디바이스에 그리고 스캐닝 시스템의 스캐닝 영역에 평행하여 포지셔닝되는 캘리브레이션 플레이트의 제1 표면 상의 복수의 기준 마킹들의 기준 이미지를 취득하는 단계; 오차 함수(error function)를 결정하는 단계 - 여기서 오차 함수는 기준 이미지에서의 기준 마킹들과 캘리브레이션 플레이트 상의 기준 마킹들 사이의 차이를 나타냄 -; 캘리브레이션 플레이트가 스캐닝 영역에 있지 않을 때 스캐닝 영역에서의 복수의 미리 정의된 위치들에 스캔 마킹들을 적용하도록 스캐닝 시스템으로부터의 스캐너 빔을 지향시키는 단계; 기준 포지션에서의 이미지 취득 어셈블리를 사용하여, 스캔 마킹들의 스캔 이미지를 취득하는 단계; 스캔 이미지에서의 스캔 마킹들의 포지션, 오차 함수, 및 스캐닝 영역에서의 미리 정의된 위치들에 기초하여 스캐너 보정치(scanner correction)들을 결정하는 단계; 및 스캐너 보정치들을 사용하여 스캐닝 시스템을 캘리브레이션하는 단계를 포함한다.
특정 실시예들에서, 각각의 기준 마킹은 미리 정의된 좌표 포지션에 위치된다. 예를 들어, 기준 마킹들은 순서화된 패턴의 원형 스폿(circular spot)들을 포함할 수도 있다. 순서화된 패턴은 그리드 패턴일 수도 있다.
일부 실시예들에서, 캘리브레이션 플레이트의 제1 표면은 기준 이미지를 취득할 때 스캐닝 영역에서의 구축 표면과 동일한 xy 평면에 포지셔닝된다.
이미지 취득 어셈블리는 적층 제조 디바이스 내의 또는 그 주위의 위치에 고정될 수도 있다. 이미지 취득 어셈블리는 광학 카메라를 포함할 수도 있다.
특정 실시예들에서, 오차 함수를 결정하는 단계는: 기준 이미지에서 관심 구역을 선택하는 단계; 관심 구역에서 피처(feature)들을 검출하는 단계 - 여기서 피처들은 기준 이미지에서의 기준 마킹들의 선택(selection)을 포함함 -; 피처들에 대한 좌표 포지션들을 결정하는 단계; 기준 이미지에서의 피처들의 좌표 포지션들을 캘리브레이션 플레이트 상의 기준 마킹들의 좌표 포지션들과 비교하는 단계를 더 포함한다.
특정 실시예들에서, 스캐너 빔을 지향시키는 단계 전에 이미지 취득 어셈블리의 경로로부터 캘리브레이션 플레이트가 이동될 수도 있다. 스캔 마킹들은 스폿들, 라인들, 또는 십자들의 패턴을 포함할 수도 있다. 스캔 이미지는 단일 이미지 또는 이미지들의 스택을 포함할 수도 있고, 스캔 마킹들 모두가 적용되기 전에 취득될 수도 있다. 스캐닝 시스템은 스캔 마킹들을 파일럿 레이저에 적용할 수도 있다.
스캐너 보정치들을 결정하는 단계는, 스캔 이미지에서 관심 구역을 선택하는 단계; 관심 구역에서 피처들을 검출하는 단계 - 여기서 피처들은 스캔 이미지에서의 스캔 마킹들의 선택을 포함함 -; 피처들에 대한 관찰된 좌표 포지션들을 결정하는 단계; 및 피처들의 트루 좌표 포지션(true coordinate position)들을 획득하기 위해 오차 함수를 적용하는 단계; 스캐닝 영역에서의 미리 정의된 위치들과 트루 좌표 포지션들 사이의 편차 값들을 획득하는 단계; 및 편차 값들에 기초하여 스캐너 보정치들을 결정하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
편차 값들을 획득하는 단계는, 표면 피팅(surface fitting)을 더 포함할 수도 있다. 스캐닝 시스템을 캘리브레이션하는 단계는, 스캐너 보정치들에 대응하는 거리 또는 인자만큼 스캐닝 시스템에서의 스캐너의 좌표 위치들을 조정하는 단계를 포함할 수도 있다. 본 개시내용의 추가의 양태는 적층 제조 디바이스에서 스캐닝 시스템을 캘리브레이션하기 위한 시스템에 관한 것으로, 이 시스템은: 복수의 기준 마크들을 갖는 제1 표면을 포함하는 캘리브레이션 플레이트 - 캘리브레이션 플레이트는 스캐닝 시스템의 스캐닝 영역에 평행하여 제거가능하게 포지셔닝되도록 구성됨 -; 스캐너 빔을 스캐닝 영역으로 지향시키도록 구성되는 스캐너; 이미지 취득 디바이스를 포함하는 이미지 취득 어셈블리 - 이미지 취득 디바이스는 기준 포지션에 포지셔닝되고, 적어도 2개의 시점들 동안 스캐닝 영역 중 적어도 일 부분의 스캐닝 영역의 이미지를 취득하도록 구성되고, 적어도 2개의 시점들은: 캘리브레이션 플레이트가 적층 제조 디바이스의 스캐닝 영역에 포지셔닝될 때의 제1 시점; 스캐닝 시스템이 스캐너 빔을 스캐닝 영역으로 전송할 때의 제2 시점을 포함함 -; 메모리 및 프로세서를 갖는 하나 이상의 컴퓨터들을 포함하는 컴퓨터 제어 시스템을 포함하고, 컴퓨터 제어 시스템은: 캘리브레이션 플레이트의 제1 표면 상의 기준 마킹들의 이미지를 수신하고; 기준 이미지에서의 기준 마킹들과 캘리브레이션 플레이트 상의 기준 마킹들 사이의 차이에 기초하여 오차 함수를 결정하고; 스캐닝 시스템으로 하여금 스캐너 빔을 스캐닝 영역 상의 복수의 미리 정의된 위치들로 지향시키게 함으로써, 하나 이상의 스캔 마킹들을 생성하고; 스캔 마킹들의 이미지를 수신하고; 스캔 이미지에서의 스캔 마킹들의 포지션, 오차 함수, 및 스캐닝 영역에서의 미리 정의된 위치들에 기초하여 스캐너 보정치들을 결정하도록 구성된다.
도 1은 3D 대상물 설계 및 제조의 구현에 적합한 컴퓨터 환경의 예를 예시한다.
도 2는 컴퓨터의 일 예의 기능 블록도를 예시한다.
도 3은 본 명세서에 개시된 방법들 및 시스템들을 사용하여 3D 대상물을 제조하기 위한 고레벨 프로세스를 도시한다.
도 4는 본 명세서에 개시된 방법들 및 시스템들을 사용하여 캘리브레이션될 수도 있는 스캐닝 시스템의 예이다.
도 5a는 기준 이미지를 취득하기 위한 예시적인 프로세스를 예시한다. 도 5b는 기준 이미지에서의 검출된 피처들에 대한 표면 피팅을 예시한다. 도 5c는 트루 좌표 포지션들로의 기준 이미지에서의 검출된 좌표 포지션들의 변환을 예시한다.
도 6은 스캐닝 시스템을 캘리브레이션하기 위한 예시적인 방법을 예시한다.
도 7은 스캐닝 및 캘리브레이션의 반복 사이클들에 걸친 예시적인 편차 맵을 예시한다.
도 8은 디지털 이미지에서의 검출된 피처들을 프로세싱하기 위한 예시적인 방법을 예시한다.
본 출원의 실시예들은 3D 프린팅 응용예들과 관련하여 사용되는 레이저 스캐닝 시스템들과 같은 스캐닝 시스템들을 캘리브레이션하는 것에 관한 것이다. 본 명세서에 개시된 시스템들 및 방법들은 3D 프린팅 응용예들과 관련하여 사용되는 스캐닝 시스템들을 캘리브레이션하기 위한 단순하고 저렴한 방법을 제공할 수도 있다.
적층 제조(additive manufacturing)(AM) 기법들을 사용하여 정확한 부분들을 구축하기 위해서는 캘리브레이션이 잘 되는 스캐닝 시스템이 중요한데, 이는 스캐닝 시스템의 포지션 오차들이 그 부분들의 열악한 표면 품질 또는 오정렬된 지오메트리들을 초래할 수도 있기 때문이다. 정확성을 향상시키기 위해, 캘리브레이션은 종종, 예컨대 옵틱들이 조정 또는 정렬된 후에, 그리고 또한 각각의 구축 전에 또는 심지어 구축 동안, 수행될 수도 있다. 불행하게도, 스캐닝 시스템들을 캘리브레이션하기 위한 기존 방법들은 빈번한 캘리브레이션의 용이성과 유연성이 가능하지 않다.
대부분의 기존 방법들에서, 스캐닝 시스템들은 머신에서의 알려진 포지션에 포지셔닝되는 기준 플레이트와 관련하여 캘리브레이션된다. 기준 플레이트는 알려진(또한 "미리 정의된" 또는 "예상된") 위치들에 기준 마킹들을 갖는다. 스캐너 빔이 기준 플레이트 상의 이들 미리 정의된 위치들로 지향될 수도 있지만, 스캐너 빔이 도달하는 실제(또는 "트루(true)") 위치들은 종종 스캐닝 시스템의 작은 오차들 또는 부정확성들로 인해 오프셋된다. 기준 플레이트 상의 기준 마킹과 관련하여 결정된 바와 같은, 실제 위치들과 미리 정의된 위치들 사이의 비교는 스캐너 보정치들을 결정하는 데 사용될 수도 있는데, 이 스캐너 보정치들은 그 후에 오차들을 보정 또는 보상하기 위해 스캐너 시스템에 적용된다.
이 접근법의 첫 번째 결점은 일단 캘리브레이션 플레이트가 제거되거나 또는 스캐닝 시스템에서의 컴포넌트들이 조정되면 임의의 기준 포인트들이 손실된다는 점이다. 캘리브레이션 플레이트가 구축 동안 적층 제조 디바이스로부터 제거되는 경우, 그것을 동일한 포지션에 다시 재배치시키기가 어려울 수도 있다. 더욱이, 예를 들어 세정 또는 재정렬 동안, 일단 스캐닝 시스템 컴포넌트들이 조정되었다면, 플레이트에 대한 이들의 포지션이 변화되고 이전 기준 포지션이 손실된다. 이들 경우들에서, 캘리브레이션 플레이트를 머신에 다시 배치시킴으로써 새로운 기준 포지션이 이루어져야 하고, 스캐닝 시스템은 캘리브레이션 플레이트에 대한 그의 새로운 포지션에 따라 캘리브레이션되어야 한다. 이것은 시간 소비적인데, 이는 특히 스캐닝 시스템의 컴포넌트들이 적층 제조 디바이스들에서 빈번하게 조정되기 때문이다. 추가의 결점은 빔에 의해 스캐닝된 패턴과 기준 그리드 양측 모두가 캘리브레이션 동안 동시에 검출된다는 것을 보장하기 위해 적층 제조 디바이스에서의 조명이 변조되어야 한다는 점이다. 최종적으로, 시간이 지남에 따라 악화되는 작은 오차들이 각각의 캘리브레이션에 있는 경우, 반복된 캘리브레이션들은 오차들을 확대시킬 수도 있다.
이에 따라, 본 기술분야에는 스캐닝 시스템들을 캘리브레이션하는 새로운 방법들에 대한 필요성이 있다. 본 개시내용의 일 양태는 카메라 또는 광학 이미징 디바이스와 같은 이미지 취득 어셈블리에 대해 이루어지는 캘리브레이션 플레이트의 단일 기준 뷰를 사용하는 캘리브레이션 방법들 및 시스템들에 관한 것이다. 이미지 취득 어셈블리는 캘리브레이션될 수도 있어서, 어셈블리에 의해 취득되는 임의의 이미지들에 대해 오차 함수가 결정될 수도 있다. 스캐닝 시스템을 캘리브레이션하기 위해 오차 함수와 함께 스캔 이미지들이 사용되어 스캐너 보정치들을 결정할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 이미지 취득 어셈블리의 캘리브레이션은 스캐닝 시스템의 캘리브레이션과 별개로 수행될 수도 있다. 스캐닝 시스템과 비교하여, 이미지 취득 어셈블리는 그것에 대해 이루어지는 조정들이 더 적어지고 이동하는 부분들이 더 적어지거나 또는 없어지게 할 수도 있는데, 이는 이미지 취득 어셈블리가 더 적은 캘리브레이션을 요구할 수도 있다는 것을 의미한다.
