WO2019086250A1 - Verfahren zur vermessung eines basiselements einer bauzylinder-anordnung, mit ablenkung eines messlaserstrahls durch eine scanner-optik - Google Patents

Verfahren zur vermessung eines basiselements einer bauzylinder-anordnung, mit ablenkung eines messlaserstrahls durch eine scanner-optik Download PDF

Info

Publication number
WO2019086250A1
WO2019086250A1 PCT/EP2018/078426 EP2018078426W WO2019086250A1 WO 2019086250 A1 WO2019086250 A1 WO 2019086250A1 EP 2018078426 W EP2018078426 W EP 2018078426W WO 2019086250 A1 WO2019086250 A1 WO 2019086250A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
base element
measuring
laser
camera
measurement
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/078426
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Pieger
Frederik SCHAAL
Simon DAMBACH
Valentin BLICKLE
Original Assignee
Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh filed Critical Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
Priority to EP18789392.0A priority Critical patent/EP3703890A1/de
Priority to CN201880071678.5A priority patent/CN111295259B/zh
Publication of WO2019086250A1 publication Critical patent/WO2019086250A1/de
Priority to US16/864,286 priority patent/US11628621B2/en

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/245—Platforms or substrates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/31—Calibration of process steps or apparatus settings, e.g. before or during manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/10—Auxiliary heating means
    • B22F12/13—Auxiliary heating means to preheat the material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/44—Radiation means characterised by the configuration of the radiation means
    • B22F12/45—Two or more
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/49—Scanners
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/90—Means for process control, e.g. cameras or sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B1/00—Producing shaped prefabricated articles from the material
    • B28B1/001—Rapid manufacturing of 3D objects by additive depositing, agglomerating or laminating of material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/141—Processes of additive manufacturing using only solid materials
    • B29C64/153—Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/386—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/386—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B29C64/393—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G01B11/0608—Height gauges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2518—Projection by scanning of the object
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/254—Projection of a pattern, viewing through a pattern, e.g. moiré
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/38—Process control to achieve specific product aspects, e.g. surface smoothness, density, porosity or hollow structures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/41—Radiation means characterised by the type, e.g. laser or electron beam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/44—Radiation means characterised by the configuration of the radiation means
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • 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 invention relates to a method for measuring a base element, in particular a substrate or a preform, a construction cylinder arrangement,
  • construction cylinder arrangement is arranged on a machine for producing three-dimensional objects in layers by sintering or melting powdered material with a high-energy beam, wherein the base element in a substantially cylindrical
  • Base body of the construction cylinder arrangement is movable with a piston, in particular wherein the piston has an upper piston part, on which the base member is arranged, and a lower piston part, opposite to the upper piston part by means of at least two, preferably three , Adjusting elements is alignable, wherein for measuring the base element, a measurement pattern of laser light is generated, which illuminates at least a part of the base element, and locations of the laser light are observed and evaluated with a camera and thus survey data on the base element, comprising position information and / or orientation information and / or
  • object geometries can be fabricated with the
  • a thin layer of powdered material is applied to a base element, usually a substrate (also called a construction platform) or a preform in a structural cylinder (also called a construction chamber) and then heated at selected locations with a high-energy beam until the powdered material melts or sinters , Subsequently, the
  • the building cylinder is attached to an Anschiuss a process chamber.
  • the base element must be aligned in the construction cylinder.
  • by preheating the powdery material may cause deformation, in particular a tilting of the Base element in the construction cylinder or come relative to the rest of the process chamber.
  • a construction cylinder arrangement in which a substrate is fastened to an upper piston part, which is detachably fastened to a central piston part.
  • the middle Kolbentei! is in turn arranged on a lower piston part and aligned with respect to this by means of three
  • a measuring device is provided, wherein three laser diodes each generate a laser line at an oblique angle at different locations on a gap between a reference surface, such as a process chamber bottom, and the substrate, and wherein a camera system detects the various locations individually.
  • the beam path of a camera is directed by a scanner optics of the processing laser beam, wherein the scanning position of the camera is switched by means of the scanner optics.
  • the scanner optics are arranged centrally above the substrate.
  • an offset of laser line parts can be detected at the gap, and thereby determines a tilt of the substrate and corrected by means of the adjusting elements.
  • laser diodes require a relatively large amount of space in the process chamber.
  • the laser diodes must be specially aligned for the type of construction cylinder used, whereby this procedure is complicated and inflexible in the establishment. Also, the information available with the laser diodes is limited.
  • the invention has for its object to provide a simple and flexible method for measuring a base element, which manages with less space in the process chamber.
  • the measuring pattern is generated from laser light by deflecting a laser beam of a measuring laser from a scanner optics, so that differently deflected laser beams are generated, and the deflected laser beams are directed at least to the part of the base element,
  • a scanner optics is used to direct a laser beam in rapid succession in different directions and thus to produce differently deflected laser beams.
  • differently deflected laser beams can be used to measure the base element, such as in a frame
  • different measurement patterns can be generated by means of the scanner optics, wherein only the activation of the scanner optics needs to be changed (reprogrammed). In particular, no structural changes to the hardware are required to change the measurement pattern.
  • Positions such as altitudes, or tilting be measured, or even three-dimensional structures (such as preforms, or
  • the obtained survey data can be used to correct the position and / or orientation of the base member prior to commencing fabrication of a three-dimensional object, and / or a subsequent process of layering a three-dimensional object to the found position, orientation and / or shape of the base member adapt.
  • the desired locations can be illuminated in rapid succession. Meanwhile, the exposure of the camera for an integral image capture done; Alternatively, a separate image recording with the camera can be made for different locations (or for respective partial measurements).
  • the measurement pattern may be limited to the base element or a part thereof, or also additional parts of a reference structure (which is stationary in the machine, and in particular does not move with the piston) illuminate.
  • the measuring laser can be arranged in the process chamber or preferably outside the process chamber, so that little or no space is required in the process chamber for this purpose; likewise, the scanner optics can be arranged inside or preferably outside the process chamber. Due to the lateral offset of the camera (or the picture-capturing
  • Camera lens with respect to the respective deflected laser beam is achieved that a shift of the impact location of the deflected laser beam in the beam propagation direction to a shift in the image of the
  • the local height of the base element (measured mostly vertically, essentially along the deflected laser beam) can be determined.
  • a target image (“calibrated zero position") is stored in an evaluation device, and from the
  • Deviations of a measured image of the camera to the target image the measurement information on the base element (such as a tilt or altitude) is determined. To improve the measurement accuracy (in particular repeatability), several measurements can be performed and an average measurement result can be determined.
  • the measuring laser is typically a separate laser used only for the measurement of the base element.
  • a pilot laser or a processing laser can be used as measuring laser.
  • the measuring laser is power stabilized (for example, to a maximum of 5% power fluctuation or better) in order to achieve a good measurement resolution.
  • the measuring laser can have a reduced coherence (for example, with 10 nm bandwidth or better, i.e. even higher bandwidth), which is a reduction in the so-called
  • the laser wavelength of the measuring laser can be visible
  • Spectral range for example, in the red spectral range (around 650 nm).
  • the camera and measuring laser are set up so that a measuring resolution of 100 ⁇ m or better, preferably 50 ⁇ m or better, particularly preferably 15 ⁇ m or better, is achieved.
  • the measurements are reliable, robust and fast (no artifacts due to powder application, no iterative coating needed); the measurements do not require any
  • Coatings or powder wear (such as by oxidation).
  • the measurement of the base element also determines at least a tilting of the base element relative to a reference structure.
  • the reference structure is stationary in the machine, such as the bottom of a process chamber. Note that the reference structure does not necessarily need to be illuminated by the measurement pattern.
  • the tilt includes different zones. This allows easy determination of the tilt (i.e., two tilt angles) without further assumptions. One measuring point is sufficient for each zone; usually, however, several measuring points per zone are evaluated. As an alternative to this variant, it is also possible, for example, to lay two lines over the base element and to determine their distance from respective nominal lines; however, the measurement pattern can also comprise more than two lines. It is also possible, instead of lines, to use line trains or more complex, e.g. curved to insert patterns.
  • the locations of at least two, preferably three, of the zones substantially correspond to the locations of actuating elements with which the base element can be tilted relative to the reference structure.
  • control (or the software) for the location elements is special easy.
  • the measurement pattern in each of the three zones comprises a plurality of laser points, in particular one laser line in each case. Multiple laser points can reduce noise by averaging. In addition, speckle patterns are reduced by moving a laser spot along a line.
  • At least one three-dimensional determination of at least one part of a surface of the base element, in particular of the preform, is performed by the measurement.
  • the scanner optics it is also possible to scan the surface of a base element and thus to determine or check its shape. Bad base elements can be detected and sorted out.
  • the measurement pattern comprises a line-by-line scanning of at least the part of the surface of the base element, wherein during the line-by-line scanning a plurality of
  • the altitude can be corrected if necessary (for example via a method of the piston in the body) to ensure a correct focus position of the processing laser.
  • the measurement pattern does not necessarily have to illuminate the reference structure.
  • the measurement pattern exclusively illuminates the base element and / or only points of incidence of the laser light are evaluated on the base element.
  • no reference structure needs to be illuminated. This also allows one
  • the machine further comprises a processing laser, and that after the measurement of the base element then for the production of layers of at least one three-dimensional object on the base member at least parts of
  • Processing patterns are illuminated from laser light, the
  • Processing patterns are generated by a laser beam of the
  • Processing laser is deflected by said scanner optics. This duplicates the scanner optics (for triangulation measurement and for editing).
  • the method is characterized particularly cost effective; the machine for layered production can be made particularly compact. Also preferred is a variant in which it is provided that after the measurement of the base element then for the production of layers
  • At least one three-dimensional object on the base element layers of powdered material are applied to the base member, wherein the layers of powdered material prior to application of the
  • the camera is used twice (as a powder image camera and
  • Triangulationsham The method is characterized particularly cost effective;
  • the machine for layered production can be particularly compact
  • the measurement pattern comprises at least one triangulation point, that points of incidence of the at least one in a measurement sequence
  • Base element in the body are observed with the camera and associated Meßsequenzals be obtained, wherein the triangulation point is generated by a deflected laser beam which is directed at a fixed angle during the measuring sequence to the base member,
  • the measurement sequence data are compared with reference measurement sequence data from a reference measurement sequence, wherein in the context of the reference measurement sequence locations of the at least one triangulation point at different movement positions of a reference base element in the base body were observed with the camera and the associated
  • Reference triangulation point was generated by a deflected laser beam which, under a reference angle fixed during the reference measurement sequence to the reference Basic element was addressed,
  • Base element is derived.
  • the correction factor may, for example, be a height offset in the region of a (particular) triangulation point; By means of a precise traversing mechanism of the piston, such a height offset can be compensated.
  • the trajectory of the build platform is usually a very precisely adjustable axis. Due to the specified procedure, their precision (in particular in the case of the height variation in the reference measurement) can also be used for the calibration of a machine for the layered production of three-dimensional objects or their measuring system.
  • the measurement sequence and the reference measurement sequence are usually (at least slightly) exposed to different locations on the base element, whereby an averaging of measurements independent of speckle effects is achieved. This can also improve the precision of the calibration or the associated layer-wise production of a three-dimensional object. Typically, at least five, preferably at least ten
  • Measure measuring points positioning positions for each measuring sequence or reference measuring sequence.
  • the reference measurement sequence is typically performed once upon commissioning of a machine for the layered production of three-dimensional objects; the measurement sequence is typically executed at the beginning of a new construction job. In most cases, the measurement sequence and the reference measurement sequence apply the same measurement pattern or at least similar measurement patterns; the measurement patterns can also be different.
  • the comparison of Reference measurement sequence data and the measurement sequence data takes place
  • the correction information is used to determine the position or orientation of the base member and readjust, if necessary, to effect the most accurate, subsequent production of the three-dimensional object.
  • directly desired survey data about the base element can be obtained with the measurement sequence data or a part thereof and the correction information.
  • Measuring pattern comprises at least three, preferably at least four triangulation points,
  • the triangulation points are formed as corner points of the measuring pattern, to which straight sections of the measuring pattern adjoin,
  • the triangulation points are formed as vertices of a rectangular measuring pattern.
  • an orientation of the base element can be determined, for example a tilt with respect to two axes. If desired, five or even more triangulation points may be provided.
  • the determination of vertices of a measurement pattern is particularly simple and reliable over the extrapolation of straight sections by means of automatic image analysis software possible.
  • the determination of the position of the Corner points further simplified, since the edges along the pixel axis of the camera sensor can be oriented.
  • Measurement sequence data and the reference measurement sequence data each one or more curve parameters, in particular hyperbola parameters are determined, each describing a curve, in particular hyperbolic curve (91, 92), which in each case the observed impact locations as a function of the movement position of the base member in the main body anfittet.
  • curve parameters in particular hyperbolic curve (91, 92)
  • the speckle error is easily extracted from the measurement data.
  • the determination of the correction information about the curve parameters can be increased with
  • Hyperbola curves since the geometry of the optics yields such a curve. However, it is also possible to match other curve types in a good approximation, for example based on a polynomial function.
  • Correction information from an offset of the curves of the measurement sequence data and the reference measurement sequence data is determined. This procedure is particularly simple, and can be used particularly well when the measurable travel of the base element in the base body (in the z direction) is relatively small (eg with a travel of less than 4 cm or a travel of less than 1/12 the mean distance to the camera entrance pupil), and / or if there are no significant differences from
  • Reference angles of the laser beam at the reference measurement sequence and the angle of the laser beam in the measurement sequence are to be expected.
  • the respective fitted curve is a hyperbolic curve and the curve parameters are hyperbola parameters, and that of the one or more Hyperbola parameters one position (ZP m , zp R ) of a pole of each hyperbola is determined, and the correction information from a comparison of the determined positions (ZP M , ZP r ) of the poles of the
  • Hyperbolic curves of the measurement sequence data and the reference measurement sequence data is determined.
  • the hyperbolic curve always has a pole at the height of the entrance pupil of the
  • the position of the pole is in particular independent of the set angle of incidence of the laser beam on the base element.
  • the parameter P1 describes the position of this pole. Therefore, by comparing the positions of the poles from the hyperbolic curves of the reference measurement sequence and the measurement sequence, a calibration can be made which also includes angular errors of the laser system (ie, a deviation between the
  • the pole / entrance pupil was at the travel position zp R (corresponding to parameter P1 of the hyperbolic curve of the reference measurement sequence), and a desired position (relative to the fixed camera) of the reference base element or its surface at the Reference measurement sequence at the set travel position ZB r received, and was further for the measurement sequence, the pole / entrance pupil at the travel position zp M (corresponding parameter P1 of the hyperbola of the measurement sequence) obtained, so by setting a position ZB M according to
  • M (ZP M -ZP R ) + ZB R
  • the base element or its surface are obtained at the identical position (relative to the fixed camera) as in the reference measurement sequence with respect to the reference base element.
  • a very accurate calibration is possible;
  • the measurement sequence and the reference measurement sequence are used to measure a relatively large travel path in order to obtain the To determine hyperbola parameters with high accuracy (eg over a travel of at least 4 cm or over a travel of more than 1/12 of the average distance to the camera entrance pupil).
  • the fixed angle is inclined to a direction of travel of the base member in the body. This ensures that during the measurement sequence, the triangulation point moves noticeably relative to the surface of the base member, resulting in an averaging that reduces speckle errors.
