WO2016026853A1 - Vorrichtung und verfahren zum herstellen von dreidimensionalen objekten - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum herstellen von dreidimensionalen objekten Download PDF

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WO2016026853A1
WO2016026853A1 PCT/EP2015/068939 EP2015068939W WO2016026853A1 WO 2016026853 A1 WO2016026853 A1 WO 2016026853A1 EP 2015068939 W EP2015068939 W EP 2015068939W WO 2016026853 A1 WO2016026853 A1 WO 2016026853A1
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building
chamber
construction
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PCT/EP2015/068939
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Frank Herzog
Florian DR. BECHMANN
Fabian Zeulner
Tobias BOKKES
Marie-Christin EBERT
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Cl Schutzrechtsverwaltungs Gmbh
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    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes

Definitions

  • the invention relates to a device for producing three-dimensional objects by successively solidifying layers of a radiation-hardenable building material at the locations corresponding to the respective cross-section of the object, with a building chamber in which a carrying device for carrying the object is arranged with a height-adjustable support Irradiation device for irradiating layers of the building material at the locations corresponding to the respective cross-section of the object and an image recording device for receiving at least one image data set which images the construction chamber.
  • image pickup device When referred to above as an image pickup device, so are also including devices that use a C-MOS or CCD technique, i. Devices in which an image is generated from individual pixel data.
  • image pickup device should therefore be understood to include such electronic devices as well.
  • Forming methods are known in which a material is solidified in layers at predetermined locations so as to build a three-dimensional object. Basically, fluids such as in stereolithography or powders such as laser sintering (SLS) or laser melting (LSM) can be solidified. The already processed layers are lowered in layers and a new layer applied to solidify the building material in the desired places.
  • SLS laser sintering
  • LSM laser melting
  • EP 2 032 345 B1 teaches a device for selective laser powder processing in which the camera or the photodiode array or the CCD array is guided to the laser beam for solidifying the powder.
  • the image recording device can be calibrated by means of position marking or position markings in the construction chamber. It has been found that the inaccuracies in the further use of the image data of the image recording device are position-dependent and thus a dependence of information from the place in the image is present. Accordingly, this position-dependent measurement inaccuracy of the image pickup device is compensated by calibration.
  • a calibration is an acquisition of information in such a way that measurement inaccuracies in image data records recorded during the construction process can be compensated. These inaccuracies of measurement depend on the construction and can not be eliminated by repositioning the image pickup device.
  • the position marking is not intended to mark a specific position in the construction chamber, but rather marks a specific image position.
  • any value should be used as normal. Deviations from this standard are used by one or more calibration dates To obtain calibration data.
  • the normal may be the intensity value in the center of an image data set taken by the camera. Alternatively, it may be the brightest or darkest intensity value of the image data set in the entire image or a predefinable image area. Further embodiments will be described below.
  • a mirror arrangement with at least one mirror can be arranged between the image recording device and the construction chamber.
  • This mirror arrangement serves for deflecting the laser beam output by the laser device for solidifying the building material.
  • the building chamber can also be used to record at least partially imaging image data via this mirror arrangement.
  • the at least one position marking may be arranged at the bottom of the building chamber or at a bottom plate at the bottom of the building chamber.
  • the position-dependent measurement inaccuracies relate to the layer of construction material that lies in the so-called building level and is or is to be irradiated with a laser beam.
  • the building level is a plane parallel to the floor and floor slab. Therefore, optimal calibration can be achieved by means of ground-based position markers.
  • a light-permeable heat protection device in particular made of glass ceramic, can be arranged above the position marking. If the position markings are sensitive to heat, they are protected by the glass-ceramic layer, since this shields the thermal energy introduced by the laser beam and passed on via the build-up tetarial from the position markings.
  • the position markings simulate a uniform emission behavior of the build-up material installed in the construction chamber, at least regionally or in support sites. It is thus pretended that the building material has a given heat radiation, which is constant throughout the construction plane.
  • the emitted electromagnetic radiation is simulated by the position markers.
  • the position marking is a lighting device that impacts the bottom or the bottom plate in whole or in part.
  • LED Lamp In order to realize the position markings cost-effectively, these can be used as LED Lamp is designed. These preferably emit light in the visible and infrared wavelength range from 700 nm to 1100 nm, in particular at a wavelength between 800 nm and 900 nm. This is the wavelength or that wavelength range which is also emitted by the heated build material.
  • the homogeneous light emission is realized over a region of the bottom or the bottom plate with a single position marking or with a multiplicity of position markings.
  • the position markings each have a predetermined light emission angle, which is in particular parallel.
  • the image recording device then forms parallel light beams, as a result of which position-dependent measurement inaccuracies can be ascertained and corrected particularly easily.
  • the position marks When using a plurality of position markers, the position marks form support points. Intermediate areas can be interpolated.
  • An image data record which maps at least one position marking is therefore used to obtain at least one calibration information item or one calibration data item. This happens before a construction process.
  • the calibration data then corrects the image data sets that represent the construction level in the construction chamber during a construction process, so that the data derived therefrom, such as temperature data, are corrected for the position-dependent measurement inaccuracies.
  • the device for producing three-dimensional objects is preferably a laser melting or laser sintering device.