특정 실시예들에서, 스캐닝 시스템은, 구축 표면 상에 스캐닝 빔을 포지셔닝시키기에 적합한 컴포넌트들을 포함한다. 컴포넌트들은, 빔 소스 및 스캐너를 포함하는 스캔헤드(예를 들어, 빔을 편향시키는 하나 이상의 미러들), 렌즈들과 같은 옵틱들, 검류계 컨트롤들, 및 전자 장치들과 같은 하나 이상의 컴포넌트들을 포함할 수도 있다. 예시적인 스캐닝 시스템들은 이들 컴포넌트들 및/또는 이미징 디바이스들 또는 센서들과 같은 부가적인 컴포넌트들의 다른 구성들을 포함할 수도 있다. 전자 빔 용융 프로세스들에서 전자 빔들을 지향시키기 위한 스캐닝 시스템들뿐만 아니라, 모터 구동 메커니즘들을 사용하여 광, 열, 화학물들, 또는 에너지가 투영, 분사, 또는 지향되는 임의의 시스템이 또한 본 개시내용에 따라 캘리브레이션될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 스캐닝 시스템들은 모터 구동 시스템보다는 오히려 전자기 시스템일 수도 있거나, 또는 상이한 메커니즘들의 조합을 포함할 수도 있다. 스캐닝 시스템들은 CNC 머시닝 툴(machining tool)들과 같은 삭감 제조 시스템(subtractive manufacturing system)들에, 또는 적층 제조 시스템들에 대응할 수도 있다. 적층 제조 시스템들에서, 캘리브레이션될 수도 있는 컴포넌트들은 레이저 소결 디바이스들에서의 레이저 스캐너들; 예를 들어 전자기 컨트롤을 사용하여 전자 빔이 편향되는 전자 빔 시스템들; 레이저들 또는 전자 빔들의 형태의 에너지를 편향시키기 위한 시스템들; 비선형 스캐닝을 위해 구성되는 회전 스캐닝 시스템들; 융합 퇴적 모델링(fused deposition modeling)(FDM) 디바이스들에서의 압출기들; 디지털 광 프로젝터(digital light projector)(DLP) 디바이스들에서의 광원들, 제어기들, 이미징 옵틱들 및/또는 프로젝터들; 그리고 그 이상의 것을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
본 개시내용의 제1 양태는 적층 제조 디바이스에서 스캐닝 시스템을 캘리브레이션하기 위한 방법에 관한 것으로, 이 방법은, 기준 포지션에서의 이미지 취득 어셈블리를 사용하여, 적층 제조 디바이스에 그리고 스캐닝 시스템의 스캐닝 영역에 평행하여 포지셔닝되는 캘리브레이션 플레이트의 제1 표면 상의 복수의 기준 마킹들의 기준 이미지를 취득하는 단계; 오차 함수를 결정하는 단계; 캘리브레이션 플레이트가 스캐닝 영역에 있지 않을 때 스캐닝 영역 상의 복수의 미리 정의된 위치들에 스캔 마킹들을 적용하도록 스캐너 빔을 지향시키는 단계; 기준 포지션에서의 이미지 취득 어셈블리를 사용하여, 스캔 마킹들의 스캔 이미지를 취득하는 단계; 스캔 이미지에서의 스캔 마킹들의 포지션, 오차 함수, 및 스캐닝 영역에서의 미리 정의된 위치들에 기초하여 스캐너 보정치들을 결정하는 단계; 및 스캐너 보정치들을 사용하여 스캐닝 시스템을 캘리브레이션하는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 추가의 양태는 적층 제조 디바이스에서 스캐닝 시스템을 캘리브레이션하기 위한 시스템에 관한 것으로, 이 시스템은: 복수의 기준 마크들을 갖는 제1 표면을 포함하는 캘리브레이션 플레이트 - 캘리브레이션 플레이트는 스캐닝 시스템의 스캐닝 영역에 평행하여 제거가능하게 포지셔닝되도록 구성됨 -; 스캐닝 빔을 스캐닝 영역으로 전송하도록 구성되는 스캐너; 이미지 취득 디바이스를 포함하는 이미지 취득 어셈블리 - 이미지 취득 디바이스는 기준 포지션에 포지셔닝되고, 적어도 2개의 시점들 동안 스캐닝 영역 중 적어도 일 부분의 스캐닝 영역의 이미지를 취득하도록 구성되고, 적어도 2개의 시점들은: 캘리브레이션 플레이트가 적층 제조 디바이스의 스캐닝 영역에 포지셔닝될 때의 제1 시점; 스캐닝 시스템이 스캐닝 빔을 스캐닝 영역으로 전송할 때의 제2 시점을 포함함 -; 메모리 및 프로세서를 갖는 하나 이상의 컴퓨터들을 포함하는 컴퓨터 제어 시스템을 포함하고, 컴퓨터 제어 시스템은 캘리브레이션 플레이트의 제1 표면 상의 기준 마킹들의 이미지를 수신하고; 기준 이미지에서의 기준 마킹들과 캘리브레이션 플레이트 상의 기준 마킹들 사이의 차이에 기초하여 오차 함수를 결정하고; 스캐닝 시스템으로 하여금 스캐너 빔을 스캐닝 영역 상의 복수의 미리 정의된 위치들로 지향시키게 함으로써, 하나 이상의 스캔 마킹들을 생성하고; 스캔 마킹들의 이미지를 수신하고; 스캔 이미지에서의 스캔 마킹들의 포지션, 오차 함수, 및 스캐닝 영역에서의 미리 정의된 위치들에 기초하여 스캐너 보정치들을 결정하도록 구성된다.
본 명세서에 개시된 방법들 및 시스템들은 또한, 이미지 취득 어셈블리로부터 취득되어 저장된 기존의 기준 이미지, 및/또는 스캐닝 시스템의 캘리브레이션 전에 결정된 기존의 오차 함수를 사용할 수도 있다. 이에 따라, 본 개시내용의 양태는 적층 제조 디바이스에서 스캐닝 시스템을 캘리브레이션하기 위한 방법에 관한 것으로, 이 방법은: 오차 함수를 획득하는 단계 - 여기서 오차 함수는 기준 포지션에서의 이미지 취득 어셈블리로부터 취득되는 이미지에서의 기준 마킹의 관찰된 좌표 포지션과 기준 마킹의 트루 좌표 포지션 사이의 편차를 반영함 -; 캘리브레이션 플레이트가 스캐닝 영역에 있지 않을 때 스캐닝 영역 상의 복수의 미리 정의된 위치들에 스캔 마킹들을 적용하도록 스캐너 빔을 지향시키는 단계; 기준 포지션에서의 이미지 취득 어셈블리를 사용하여, 스캔 마킹들의 스캔 이미지를 취득하는 단계; 스캔 이미지에서의 스캔 마킹들의 포지션, 오차 함수, 및 스캐닝 영역에서의 미리 정의된 위치들에 기초하여 스캐너 보정치들을 결정하는 단계; 및 스캐너 보정치들을 사용하여 스캐닝 시스템을 캘리브레이션하는 단계를 포함한다.
적층 제조 시스템들
본 명세서에서 설명되는 실시예들은 3D 대상물들을 설계 및 제조하기 위한 시스템 내에서 실시될 수도 있다. 도 1을 참조하면, 3D 대상물 설계 및 제조의 구현에 적합한 컴퓨터 환경의 예가 도시되어 있다. 환경은 시스템(100)을 포함한다. 시스템(100)은, 예를 들어, 정보를 프로세싱하는 것이 가능한 임의의 워크스테이션, 서버, 또는 다른 컴퓨팅 디바이스일 수 있는 하나 이상의 컴퓨터들(102a 내지 102d)을 포함한다. 일부 양태들에서, 컴퓨터들(102a 내지 102d) 각각은 임의의 적합한 통신 기술(예를 들어, 인터넷 프로토콜)에 의해 네트워크(105)(예를 들어, 인터넷)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 컴퓨터들(102a 내지 102d)은 네트워크(105)를 통해 서로 간에 정보(예를 들어, 소프트웨어, 3D 대상물들의 디지털 표현들, 적층 제조 디바이스를 동작시키기 위한 커맨드들 또는 명령어들 등)를 송신 및 수신할 수도 있다.
시스템(100)은 하나 이상의 적층 제조 디바이스들 또는 장치들(예를 들어, 3D 프린터들)(106a 내지 106b)을 더 포함한다. 도시된 바와 같이, 적층 제조 디바이스(106a)는 컴퓨터(102d)에(그리고 네트워크(105)를 통해 컴퓨터들(102a 내지 102c)에 연결되는 컴퓨터(102d)를 통해) 직접 연결되고, 적층 제조 디바이스(106b)는 네트워크(105)를 통해 컴퓨터들(102a 내지 102d)에 연결된다. 이에 따라, 본 기술분야의 통상의 기술자는 적층 제조 디바이스(106)가 컴퓨터(102)에 직접 연결될 수도 있거나, 네트워크(105)를 통해 컴퓨터(102)에 연결될 수도 있거나, 그리고/또는 다른 컴퓨터(102) 및 네트워크(105)를 통해 컴퓨터(102)에 연결될 수도 있다는 것을 이해할 것이다.
시스템(100)이 네트워크 및 하나 이상의 컴퓨터들과 관련하여 설명되지만, 본 명세서에서 설명되는 기법들은 적층 제조 디바이스(106)에 직접 연결될 수도 있는 단일 컴퓨터(102)에도 또한 적용된다는 것에 주목해야 한다.
도 2는 도 1의 컴퓨터의 일 예의 기능 블록도를 예시한다. 컴퓨터(102a)는, 메모리(220), 입력 디바이스(230), 및 출력 디바이스(240)와 데이터 통신하는 프로세서(210)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 프로세서는 추가로, 임의적인 네트워크 인터페이스 카드(260)와 데이터 통신한다. 별개로 설명되었지만, 컴퓨터(102a)와 관련하여 설명된 기능 블록들은 별개의 구조적 요소들일 필요가 없다는 것이 인식되어야 한다. 예를 들어, 프로세서(210) 및 메모리(220)는 단일 칩으로 구체화될 수도 있다.
프로세서(210)는 본 명세서에서 설명되는 기능들을 수행하도록 설계된 범용 프로세서, 디지털 신호 프로세서(digital signal processor)(DSP), 주문형 집적 회로(application specific integrated circuit)(ASIC), 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이(field programmable gate array)(FPGA) 또는 다른 프로그래밍가능 로직 디바이스, 이산 게이트 또는 트랜지스터 로직, 이산 하드웨어 컴포넌트들, 또는 이들의 임의의 적합한 조합일 수 있다. 프로세서는 컴퓨팅 디바이스들의 조합, 예를 들어, DSP 및 마이크로프로세서의 조합, 복수의 마이크로프로세서들, DSP 코어와 협력하는 하나 이상의 마이크로프로세서들, 또는 임의의 다른 그러한 구성으로서 또한 구현될 수도 있다.
프로세서(210)는 하나 이상의 버스들을 통해 커플링되어 메모리(220)로부터 정보를 판독하거나 또는 메모리(220)에 정보를 기입할 수 있다. 프로세서는 부가적으로 또는 대안적으로 프로세서 레지스터들과 같은 메모리를 포함할 수도 있다. 메모리(220)는, 상이한 레벨들이 상이한 용량들 및 액세스 속도들을 갖는 멀티-레벨 계층 캐시를 포함하는 프로세서 캐시를 포함할 수 있다. 메모리(220)는 랜덤 액세스 메모리(random access memory)(RAM), 다른 휘발성 저장 디바이스들, 또는 비휘발성 저장 디바이스들을 또한 포함할 수 있다. 스토리지(storage)는 하드 드라이브들, 광학 디스크들, 예컨대 콤팩트 디스크(compact disc)(CD)들 또는 디지털 비디오 디스크(digital video disc)(DVD)들, 플래시 메모리, 플로피 디스크들, 자기 테이프, 및 Zip 드라이브들을 포함할 수 있다.
프로세서(210)는 또한, 각각이 컴퓨터(102a)의 사용자로부터 입력을 수신하는 것 그리고 컴퓨터(102a)의 사용자에게 출력을 제공하는 것을 위한 입력 디바이스(230) 및 출력 디바이스(240)에 커플링될 수도 있다.
적합한 입력 디바이스들은 키보드, 버튼들, 키들, 스위치들, 포인팅 디바이스, 마우스, 조이스틱, 리포트 컨트롤, 적외선 검출기, 바코드 판독기, 스캐너, 비디오 카메라(가능하게는, 예를 들어, 손 제스처들 또는 얼굴 제스처들을 검출하도록 비디오 프로세싱 소프트웨어와 커플링됨), 모션 검출기, 또는 마이크로폰(가능하게는, 예를 들어, 보이스 커맨드들을 검출하도록 오디오 프로세싱 소프트웨어에 커플링됨)을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 적합한 출력 디바이스들은, 디스플레이들 및 프린터들을 포함하는 시각적 출력 디바이스들, 스피커들, 헤드폰들, 이어폰들, 및 알람들을 포함하는 오디오 출력 디바이스들, 적층 제조 디바이스들, 및 햅틱 출력 디바이스들을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
프로세서(210)는 네트워크 인터페이스 카드(260)에 추가로 커플링될 수도 있다. 네트워크 인터페이스 카드(260)는 하나 이상의 데이터 송신 프로토콜들에 따른 네트워크를 통한 송신을 위해 프로세서(210)에 의해 생성되는 데이터를 준비한다. 네트워크 인터페이스 카드(260)는 하나 이상의 데이터 송신 프로토콜들에 따른 네트워크를 통해 수신되는 데이터를 또한 디코딩한다. 네트워크 인터페이스 카드(260)는 송신기, 수신기, 또는 이들 양측 모두를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 송신기 및 수신기는 2개의 별개의 컴포넌트들일 수 있다. 네트워크 인터페이스 카드(260)는 본 명세서에서 설명되는 기능들을 수행하도록 설계된 범용 프로세서, 디지털 신호 프로세서(DSP), 주문형 집적 회로(ASIC), 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이(FPGA) 또는 다른 프로그래밍가능 로직 디바이스, 이산 게이트 또는 트랜지스터 로직, 이산 하드웨어 컴포넌트들, 또는 이들의 임의의 적합한 조합으로서 구체화될 수 있다.
도 3은 3D 대상물 또는 디바이스를 제조하기 위한 프로세스(300)를 예시한다. 도시된 바와 같이, 단계 305에서, 대상물의 디지털 표현이 컴퓨터(102a)와 같은 컴퓨터를 사용하여 설계된다. 예를 들어, 2D 또는 3D 데이터가 3D 대상물의 디지털 표현을 설계하는 것을 돕기 위해 컴퓨터(102a)에 입력될 수도 있다. 단계 310에서 계속하여, 정보가 컴퓨터(102a)로부터 적층 제조 디바이스(106)와 같은 적층 제조 디바이스로 전송되고, 디바이스(106)는 수신된 정보에 따라 제조 프로세스를 시작한다. 단계 315에서, 적층 제조 디바이스(106)는 액체 수지와 같은 적합한 재료들을 사용하여 3D 대상물을 계속 제조한다.
