WO2015010855A1 - Vorrichtung und verfahren zum schichtweisen herstellen eines dreidimensionalen objekts - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum schichtweisen herstellen eines dreidimensionalen objekts Download PDF

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WO2015010855A1
WO2015010855A1 PCT/EP2014/063778 EP2014063778W WO2015010855A1 WO 2015010855 A1 WO2015010855 A1 WO 2015010855A1 EP 2014063778 W EP2014063778 W EP 2014063778W WO 2015010855 A1 WO2015010855 A1 WO 2015010855A1
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building material
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energy
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PCT/EP2014/063778
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Jochen Philippi
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Eos Gmbh Electro Optical Systems
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for producing a three-dimensional object in layers by solidification of building material at the locations corresponding to the cross section of the object to be manufactured in the respective layer by energy input.
  • EP 1 296 788 B1 for detecting the surface properties of a surface layer in the powder bed, a camera is used which detects the occurrence of surface irregularities from shadows formed by irregularities on the surface.
  • DE 103 10 385 B4 describes the use of a strip projector with lateral light incidence for the optical highlighting of furrows in the applied layer.
  • the resulting optical patterns on the layer are detected and evaluated by a camera.
  • the component is detected by means of an optical camera for monitoring the production process. By overlaying the captured image with a Target image deviations can be detected. Preferably, a 2D image processing of the last generated layer is performed to recognize its outlines.
  • infrared light is used instead of visible light to take pictures.
  • the illumination sources used here are the radiant heaters, which are provided for warming up the powder.
  • the object of the present invention is to provide an apparatus and a method for producing a three-dimensional object by layer-wise solidifying powdery starting material in which the quality control of the last-applied layer is improved.
  • 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.
  • Figs. 2a to 2d are schematic plan views of a work surface of the apparatus shown in Fig. 1 showing various arrangements of lighting devices relative to a camera.
  • 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 2 to be formed is shown below a working plane 7 in an intermediate state with several solidified layers surrounded by unresolved build-up material 8.
  • a reservoir 10 for a pulverulent build-up material 11 solidifiable by electromagnetic radiation is provided in the process chamber 3 and a horizontally (H) movable coater 12 for applying the build material 11 to the work plane 7.
  • the laser sintering apparatus 1 further includes a laser 13 which generates a laser beam 14, which is deflected by a deflection device 15 and by a focusing device 16 via an input coupling window 17 is focused in the wall of the process chamber 3 to a predetermined point of the working plane 7.
  • the laser sintering device 1 further includes a camera 18 for taking pictures of the applied in the working plane 7 layer of powdered building material 11 and for outputting the recorded images in the form of electrical signals and at least two light sources 19 for illuminating the working plane 7 for recording the images.
  • the laser sintering apparatus 1 includes a control unit 20 via which the individual components of the apparatus are controlled in a coordinated manner for carrying out the building process.
  • the control unit also contains a device for processing and evaluating the images supplied by the camera.
  • 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, and then, using the coater 12, a layer of the powdered building material 11 is applied. Subsequently, the cross-section of the object to be produced is scanned by the laser beam 14, so that the pulverulent build-up material 11 is solidified at these points. These steps are repeated until the object is completed and can be removed from the installation space.
  • a coarser-grained particle entrained by the coater can draw grooves into the powder layer, which run in the coating direction.
  • the coater can be excited when driving over protruding solidified parts (eg, a bead formed at the edge of the component when solidifying the previous layer) to a vibration, which leads to a wave-like application of the powder layer.
  • protruding solidified parts eg, a bead formed at the edge of the component when solidifying the previous layer
  • strips are formed parallel to the coater blade, ie perpendicular to the coating direction.
  • an illumination obliquely from above is used. It depends on the three - dimensional structure of the
  • a plurality of light sources are arranged so as to illuminate the working plane from different directions. Not only is an image of the powder layer taken, but at least two images with mutually different directions of illumination.
  • Structures eg edges or waves that are perpendicular to the respective illumination direction (horizontal component of the direction of the incident light) can be seen particularly well (in the plan view of the working plane). Structures that run in the respective illumination direction, however, are hardly recognizable. Because the irregularities of the layer surface but Depending on the cause, they may not be able to see all the structures when shooting with a single light source. Although the inclusion of a single image with a second (and possibly further) light sources with other illumination directions leads to irregularities that also extend in other directions, the contrast of the structures perpendicular to the first illumination direction is reduced by the further light sources so that they are worse to detect. The inclusion of at least two images with different directions of illumination causes irregularities in different directions to be seen without reducing the contrast of the individual structures in the image.
