WO2015003937A1 - Kalibriereinrichtung und kalibrierverfahren für eine vorrichtung zum schichtweisen herstellen eines objekts - Google Patents

Kalibriereinrichtung und kalibrierverfahren für eine vorrichtung zum schichtweisen herstellen eines objekts Download PDF

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WO2015003937A1
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Jochen Philippi
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Eos Gmbh Electro Optical Systems
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Definitions

  • the present invention relates to a calibration device and to a calibration method for a device for producing a three-dimensional object in layers by solidification of build-up material at the points corresponding to the cross section of the object to be produced in the respective layer by energy input.
  • a device for producing a three-dimensional object by means of a method known by the name "selective laser sintering" is described in DE 10 2005 024 790 A1.
  • DE 198 18 469 discloses a device which contains two separate laser sources and emitting devices for solidifying the building material.
  • the applicant has itself for years laser sintering devices on the market, which are equipped with a Doppelkopfanläge.
  • a method for calibrating a device for producing a three-dimensional object by means of a calibration plate containing a photosensitive film is described in DE 199 18 613 AI.
  • the laser exposes alignment crosses to the photosensitive film which are then compared to reference crosses mounted on the calibration plate.
  • This procedure is complex and designed only for a scanner. In addition, the procedure must be carried out before the actual construction process.
  • the object of the present invention is to provide a calibration device and a calibration method with which a device for producing a three-dimensional object that uses more than one radiation source can be calibrated and thus the manufacturing accuracy of the objects can be improved.
  • the object is achieved by a calibration device according to claim 1, a calibration method according to claim 6, a method for producing a three-dimensional object according to claim 8 and an apparatus for producing a three-dimensional object according to claim 10. Further developments of the invention are specified in the respective subclaims.
  • the calibration device allows a calibration process, in which iteratively the positions of the individual laser beams are determined, in which the sensor of the calibration device provides the maximum output signal. Deviations can be detected and corrected from a comparison of these positions with one another and / or with the corresponding setpoint positions. This calibrates the device and thus improves the manufacturing accuracy of the objects.
  • Fig. 1 is a schematic, partially sectional view of an embodiment of a device for layering a three-dimensional object suitable for carrying out the present invention.
  • Fig. 2 is an enlarged partial sectional view of a carrier shown in Fig. 1, on which a calibration device according to a first embodiment of the present invention is arranged.
  • Fig. 3 is an enlarged partial sectional view of a carrier shown in Fig. 1, on which a calibration device according to a second embodiment of the present invention is arranged.
  • FIG. 1 is a laser sintering or laser melting apparatus 1.
  • the object 2 contains a process chamber 3 with a chamber wall 4.
  • an upwardly open container 5 with a vertically (V) movable support 6 is arranged, on which the object 2 is constructed.
  • the object to be formed 2 is shown below a working level 7 in an intermediate state with several solidified layers, surrounded by unresolved remained building material 8.
  • a reservoir 9 for a festive by electromagnetic radiation see pulverulent building material 10 and a horizontally (H) movable coater 11 for applying the building material 10 on the working plane 7 is arranged.
  • the laser sintering apparatus 1 further includes an irradiation apparatus 12 for solidifying the applied powder layer.
  • the irradiation device comprises two lasers 13a, 13b, each of which generates a laser beam 14a, 14b, which is deflected via a deflecting device 15a, 15b and deflected by a focusing device.
  • direction 16a, 16b is focused via a coupling window 17 in the wall of the process chamber 3 to a predetermined point of the working plane 7.
  • the laser sintering apparatus 1 includes a control unit 18 through which the individual components of the apparatus are controlled in a coordinated manner for carrying out the building process.
  • the control unit may include a CPU whose operation is controlled by a computer program.
  • the support 6 is first lowered by the desired layer thickness, then a layer of the powdered building material 10 is applied using the coater 11. Subsequently, the cross section of the object to be produced is scanned by the two laser beams 14a, 14b, so that the powdery building material 10 is solidified at these locations. These steps are repeated until the object 2 is completed and the space 3 can be removed.
  • one laser beam can solidify a part of the objects and the other laser beam solidifies the other part of the objects.
  • a larger area of the working plane 7 can be irradiated than with only one radiation source. If the working area remains the same, the fact that two different areas are irradiated simultaneously reduces the production time of the object or objects 2.
  • the irradiation device 12 may be constructed such that both laser beams 14a, 14b can scan the same area of the working plane 7.
  • the two laser beams 14a, 14b but different work areas (in Fig. 1 by the median plane 19 separated from each other).
  • the working areas of the two laser beams 14a, 14b preferably overlap so that object sections in the overlapping area can optionally be scanned by the one or the other laser beam 14a, 14b.
  • the irradiation device 12 In order to ensure that the two laser beams are focused on the same point in the working plane via the control when the same target point is entered, the irradiation device 12 must be calibrated.
  • Fig. 2 shows in section a detail of the carrier 6 shown in Fig. 1, on the surface of a calibration device 30 is arranged according to a first embodiment of the present invention.
  • Two work areas 20a, 20b are schematically indicated in the support, each of which can be scanned by one of the two laser beams 14a, 14b, and an overlapping area 21, which can be scanned by both laser beams 14a, 14b.