  • the image pickup device is preferably designed as a photo or camera. she can So record individual images or image data sets or continuous image data sets.
  • the image recording device is preferably designed for recording in the visible light range or in the infrared range.
  • the invention relates to a method for producing a three-dimensional component by a generative construction method, wherein the component takes place by successively solidifying defined areas of individual layers by the action of a radiation source on the solidifiable building material, wherein the areas are solidified in spaced individual sections, and wherein a Image recording device for receiving at least one image data set of the building material receiving the building chamber is provided.
  • the image recording device records at least one image data record as a reference image data record with at least one light-emitting position marker and makes use of the at least one reference image data record to correct an image data record taken during a construction process.
  • Fig. 7 is a flowchart for performing a calibration.
  • FIG. 1 shows a device 1 for producing three-dimensional objects by successively solidifying layers of a pulverulent, solidifiable material Building material.
  • a building module 2 with a metering chamber 3, a building chamber 4 and an overflow chamber 5.
  • an applicator 6 for transporting building material 7 from the metering chamber 3 to the building chamber 4 movable.
  • the building material is a powdery, solidified material made of metal or plastic.
  • the three-dimensional object 9 is height adjustable.
  • the topmost layer of building material 7 in the building chamber 4 forms the building level 10.
  • the building material 7 in the building level 10 is solidified by means of laser radiation at the appropriate locations. Once a layer of building material 7 is solidified in the building chamber 4 at the desired locations, the support device 8 is lowered and transported with the applicator 6, a new layer or layer of building material 7 from the metering chamber 3 to the building chamber 4. For lifting the building material 7 in the metering chamber 3, this also has a carrying device 1 1.
  • the building module is a mirror arrangement 12 with which the laser beam 14 emitted from a laser beam device 13 can be deflected so that the respective desired areas of the building surface 10 are irradiated.
  • a lens assembly 15 and a beam splitter 16 In the beam path of the laser beam 14 is still a lens assembly 15 and a beam splitter 16. With the lens assembly 15, the laser beam 14 is focused while the beam splitter 16 on the one hand for the laser beam 14 is transparent and on the other hand deflects light to the camera 17 as an image pickup device.
  • the camera 17 can map the building level 10.
  • the camera 17 is connected to a control device 18. This may be a control device 18 assigned to the camera 17, but it may also be the control device 18 of the device 1, which carries out a multiplicity of control tasks and, for the laser beam device 13 and / or the mirror assembly 12 controls.
  • the mirror assembly 12 and the lens assembly 15 may each include one or more mirrors or lenses.
  • recesses are provided, in which LED lamps 20 are arranged as position markings.
  • On the bottom plate 19 is still a glass ceramic plate 21 as heat protection for the LED lamps 20.
  • Figure 2 shows a cross section through the structure at the bottom of the building chamber 2.
  • the support 22 of the support device 8, the bottom plate 19 with the therein arranged LED lamps 20 and the glass ceramic plate 21 are shown.
  • the electrical connection of the LED lamps 20 This may be e.g. pass through the carrier 22.
  • the spindle drive of the carrying device 8 which raises and lowers the carrier 22.
  • FIG. 3 shows a plan view of a base plate 19 for illustrating a possible distribution of the LED lamps 20. These and the distributions shown in FIGS. 4 and 5 are suitable for all kinds of position markings, not only for LED lamps 20.
  • FIG. 3 shows a lattice structure of the LED lamps 20.
  • FIG. 4 shows a further alternative arrangement of the LED lamps 20. These are arranged on concentric circles 23. The circles 23 are shown in dashed lines and intended only for orientation.
  • the spacing of the circles is determined, inter alia, on the basis of the size of the LED lamps, the number to be achieved per area, the required wall thickness of the bottom plate 19 between the LED lamps 20, etc.
  • the LED lamps 20 may be arranged as threaded on spokes as shown be, wherein the number of spokes increases with increasing circular diameter also.
  • the LED lamps 20 can also be arranged relatively arbitrarily on the circles 23. In a calibration, as described above, any value should be taken as normal. This can be the intensity value of the LED lamp 20 in the center of an image data record taken by the camera 17. Alternatively, it can be the brightest or darkest intensity value of an LED lamp 20 or a general position marker in the entire image or a predefinable image area. The choice of the normals depends on the framework conditions and may differ from the proposed designs.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a position marking as a planar lighting device 24.
  • the light output of the lighting device 24 is homogeneous over the entire surface, but it is finally sufficient if the distribution of the light output is known. This is then to be considered in the calibration of the camera 17.
  • the lighting device 24 can be obtained by providing a light-distributing plate above the LED lamps 20 in a structure as in FIG. This is preferably used below a glass ceramic plate 21.
  • the light output of the LED lamps 20 or the lighting device 24 is detected before the start of construction and by the camera 17 in at least one image data set. Based on this image data set and regardless of the design of the position markers at least one calibration date is obtained, in which case a date is understood as a singular of "data", that is to say information in particular in the form of numbers or numbers.
  • a calibration data record 25 is determined from an image data record which maps the light emission of the position markings, in particular of the LED lamps 20 or the lighting device 24, by obtaining a normal value from a picture element, also referred to as pixel, or an image area by averaging over several picture elements , All further pixels are then divided by this normal value and the inverse is taken from this. This happens pixel by pixel.