  • the angle is 5 ° or more to the travel direction.
  • the reference angle for the reference measurement sequence should be selected obliquely to the direction of travel of the base member in the main body.
  • Machines according to the invention for the layered production of three-dimensional objects
  • the scope of the present invention also includes a machine for the layered production of three-dimensional objects by sintering or
  • Base element comprises
  • a control device which is adapted to deflect a laser beam generated by the measuring laser by means of the scanner optics so that
  • deflected laser beams are generated in accordance with a programmed measurement pattern, and the deflected laser beams are directed at least to a portion of the base member,
  • a camera capable of observing the locations of incidence of the laser beams deflected by the scanner optics and arranged laterally offset from any deflected laser beam emitted by the laser beam
  • Scanner optics could be aimed at the base element
  • an evaluation device which is set up to evaluate, from the laterally offset camera, the points of incidence of the laser light of the measurement pattern generated by the scanner optics, and from this the
  • the measuring system is simple, in particular with regard to the installation, and can be used flexibly for different types of structural cylinder arrangements and basic elements (substrates or Preferoms).
  • the camera is arranged so that it is also laterally offset from possible laser beams, which are directed by the scanner optics on a reference structure surrounding the base member.
  • Measurement information is data about a tilt of the base element, data about the elevation of the base element or data about the three-dimensional shape of at least a part of the surface of the
  • the machine according to the invention is suitable for carrying out a method according to the invention, above.
  • Processing laser includes, and that the processing laser is also coupled to said scanner optics.
  • the scanner optics can be used twice, which is inexpensive and very compact.
  • a beam splitter is arranged in the beam path in front of the scanner optics, and the measuring laser and the processing laser are each aligned with the beam splitter.
  • the beam splitter typically a semitransparent mirror, arranged at a 45 ° angle to the input and output beams
  • the beam splitter and the scanner optics as well as the measuring laser and the processing laser are typically located outside the process chamber.
  • the machine further comprises a test device which is adapted to read and evaluate recordings of the said camera from a layer of pulverulent material applied to the base element before processing with the high-energy beam.
  • a test device which is adapted to read and evaluate recordings of the said camera from a layer of pulverulent material applied to the base element before processing with the high-energy beam.
  • a development of this embodiment provides that the scanner optics or one of the scanner optics downstream focusing optics or a group of scanner optics, which includes the scanner optics, or a group of focusing optics, which are nachgeiagert this group of scanner optics, is arranged above the base element, in particular centrally above the base element
  • Base element is arranged, and the camera is arranged in the horizontal direction next to the base element.
  • Base element ie in the vertical direction above the base member, and with respect to the horizontal direction in alignment with the base member, in particular (at least substantially) centrally above the base element, all parts of the base element for deflected laser beams are easily accessible with the scanner optics and the focusing optics; Beam expansions of a deflected laser beam are minimized, which also allows a good spatial resolution.
  • Base element (and in the vertical direction above the base member, usually at a similar height as the scanner optics) they are spaced apart in the horizontal direction, and the camera is easily arranged in a straight line offset from all possible deflected laser beams, which from the scanner optics to the base element could be directed.
  • the camera can also be arranged outside the process chamber behind a window.
  • Base element also comprise a plurality of scanner optics, which are each coupled to the measuring laser or alternatively to a plurality of measuring laser, and which are controlled by the control device to generate the measurement pattern.
  • a plurality of scanner optics which are each coupled to the measuring laser or alternatively to a plurality of measuring laser, and which are controlled by the control device to generate the measurement pattern.
  • Shading can be avoided or minimized, especially when measuring the surface of preforms.
  • a plurality of cameras can also be provided, which are each arranged offset laterally with respect to all possible deflected laser beams that could be directed onto the base element by respectively associated scanner optics; This also shading can be avoided or minimized.
  • Focusing optics which are downstream of this group of scanner optics, arranged above the base element, in particular centrally above the
  • the camera is designed as a camera with geschafteter optics. This will be in the shots
  • Distortions especially in falling lines avoided.
  • any distortions can be calculated out with software from the images of the camera.
  • Fig. 1 is a schematic view of an embodiment of a
  • FIG. 2 shows a schematic longitudinal section of a construction cylinder arrangement for the invention
  • Fig. 3 is an illustration of a triangulation measurement for the invention
  • Fig. 4 is a schematic plan view of a base member, on the one
  • Measuring pattern is directed, without tilting and tilting of the base member, according to the inventive method
  • Fig. 5 is a schematic side view of line by line scanning a preform, in the context of the invention.
  • Fig. 6 is a schematic overview for the detection of a
  • Triangulation point of a measuring pattern at different traversing positions of a Basiseiements, for the invention
  • Triangulation points for the invention
  • 8 shows a schematic overview of the image recognition in the measurement pattern of FIG. 7, for the invention
  • FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a set of
  • Reference measurement sequence data for the invention
  • Fig. 1 shows a schematic view from the side of a
  • Embodiment of a machine 1 according to the invention for the layered production of a three-dimensional object 2 (or more
  • three-dimensional objects also called 3D printing machine.
  • the machine 1 comprises a gas-tight process chamber 3, which can be filled and / or rinsed in an unspecified manner with an inert gas (protective gas), for example nitrogen or a noble gas such as argon.
  • an inert gas for example nitrogen or a noble gas such as argon.
  • a powder cylinder arrangement 4 Connected to the process chamber 3 is a powder cylinder arrangement 4 with a powder cylinder (storage cylinder) 5 for a powdery material 6 (shown dotted), from which the three-dimensional object 2 is manufactured here by sintering or melting.
  • the powdery material 6 may consist, for example, of metal particles having an average particle size (D50) of 25-100 ⁇ m; in other applications can also plastic particles or ceramic particles of similar size.
  • Base element 13 here a substrate 13a, is arranged. On the base element 13, the three-dimensional object 2 is constructed.
  • the base member 13 is vertically movable with the piston 12 in a base body 14.
  • the piston 12 is designed in several parts and provided with adjusting elements in order to be able to correct a tilting of the base element 13 in the construction cylinder arrangement 11 (not shown in detail, but see FIG. 2).
  • the piston 12 is lowered by one step with a second lifting device (lifting device) 15, and a small amount of the powdered material 6 is coated with the slider 10 into the construction cylinder arrangement 11.
  • the applied layer of the powdery material 6 is checked with a camera 21 and a test device 28 connected to it (operating an image evaluation software); If necessary, the applied layer can be corrected with the slider 10 and / or with further powdered material 6. In particular, a damaged slider 10 can be detected on the basis of a faulty powder application and exchanged in the sequence in order to correct the applied layer.
  • the camera 21 is preferably provided with a marifteten optics (not shown in detail).
  • the camera 21 is arranged here behind a window 21 a outside the process chamber 3. Then, the newly applied powder layer from above with a
  • High-energy beam 16 here a machining laser beam 16a, from a high-energy beam source 17, here a processing laser 17a, at locations that are provided for local solidification (melting, sintering) of the powdery material 6, locally illuminated and thereby locally strongly heated.
  • the processing laser beam 16a is passed through a beam splitter 18 via a scanner optics 19, comprising one or more mirrors, which are pivotable about at least two axes as a whole, via a focusing optics 29 and through a window 20.
  • the scanner optics 19 and the focusing optics 29 are located centrally above the base element 13.
  • the processing laser beam 16a can scan the base element 13 or the uppermost powder layer thereon in accordance with the intended shape of the three-dimensional object 2
  • Excess powdery material 6 can be painted with the slider 10 in a collecting container 6a.
  • the machine 1 has a measuring system 22 for
  • the measuring system 22 here includes its own measuring laser 23, whose
  • the deflected laser beams 24a can be coupled, so that deflected by the scanner optics 19 laser beams 24a of the measuring laser 23 can be directed at least to parts of the base member 13 according to a measurement pattern.
  • the deflected laser beams 24a extend in a vertical direction downwards or at a small angle (usually ⁇ 30 °, preferably ⁇ 20 °) from the vertical.
  • Scanner optics 19 are connected to a control device 25 in which one or more measurement patterns or corresponding control commands for controlling the scanner optics 19 for the measurement of the base element 13 are programmed.
  • the measuring system 22 also includes here the camera 21, which also for
  • Powder bed test is used. With the camera 21, the surface of the base member 13 can be accommodated, so that the actual
  • the camera 21 is connected to a
  • Evaluation device 26 is connected, with which the observed impact locations are evaluated and converted into survey data on the Basisiseiement 13, such as a tilt of the base element. This attacks the
  • the evaluation device typically returns to reference information ("target images"), which can then be used to correct the position or orientation of the base element 13, if necessary also iteratively.
  • the camera 21 is offset from the base element 13 in the horizontal direction, cf. Offset 27 (here drawn between the edge of the
  • FIG. 2 shows a construction cylinder arrangement 11, as can be used in the machine of FIG. 1, in a schematic
  • the piston 12 has an upper piston part 12 a, on which the
  • the upper piston part 12 has a powder seal 30, with which a gap is closed to the main body 14, so that powdered material can not penetrate further or only in very small quantities down into the Bauzylinder- assembly 11.
  • the upper piston part 12a has
  • the upper piston part 12a is arranged on a middle piston part 12b, wherein a ceramic insulation plate 31 is arranged between the upper piston part 12a and the middle piston part 12b.
  • the middle piston part 12b is supported by three adjusting elements 32 on a lower piston part 12c.
  • the adjusting elements 32 may be formed, for example, as piezo actuators.
  • the adjusting elements 32 allow the setting of a tilting of the central piston part 12b (and thus also the upper piston part 12a) relative to the lower piston part 12c with respect to two horizontal axes.
  • the lower piston part 12c has a gas seal 33, which seals the gap to the base body 14 and prevents the penetration of atmospheric oxygen into the interior of the construction cylinder arrangement 11 during the production of a three-dimensional object.
  • Fig. 3 illustrates the principle of the measurement of a base element, such as the determination of the local height of a portion of the base member, in the context of the invention.
  • the measurement of the base element takes place in
  • Frame of the invention by means of triangulation.
  • a measurement pattern is projected onto the base element, wherein the desired position of the measurement pattern (or the laser beam impingement points) on the base element due to the Scanneroptik- control and the (target) geometry of the base element is known, and from the deviation of the actual instantaneous measurement pattern (or the laser beam impact points) on the base member, observed by a laterally offset camera, a position or orientation information is obtained.
  • the laser beam 24 of the measuring laser 23 is deflected at the scanner optics 19, cf. the deflected laser beam 24a.
  • the deflected laser beam 24a has an angle ⁇ with respect to the vertical, which is parallel to a z-axis;
  • ⁇ is in a range of +/- 30 ° or less, or even +/- 20 ° or less.
  • the deflected laser beam 24a hits an impact location A1 on a
  • the impact location A1 is imaged as a projection location P1 on a camera sensor 41 or a corresponding image plane.
  • the projection locations P1 and P2 differ around the
  • Projection offset dp in the x-direction The projection location P1 on the camera sensor 41 can be used as a reference variable for which the altitude z1 of the impact location A1 is known.
  • the altitude z2 of the impact location A2 can then be easily determined (with knowledge of the angle ⁇ and the focal length f0 of the camera lens 40) using the laws of geometric optics.
  • the horizontal position x2 of the impact location A2 can be determined accordingly also in the case of a known horizontal position x1 of the impact location A1.
  • Measuring pattern 50 is typically an illumination of the base member 13 in three different zones 51a, 51b, 51c, as can be seen in the plan view of the base member 13 in Fig. 4.
  • the measuring pattern 50 comprises in each zone 51a, 51b, 51c a laser line 52a, 52b, 52c (shown in solid lines);
  • Each laser line 52a, 52b, 52c consists of a plurality of laser spots (not resolved in FIG. 4).
  • the laser lines 52a-52c are here generated by a measuring laser and a scanner optics centrally above the base element 13 (not shown).
  • adjusting elements for adjusting the
  • Fig. 5 schematically illustrates the measurement of a base member 13 formed as a preform 13b.
  • the preform 13b already has a complex three-dimensional shape on which the actual three-dimensional object to be produced in layers (not shown) is to be built up.
  • the surface (contour) 03 of the preform 13b can be scanned with deflected laser beams 24a which are generated from the laser beam 24 of a measuring laser with the scanner optics 19 (limited by possible shading).
  • the scanner optics 19 limited by possible shading.
  • the inventive method can also be used to a
  • FIG. 6 illustrates, by way of example, a simple measurement setup (see upper sub-image) with a base element 13 that can be moved along a (in this case, vertical) travel direction (z-direction).
  • a deflected laser beam 24a of a measuring laser generates on the base element 13 a so-called triangulation point 60, corresponding to a point of incidence of the laser beam 24a on the surface of the base element 13.
  • the camera 21, comprising here an objective 61, which simultaneously forms an entrance pupil of the camera 21, and
  • a CMOS sensor 62 detects an image 63 of the triangulation point on the CMOS sensor 62.
  • FIG. 6 shows three different movement positions of the base element 13, which are referred to here as
  • Construction platform is formed; in the sub-images from top to bottom, the base member 13 is moved upward.
  • position signals x at different travel positions z of a reference base element or the base element are measured both in a reference measurement sequence and in later measurement sequences in individual construction jobs.
  • Moving direction of the base member 13 is directed, which represents a possible design. But is preferred that the laser beam 24a obliquely to
  • FIG. 7 shows by way of example a measurement pattern 50 in the form of the edges of a rectangle, on which four triangulation points 60 are formed at the corners of one of the rectangles; typically all tracing points 60 are considered separately within (reference) measurement sequences.
  • the straight sections of the rectangle are clearly recognizable by image recognition software, cf. Fig. 8, in which the recognized straight sections are marked in bold, so that the position of the vertices or triangulation points 60 can be easily determined by extrapolation.
  • FIG. 9 illustrates the raw data (shown as circles) of a reference measurement sequence, in which the position signal (x), ie the location of the image of a triangulation point (plotted upward), as a function of
  • Movement position (z) of the reference base element (applied to the right) is shown.
  • the individual measuring points lie on a fitted one
  • Hyperbolic curve 91 which is drawn through.
  • the fitted Hyperbolic curve 91 or another fitted curve, such as one
  • the location (with respect to z) of a pole (ZP r ) of the hyperbola curve which determines the location of the hyperbola curve can also be determined from the fitted hyperbolic curve 91
  • Input pupil of the camera represents.
  • the pole is outside the measured range, and is calculated by calculation from the
  • Hyperbola parameter Pi of the fitted hyperbola determines (see Fig. 1 1 this).
  • FIG. 10 shows the raw data of a measurement sequence (shown as circles), again with position signal x (upwards) against the
  • Measurement sequence was used, be closed directly.
  • Such a height difference can be, for example, from manufacturing tolerances of building platforms, or by thermal expansion, or simply by
  • Height difference can be used for setting the travel position of the
  • the traversing position z may be set lower by the offset 93 to obtain the positions of the surface of the base member (opposite to the camera) in accordance with the boundary conditions of the reference measuring sequence.
  • the offset 93 can be determined relatively accurately even with comparatively small travel paths in the z direction.
  • the position of the pole (zp) can also be determined for the fitted hyperbola 92 of the measurement points of the measurement sequence.
  • the pole is again outside the measured range of Fig. 10, and is determined by calculation from the hyperbola parameter Pi of the fitted hyperbola 92 (see Fig. 11).
  • FIG. 11 schematically shows the hyperbolic curve 91 of the reference measurement sequence and the hyperbolic curve 92 of the measurement sequence in a larger range, in particular also in the region of the pole positions. The position of the
  • Poles of the reference measurement sequence and measurement sequence are independent of the respective existing reference angle and angle of the laser beam in the reference measurement sequence and the measurement sequence, and corresponds to the (always the same) location of the entrance pupil of the camera, such as the lens. By comparing the pole positions can therefore also a
  • the difference 94 of the pole positions can thus be used as correction term 95.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

Ein Verfahren zur Vermessung eines Basiselements (13), insbesondere eines Substrats (13a) oder eines Preforms (13b), einer Bauzylinder-Anordnung (11), wobei die Bauzylinder-Anordnung (11) an einer Maschine (1) zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaler Objekte (2) durch Sintern oder Schmelzen von pulverförmigem Material (6) mit einem Hochenergiestrahl (16) angeordnet ist, wobei das Basiselement (13) in einem im Wesentlichen zylinderförmigen Grundkörper (14) der Bauzylinder-Anordnung (11) mit einem Kolben (12) verfahrbar ist, wobei zur Vermessung des Basiselements (13) ein Messmuster (50) aus Laserlicht erzeugt wird, das zumindest einen Teil das Basiselements (13) beleuchtet, und Auftrefforte (A1, A2) des Laserlichts mit einer Kamera (21) beobachtet und ausgewertet werden und damit Vermessungsdaten über das Basiselement (13), umfassend Positionsinformationen und/oder Orientierungsinformationen und/oder Informationen über die dreidimensionale Gestalt zumindest eines Teils der Oberfläche (01 -03) des Basiselements (13), bestimmt werden, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Messmuster (50) aus Laserlicht erzeugt wird, indem ein Laserstrahl (24) eines Messlasers (23) von einer Scanneroptik (19) abgelenkt wird, so dass unterschiedlich abgelenkte Laserstrahlen (24a) erzeugt werden, und die abgelenkten Laserstrahlen (24a) zumindest auf den Teil des Basiselements (13) gerichtet werden, und dass die Kamera (21) gegenüber den abgelenkten Laserstrahlen (24a) seitlich versetzt angeordnet ist. Die Erfindung stellt ein einfaches und flexibel einsetzbares Verfahren zur Vermessung eines Basiselements vor, das mit weniger Bauraum in der Prozesskammer auskommt.