  • FIGS. 2a to 2d by way of example (but not limitation), four different arrangements of light sources 19 relative to a camera 18 are shown in plan view. Other parts of the laser sintering device are omitted for clarity.
  • FIG. 2a A first variant is shown in FIG. 2a.
  • Two images of the powder layer are taken, one with only one light source and only with the other light source as illumination.
  • the illumination directions of the two images also differ by 90 °.
  • a reference image may have been recorded in advance in order to detect a possible change in the illuminance of the respective light source across the field of view of the camera. believe it.
  • the further processing of the images is done with known methods of image processing.
  • image processing e.g. with gradient, edge and similar image filters, the structures of the surface can be extracted from the recorded images, or a method known as "shape from shading" can be used to obtain the surface structure from the brightness distribution.
  • the two images are evaluated separately.
  • the results obtained from the individual images are then combined with each other in retrospect.
  • the individual images are added to an overall image after the above-described and possibly further preprocessing steps, and the structures are extracted from the overall image.
  • the number of light sources is not limited to two.
  • the method described above can also be carried out after the introduction of energy to check whether ever introduced energy and thereby powder was solidified, or whether the dimensions and positions of the solidified areas coincide with the predetermined nominal cross sections.
  • the surface quality of the solidified surfaces can be evaluated by determining, for example, roughness or whiteness values or texture information using suitable classifiers. This information allows conclusions to be drawn about the quality of the process control and, when using metal powders, it can also be compared with the position of the individual weld beads or the overlap zones of individual filling areas.
  • optical light sources are preferably used. Because of the existing in the near infrared sensitivity of the common
  • image sensors can also use near infrared light sources.
  • halogen lamps are particularly well suited as light sources.
  • the lighting can also be LED lighting or lighting via fiber optics. Further, the illumination may be triggered on the image, e.g. as a flash. It can also serve as machine interior lighting in dimmed operation and be briefly activated for higher luminosity when taking pictures.
  • the present invention has been described with reference to a laser sintering or laser melting apparatus, it is not limited to laser sintering or laser melting. It can be applied to any methods of manufacturing a three-dimensional object by coating and selectively solidifying a powdery building material by the action of energy.
  • the laser can, for example, a
  • a laser for example, a light emitting diode (LED), an LED array, an electron beam or any other energy or radiation source, which is suitable for solidifying the powdery Aufaaterial, can be used.
  • the invention can also be applied to selective mask sintering, in which a mask and an extended light source are used instead of a laser beam, or to absorption or inhibtition sintering.
  • the invention generally relates to the manufacture of an entire object solely by means of coating and selective solidification of a powdered building material.
  • the building material various types of powders can be used, as are customary for laser sintering or laser melting, in particular metal or plastic powder or filled or mixed powders.
  • the process according to the invention can be used particularly advantageously for metal powder.

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Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2) durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines pulverförmigen Aufbaumaterials (11) durch Einwirkung von Energie (14) enthält einen Schritt des Aufbringens einer Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials (11) auf einen Träger (6) oder eine zuvor aufgetragene und zumindest selektiv verfestigte Schicht des Aufbaumaterials und einen Schritt des Abtastens der einem Querschnitt des herzustellenden Objektes (2) entsprechenden Stellen der aufgetragenen Schicht mit einem Energiestrahl (14) aus einer Energiequelle (13) zum selektiven Verfestigen des pulverförmigen Aufbaumaterials (11). Von einer frisch aufgetragenen und/oder von einer bereits selektiv verfestigten Pulverschicht werden zumindest zwei Bilder mit voneinander verschiedenen Beleuchtungsrichtungen aufgenommen, und aus einer Auswertung der aufgenommenen Bilder werden Unregelmäßigkeiten der Schicht-Oberfläche bestimmt.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum schichtweisen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum schichtweisen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Verfestigen von Aufbaumaterial an den dem Querschnitt des herzustellenden Objektes in der jeweiligen Schicht entsprechenden Stellen durch Energieeinbringung .