  • a calibration data set 25 is shown in FIG. Since these values are "contaminated" by noise, 25 areas 26, 27, 28, 29, 30 and 31 can be found in the calibration data set which differ only in noise, in these areas 26, 27, 28, 29, 30 and 31 In each case an average value can be formed in order to suppress or reduce the noise.
  • step S1 a bottom plate 19 with LED lamps 20 is placed on the carrier 22 in a construction chamber 4 and an electrical connection to the LED lamps is established.
  • corresponding contacts are present on the carrier 22, so that a simple placement is sufficient.
  • step S2 the carrier 8 is moved to a height so that the lamps are at the level and emit light as the building level 10 is later.
  • step S3 an image data record is taken with the camera 17. From this, a calibration data record 25 is determined in step S4. In this case, all current and described process steps, such as consideration of the distribution of the light output of the LED lamps 20 or the lighting device 24, averaging, selection of the norms, etc., can be used. For calculation, the control device 18 is used. The calibration data set 25 is then stored as step S5 in a memory device, not shown.
  • This calibration and creation of a calibration record 25 can be done before each Construction process done. But it can also be done once for commissioning the camera 17.
  • LED lamps 20 having different wavelength outputs may be used to generate a respective calibration data set for a building material 7, respectively.
  • the LED lamps with different wavelength outputs can also be arranged on a building board 19 and controlled separately. Alternatively, a separate bottom plate 19 or a separate bottom can be provided for each predetermined wavelength or each wavelength range. In this case, the distribution of the LED lamps 20 and the generation of calibration data or data records is independent of each other.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten (9) durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines mittels Strahlung verfestigbaren Aufbaumaterials (7) an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes (9) entsprechenden Stellen, mit einer Baukammer (4), in welcher eine Tragevorrichtung (8) zum Tragen des Objektes (9) mit einem höhenverstellbaren Träger (22) angeordnet ist, einer Bestrahlungsvorrichtung (13) zum Bestrahlen von Schichten des Aufbaumaterials (7) an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes (9) entsprechenden Stellen und einer Bildaufnahmevorrichtung (17) zur Aufnahme wenigstens eines die Baukammer (4) abbildenden Bilddatensatzes, wobei in der Baukammer (4) wenigstens eine Positionsmarkierung (20, 24) zur Kalibrierung der Bildaufnahmeeinrichtung (17) vorhanden ist. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Durchführen einer Kalibrierung.

Description

B E S C H R E I B U N G
Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines mittels Strahlung verfestigbaren Aufbaumaterials an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes entsprechenden Stellen, mit einer Baukammer, in welcher eine Tragevorrichtung zum Tragen des Objektes mit einem höhenverstellbaren Träger angeordnet ist, einer Bestrahlungsvorrichtung zum Bestrahlen von Schichten des Aufbaumaterials an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes entsprechenden Stellen und einer Bildaufnahmevorrichtung zur Aufnahme wenigstens eines die Baukammer abbildenden Bilddatensatzes.
Wenn vorstehend von einer Bildaufnahmevorrichtung gesprochen wird, so sind damit auch Vorrichtungen umfasst, die eine C-mos oder CCD Technik verwenden, d.h. Vorrichtungen, bei welchen aus einzelnen Pixeldaten ein Bild erzeugt wird. Der Begriff „Bildaufnahmevorrichtung" ist daher so zu verstehen, dass auch derartige elektronische Vorrichtungen mit umfasst sind.
Es sind Urformverfahren bekannt, bei denen ein Material schichtweise an vorgegebenen Stellen verfestigt wird, um so ein dreidimensionales Objekt zu bauen. Dabei können grundsätzlich Flüssigkeiten wie in der Stereolithographie oder Pulver wie beim Lasersintern (SLS) oder Laserschmelzen (LSM) verfestigt werden. Dabei werden die bereits abgearbeiteten Schichten schichtweise abgesenkt und eine neue Schicht aufgetragen, um das Aufbaumaterial an den gewünschten Stellen zu verfestigen.
Beim schichtweisen Auftrag können Fehlauftragungen vorkommen. Weiterhin stellt die unterschiedliche Erwärmung des Aufbaumaterials ein Problem dar, da hierdurch die Festigkeit des erstellten dreidimensionalen Objektes beeinträchtigt werden kann.
Es ist daher weiterhin bekannt, eine Kamera zur Überwachung des Bauraums bzw. der Baukammer zu verwenden. Die EP 2 032 345 B1 lehrt eine Vorrichtung zur selektiven Laserpulverbearbeitung, bei der die Kamera bzw. die Photodiodenanordnung oder die CCD-Anordnung dem Laserstrahl zum Verfestigen des Pulvers nach geführt wird.