  • the lasers In the overlapping region 21, the lasers generally fall obliquely onto the working plane 7.
  • the calibration device 30 includes a housing 31, which may be formed in one or more parts, and a sensor 32 arranged in the housing 31.
  • the housing is formed from a metal block having a recess, and the sensor is in used this recess.
  • the carrier is adjusted so that the surface 33 of the sensor 32 lies in the working plane 7, in which the laser beams 14a, 14b are focused.
  • the carrier 6 can be set at a distance lower than the working plane 7, which corresponds to the height of the surface of the sensor above the bottom surface of the calibrating device. Any sensor sensitive to the laser wavelength can be used as the sensor, for example optoelectronic sensors which convert the incident light into an electrical signal.
  • thermopile sensor thermopile
  • atomic layer thermopile sensor atomic layer thermopile
  • Thermopile sensors can be realized very short response times.
  • two through holes 34a, 34b are formed, which are provided for the passage of the two laser beams 14a, 14b.
  • the angle to the vertical is preferably less than 60 °, more preferably less than 45 °.
  • the lower portion of the through-holes 34a, 34b is formed as a very fine hole (pinhole) 35a, 35b, the upper portion as a conical portion 36a, 36b, the diameter of which increases upward.
  • the bores 35a, 35b are arranged so that their central axes intersect on the surface 33 of the optical sensor 32. In operation, this calibration device 30 is placed at a measuring point which lies within the overlapping region 21.
  • the control unit first controls one of the two laser beams 14a, 14b so that it falls on the measuring point.
  • the laser beam 14a, 14b passes through the corresponding passage opening 34a, 34b and strikes the surface 33 of the sensor 32.
  • the sensor detects the incident light and outputs a signal corresponding to the measured light intensity. Iteratively, the position of the laser beam 14a, 14b is adjusted so that the signal delivered by the sensor 32 reaches a maximum.
  • the sensor 32 delivers a signal with a bell-shaped course. The maximum of this signal corresponds to the maximum passage of the laser beam 14a, 14b through the pinhole 35a, 35b.
  • the accuracy of the measurement is determined inter alia by the diameter of the pinhole.
  • This diameter is preferably chosen so that it is approximately equal to the diameter of the laser beam at the measuring point. If the diameter of the pinhole is too large, the bell-shaped course has no pronounced maximum, but a broad plateau, which reduces the accuracy of the position determination. If the diameter of the pinhole is too small, the received laser power decreases, and even in this case, the bell-shaped curve has no pronounced maximum, which also reduces the accuracy.
  • the conical section 36a, 36b ensures that the laser beam does not have to be incident under a certain angle of incidence, but that a certain angular range is permissible. In addition, it avoids disturbing reflections in case of incorrect positioning of the laser beam 14a, 14b. However, it does not have a focusing effect on the laser beam.
  • the output signal of the sensor 32 is supplied to the control device 18, so that the iterative adjustment to the position which corresponds to a maximum irradiation of the sensor and thus a maximum output signal of the sensor can be carried out automatically by the control device 18. Subsequently, the same process is performed for the second laser beam.
  • the actual positions at which the maximum output signal of the sensor is reached are compared with each other and / or with the respective desired positions. Actual and target positions refer to the representations of the point of impact of the laser beam on the working plane in the coordinate system of the laser sintering device.
  • a correction value for the control of the laser beams is calculated, which is taken into account in the subsequent production of the three-dimensional object.
  • the determination of the deviation and the correction are made automatically by the controller 18.
  • the overlapping region of two laser beams extends in the form of an elongate strip in a direction perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 2, it is advantageous to carry out the calibration at least at two positions at opposite ends of the strip. This can be achieved by taking two measurements in succession at different locations with the same calibration device, which is offset between the two measurements, or by performing the two measurements in parallel with two calibration devices located at different locations in the overlapping area. Thereby, in addition to a lateral offset, e.g. Scaling and rotation errors can also be detected and corrected.
  • a bar equipped with two sensors can be used, the two sensors being positioned at one end of the bar. This is then positioned in the construction field at a predefined position in the overlap area.
  • This form of calibration is more accurate and easier to perform than the camera calibration described in the prior art.
  • Fig. 3 shows in section a detail of the carrier 6 shown in Fig. 1, on the surface of a calibration device 40 is arranged according to a second embodiment of the present invention.
  • the calibration device 40 has a similar construction to the calibration device 30 and, like this, contains a one-part or multi-part housing 41 and a sensor 42.
  • the housing 41 contains the two through-holes 44a, 44b with the pinhole 45a, 45b and the conical section 46a, 46b. These elements are the same as those of the first embodiment and will not be described again here.
  • the calibration device 40 includes two beam splitters 47a, 47b each in the center axis of the through holes
  • the calibration process is carried out in the same way as in the first embodiment.
  • the additionally provided beam splitters 47a, 47b cause the incident on the sensor light intensity is reduced compared to the first embodiment.
  • the radiation absorbers 48a, 48b absorb the radiation deflected from the optical path by the beam splitters 47a, 47b, and the partition wall 49 prevents radiation from passing from one beam splitter to the other.