Solch ein Verfahren, das unter dem Namen "Selektives Lasersintern" bekannt ist, sowie eine zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind in der DE 10 2005 024 790 AI beschrieben.
In der EP 1 296 788 Bl wird zum Erfassen der Oberflächeneigenschaften einer Oberflächenschicht in dem Pulverbett eine Kamera verwendet, die das Auftreten von Oberflächenunregelmäßigkeiten anhand von Schatten erfasst, die durch Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche gebildet werden.
In der DE 103 10 385 B4 ist die Verwendung einer Streifenprojektors mit seitlichen Lichteinfalls zum optischen Hervorheben von Furchen in der aufgebrachten Schicht beschrieben. Die dadurch entstehenden optischen Muster auf der Schicht werden von einer Kamera erfasst und ausgewertet.
In der DE 10 2011 009 624 AI wird zur Überwachung des Fertigungsprozesses das Bauteil mittels einer optischen Kamera erfasst . Mittels Überlagerung des aufgenommenen Bildes mit einem Sollbild können Abweichungen erkannt werden. Vorzugsweise wird eine 2D-Bildverarbeitung der zuletzt erzeugten Schicht zur Erkennung ihrer Umrisse durchgeführt. In der DE 10 2007 056 984 AI wird anstelle von sichtbarem Licht Infrarotlicht zur Aufnahme von Bildern verwendet. Als Beleuchtungsquellen dienen dabei die Heizstrahler, die zum Aufwärmen des Pulvers bereitgestellt sind. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch schichtweises Verfestigen von pulverförmigem Ausgangsmaterial bereitzustellen, bei denen die Qualitätsüberwachung der zuletzt aufgebrachten Schicht verbessert ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, eine Vorrichtung gemäß Anspruch und ein Computerprogramm gemäß Anspruch 12. Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Durch die Aufnahme mehrerer Bilder mit unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen und die Bestimmung der Oberflächenstruktur der aufgetragenen Schicht aus diesen Bildern ist es möglich, Unregelmäßigkeiten der Schichtoberfläche unabhängig davon, in wel- eher Richtung sie verlaufen, besser zu erfassen. Bei der Aufnahme einer frisch aufgetragenen Pulverschicht können dann die Unregelmäßigkeiten durch eine Wiederholung des Beschichtungsvor- gangs korrigiert werden. 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. 2a bis 2d sind schematische Draufsichten auf eine Arbeitsfläche der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung, die verschiedene Anordnungen von Beleuchtungseinrichtungen relativ zu einer Kamera zeigen.
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 dargestellte 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 10 für ein durch elektromagnetische Strahlung verfestigbares pulverförmiges Aufbaumaterial 11 und ein horizontal (H) bewegbarer Beschichter 12 zum Aufbringen des Aufbaumaterials 11 auf die Arbeitsebene 7 angeordnet.
Die Lasersintervorrichtung 1 enthält ferner einen Laser 13, der einen Laserstrahl 14 erzeugt, der über eine Umlenkvorrichtung 15 umgelenkt und durch eine Fokussiervorrichtung 16 über ein Ein- koppelfenster 17 in der Wand der Prozesskammer 3 auf einen vorbestimmten Punkt der Arbeitsebene 7 fokussiert wird.
Die Lasersintervorrichtung 1 enthält weiter eine Kamera 18 zur Aufnahme von Bildern der in der Arbeitsebene 7 aufgebrachten Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials 11 und zum Ausgeben der aufgenommenen Bilder in Form elektrischer Signale sowie zumindest zwei Lichtquellen 19 zum Ausleuchten der Arbeitsebene 7 für die Aufnahme der Bilder.
Schließlich enthält die Lasersintervorrichtung 1 eine Steuereinheit 20, über die die einzelnen Bestandteile der Vorrichtung in koordinierter Weise zum Durchführen des Bauprozesses gesteuert werden. Die Steuereinheit enthält auch eine Vorrichtung zur Ver- arbeitung und Auswertung der von der Kamera gelieferten Bilder. Die Steuereinheit kann eine CPU enthalten, deren Betrieb durch ein Computerprogramm gesteuert wird.