Dabei ist es weiterhin bekannt, anhand der Bilddaten die Einstrahlenergie oder die Verweilzeit des Lasers zu modifizieren, sodass der Energieeintrag pro Flächenabschnitt kontrolliert ist. Dadurch kann ein mehrmaliges Aufschmelzen desselben Flächenbereichs vermieden werden. Dabei besteht trotz aller Verbesserungen das Problem, dass die anhand der Kamera aufgenommenen Bilddaten bzw. die daraus abgeleiteten Daten nicht die benötigte Genauigkeit aufweisen, in der Vorhersage der abgeleiteten Daten wie der Temperatur des Schmelzpools, also des aufgeschmolzenen und noch nicht wieder verfestigten Aufbaumaterials, eine zu große Toleranz aufweisen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der die Verarbeitungsqualität der aufgenommenen Bilddaten erhöht ist. Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Als Kern der Erfindung wird angesehen, dass die Bildaufnahmeeinrichtung mittels Positionsmarkierung oder Positionsmarkierungen in der Baukammer kalibrierbar ist. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass die die Ungenauigkeiten in der Weiterverwendung der Bilddaten der Bildaufnahmeeinrichtung positionsabhängig sind und damit eine Abhängigkeit einer Information vom Platz im Bild vorliegt. Dementsprechend wird diese positionsabhängige Messungenauigkeit der Bildaufnahmeeinrichtung durch eine Kalibrierung ausgeglichen.
Bei einer Kalibrierung handelt es sich in der vorliegenden Anmeldung also um eine Informationsgewinnung dahingehend, dass Messungenauigkeiten in während dem Bauvorgang aufgenommener Bilddatensätze ausgeglichen werden können. Diese Messungenauigkeiten sind aufbauabhängig und nicht durch eine Neupositionierung der Bildaufnahmeeinrichtung zu eliminieren.
Die Positionsmarkierung ist dementsprechend nicht dazu gedacht, eine bestimmte Position in der Baukammer zu markieren, sondern sie markiert eine bestimmte Bildposition. Durch die Auswertung des die Positionsmarkierung abbildenden Bildbereichs können Daten zum Ausgleich der Messungenauigkeiten erhalten werden.
Bei einer Kalibrierung ist irgendein Wert als Normale heranzuziehen. Abweichungen von dieser Normalen werden verwendet um ein Kalibrierungsdatum oder mehrere Kalibrierungsdaten zu erhalten. Bei der Normalen kann es sich den Intensitätswert in der Bildmitte eines durch die Kamera aufgenommenen Bilddatensatzes handeln. Alternativ kann es sich um den hellsten oder dunkelsten Intensitätswert des Bilddatensatzes im gesamten Bild oder einem vorgebbaren Bildbereich handeln. Weitere Ausgestaltungen werden weiter unten beschrieben.
Zwischen der Bildaufnahmeeinrichtung und der Baukammer kann eine Spiegelanordnung mit wenigstens einem Spiegel angeordnet sein. Diese Spiegelanordnung dient zum Auslenken des durch die Lasereinrichtung ausgegebenen Laserstrahls zum Verfestigen des Aufbaumaterials. Über diese Spiegelanordnung können aber auch die Baukammer zumindest teilweise abbildende Bilddaten aufgenommen werden.
Vorteilhafterweise kann die wenigstens eine Positionsmarkierung am Boden der Baukammer oder an einer Bodenplatte am Boden der Baukammer angeordnet sein. Die positionsabhängigen Messungenauigkeiten betreffen die Schicht aus Aufbaumaterial, die in der sogenannten Bauebene liegt und mit einem Laserstrahl bestrahlt wird oder werden soll. Die Bauebene ist eine zum Boden und zur Bodenplatte parallele Ebene. Daher kann eine optimale Kalibrierung mittels am Boden verteilter Positionsmarkierungen erreicht werden.
Vorzugsweise kann oberhalb der Positionsmarkierung eine lichtdurchlässige Wärmeschutzvorrichtung, insbesondere aus Glaskeramik, angeordnet sein. Falls die Positionsmarkierungen wärmeempfindlich sind werden sie über die Glaskeramikschicht geschützt, da diese die durch den Laserstrahl eingetragene und über das Aufbaumetarial weitergegebene Wärmeenergie von den Positionsmarkierungen abschirmt.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Positionsmarkierungen ein gleichmäßiges Abstrahlverhalten des in der Baukammer verbauten Aufbaumaterials zumindest bereichsweise oder stützstellenhaft simulieren. Es wird also so getan, als hätte das Aufbaumaterial eine vorgegebene Wärmestrahlung, das in der gesamten Bauebene konstant ist. Die dabei abgegebene elektromagnetische Strahlung wird durch die Positionsmarkierungen simuliert. Im Extremfall ist die Positionsmarkierung eine den Boden oder die Bodenplatte gesamt oder teilweise beaufschlagende Beleuchtungseinrichtung.
Um die Positionsmarkierungen kostengünstig zu realisieren können diese als LED- Lampe ausgestaltet ist. Diese emittieren bevorzugt Licht im sichtbaren und infraroten Wellenlängenbereich von 700 nm bis 1 100 nm, insbesondere bei einer Wellenlänge zwischen 800 nm und 900 nm. Dabei handelt es sich um diejenige Wellenlänge oder denjenigen Wellenlängenbereich, der auch von dem erwärmten Aufbaumaterial abgegeben wird. Durch die Simulation der Strahlung des Aufbaumaterials bei idealisierten Bedingungen, insbesondere in Bezug auf die als konstant angesehene Temperatur, kann erreicht werden, dass Abweichungen in der Darstellung eines Bildbereichs des die Positionsmarkierung oder Positionsmarkierungen darstellenden Bilddatensatzes von einem anderen Bildbereich allein auf die positionsabhängigen Messungenauigkeiten der Bildaufnahmeeinrichtung zurückgeführt werden können, wodurch diese korrigierbar sind.