이들 적합한 재료들은 광중합체 수지, 폴리우레탄, 메틸 메타크릴레이트-아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체, 중합체-세라믹 복합체들과 같은 재흡수성 재료들 등을 포함할 수도 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상업적으로 입수가능한 재료들의 예들은: DSM Somos로부터의 DSM Somos® 시리즈의 재료들 7100, 8100, 9100, 9420, 10100, 11100, 12110, 14120 및 15100; Stratasys로부터의 ABSplus-P430, ABSi, ABS-ESD7, ABS-M30, ABS-M30i, PC-ABS, PC ISO, PC, ULTEM 9085, PPSF 및 PPSU 재료들; 3-Systems로부터의 Accura Plastic, DuraForm, CastForm, Laserform 및 VisiJet 라인의 재료들; EOS GmbH로부터의 PA 라인의 재료들, PrimeCast 및 PrimePart 재료들 및 Alumide 및 CarbonMide이다. 3-Systems로부터의 VisiJet 라인의 재료들은 Visijet Flex, Visijet Tough, Visijet Clear, Visijet HiTemp, Visijet e-stone, Visijet Black, Visijet Jewel, Visijet FTI 등을 포함할 수도 있다. 다른 재료들의 예들은 Objet 재료들, 예컨대 Objet Fullcure, Objet Veroclear, Objet Digital Materials, Objet Duruswhite, Objet Tangoblack, Objet Tangoplus, Objet Tangoblackplus 등을 포함할 수도 있다. 재료들의 다른 예는 Renshape 5000 및 7800 시리즈로부터의 재료들을 포함할 수도 있다. 추가로, 단계 320에서, 3D 대상물이 생성된다.
도 4는 3차원(3D) 대상물을 생성하기 위한 예시적인 적층 제조 장치(400)를 예시한다. 이 예에서, 적층 제조 장치(400)는 레이저 소결 디바이스이다. 레이저 소결 디바이스(400)는 하나 이상의 3D 대상물들을 층별로 생성하는 데 사용될 수도 있다. 레이저 소결 디바이스(400)는, 예를 들어, 분말(예를 들어, 금속, 중합체 등)을 이용하여 구축 프로세스의 부분으로서 한 번에 한 층씩 대상물을 구축할 수도 있다.
연속적인 분말 층들이, 예를 들어, 재코팅 메커니즘(예를 들어, 리코터 블레이드(recoater blade), 드럼, 또는 롤러)을 사용하여 서로의 상부 상에 확산된다. 재코팅 메커니즘은, 예를 들어 도시된 방향으로, 또는 재코팅 메커니즘이, 예컨대 구축의 다른 층을 위해, 구축 영역의 다른 측으로부터 시작하고 있는 경우에는 반대 방향으로, 분말이 구축 영역을 가로질러 이동함에 따라, 층을 위해 분말을 퇴적시킨다. 퇴적 후에, 컴퓨터로 제어되는 CO2 레이저 빔이 표면을 스캐닝하고 제품의 대응하는 단면의 분말 입자들을 선택적으로 함께 바인딩시킨다. 일부 실시예들에서, 레이저 스캐닝 디바이스는 X-Y 이동가능 적외선 레이저 소스이다. 이와 같이, 레이저 소스는 그의 빔을 분말의 최상부 층의 특정 위치로 지향시키기 위해 X축을 따라 그리고 Y축을 따라 이동될 수 있다. 대안적으로, 일부 실시예들에서, 레이저 스캐닝 디바이스는, 고정식 레이저 소스로부터 레이저 빔을 수신하고 그것을 이동가능 미러들 위로 편향시켜 빔을 디바이스의 작업 영역에서의 특정된 위치로 지향시키는 레이저 스캐너를 포함할 수도 있다. 레이저 노광 동안, 분말 온도는 재료(예를 들어, 유리, 중합체, 금속) 전이점을 초과하여 상승하고, 그 전이점 후에 인접한 입자들이 함께 유동하여 3D 대상물을 생성한다. 디바이스(400)는 또한 복사 히터(radiation heater)(예를 들어, 적외선 램프) 및/또는 대기 제어 디바이스(atmosphere control device)를 임의로 포함할 수도 있다. 복사 히터는 새로운 분말 층의 재코팅과 그 층의 스캐닝 사이에서 분말을 예열하는 데 사용될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 복사 히터는 생략될 수도 있다. 대기 제어 디바이스는, 예를 들어, 분말 산화와 같은 바람직하지 않은 시나리오들을 회피하기 위해 프로세스 전반에 걸쳐 사용될 수도 있다.
제어 컴퓨터(434)는 적층 제조 장치(400)의 동작들을 제어하도록 구성될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 제어 컴퓨터는 도 2로부터의 하나 이상의 컴퓨터들(102) 또는 도 3으로부터의 컴퓨터(305)일 수도 있다. 일부 실시예들에서, 제어 컴퓨터(434)는, 적층 제조 장치(400)에 빌트인되거나 또는 적층 제조 장치(400)와 인터페이싱하도록 구성되는 제어기일 수도 있다.
본 명세서에 개시된 다양한 실시예들이 컴퓨터 제어 시스템의 사용을 제공한다. 통상의 기술자는 이들 실시예들이, 범용 및/또는 특수 목적 컴퓨팅 시스템 환경들 또는 구성들 양측 모두를 포함하는, 수많은 상이한 타입들의 컴퓨팅 디바이스들을 사용하여 구현될 수도 있다는 것을 쉽게 인식할 것이다.
상기에 제시된 실시예들과 관련하여 사용에 적합할 수도 있는 잘 알려진 컴퓨팅 시스템들, 환경들, 및/또는 구성들의 예들은 퍼스널 컴퓨터들, 서버 컴퓨터들, 핸드헬드 또는 랩톱 디바이스들, 멀티프로세서 시스템들, 마이크로프로세서 기반 시스템들, 프로그래밍가능 가전 제품들, 네트워크 PC들, 미니컴퓨터들, 메인프레임 컴퓨터들, 상기 시스템들 또는 디바이스들 중 임의의 것을 포함하는 분산 컴퓨팅 환경들, 및 이와 유사한 것을 포함할 수도 있지만, 이에 제한되지 않는다. 이들 디바이스들은 저장된 명령어들을 포함할 수도 있는데, 이 명령어들은, 컴퓨팅 디바이스에서의 마이크로프로세서에 의해 실행될 때, 컴퓨터 디바이스로 하여금 명령어들을 수행하기 위한 특정된 액션들을 수행하게 한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 명령어들은, 시스템에서 정보를 프로세싱하기 위한 컴퓨터 구현 단계들을 지칭한다. 명령어들은 소프트웨어, 펌웨어 또는 하드웨어로 구현될 수 있으며 시스템의 컴포넌트들에 의해 수행되는 임의의 타입의 프로그래밍된 단계를 포함할 수 있다.
마이크로프로세서는 Pentium® 프로세서, Pentium® Pro 프로세서, 8051 프로세서, MIPS® 프로세서, Power PC® 프로세서, 또는 Alpha® 프로세서와 같은 임의의 종래의 범용 단일- 또는 멀티-칩 마이크로프로세서일 수도 있다. 부가적으로, 마이크로프로세서는 디지털 신호 프로세서 또는 그래픽 프로세서와 같은 임의의 종래의 특수 목적 마이크로프로세서일 수도 있다. 마이크로프로세서는 전형적으로 종래의 어드레스 라인들, 종래의 데이터 라인들, 및 하나 이상의 종래의 제어 라인들을 갖는다.
본 명세서에 개시된 양태들 및 실시예들은 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 또는 이들의 임의의 조합을 생성하기 위한 표준 프로그래밍 또는 엔지니어링 기법들을 사용하여 방법, 장치 또는 제조 물품(article of manufacture)으로서 구현될 수도 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 용어 "제조 물품"은, 광학 저장 디바이스들, 및 휘발성 또는 비휘발성 메모리 디바이스들과 같은 하드웨어 또는 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체들, 또는 신호들, 반송파들 등과 같은 일시적 컴퓨터 판독가능 매체들로 구현되는 코드 또는 로직을 지칭한다. 그러한 하드웨어는 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이(FPGA)들, 주문형 집적 회로(ASIC)들, 복합 프로그래밍가능 로직 디바이스(complex programmable logic device)(CPLD)들, 프로그래밍가능 로직 어레이(programmable logic array)(PLA)들, 마이크로프로세서들, 또는 다른 유사한 프로세싱 디바이스들을 포함할 수도 있지만, 이에 제한되지 않는다.
제어 컴퓨터(434)는 레이저 스캐닝 디바이스(444)에 연결될 수도 있다. 레이저 스캐닝 디바이스는, 레이저 소스로부터 수신된 레이저 빔을 구축 영역 내로 지향시킬 수 있는 이동가능 미러들을 포함할 수도 있다. 레이저 소스는 또한 이동가능 레이저 소스일 수도 있고, 그것은 또한, 스테레오리소그래피 디바이스(400)에 제공되는 레이저 스캐너일 수도 있다. 제어 컴퓨터(434)는, 레이저 스캐닝 시스템(444)의 이동 및 기능성을 제어하는 소프트웨어를 더 포함할 수도 있다. 이와 같이, 제어 컴퓨터(434)는 레이저 스캐닝 디바이스의 모멘트 및 활성화를 제어하도록 구성될 수도 있다.
제어 컴퓨터(434)는 이미지 취득 어셈블리(436)와 인터페이싱하도록, 예컨대 이미지 취득 어셈블리(436)로부터 데이터/이미지들을 수신하도록 추가로 구성될 수도 있다. 제어 컴퓨터(434)는 본 명세서에서 설명되는 바와 같이 오차들이 구축 프로세스에 있는지 또는 발생할 것인지를 결정하기 위해 데이터/이미지들을 프로세싱하도록 추가로 구성될 수도 있다. 제어 컴퓨터(434)는 이미지 취득 어셈블리(436)가 이미지들을 캡처하는 시기 및 방법을 제어하도록 추가로 구성될 수도 있다.
이미지 취득 어셈블리(436)는 적층 제조 장치(400)에 부착되거나, 이와 통합되거나, 그리고/또는 이로부터 분리된 채로 놓여 있고 구축 영역(450) 및/또는 구축 표면을 모니터링하기 위한 그러한 포지션에 배치되도록 구성될 수도 있다. 추가로, 이미지 취득 어셈블리(436)는 상이한 각도들로부터 구축 영역(450)을 모니터링하기 위해 (예컨대, 제어 컴퓨터(434)로부터 수신되는 제어 신호들에 기초하여) 이동가능하도록, 또는 고정되도록 구성될 수도 있다.
이미지 취득 어셈블리(436)는 캘리브레이션 플레이트(448) 또는 구축 표면의 이미지들을 취득하도록 구성될 수도 있다. 더 구체적으로, 이미지 취득 어셈블리(436)는 스캐닝 시스템(444)에 의해 캘리브레이션 플레이트(448) 또는 구축 표면 상에서 이루어지는 레이저 스폿들 및/또는 다른 마킹들의 이미지들을 취득하도록 구성될 수도 있다.
이미지 취득 어셈블리(436)는 카메라, 예를 들어, 광학 카메라를 포함할 수도 있다. 카메라는, 스캐닝 디바이스를 캘리브레이션하기에 충분히 상세히 캘리브레이션 플레이트(448) 또는 구축 표면 상의 스폿들 및 다른 마킹들을 캡처하기에 충분한 해상도를 갖는 상용 기성품(commercial off-the-shelf)("COTS") 디지털 카메라일 수도 있다. 일부 실시예들에서, 이미지 취득 어셈블리(436)는 광학 카메라, 열 이미징 디바이스, IR 카메라, 자외선(UV) 카메라, 또는 다른 신호들을 시각적 신호들로 전환하는 센서로부터 선택된다.
이미지 취득 어셈블리(436)는, 캘리브레이션 플레이트의 표면으로부터 반사되는 스폿들을 캡처하도록 구성되는 특수 목적 카메라 또는 이미징 디바이스의 형태를 취할 수도 있다. 캘리브레이션 플레이트 상의 스폿들을 캡처하기 위해, 이미지 취득 어셈블리(436)가 스캐닝 시스템(444)에서의 스캐너에 의해 생성되는 스폿 근처의 영역을 가리키도록 이미지 취득 어셈블리(436)를 포지셔닝할 필요가 있을 수도 있다. 이에 따라, 이미지 취득 어셈블리(436)는 또한 마운트를 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 마운트는 틸트-팬 마운트(tilt-pan mount)일 수도 있는데, 이는 캘리브레이션 플레이트(448) 상의 다양한 위치들에서 이미지들을 캡처하기에 충분한 모션 범위를 제공한다. 마운트는 모터에 의해 구동될 수도 있다. 모터는 이미지 취득 어셈블리(436)의 이동을 위한 명령어들을 제공하는 제어 신호들을 제어 컴퓨터(434)로부터 수신하도록 구성될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 틸트-팬 모션 범위를 갖는 것에 부가적으로, 이미지 취득 어셈블리(436)는, 통상적으로 지브(jib)로 지칭되는, 크레인의 돌출 암(projecting arm) 상에 추가로 장착될 수도 있다. 지브는 캘리브레이션 플레이트(448) 또는 구축 표면 상의 스폿들 및/또는 마킹들의 이미지들을 보다 양호하게 취득하기 위해 이미지 취득 어셈블리(436)가 틸팅 및 패닝되게 할 뿐만 아니라 그의 위치를 물리적으로 이동하게 함으로써 추가의 모션 범위를 제공할 수도 있다.