Im Betrieb wird zunächst der Träger 6 um die gewünschte Schicht- dicke abgesenkt, und dann wird unter Verwendung des Beschichters 12 eine Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials 11 aufgetragen. Anschließend wird der Querschnitt des herzustellenden Objekts von dem Laserstrahl 14 abgetastet, so dass das pulverför- mige Aufbaumaterial 11 an diesen Stellen verfestigt wird. Diese Schritte werden solange wiederholt, bis das Objekt fertiggestellt ist und dem Bauraum entnommen werden kann.
Bei dem Aufbringen der Schicht des pulverförmigen Aufbaumateri- als kann es zu unterschiedlichen Störungen und damit zu Unregel- mäßigkeiten in der aufgebrachten Schicht kommen. So kann z.B. ein von dem Beschichter mitgezogener grobkörnigerer Partikel Riefen in die Pulverschicht ziehen, die in der Beschichtungs- richtung verlaufen. Insbesondere bei der Verwendung von Metall- pulver kann der Beschichter beim Überfahren vorstehender verfestigter Teile (z.B. einer beim Verfestigen der vorigen Schicht gebildeter Wulst am Bauteilrand) zu einer Vibration angeregt werden, die zu einem wellenförmigen Auftrag der Pulverschicht führt . Somit entstehen Streifen parallel zu der Beschichterklinge, also senkrecht zu der Beschichtungsrichtung . Bei einem Fehler in der Pulverzufuhr kann es vorkommen, dass in Teilbereichen der Arbeitsebene kein Schichtauftrag erfolgt. Auch bei der selektiven Verfestigung der Pulverschicht kann es zu Unregelmäßigkeiten kommen.
Um solche Unregelmäßigkeiten der Schichtoberfläche sichtbar zu machen, wird eine Beleuchtung von schräg oben verwendet. Dabei kommt es abhängig von der dreidimensionalen Struktur der
Schichtoberfläche zu einer Schattenbildung und/oder durch Reflexion des einfallenden Lichts an schrägen Strukturen abhängig von deren Richtung zu einer erhöhten oder erniedrigten Helligkeit an den entsprechenden Stellen des Bildes. Dieser letzte Effekt ist besonders ausgeprägt bei der Verwendung von Metallpulver als Aufbaumaterial .
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind mehrere Lichtquellen (zumindest zwei) so angeordnet, dass sie die Arbeitsebene aus verschiedenen Richtungen beleuchten. Es wird nicht nur ein Bild der Pulverschicht aufgenommen, sondern zumindest zwei Bilder mit voneinander verschiedenen Beleuchtungsrichtungen.
Dabei sind Strukturen (z.B. Kanten oder Wellen) besonders gut zu erkennen, die (in der Draufsicht auf die Arbeitsebene) senkrecht zu der jeweiligen Beleuchtungsrichtung (Horizontalkomponente der Richtung des einfallenden Lichts) liegen. Strukturen, die in der jeweiligen Beleuchtungsrichtung verlaufen, sind dagegen kaum zu erkennen. Da die Unregelmäßigkeiten der Schichtoberfläche aber je nach Ursache verschiedene Richtungen haben, sind bei Aufnahmen mit einer einzigen Lichtquelle möglicherweise nicht alle Strukturen zu erkennen. Die Aufnahme eines einzigen Bildes mit einer zweiten (und evtl. weiteren) Lichtquellen mit anderen Beleuchtungsrichtungen führt zwar dazu, dass auch in andere Richtungen verlaufende Unregelmäßigkeiten zu erkennen sind, allerdings wird durch die weiteren Lichtquellen der Kontrast der senkrecht zu der ersten Beleuchtungsrichtung verlaufenden Strukturen verringert, so dass diese schlechter zu detektieren sind. Die Aufnahme von zumindest zwei Bildern mit voneinander verschiedenen Beleuchtungsrichtungen führt dazu, dass in verschiedene Richtungen verlaufende Unregelmäßigkeiten zu erkennen sind, ohne den Kontrast der einzelnen Strukturen in dem Bild zu verringern .
In Fig. 2a bis 2d sind beispielhaft (aber nicht einschränkend) vier verschiedene Anordnungen von Lichtquellen 19 relativ zu einer Kamera 18 in der Draufsicht dargestellt. Andere Teile der Lasersintervorrichtung sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
Eine erste Variante ist in Fig. 2a gezeigt. Darin sind zwei Lichtquellen dargestellt, die (in der Draufsicht auf die Arbeitsebene) in einem Winkel von α = 90° zueinander angeordnet sind. Beide Lichtquellen sind einzeln ansteuerbar.