Grundsätzlich ist es gleichgültig, ob die homogene Lichtabgabe über einen Bereich des Bodens oder der Bodenplatte mit einer einzigen Positionsmarkierung oder mit einer Vielzahl an Positionsmarkierungen realisiert ist. Es ist allerdings aus bevorzugt, eine Vielzahl an Positionsmarkierungen vorzusehen. Dies birgt den Vorteil, dass bei Ausfall einer Positionsmarkierung immer noch eine Kalibrierung der Bildaufnahmeeinrichtung möglich ist. Dann ist es bevorzugt, dass die Positionsmarkierungen jeweils einen vorgegebenen Lichtabstrahlwinkel, der insbesondere parallel ist, aufweisen. Die Bildaufnahmeeinrichtung bildet dann parallele Lichtstrahlen ab, wodurch positionsabhängige Messungenauigkeiten besonders einfach feststellbar und korrigierbar sind.
Bei Verwendung einer Vielzahl an Positionsmarkierungen bilden die Positionsmarkierungen Stützstellen. Dazwischen liegende Bereiche können interpoliert werden.
Ein wenigstens eine Positionsmarkierung abbildender Bilddatensatz wird also verwendet, um wenigstens eine Kalibrierungsinformation oder ein Kalibrierungsdatum zu gewinnen. Dies geschieht vor einem Bauvorgang. Mit den Kalibrierungsdaten werden dann während eines Bauvorgangs die Bilddatensätze, die die Bauebene in der Baukammer abbilden, korrigiert, sodass die daraus abgeleiteten Daten wie Temperaturdaten von den positionsabhängigen Messungenauigkeiten bereinigt sind. Bei der Vorrichtung zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten handelt es sich bevorzugt um eine Laserschmelz oder Lasersintervorrichtung.
Die Bildaufnahmevorrichtung ist bevorzugt als Foto oder Kamera ausgebildet. Sie kann also einzelne Bilder bzw. Bilddatensätze oder fortlaufende Bilddatensätze aufnehmen. Die Bildaufnahmevorrichtung ist bevorzugt zur Aufnahme im Bereich sichtbaren Lichts oder im Infrarotbereich ausgebildet.
Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils durch ein generatives Bauverfahren, bei welchem das Bauteil durch aufeinanderfolgendes Verfestigen festgelegter Bereiche einzelner Schichten durch Einwirkung einer Strahlungsquelle auf das verfestigbare Baumaterial erfolgt, wobei die Bereiche in voneinander beabstandeten Einzelabschnitten verfestigt werden, und wobei eine Bildaufnahmevorrichtung zur Aufnahme wenigstens eines Bilddatensatzes der das Baumaterial aufnehmenden Baukammer vorgesehen wird. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass mit der Bildaufnahmeeinrichtung wenigstens ein Bilddatensatz als Referenzbilddatensatz mit wenigstens einer Licht emittierenden Positionsmarkierung aufgenommen wird und anhand des wenigstens einen Referenzbilddatensatzes eine Korrektur eines während eines Bauvorgangs aufgenommenen Bilddatensatzes vorgenommen wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Figuren und Ausführungsbeispielen. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Vorrichtung zum Herstellen dreidimensionaler Objekte,
Fig. 2 den Aufbau im Bodenbereich der Baukammer im Querschnitt,
Fig. 3 Positionsmarkierungen einer ersten Ausgestaltung,
Fig. 4 Positionsmarkierungen einer zweiten Ausgestaltung,
Fig. 5 Positionsmarkierungen einer dritten Ausgestaltung,
Fig. 6 einen Kalibrierungsdatensatz, und
Fig. 7 ein Ablaufschema zur Durchführung einer Kalibrierung.
Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines pulverförmigen, verfestigbaren Aufbaumaterials. Dabei sind alle für die Erfindung nicht wesentlichen Elemente wie beispielsweise die Gaszuführung für die Zuführung von Inertgas, die immer vorzusehen sind, nicht explizit in den Figuren abgebildet. Dargestellt ist ein Baumodul 2 mit einer Dosierkammer 3, einer Baukammer 4 sowie einer Überlaufkammer 5. Über der Dosierkammer 3 und der Baukammer 4 ist eine Aufbringvorrichtung 6 zum Transport von Aufbaumaterial 7 von der Dosierkammer 3 zur Baukammer 4 verfahrbar. Bei dem Aufbaumaterial handelt es ich um ein pulverförmiges, verfestigabres Material aus Metall oder Kunststoff. In der Baukammer 4 befindet sich eine Tragevorrichtung 8. Mittels der Tragevorrichtung 8 ist das dreidimensionale Objekt 9 höhenverstellbar. Die jeweils oberste Schicht Aufbaumaterial 7 in der Baukammer 4 bildet die Bauebene 10. Das Aufbaumaterial 7 in der Bauebene 10 wird mittels Laserstrahlung an den entsprechenden Stellen verfestigt. Sobald eine Schicht mit Aufbaumaterial 7 in der Baukammer 4 an den gewünschten Stellen verfestigt ist, wird die Tragevorrichtung 8 abgesenkt und mit der Aufbringvorrichtung 6 eine neue Lage bzw. Schicht Aufbaumaterial 7 von der Dosierkammer 3 zur Baukammer 4 transportiert. Zum Anheben des Aufbaumaterials 7 in der Dosierkammer 3 verfügt diese ebenfalls über eine Tragevorrichtung 1 1 .