이미지 취득 시스템의 캘리브레이션
모든 이미지 취득 어셈블리들은, 라인들의 형상들을 변형시키는 렌즈 오차들로부터 발생되는 광학적 왜곡으로 인한 그리고/또는 캘리브레이션 플레이트 또는 구축 표면과 관련하여 이미지 취득 어셈블리의 포지션으로부터 발생되는 원근 왜곡으로 인한 고유 왜곡을 갖는다. 예를 들어, 적층 제조 디바이스에서의 카메라는 모든 기준 마킹들 위에 일직선의 수직선으로 포지셔닝되지 않을 수도 있다. 그 대신에, 이미지에서 타원체로 보이는 원형 스폿들과 같이, 일부 기준 마킹들이 왜곡되어 보일 수도 있다. 추가로, 일부 기준 마킹들은 다른 기준 마킹들보다 카메라에 더 가깝게 보일 수도 있다. 따라서, 이미지에서의 하나 이상의 대상물들은, 실생활에서의 대상물들의 진짜 사이즈, 형상, 또는 포지션에 대응하지 않는 이미지에서의 보이는(또한 "관찰된" 또는 "검출된") 특성들을 가질 수도 있다. 본 명세서에 개시된 방법들 및 시스템들은 이 왜곡을 고려하도록 설계된다.
일부 실시예들에서, 제어 컴퓨터(434)와 같은 컴퓨터 제어 시스템은 기준 마킹들이 디지털 이미지에서 보일 때 기준 마킹들에 대한 x 및 y 좌표들(또한 "포지션 좌표들")과 같은 포지션 정보를 획득하고, 이들 관찰된 좌표 포지션들을 기준 마킹들의 트루 좌표들과 비교하도록 구성된다. 관찰된 좌표와 트루 좌표 사이의 차이들에 기초하여, 컴퓨터 제어 시스템은 이미지 취득 어셈블리(436)와 같은 이미지 취득 어셈블리로부터 발생되는 왜곡들에 대한 오차 함수를 컴퓨팅할 수도 있다. 오차 함수는 컴퓨터 제어 시스템에 또는 네트워크 상에 저장될 수도 있고, 왜곡들을 보정하고 동일한 이미지 취득 어셈블리에 의해 취득되는 임의의 다른 이미지들에서의 피처들에 대한 트루 좌표 포지션들을 결정하는 데 사용될 수도 있다.
제어 컴퓨터(434)는 이미지 취득 어셈블리(436)로부터 취득되는 기준 이미지로 프로세스를 시작할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 기준 이미지는, 기준 마킹들, 예를 들어, 캘리브레이션 플레이트(448)와 같은 캘리브레이션 플레이트의 제1 표면 상에 있을 수도 있는 기준 마킹들의 디지털 이미지이다. 기준 이미지는 기준 포지션에 위치되는 이미지 취득 어셈블리(436)를 사용하여 취득될 수도 있다. 기준 포지션은, 적층 제조 장치(400)와 같은 적층 제조 디바이스에서의 또는 그 주위의 고정된 포지션일 수도 있다. 구축 표면에 대해 고정되는 이 기준 포지션으로부터, 이미지 취득 어셈블리(436)는 이동되지 않을 수도 있다. 이미지 취득 어셈블리(436)가 구축 표면과 관련하여 재포지셔닝되는 경우, 새로운 기준 이미지가 취득되어야 한다. 그러나, 스캐닝 시스템(444)과 같은 스캐닝 시스템의 컴포넌트들과는 대조적으로, 특히 어셈블리가 적층 제조 디바이스(400)에 빌트인되는 경우, 이미지 취득 어셈블리(436)는 드물게 재포지셔닝된다. 따라서, 기준 포지션에서의 이미지 취득 어셈블리(436)는 모든 후속 이미지들이 획득될 수도 있게 하는 단일 기준 뷰를 제공할 수도 있다.
캘리브레이션 플레이트(448) 상에서, 각각의 기준 마킹은, 알려진, 미리 정의된 세트의 x 및 y 포지션 좌표들에서의 알려진 포지션을 가질 수도 있다. 예시적인 기준 마킹들은 스폿들과 같은 순서화된 패턴의 대상물들을 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 순서화된 패턴은 그리드 패턴이다. 예를 들어, 기준 마킹들은 그리드 패턴에서의 십자들, x들, 라인들, 또는 스폿들의 패턴일 수도 있다. 스폿들은 균일하지 않은 어레이로 구성될 수도 있다. 스폿은, 예를 들어, 원, 정사각형, 타원 등과 같은 임의의 기하학적 형상을 가질 수도 있고, 기준 포지션은 그 형상으로부터 도출될 수도 있다. 일반적으로, 기하학적 함수가 알려져 있거나 또는 계산될 수 있는 임의의 형상이 기준 마킹으로서 사용될 수도 있다. 예를 들어, 기준 마킹은, 원주 내의 중력 중심이 알려져 있거나 또는 계산될 수 있는 형상일 수도 있다. 기준 마킹들은 중공 원(hollow circle), 또는 다른 폐쇄 루프 형상들과 같은 형상들의 외곽선들을 포함할 수도 있다. 기준 마킹들은 볼록한 표면들 및/또는 폐쇄된 윤곽들을 포함할 수도 있다. 기준 마킹들은, 포지션의 근사치를 생성하기에 충분한 수의 포인트들을 포함할 수도 있다.
특정 실시예들에서, 각각의 스폿은, 원, 즉, 경계(원주)가 고정된 포인트와 등거리인 포인트들로 이루어지는 둥근 평면 도형일 수도 있다. 원들은 다른 기하학적 형상들보다 더 높은 해상도를 가질 수도 있는데, 이는 참된 포지션 좌표들이 다른 형상들의 이미지들에서보다 이미징된 원에서 더 쉽게 결정될 수도 있기 때문이다. 이미징된 원이 왜곡으로 인해 타원체로 보이는 경우라도, 이미징된 원의 에지들은 여전히 기준 원의 에지들과 매칭될 수도 있고, 이미징된 원의 중심 포인트는 여전히 이들 에지들에 대해 정의될 수도 있다.
일부 실시예들에서, 캘리브레이션 플레이트(448) 상의 패턴에서의 스폿들은 모두 사이즈 및 형상이 균일하다. 특정 실시예들에서, 스폿들은 사이즈 및/또는 형상이 불균일하다. 그리드 패턴은 (n 1 x n 2 그리드를 형성하기 위해) 제1 방향으로 적어도 n 1 개의 스폿들을 그리고 제2 방향으로 n 2 개의 스폿들을 포함할 수도 있고, 여기서 n 1 및 n 2 는 동일한 수일 수도 있거나 또는 상이한 수들일 수도 있다. 일부 실시예들에서, 그리드 패턴은 적어도 3 x 3개의 스폿들을 포함한다. 그리드 패턴의 사이즈는 적층 제조 디바이스(400)에서의 캘리브레이션 플레이트(448) 또는 구축 표면의 사이즈에 의존할 수도 있다. 일반적으로, 그리드 패턴은, 측정하기에 충분한 데이터 포인트들을 제공하기에 충분한 수의 스폿들을 포함할 수도 있는 한편, 각각의 스폿은, 검출하기에 충분한 수의 픽셀들을 갖는 표면적을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 그리드 패턴은 적어도 3 x 3개의 스폿들을 가질 수도 있고, 각각의 스폿의 표면적은 적어도 20개의 픽셀들을 포함할 수도 있다.
일부 실시예들에서, 기준 마킹들은 사이즈, 형상, 및 분포 중 적어도 하나가 불균일하다. 예를 들어, 기준 마킹들은 캘리브레이션 플레이트 상에 랜덤하게 배치될 수도 있거나, 또는 인지가능한 패턴을 형성할 수도 있다. 패턴은 비대칭일 수도 있거나, 또는 캘리브레이션 플레이트 상에 균일하게 분포되지 않은 개별 마킹들을 포함할 수도 있다. 일반적으로, 각각의 기준 마킹의 정확한 알려진 위치는 알려져 있을 수도 있지만, 서로에 대한 기준 마킹들의 구성은 균일 또는 불균일하거나, 패터닝되거나 또는 패터닝되지 않을 수도 있다.
캘리브레이션 플레이트(448)의 제1 표면 상에 기준 마킹들이 정확하게 프린팅 또는 에칭될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 캘리브레이션 플레이트(448)는 강성 플레이트, 필름, 또는 종이이다. 특정 실시예들에서, 캘리브레이션 플레이트(448)는, 부분이 구축되게 하는 원료의 표면과 같은 캘리브레이션 표면일 수도 있다. 래스터 스캔들과 같은 기준 마킹들은 구축 표면 상에 투영되어 이미징될 수도 있다. 기준 마킹들과 캘리브레이션 플레이트(448) 사이의 콘트라스트(contrast)가 이미지 취득 디바이스(436)에 의해 검출될 수도 있거나, 또는 이미지 취득 디바이스(436)에 의해 취득되는 이미지들에서 검출가능할 수도 있다. 밀링된(milled) 플레이트들 또는 잉크 프린팅된 플레이트들이 사용될 수도 있다. 특정 양태들에서, 기준 마킹들의 의도된 포지션 및 실제 포지션이 가깝도록, 기준 마킹들의 정확한 배치가 중요하다. 특정 양태들에서, 공차(tolerance)들은 최대 ±500㎛의 범위 내에 있어야 하고, ±50㎛, ±10㎛, ±5㎛, 또는 ±1㎛와 같은, ±100㎛ 이하의 범위 내의 공차들도 또한 사용될 수도 있다.
캘리브레이션 플레이트(448)는, 그 위에 떨어지는 광의 파장을 변화시키는 재료를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 재료는 하나의 파장에서 하나 이상의 광자들을 흡수하고 상이한 파장에서 하나 이상의 광자들을 방출할 수도 있다. 이러한 방식으로, UV 또는 적외선(IR) 방사선은 상이한 스펙트럼에서의 광으로 컨버팅될 수도 있거나, 또는 더 높거나 더 낮은 파장들로의 많은 다른 컨버전들이 사용될 수도 있다. 가시 광은 가시 스펙트럼에 민감한 카메라에 의해 검출될 수도 있거나, 또는 IR 방사선은 IR 카메라에 의해 검출될 수도 있다. 캘리브레이션 플레이트에 사용되는 예시적인 재료들은 세라믹들, 잉크들, 인광체(phosphor)들, 형광 재료들일 수도 있고, 유기물 또는 무기물일 수도 있다. 일부 실시예들에서, 광의 파장을 컨버팅하는 재료들은 캘리브레이션 플레이트, 종이, 필름, 또는 다른 기판 상에 존재할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 전자 빔들이 사용되는 경우, 캘리브레이션 플레이트에서의 재료에 대한 전자들의 영향들이 검출될 수도 있는데, 예를 들어, 전자 빔이 캘리브레이션 플레이트, 종이, 필름 등의 재료와 접촉하는 경우 열 또는 광이 방출될 수도 있다.
일부 실시예들에서, 캘리브레이션 플레이트(448)가 평평한 표면을 가질 수도 있다. 특정 실시예들에서, 캘리브레이션 플레이트(448)는, 구축될 대상물들과 동일한 형상인 표면을 가질 수도 있다. 예를 들어, 스캐너 빔을 만곡된 표면 상으로 지향시키는 스캐닝 시스템(444)에 의해 만곡된 대상물이 구축될 때, 그러면 캘리브레이션 플레이트(448)는 만곡된 표면을 가질 수도 있다.
일반적으로, 캘리브레이션 플레이트(448)는 대상물이 구축될 때 스캐너 빔이 지향될 정밀하게 동일한 공간 위치 또는 포지션으로 적층 제조 디바이스(400)에 배치될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 캘리브레이션 플레이트(448)는 스캐닝 시스템(444)의 스캐닝 영역에 평행하여 포지셔닝될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 기준 마킹들은 구축 표면(또한 "구축 평면"), 즉, 스캐너 빔에 노광되었거나 또는 노광될 분말 또는 수지 또는 다른 구축 재료의 표면과 동일한 xy 평면에 있을 수도 있다. 이에 따라, 캘리브레이션 플레이트(448)는 구축 표면과 동일한 xy 평면에 포지셔닝되어, 캘리브레이션 플레이트의 제1 표면 상의 기준 마킹들이 또한 이 평면에 포지셔닝된다는 것을 보장할 수도 있다. 특정 실시예들에서, 기준 마킹들은 구축 표면과 평행하지만 구축 표면과 동일한 xy 평면에 포지셔닝되지 않을 수도 있다.
제어 컴퓨터(434)는 기준 이미지뿐만 아니라 기준 이미지에서의 왜곡들의 보정과 관련된 파라미터들 및/또는 함수들을 취득 및/또는 저장하도록 구성될 수도 있다. 보정과 관련된 데이터 또는 함수들은 메타데이터로서 저장될 수도 있다. 기준 이미지를 취득하는 것은, 캘리브레이션 플레이트(448) 상의 기준 마킹들의 디지털 이미지를 취득하는 것을 포함할 수도 있다. 제어 컴퓨터(434)는, 기준 이미지에서 관심 구역을 선택하는 단계; 관심 구역에서 피처들을 검출하는 단계 - 여기서 피처들은 기준 이미지에서의 기준 마킹들의 선택을 포함함 -; 및 구역에서의 피처들의 포지션들에 대한 오차 함수를 획득하는 단계와 같은, 이미지 프로세싱 단계들을 사용하여 기준 이미지를 프로세싱하도록 구성될 수도 있다.