Es werden zwei Bilder der Pulverschicht aufgenommen, einmal nur mit der einen Lichtquelle und einmal nur mit der anderen Lichtquelle als Beleuchtung. Die Beleuchtungsrichtungen der beiden Bilder unterscheiden sich demnach ebenfalls um 90°. Für jede der Lichtquellen kann im Voraus ein Referenzbild aufgenommen worden sein, um eine eventuelle Änderung der Beleuchtungsstärke der jeweiligen Lichtquelle über das Bildfeld der Kamera hinweg zu er- fassen. Durch Verknüpfung der aufgenommenen Bilder der Pulverschicht mit den entsprechenden Referenzbildern kann diese unterschiedliche Beleuchtungsstärke kompensiert werden.
Die weitere Verarbeitung der Bilder erfolgt mit bekannten Verfahren der Bildverarbeitung. So können z.B. mit Gradienten-, Kanten- und ähnlichen Bildfiltern die Strukturen der Oberfläche aus den aufgenommenen Bildern extrahiert werden, oder es kann ein unter dem Namen "Shape from Shading" bekanntes Verfahren zur Gewinnung der Oberflächenstruktur aus der Helligkeitsverteilung verwendet werden .
Dabei kann auf zweierlei Weise vorgegangen werden: Bei einer ersten Alternative werden die beiden Bilder getrennt voneinander ausgewertet. Die aus den einzelnen Bildern gewonnenen Ergebnisse (Einzelstrukturen) werden dann im Nachhinein miteinander kombiniert. Bei einer zweiten Alternative werden die Einzelbilder nach dem oben beschriebenen und evtl. weiteren Vorverarbeitungs- schritten zu einem Gesamtbild addiert, und die Extraktion der Strukturen erfolgt aus dem Gesamtbild.
Auch wenn ein Winkel von 90° zwischen den beiden Lichtquellen gute Ergebnisse liefert, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf eingeschränkt. Fig. 2b zeigt eine weitere Anordnung, bei der zwei einzeln steuerbare Lichtquellen in einem Winkel von α = 120° zueinander angeordnet sind. Aber auch beliebige andere Winkel sind möglich. Während bei einem Winkel von α = 180° zwar keine zusätzlichen Strukturen erfassbar sind, kann es dennoch sein, dass sich die Erkennbarkeit bei einem Lichteinfall von der entgegengesetzten Seite verbessert ist. Vorteilhaft ist ein Winkel in einem Bereich von 45° < < 135°. Die Anzahl der Lichtquellen ist nicht auf zwei eingeschränkt. So zeigt Fig. 2c eine Anordnung, bei der vier einzeln steuerbare Lichtquellen in einem Winkel von = 90° zueinander angeordnet sind, und Fig. 2d zeigt eine Anordnung, bei der sechs einzeln steuerbare Lichtquellen in einem Winkel von α = 60° zueinander angeordnet sind. Es sind jedoch eine beliebige Anzahl von Lichtquellen und beliebige Winkel zwischen ihnen möglich, und die Winkel zwischen den Lichtquellen müssen auch nicht untereinander gleich sein.
Bei der in Fig. 2c gezeigten Anordnung können vier Bilder aufgenommen werden, jedes mit einer anderen der vier Lichtquellen. Es kann aber auch ein erstes Bild mit zwei senkrecht zueinander angeordneten Lichtquellen aufgenommen werden und ein zweites Bild mit den zwei anderen Lichtquellen. Ähnliches gilt für die in Fig. 2d gezeigte und weitere mögliche Anordnungen. Wesentlich ist, dass zumindest zwei Bilder aufgenommen werden, die sich in der Beleuchtungsrichtung voneinander unterscheiden. Wenn die gemäß dem oben beschriebenen Verfahren erfassten Unregelmäßigkeiten der Pulveroberfläche größer sind als eine vorgegebene Toleranzschwelle oder auf Teilbereichen der Arbeitsebene, in denen das Objekt gebildet werden soll, kein Pulverauftrag erfolgte, kann ohne Höhenverstellung des Trägers ein erneuter Be- schichtungsvorgang zur Korrektur der Unregelmäßigkeiten durchgeführt werden. Unregelmäßigkeiten außerhalb der Bereiche, in denen das Objekt gebildet werden soll, können dagegen ignoriert werden. Statt oder zusätzlich zu einer Überprüfung der frisch aufgetragenen Schicht kann das oben beschriebene Verfahren auch nach dem Einbringen der Energie erfolgen, um zu prüfen, ob überhaupt Energie eingebracht und dadurch Pulver verfestigt wurde, oder ob die Abmaße und Positionen der verfestigten Bereiche mit den vorgegebenen Sollquerschnitten übereinstimmen. Ausserdem kann die Oberflächenqualität der verfestigten Flächen ausgewertet werden, indem über geeignete Klassifikatoren z.B. Rauhigkeits- oder Wel- ligkeitswerte oder Texturinformationen ermittelt werden. Diese Informationen lassen Rückschlüsse auf die Qualität der Prozessführung zu und können bei Verwendung von Metallpulvern auch mit der Lage der einzelnen Schweißraupen oder den Überlappzonen einzelner Füllbereiche abgeglichen werden.