Description

Verfahren zur Vermessung eines Basiselements einer Bauzylinder- Anordnung, mit Ablenkung eines Messlaserstrahls durch eine Scanner- Optik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung eines Basiseiements, insbesondere eines Substrats oder eines Preforms, einer Bauzylinder- Anordnung,
wobei die Bauzylinder-Anordnung an einer Maschine zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaler Objekte durch Sintern oder Schmelzen von pulverförmigem Material mit einem Hochenergiestrahl angeordnet ist, wobei das Basiselement in einem im Wesentlichen zylinderförmigen
Grundkörper der Bauzylinder-Anordnung mit einem Kolben verfahrbar ist, insbesondere wobei der Kolben einen oberen Kolben-Teil aufweist, an welchem das Basiselement angeordnet ist, und einen unteren Kolben-Teil aufweist, gegenüber dem der obere Kolben-Teil mittels wenigstens zwei, bevorzugt drei, Stellelementen ausrichtbar ist, wobei zur Vermessung des Basiselements ein Messmuster aus Laserlicht erzeugt wird, das zumindest einen Teil das Basiselements beleuchtet, und Auftrefforte des Laserlichts mit einer Kamera beobachtet und ausgewertet werden und damit Vermessungsdaten über das Basiselement, umfassend Positionsinformationen und/oder Orientierungsinformationen und/oder
Informationen über die dreidimensionale Gestalt zumindest eines Teils der Oberfläche des Basiselements, bestimmt werden.
Ein solches Verfahren ist aus der WO 2016/207258 A1 bekannt geworden.
Durch das schichtweise Fertigen dreidimensionaler Objekte mittels Sintern oder Schmelzen mit einem Hochenergiestrahl, insbesondere einem Laserstrahl oder Elektronenstrahl, können Objektgeometrien gefertigt werden, die mit
herkömmlichen Techniken (die beispielweise auf einem Gießprozess oder einem Fräsen eines Vollkörpers beruhen) nicht zugänglich sind.
Dabei wird auf einem Basiselement, meist einem Substrat (auch Bauplattform genannt) oder einem Preform, in einem Bauzylinder (auch Baukammer genannt) eine dünne Schicht eines pulverförmigen Materials aufgetragen und dann an ausgewählten Orten mit einem Hochenergiestrahl aufgeheizt, bis das pulverförmige Material aufschmilzt oder sintert. Anschließend wird das
Basiselement über ein zugehöriges Kolben-Teil in dem Bauzylinder um eine Schichtdicke des Pulvers abgesenkt, eine weitere Schicht des pulverförmigen Materials aufgetragen und wiederum an ausgewählten Orten durch den
Hochenergiestrahl erhitzt, und so fort. Der Bauzylinder ist an einem Anschiuss einer Prozesskammer befestigt.
Für eine gute Fertigungsgenauigkeit muss das Basiselement im Bauzylinder ausgerichtet werden. Insbesondere durch ein Vorwärmen des pulverförmigen Material kann es zu Verformungen, insbesondere einem Verkippen, des Basiselements im Bauzylinder bzw. relativ zur übrigen Prozesskammer kommen.
Aus der WO 2016/207258 A1 ist eine Bauzylinder-Anordnung bekannt geworden, bei der ein Substrat an einem oberen Kolbenteil befestigt ist, das an einem mittleren Kolbenteil lösbar befestigt ist. Das mittlere Kolbentei! ist wiederum auf einem unteren Kolbenteil angeordnet und gegenüber diesem mittels drei Stelleiementen ausrichtbar. Weiterhin ist eine Messeinrichtung vorgesehen, wobei drei Laserdioden jeweils eine Laserlinie unter einem schrägen Winkel an verschiedenen Stellen auf einen Spalt zwischen einer Referenzfläche, etwa einem Prozesskammerboden, und dem Substrat erzeugen, und wobei ein Kamerasystem die verschiedenen Stellen einzeln erfasst. Dabei wird der Strahlengang einer Kamera durch eine Scanneroptik des Bearbeitungslaserstrahls gerichtet, wobei die Scanposition der Kamera mittels der Scanneroptik umgeschaltet wird. Die Scanneroptik ist zentral über dem Substrat angeordnet.
Mit der Messeinrichtung kann ein Versatz von Laserlinien-Teilen am Spalt erkannt werden, und dadurch eine Verkippung des Substrats bestimmt und mittels der Stellelemente korrigiert werden. Die Anordnung der drei
Laserdioden erfordert jedoch relativ viel Bauraum in der Prozesskammer. Die Laserdioden müssen für den eingesetzten Typ von Bauzylinder speziell ausgerichtet werden, wodurch dieses Vorgehen bei der Einrichtung aufwändig und unflexibel ist. Auch sind die mit den Laserdioden erhältlichen Informationen begrenzt.
Aus der DE 10 2016 106 403 A1 ist ein Verfahren zur Kalibrierung eines Scansystems einer Lasersinter- oder Laserschmelz-Anlage bekannt geworden, bei dem ein Linienmuster durch ein Scansystem auf einer Oberfläche in der Ebene eines Baufelds erzeugt wird. Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und flexibel einsetzbares Verfahren zur Vermessung eines Basiselements vorzustellen, das mit weniger Bauraum in der Prozesskammer auskommt.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist,
dass das Messmuster aus Laserlicht erzeugt wird, indem ein Laserstrahl eines Messlasers von einer Scanneroptik abgelenkt wird, so dass unterschiedlich abgelenkte Laserstrahlen erzeugt werden, und die abgelenkten Laserstrahlen zumindest auf den Teil des Basiselements gerichtet werden,
und dass die Kamera gegenüber den abgelenkten Laserstrahlen seitlich versetzt angeordnet ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine Scanneroptik eingesetzt, um einen Laserstrahl in rascher Folge in unterschiedliche Richtungen zu lenken und so unterschiedlich abgelenkte Laserstrahlen zu erzeugen. Diese
unterschiedlich abgelenkten Laserstrahlen können zur Vermessung des Basiselements eingesetzt werden, etwa im Rahmen einer
Triangulationsmessung.
Mittels der Scanneroptik können je nach Anwendungsfall bzw. Messaufgabe unterschiedliche Messmuster erzeugt werden, wobei lediglich die Ansteuerung der Scanneroptik geändert (umprogrammiert) zu werden braucht. Insbesondere sind keine baulichen Veränderungen an der Hardware erforderlich, um das Messmuster zu verändern. Eine Anpassung des Messmusters an eine
(erwartete) Geometrie eines Basiselements, etwa einer Preform, ist problemlos möglich, etwa über Eingaben an der Steuersoftware. Es können flexibel Vermessungsdaten zu Basiselementen bestimmt werden, insbesondere
Positionen, etwa Höhenlagen, oder Verkippungen vermessen werden, oder auch dreidimensionale Strukturen (etwa Preforms, oder auch
Schichtvermessungen). Die gewonnenen Vermessungsdaten können dazu genutzt werden, die Position und/oder Orientierung des Basiselements vor Beginn einer Fertigung eines dreidimensionalen Objekts zu korrigieren, und/oder einen nachfolgenden Prozess der schichtweisen Fertigung eines dreidimensionalen Objekts an die gefundene Position, Orientierung und/oder Gestalt des Basiselements anzupassen.
Zudem wird für die Erzeugung des Messmusters nur ein einziger Messlaser benötigt, auch wenn an verschiedenen Stellen des Basiselements (etwa an drei Stellen, die im Randbereich des Basiselements in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind) abgelenkte Laserstrahlen benötigt werden. Mit der
Scanneroptik können die gewünschten Stellen in rascher Folge nacheinander beleuchtet werden. Währenddessen kann die Belichtung der Kamera für eine integrale Bildaufnahme erfolgen; alternativ kann auch für verschiedene Stellen (bzw. für jeweilige Teilmessungen) eine eigene Bildaufnahme mit der Kamera erfolgen.
Das Messmuster kann sich auf das Basiselement oder einen Teil davon beschränken, oder auch zusätzlich Teile einer Referenzstruktur (die in der Maschine ortsfest ist, und insbesondere nicht mit dem Kolben verfährt) beleuchten.
Der Messlaser kann in der Prozesskammer oder bevorzugt außerhalb der Prozesskammer angeordnet werden, so dass hierfür nur wenig oder gar kein Bauraum in der Prozesskammer benötigt wird; ebenso kann die Scanneroptik innerhalb oder bevorzugt außerhalb der Prozesskammer angeordnet werden. Durch den seitlichen Versatz der Kamera (bzw. der bilderfassenden
Kameralinse) gegenüber dem jeweiligen abgelenkten Laserstrahl wird erreicht, dass eine Verschiebung des Auftreff ortes des abgelenkten Laserstrahls in Strahlausbreitungsrichtung zu einer Verschiebung der Abbildung des
Auftreffortes in der Bildebene der Kamera führt. Dadurch kann die lokale Höhe des Basiselements (gemessen meist vertikal, im Wesentlichen entlang des abgelenkten Laserstrahls) bestimmt werden.
Typischerweise ist für ein bestimmtes Messmuster ein Soll-Bild („kalibrierte Nulllage") in einer Auswerteeinrichtung gespeichert, und aus den
Abweichungen eines gemessenen Bildes der Kamera zum Soll-Bild wird die Messinformation über das Basiselement (etwa eine Verkippung oder eine Höhenlage) bestimmt. Zur Verbesserung der Messgenauigkeit (insbesondere Wiederholgenauigkeit) können mehrere Messungen durchgeführt und ein gemitteltes Messergebnis bestimmt werden.
Der Messlaser ist typischerweise ein eigener, nur für die Vermessung des Basiselements genutzter Laser. Alternativ kann auch ein Pilotlaser oder ein Bearbeitungslaser als Messlaser genutzt werden. Bevorzugt ist der Messlaser leistungsstabilisiert (beispielsweise auf maximal 5% Leistungsschwankung oder besser), um eine gute Messauflösung zu erzielen. Der Messlaser kann eine reduzierte Kohärenz aufweisen (beispielsweise mit 10 nm Bandbreite oder besser, d.h. noch höherer Bandbreite), was eine Verringerung der so
genannten Laser Speckle bewirkt und dadurch ebenfalls die Messauflösung verbessert. Die Laserwellenlänge des Messlasers kann im sichtbaren
Spektralbereich liegen, beispielweise im roten Spektralbereich (um 650 nm).
Im Rahmen der Erfindung sind hohe Messauflösungen (Positionsauflösungen) möglich. Typischerweise sind Kamera und Messlaser so eingerichtet, dass eine Messauflösung von 100 μιη oder besser, bevorzugt 50 pm oder besser, besonders bevorzugt 15 pm oder besser erreicht wird. Die Messungen sind zuverlässig, robust und schnell möglich (keine Artefakte durch Pulverauftrag, kein iteratives Beschichten nötig); die Messungen erfordern keine
Beschichtungen oder Pulververschleiß (etwa durch Oxidation).
Bevorzugte Varianten der Erfindung
Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mit der Vermessung des Basiselements zumindest auch eine Verkippung des Basiselements gegenüber einer Referenzstruktur bestimmt. Dadurch kann eine bei einer Vorwärmung des pulverförmigen Materials häufige Art von
Verformung erfasst werden, wodurch eine entsprechende Korrektur ermöglicht wird. Die Referenzstruktur ist in der Maschine ortsfest, etwa der Boden einer Prozesskammer. Man beachte, dass die Referenzstruktur vom Messmuster nicht notwendigerweise beleuchtet zu werden braucht.
Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Variante sieht vor, dass das Messmuster eine Beleuchtung zumindest eines Teils des Basiselements in drei
verschiedenen Zonen umfasst. Dies ermöglicht eine einfache Bestimmung der Verkippung (d.h. zweier Kippwinkel) ohne weitere Annahmen. Je Zone genügt ein Messpunkt; meist werden aber mehrere Messpunkte je Zone ausgewertet. Alternativ zu dieser Variante ist es auch beispielsweise möglich, zwei Linien über das Basiselement zu legen und deren Abstand gegenüber jeweiligen Sollinien zu bestimmen; das Messmuster kann aber auch mehr als zwei Linien umfassen. Es ist auch möglich, statt Linien Linienzüge oder komplexere, z.B. gekrümmte, Muster einzusetzen.
Bevorzugt ist dabei, wenn die Orte von zumindest zwei, bevorzugt drei, der Zonen im Wesentlichen den Orten von Stellelementen entsprechen, mit denen das Basiselement gegenüber der Referenzstruktur verkippt werden kann.
Dadurch ist die Steuerung (bzw. die Software) für die Stelleelemente besonders einfach.
Ebenso ist es bevorzugt, wenn das Messmuster in den drei Zonen jeweils mehrere Laserpunkte, insbesondere jeweils eine Laserlinie, umfasst. Durch mehrere Laserpunkte kann ein Rauschen durch Mittelung reduziert werden. Zudem werden durch Verfahren eines Laserpunkts entlang einer Linie Speckle- Muster reduziert. Allgemein ist für die Bestimmung einer einzelnen
Messinformation über das Basiselement die Verwendung von mehreren
Laserpunkten oder einer Laserlinie (verfahrender Laserpunkt) bevorzugt.
Bei einer bevorzugten Variante erfolgt mit der Vermessung zumindest auch eine dreidimensionale Bestimmung zumindest eines Teils einer Oberfläche des Basiselements, insbesondere des Preforms. Mittels der Scanneroptik besteht auch die Möglichkeit, die Oberfläche eines Basiselements abzutasten und so dessen Gestalt zu bestimmen bzw. zu überprüfen. Schlechte Basiselemente können erkannt und aussortiert werden. Ebenso ist es möglich, Korrekturen für die nachfolgende schichtweise Auftragung von Material vorzunehmen, und beispielsweise bei Materialüberständen erst später mit pulverförmigem Material anzubauen, oder bei Materialrücksprüngen vorzeitig mit pulverförmigem
Material anzubauen.
Eine vorteilhafte Weiterentwicklung hierzu sieht vor, dass das Messmuster eine zeilenweise Abtastung zumindest des Teils der Oberfläche des Basiselements umfasst, wobei während der zeilenweisen Abtastung eine Vielzahl von
Einzelaufnahmen mit der Kamera angefertigt werden. Durch dieses Vorgehen können auch größere Teile der Oberfläche auf einfache Weise erfasst werden. Aus den Einzelaufnahmen (Bildern) kann dann eine Gesamtmessung bzw. Gesamtinformation zusammengesetzt werden.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Variante, bei der durch die Vermessung zumindest auch eine Bestimmung der Höhenlage des Basiselements gegenüber einer Referenzstruktur erfolgt. Damit kann die Höhenlage ggf. korrigiert werden (etwa über ein Verfahren des Kolbens im Grundkörper), um eine korrekte Fokuslage des Bearbeitungslasers zu gewährleisten. Man beachte, dass das Messmuster die Referenzstruktur nicht notwendigerweise beleuchten muss.
Bei einer vorteilhaften Variante erfolgt zur Vermessung des Basiselements ein Vergleich der mit der Kamera beobachteten Auftrefforte des Laserlichts auf dem Basiselement mit erwarteten Auftrefforten des Laseriichts auf dem
Basiselement,
insbesondere wobei das Messmuster ausschließlich das Basiselement beleuchtet und/oder lediglich Auftrefforte des Laseriichts auf dem Basiselement ausgewertet werden. In dieser besonders einfachen Variante braucht keine Referenzstruktur mitbeleuchtet zu werden. Dies ermöglicht auch eine
besonders zuverlässige Vermessung des Basiselements; etwaige
Verschmutzungen oder Fehler an der Referenzstruktur sind irrelevant.