  • any laser suitable for solidifying the pulverulent structural material may be used as the laser, including gas lasers such as C0 2 lasers, solid-state lasers such as NdYAG lasers, semiconductor lasers, fiber lasers, etc.
  • the present invention based on a Lasersinter located. Laser melting device has been described, it is not limited to the laser sintering or laser melting.
  • a laser a light emitting diode (LED), an LED array, or any other energy or radiation source, which is adapted to solidify the powdery constituent material used ⁇ the.
  • LED light emitting diode
  • the energy input is not limited to visible light, but can also be done by invisible infrared or ultraviolet radiation.
  • the sensor should then be selected according to the energy source used.
  • the two energy beams need not come from two separate sources of energy, they can also be obtained from an energy source by beam splitting and deflected by separate deflection devices.
  • the number of energy beams is not limited to two, more than two energy beams can be used.
  • the individual work areas in four-head machines form four adjacent squares that overlap one another.
  • the upper portion 36a, 36b of the through hole 34a, 34b may also be formed differently than conical. It can be extended in any course upwards or be formed cylindrical with a larger diameter than the pinhole. Instead of a sensor that only determines a total intensity of the radiation, it is also possible to use sensors that can carry out a localization of the incident beam.
  • the calibration method preferably takes place before the start of the construction process. It can also be repeated during the construction process.
  • the calibration device is not placed directly on the carrier, but on the last solidified layer of the object to be produced. While the calibration device in the above embodiments is described as a single object that is placed on the carrier or a solidified material layer, the calibration device may also be included in the device for producing a three-dimensional object. It can then be attached, for example, to a movable arm which moves to calibrate to the desired location and positions the sensor so that its surface lies in the working plane.
  • calibration may also be performed if the sensor is not positioned in the work plane.
  • the actual values that are relevant for the working plane can be derived from the measured actual values of the beam position in another plane. This corresponds to a pure geometric conversion. This is particularly relevant when mounting the sensor system on a moving arm or measuring during the construction process.

Abstract

Eine Kalibriereinrichtung (30) für eine Vorrichtung (1) zum schichtweisen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2) durch schichtweises Verfestigen von Aufbaumaterial (10) an den dem Querschnitt des herzustellenden Objekts in der jeweiligen Schicht entsprechenden Stellen durch zumindest zwei Energiestrahlen (14a, 14b) enthält ein Gehäuse (31) und einen Sensor (32), der in dem Gehäuse angeordnet ist. Der Sensor dient zum Empfangen der zumindest zwei Energiestrahlen und zum Ausgeben eines Ausgangssignals in Abhängigkeit von der Intensität der Energiestrahlen. Das Gehäuse weist zumindest zwei Durchgangsöffnungen (34a, 34b) zum Durchlassen der zumindest zwei Energiestrahlen auf, die so angeordnet sind, dass ihre Mittelachsen sich auf einer Oberfläche des Sensors schneiden.

Description

Kalibriereinrichtung und Kalibrierverfahren für eine
Vorrichtung zum schichtweisen Herstellen eines Objekts
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kalibriereinrichtung und auf ein Kalibrierverfahren für eine Vorrichtung zum schichtweisen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Verfestigen von Aufbaumaterial an den dem Querschnitt des herzustellenden Objekts in der jeweiligen Schicht entsprechenden Stellen durch Energieeinbringung.
Eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts mittels eines Verfahrens, das unter dem Namen "Selektives Lasersintern" bekannt ist, ist in DE 10 2005 024 790 AI beschrieben.
In der DE 198 18 469 ist eine Vorrichtung offenbart, die zum Verfestigen des Aufbaumaterials zwei getrennte Laserquellen und Abstrahlvorrichtungen enthält. Zudem bringt die Anmelderin selbst seit Jahren Lasersintervorrichtungen auf den Markt, die mit einer Doppelkopfanläge ausgerüstet sind.
Ein Verfahren zum Kalibrieren einer Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts mittels einer Kalibrierungsplatte, die einen lichtempfindlichen Film enthält, ist in DE 199 18 613 AI beschrieben. Dabei belichtet der Laser Justierkreuze auf den lichtempfindlichen Film, die anschließend mit auf der Kalibrierungsplatte angebrachten Referenzkreuzen verglichen werden. Dieses Verfahren ist aufwändig und nur für einen Scanner ausgelegt. Außerdem muss das Verfahren vor dem eigentlichen Baupro- zess durchgeführt werden. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kalibriereinrichtung und ein Kalibrierverfahren bereitzustellen, mit denen eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts, die mehr als eine Strahlungsquelle verwendet, kalibriert werden und somit die Herstellungsgenauigkeit der Objekte verbessert werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kalibriereinrichtung gemäß Anspruch 1, ein Kalibrierverf hren gemäß Anspruch 6, ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß Anspruch 8 und eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß Anspruch 10. Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Die Kalibriereinrichtung ermöglicht ein Kalibierverfahren, bei dem iterativ die Positionen der einzelnen Laserstrahlen bestimmt werden, bei denen der Sensor der Kalibriereinrichtung das maximale Ausgangesignal liefert. Aus einem Vergleich dieser Positionen miteinander und/oder mit den entsprechenden Sollpositionen können Abweichungen erkannt und korrigiert werden. Dadurch wird die Vorrichtung kalibriert und damit die Herstellungsgenauigkeit der Objekte verbessert.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.