Als Lichtquelle für die Beleuchtung der Arbeitsebene werden vorzugsweise optische Lichtquellen verwendet. Wegen der auch im nahen Infrarotbereich bestehenden Sensitivität der gängigen
Bildsensoren können jedoch auch Quellen für Nahinfrarotlicht verwendet werden. Bei den in einer Lasersintervorrichtung normalerweise herrschenden Temperaturen sind vor allem Halogenstrahler gut als Lichtquellen geeignet. Die Beleuchtung kann auch eine LED-Beleuchtung oder eine Beleuchtung über Glasfasern sein. Weiter kann die Beleuchtung auf die Aufnahme getriggert sein, z.B. als Blitzlicht. Sie kann auch in gedimmtem Betrieb als Ma- schineninnenbeleuchtung dienen und bei Bildaufnahme kurzzeitig auf höhere Leuchtkraft angesteuert werden.
Auch wenn die vorliegende Erfindung anhand einer Lasersinter- bzw. Laserschmelzvorrichtung beschrieben wurde, ist sie nicht auf das Lasersintern oder Laserschmelzen eingeschränkt. Sie kann auf beliebige Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines pulverförmigen Aufbaumaterials durch Einwirkung von Energie angewendet werden. Der Laser kann beispielsweise eine
Laserdiode oder ein Laserdiodenarray sein. Anstelle eines Lasers können beispielsweise eine Leuchtdiode (LED) , ein LED-Array, ein Elektronenstrahl oder jede andere Energie- bzw. Strahlenquelle, die geeignet ist, das pulverförmige Auf aumaterial zu verfestigen, verwendet werden. Auch auf das selektive Maskensintern, bei dem anstelle eines Laserstrahls eine Maske und eine ausgedehnte Lichtquelle verwendet werden, oder auf das Absorbtions- bzw. In- hibitionssintern kann die Erfindung angewendet werden. Insbesondere bezieht sich die Erfindung allgemein auf das Herstellen eines gesamten Objekts allein mittels schichtweisen Auftragens und selektiven Verfestigens eines pulverförmigen Aufbaumaterials . Als Aufbaumaterial können verschiedene Arten von Pulver verwendet werden, wie sie für das Lasersintern bzw. Laserschmelzen üblich sind, insbesondere Metall- oder Kunststoffpulver oder gefüllte oder gemischte Pulver. Besonders vorteilhaft lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren für Metallpulver einsetzen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2) durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines pulverförmigen Aufbaumaterials (11) durch Einwirkung von Energie (14) , mit den Schritten:
Aufbringen einer Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials (11) auf einen Träger (6) oder eine zuvor aufgetragene und zu- mindest selektiv verfestigte Schicht des Aufbaumaterials und
Abtasten der einem Querschnitt des herzustellenden Objektes (2) entsprechenden Stellen der aufgetragenen Schicht mit einem Energiestrahl (14) aus einer Energiequelle (13) zum selektiven Verfestigen des pulverförmigen Aufbaumaterials (11)
dadurch gekennzeichnet, dass von einer frisch aufgetragenen und/oder einer bereits selektiv verfestigten Pulverschicht zumindest zwei Bilder mit voneinander verschiedenen Beleuchtungs - richtungen aufgenommen werden und
aus einer Auswertung der aufgenommenen Bilder Unregelmäßig- keiten der Schichtoberfläche bestimmt werden.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem
zwei Bilder mit zwei voneinander verschiedenen Beleuchtungsrichtungen aufgenommen werden,
wobei ein Winkel (oc) zwischen den zwei Beleuchtungsrichtungen in einem Bereich von 45° bis 135° liegt, vorzugsweise 90° beträgt .