Varianten zur mehrfachen Nutzung von Maschinenbauteilen
Bei einer besonders bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass die Maschine weiterhin einen Bearbeitungslaser umfasst, und dass nach der Vermessung des Basiselements sodann zur Fertigung von Schichten wenigstens eines dreidimensionalen Objekts auf dem Basiselement zumindest Teile von
Schichten von pulverförmigem Material auf dem Basiselement mit
Bearbeitungsmustern aus Laserlicht beleuchtet werden, wobei die
Bearbeitungsmuster erzeugt werden, indem ein Laserstrahl des
Bearbeitungslasers von der besagten Scanneroptik abgelenkt wird. Dadurch wird die Scanneroptik doppelt genutzt (für die Triangulationsmessung und für die Bearbeitung). Das Verfahren wird dadurch besonders kostengünstig; die Maschine zur schichtweisen Fertigung kann besonders kompakt ausgebildet werden. Ebenfalls bevorzugt ist eine Variante, bei der vorgesehen ist, dass nach der Vermessung des Basiselements sodann zur Fertigung von Schichten
wenigstens eines dreidimensionalen Objekts auf dem Basiselement Schichten von pulverförmigem Material auf dem Basiselement aufgetragen werden, wobei die Schichten von pulverförmigem Material vor einer Anwendung des
Hochenergiestrahls mit der besagten Kamera optisch überprüft werden.
Dadurch wird die Kamera doppelt genutzt (als Pulverbildkamera und
Triangulationskamera). Das Verfahren wird dadurch besonders kostengünstig; die Maschine zur schichtweisen Fertigung kann besonders kompakt
ausgebildet werden.
Verfahren mit Kalibrierung über eine Messsequenz und eine Referenz- Messsequenz mit verfahrendem Basiselement
Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen,
dass das Messmuster wenigstens einen Triangulationspunkt umfasst, dass in einer Messsequenz Auftrefforte des wenigstens einen
Triangulationspunkts bei unterschiedlichen Verfahrpositionen des
Basiselements im Grundkörper mit der Kamera beobachtet werden und zugehörige Messsequenzdaten erhalten werden, wobei der Triangulationspunkt von einem abgelenkten Laserstrahl erzeugt wird, der unter einem während der Messsequenz festen Winkel auf das Basiselement gerichtet ist,
dass die Messsequenzdaten mit Referenz-Messsequenzdaten aus einer Referenz-Messsequenz verglichen werden, wobei im Rahmen der Referenz- Messsequenz ebenfalls Auftrefforte des wenigstens einen Triangulationspunkts bei unterschiedlichen Verfahrpositionen eines Referenz-Basiselements im Grundkörper mit der Kamera beobachtet wurden und die zugehörigen
Referenz-Messsequenzdaten erhalten wurden, wobei der Triangulationspunkt von einem abgelenkten Laserstrahl erzeugt wurde, der unter einem während der Referenz-Messsequenz festen Referenzwinkei auf das Referenz- Basiselement gerichtet war,
und dass aus dem Vergleich der Messsequenzdaten und der Referenz- Messsequenzdaten eine Korrekturinformation für die Vermessung des
Basiselements abgeleitet wird.
Mit der Korrekturinformation kann insbesondere eine Pointing-Instabilität oder Drift des Messlasers oder der zugehörigen Scanneroptik im Messsystem ausgeglichen werden, die zu Fehlern etwa in der Positionsbestimmung bei einer Triangulation führt. Die Ko rrektu ri nf o rmatio n kann beispielsweise ein Höhenversatz im Bereich eines (jeweiligen) Triangulationspunktes sein; mittels einer präzisen Verfahrmechanik des Kolbens kann ein solcher Höhenversatz ausgeglichen werden. Die Verfahrachse der Bauplattform ist in der Regel eine sehr präzise einstellbare Achse. Durch das angegebene Vorgehen kann deren Präzision (insbesondere bei der Höhenvariierung in der Referenzmessung) auch für die Kalibrierung des einer Maschine zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaler Objekte bzw. deren Messsystem genutzt werden. Über die Messsequenz und die Referenzmesssequenz werden in der Regel (zumindest geringfügig) verschiedene Orte auf dem Basiselement belichtet, wodurch eine Mittelung von bezüglich Speckle-Effekten unabhängigen Messungen erreicht wird. Auch dadurch kann die Präzision der Kalibrierung bzw. der zugehörigen schichtweisen Fertigung eines dreidimensionalen Objekts verbessert werden. Typischerweise werden wenigstens fünf, bevorzugt wenigstens zehn
Messpunkte (Verfahrpositionen) je Messsequenz bzw. Referenz-Messequenz vermessen.
Die Referenz-Messsequenz wird typischerweise einmalig bei Inbetriebnahme der einer Maschine zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaler Objekte durchgeführt; die Messsequenz wird typischerweise jeweils zu Beginn eines neuen Baujobs ausgeführt. Meist wenden die Messsequenz und die Referenz- Messsequenz dasselbe Messmuster oder zumindest ähnliche Messmuster an; die Messmuster können aber auch unterschiedlich sein. Der Vergleich der Referenz-Messsequenzdaten und der Messsequenzdaten erfolgt
typischerweise über Parameter, die aus den Referenz-Messsequenzdaten und/oder den Messequenzdaten abgeleitet werden.
Typischerweise wird die Korrekturinformation dazu benutzt, die Position oder Orientierung des Basiselements zu bestimmen und ggf. nachzujustieren, um eine möglichst genaue, anschließende Fertigung des dreidimensionalen Objekts zu bewirken.
Im einfachsten Fall können mit den Messsequenzdaten oder einem Teil davon und den Korrekturinformationen direkt gewünschte Vermessungsdaten über das Basiselement erhalten werden. Es ist aber auch möglich, nach Erhalt der Korrekturinformationen zeitnah eine weitere erfindungsgemäße Vermessung des Basiselements, etwa mit einem anderen Messmuster, durchzuführen, und bei dieser Vermessung die Korrekturinformationen weiter zu benutzen.
Bevorzugt ist eine Weiterbildung der obigen Variante, bei der dass das
Messmuster wenigstens drei, bevorzugt wenigstens vier Triangulationspunkte umfasst,
bevorzugt wobei die Triangulationspunkte als Eckpunkte des Messmusters ausgebildet sind, an welche gerade verlaufende Abschnitte des Messmusters angrenzen,
besonders bevorzugt wobei die Triangulationspunkte als Eckpunkte eines rechteckförmigen Messmusters ausgebildet sind. Mittels drei oder mehr Triangulationspunkten kann eine Orientierung des Basiselements bestimmt werden, etwa eine Verkippung bezüglich zweier Achsen. Falls gewünscht, können auch fünf oder noch mehr Triangulationspunkte vorgesehen sein. Die Bestimmung von Eckpunkten eines Messmusters ist besonders einfach und zuverlässig über die Extrapolation gerade verlaufender Abschnitte mittels automatischer Bildauswertesoftware möglich. Bei der Verwendung eines rechteckförmigen Messmusters („Viereck") ist die Bestimmung der Position der Eckpunkte weiter vereinfacht, da die Kanten entlang der Pixelachse des Kamerasensors orientiert werden können.
Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung, die vorsieht, dass aus den
Messsequenzdaten und die Referenz-Messsequenzdaten jeweils ein oder mehrere Kurven-Parameter, insbesondere Hyperbel-Parameter, ermittelt werden, die jeweils eine Kurve, insbesondere Hyperbelkurve (91 , 92), beschreiben, welche jeweils die beobachteten Auftrefforte als Funktion der Verfahrposition des Basiselements im Grundkörper anfittet. Durch das Anfitten von Kurven und die Heranziehung von Kurven-Parametern wird der Speckle- Fehler aus den Messdaten auf einfache Weise herausmittelt. Die Bestimmung der Korrekturinformation über die Kurven-Parameter kann mit erhöhter
Genauigkeit erfolgen. Als angefittete Kurven eignen sich vor allem
Hyperbel kurven, da sich aus der Geometrie der Optik eine solche Kurve ergibt. Es kann aber auch ein Anfitten anderer Kurventypen in guter Näherung erfolgen, etwa auf Basis einer Polynomialfunktion.
Bevorzugt ist bei dieser Weiterbildung vorgesehen, dass die
Korrekturinformation aus einem Versatz der Kurven der Messsequenzdaten und der Referenz-Messsequenzdaten ermittelt wird. Diese Vorgehen ist besonders einfach, und kann insbesondere dann gut angewandt werden, wenn der vermessbare Verfahrweg des Basiselements im Grundkörper (in z- Richtung) relativ klein ist (z.B. bei einem Verfahrweg von weniger als 4 cm oder einem Verfahrweg von weniger als 1/12 des mittleren Abstands zur Kamera- Eintrittspupille), und/oder wenn keine nennenswerten Differenzen von
Referenzwinkel des Laserstrahls bei der Referenz-Messsequenz und dem Winkel des Laserstrahls bei der Messsequenz zu erwarten sind.
Alternativ ist vorteilhafter Weise bei obiger Weiterbildung vorgesehen, dass die jeweilige angefittete Kurve eine Hyperbelkurve ist und die Kurvenparameter Hyperbel-Parameter sind, und dass aus dem einen oder den mehreren Hyperbel-Parametern jeweils eine Position (ZPm, zpR) einer Polstelle der jeweiligen Hyperbeikurve ermittelt wird, und die Korrekturinformation aus einem Vergleich der ermittelten Positionen (ZPM, ZPr) der Polstellen der
Hyperbelkurven der Messsequenzdaten und der Referenz-Messsequenzdaten ermittelt wird. Im Allgemeinen ergibt sich die Position (x) eines
Triangulationspunkts auf einer Bildebene der Kamera als Funktion der eingestellten Verfahrposition (z) des Basiselements gemäß einer
Hyperbelkurve, mit x=Po / (Pi+z) + P2, mit Po, Ρι, P2: Hyperbelparameter. Die Hyperbelkurve hat stets eine Polstelle auf Höhe der Eintrittspupille des
Kameraobjektivs; die Position der Polstelle ist insbesondere unabhängig vom eingestellten Auftreffwinkel des Laserstrahls auf dem Basiselement. Der Parameter P1 beschreibt die Position dieser Polstelle. Daher kann durch Vergleich der Positionen der Polstellen aus den Hyperbelkurven der Referenz- Messsequenz und der Messsequenz eine Kalibrierung erfolgen, die auch Winkelfehler des Lasersystems (also eine Abweichung zwischen dem
Referenz-Winkel und dem Winkel der Messsequenz) ausgleicht. Befand sich beispielsweise bei der Referenz-Messsequenz die Polstelle/Eintrittspupille bei der Verfahrposition zpR (entsprechend Parameter P1 der Hyperbelkurve der Referenz-Messsequenz), und wurde eine gewünschte Position (relativ zur ortsfesten Kamera) des Referenz-Basiselements bzw. dessen Oberfläche bei der Referenzmesssequenz bei der eingestellten Verfahrposition ZBr erhalten, und wurde weiterhin für die Messsequenz die Polstelle/Eintrittspupille bei der Verfahrposition zpM (entsprechend Parameter P1 der Hyperbelkurve der Messsequenz) erhalten, so kann durch Einstellung einer Verfahrposition ZBM gemäß
ZBM=(ZPM-ZPR)+ZBR
das Basiselement bzw. dessen Oberfläche an der identischen Position (relativ zur ortsfesten Kamera) wie in der Referenzmesssequenz bezüglich des Referenz-Basiselements erhalten werden. Bei diesem Vorgehen wird eine sehr genaue Kalibrierung möglich; typischerweise werden mit der Messsequenz und der Referenzmesssequenz ein relativ großer Verfahrweg vermessen, um die Hyperbel-Parameter mit hoher Genauigkeit bestimmen zu können (z.B. über eine Verfahrweg von wenigstens 4 cm oder über einen Verfahrweg von mehr als 1/12 des mittleren Abstands zur Kamera-Eintrittspupille).
In einer vorteilhaften Weiterbildung verläuft der feste Winkel schräg zu einer Verfahrrichtung des Basiselements im Grundkörper. Dadurch ist sichergestellt, dass während der Messsequenz der Triangulationspunkt sich relativ zur Oberfläche des Basiselements merklich bewegt, sodass es zu einer Mittelung kommt, die Speckle-Fehler reduziert. Typischerweise beträgt der Winkel 5° oder mehr zur Verfahrrichtung. Analog sollte auch der Referenzwinkel für die Referenz-Messsequenz schräg zur Verfahrrichtung des Basiselements im Grundkörper gewählt sein.
Vorteilhaft ist zudem eine Weiterbildung, bei der das Basiselement und das Referenz-Basiselement baugleich ausgebildet sind. Dies minimiert die
Korrekturgrößen, und trägt zu einer höheren Fertigungsgenauigkeit bei.
Erfindungsgemäße Maschinen zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaler Objekte
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Maschine zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaier Objekte durch Sintern oder
Schmelzen von pulverförmigem Material mit einem Hochenergiestrahl, mit einer Bauzyiinder-Anordnung mit einem im Wesentlichen zylinderförmigen Grundkörper und einem im Grundkörper verfahrbaren Kolben, auf dem ein Basiselement, insbesondere ein Substrat oder ein Preform, angeordnet ist, insbesondere wobei der Kolben einen oberen Kolben-Teil aufweist, an welchem das Basiselement angeordnet ist, und einen unteren Kolben-Teil aufweist, gegenüber dem der obere Kolben-Teil mittels wenigstens zwei, bevorzugt drei, Stellelementen ausrichtbar ist,
und mit einem Messsystem zur Vermessung des Basiselements mittels Laserlicht, das Vermessungsdaten über das Basiselement, umfassend
Positionsinformationen und/oder Orientierungsinformationen und/oder
Informationen über die dreidimensionale Gestalt zumindest eines Teils der Oberfläche des Basiselements, bestimmt,
dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem zur Vermessung des
Basiselements umfasst
- eine Scanneroptik,
- einen an die Scanneroptik gekoppelten Messlaser,
- eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, einen vom Messlaser erzeugten Laserstrahl mittels der Scanneroptik so abzulenken, dass
unterschiedlich abgelenkte Laserstrahlen gemäß einem programmierten Messmuster erzeugt werden, und die abgelenkten Laserstrahlen zumindest auf einen Teil des Basiselements gerichtet werden,
- eine Kamera, mit der Auftrefforte der von der Scanneroptik abgelenkten Laserstrahlen beobachtet werden können, und die seitlich versetzt gegenüber allen möglichen abgelenkten Laserstrahlen angeordnet ist, die von der
Scanneroptik auf das Basiselement gerichtet werden könnten,
- und eine Auswerteeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, von der seitlich versetzten Kamera beobachtete Auftrefforte des Laserlichts des mit der Scanneroptik erzeugten Messmusters auszuwerten und daraus die
Vermessungsdaten über das Basiselement zu bestimmen. Mit der
erfindungsgemäßen Maschine ist ein kompakter Bau möglich, insbesondere wird wenig oder kein Bauraum in der Prozesskammer für das Messsystem benötigt. Das Messsystem ist einfach, insbesondere bezüglich der Installation, und flexibel für unterschiedliche Typen von Bauzylinder-Anordnungen und Basiselementen (Substrate oder Preferoms) anwendbar. Bevorzugt ist die Kamera so angeordnet, dass sie auch gegenüber möglichen Laserstrahlen seitlich versetzt ist, die von der Scanneroptik auf eine Referenzstruktur, die das Basiselement umgibt, gerichtet werden. Typische Vermessungsdaten