Oberhalb des Baumoduls befindet sich eine Spiegelanordnung 12, mit der der aus einer Laserstrahlvorrichtung 13 ausgegebene Laserstrahl 14 auslenkbar ist, sodass die jeweils gewünschten Bereiche der Bauebene 10 bestrahlt werden. Im Strahlengang des Laserstrahls 14 befinden sich weiterhin eine Linsenanordnung 15 und ein Strahlteiler 16. Mit der Linsenanordnung 15 wird der Laserstrahl 14 fokussiert, während der Strahlteiler 16 einerseits für den Laserstrahl 14 durchlässig ist und andererseits Licht zur Kamera 17 als Bildaufnahmeeinrichtung umlenkt. So kann die Kamera 17 die Bauebene 10 abbilden. Die Kamera 17 ist mit einer Steuerungseinrichtung 18 verbunden. Dabei kann es sich um eine der Kamera 17 zugeordnete Steuerungseinrichtung 18 handeln, es kann sich aber auch um die Steuerungseinrichtung 18 der Vorrichtung 1 handeln, die eine Vielzahl an Steuerungsaufgaben ausführt und z.B. die Laserstrahlvorrichtung 13 und/oder die Spiegelanordnung 12 steuert.
Die Spiegelanordnung 12 und die Linsenanordnung 15 können jeweils einen oder mehrere Spiegel oder Linsen enthalten. Auf der Tragevorrichtung 8 der Baukammer 4, die den Boden der Baukammer 4 bildet, befindet sich eine Bodenplatte 19. In der Bodenplatte 19 sind Ausnehmungen vorhanden, in denen LED-Lampen 20 als Positionsmarkierungen angeordnet sind. Auf der Bodenplatte 19 ist noch eine Glaskeramikplatte 21 als Wärmeschutz für die LED- Lampen 20. Beim Bauen der ersten Schichten wird durch den Laserstrahl 14 eine große Wärmemenge zu den LED-Lampen 20 hin abgegeben. Durch die Glaskeramikplatte 21 sind die LED-Lampen 20 davor geschützt.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch den Aufbau am Boden der Baukammer 2. In diesem sind der Träger 22 der Tragevorrichtung 8, die Bodenplatte 19 mit den darin angeordneten LED-Lampen 20 und die Glaskeramikplatte 21 dargestellt. Nicht gezeigt ist der elektrische Anschluss der LED-Lampen 20. Dieser kann z.B. durch den Träger 22 verlaufen. Nicht dargestellt ist ebenfalls der Spindeltrieb der Tragevorrichtung 8, der den Träger 22 hebt und senkt.
Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf eine Bodenplatte 19 zur Verdeutlichung einer möglichen Verteilung der LED-Lampen 20. Diese und die in den Figuren 4 und 5 gezeigten Verteilungen sind für alle Arten Positionsmarkierungen geeignet, nicht nur für LED-Lampen 20.
Figur 3 zeigt eine Gitterstruktur der LED-Lampen 20. In der gezeigten Ausgestaltung weisen die Mittelpunkte der LED-Lampen 20, von denen der Übersichtlichkeit halber nur drei exemplarisch mit Bezugszeichen versehen sind, jeweils den gleichen Abstand auf, weiterhin sind die Verbindungslinien des Gitters rechtwinklig. Es ist aber alternativ möglich, auch andere Gitterstrukturen wie bspw. Rautenmuster etc. zu verwenden.
Figur 4 zeigt eine weiter alternative Anordnung der LED-Lampen 20. Diese sind dabei auf konzentrischen Kreisen 23 angeordnet. Die Kreise 23 sind gestrichelt dargestellt und lediglich zur Orientierung gedacht. Die LED-Lampen 20, von denen wiederum nur einige exemplarisch mit Bezugszeichen versehen sind, sind durch Kreise mit geschlossenen Linien repräsentiert.
Der Abstand der Kreise bestimmt sich dabei unter anderem anhand der Größe der LED-Lampen, der zu erreichenden Anzahl pro Fläche, der benötigten Wandstärke der Bodenplatte 19 zwischen den LED-Lampen 20, etc.