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2 , bei dem
im Voraus für jede Beleuchtungsrichtung ein Referenzbild aufgenommen wird zum Erfassen einer eventuellen Änderung der Beleuchtungsstärke über das Bildfeld hinweg und jedes der zumindest zwei aufgenommenen Bilder der Pulverschicht mit dem entsprechenden Referenzbild verknüpft wird zum Kompensieren dieser Änderung der Beleuchtungsstärke.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem
die Bestimmung der Unregelmäßigkeiten der Schichtoberfläche aus einer getrennten Auswertung der aufgenommenen Bilder erfolgt .
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem
die aufgenommenen Bilder zu einem Gesamtbild kombiniert werden und
die Bestimmung der Unregelmäßigkeiten der Schichtoberfläche aus einer Auswertung des Gesamtbilds erfolgt.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem
die zumindest zwei Bilder mit voneinander verschiedenen Beleuchtungsrichtungen von einer frisch aufgetragenen Pulverschicht aufgenommen werden und
der Schritt des Aufbringen der Pulverschicht wiederholt wird, wenn die erfassten Unregelmäßigkeiten einen vorbestimmten Schwellwert überschreiten.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Energie als elektromagnetische Strahlung (14) eingebracht wird, vorzugsweise als Strahlung eines Lasers (13) .
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Aufbaumaterial (11) ein Metallpulver ist.
9. Vorrichtung (1) zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2) durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfes- tigen eines pulverförmigen Auf auraaterials (11) durch Einwirkung von Energie (14) mit
einem Träger (6) , auf dem das Objekt (2) aufgebaut wird, einem Beschichter (12) zum Aufbringen einer Schicht des Auf- baumaterials (11) auf den Träger oder eine zuvor zumindest selektiv verfestigte Schicht des Aufbaumaterials ,
einer Energiequelle (13) zum Erzeugen eines Energiestrahls (14) ,
einer Abtastvorrichtung (15, 16) zum Abtasten der einem Querschnitt des herzustellenden Objektes (2) entsprechenden
Stellen der aufgetragenen Schicht des Aufbaumaterials (11) mit dem Energiestrahl (14) zum selektiven Verfestigen des pulverförmigen Aufbaumaterials (11) ,
einer Kamera (18) zur Aufnahme optischer Bilder der aufge- tragenen Schicht des Aufbaumaterials (11) ,
zumindest zwei einzeln ansteuerbaren Lichtquellen (19) zum Beleuchten der aufgetragenen Schicht des Aufbaumaterials (11) , und
einer Steuereinheit (20) zum Steuern des Auftragens einer Schicht, des Einbringens der Energie, der Lichtquellen und der Kamera sowie zum Auswerten der von der Kamera gelieferten Bilder,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit daran ange- passt ist, die Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens ge- mäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zu steuern.
10. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 9, bei der
zwei einzeln ansteuerbare Lichtquellen (19) bereitgestellt sind und
die zwei einzeln ansteuerbaren Lichtquellen (19) so angeordnet sind, dass ihre jeweiligen Beleuchtungsrichtungen einen Winkel (a) bilden, der in einem Bereich von 45° bis 135° liegt und vorzugsweise 90° beträgt.