(Messinformationen) sind Daten über eine Verkippung des Basiselements, Daten über die Höhenlage des Basiselements oder Daten über die dreidimensionale Gestalt zumindest eines Teils der Oberfläche des
Basiselements. Die erfindungsgemäße Maschine ist geeignet zur Durchführung eines erfindungsgemäßen, obigen Verfahrens.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Maschine, die vorsieht, dass die Maschine als Hochenergiestrahlquelle einen
Bearbeitungslaser umfasst, und dass der Bearbeitungslaser ebenfalls an die besagte Scanneroptik gekoppelt ist. Dadurch kann die Scanneroptik doppelt genutzt werden, was kostengünstig und besonders kompakt ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass im Strahlengang vor der Scanneroptik ein Strahlteiler angeordnet ist, und der Messlaser und der Bearbeitungslaser jeweils auf den Strahlteiler ausgerichtet sind. Mittels des Strahlteilers (typischerweise ein halbdurchlässiger Spiegel, angeordnet im 45°-Winkel zu den Eingangs- und Ausgangsstrahlen) kann auf einfache Weise die Ankopplung von Messlaser und Bearbeitungslaser auf dieselbe Scanneroptik erfolgen. Der Strahlteiler und die Scanneroptik sowie der Messlaser und der Bearbeitungslaser befinden sich typischerweise außerhalb der Prozesskammer.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der die Maschine weiterhin eine Prüfeinrichtung umfasst, die dazu eingerichtet ist, Aufnahmen der besagten Kamera von einer auf dem Basiselement aufgetragenen Schicht pulverförmigen Materials vor einer Bearbeitung mit dem Hochenergiestrahl auszulesen und auszuwerten. Dadurch wird die Kamera doppelt genutzt, was kostengünstig und besonders kompakt ist.
Eine Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass die Scanneroptik bzw. eine der Scanneroptik nachgelagerte Fokussieroptik oder eine Gruppe von Scanneroptiken, zu denen die Scanneroptik zählt, bzw. eine Gruppe von Fokussieroptiken, die dieser Gruppe von Scanneroptiken nachgeiagert sind, über dem Basiselement angeordnet ist, insbesondere zentral über dem
Basiselement angeordnet ist, und die Kamera in horizontaler Richtung neben dem Basiselement angeordnet ist. Durch die Anordnung über dem
Basiselement (also in vertikaler Richtung oberhalb des Basiselements, und bezüglich der horizontaler Richtung fluchtend mit dem Basiselement), insbesondere (zumindest im Wesentlichen) zentral über dem Basiselement, sind mit der Scanneroptik bzw. der Fokussieroptik alle Teile des Basiselements für abgelenkte Laserstrahlen gut erreichbar; Strahlaufweitungen eines abgelenkten Laserstrahls werden minimiert, was auch eine gute Ortsauflösung ermöglicht. Durch die Anordnung der Scanneroptik bzw. der Fokussieroptik über dem Basiselement und der Anordnung der Kamera neben dem
Basiselement (und in vertikaler Richtung oberhalb des Basiselements, meist auf ähnlicher Höhe wie die Scanneroptik) sind diese in horizontaler Richtung voneinander beabstandet, und die Kamera ist auf einfache Weise stets seitlich versetzt gegenüber allen möglichen abgelenkten Laserstrahlen angeordnet, die von der Scanneroptik auf das Basiselement gerichtet werden könnten.
Horizontal neben dem Basiselement ist in der Regel ausreichend Platz für die Kamera in der Prozesskammer; alternativ kann die Kamera auch außerhalb der Prozesskammer hinter einem Fenster angeordnet sein.
Im Rahmen der Erfindung kann das Messsystem zur Vermessung des
Basiselements auch mehrere Scanneroptiken umfassen, die jeweils an den Messlaser oder alternativ an mehrere Messlaser gekoppelt sind, und die von der Steuereinrichtung kontrolliert werden, um das Messmuster zu erzeugen. In diesem Fall sind komplexere Messmuster möglich, und ggf. können
Abschattungen vermieden oder minimiert werden, insbesondere bei der Vermessung der Oberfläche von Preforms. Falls gewünscht, können auch mehrere Kameras vorgesehen sein, die jeweils seitlich versetzt gegenüber allen möglichen abgelenkten Laserstrahlen angeordnet sind, die von jeweils zugeordneten Scanneroptiken auf das Basiselement gerichtet werden könnten; auch hierdurch können Abschattungen vermieden oder minimiert werden. Bevorzugt ist die Gruppe dieser Scanneroptiken bzw. eine Gruppe von
Fokussieroptiken, die dieser Gruppe von Scanneroptiken nachgelagert sind, über dem Basiselement angeordnet, insbesondere zentral über dem
Basiselement angeordnet.
Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, bei der die Kamera als Kamera mit geschifteter Optik ausgebildet ist. Dadurch werden in den Aufnahmen
Verzerrungen, insbesondere bei stürzenden Linien, vermieden. Alternativ können beispielsweise auch etwaige Verzerrungen mit einer Software aus den Aufnahmen der Kamera herausgerechnet werden.
Weiterhin fällt in den Rahmen der vorliegenden Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen, oben angegebenen Maschine in einem
erfindungsgemäßen, oben angegebenen Verfahren.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die
Schilderung der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Maschine zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaler Objekte, zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt einer Bauzylinder-Anordnung für die Erfindung;
Fig. 3 eine Illustration einer Triangulationsmessung für die Erfindung;
Fig. 4 eine schematische Aufsicht auf ein Basiselement, auf das ein
Messmuster gerichtet ist, ohne Verkippung und mit Verkippung des Basiselements, gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren;
Fig. 5 eine schematische Seitenansicht beim zeilenweisen Abtasten eines Preforms, im Rahmen der Erfindung;
Fig. 6 eine schematische Übersicht zur Detektion eines
Triangulationspunkts eines Messmusters, bei verschiedenen Verfahrpositionen eines Basiseiements, für die Erfindung;
Fig. 7 eine schematische Übersicht eines Messmusters für vier
Triangulationspunkte, für die Erfindung; Fig. 8 eine schematische Übersicht zur Bilderkennung beim Messmuster von Fig. 7, für die Erfindung;
Fig. 9 ein schematisches Diagramm zur Illustration eines Satzes von
Referenz-Messsequenzdaten, für die Erfindung; ein schematisches Diagramm zur Illustration eines Satzes von Messsequenzdaten und einer Fitkurve der Referenz- Messsequenzdaten von Fig. 9, für eine Kalibrierung über einen Kurvenversatz, für die Erfindung; ein schematisches Diagramm zur Illustration der Kalibrierung über den Versatz von Polstellen, basierend auf angefitteten Hyperbelkurven wie in Fig. 10 und Fig. 11 dargestellt.
Die Fig. 1 zeigt in einer schematischen Ansicht von der Seite eine
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Maschine 1 zur schichtweisen Fertigung eines dreidimensionalen Objekts 2 (oder auch mehrerer
dreidimensionaler Objekte), auch genannt 3D-Druck-Maschine.
Die Maschine 1 umfasst eine gasdichte Prozesskammer 3, die in nicht näher dargestellter Weise mit einem Inertgas (Schutzgas), etwa Stickstoff oder einem Edelgas wie Argon, gefüllt und/oder gespült werden kann.
An die Prozesskammer 3 angeschlossen ist eine Pulverzylinder-Anordnung 4 mit einem Pulverzylinder (Vorratszylinder) 5 für ein pulverförmiges Material 6 (gepunktet dargestellt), aus dem das dreidimensionale Objekt 2 hier durch Sintern oder Schmelzen gefertigt wird. Das pulverförmige Material 6 kann beispielsweise aus Metallpartikeln mit einer mittleren Korngröße (D50) von 25- 100 μηι bestehen; in anderen Anwendungen können auch Kunststoffpartikel oder Keramikpartikel ähnlicher Größe eingesetzt werden. Durch schrittweises Hochfahren eines Pulver-Kolbens 7 mit einer ersten Hebeeinrichtung (Pulver- Hubeinrichtung) 8 wird eine kleine Menge des pulverförmigen Materials 6 über das Niveau des Bodens 9 der Prozesskammer 3 angehoben, so dass mit einem motorisch betätigbaren Schieber 10 diese kleine Menge zu einer Bauzylinder-Anordnung 11 verbracht werden kann.
Die ebenfalls an die Prozesskammer 3 angeschlossene Bauzylinder- Anordnung 11 verfügt über den Kolben 12, auf dem oberseitig ein
Basiselement 13, hier ein Substrat 13a, angeordnet ist. Auf dem Basiselement 13 wird das dreidimensionale Objekt 2 aufgebaut. Das Basiselement 13 ist mit dem Kolben 12 in einem Grundkörper 14 vertikal verfahrbar. Der Kolben 12 ist mehrteilig ausgebildet und mit Stellelementen versehen, um eine Verkippung des Basiselements 13 in der Bauzylinder-Anordnung 11 korrigieren zu können (nicht näher dargestellt, siehe dazu aber Fig. 2).
Jeweils vor der Fertigung einer neuen Schicht des dreidimensionalen Objekts 2 wird der Kolben 12 mit einer zweiten Hebeeinrichtung (Hubeinrichtung) 15 um einen Schritt abgesenkt, und eine kleine Menge des pulverförmigen Materials 6 wird mit dem Schieber 10 in die Bauzylinder-Anordnung 11 gestrichen. Die aufgetragene Schicht des pulverförmigen Materials 6 wird mit einer Kamera 21 und einer an diese angeschlossene Prüfeinrichtung 28 (betreibend eine Bildauswertesoftware) überprüft; gegebenenfalls kann mit dem Schieber 10 und/oder mit weiterem pulverförmigem Material 6 die aufgetragene Schicht korrigiert werden. Insbesondere kann ein beschädigter Schieber 10 anhand eines fehlerhaften Pulverauftrags erkannt und in der Folge ausgetauscht werden, um damit die aufgetragene Schicht zu korrigieren. Die Kamera 21 ist bevorzugt mit einer geschifteten Optik versehen (nicht näher dargestellt). Die Kamera 21 ist hier hinter einem Fenster 21a außerhalb der Prozesskammer 3 angeordnet. Sodann wird die neu aufgetragene Pulverschicht von oben mit einem
Hochenergiestrahl 16, hier einem Bearbeitungs-Laserstrahl 16a, aus einer Hochenergiestrahlquelle 17, hier einem Bearbeitungslaser 17a, an Stellen, die für eine lokale Verfestigung (Aufschmelzen, Aufsintern) des pulverförmigen Materials 6 vorgesehen sind, lokal beleuchtet und dadurch lokal stark erwärmt.
Der Bearbeitungs-Laserstrahl 16a wird dabei durch einen Strahlteiler 18 hindurch über eine Scanneroptik 19, enthaltend einen oder mehrere Spiegel, die insgesamt um wenigstens zwei Achsen verschwenkbar sind, über eine Fokussieroptik 29 und durch ein Fenster 20 hindurch geleitet. Die Scanneroptik 19 und die Fokussieroptik 29 sitzen hier zentral über dem Basiselement 13. Mittels der Scanneroptik 19 kann der Bearbeitungs-Laserstrahl 16a das Basiselement 13 bzw. die oberste Pulverschicht darauf entsprechend der vorgesehenen Gestalt des dreidimensionalen Objekts 2 abrastern
(„Bearbeitungsmuster").
Danach werden weitere Schichten gefertigt, bis das dreidimensionale Objekt 2 fertiggestellt ist. Überschüssiges pulverförmiges Material 6 kann mit dem Schieber 10 in einen Sammelbehälter 6a gestrichen werden.
Die Maschine 1 verfügt erfindungsgemäß über ein Messsystem 22 zur
Vermessung des Basiselements 13, insbesondere vor Beginn des
Fertigungsprozesses, um etwaige Verformungen (wie eine Verkippung) am Basiselement 13 zu erkennen und gegebenenfalls korrigieren zu können.
Das Messsystem 22 umfasst hier einen eigenen Messlaser 23, dessen
Laserstrahl 24 über den Strahlteiler 18 in die auch vom Bearbeitungs- Laserstrahl 16a genutzte Scanneroptik 19 bzw. deren Strahlengang
einkoppelbar ist, so dass von der Scanneroptik 19 abgelenkte Laserstrahlen 24a des Messlasers 23 zumindest auf Teile des Basiselements 13 gemäß einem Messmuster gerichtet werden können. Die abgelenkten Laserstrahlen 24a breiten sich in vertikaler Richtung nach unten oder mit einem kleinen Winkel (meist <30°, bevorzugt <20°) gegenüber der Vertikalen aus. Die
Scanneroptik 19 ist an eine Steuereinrichtung 25 angeschlossen, in der ein oder mehrere Messmuster bzw. entsprechende Steuerbefehle zur Ansteuerung der Scanneroptik 19 für die Vermessung des Basiselements 13 programmiert sind.
Das Messsystem 22 umfasst hier zudem die Kamera 21 , die auch zur
Pulverbettüberprüfung eingesetzt wird. Mit der Kamera 21 kann die Oberfläche des Basiselements 13 aufgenommen werden, so dass die tatsächlichen
Auftrefforte der abgelenkten Laserstrahlen 24a des Messlasers 23 gemäß dem Messmuster erfasst werden können. Die Kamera 21 ist an eine
Auswerteeinrichtung 26 angeschlossen, mit der die beobachteten Auftrefforte ausgewertet und in Vermessungsdaten über das Basiseiement 13, etwa eine Verkippung des Basiselements, überführt werden. Hierbei greift die
Auswerteeinrichtung typischerweise auf Referenzinformation („Soll-Bilder") zurück. Mit diesen Vermessungsdaten kann dann eine Korrektur der Position oder Orientierung des Basiselements 13 erfolgen, gegebenenfalls auch iterativ.
Die Kamera 21 ist gegenüber dem Basiselement 13 in horizontaler Richtung versetzt, vgl. Versatz 27 (hier eingezeichnet zwischen dem Rand des
Basiseiements 13 und der Mitte der Kameralinse der Kamera 21 ; man beachte, dass in der Praxis die Kameralinse meist sehr viel kleiner ist als der Versatz 27). Dadurch wird erreicht, dass die Kamera 21 unter einem Winkel (meist >20°) auf die abgelenkten Laserstrahlen 24a blickt.
Die Fig. 2 zeigt eine Bauzylinder-Anordnung 11 , wie sie etwa in der Maschine von Fig. 1 eingesetzt werden kann, in einer schematischen
Längsschnittansicht. Im näherungsweise zylinderförmigen Grundkörper 14 ist der Kolben 12 entlang der vertikal verlaufenden Zylinderachse mit der zweiten Hebeeinrichtung 15 verfahrbar.
Der Kolben 12 verfügt über ein oberes Kolben-Teil 12a, auf dem das
Basiselement 13, hier ein Substrat 13a, oberseitig angeordnet und befestigt ist. Das obere Kolben-Teil 12 verfügt über eine Pulverdichtung 30, mit der ein Spalt zum Grundkörper 14 verschlossen wird, sodass pulverförmiges Material nicht oder nur in sehr geringen Mengen weiter nach unten in die Bauzylinder- Anordnung 11 vordringen kann. Das obere Kolben-Teil 12a verfügt
typischerweise über eine Heizung, mit der das Basiselement 13 und darauf befindliches pulverförmiges Material erwärmt werden kann (nicht näher dargestellt).
Der oberer Kolben-Teil 12a ist auf einem mittleren Kolben-Teil 12b angeordnet, wobei zwischen dem oberen Kolben-Teil 12a und dem mittleren Kolben-Teil 12b eine keramische Isolationsplatte 31 angeordnet ist.