Die LED-Lampen 20 können wie dargestellt wie auf Speichen aufgefädelt angeordnet sein, wobei die Anzahl der Speichen mit zunehmendem Kreisdurchmesser ebenfalls zunimmt. Die LED-Lampen 20 können aber auch relativ beliebig auf den Kreisen 23 angeordnet sein. Bei einer Kalibrierung ist, wie eingangs beschrieben, irgendein Wert als Normale heranzuziehen. Dabei kann es sich denjenigen Intensitätswert der LED-Lampe 20 in der Bildmitte eines durch die Kamera 17 aufgenommenen Bilddatensatzes handeln. Alternativ kann es sich um den hellsten oder dunkelsten Intensitätswert einer LED- Lampe 20 oder allgemeiner Positionsmarkierung im gesamten Bild oder einem vorgebbaren Bildbereich handeln. Die Wahl der Normale hängt von den Rahmenbedingungen ab und kann von den vorgeschlagenen Ausgestaltungen abweichen.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Positionsmarkierung als flächige Leuchtvorrichtung 24. Bevorzugt ist die Lichtabgabe der Leuchtvorrichtung 24 über die gesamte Fläche homogen, es ist aber letzten Endes ausreichend, wenn die Verteilung der Lichtabgabe bekannt ist. Diese ist dann bei der Kalibrierung der Kamera 17 zu berücksichtigen. Die Leuchtvorrichtung 24 kann bspw. dadurch erhalten werden, dass bei einem Aufbau wie in Figur 3 eine lichtverteilende Platte oberhalb der LED-Lampen 20 vorhanden ist. Bevorzugt ist diese unterhalb einer Glaskeramikplatte 21 eingesetzt.
Die Lichtabgabe der LED-Lampen 20 oder der Leuchtvorrichtung 24 wird vor Baubeginn und durch die Kamera 17 in wenigstens einem Bilddatensatz erfasst. Ausgehend von diesem Bilddatensatz und unabhängig von der Ausgestaltung der Positionsmarkierungen wird wenigstens ein Kalibrierdatum gewonnen, wobei hier ein Datum als Singular von„Daten", also Informationen insbesondere in Form von Ziffern oder Zahlen, verstanden wird.
Bevorzugt wird aus einem Bilddatensatz, der die Lichtabgabe der Positionsmarkierungen, insbesondere der LED-Lampen 20 oder der Leuchtvorrichtung 24, abbildet ein Kalibrierungsdatensatz 25 ermittelt, indem aus einem Bildelement, auch Pixel genannt, oder einem Bildbereich durch Mittelung über mehrere Bildelemente ein Normalenwert gewonnen wird. Alle weiteren Bildpunkte werden dann durch diesem Normalenwert dividiert und hiervon der Kehrwert genommen. Dies geschieht bildelementweise bzw. pixelweise. Ein Kalibrierungsdatensatz 25 ist in Figur 6 gezeigt. Da diese Werte durch Rauschen„verunreinigt" sind können im Kalibrierungsdatensatz 25 Bereiche 26, 27, 28, 29, 30 und 31 gefunden werden, die sich lediglich durch das Rauschen unterscheiden. In diesen Bereichen 26, 27, 28, 29, 30 und 31 kann jeweils ein Mittelwert gebildet werden, um das Rauschen zu unterdrücken bzw. zu verringern.
Nach dem Erstellen des Kalibrierungsdatensatzes 25 wird dieser einfach pixelweise mit den während des Bauens des dreidimensionalen Objektes 9 aufgenommenen Bilddatensätzen multipliziert, um die positionsabhängigen Messungenauigkeiten zu eliminieren.
Aus Figur 6 geht auch hervor, dass die Messungenauigkeiten nicht um die Bildmitte herum symmetrisch auftreten müssen. Mit der beschriebenen Vorrichtung und dem beschriebenen Verfahren ist es vielmehr möglich, beliebige Messungenauigkeiten zu eliminieren.
Fig. 7 zeigt ein Ablaufschema zur Durchführung einer Kalibrierung einer Bildaufnahmevorrichtung, also der Kamera 17. In Schritt S1 wird eine Bodenplatte 19 mit LED-Lampen 20 auf dem Träger 22 in einer Baukammer 4 platziert und ein elektrischer Anschluss zu den LED-Lampen hergestellt. Bevorzugt sind am Träger 22 entsprechende Kontakte vorhanden, sodass ein einfaches Auflegen genügt. In Schritt S2 wird der Träger 8 auf eine Höhe so verfahren, dass die Lampen auf der Höhe liegen und Licht abgeben wie die Bauebene 10 später liegt.
In folgenden Schritt S3 wird mit der Kamera 17 ein Bilddatensatz aufgenommen. Aus diesem wird in Schritt S4 ein Kalibrierungsdatensatz 25 ermittelt. Dabei können alle geläufigen und beschriebenen Prozessschritte wie Berücksichtigung der Verteilung der Lichtabgabe der LED-Lampen 20 bzw. der Leuchtvorrichtung 24, Mittelwertbildung, Auswahl der Normalen etc. verwendet werden. Zur Berechnung wird die Steuerungseinrichtung 18 herangezogen. Der Kalibrierungsdatensatz 25 wird dann als Schritt S5 in einer nicht gezeigten Speichereinrichtung abgelegt.
Diese Kalibrierung und Erstellung eines Kalibrierungsdatensatzes 25 kann vor jedem Bauprozess erfolgen. Sie kann aber auch einmalig zur Inbetriebnahme der Kamera 17 erfolgen. Insbesondere können LED-Lampen 20 mit unterschiedlichen Wellenlängenabgaben verwendet werden, um für ein Aufbaumaterial 7 jeweils einen zugehörigen Kalibrierungsdatensatz zu erzeugen. Die LED-Lampen mit unterschiedlichen Wellenlängenabgaben können auch auf einer Bauplatte 19 angeordnet sein und getrennt angesteuert werden. Alternativ kann auch für jede vorgegebene Wellenlänge oder jeden Wellenlängenbereich eine eigene Bodenplatte 19 oder ein eigener Boden vorgesehen werden. Dabei ist die Verteilung der LED- Lampen 20 und die Erzeugung von Kalibrierungsdaten oder -datensätzen unabhängig voneinander.