Fig. 1 ist eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum schichtweisen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts, die zum Durchführen der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Fig. 2 ist eine vergrößerte Teilschnittansicht eines in Fig. 1 gezeigten Trägers, auf dem eine Kalibriereinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeordnet ist.
Fig. 3 ist eine vergrößerte Teilschnittansicht eines in Fig. 1 gezeigten Trägers, auf dem eine Kalibriereinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeordnet ist.
Im Folgenden wird mit Bezug auf Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung beschrieben, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Die in Fig. 1 dargestellt« Vorrichtung ist eine Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 1. Zum Aufbauen des Objekts 2 enthält sie eine Prozesskammer 3 mit einer Kammerwand 4.
In der Prozesskammer 3 ist ein nach oben offener Behälter 5 mit einem vertikal (V) bewegbaren Träger 6 angeordnet, auf dem das Objekt 2 aufgebaut wird. In Fig. 1 ist das zu bildende Objekt 2 unterhalb einer Arbeitsebene 7 in einem Zwischenzustand dargestellt mit mehreren verfestigten Schichten, umgeben von unver- festigt gebliebenem Aufbaumaterial 8. Weiter sind in der Prozesskammer 3 ein Vorratsbehälter 9 für ein durch elektromagneti sehe Strahlung verfestigbares pulverförmiges Aufbaumaterial 10 und ein horizontal (H) bewegbarer Beschichter 11 zum Aufbringen des Aufbaumaterials 10 auf die Arbeitsebene 7 angeordnet.
Die Lasersintervorrichtung 1 enthält ferner eine Bestrahlungsvorrichtung 12 zum Verfestigen der aufgetragenen Pulverschicht. Die Bestrahlungsvorrichtung enthält zwei Laser 13a, 13b, von de nen jeder einen Laserstrahl 14a, 14b erzeugt, der über eine Umlenkvorrichtung 15a, 15b umgelenkt und durch eine Fokussiervor- richtung 16a, 16b über ein Einkoppelfenster 17 in der Wand der Prozesskammer 3 auf einen vorbestimmten Punkt der Arbeitsebene 7 fokussiert wird.
Schließlich enthält die Lasersintervorrichtung 1 eine Steuereinheit 18, über die die einzelnen Bestandteile der Vorrichtung in koordinierter Weise zum Durchführen des Bauprozesses gesteuert werden. Die Steuereinheit kann eine CPU enthalten, deren Betrieb durch ein Computerprogramm gesteuert wird.
Im Betrieb wird zunächst der Träger 6 um die gewünschte Schichtdicke abgesenkt, dann wird unter Verwendung des Beschichters 11 eine Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials 10 aufgetragen. Anschließend wird der Querschnitt des herzustellenden Objekts von den beiden Laserstrahlen 14a, 14b abgetastet, so dass das pulverförmige Aufbaumaterial 10 an diesen Stellen verfestigt wird. Diese Schritte werden solange wiederholt, bis das Objekt 2 fertiggestellt ist und dem Bauraum 3 entnommen werden kann.
Statt eines Objekts können auch mehrere Objekte gleichzeitig hergestellt werden. Dabei kann beispielsweise der eine Laserstrahl einen Teil der Objekte verfestigen und der andere Laserstrahl den anderen Teil der Objekte.
Durch Verwenden von zwei getrennten Laserstrahlen 14a, 14b und Umlenkvorrichtungen 15a, 15b kann ein größerer Bereich der Arbeitsebene 7 bestrahlt werden als mit nur einer Strahlungsquelle. Bei gleich bleibendem Arbeitsbereich kann dadurch, dass zwei verschiedene Bereiche gleichzeitig bestrahlt werden, die Herstellungszeit des Objekts bzw. der Objekte 2 verringert werden.
Die Bestrahlungsvorrichtung 12 kann so aufgebaut sein, dass beide Laserstrahlen 14a, 14b denselben Bereich der Arbeitsebene 7 abtasten können. Vorzugsweise haben die beiden Laserstrahlen 14a, 14b aber voneinander verschiedene Arbeitsbereiche (in Fig. 1 durch die Mittelebene 19 voneinander getrennt) . Vorzugsweise überlappen sich die Arbeitsbereiche der beiden Laserstrahlen 14a, 14b, so dass Objektabschnitte in dem Überlappungsbereich wahlweise von dem einen oder dem anderen Laserstrahl 14a, 14b abgetastet werden können.
Um sicherzustellen, dass die beide Laserstrahlen bei Eingabe desselben Zielpunktes über die Steuerung auf denselben Punkt in der Arbeitsebene fokussiert werden, muss die Bestrahlungsvorrichtung 12 kalibriert werden.
Fig. 2 zeigt im Schnitt einen Ausschnitt des in Fig. 1 gezeigten Trägers 6, auf dessen Oberfläche eine Kalibriereinrichtung 30 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeordnet ist. In dem Träger sind schematisch zwei Arbeitsbereiche 20a, 20b angedeutet, die jeweils von einem der beiden Laserstrahlen 14a, 14b abgetastet werden können, sowie ein Überlappungsbereich 21, der von beiden Laserstrahlen 14a, 14b abge- tastet werden kann. In dem Überlappungsbereich 21 fallen die Laser in der Regel schräg auf die Arbeitsebene 7 ein.