제어 컴퓨터(434)는 기준 이미지를 취득하도록 이미지 취득 어셈블리(436)에게 지시할 수도 있다. 제어 컴퓨터(434)는 기준 이미지를 복수의 픽셀들로 이산화(discretize)할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 이미지 취득 어셈블리(436)는 기준 이미지들의 시리즈를 취득하도록 지시받고 제어 컴퓨터(434)는 그 시리즈로부터 피처들의 평균 표현을 생성한다. 이미지들의 시리즈로부터의 피처들을 평균하면 단일 이미지들에서 발생하는 랜덤 노이즈를 감소시킬 수도 있다.
일부 실시예들에서, 제어 컴퓨터(434)는 이미지 프로세싱 단계들을 사용하여 기준 이미지들을 프로세싱하도록 구성된다. 이미지 프로세싱은, 피처들을 검출하는 것, 피처들의 중심 좌표들을 계산하는 것, 및 피처들의 포지션을 결정하는 것을 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 관심 구역(region of interest)(ROI)이, 예를 들어, ROI를 인지하도록 구성되는 제어 컴퓨터(434)에 의해 또는 사용자에 의해 기준 이미지에서 선택될 수도 있다. ROI는 전체 기준 이미지를 포함할 수도 있거나, 또는 기준 이미지의 서브세트를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 기준 이미지는, 전체 캘리브레이션 플레이트(448) 플러스(plus) 캘리브레이션 플레이트(448) 외측의 부가적인 표면적을 포함할 수도 있다. 이 경우에, ROI는 단지 캘리브레이션 플레이트(448)만을 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 이미지는, 기준 마킹들을 배향시키는 것을 돕기 위해 부가된 부가적인 마킹들을 가질 수도 있다. 제어 컴퓨터(434)는, 예를 들어, 기준 마킹들을 포함하는 피처들만을 단지 검출함으로써, 이들 부가적인 마킹들을 원래의 기준 마킹들과 구별하도록 구성될 수도 있다. 제어 컴퓨터(434)는 ROI 내의 피처들을 검출하도록 구성될 수도 있다. 피처는 원형 스폿, 또는 그 일 부분과 같은 기준 마킹일 수도 있다. 제어 컴퓨터(434)는, 피처들을, 디지털 이미지에서 보이는 노이즈 또는 비특정 픽셀들과 구별하도록 구성될 수도 있다.
예시적인 방법에서, 제어 컴퓨터(434)는 ROI에서의 픽셀들에 대해 바이너리 마스크(binary mask)를 생성함으로써 피처들을 검출한다. 바이너리 마스크는 픽셀 세기의 임계치에 기초할 수도 있어서, 주어진 임계치 미만의 모든 픽셀들이 0으로 표현되는 한편, 주어진 임계치 이상의 모든 픽셀들은 1로 표현된다. 제어 컴퓨터(434)는 1로 지정된 픽셀들의 영역들, 예를 들어, 1로 지정된 최소 수의 픽셀들이 위치된 영역들을 격리시키기 위해 필터링 방법들을 사용할 수도 있다. 필터링 방법들은 기준 마킹들의 픽셀 분포의 불균일한 조명 또는 다른 불규칙성들을 고려하도록 구성될 수도 있다. 부가적으로, 바이너리 클러스터들이 검출된 후에, 다른 필터링 방법들이 사용되어, 예를 들어, 영역, 원형도(circularity), 원주, 기하학적 형상, 그리고 그 이상의 것에 기초하여 픽셀들의 바이너리 클러스터들을 선택할 수도 있다.
검출된 피처들의 필터링된 바이너리 표현을 획득한 후에, 제어 컴퓨터(434)는 피처의 중심의 좌표 포지션들(또한 "중심 좌표들")을 결정하도록 구성될 수도 있다. 도 8은 원형 스폿의 중심 좌표들이 검출되게 하는 예시적인 방법의 단계들을 예시한다. ROI(800)에서, 중공 구체의 형상을 갖는 피처들(801)이 검출될 수도 있다. 컴퓨터 제어 시스템은 구체의 원시 그레이스케일 이미지(802)로부터 시작하고 바이너리 마스크를 사용하여 구체의 바이너리 이미지(803)를 생성할 수도 있다. 컴퓨터 제어 시스템은 비정밀 중심 추정치(rough center estimation)(십자 기호 804로 표현됨)를 설정할 수도 있다. 그레이스케일 이미지에서, 컴퓨터 제어 시스템은 비정밀 중심 추정치(804)로부터 외향으로 방사되는 라인들, 또는 스포크(spoke)들(805)을 생성한다. 이들 라인들을 따르는 픽셀 세기는 그래프 상에 투영될 수도 있고(즉, 단일 스포크 세기 프로파일(805)), 그래프 상의 포인트들에 곡선이 피팅될 수도 있다(807). 컴퓨터 제어 시스템은 한 포지션(단일 스포크 세기 프로파일(805)에서의 서브픽셀의 정확한 포지션(808))에서 그래프(807)에서의 세기의 피크를 검출할 수도 있다. 컴퓨터 제어 시스템은, 피크 세기가 관찰된 서브픽셀의 정확한 포지션(808) 및 스포크들의 각도들을 표현하는, 폴라 플롯(polar plot)에서의 각각의 피크를 플롯할 수도 있다. 폴라 플롯에 원이 피팅될 수도 있다(원 피트(circle fit)(809)). 제어 컴퓨터(434)는 원 피트(809)에서 새로운 중심, 즉, 원의 중심의 서브픽셀의 정확한 추정치(810)를 검출할 수도 있다. 특정 실시예들에서, 기준 마킹은 실선 구체이고, 유사한 방법을 사용하여 중심 좌표들이 검출될 수도 있고, 여기서 단일 스포크 세기 프로파일은, 예를 들어 흑색 원과 백색 배경 사이의, 또는 그 반대의 경우의 콘트라스트의 급격한 변화로 인해, 원의 에지에 대응하는 포지션에서의 픽셀 세기의 급격한 변화를 나타낼 수도 있다.
제어 컴퓨터(434)는 검출된 피처들의 포지션 좌표들을 기준 그리드 상에 매핑시키고 오차 함수를 도출하기 위해 표면 피팅 방법을 사용할 수도 있다. 기준 그리드는, 기준 마킹들의 트루 좌표 포지션들, 예를 들어, 디지털 이미지를 생성하는 데 사용되는 캘리브레이션 플레이트(448) 상의 기준 마킹들의 트루 좌표 포지션들을 포함할 수도 있다. 사용자는 기준 그리드를 제어 컴퓨터(434)에 입력할 수도 있거나, 또는 제어 컴퓨터(434)는 메모리에 또는 네트워크를 통해 저장되는 기준 그리드에의 액세스를 가질 수도 있다. 일부 실시예들에서, 제어 컴퓨터(434)는 검출된 피처들의 중심 좌표들을 기준 그리드 상에 맵핑시키도록 구성되어, 검출된 피처들의 중심 좌표들이 기준 그리드 상의 트루 좌표들과 비교될 수도 있다. 제어 컴퓨터(434)는 전체 ROI에서의 모든 포인트들에 대한 x 및 y 포지션에서의 편차의 표면 피팅을 포함하는 편차 맵을 컴퓨팅할 수도 있다.
도 5b는 관심 구역에서의 각각의 좌표 포지션에 대해 편차가 플롯된 예시적인 표면 피팅(505)을 예시한다. 제1 표면 플롯(506)이 각각의 좌표 포지션에서의 x 방향의 편차를 나타낸다. 제2 표면 플롯(507)이 각각의 좌표 포지션에서의 y 방향의 편차를 나타낸다. 특히, 플롯이 관심 구역 전체를 커버할 수도 있는데, 이는 제어 컴퓨터(434)가 피처들에 대한 편차 값들을 컴퓨팅하고 내삽법(interpolation method)들을 수행하여 피처들 사이의 포지션들에 대한 편차 값들을 도출하기 때문이다.
일부 실시예들에서, 제어 컴퓨터(434)는 기준 이미지에서 임의의 주어진 좌표 포지션에서의 편차를 표시하는 오차 함수를 컴퓨팅할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 오차 함수는 이미지에서의 관찰된 포지션 좌표들과 참된 포지션 좌표들 사이의 편차를 모델링할 수도 있다. 오차 함수는 포지션 좌표들에서의 편차의 표현일 수도 있다. 오차 함수는 포지션 좌표들에서의 편차를 근사하는 수학적 모델일 수도 있다. 제어 컴퓨터(434)는 기준 이미지와 함께 편차 데이터 및/또는 오차 함수를 저장할 수도 있는데, 예를 들어, 기준 이미지는 편차 데이터의 메타데이터 표현과 함께 저장될 수도 있다. 데이터는 좌표 테이블에 저장될 수도 있다. 좌표 테이블은 기준 이미지에서의 임의의 포지션 좌표들에서의 예상된 또는 가능성있는 편차를 표시할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 좌표 테이블은, 측정된 편차 값들뿐만 아니라 내삽에 의해 컴퓨팅된 추정된 편차 값들을 포함할 수도 있다. 이에 따라, 이미지 취득 어셈블리(436)에 의해 후속하여 획득된 임의의 디지털 이미지의 경우, 제어 컴퓨터(434)는 디지털 이미지에서의 피처의 좌표 포지션의 편차를 결정할 수도 있다.
일부 실시예들에서, 제어 컴퓨터(434)는 표면 피트를 컴퓨팅함으로써 오차 함수를 결정할 수도 있고, 여기서 참된 포지션 좌표들로부터의 편차들은 ROI에서의 피처들의 각각의 픽셀에 대해 결정될 수도 있다. 제어 컴퓨터(434)는 ROI에서의 좌표들과 알려진 미리 정의된 좌표들 사이의 차이들을 모델링하기 위해 표면 피트로부터 오차 함수를 컴퓨팅한다. 일부 실시예들에서, 오차 함수들은 실제 및 관찰된 포지션들의 비교들 및/또는 상관들로부터 도출될 수도 있다. 일반적으로, 오차 함수는 관찰된 필드(field)와 실제 필드에서의 데이터 사이의 수학적 관계를 설명한다. 값들은 룩업 테이블에 저장될 수도 있다. 값들은 내삽 기법들에 사용되어, 측정된 또는 관찰된 값들 사이에 있는 중간 값들을 결정할 수도 있다. 예시적인 내삽 기법들은 라이너 또는 쌍선형(bilinear) 내삽 및 바이큐빅(bicubic) 내삽을 포함한다.
도 5a는 제어 컴퓨터(434)와 같은 컴퓨터 제어 시스템이 디지털 이미지를 취득하게 하고 오차 함수를 컴퓨팅하게 할 수도 있는 예시적인 프로세스(500)를 예시한다. 먼저, 제1 표면 상에 복수의 기준 마킹들을 갖는 캘리브레이션 플레이트(501)가 획득될 수도 있다. 이 예에서 기준 마킹들은 원형 스폿들이다. 캘리브레이션 플레이트는 구축 표면과 동일한 xy 공간(즉, 동일한 xy 평면)에서의 적층 제조 디바이스에 배치될 수도 있다(510). 기준 포지션에 고정적으로 포지셔닝될 수도 있는 이미지 취득 어셈블리(503)를 사용하여, 캘리브레이션 플레이트 상의 기준 마킹들의 디지털 이미지(502)가 취득된다(520). 디지털 이미지(502)에서, 왜곡이 가시적이다. 단계 530에서, 관심 구역이 디지털 이미지에서 선택될 수도 있다. 단계 540에서, 컴퓨터 제어 시스템은 관심 구역에서 피처들을 식별할 수도 있고, 이들 피처들의 좌표들 및 포지션들이 컴퓨팅될 수도 있다. 단계 550에서, 컴퓨터 제어 시스템은 기준 그리드에서의 미리 정의된 위치들과 비교되는 디지털 이미지에서의 좌표 포지션들 사이의 차이들에 기초하여 오차 함수를 획득한다. 기준 이미지(502)에서의 좌표 포지션의 예시적인 변환이 도 5c에 예시되어 있고, 여기서 오차 함수는 디지털 이미지에서 관찰된 편차를 보정하고 기준 마킹들에 대한 트루 좌표 포지션들을 컴퓨팅하는 데 사용될 수도 있다.
일단 특정 이미지 취득 어셈블리로부터의 이미지들에 대응하는 오차 함수가 결정되었다면, 오차 함수는 동일한 이미지 취득 어셈블리에 의해 후속하여 획득되는 임의의 디지털 이미지에 적용될 수도 있다. 오차 함수는 이미지에서의 검출된 좌표 포지션을 참된 포지션 좌표들로 변환하는 데 사용될 수도 있다.
스캐닝 시스템의 캘리브레이션
본 명세서에서 설명되는 방법들 및 시스템들은, 레이저 스캐닝 시스템들을 포함하지만 이에 제한되지 않는, 스캐닝 시스템(444)과 같은 임의의 스캐닝 시스템 또는 스캐닝 에너지 소스의 캘리브레이션에 적합하다. 전자 빔 용융에서 전자 빔들을 지향시키기 위한 시스템들뿐만 아니라, 모터 구동 메커니즘들을 사용하여 광, 열, 화학물들, 또는 에너지가 투영, 분사, 또는 지향되는 임의의 시스템이 또한 본 개시내용에 따라 캘리브레이션될 수도 있다. 이들 시스템들 중 임의의 것은 스캐닝의 의도된 또는 미리 정의된 위치와 실제 위치 사이의 차이들을 야기시키는 오차들의 영향을 받는다. 그러한 오차들은 스캐닝 시스템에서의 컴포넌트들의 오정렬, 스텝 모터들 또는 검류계 모터들과 같은 이동 모터들의 딜레이들, 옵틱들로부터의 왜곡, 기계적 비효율성들, 온도 유발 변화들, 그리고 그 이상의 것으로부터 발생될 수도 있다. 일반적으로, 오차들은 개별 스캐닝 시스템에 고유하고, 임의의 주어진 시점에서 스캐닝 시스템에서의 컴포넌트들의 구성 또는 정렬에 또한 특정적이다.