BEZUGSZEICHEN LISTE
1 Vorrichtung
2 Baumodul
3 Dosierkammer
4 Baukammer
5 Überlaufkammer
6 Aufbringvorrichtung
7 Aufbaumaterial
8 Tragevorrichtung
9 dreidimensionales Objekt
10 Bauebene
11 Tragevorrichtung
12 Spiegelanordnung
13 Laserstrahlvorrichtung
14 Laserstrahl
15 Linsenanordnung
16 Strahlteiler
17 Kamera
18 Steuerungseinrichtung
19 Bodenplatte
20 LED-Lampe
21 Glaskeramikplatte
22 Träger
23 Kreis
24 Leuchtvorrichtung
25 Kalibrierungsdatensatz
26 Bereich
27 Bereich
28 Bereich
29 Bereich
30 Bereich
31 Bereich

Claims

PAT E N TAN S P R Ü C H E
Vorrichtung (1 ) zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten (9) durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines mittels Strahlung verfestigbaren Aufbaumaterials (7) an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes (9) entsprechenden Stellen, mit einer Baukammer (4), in welcher eine Tragevorrichtung (8) zum Tragen des Objektes (9) mit einem höhenverstellbaren Träger (22) angeordnet ist, einer Bestrahlungsvorrichtung (13) zum Bestrahlen von Schichten des Aufbaumaterials (7) an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes entsprechenden Stellen und einer Bildaufnahmevorrichtung (17) zur Aufnahme wenigstens eines einen Abschnitt der Baukammer oder die ganze Baukammer abbildenden Bilddatensatzes, dadurch gekennzeichnet, dass dass in der Baukammer (4) wenigstens eine Positionsmarkierung (20, 24) zur Kalibrierung der Bildaufnahmeeinrichtung (17) vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Positionsmarkierung (20, 24) am Boden der Baukammer (4) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Positionsmarkierung (20, 24) an einer Bodenplatte (19) am Boden der Baukammer (4) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der Positionsmarkierung (20, 24) eine lichtdurchlässige Wärmeschutzvorrichtung (21 ), insbesondere aus Glaskeramik, angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Positionsmarkierung als LED-Lampe (20) ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsmarkierung (20, 24) Licht im sichtbaren und im infraroten Wellenlängenbereich emittiert.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsmarkierung (20, 24) Licht einer Wellenlänge im Bereich zwischen 800 nm und 900 nm emittiert.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl an Positionsmarkierungen (20) vorgesehen ist, die jeweils einen vorgegebenen Lichtabstrahlwinkel aufweisen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsmarkierungen (20) im Wesentlichen
Hauptabstrahlrichtungen aufweisen.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsmarkierungen (20, 24) im Wesentlichen zu einer Spiegelanordnung oberhalb der Baukammer hin abstrahlen.
1 1 . Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein mit der Bildaufnahmeeinrichtung (17) aufgenommener Bilddatensatz mittels wenigstens eines Kalibrierungsdatensatzes (25) abänderbar ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein mit der Bildaufnahmeeinrichtung (17) aufgenommener Bilddatensatz mittels wenigstens eines mehrere Lichtsignale von LED-Lampen (20) aufweisenden Bilddatensatzes abänderbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein mit der Bildaufnahmeeinrichtung (17) aufgenommener Bilddatensatz zur Ermittlung eines Kalibrierdatensatzes (25) verwendbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1 ) einen Speicher zum Ablegen eines Kalibrierungsdatensatzes aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes (9) durch ein generatives Bauverfahren, bei welchem das Objekt (9) durch aufeinanderfolgendes Verfestigen festgelegter Bereiche einzelner Schichten durch Einwirkung einer Strahlungsquelle (13) auf das verfestigbare Aufbaumaterial (7) erfolgt, wobei die Bereiche in voneinander beabstandeten Einzelabschnitten verfestigt werden, und wobei eine Bildaufnahmevorrichtung (17) zur Aufnahme wenigstens eines Bilddatensatzes der das Aufbaumaterial (17) aufnehmenden Baukammer (4) vorgesehen wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Bildaufnahmeeinrichtung (4) wenigstens ein Bilddatensatz als Referenzbilddatensatz mit wenigstens einer Licht emittierenden Positionsmarkierung (20, 24) aufgenommen wird und anhand des wenigstens einen Referenzbilddatensatzes wenigstens ein Kalibrierungsdatum, insbesondere ein Kalibrierungsdatensatz (25) zur Korrektur eines während eines Bauvorgangs aufgenommenen Bilddatensatzes ermittelt wird.
Verfahren nach einem Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Licht emittierende Positionsmarkierung (20, 24) verwendet wird, die Licht bei einer Wellenlänge oder in einem Wellenlängenbereich emittiert, der der Wellenlänge oder dem Wellenlängenbereich entspricht, den das zum Bauen verwendete Aufbaumaterial (7) abgibt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
Licht im sichtbaren und infraroten Wellenlängenbereich emittiert wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Positionsmarkierung eine LED-Lampe (20) verwendet wird.
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