Die Kalibriereinrichtung 30 enthält ein Gehäuse 31, das ein- o- der mehrteilig ausgebildet sein kann, und einen in dem Gehäuse 31 angeordneten Sensor 32. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Gehäuse aus einem Metallblock gebildet der eine Ausnehmung aufweist, und der Sensor ist in diese Ausnehmung eingesetzt. Der Träger ist so eingestellt, dass die Oberfläche 33 des Sensors 32 in der Arbeitsebene 7 liegt, in der die Laserstrahlen 14a, 14b fokussiert sind. Der Träger 6 um einen abstand tiefer als die Arbeitsebene 7 eingestellt werden, der der Höhe der Oberfläche des Sensors über der Bodenfläche der Kalibriereinrichtung entspricht. Als Sensor kann jeder auf die Laserwellenlänge sensitive Sensor verwendet werden, z.B. optoelektronische Sensoren, die das einfallende Licht in ein elektrisches Signal umwandeln. So kann beispielsweise ein Photodetektor in Form eines Halbleiterdetektors aus Germanium oder Silizium verwendet werden. Es kann aber auch ein Thermosäulensensor (Thermopile) , vorzugsweise ein Atom- lagen-Thermopile-Sensor (ALTP, Atomic Layer Thermopile) verwendet werden, der die Laserleistung über die beim Auftreffen des Laserstrahls entstehende Wärme misst. Mit solchen Atomlagen-
Thermopile-Sensoren können sehr kurze Antwortzeiten realisiert werden.
In dem Gehäuse 31 der Kalibriereinrichtung 30 sind schräg zwei Durchgangslöcher 34a, 34b gebildet, die zum Durchlassen der beiden Laserstrahlen 14a, 14b vorgesehen sind. Dabei ist der Winkel zur Senkrechten vorzugsweise kleiner als 60°, in weiter bevorzugter Weise kleiner als 45°. Der untere Abschnitt der Durchgangslöcher 34a, 34b ist als sehr feine Bohrung (Pinhole) 35a, 35b gebildet, der obere Abschnitt als konischer Abschnitt 36a, 36b, dessen Durchmesser nach oben zunimmt. Die Bohrungen 35a, 35b sind so angeordnet, dass ihre Mittelachsen sich auf der Oberfläche 33 des optischen Sensors 32 schneiden. Im Betrieb wird diese Kalibriereinrichtung 30 an einem Messpunkt aufgesetzt, der innerhalb des Überlappungsbereichs 21 liegt. Dann steuert die Steuereinheit zunächst einen der beiden Laserstrahlen 14a, 14b so, dass er auf den Messpunkt fällt. Dabei tritt der Laserstrahl 14a, 14b durch die entsprechende Durch- gangsöffnung 34a, 34b hindurch und trifft auf die Oberfläche 33 des Sensors 32 auf. Der Sensor detektiert das auftreffende Licht und gibt ein der gemessenen Lichtintensität entsprechendes Signal ab . Iterativ wird nun die Position des Laserstrahls 14a, 14b so eingestellt, dass das von dem Sensor 32 gelieferte Signal ein Maximum erreicht. Beim Verfahren des Laserstrahls 14a, 14b über das Pinhole 35a, 35b der Durchgangsöffnung 34a, 34b liefert der Sensor 32 ein Signal mit einem glockenförmigen Verlauf. Das Maximum dieses Signals entspricht dem maximalen Durchtritt des Laserstrahls 14a, 14b durch das Pinhole 35a, 35b.
Die Genauigkeit der Messung ist dabei unter anderem durch den Durchmesser des Pinholes bestimmt. Dieser Durchmesser ist vorzugsweise so gewählt, dass er ungefähr gleich dem Durchmesser des Laserstrahls an der Messstelle ist. Ist der Durchmesser des Pinholes zu groß, hat der glockenförmige Verlauf kein ausgeprägtes Maximum, sondern ein breites Plateau, was die Genauigkeit der Positionsbestimmung verringert. Ist der Durchmesser des Pinholes zu klein, sinkt die empfangene Laserleistung, und auch in diesem Fall hat der glockenförmige Verlauf kein ausgeprägtes Maximum, was ebenfalls die Genauigkeit verringert.
Andererseits stellt der konische Abschnitt 36a, 36b sicher, dass der Laserstrahl nicht unter einem bestimmten Einfallwinkel einfallen muss, sondern dass ein bestimmter Winkelbereich zulässig ist. Außerdem vermeidet er bei Fehlpositionierung des Laserstrahls 14a, 14b störende Reflexionen. Er wirkt aber nicht fo- kussierend auf den Laserstrahl.