본 개시내용은, 실제 스캔 포지션들과 예상된 스캔 포지션들 사이의 오차들을 측정하는 단계, 스캐너 보정치들을 결정하는 단계, 스캐닝을 위한 방향들을 설정할 때 스캐너 보정치들을 고려하는 단계를 포함하는, 스캐닝 시스템을 캘리브레이션하기 위한 방법들 및 시스템들에 관한 것이다. 방법들 및 시스템들은 스캐너 보정치들을 획득하기 위해 단지 스캔 이미지 및 오차 함수만을 사용할 수도 있는데, 이는 스캔 이미지들이 예를 들어 구축 전에, 구축 동안, 또는 구축 후에 획득되는 빠르고 효율적인 캘리브레이션이 언제든지 수행될 수도 있는 것을 가능하게 한다.
도 6은 제어 컴퓨터(434)와 같은 컴퓨터 제어 시스템에 의해 수행되는 예시적인 캘리브레이션 방법을 예시한다. 본 개시내용의 일부 실시예들에서, 컴퓨터 제어 시스템은 방법을 사용하여 스캐닝 시스템(444)과 같은 스캐닝 시스템을 캘리브레이션하는데, 이 방법은, 구축 표면과 같은 스캐닝 영역 상의 복수의 미리 정의된 위치들에서의 스캔 마킹들로 스캐닝 시스템으로부터의 스캐너 빔을 지향시키는 단계(600); 이미지 취득 어셈블리(436)와 같은 이미지 취득 어셈블리를 사용하여, 기준 포지션에서, 스캔 마킹들의 스캔 이미지를 취득하는 단계(610); 스캔 이미지에서의 스캔 마킹들의 관찰된 포지션 좌표들을 결정하고 이미지 취득 어셈블리에 의해 취득된 임의의 이미지들에 대해 컴퓨팅되는 오차 함수를 적용하는 단계(630); 스캔 마킹들의 트루 좌표 포지션들을 미리 정의된 좌표 포지션들과 비교함으로써 스캐너 보정치들을 획득하는 단계(640); 및 스캐너 보정치들을 사용하여 스캐닝 시스템을 보정하는 단계(650)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 이 방법은, 스캐너 보정치들을 사용하는 스캐닝의 반복 사이클들(660)을 더 포함한다.
스캔 이미지는, 오차 함수를 결정하는 데 사용된 것과 동일한 기준 포지션에 위치되는 동일한 이미지 취득 어셈블리에 의해 획득되는, 스캔 마킹들의 디지털 이미지일 수도 있다. 부가적으로, 스캐닝 시스템을 캘리브레이션하는 데 사용되는 오차 함수는 캘리브레이션 플레이트 상의 기준 마킹들의 디지털 이미지들로부터 컴퓨팅되는 오차 함수와 동일할 수도 있는데, 이는 이 오차 함수가 동일한 이미지 취득 어셈블리로부터 후속하여 취득되는 임의의 디지털 이미지들에서의 피처들의 편차 및 참된 포지션들을 결정하는 데 사용될 수도 있기 때문이다. 오차 함수는 컴퓨터 제어 시스템에 저장될 수도 있거나 또는 네트워크를 통해 이용가능할 수도 있다.
일부 실시예들에서, 스캔 마킹들이 이루어질 때 캘리브레이션 플레이트가 더 이상 스캐닝 영역에 있지 않도록, 스캐너 빔을 지향시키기 전에 캘리브레이션 플레이트가 이미지 취득 어셈블리의 경로로부터 이동될 수도 있다. 스캐닝 영역은, 구축 표면, 예를 들어, 층이 구축될 전체 구축 표면을 포함할 수도 있다. 스캔 마킹들은 구축 표면 상에서 이루어질 수도 있다. 대안적으로, 스캔 마킹들은 구축 표면, 예를 들어, 구축 표면과 동일한 xy 평면에 위치되는 평평한 표면을 모방한 플레이트, 필름, 또는 종이 상에서 이루어질 수도 있다. 스캔 마킹들과 구축 표면 또는 다른 평평한 표면 사이의 콘트라스트는 스캔 이미지에서 검출되기에 충분할 수도 있다. 스캔 마킹들은 복수의 미리 정의된 위치들에서 이루어질 수도 있고, 스폿들, 라인들, 또는 십자들의 그리드 또는 패턴과 같은, 순서화된 또는 순서화되지 않은 패턴일 수도 있다.
본 방법들 및 시스템들은 스캔 이미지가 취득될 수도 있을 때 그리고 스캐닝 시스템이 캘리브레이션될 수도 있을 때에 대한 유연성을 제공한다. 일부 실시예들에서, 컴퓨터 제어 시스템은 구축에서의 단일 층의 스캐닝 전에, 구축의 임의의 층을 스캐닝하기 전에, 또는 층의 스캐닝 동안 스캔 이미지를 취득하도록 구성될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 컴퓨터 제어 시스템은, 대상물이 구축되고 있는 동일한 층에서, 그리고 대상물의 모든 층이 아닌 일부 층이 구축되었을 때, 스캔 이미지를 취득하도록 구성될 수도 있다. 또는, 대상물의 모든 층이 구축된 후에 스캔 이미지가 취득될 수도 있다. 스캔 마킹들은 구축 표면 상에서 이루어질 수도 있다. 스캔 마킹들은 스캐닝된 부분의 실제 부분들에 대응할 수도 있다. 스캔 마킹들은 일 부분이 스캐닝되는 곳 외측에 있는 구축 표면의 영역 상에서 이루어질 수도 있다. 일부 실시예들에서, 스캔 마킹들은 부분이 구축되지 않는 분말 상에서 이루어질 수도 있다. 스캔 마킹들은 분말 영역 외측에서 그러나 분말 표면과 동일한 평면에서의 표면 상에서 이루어질 수도 있다. 그러한 영역은, 스캐닝 시스템이 시야를 갖지만 분말 표면의 부분이 아닌 경계 구역일 수도 있다. 영역은, 시스템에서의 레이저 또는 다른 에너지 소스로부터의 에너지를 검출가능한 파장으로 컨버팅하고 검출가능한 스캔 마킹을 행하는 방사선 감응성 재료를 포함할 수도 있다. 대안적으로, 파일럿 레이저와 같은, 상이한 파장의 레이저 또는 에너지 소스가 영역 상에 스캔 마킹들을 투영하는 데 사용될 수도 있고, 여기서 그것은 후속 계산들에서 실제 스캔 마킹들로서 이미징 및 사용될 수도 있다.
스캔 이미지는 단일 이미지를 포함할 수도 있거나, 또는 스캔 이미지는 이미지들의 스택을 포함할 수도 있다. 이미지들의 스택은, 예를 들어, 각각의 개별 이미지가 단일 층에서의 모든 스캔 마킹들의 일 부분 또는 서브세트에 대응하는 경우, 적층 제조 구축의 단일 층에 대한 스캔 마킹들을 집합적으로 포함할 수도 있다. 대안적으로, 이미지들의 스택은 적층 제조 구축에서 복수의 층들에 대한 스캔 마킹들을 집합적으로 포함할 수도 있다. 예를 들어, 이미지들의 스택은 적층 제조 구축에서 모든 층들에 대한 스캔 마킹들을 포함할 수도 있다.
일부 실시예들에서, 컴퓨터 제어 시스템은 레이저 스캐닝 시스템으로 하여금 스캔 마킹들을 파일럿 레이저에 적용하게 하도록 구성된다. 예시적인 파일럿 레이저는, 메인 레이저 옆에 그리고 메인 레이저 출구 바로 뒤에 포지셔닝될 수도 있는 여분의 레이저(전형적으로 가시 스펙트럼에서 광을 방출함)이다. 예를 들어, CO2 레이저가 레이저 소결 디바이스들에 대한 메인 레이저 또는 에너지 소스일 수도 있는 경우, 파일럿 레이저는, 상이한 광학 요소들을 사용하는 동안, CO2 레이저와 동일한 축을 따라 정렬될 수도 있다. 파일럿 레이저들은 메인 레이저 빔이 위치될 곳을 나타내는 데 사용될 수도 있는데, 이는 메인 레이저가 가시 스펙트럼 외측의 파장에서 광을 방출하는 이들 경우들에 유용하다. 따라서, 스캔 이미지는, 파일럿 레이저에 의해 이루어지는 스캔 마킹들의 디지털 이미지를 포함할 수도 있다.
다음 단계에서, 컴퓨터 제어 시스템은 스캔 마킹들의 참된 포지션 좌표들을 결정한다. 스캐닝 빔이 구축 동안 미리 정의된 좌표들로 지향되었지만, 스캔 마킹들의 참된 포지션은 스캐닝 시스템에서의 오차들을 반영할 수도 있고, 미리 정의된 좌표들로부터 거리를 두고 포지셔닝될 수도 있다. 스캔 마킹들의 스캔 이미지로부터 시작하여, 컴퓨터 제어 시스템은 피처들, 피처들의 중심 좌표들, 및 스캔 이미지에서의 피처들의 포지션을 식별 및/또는 컴퓨팅한다.
컴퓨터 제어 시스템은 기준 이미지에 대해 수행된 이미지 프로세싱 단계들과 유사한 또는 동일한 스캔 이미지에 대한 이미지 프로세싱 단계들을 사용할 수도 있다. 예를 들어, 스캔 이미지는 복수의 픽셀들로 이산화될 수도 있고, 컴퓨터 제어 시스템은 피처들을 검출하고, 피처들의 중심 좌표들을 계산하며, 피처들의 포지션들을 결정할 수도 있다. 스캔 이미지에서 관심 구역(ROI)이 선택될 수도 있고, 컴퓨터 제어 시스템은 ROI에서의 피처들을 식별하도록 구성될 수도 있다. 피처들은, 원형 스폿들과 같은, 캘리브레이션을 위해 선택되는 패턴에서의 스캔 마킹들일 수도 있거나, 또는 구축되고 있는 대상물에서의 피처들에 대응할 수도 있다. 컴퓨터 제어 시스템은, 피처들을, 스캔 이미지에서 보이는 노이즈 또는 비특정 픽셀들로부터 구별할 수도 있다. ROI는 전체 스캔 이미지를 포함할 수도 있거나, 또는 스캔 이미지에서의 픽셀들의 서브세트를 포함할 수도 있다.
예시적인 방법에서, 컴퓨터 제어 시스템은 ROI에서의 픽셀들에 대해 바이너리 마스크를 생성함으로써 검출된 피처들을 식별한다. 검출된 피처들의 필터링된 바이너리 표현을 획득한 후에, 컴퓨터 제어 시스템은 피처의 중심의 좌표 포지션들(즉, 중심 좌표들)을 결정하도록 구성될 수도 있다.
이들 중심 좌표들 및 검출된 피처들의 임의의 다른 좌표 포지션들은 스캔 이미지에서의 검출된 또는 관찰된 포지션 좌표들을 포함한다. 이미지 취득 어셈블리로부터 취득되는 임의의 이미지와 같은 스캔 이미지가 왜곡되어 보일 수도 있기 때문에, 컴퓨터 제어 시스템은 그 후에 스캔 이미지에서의 피처들의 관찰된 포지션 좌표들을 참된 또는 실제 포지션 좌표들로 전환하기 위해 적합한 오차 함수를 적용할 수도 있다. 적합한 오차 함수는, 본 명세서에서 설명되는 방법들에 따라, 스캔 이미지와 동일한 이미지 취득 어셈블리에 의해 취득되는 기준 이미지를 사용하여 획득되는 오차 함수일 수도 있다. 그 후에, 컴퓨터 제어 시스템은 스캔 이미지에서의 피처들의 참된 포지션 좌표들을 컴퓨팅할 수도 있다.
다음 단계에서, 컴퓨터 제어 시스템은, 스캔 이미지에서의 피처들의 참된 포지션 좌표들을, 스캐너 빔이 지향된 미리 정의된 예상된 포지션 좌표들과 비교한다. 컴퓨터 제어 시스템은 기준 이미지에 대한 오차 함수를 결정하는 데 사용된 것들과 유사한 또는 동일한 표면 피팅 방법들을 사용하여 편차 맵을 생성할 수도 있다. 예를 들어, 스캔 이미지에서의 피처들의 트루 좌표 포지션들은 미리 정의된 좌표 포지션들의 그리드 상에 매핑될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 오차 함수들은 실제 및 관찰된 포지션들의 비교들 및/또는 상관들로부터 도출될 수도 있다. 일반적으로, 오차 함수는 관찰된 필드와 실제 필드에서의 데이터 사이의 수학적 관계를 설명한다. 값들은 룩업 테이블에 저장될 수도 있다. 오차 함수들은, 예를 들어, 2개의 포인트들 사이를 내삽하기 위한 NURBS 표면들, 또는 쌍선형 또는 바이큐빅 내삽들과 같은 내삽들을 사용하여 계산될 수도 있다. 쌍선형 내삽들이 사용될 수도 있다.
일부 실시예들에서, 컴퓨터 제어 시스템은, 트루 좌표 포지션들을, 동일한 스캔 마킹들의 미리 정의된 좌표 포지션들을 포함하는 그리드 상에 매핑시킬 수도 있다. 일부 실시예들에서, 컴퓨터 제어 시스템은 미리 정의된 좌표들의 상이한 그리드, 예를 들어, 마스터 그리드를 컴퓨팅할 수도 있다. 마스터 그리드는, 스캔 마킹들의 영역 외측, 예를 들어, 스캔 마킹들이 존재하지 않을 수도 있는 영역들의 외삽된 좌표들을 포함할 수도 있지만, 컴퓨터 제어 시스템은 가능성있는 포지션 좌표들을 컴퓨팅할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 마스터 그리드에서의 외삽된 좌표 포인트들은, 스캔 마킹들에 의해 커버되는 영역보다 더 큰 영역에서의 포인트들을 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 마스터 그리드는, 임의의 새로운 그리드들에 대한 기준으로서 기능할 수도 있는 미리 정의된 좌표들의 표현을 포함할 수도 있어서, 새로운 그리드들의 좌표 포지션들이 오래된 스캔 이미지들에 대해 사용될 수도 있다. 컴퓨터 제어 시스템은 스캔 필드 제한들 및 설정된 수의 셀들에 기초하여 마스터 그리드를 생성할 수도 있다. 셀들의 경계들은 마스터 그리드에서의 미리 정의된 포지션 좌표들을 포함할 수도 있다.