Der mittlere Kolben-Teil 12b ist über hier drei Stellelemente 32 auf einem unteren Kolben-Teil 12c gelagert. Die Stellelemente 32 können beispielsweise als Piezo-Aktuatoren ausgebildet sein. Die Stellelemente 32 gestatten die Einstellung einer Verkippung des mittleren Kolben-Teils 12b (und damit auch den oberen Kolben-Teils 12a) gegenüber dem unteren Kolben-Teil 12c bezüglich zweier horizontaler Achsen. Der untere Kolben-Teil 12c verfügt über eine Gasdichtung 33, die den Spalt zum Grundkörper 14 abdichtet und ein Eindringen von Luftsauerstoff in das Innere der Bauzylinder-Anordnung 11 während der Fertigung eines dreidimensionalen Objekts verhindert.
Typischerweise verfügt der untere Kolben-Teil 12c über eine Kühlung (nicht näher dargestellt). Die Fig. 3 erläutert das Prinzip der Vermessung eines Basiselements, etwa der Bestimmung der lokalen Höhenlage eines Teils des Basiselements, im Rahmen der Erfindung. Bevorzugt erfolgt die Vermessung des Basiselements im
Rahmen der Erfindung mittels Triangulation. Dabei wird ein Messmuster auf das Basiselement projiziert, wobei die Sollposition des Messmusters (bzw. der Laserstrahl-Auftreffpunkte) auf dem Basiselement aufgrund der Scanneroptik- Ansteuerung und der (Soll-)Geometrie des Basiselements bekannt ist, und aus der Abweichung des tatsächlichen momentanen Messmusters (bzw. der Laserstrahl-Auftreffpunkte) auf dem Basiselement, beobachtet durch eine seitlich versetzte Kamera, wird eine Positions- bzw. Orientierungsinformation gewonnen.
Der Laserstrahl 24 des Messlasers 23 wird an der Scanneroptik 19 abgelenkt, vgl. den abgelenkten Laserstrahl 24a. Der abgelenkte Laserstrahl 24a hat einen Winkel ß gegenüber der Vertikalen, die parallel zu einer z-Achse verläuft;
typischerweise liegt ß in einem Bereich von +/-30° oder weniger, oder auch +/- 20° oder weniger.
Der abgelenkte Laserstrahl 24a trifft an einem Auftreffort A1 auf eine
Oberfläche 01 des Basiselements. Eine Kamera, mit der in horizontaler x- Richtung seitlich versetzt liegenden Kameralinse 40, beobachtet den Auftreffort A1. Der Auftreffort A1 wird als Projektionsort P1 auf einem Kamerasensor 41 bzw. einer entsprechenden Bildebene abgebildet.
Liegt die Oberfläche des Basiselements in vertikaler z-Richtung um die
Höhendifferenz dz tiefer, vgl. die Oberfläche O2, so erkennt die Kamera hingegen den Auftreffort A2, der bei Projektionsort P2 auf den Kamerasensor 41 trifft. Die Projektionsorte P1 und P2 unterscheiden sich um den
Projektionsversatz dp in x-Richtung. Der Projektionsort P1 auf dem Kamerasensor 41 kann als Referenzgröße verwendet werden, für den die Höhenlage z1 des Auftrefforts A1 bekannt ist. Mittels des Projektionsversatzes dp des Projektionsorts P2 gegenüber dem Projektionsort P1 kann (bei Kenntnis des Winkels ß und der Brennweite fO der Kameralinse 40) die Höhenlage z2 des Auftrefforts A2 dann mit den Gesetzen der geometrischen Optik leicht bestimmt werden. Falls gewünscht, kann entsprechend auch bei bekannter Horizontalllage x1 des Auftrefforts A1 die Horizontallage x2 des Auftrefforts A2 bestimmt werden.
Um die Verkippung eines Basiselements 3 zu bestimmen, umfasst ein
Messmuster 50 typischerweise eine Beleuchtung des Basiselements 13 in drei verschiedenen Zonen 51a, 51 b, 51c, wie in der Aufsicht auf das Basiselement 13 in Fig. 4 ersichtlich ist. Das Messmuster 50 umfasst hier in jeder Zone 51a, 51 b, 51c eine (durchgezogen dargestellte) Laserlinie 52a, 52b, 52c; jede Laserlinie 52a, 52b, 52c besteht aus einer Vielzahl von Laserpunkten (nicht aufgelöst in Fig. 4). Die Laserlinien 52a-52c werden hier von einem Messlaser und einer Scanneroptik zentral über dem Basiselement 13 erzeugt (nicht dargestellt).
Im Falle einer Verkippung des Basiselements 13, etwa mit dem in Fig. 4 oberen Abschnitt nach unten in die Zeichenebene hinein, verschieben sich die
Laserlinien auf der Oberfläche des Basiselements, vgl. die gestrichelten Laserlinien 53a, 53b, 53c, was mit einer seitlich versetzen Kamera (nicht dargestellt) leicht erfasst werden kann. Für jede der Zonen 51a, 51b, 51c kann eine eigene lokale Höhenlage des Basiselements 13 bestimmt werden; hierbei werden typischerweise Höhenlagen-Informationen der verschiedenen
Laserpunkte einer jeweiligen Laserlinie gemittelt. Aus den drei lokalen
Höhenlagen ergibt sich die Verkippung des Basiselements 13.
Bevorzugt liegen Stellelemente (nicht dargestellt) zur Einstellung der
Orientierung des Basiselements 13 gegenüber einer ortsfesten Referenzstruktur 54, die etwa Teil des Bodens der Prozesskammer ist, jeweils direkt unter den Zonen 51 a, 51 b, 51 c.
Die Fig. 5 illustriert schematisch die Vermessung eines Basiselements 13, das als ein Preform 13b ausgebildet ist. Das Preform 13b weist bereits eine komplexe dreidimensionale Gestalt auf, auf der das schichtweise zu fertigende, eigentliche dreidimensionale Objekt (nicht dargestellt) aufgebaut werden soll. Vor Beginn der Fertigung des dreidimensionalen Objekts kann mit abgelenkten Laserstrahlen 24a, die aus dem Laserstrahl 24 eines Messlasers mit der Scanneroptik 19 erzeugt werden, die Oberfläche (Kontur) 03 des Preform 13b abgetastet werden (limitiert durch etwaige Abschattung). In Fig. 5 ist die
Abtastung einer Zeile des Preforms 13b in einem Winkelbereich σ angedeutet; die gesamte Vermessung umfasst weitere Zeilen vor und hinter der
Zeichenebene der Fig. 5, für die jeweils eine eigene Bildaufnahme erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch dazu genutzt werden, ein
Messsystem zu kalibrieren. Die Fig. 6 illustriert hierzu beispielhaft einen einfachen Messaufbau (vgl. oberes Teilbild) mit einem Basiselement 13, das entlang einer (hier vertikalen) Verfahrrichtung (z-Richtung) verfahrbar ist. Ein abgelenkter Laserstrahl 24a eines Messlasers erzeugt auf dem Basiselements 13 einen so genannten Triangulationspunkt 60, entsprechend einem Auftreffort des Laserstrahls 24a auf der Oberfläche des Basiselements 13. Die Kamera 21 , umfassend hier ein Objektiv 61 , das gleichzeitig eine Eintrittspupille der Kamera 21 bildet, und einen CMOS-Sensor 62, erfasst eine Abbildung 63 des Triangulationspunkts auf dem CMOS-Sensor 62. Je nach Verfahrposition z des Basiselements 13 ergibt sich ein anderer Auftreffort, auch genannt Positions- Signal x, der Abbildung 63 des Triangulationspunkts auf dem CMOS-Sensor 62. Das Positions-Signal x gehorcht in Abhängigkeit von der Verfahrposition z des Basiselements 13 einer Hyperbelkurve, mit x=Po / (Pi+z) + P2, mit Po, P1, P2: Hyperbelparameter. Das Positions-Signal x divergiert auf dem CMOS- Sensor 62, wenn das Basiselement 13 die Höhe der Eintrittspupille bzw. hier des Objektivs 61 erreicht, unabhängig vom Winkel des Laserstrahls 24a gegenüber der Vertikalen bzw. der Verfahrrichtung (z-Richtung). Dies kann für eine Kalibrierung genutzt werden (vgl. Fig. 11 ). Die Fig. 6 zeigt beispielhaft drei unterschiedliche Verfahrpositionen der Basiselements 13, die hier als
Bauplattform ausgebildet ist; in den Teilbildern von oben nach unten wird das Basiselement 13 nach oben bewegt. Im Rahmen der Erfindung werden sowohl in einer Referenz-Messsequenz als auch in späteren Messsequenzen bei einzelnen Baujobs Positionssignale x bei verschiedenen Verfahrpositionen z des eines Referenzbasiselements bzw. des Basiselements vermessen.
Man beachte, dass in Fig. 6 der Laserstrahl parallel zur (vertikalen)
Verfahrrichtung des Basiselements 13 gerichtet ist, was eine mögliche Bauform darstellt. Bevorzugt ist aber, dass der Laserstrahl 24a schräg zur
Verfahrrichtung z verläuft, also mit einem Winkel ß>0°, wie etwa in Fig. 3 dargestellt, bevorzugt mit ß>5°. Dann können Speckle-Fehler minimiert werden.
Die Fig. 7 zeigt beispielhaft ein Messmuster 50 in Gestalt der Kanten eines Rechtecks, an dem vier Triangulationspunkte 60 an den Ecken eines des Rechtecks ausgebildet sind; typischerweise werden alle Traingulationspunkte 60 separat im Rahmen von (Referenz-)Messsequenzen betrachtet. Die gerade verlaufenden Abschnitte des Rechtecks sind von Bilderkennungssoftware gut zu erkennen, vgl. Fig. 8, in der die erkannten geraden Abschnitte fett markiert sind, so dass die Position der Eckpunkte bzw. Triangulationspunkte 60 durch Extrapolation leicht ermittelt werden kann.
Fig. 9 illustriert die Rohdaten (als Kreise eingezeichnet) einer Referenz- Messsequenz, bei denen das Positionssignal (x), also der Ort der Abbildung eines Triangulationspunkts (nach oben aufgetragen), als Funktion der
Verfahrposition (z) des Referenz-Basiselements (nach rechts aufgetragen) dargestellt ist. Die einzelnen Messpunkte liegen auf einer angefitteten
Hyperbelkurve 91 , die durchgezogen eingezeichnet ist. Durch die angefittete Hyperbelkurve 91 (oder eine andere angefittete Kurve, etwa einer
Polynomialkurve) wird das Verhalten des Referenz-Basiselements beschrieben, und es werden Speckle-Fehler herausgemittelt.
Aus der angefitteten Hyperbelkurve 91 kann außerdem der Ort (bezüglich z) einer Polstelle (ZPr) der Hyperbelkurve ermittelt werden, die den Ort der
Eingangspupille der Kamera repräsentiert. Die Polstelle liegt außerhalb des vermessenen Bereichs, und wird durch Berechnung aus dem
Hyperbelparameter Pi der angefitteten Hyperbel bestimmt (vgl. Fig. 1 1 hierzu).
In Fig. 10 sind die Rohdaten einer Messsequenz (als Kreise eingezeichnet) verzeichnet, wiederum mit Positionssignal x (nach oben) gegen die
Verfahrposition (z) des Basiselements (nach rechts). An diese Messpunkte kann wiederum eine Hyperbelkurve 92 (oder eine andere Kurve) angefittet werden. Zusätzlich ist die Hyperbelkurve 91 der Referenz-Messsequenz nochmals dargestellt.
Wenn gesichert ist, dass für die Referenz-Messsequenz und die Messsequenz der Referenzwinkel und der Winkel, unter dem jeweils der Laserstrahl auf das Referenz-Basiselement bzw. Basiselement gerichtet war, praktisch identisch waren, kann aus einem Versatz 93 der angefitteten Kurven 91 , 92 auf einen Höhenunterschied von dem Referenz-Basiselement, das bei der Referenz- Messsequenz eingesetzt wurde, und dem Basiselement, das bei der
Messsequenz eingesetzt wurde, direkt geschlossen werden. Ein solcher Höhenunterschied kann sich beispielsweise aus Fertigungstoleranzen von Bauplattformen, oder durch Wärmeausdehnung, oder schlicht durch
unterschiedliche Typen von Bauplattformen ergeben. Dieser ermittelte
Höhenunterschied kann für die Einstellung der Verfahrposition des
Basiselements bei der anschließenden schichtweisen Fertigung eines dreidimensionalen Objekts als Korrekturterm berücksichtigt werden. Vorliegend muss unter den Randbedingungen der Messsequenz (vgl. Hyperbelkurve 92) die Verfahrposition z um den Versatz 93 niedriger eingestellt werden, um die Positionen der Oberfläche des Basiselements (gegenüber der Kamera) gemäß den Randbedingungen der Referenzmesssequenz zu erhalten. Der Versatz 93 kann auch bei vergleichsweise kleinen Verfahrwegen in z-Richtung relativ genau bestimmt werden.
Falls von einer Gleichheit von Referenzwinkel und Winkel nicht sicher ausgegangen werden kann oder soll, insbesondere für eine höhere
Kalibriergenauigkeit, kann für die angefittete Hyperbelkurve 92 der Messpunkte der Messsequenz ebenfalls die Position der Polstelle (zp ) bestimmt werden. Die Polstelle liegt wiederum außerhalb des vermessenen Bereichs von Fig. 10, und wird durch Berechnung aus dem Hyperbelparameter Pi der angefitteten Hyperbelkurve 92 bestimmt (vgl. Fig. 1 1 ).
Die Fig. 11 zeigt schematisch die Hyperbelkurve 91 der Referenz- Messsequenz und die Hyperbelkurve 92 der Messsequenz in einem größeren Bereich, insbesondere auch im Bereich der Polstellen. Die Position der
Polstellen von Referenz-Messsequenz und Messsequenz sind unabhängig vom jeweils vorhandenen Referenzwinkel und Winkel des Laserstrahls bei der Referenz-Messsequenz und der Messsequenz, und entspricht jeweils dem (immer gleichen) Ort der Eintrittspupille der Kamera, etwa bei deren Objektiv. Durch Vergleich der Polstellenpositionen kann daher ebenfalls eine
Kalibrierung des Messsystems erfolgen, unabhängig von störenden Einflüssen wie Pointing-Instabilitäten des Lasers. Eine gewünschte z-Position der
Oberfläche eines Basiselements, die in der Referenz-Messsequenz (mit einem Referenz-Basiselement) bei einer Verfahrposition ZBr erreicht wurde, wobei die Polstelle in der Referenz-Messsequenz bei zpR und die Polstelle in der
Messsequenz bei ZPm ermittelt wurde, kann (mit den Randbedingungen der Messsequenz) durch eine Einstellung einer Verfahrposition ZBM-ZPM+(ZBR-ZPR) = ZBr + (zpM- zpR) erhalten werden. Die Differenz 94 der Polstellenpositionen kann also als Korrekturterm 95 angewandt werden. Bezugszeichenliste
1 Maschine
2 dreidimensionales Objekt
3 Prozesskammer
4 Pulverzylinder-Anordnung
5 Pulverzylinder
6 pulverförmiges Material
6a Sammelbehälter
7 Pulver-Kolben
8 erste Hebeeinrichtung
9 Boden
10 Schieber
11 Bauzylinder-Anordnung
12 Kolben der Bauzylinder-Anordnung
12a oberer Kolben-Teil
12b mittlerer Kolben-Teil
12c unterer Kolben-Teil
13 Basiselement
13a Substrat
13b Preform
14 Grundkörper
15 zweite Hebeeinrichtung
16 Hochenergiestrahl
16a Bearbeitungs-Laserstrahl
17 Hochenergiestrahlquelle
17a Bearbeitungslaser
18 Strahlteiler
19 Scanneroptik 20 Fenster der Scanneroptik
21 Kamera
21a Fenster der Kamera
22 Messsystem
23 Messlaser
24 Laserstrahl des Messlasers
24a abgelenkter Laserstrahl des Messlasers
25 Steuereinrichtung
26 Auswerteeinrichtung
27 Versatz
28 Prüfeinrichtung
29 Fokussieroptik
30 Pulverdichtung
31 Isolationsplatte
32 Stellelement
33 Gasdichtung
40 Kameralinse
41 Kamerasensor
50 Messmuster
51a-51c Zonen
52a-52c Laserlinien bei unverkipptem Basiselement
53a-53c Laserlinien bei verkipptem Basiselement
54 Referenzstruktur
60 Triangulationspunkt
61 Objektiv
62 CMOS-Sensor
63 Abbildung des Triangulationspunkts
91 Hyperbelkurve (Messsequenz)
92 Hyperbelkurve (Referenz-Messsequenz) 93 Versatz
94 Differenz der Polstellenpositionen 95 Korrekturterm
A1 , A2 Auftrefforte
dx Horizontalversatz
dp Projektionsversatz
dz Höhenversatz
fO Brennweite
01-03 Oberfläche des Basiselements
P1. P2 Projektionsorte
Po, Ρι; P2 Hyperbelparameter
x horizontale Richtung / Positions-Signal
x1 , x2 Horizontallagen
z vertikale Richtung / Verfahrrichtung
z1 , z2 Höhenlagen
ZBM gewünschte z-Position des Basiselements in Messsequenz ZBR gewünschte z-Position des Basiselements in Referenz- Messsequenz
zpM z-Position der Polstelle in Messsequenz
zpR z-Position der Polstelle in Referenz-Messsequenz
ß Winkel des abgelenkten Laserstrahls gegenüber der Vertikalen σ Winkelbereich der abgelenkten Laserstrahlen einer Abtast-Zeile