11. Vorrichtung gemäß Anspruch 9 oder 10, bei dem die Energiequelle ein Laser (13) ist.
12. Computerprogramm, das in der Lage ist, wenn es ausgeführt wird, eine Vorrichtung (1) zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes (2) durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines pulverförmigen Aufbaumaterials (11) durch Einwirkung von Energie (14) so zu steuern, dass sie ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 durchführt.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016015695A1 (de) * 2014-07-30 2016-02-04 MTU Aero Engines AG Kamerabasierte rauheitsbestimmung für generativ hergestellte bauteile
CN105642882A (zh) * 2016-03-22 2016-06-08 西安铂力特激光成形技术有限公司 一种钨及钨合金零件的制备方法
CN105665706A (zh) * 2016-03-22 2016-06-15 西安铂力特激光成形技术有限公司 一种金属材料制件的制备方法
CN108283008A (zh) * 2015-07-09 2018-07-13 西门子公司 用于监测基于粉末床地增材制造构件的过程的方法和相关设备

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015204800B3 (de) * 2015-03-17 2016-12-01 MTU Aero Engines AG Verfahren und Vorrichtung zur Qualitätsbeurteilung eines mittels eines additiven Herstellungsverfahrens hergestellten Bauteils
DE102015207254A1 (de) 2015-04-21 2016-12-01 Eos Gmbh Electro Optical Systems Vorrichtung und Verfahren zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Objektes
EP3159081B1 (de) 2015-10-21 2023-12-06 Nikon SLM Solutions AG Anordnung zum auftragen von pulver mit zwei kameras
DE102016207059A1 (de) * 2016-04-26 2017-10-26 MTU Aero Engines AG Verfahren und Vorrichtung zum additiven Herstellen zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils
CN106312062B (zh) * 2016-08-02 2018-09-25 西安铂力特增材技术股份有限公司 一种检验铺粉质量的方法及增材制造设备
DE102017202088A1 (de) 2017-02-09 2018-08-09 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum pulverbettbasierten additiven Herstellen eines Werkstücks, Computerprogrammprodukt zum Ausführen dieses Verfahrens, vorzugsweise auf einem Datenträger, und Maschine zum pulverbettbasierten additiven Herstellen
WO2018204608A1 (en) 2017-05-05 2018-11-08 Formlabs, Inc. Illumination techniques in additive fabrication and related systems and methods
DE102018218991A1 (de) * 2018-11-07 2020-05-07 Trumpf Laser Und Systemtechnik Gmbh Verfahren zum Betreiben einer Fertigungseinrichtung und Fertigungseinrichtung zum additiven Fertigen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial
DE102019009301B4 (de) 2019-12-18 2023-10-26 Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks
DE102019134987B4 (de) * 2019-12-18 2022-05-25 Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks
AT17186U1 (de) * 2020-03-11 2021-08-15 Progress Maschinen & Automation Ag 3D-Druckvorrichtung, insbesondere für die Bauindustrie

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040026807A1 (en) * 2000-04-27 2004-02-12 Lars-Erik Andersson Device and arrangement for producing a three-dimensional object
DE102007056984A1 (de) * 2007-11-27 2009-05-28 Eos Gmbh Electro Optical Systems Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts mittels Lasersintern
DE102011009624A1 (de) * 2011-01-28 2012-08-02 Mtu Aero Engines Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Prozessüberwachung

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10310385B4 (de) 2003-03-07 2006-09-21 Daimlerchrysler Ag Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Körpern mittels pulverbasierter schichtaufbauender Verfahren
DE102005024790A1 (de) 2005-05-26 2006-12-07 Eos Gmbh Electro Optical Systems Strahlungsheizung zum Heizen des Aufbaumaterials in einer Lasersintervorrichtung
DE202006011022U1 (de) * 2006-07-14 2007-12-06 I-Mes Gmbh Scanner

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040026807A1 (en) * 2000-04-27 2004-02-12 Lars-Erik Andersson Device and arrangement for producing a three-dimensional object
DE102007056984A1 (de) * 2007-11-27 2009-05-28 Eos Gmbh Electro Optical Systems Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts mittels Lasersintern
DE102011009624A1 (de) * 2011-01-28 2012-08-02 Mtu Aero Engines Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Prozessüberwachung

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016015695A1 (de) * 2014-07-30 2016-02-04 MTU Aero Engines AG Kamerabasierte rauheitsbestimmung für generativ hergestellte bauteile
CN108283008A (zh) * 2015-07-09 2018-07-13 西门子公司 用于监测基于粉末床地增材制造构件的过程的方法和相关设备
CN105642882A (zh) * 2016-03-22 2016-06-08 西安铂力特激光成形技术有限公司 一种钨及钨合金零件的制备方法
CN105665706A (zh) * 2016-03-22 2016-06-15 西安铂力特激光成形技术有限公司 一种金属材料制件的制备方法
CN105642882B (zh) * 2016-03-22 2019-01-18 西安铂力特增材技术股份有限公司 一种钨及钨合金零件的制备方法

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