도 7a 내지 도 7e는 예상된 좌표 포지션으로부터의 실제 좌표 포지션의 편차가 관심 구역에서의 각각의 포인트에 대해 z축 상에 플롯된 예시적인 편차 맵들을 예시한다. 도 7a에서, 편차 맵은, 각각의 좌표 포지션에서의 x 방향으로의 편차를 나타내는 제1 표면 플롯(701), 및 각각의 좌표 포지션에서의 y 방향으로의 편차를 나타내는 제2 표면 플롯(702)을 갖는다. 이 예에서, 컴퓨터 제어 시스템이 디지털 이미지에서의 피처를 필터링하였을 수도 있거나, 또는 컴퓨터 제어 시스템이 피처들의 중심 좌표들을 신뢰성있게 결정하는 것이 가능하지 않았을 수도 있는 홀(703)이 또한 있다. 이들 좌표 포지션들에 대해 편차가 플롯되지 않을 수도 있다. 그러나, 컴퓨터 제어 시스템은 홀 내측의 좌표 포지션들에서 가장 가능성있는 편차를 결정하기 위해 이웃 편차 데이터로부터 내삽할 수도 있다.
도 7a는 스캐닝 시스템이 캘리브레이션되지 않았을 때의, 즉, 컴퓨터 제어 시스템이 스캐너 보정치들을 획득하고 이들을 사용하여 스캐너 빔을 새로운 보정 좌표들로 지향시키기 전의 편차 맵을 도시한다. 일부 실시예들에서, 컴퓨터 제어 시스템은, 스캐닝 시스템으로 전송될 수도 있는 새로운 캘리브레이션된 좌표 포지션들 및 스캐너 보정치들을 컴퓨팅할 수도 있다. 선형 오차들의 경우, 예시적인 스캐너 보정치들은 좌표 포지션에서의 편차 값들과 동일하고 반대일 수도 있다. 캘리브레이션된 좌표 포지션들은 스캐너 빔에 대한 새로운 세트의 좌표들일 수도 있는데, 이는 편차를 고려할 수도 있으며 스캐너 빔이 예상된 포지션에 도달하도록 스캐너 빔을 지향시키는 데 사용될 수도 있다.
스캐닝 영역에서의 모든 좌표 포지션들의 경우, 컴퓨터 제어 시스템은 스캐너 빔이 도달하는 트루 좌표 포지션들, 편차 값들, 스캐너 보정치들, 및/또는 편차를 고려하기 위해 스캐너 빔이 지향되는 조정된(또는 캘리브레이션된) 좌표 포지션들을 좌표 테이블에 저장할 수도 있다. 표 1은 예시적인 좌표 테이블로부터의 샘플 라인이다. 일부 실시예들에서, 편차는 비선형이고, 컴퓨터 제어 시스템은 다른 스캐너 보정치들을 컴퓨팅할 수도 있다.
표 1 - 좌표 테이블로부터의 샘플 라인
스캐닝 영역에서의 좌표 포지션 (x,y) 스캐닝 빔에 의해 도달되는 트루 좌표 포지션 (x,y) mm 단위의 편차 값들 (x,y) mm 단위의 스캐너 보정치들 (x,y) 캘리브레이션된 좌표 포지션 (x,y)
(0,1) (0.01, 0.98) (+0.01, -0.02) (-0.01, +0.02) (0.99, 1.02)
일부 실시예들에서, 컴퓨터 제어 시스템은 편차 값들을 저장하고, 스캐닝 시스템이 편차 값들을 보상하는 새로운 좌표 포지션들로 스캐너 빔을 지향시키기 위한 명령어들을 자동으로 컴퓨팅한다. 이들 새로운 좌표 포지션들은 스캐닝 전에 디스플레이 또는 저장되지 않을 수도 있지만, 일부 실시예들에서, 새로운 좌표 포지션들은 적층 제조 시스템이 구축 동안 스캐닝 시스템 컴포넌트들의 포지션 데이터를 보고할 때 시스템 로그에서 보고될 수도 있다.
컴퓨터 제어 시스템은 좌표 테이블을 메모리에 저장할 수도 있거나 또는 네트워크를 통해 좌표 테이블에 액세스할 수도 있다.
일부 실시예들에서, 컴퓨터 제어 디바이스는 스캐너를 캘리브레이션하여 오차들을 보정할 수도 있고, 그 후에 스캐닝하는 단계 및 새로운 편차 맵을 생성하는 단계를 반복할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 편차를 적절히 감소시키기 위해 1 사이클 초과의 캘리브레이션이 요구될 수도 있어서, 컴퓨터 제어 시스템은 편차가 더 이상 편차 맵 상에서 검출가능하지 않을 때까지 캘리브레이션의 사이클들을 반복할 수도 있다. 캘리브레이션의 각각의 사이클로부터의 결과들은, 예를 들어, 검출가능하지 않은 레벨들로 편차를 감소시키기에 충분한 캘리브레이션된 좌표들의 세트 및/또는 단일 최종 스캐너 보정치를 생성하기 위해, 좌표 테이블에서 컴파일될 수도 있다.
도 7b는 제1 캘리브레이션 후에 생성되는 편차 맵을 예시한다. 제1 캘리브레이션 후에 편차 값들이 더 낮더라도, 편차는 여전히 검출가능하다. 도 7c, 도 7d, 및 도 7e는 제2, 제3, 및 제4 라운드(round)의 캘리브레이션 후에 생성되는 편차 맵들을 예시한다. 이 예에서, 제4 라운드의 캘리브레이션 후에, 컴퓨터 제어 시스템은 더 이상 노이즈 플로어(noise floor) 위의 편차를 검출하지 않으며, 다른 사이클의 캘리브레이션 및 편차 맵 분석을 진행하지 않을 것이다.
스캐닝 시스템의 캘리브레이션의 최종 결과는 물리적 구축 영역 내의 각각의 포지션 좌표에 대한 한 세트의 최종 세트의 편차 값들, 스캐너 보정치들 및/또는 캘리브레이션 좌표들일 수도 있다. 이에 따라, 스캐닝 시스템으로부터의 스캐너 빔이 지향될 수도 있는 구축 영역에서의 임의의 포지션의 경우, 컴퓨터 제어 시스템은 스캐닝 시스템에서의 오차들을 보상하는 캘리브레이션된 좌표들로 스캐너 빔을 지향시키기 위한 한 세트의 명령어들을 저장할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 컴퓨터 제어 시스템은 모든 라운드들의 캘리브레이션들에 기초하는 최종 세트의 데이터뿐만 아니라, 각각의 라운드의 캘리브레이션에 대응하는 편차 값들, 스캐너 보정치들, 및/또는 캘리브레이션 좌표들을 저장한다.
일부 실시예들에서, 컴퓨터 제어 시스템에 의해 수행되는 방법들은 동일한 적층 제조 디바이스 내에서 복수의 스캐닝 시스템들을 캘리브레이션하는 데 사용될 수도 있다. 전형적으로, 2개 이상의 스캐닝 시스템들이 적층 제조 디바이스에 존재할 때, 스캐닝 시스템들 각각은 그 자신의 개별 스캐닝 영역(또는 "스캔 필드")을 가지며, 이들 2개 이상의 스캔 필드들의 조합은 단일의 큰 스캔 필드를 생성한다. 스캐닝 시스템은, 하나 이상의 스캐닝 시스템들을 포함하는 복합 스캐닝 시스템을 포함할 수도 있다. 복합 스캐닝 시스템은, 복합의 보다 작은 스캔 필드들("로컬 스캔 필드" 또는 "개별 스캔 필드"라고도 또한 불림)을 포함하는 단일 스캔 필드("글로벌 스캔 필드" 또는 "단일의 큰 스캔 필드"라고도 또한 불림)를 가질 수도 있다. 이것은 다수의 대상물들의 또는 큰 단일 대상물들의 효율적인 구축을 가능하게 한다. 그러나, 각각의 스캐닝 시스템은 오차들을 고려하기 위해 개별적으로 캘리브레이션될 필요가 있을 수도 있고, 더욱이, 단일 스캔 필드를 생성하기 위해 다른 스캐닝 시스템(들)에 대해 정렬될 필요가 있을 수도 있다.
예를 들어, 4개의 스캐닝 시스템들을 갖는 적층 제조 디바이스에서, 단일 스캔 필드는, 각각이 단일 스캔 필드의 상이한 사분면을 커버하는 4개의 개별 스캔 필드들을 포함할 수도 있다. 스캐닝 시스템에서의 오차들로 인해, 개별 스캔 필드들이 다른 것들에 대해 오정렬될 수도 있는데, 예를 들어, 임의의 방향으로 오프셋되거나 또는 회전될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 단일 글로벌 스캔 필드는 평면일 수도 있고, 모두가 동일한 평면 내에 있는 다수의 개별 로컬 스캔 필드들을 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 단일 글로벌 스캔 필드는 비평면일 수도 있어서, 개별 로컬 스캔 필드들은 하나 초과의 평면을 따라 서로 오정렬된다.
일부 실시예들에서, 개별 스캔 필드들 각각은 개별적으로 캘리브레이션된 후에 서로에 대해 정렬될 수도 있다. 컴퓨터 제어 시스템은 각각의 개별 스캔 필드의 스캔 이미지를 획득하고 오차 함수를 적용하여 각각의 스캔 이미지에서의 왜곡을 보정할 수도 있다. 각각의 스캔 이미지에서의 스캔 마킹들의 참된 포지션들은 각각의 개별 스캔 필드에 대한 캘리브레이션 단계들에 따라 결정될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 개별 스캔 필드들이 배향될 수도 있도록 각각의 스캔 필드에서의 로컬 기준 포지션, 예컨대, 중심 좌표들 (0,0)이 식별될 수도 있다.
개별 스캔 필드들 사이의 상대 오프셋 및/또는 상대 회전의 차이들을 보정하기 위해, 글로벌 포지셔닝이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 서로에 대한 로컬 스캔 필드들의 오프셋 및/또는 회전의 정도를 결정하기 위해 모든 개별 로컬 스캔 필드들의 단일 글로벌 뷰가 이미징될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 단일 글로벌 뷰는 본 명세서에서 설명되는 바와 같이 단일 캘리브레이션 플레이트 상의 기준 마킹들을 사용하여 캘리브레이션되는 단일 카메라로부터 획득될 수도 있다. 개별 스캔 필드들은, 예를 들어, 단일 글로벌 뷰의 이미지의 부분을 사용하여 캘리브레이션될 수도 있다.
일부 실시예들에서, 컴퓨터 제어 시스템은 각각의 개별 스캔 필드에 대한 포지션 데이터 및 보정 데이터를 결정하기 위해 단일 스캔 필드에 대해 획득되는 오차 함수를 사용할 수도 있다. 이것은 컴퓨터 제어 시스템이 개별 스캔 필드들을 동시에 캘리브레이션 및 정렬할 수 있게 하는데, 이는 각각의 개별 스캔 필드에 대한 임의의 스캐너 보정치들이 동일한 단일 스캔 필드에 대해 이미 정렬되어 있을 수도 있기 때문이다. 컴퓨터 제어 시스템에 의해 수행되는 방법은 단일 스캔 필드에 대해 수행되는 방법과 유사할 수도 있다: 먼저, 컴퓨터 제어 시스템은 단일 스캔 필드를 커버하는 단일 기준 이미지를 취득할 수도 있고, 이 단일 기준 이미지는 프로세싱되어 단일 기준 이미지에서의 모든 좌표 포지션들에 대한 오차 함수를 결정하는 데 사용될 수도 있다. 그 후에, 컴퓨터 제어 시스템은 각각의 스캐닝 시스템의 개별 스캔 필드들에 대응하는 스캔 이미지들을 취득하고, 스캔 이미지들을 프로세싱하며, 오차 함수를 사용하여 스캔 이미지들에서의 피처들에 대한 참된 포지션 좌표들을 결정할 수도 있다. 컴퓨터 제어 시스템은 참된 포지션 좌표들과 예상된 좌표들 사이의 차이에 기초하여 각각의 개별 스캐닝 시스템에 대한 스캐너 보정치들을 결정한다. 각각의 개별 스캔 필드에서의 피처들에 대한 참된 포지션 좌표들이 단일 스캔 필드에 대한 오차 함수를 사용하여 결정되었기 때문에, 스캐너 보정치들은 단일 스캔 필드에 대한 포지션 데이터를 이미 포함하고 있다. 그 결과, 스캐너 보정치들은, 개별 스캔 필드들이 서로에 대해 정렬되지 않을 때 발생할 수도 있는 편차들을 이미 포함하고 있을 수도 있다. 이 방법을 사용함으로써, 컴퓨터 제어 시스템은 개별적으로 캘리브레이션된 개별 스캔 필드들을 정렬하는 것과 같은 추가의 컴퓨테이션 단계(computation step)들을 회피할 수도 있다.