Vorzugsweise wird das Ausgangssignal des Sensors 32 der Steuereinrichtung 18 zugeführt, so dass das iterative Einstellen auf die Position, die einer maximale Bestrahlung des Sensors und somit einem maximales Ausgangssignal des Sensors entspricht, automatisch durch die Steuereinrichtung 18 erfolgen kann. Anschließend wird derselbe Vorgang für den zweiten Laserstrahl durchgeführt. Die Ist-Positionen, bei denen das maximale Ausgangssignal des Sensors erreicht wird, werden miteinander und/oder mit den jeweiligen Soll-Positionen verglichen. Ist- und Sollposition beziehen sich dabei auf die Darstellungen des Auf- treffpunktes des Laserstrahls auf die Arbeitsebene im Koordinatensystem der Lasersintervorrichtung. Aus den Abweichungen wird ein Korrekturwert für die Steuerung der Laserstrahlen berechnet, der bei dem anschließenden Herstellen des dreidimensionalen Ob- jekts berücksichtigt wird. Vorzugsweise werden auch die Bestimmung der Abweichung und die Korrektur automatisch durch die Steuerung 18 vorgenommen.
Da der Überlappungsbereich zweier Laserstrahlen sich in einer in Fig. 2 senkrecht zu der Zeichenebene liegenden Richtung in Form eines länglichen Streifens erstreckt, ist es vorteilhaft, die Kalibrierung zumindest an zwei Positionen an entgegengesetzten Enden des Streifens durchzuführen. Das kann dadurch erreicht werden, dass hintereinander zwei Messungen an verschiedenen Stellen mit derselben Kalibriereinrichtung durchgeführt werden, die zwischen den beiden Messungen versetzt wird, oder dass die zwei Messungen parallel mit zwei Kalibriereinrichtungen durchgeführt sind, die an verschiedenen Stellen des Überlappungsbereichs angeordnet sind. Dadurch können zusätzlich zu einem seit- liehen Versatz z.B. auch Skalierungs- und Rotationsfehler erkannt und korrigiert werden.
Für eine solche Messung an zwei verschiedenen Stellen des Überlappungsbereichs kann beispielsweise ein mit zwei Sensoren be- stückter Barren verwendet werden, wobei die beiden Sensoren an jeweils einem Ende des Barrens positioniert sind. Dieser wird dann im Baufeld auf einer vordefinierten Position im Überlappbereich positioniert. Diese Form der Kalibrierung ist genauer und einfacher durchzuführen als die im Stand der Technik beschriebene Kalibrierung mittels einer Kamera.
Fig. 3 zeigt im Schnitt einen Ausschnitt des in Fig. 1 gezeigten Trägers 6, auf dessen Oberfläche eine Kalibriereinrichtung 40 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeordnet ist.
Die Kalibriereinrichtung 40 ist ähnlich aufgebaut wie die Kalibriereinrichtung 30 und enthält wie diese ein ein- oder mehrteiliges Gehäuse 41 und einen Sensor 42. Das Gehäuse 41 enthält die zwei Durchgangslöcher 44a, 44b mit dem Pinhole 45a, 45b und dem konischen Abschnitt 46a, 46b. Diese Elemente entsprechen denen der ersten Ausführungsform und werden hier nicht noch einmal beschrieben .
Zusätzlich enthält die Kalibriereinrichtung 40 zwei Strahlteiler 47a, 47b, die jeweils in der Mittelachse der Durchgangslöcher
44a, 44b angeordnet sind, zwei Strahlungsabsorber 48a, 48b, die seitlich der Strahlungsteiler 47a, 47b angeordnet sind, und eine Trennwand 49. Der Kalibriervorgang erfolgt genauso wie bei der ersten Ausführungsform. Die zusätzlich bereitgestellten Strahlteiler 47a, 47b bewirken, dass die auf den Sensor auftreffende Lichtintensität gegenüber der ersten Ausführungsform verringert ist. Dadurch kann bei größeren Laserleistungen verhindert werden, dass der Sensor übersteuert oder gar zerstört wird, ohne dass die Laserleistung für die Kalibrierung extra heruntergeregelt werden muss, wodurch sich evtl. auch die Strahlform ändern könnte. Durch die Strahlungsabsorber 48a, 48b wird die von den Strahl - teilern 47a, 47b aus dem optischen Pfad abgelenkte Strahlung absorbiert, und die Trennwand 49 verhindert, dass Strahlung von dem einen Strahlteiler zu dem anderen gelangt.
Als Laser kann jeder zum Verfestigen des pulverförmigen Aufbau- materials geeigneter Laser verwendet werden, u.a. Gaslaser wie z.B. C02-Laser, Festkörperlaser wie z.B. NdYAG-Laser, Halbleiterlaser, Faserlaser usw.
Auch wenn die vorliegende Erfindung anhand einer Lasersinterbzw. Laserschmelzvorrichtung beschrieben wurde, ist sie nicht auf das Lasersintern oder Laserschmelzen eingeschränkt. So kann z.B. anstelle eines Lasers eine Leuchtdiode (LED), ein LED-Array oder jede andere Energie- bzw. Strahlenquelle, die geeignet ist, das pulverförmige Aufbaumaterial zu verfestigen, verwendet wer¬ den.
Insbesondere ist die Energieeinbringung nicht auf sichtbares Licht eingeschränkt, sondern kann auch durch unsichtbares Infra- rotlicht oder ultraviolette Strahlung erfolgen. Der Sensor ist dann entsprechend der verwendeten Energiequelle auszuwählen.