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Vermessung eines Basiselements (13), insbesondere
eines Substrats (13a) oder eines Preforms (13b), einer Bauzylinder- Anordnung (11 ), wobei die Bauzylinder-Anordnung (11 ) an einer Maschine (1 ) zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaler Objekte (2) durch Sintern oder Schmelzen von pulverförmigem Material (6) mit einem
Hochenergiestrahl (16) angeordnet ist, wobei das Basiselement (13) in einem im Wesentlichen zylinderförmigen Grundkörper (14) der Bauzylinder-Anordnung (11 ) mit einem Kolben (12) verfahrbar ist, insbesondere wobei der Kolben (12) einen oberen Kolben-Teil (12a) aufweist, an welchem das Basiselement (13) angeordnet ist, und einen unteren Kolben-Teil (12c) aufweist, gegenüber dem der obere Kolben- Teil (12a) mittels wenigstens zwei, bevorzugt drei, Stellelementen (32) ausrichtbar ist, wobei zur Vermessung des Basiselements (13) ein Messmuster (50) aus Laseriicht erzeugt wird, das zumindest einen Teil das Basiselements (13) beleuchtet, und Auftrefforte (A1 , A2) des Laserlichts mit einer Kamera (21 ) beobachtet und ausgewertet werden und damit Vermessungsdaten über das Basiselement (13), umfassend Positionsinformationen und/oder Orientierungsinformationen und/oder Informationen über die
dreidimensionale Gestalt zumindest eines Teils der Oberfläche (01 -03) des Basiselements (13), bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Messmuster (50) aus Laserlicht erzeugt wird, indem ein
Laserstrahl (24) eines Messlasers (23) von einer Scanneroptik (19) abgelenkt wird, so dass unterschiedlich abgelenkte Laserstrahlen (24a) erzeugt werden, und die abgelenkten Laserstrahlen (24a) zumindest auf den Teil des Basiselements (13) gerichtet werden,
und dass die Kamera (21 ) gegenüber den abgelenkten Laserstrahlen (24a) seitlich versetzt angeordnet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,
dass mit der Vermessung des Basiselements (13) zumindest auch eine Verkippung des Basiselements (13) gegenüber einer Referenzstruktur (54) bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das
Messmuster (50) eine Beleuchtung zumindest eines Teils des
Basiselements (13) in drei verschiedenen Zonen (51a-51c) umfasst. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Orte von zumindest zwei, bevorzugt drei, der Zonen (51a-51c) im Wesentlichen den Orten von Stellelementen (32) entsprechen, mit denen das
Basiselement (13) gegenüber der Referenzstruktur (54) verkippt werden kann.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Messmuster (50) in den drei Zonen (51a-51c) jeweils mehrere Laserpunkte, insbesondere jeweils eine Laserlinie (52a-52c, 53a-53b), umfasst.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass mit der Vermessung zumindest auch eine dreidimensionale
Bestimmung zumindest eines Teils einer Oberfläche (01 -03) des Basiselements (13), insbesondere des Preforms (13b), erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das
Messmuster (50) eine zeilenweise Abtastung zumindest des Teils der Oberfläche (O1-O3) des Basiselements (13) umfasst, wobei während der zeilenweisen Abtastung eine Vielzahl von Einzelaufnahmen mit der Kamera (21 ) angefertigt werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass durch die Vermessung zumindest auch eine Bestimmung der Höhenlage (z1 , z2) des Basiselements (13) gegenüber einer Referenzstruktur (54) erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet,
dass zur Vermessung des Basiselements (13) ein Vergleich der mit der Kamera (21 ) beobachteten Auftrefforte (A2) des Laserlichts auf dem Basiselement (13) mit erwarteten Auftrefforten (A1 ) des Laserlichts auf dem Basiselement (13) erfolgt,
insbesondere wobei das Messmuster (50) ausschließlich das
Basiselement (13) beleuchtet und/oder lediglich Auftrefforte (A1 , A2) des Laserlichts auf dem Basiselement (13) ausgewertet werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Maschine (1 ) weiterhin einen
Bearbeitungslaser (17a) umfasst, und dass nach der Vermessung des Basiselements (13) sodann zur Fertigung von Schichten wenigstens eines dreidimensionalen Objekts (2) auf dem Basiselement (13) zumindest Teile von Schichten von pulverförmigem Material (6) auf dem Basiselement (13) mit Bearbeitungsmustern aus Laserlicht beleuchtet werden, wobei die Bearbeitungsmuster erzeugt werden, indem ein Laserstrahl (16a) des Bearbeitungslasers (17a) von der besagten Scanneroptik (19) abgelenkt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass nach der Vermessung des Basiselements (13) sodann zur Fertigung von Schichten wenigstens eines dreidimensionalen Objekts (2) auf dem Basiselement (13) Schichten von pulverförmigem Material (6) auf dem Basiselement (13) aufgetragen werden, wobei die Schichten von pulverförmigem Material (6) vor einer Anwendung des Hochenergiestrahls (16) mit der besagten Kamera (21 ) optisch überprüft werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet,
dass das Messmuster (50) wenigstens einen Triangulationspunkt (60) umfasst,
dass in einer Messsequenz Auftrefforte (A1 , A2) des wenigstens einen Triangulationspunkts (60) bei unterschiedlichen Verfahrpositionen (z) des Basiselements (13) im Grundkörper (14) mit der Kamera (21 ) beobachtet werden und zugehörige Messsequenzdaten erhalten werden, wobei der Triangulationspunkt (60) von einem abgelenkten Laserstrahl (24a) erzeugt wird, der unter einem während der Messsequenz festen Winkel (ß) auf das Basiselement (13) gerichtet ist,
dass die Messsequenzdaten mit Referenz-Messsequenzdaten aus einer Referenz-Messsequenz verglichen werden, wobei im Rahmen der Referenz-Messsequenz ebenfalls Auftrefforte des wenigstens einen Triangulationspunkts (60) bei unterschiedlichen Verfahrpositionen (z) eines Referenz-Basiselements im Grundkörper (14) mit der Kamera (21 ) beobachtet wurden und die zugehörigen Referenz-Messsequenzdaten erhalten wurden, wobei der Triangulationspunkt (60) von einem abgelenkten Laserstrahl (24a) erzeugt wurde, der unter einem während der Referenz-Messsequenz festen Referenzwinkel auf das Referenz- Basiselement gerichtet war,
und dass aus dem Vergleich der Messsequenzdaten und der Referenz- Messsequenzdaten eine Korrekturinformation für die Vermessung des Basiselements (13) abgeleitet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
dass das Messmuster (50) wenigstens drei, bevorzugt wenigstens vier Triangulationspunkte (60) umfasst,
bevorzugt wobei die Triangulationspunkte (60) als Eckpunkte des Messmusters (50) ausgebildet sind, an welche gerade verlaufende Abschnitte des Messmusters (50) angrenzen,
besonders bevorzugt wobei die Triangulationspunkte (60) als Eckpunkte eines rechteckförmigen Messmusters (50) ausgebildet sind.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Messsequenzdaten und die Referenz-Messsequenzdaten jeweils ein oder mehrere Kurven-Parameter, insbesondere Hyperbel-Parameter (Po, Pi), ermittelt werden, die jeweils eine Kurve, insbesondere
Hyperbelkurve (91 , 92), beschreiben, welche jeweils die beobachteten Auftrefforte (A1 , A2) als Funktion der Verfahrposition (z) des
Basiselements (13) im Grundkörper (14) anfittet.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die
Korrekturinformation aus einem Versatz (93) der Kurven der
Messsequenzdaten und der Referenz-Messsequenzdaten ermittelt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige angefittete Kurve eine Hyperbelkurve (91 , 92) ist und die
Kurvenparameter Hyperbel-Parameter (Po, Ρι, P2) sind, und dass aus dem einen oder den mehreren Hyperbel-Parametern (Po, P1 , P2) jeweils eine Position (zpM, zpR) einer Polstelle der jeweiligen Hyperbelkurve (91 ,
92) ermittelt wird, und die Korrekturinformation aus einem Vergleich der ermittelten Positionen (zpM, ZPr) der Polstellen der Hyperbelkurven (91 , 92) der Messsequenzdaten und der Referenz-Messsequenzdaten ermittelt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, dass der feste Winkel (ß) schräg zu einer
Verfahrrichtung (z) des Basiselements (13) im Grundkörper (14) verläuft.
18. Maschine (1 ) zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaler Objekte (2) durch Sintern oder Schmelzen von pulverförmigem Material (6) mit einem Hochenergiestrahl (16),
mit einer Bauzylinder-Anordnung (11 ) mit einem im Wesentlichen zylinderförmigen Grundkörper (14) und einem im Grundkörper (14) verfahrbaren Kolben (12), auf dem ein Basiselement (13), insbesondere ein Substrat (13a) oder ein Preform (13b), angeordnet ist,
insbesondere wobei der Kolben (12) einen oberen Kolben-Teil (12a) aufweist, an welchem das Basiselement (13) angeordnet ist, und einen unteren Kolben-Teil (12c) aufweist, gegenüber dem der obere Kolben- Teil (12a) mittels wenigstens zwei, bevorzugt drei, Stelleiementen (32) ausrichtbar ist,
und mit einem Messsystem (22) zur Vermessung des Basiselements (13) mittels Laserlicht, das Vermessungsdaten über das Basiselement (13), umfassend Positionsinformationen und/oder Orientierungsinformationen und/oder Informationen über die dreidimensionale Gestalt zumindest eines Teils der Oberfläche (O1-O3) des Basiselements (13), bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem (22) zur Vermessung des Basiselements (13) umfasst
- eine Scanneroptik (19),
- einen an die Scanneroptik (19) gekoppelten Messlaser (23),
- eine Steuereinrichtung (25), die dazu eingerichtet ist, einen vom Messlaser (23) erzeugten Laserstrahl (24) mittels der Scanneroptik (19) so abzulenken, dass unterschiedlich abgelenkte Laserstrahlen (24a) gemäß einem programmierten Messmuster (50) erzeugt werden, und die abgelenkten Laserstrahlen (24a) zumindest auf einen Teil des
Basiselements (13) gerichtet werden,
- eine Kamera (21 ), mit der Auftrefforte (A1 , A2) der von der
Scanneroptik (19) abgelenkten Laserstrahlen (24a) beobachtet werden können, und die seitlich versetzt gegenüber allen möglichen abgelenkten Laserstrahlen (24a) angeordnet ist, die von der Scanneroptik (19) auf das Basiselement (19) gerichtet werden könnten,
- und eine Auswerteeinrichtung (26), die dazu eingerichtet ist, von der seitlich versetzten Kamera (21 ) beobachtete Auftrefforte (A1 , A2) des Laserlichts des mit der Scanneroptik (19) erzeugten Messmusters (50) auszuwerten und daraus die Vermessungsdaten über das Basiselement (13) zu bestimmen.
19. Maschine (1 ) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die
Maschine (1 ) als Hochenergiestrahlquelle (17) einen Bearbeitungslaser (17a) umfasst, und dass der Bearbeitungslaser (17a) ebenfalls an die besagte Scanneroptik (19) gekoppelt ist.
20. Maschine (1 ) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass im
Strahlengang vor der Scanneroptik (19) ein Strahlteiler (18) angeordnet ist, und der Messlaser (23) und der Bearbeitungslaser (17a) jeweils auf den Strahlteiler (18) ausgerichtet sind.
21. Maschine (1 ) nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch
gekennzeichnet, dass die Maschine (1 ) weiterhin eine Prüfeinrichtung
(28) umfasst, die dazu eingerichtet ist, Aufnahmen der besagten Kamera (21 ) von einer auf dem Basiselement (13) aufgetragenen Schicht pulverförmigen Materials (6) vor einer Bearbeitung mit dem
Hochenergiestrahl (16) auszulesen und auszuwerten.
22. Maschine (1) nach einem der Ansprüche 18 bis 21 , dadurch
gekennzeichnet, dass die Scanneroptik (19) bzw. eine der Scanneroptik (19) nachgelagerte Fokussieroptik (29), oder eine Gruppe von
Scanneroptiken, zu denen die Scanneroptik (19) zählt, bzw. eine Gruppe von Fokussieroptiken, die dieser Gruppe von Scanneroptiken
nachgelagert sind, über dem Basiselement (13) angeordnet ist, insbesondere zentral über dem Basiselement (13) angeordnet ist, und die Kamera (21 ) in horizontaler Richtung neben dem Basiselement (13) angeordnet ist.
23. Maschine (1 ) nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch
gekennzeichnet, dass die Kamera (21) als Kamera (21 ) mit geshifteter Optik ausgebildet ist. 24. Verwendung einer Maschine (1 ) nach einem der Ansprüche 18 bis 23 in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17.
PCT/EP2018/078426 2017-11-03 2018-10-17 Verfahren zur vermessung eines basiselements einer bauzylinder-anordnung, mit ablenkung eines messlaserstrahls durch eine scanner-optik WO2019086250A1 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP18789392.0A EP3703890A1 (de) 2017-11-03 2018-10-17 Verfahren zur vermessung eines basiselements einer bauzylinder-anordnung, mit ablenkung eines messlaserstrahls durch eine scanner-optik
CN201880071678.5A CN111295259B (zh) 2017-11-03 2018-10-17 借助由扫描器光具偏转测量激光射束来测量构建缸组件的基础元件的方法
US16/864,286 US11628621B2 (en) 2017-11-03 2020-05-01 Methods and systems for measuring base elements of a construction cylinder arrangement