워크플로우
개시된 방법들 및 시스템들을 사용하여, 레이저 스캐닝 시스템과 같은 스캐닝 시스템은 적층 제조 구축 전에, 적층 제조 구축 동안, 또는 적층 제조 구축 후에 언제든지 캘리브레이션될 수도 있다. 원칙적으로, 스캐닝 시스템이 구축 표면에 대한 이들의 포지션으로부터 이동하지 않는 한, 그리고 캘리브레이션 후에 모든 조건들 및 컴포넌트들이 동일하다면, 스캐닝 시스템은 단지 한 번만 캘리브레이션될 수 있다. 그러나, 특히 구축 동안 또는 대상물의 단일 층을 구축하는 동안, 더 빈번하게 캘리브레이션하는 것이 유리하다. 일부 실시예들에서, 컴퓨터 제어 시스템은 구축 동안 취득되는 임의의 스캔 이미지들에 사용될 수도 있는 오차 함수를 저장하고, 컴퓨터 제어 시스템은 구축 동안 새로운 스캐너 보정치들을 결정하거나, 또는 한 세트의 스캐너 보정치들이 여전히 적합한지를 확인할 수도 있다.
예를 들어, 대상물의 층을 구축하는 과정 동안, 컴퓨터 제어 시스템은 캘리브레이션에서의 사용을 위해 의도된 한 세트의 스캔 마킹들을 스캐닝하도록 스캐너 빔을 지향시킬 수도 있다. 컴퓨터 제어 시스템은 이들 스캔 마킹들의 스캔 이미지를 취득하고, 스캐너 보정치들을 획득하기 위해 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 방법들을 수행할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 컴퓨터 제어 시스템은 구축되는 대상물의 슬라이스 또는 층에 대응하는 하나 이상의 해칭(hatching)들 또는 벡터들을 스캔 마킹들로서 사용할 수도 있다.
스캔 마킹들은 가시 광의 영역들일 수도 있는데, 예를 들어, 여기서 가시 스펙트럼에서 광을 방출하는 파일럿 레이저가 구축 표면에 지향된다. 스캔 마킹들은, 스캐너 빔이 구축 재료에 물리적 변화를 야기시킨 영역들일 수도 있어서, 변경된 구축 재료가, 스캐너 빔에 노광되지 않은 구축 재료와 구별될 수도 있다. 레이저 용융(LM)에서, 용융된 형태의 스캐닝된 재료는 스캐닝되지 않은 재료와 구별될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 이미지 취득 디바이스는 열 이미징 디바이스 또는 IR 카메라일 수도 있다.
이미지 취득 어셈블리는, 층의 부분들을 표현하거나 또는 다수의 층들을 표현하는 이미지들의 스택을 취득할 수도 있다. 이미지들의 스택은 시간이 지남에 따라 취득될 수도 있다. 예를 들어, 파일럿 레이저는 스캔 마킹을 행하기 위해 구축 표면 상의 포지션으로 지향될 수도 있고, 이 스캔 마킹의 스캔 이미지가 취득될 수도 있다. 파일럿 레이저가 구축 표면 상의 다른 포지션으로 지향될 때마다, 스캔 이미지가 취득된다. 결국, 이미지들의 스택은 시간이 지남에 따라 이루어지는 모든 스캔 마킹들을 집합적으로 표현한다. 스테레오리소그래피(SLA)의 경우, 구축 표면이 가시 광에 노광될 때 이미지들의 스택이 취득될 수도 있다.
일부 실시예들에서, 개시된 방법들 및 시스템은 대상물의 스캐닝된 표면들이 정확하게 포지셔닝되는지를 결정하기 위해 대상물의 구축 동안 사용될 수도 있다. 이미지 취득 어셈블리는 대상물의 피처의 스캔 이미지를 취득하고, 컴퓨터 제어 시스템은 피처들의 트루 좌표 포지션들을 예상된 좌표 포지션들과 비교하여 트루 좌표 포지션들과 예상된 좌표 포지션들이 매칭하는지를 결정한다. 따라서, 컴퓨터 제어 시스템은 대상물의 품질 체크를 수행할 수도 있다.
본 개시내용의 추가의 양태는 결함들, 특히, 스캐닝의 오차들로부터 발생하는 결함들이 대상물들 상에서 검출될 수도 있는 방법에 관한 것이다. 레이저 스캐닝 시스템들과 같은 스캐닝 시스템들이 대상물의 구역에 예상된 레벨들의 에너지 또는 전력을 적용하지 않을 때, 그 구역은 충분히 가열, 용융, 소결, 또는 경화되지 않은 구축 재료를 가질 수도 있다. 결과적인 대상물에서, 이 영역은 구조적으로 약할 수도 있거나 또는 물리적인 홀을 가질 수도 있다. 일부 실시예들에서, 스캐너 빔이 스캐닝된 모든 xy 포지션들을 포함하는, 대상물의 이미지 또는 이미지들의 스택이 스캐닝 동안 취득된다. 스캐너 빔이 적절히 스캐닝되지 않는 특정 xy 포지션들은, 예를 들어, 이들 특정 xy 포지션들이 용융되지 않은 구축 재료를 나타내기 때문에, 스캔 이미지에서 검출될 수도 있다. 이에 따라, 컴퓨터 제어 시스템은 대상물에 대한 품질 체크를 수행할 수도 있고, 오차가 발생하였음을 적층 제조 디바이스의 사용자에게 표시할 수도 있거나, 또는 오차를 보정하기 위해 재스캐닝과 같은 교정 조치들을 구현할 수도 있다.

Claims (19)

  1. 적층 제조 디바이스(additive manufacturing device)에서 스캐닝 시스템을 캘리브레이션하기 위한 컴퓨터 구현 방법으로서,
    기준 포지션에서의 이미지 취득 어셈블리를 사용하여, 상기 적층 제조 디바이스에 그리고 상기 스캐닝 시스템의 스캐닝 영역에 평행하여 포지셔닝되는 캘리브레이션 플레이트의 제1 표면 상의 복수의 기준 마킹들에 대응하는 복수의 이미지 기준 마킹들을 포함하는 기준 이미지를 취득하는 단계;
    오차 함수(error function)를 결정하는 단계 - 상기 오차 함수는 상기 기준 이미지에서의 복수의 이미지 기준 마킹들과 상기 캘리브레이션 플레이트의 제1 표면 상의 복수의 기준 마킹들 사이의 차이를 나타냄 -;
    상기 캘리브레이션 플레이트가 상기 스캐닝 영역에 있지 않을 때 상기 스캐닝 영역에서의 복수의 미리 정의된 위치들에 스캔 마킹들을 적용하도록 상기 스캐닝 시스템으로부터의 스캐너 빔을 지향시키는 단계;
    상기 기준 포지션에서의 이미지 취득 어셈블리를 사용하여, 상기 스캔 마킹들에 대응하는 이미지 스캔 마킹들을 포함하는 스캔 이미지를 취득하는 단계;
    상기 이미지 스캔 마킹들의 포지션, 상기 오차 함수, 및 상기 스캐닝 영역에서의 미리 정의된 위치들에 기초하여 스캐너 보정치(scanner correction)들을 결정하는 단계; 및
    상기 스캐너 보정치들을 사용하여 상기 스캐닝 시스템을 캘리브레이션하는 단계
    를 포함하는, 컴퓨터 구현 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 기준 마킹들 각각은 미리 정의된 좌표 포지션에 위치되는, 컴퓨터 구현 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 기준 마킹들은 순서화된 패턴의 원형 스폿(circular spot)들을 포함하는, 컴퓨터 구현 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 순서화된 패턴은 그리드 패턴인, 컴퓨터 구현 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 캘리브레이션 플레이트의 제1 표면은 상기 기준 이미지를 취득할 때 상기 스캐닝 영역에서의 구축 표면(build surface)과 동일한 xy 평면에 포지셔닝되는, 컴퓨터 구현 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 취득 어셈블리는 상기 적층 제조 디바이스 내의 또는 그 주위의 위치에 고정되는, 컴퓨터 구현 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 취득 어셈블리는 광학 카메라를 포함하는, 컴퓨터 구현 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 오차 함수를 결정하는 단계는:
    상기 기준 이미지에서 관심 구역을 선택하는 단계;
    상기 관심 구역에서 피처(feature)들을 검출하는 단계 - 상기 피처들은 상기 기준 이미지에서의 복수의 이미지 기준 마킹들의 선택(selection)을 포함함 -;
    상기 피처들에 대한 관찰된 좌표 포지션들을 결정하는 단계;
    상기 기준 이미지에서의 피처들의 상기 관찰된 좌표 포지션들을 상기 캘리브레이션 플레이트 상의 복수의 기준 마킹들의 트루 좌표 포지션(true coordinate position)들과 비교하는 단계
    를 더 포함하는, 컴퓨터 구현 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 스캐너 빔을 지향시키는 단계 전에 상기 이미지 취득 어셈블리의 경로로부터 상기 캘리브레이션 플레이트를 이동시키는 단계를 더 포함하는, 컴퓨터 구현 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 스캔 마킹들은 스폿들, 라인들, 또는 십자들의 패턴을 포함하는, 컴퓨터 구현 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 스캔 이미지는 단일 이미지 또는 이미지들의 스택을 포함하는, 컴퓨터 구현 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 스캔 이미지는 상기 스캔 마킹들 모두가 적용되기 전에 취득되는, 컴퓨터 구현 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 스캐닝 시스템은 상기 스캔 마킹들을 파일럿 레이저에 적용하는, 컴퓨터 구현 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 스캐너 보정치들을 결정하는 단계는,
    상기 스캔 이미지에서 관심 구역을 선택하는 단계;
    상기 관심 구역에서 피처들을 검출하는 단계 - 상기 피처들은 상기 스캔 이미지에서의 복수의 이미지 스캔 마킹들의 선택물을 포함함 -;
    상기 피처들에 대한 관찰된 좌표 포지션들을 결정하는 단계; 및
    상기 피처들의 트루 좌표 포지션들을 획득하기 위해 상기 오차 함수를 적용하는 단계;
    상기 트루 좌표 포지션들과 상기 스캐닝 영역에서의 미리 정의된 위치들 사이의 편차 값들을 획득하는 단계; 및
    상기 편차 값들에 기초하여 스캐너 보정치들을 결정하는 단계
    를 더 포함하는, 컴퓨터 구현 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 편차 값들을 획득하는 단계는, 표면 피팅(surface fitting)을 더 포함하는, 컴퓨터 구현 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 스캐닝 시스템을 캘리브레이션하는 단계는, 상기 스캐너 보정치들에 대응하는 거리 또는 인자만큼 상기 스캐닝 시스템에서의 스캐너의 좌표 위치들을 조정하는 단계를 포함하는, 컴퓨터 구현 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    적어도 제2 스캐닝 시스템을 캘리브레이션하는 단계, 및 단일 스캔 필드(single scan field)를 획득하기 위해 상기 적어도 제2 스캐닝 시스템 및 상기 스캐닝 시스템에 대응하는 복수의 스캔 필드들을 정렬하는 단계를 더 포함하는, 컴퓨터 구현 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 스캐닝 시스템은, 복수의 스캐닝 시스템들을 포함하는 복합 스캐닝 시스템이고, 상기 복합 스캐닝 시스템은, 상기 복수의 스캐닝 시스템들에 대응하는 복수의 스캔 필드들을 포함하는 단일 스캔 필드에 대응하고, 상기 오차 함수는 상기 복수의 스캔 필드들 각각을 캘리브레이션하는 데 사용되는, 컴퓨터 구현 방법.
  19. 적층 제조 디바이스에서 스캐닝 시스템을 캘리브레이션하기 위한 시스템으로서,
    복수의 기준 마크들을 갖는 제1 표면을 포함하는 캘리브레이션 플레이트 - 상기 캘리브레이션 플레이트는 상기 스캐닝 시스템의 스캐닝 영역에 평행하여 제거가능하게 포지셔닝되도록 구성됨 -;
    스캐너 빔을 상기 스캐닝 영역으로 지향시키도록 구성되는 스캐닝 시스템;
    이미지 취득 디바이스를 포함하는 이미지 취득 어셈블리 - 상기 이미지 취득 디바이스는 기준 포지션에 포지셔닝되고, 적어도 2개의 시점들 동안 상기 스캐닝 영역 중 적어도 일 부분의 스캐닝 영역의 이미지를 취득하도록 구성되고, 상기 적어도 2개의 시점들은:
    상기 캘리브레이션 플레이트가 상기 적층 제조 디바이스의 스캐닝 영역에 포지셔닝될 때의 제1 시점; 및
    상기 스캐닝 시스템이 스캐너 빔을 상기 스캐닝 영역으로 전송할 때의 제2 시점을 포함함 -;
    메모리 및 프로세서를 갖는 하나 이상의 컴퓨터를 포함하는 컴퓨터 제어 시스템
    을 포함하고,
    상기 컴퓨터 제어 시스템은:
    상기 캘리브레이션 플레이트의 제1 표면 상의 기준 마킹들에 대응하는 복수의 이미지 기준 마킹들을 포함하는 이미지를 수신하고;
    상기 기준 이미지에서의 복수의 이미지 기준 마킹들과 상기 캘리브레이션 플레이트의 제1 표면 상의 복수의 기준 마킹들 사이의 차이에 기초하여 오차 함수를 결정하고;
    상기 스캐닝 시스템으로 하여금 상기 스캐너 빔을 상기 스캐닝 영역 상의 복수의 미리 정의된 위치들로 지향시키게 함으로써, 하나 이상의 스캔 마킹을 생성하고;
    상기 스캔 마킹에 대응하는 이미지 스캔 마킹을 포함하는 이미지를 수신하고;
    상기 이미지 스캔 마킹의 포지션, 상기 오차 함수, 및 상기 스캐닝 영역에서의 미리 정의된 위치들에 기초하여 스캐너 보정치들을 결정하도록
    구성되는, 시스템.
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