Die zwei Energiestrahlen müssen nicht aus zwei getrennten Energiequellen stammen, sie können auch aus einer Energiequelle durch Strahlteilung gewonnen werden und durch getrennte Umlenkvorrichtungen abgelenkt werden.
Die Anzahl der Energiestrahlen ist nicht auf zwei eingeschränkt, es können auch mehr als zwei Energiestrahlen verwendet werden. So bilden z.B. die einzelnen Arbeitsbereiche bei Vierkopfmaschinen vier benachbarte Quadrate, die sich gegenseitig überlappen Dabei kann mit den oben beschriebenen Kalibriereinrichtungen ein Kalibiervorgang in einem Überlappungsbereich von zwei Energiestrahlen durchgeführt werden. Durch Bereitstellen von vier
Durchgangsöffnungen in der Kalibriereinrichtung kann ein Kalibiervorgang aber auch in dem Überlappungsbereich aller vier Quadrate für die vier Energiestrahlen gleichzeitig durchgeführt werden. Beliebige andere Zahlen von Energiestrahlen und/oder Durchgangsöffnungen in der Kalibriereinrichtung sind ebenfalls möglich . Der obere Abschnitt 36a, 36b der Durchgangsöffnung 34a, 34b kann auch anders ausgebildet sein als konisch. Er kann in einem beliebigen Verlauf nach oben erweitert sein oder auch zylindrisch mit einem größeren Durchmesser als das Pinhole gebildet sein. Anstelle eines Sensors, der nur eine Gesamtintensität der Strahlung bestimmt, können auch Sensoren verwendet werden, die eine Ortsbestimmung des einfallenden Strahls durchführen können. So kann beispielsweise bei Verwendung eines Zwei- oder Vierquadranten-Sensors, bei dem Differenzströme zwischen benachbarten akti- ven Bereichen erfasst werden, eine genauere Ortsinformation geliefert werden, weil dann die Quadranten-Trennkante die Ortsauf- lösung bestimmt. Dadurch wird auch dann, wenn der Durchmesser des Laserstrahls kleiner als der des Pinholes ist, eine genaue Messung der Position sichergestellt. Eine solche Differenzstrom- messung ist auch bei einem Atomlagen-Thermopile-Sensor möglich.
Vorzugsweise erfolgt das Kalibrierverfahren vor dem Beginn des Bauvorgangs. Es kann aber auch während des Bauvorgangs wiederholt werden. In diesem Fall wird die Kalibiereinrichtung nicht direkt auf den Träger aufgesetzt, sondern auf die zuletzt verfestigte Schicht des herzustellenden Objekts. Während die Kalibiereinrichtung in den obigen Ausführungsformen als Einzelobjekt beschrieben ist, die auf den Träger bzw. eine verfestigte Materialschicht aufgesetzt wird, kann die Kalibiereinrichtung auch in der Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts enthalten sein. Sie kann dann beispielsweise an einem bewegbaren Arm angebracht sein, der zum Kalibrieren an die gewünschte Stelle fährt und den Sensor so positioniert, dass seine Oberfläche in der Arbeitsebene liegt.
Eine Kalibrierung kann jedoch auch durchgeführt werden, wenn der Sensor nicht in der Arbeitsebene positioniert ist. Bei bekannter Versatzhöhe können aus den gemessenen Ist-Werten der Strahlposition in einer anderen Ebene die für die Arbeitsebene relevanten Ist-Werte abgeleitet werden. Dies entspricht einer reinen geometrischen Umrechnung. Dies ist insbesondere bei der Montage des Sensorsystems auf einen beweglichen Arm oder der Messung während des Bauprozesses relevant.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Kalibriereinrichtung (30; 40) für eine Vorrichtung (1) zum schichtweisen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2) durch schichtweises Verfestigen von Auf aumaterial (10) an den dem Querschnitt des herzustellenden Objekts in der jeweiligen Schicht entsprechenden Stellen durch zumindest zwei Energiestrahlen (14a, 14b) , wobei die Kalibriereinrichtung enthält:
ein Gehäuse (31; 41) und
einen Sensor (32; 42) , der in dem Gehäuse angeordnet ist, zum Empfangen der zumindest zwei Energiestrahlen und Ausgeben eines Ausgangssignals in Abhängigkeit von der Intensität der Energiestrahlen,
wobei das Gehäuse zumindest zwei Durchgangsöffnungen (34a, 34b; 44a, 44b) zum Durchlassen der zumindest zwei Energiestrahlen aufweist, die so angeordnet sind, dass ihre Mittelachsen sich auf einer Oberfläche des Sensors schneiden.
2. Kalibriereinrichtung (30; 40) gemäß Anspruch 1,
wobei jede der zumindest zwei Durchgangsöffnungen (34a, 34b; 44a, 44b) aufweist:
einen unteren Abschnitt (35a, 35b; 45a, 45b) , der in Form einer dünnen Bohrung mit einem ersten Durchmesser gebildet ist, und
einen oberen Abschnitt (36a, 36b; 46a, 46b) , dessen Durchmesser größer als der erste Durchmesser ist.
3. Kalibriereinrichtung (40) gemäß Anspruch 2, bei der
der Durchmesser des oberen Abschnitts (36a, 36b; 46a, 46b) , nach oben zunimmt,
wobei der obere Abschnitt vorzugsweise konisch nach oben erweitert ist.