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017219559.2 2017-11-03
DE102017219559.2A DE102017219559A1 (de) 2017-11-03 2017-11-03 Verfahren zur Vermessung eines Basiselements einer Bauzylinder-Anordnung, mit Ablenkung eines Messlaserstrahls durch eine Scanner-Optik

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US16/864,286 Continuation US11628621B2 (en) 2017-11-03 2020-05-01 Methods and systems for measuring base elements of a construction cylinder arrangement

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019086250A1 true WO2019086250A1 (de) 2019-05-09

Family

ID=63915040

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2018/078426 WO2019086250A1 (de) 2017-11-03 2018-10-17 Verfahren zur vermessung eines basiselements einer bauzylinder-anordnung, mit ablenkung eines messlaserstrahls durch eine scanner-optik

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11628621B2 (de)
EP (1) EP3703890A1 (de)
CN (1) CN111295259B (de)
DE (1) DE102017219559A1 (de)
WO (1) WO2019086250A1 (de)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021037954A1 (en) * 2019-08-27 2021-03-04 SLM Solutions Group AG Device and apparatus
WO2021099883A1 (en) * 2019-11-20 2021-05-27 Ricoh Company, Ltd. Shape measuring device, system with fabricating unit and shape measuring device, and method
US11628621B2 (en) 2017-11-03 2023-04-18 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Methods and systems for measuring base elements of a construction cylinder arrangement
DE102022111904A1 (de) 2022-05-12 2023-11-16 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Verfahren zur Schichtweisen Fertigung wenigstens eines Objekts auf einem aufgerauten Basiselement

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10618131B2 (en) 2014-06-05 2020-04-14 Nlight, Inc. Laser patterning skew correction
EP3978184A1 (de) 2015-11-23 2022-04-06 NLIGHT, Inc. Verfahren und vorrichtung zur feinstufigen zeitsteuerung für eine laserstrahlmaterialbearbeitung
US11179807B2 (en) 2015-11-23 2021-11-23 Nlight, Inc. Fine-scale temporal control for laser material processing
US10423015B2 (en) 2016-09-29 2019-09-24 Nlight, Inc. Adjustable beam characteristics
US10730785B2 (en) 2016-09-29 2020-08-04 Nlight, Inc. Optical fiber bending mechanisms
WO2018187489A1 (en) * 2017-04-04 2018-10-11 Nlight, Inc. Optical fiducial generation for galvanometric scanner calibration
DE102017223223A1 (de) * 2017-12-19 2019-06-19 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren für den additiven Aufbau einer Struktur und Computerprogrammprodukt
DE102018200566B4 (de) * 2018-01-15 2021-07-15 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. System und Verfahren zur Überwachung der Fertigungsgenauigkeit bei der additiven Herstellung dreidimensionaler Bauteile
WO2020072638A1 (en) * 2018-10-05 2020-04-09 Vulcanforms Inc. Additive manufacturing system with fixed build plate
EP3736110A1 (de) * 2019-05-09 2020-11-11 LayerWise NV System zur ausrichtung eines lasersystems auf eine trägerplatte
EP3795336B1 (de) * 2019-09-19 2022-07-13 LayerWise NV Kalibrierungsverfahren für ein pulverfusionssystem
DE102019215960A1 (de) * 2019-10-16 2021-04-22 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Fertigungseinrichtung zum generativen Fertigen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial
US11072120B1 (en) * 2020-07-23 2021-07-27 Inkbit, LLC Edge profilometer
WO2022192368A1 (en) * 2021-03-10 2022-09-15 Nikon Corporation Systems and methods for improving accuracy in three-dimensional printing processes
CN114885085B (zh) * 2022-06-15 2024-03-29 西安应用光学研究所 一种基于磁栅尺的寻零精确定位方法
AT17910U1 (de) * 2022-08-05 2023-07-15 Ceratizit Austria Gmbh 3d-druckverfahren und 3d-drucker

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008049821A1 (de) * 2008-10-01 2010-04-08 Volkswagen Ag Abstandssensor und Verfahren zur Ermittlung eines Abstands und/oder von Abstandsschwankungen zwischen einem Bearbeitungslaser und einem Werkstück
DE102012106613B3 (de) * 2012-07-20 2013-12-24 Lpkf Laser & Elektronika D.O.O. Verfahren zur berührungslosen Abstandsmessung
EP2905592A1 (de) * 2014-02-05 2015-08-12 MTU Aero Engines GmbH Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Eigenspannungen eines Bauteils
DE102015211538A1 (de) * 2015-06-23 2016-12-29 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Bauzylinder-Anordnung für eine Maschine zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaler Objekte
DE102016106403A1 (de) 2016-04-07 2017-10-12 Cl Schutzrechtsverwaltungs Gmbh Verfahren zur Kalibrierung wenigstens eines Scannsystems, einer SLS- oder SLM-Anlage
WO2017187147A1 (en) * 2016-04-25 2017-11-02 Renishaw Plc Calibration method of plurality of scanners in an additive manufacturing apparatus

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4431922A1 (de) 1994-09-08 1996-05-23 Krupp Ag Hoesch Krupp Lichtschnitt-Triangulations-Verfahren und Vorrichtung zur on-line-Vermessung von bewegten Profilen
DE19923821A1 (de) 1999-05-19 2000-11-23 Zeiss Carl Jena Gmbh Verfahren und Anordnung zur Lageerfassung einer mit einem Laser-Scanner abzutastenden Fläche
JP5735803B2 (ja) 2007-08-23 2015-06-17 スリーディー システムズ インコーポレーテッド レーザ走査反射計を用いる自動形状校正法
US10124410B2 (en) * 2010-09-25 2018-11-13 Ipg Photonics Corporation Methods and systems for coherent imaging and feedback control for modification of materials
EP2942130B1 (de) * 2014-05-09 2019-01-30 MTU Aero Engines GmbH Vorrichtung und Verfahren zur generativen Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs
US10252466B2 (en) * 2014-07-28 2019-04-09 Massachusetts Institute Of Technology Systems and methods of machine vision assisted additive fabrication
DE102014222159A1 (de) * 2014-10-30 2016-05-04 MTU Aero Engines AG Reparaturverfahren und Vorrichtung zum generativen Reparieren eines Bauteils
US9484188B2 (en) 2015-03-11 2016-11-01 Mapper Lithography Ip B.V. Individual beam pattern placement verification in multiple beam lithography
CN108698164B (zh) * 2016-01-19 2021-01-29 恩耐公司 处理3d激光扫描仪系统中的校准数据的方法
DE102017219559A1 (de) 2017-11-03 2019-05-09 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Verfahren zur Vermessung eines Basiselements einer Bauzylinder-Anordnung, mit Ablenkung eines Messlaserstrahls durch eine Scanner-Optik

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008049821A1 (de) * 2008-10-01 2010-04-08 Volkswagen Ag Abstandssensor und Verfahren zur Ermittlung eines Abstands und/oder von Abstandsschwankungen zwischen einem Bearbeitungslaser und einem Werkstück
DE102012106613B3 (de) * 2012-07-20 2013-12-24 Lpkf Laser & Elektronika D.O.O. Verfahren zur berührungslosen Abstandsmessung
EP2905592A1 (de) * 2014-02-05 2015-08-12 MTU Aero Engines GmbH Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Eigenspannungen eines Bauteils
DE102015211538A1 (de) * 2015-06-23 2016-12-29 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Bauzylinder-Anordnung für eine Maschine zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaler Objekte
WO2016207258A1 (de) 2015-06-23 2016-12-29 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Bauzylinder-anordnung für eine maschine zur schichtweisen fertigung dreidimensionaler objekte
DE102016106403A1 (de) 2016-04-07 2017-10-12 Cl Schutzrechtsverwaltungs Gmbh Verfahren zur Kalibrierung wenigstens eines Scannsystems, einer SLS- oder SLM-Anlage
WO2017187147A1 (en) * 2016-04-25 2017-11-02 Renishaw Plc Calibration method of plurality of scanners in an additive manufacturing apparatus

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11628621B2 (en) 2017-11-03 2023-04-18 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Methods and systems for measuring base elements of a construction cylinder arrangement
WO2021037954A1 (en) * 2019-08-27 2021-03-04 SLM Solutions Group AG Device and apparatus
CN114302782A (zh) * 2019-08-27 2022-04-08 Slm方案集团股份公司 装置和设备
CN114302782B (zh) * 2019-08-27 2024-04-26 尼康Slm方案股份公司 使用增材制造技术制造三维工件的设备和系统
WO2021099883A1 (en) * 2019-11-20 2021-05-27 Ricoh Company, Ltd. Shape measuring device, system with fabricating unit and shape measuring device, and method
DE102022111904A1 (de) 2022-05-12 2023-11-16 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Verfahren zur Schichtweisen Fertigung wenigstens eines Objekts auf einem aufgerauten Basiselement
WO2023217468A1 (de) 2022-05-12 2023-11-16 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Verfahren zur schichtweisen fertigung wenigstens eines objekts auf einem aufgerauten basiselement

Also Published As

Publication number Publication date
DE102017219559A1 (de) 2019-05-09
US20200263978A1 (en) 2020-08-20
CN111295259B (zh) 2022-12-13
CN111295259A (zh) 2020-06-16
EP3703890A1 (de) 2020-09-09
US11628621B2 (en) 2023-04-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2019086250A1 (de) Verfahren zur vermessung eines basiselements einer bauzylinder-anordnung, mit ablenkung eines messlaserstrahls durch eine scanner-optik
EP3300885B1 (de) Verfahren zum kalibrieren einer vorrichtung zum herstellen eines dreidimensionalen objekts und zum durchführen des verfahrens ausgebildete vorrichtung
EP2942130B1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur generativen Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs
EP3538298B1 (de) Verfahren zum kalibrieren einer scannereinrichtung und bearbeitungsmaschine
EP3383624B1 (de) Verfahren zum kalibrieren einer vorrichtung zum herstellen eines dreidimensionalen objekts
EP3362262B1 (de) Verfahren und beschichter für eine vorrichtung zum herstellen eines dreidimensionalen objekts
EP3463811B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur generativen fertigung von bauteilen
EP3034205A2 (de) Vorrichtung zur generativen herstellung eines bauteils
WO2018078137A1 (de) Ablenkeinheit mit zwei fenstern, einem optischen element und einer xy-ablenkvorrichtung
EP3625029B1 (de) Messsystem für eine vorrichtung zum generativen herstellen eines dreidimensionalen objekts
EP3774125A1 (de) Verfahren zum kalibrieren einer bearbeitungsmaschine und bearbeitungsmaschine
EP3538300B1 (de) Positionieren einer bauplattform in einer pulverbettvorrichtung zur generativen fertigung
WO2020249460A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur referenzierung und kalibrierung einer laseranlage
EP4282558A2 (de) Automatisierte kalibrierung einer vorrichtung zur vollparallelisierten additiven fertigung eines bauteils mit kombinierten arbeitsfeldern
EP1640688A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur 3-dimensionalen Vermessung der Oberfläche eines Gegenstands
EP3880392A1 (de) Verbessertes kalibrierverfahren für eine anlage zum pulverbettbasierten generieren von dreidimensionalen bauteilen mittels elektromagnetischer strahlung
EP3880394A1 (de) Verfahren zum erfassen eines arbeitsbereichs einer generativen fertigungsvorrichtung sowie fertigungsvorrichtung zum generativen fertigen von bauteilen aus einem pulvermaterial
DE102020210586A1 (de) Laserbearbeitungsvorrichtung, laserbearbeitungsverfahren undkorrekturdatenerzeugungsverfahren
DE102022100717A1 (de) Automatisierte strahlabtastkalibrierung, -ausrichtung und - einstellung
DE102020200599A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Steigerung der Fertigungsgenauigkeit beim pulverbettbasierten Strahlschmelzen mit einem verfahrbaren Bearbeitungskopf
EP3335856A1 (de) Belichtungseinrichtung für eine vorrichtung zur additiven herstellung dreidimensionaler objekte
DE102020202353A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Abstandermittlung in einer additiven Herstellvorrichtung
DE102021208911A1 (de) Verbesserung der Positionsgenauigkeit der Energiezufuhr in einer additiven Fertigungsvorrichtung
DE102022111558A1 (de) Verfahren zum Kalibrieren einer generativen Fertigungsvorrichtung, Fertigungsvorrichtung zum generativen Fertigen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial und Computerprogramm zur Durchführung eines solchen Verfahrens
WO2020193105A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur interferometrischen schwingungsmessung an einer mehrzahl von messpunkten mittels eines messlaserstrahls

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18789392

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2018789392

Country of ref document: EP

Effective date: 20200603