4. Kalibriereinrichtung (40) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei die Kalibriereinrichtung weiter für jede der zumindest zwei Durchgangsöffnungen (44a, 44b) je einen Strahlteiler (47a, 47b) enthält zum Auskoppeln eines Teils des entsprechenden Energiestrahls (14a, 14b) .
5. Kalibriereinrichtung (40) gemäß Anspruch 4,
wobei die Kalibriereinrichtung weiter für jeden Strahltei- 1er (47a, 47b) einen Strahlungsabsorber (47a, 47b) enthält zum Absorbieren der von dem Strahlteiler ausgekoppelten Anteile des Energiestrahls (14a, 14b) , und/oder
wobei die Kalibriereinrichtung weiter eine Trennwand (49) enthält zum optischen Entkoppeln der Strahlteiler (47a, 47b) .
6. Verfahren zum Kalibrieren einer Vorrichtung (1) zum
schichtweisen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2) durch schichtweises Verfestigen von Aufbaumaterial (10) an den dem Querschnitt des herzustellenden Objekts in der jeweiligen Schicht entsprechenden Stellen durch zumindest zwei Energiestrahlen (14a, 14b) , wobei das Verfahren die Schritte enthält:
Positionieren einer Kalibriereinrichtung (31; 41) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 in der Vorrichtung dergestalt, dass eine Oberfläche (33, 43) des Sensors (32; 42) in einem Überlap- pungsbereich (21) der zumindest zwei Energiestrahlen liegt,
iteratives Ablenken eines ersten Energiestrahls (14a) und Ermitteln einer ersten Ist-Position, bei der ein Ausgangssignal des Sensors ein Maximalsignal erreicht,
iteratives Ablenken eines zweiten Energiestrahls (14b) , und Ermitteln einer zweiten Ist-Position, bei der das Ausgangssignal des Sensors ein Maximalsignal erreicht,
Vergleichen der ersten und der zweiten Ist-Position miteinander und/oder mit entsprechenden Soll-Positionen und Ermitteln zumindest eines Korrekturwerts aus dem Vergleich.
7. Kalibrierverfahren gemäß Anspruch 6, bei dem der zumindest eine Energiestrahl zumindest ein Laserstrahl (14a, 14b) ist.
8. Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2) durch schichtweises Verfestigen von Aufbaumaterial (10) an den dem Querschnitt des herzustellenden Objekts in der jeweiligen Schicht entsprechenden Stellen durch zumindest zwei Energie- strahlen (14a, 14b), wobei das Verfahren die Schritte enthält:
Kalibrieren mittels eines Kalibrierverfahrens gemäß einem der Ansprüche 6 bis 7 und
Herstellen des Objekts unter Verwendung des bei dem Kalibrierverfahren ermittelten zumindest einen Korrekturwerts,
wobei das Herstellen des Objekts vorzugsweise mittels Lasersintern oder Laserschmelzen erfolgt.
9. Vorrichtung (1) zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2) durch schichtweises Verfestigen von Aufbaumaterial (10) an den dem Querschnitt des herzustellenden Objekts in der jeweiligen Schicht entsprechenden Stellen durch Energieeinbringung mit
einem Träger (6) , auf dem das Objekt (2) aufgebaut wird, einem Beschichter (11) zum Aufbringen einer Schicht des Auf- baumaterials (10) auf den Träger oder eine zuvor zumindest selektiv verfestigte Schicht des Aufbaumaterials ,
zumindest einer Energiequelle (13) zum Erzeugen von zumindest zwei Energiestrahlen (14a, 14b) ,
zumindest zwei Abtastvorrichtungen (15a, 15b) zum Abtasten der einem Querschnitt des herzustellenden Objektes (2) entsprechenden Stellen der aufgetragenen Schicht des Aufbaumaterials (10) mit den von zumindest zwei Energiestrahlen (14a, 14b) zum selektiven Verfestigen des pulverförmigen Aufbaumaterials (10) und
einer Kalibriervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis
5.
10. Vorrichtung (1) zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2) durch schichtweises Verfestigen von Aufbaumaterial (10) an den dem Querschnitt des herzustellenden Objekts in der jeweiligen Schicht entsprechenden Stellen durch Energieeinbrin- gung mit
einem Träger (6) , auf dem das Objekt (2) aufgebaut wird, einem Beschichter (11) zum Aufbringen einer Schicht des Auf- baumaterials (10) auf den Träger oder eine zuvor zumindest selektiv verfestigte Schicht des Aufbaumaterials ,
zumindest einer Energiequelle (13) zum Erzeugen von zumindest zwei Energiestrahlen (14a, 14b) ,
zumindest zwei Abtastvorrichtungen (15a, 15b) zum Abtasten der einem Querschnitt des herzustellenden Objektes (2) entsprechenden Stellen der aufgetragenen Schicht des Aufbaumaterials (10) mit den von zumindest zwei Energiestrahlen (14a, 14b) zum selektiven Verfestigen des pulverförmigen Aufbaumaterials (10) und
einer Steuereinheit (18) zum Steuern des Betriebs der Vorrichtung,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit daran ange- passt ist, die Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8 zu steuern.
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