WO2020169455A1 - Additive manufacture of a workpiece - Google Patents

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WO2020169455A1
WO2020169455A1 PCT/EP2020/053823 EP2020053823W WO2020169455A1 WO 2020169455 A1 WO2020169455 A1 WO 2020169455A1 EP 2020053823 W EP2020053823 W EP 2020053823W WO 2020169455 A1 WO2020169455 A1 WO 2020169455A1
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lines
writing
detector
writing surface
marker structure
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PCT/EP2020/053823
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Thomas Engel
Matthias Goldammer
Andreas Graichen
Clemens Otte
Axel Reitinger
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a method for additive manufacturing of a workpiece, wherein a melt jet is directed to a writing point on a writing surface.
  • the invention also relates to a device for additive manufacturing of a workpiece with a scanning unit, an optical detector, a control unit and an imaging unit and a computer program.
  • melt jet which is required for heating or melting, is guided over the workpiece. This can be done mechanically, for example, by moving a write head relative to the workpiece, or by means of a scanning process, the melt beam being deflected with a scanning unit and, for example, a focusing unit being focused on the component surface.
  • melt beam passes through one or more lenses at different locations with different beam inclinations, geometric mapping errors can occur which cannot be compensated for by a lens design, or only inadequately.
  • the document EP 3 421 225 A1 describes the calibration of a device for fully parallelized additive manufacturing.
  • three marker devices are provided, each of which project a light reference marking onto a component or a construction field.
  • a laser device has a detection device which detects the light reference markings and a control unit calibrates the laser device as a function of the light reference markings detected.
  • Document WO 2017/187147 A1 describes an apparatus for additive manufacturing by selective laser melting.
  • a reference pattern is projected onto a work surface.
  • Two different optical modules, one of which is calibrated and one uncalibrated, are moved to nominally the same position and the associated images, each of which is the reference pattern, are compared with one another in order to correct the uncalibrated optical module.
  • Document EP 3 208 077 A1 relates to a method for 3D printing.
  • a sensing energy beam can form a pattern on a surface.
  • Different receivers or transmitters can view a target position from different spatial positions.
  • the improved concept is based on the idea of a
  • a method for additive manufacturing of a workpiece wherein a melt beam is directed to a writing point on a writing surface.
  • a marker structure is projected onto the writing surface, at least a portion of the writing surface on which at least part of the marker structure was projected is imaged on an optical detector and at least one detector signal is generated based on the image.
  • Based on the at least one detector signal a position, in particular an actual or current position, of the writing point is determined and the production of the workpiece is continued taking into account the determined position of the writing point.
  • the marker structure is projected onto the writing surface, for example, by means of a projector, in particular optically using light, in particular Laserstrah sources.
  • the term light can be understood in such a way that it includes electromagnetic waves in the visible, infrared and / or ultraviolet range. Accordingly, the term optical can be understood such that it relates to light according to this understanding.
  • the marker structure can in particular contain one or more marks or structures.
  • the writing surface can be, for example, a surface or part of the surface of a powder bed from which the workpiece is manufactured.
  • the writing surface can include part of the powder bed surface and part of a workpiece surface.
  • the position of the writing point is in particular a position in the powder bed and / or on the workpiece, that is to say on the writing surface.
  • the position can in particular be two-dimensional or three-dimensional coordinates, for example Cartesian coordinates and / or angle coordinates.
  • the position can in particular also be determined by a current or actual deflection, in particular angular deflection or angular position
  • the melt jet by means of a scanning unit, which for example the
  • Can deflect melt jet controlled for example by means of deflecting mirrors, directed to the writing point of the writing surface.
  • the melt beam is detected by means of the scanning unit and / or by means of a focusing purity, which is arranged, for example, between the scanning unit and the writing surface, and includes, for example, an F-theta lens, directed to the writing point.
  • a focusing purity which is arranged, for example, between the scanning unit and the writing surface, and includes, for example, an F-theta lens, directed to the writing point.
  • the melt beam is directed onto the writing point by means of an optical device which, for example, can contain the scanning unit and / or the focusing unit.
  • an actual position of the writing point on the writing surface can advantageously be recorded and determined directly and compared with a target position.
  • Deviations from the actual position and the target position can, for example, be due to imaging errors caused by the optical device, in particular the focusing unit, for example the F-theta lens.
  • such deviations can be compensated for by determining the actual position of the writing point and continuing production taking into account the determined position.
  • Such a compensation can advantageously take place in real time, that is to say online, or approximately in real time during production.
  • the compensation is dynamic in that it is based on the actual current mapping errors or deviations between the actual and target value of the position and not on a calibration carried out before the start of production, which essentially has to rely on the Do not differentiate conditions during production from conditions during calibration.
  • the marker structure contains a first and a second group of lines, in particular straight lines. Each line in the first group intersects at least one of the lines in the second group.
  • the position of the writing point is determined by means of a spatial coding which is based on at least one geometric property of the lines of the two groups.
  • both the first and second groups each include at least two lines.
  • the geometric property can be a property of the lines themselves, for example a line width of the respective lines or a property of several lines in relation to one another, for example a sequence of distances between adjacent lines or angles between intersecting lines.
  • the position of the writing point is compared with a target position and the production of the workpiece is continued as a function of a result of the comparison.
  • the position of the writing point relative to a reference feature is
  • the reference feature can, for example, contain a point, a line, in particular a straight line, or a line segment marked out in a defined manner.
  • the reference feature can contain an intersection of two lines of the marker structure.
  • the position of the writing point determined according to the method can in particular be an estimated, a calculated or a current, in particular actual, position of the writing point.
  • the position of the writing point can in particular also be determined or given by an estimated, calculated or actual angular design of the melt jet, in particular if a distance between the scanning unit and the reference feature is known.
  • the determination of the position of the writing point is advantageously based on a direct determination of a deflection of the writing beam or a direct determination of the position of the writing point on the writing surface itself and in particular not on an indirect conclusion based on a setting or angle setting or target setting of the scanning unit or a target deflection of the write beam, which can be prone to errors due to the geometric imaging errors described above.
  • the position of the writing point is determined relative to at least two reference features of the marker structure.
  • the at least two reference features can contain, for example, two intersection points of lines, in particular of at least three lines, of the marker structure.
  • the position of the writing point can, for example, be determined approximately as the coordinate of the closest intersection.
  • shifting the lines the position of the writing point can be determined via interpolation.
  • the marker structure comprises three or more lines and the reference features contain two or more points of intersection of the three or more lines.
  • the lines are in particular straight lines or straight lines.
  • the lines are in particular partly parallel lines, that is to say at least two of the three or more lines are parallel to one another.
  • At least two of the three or more lines are arranged in a fan shape, that is to say at least two of the at least three lines have a common origin, in particular defined by a common light source, and are emitted at different angles.
  • the lines of the first group are generated with light of a first wavelength and the lines of the second group are generated with light of a second wavelength different from the first.
  • the wavelength of the light of the first group corresponds to a characteristic laser wavelength or a wavelength distribution of the light. The same applies accordingly to the wavelength of the light of the second group.
  • color coding can be used to carry out the location coding.
  • different groups are advantageously distinguishable visually and can be used for location coding.
  • the lines of the different groups of lines are generated with different projectors, in particular line projectors.
  • the lines of the first group are generated alternately with the lines of the second group and in particular are switched on and off alternately with the lines of the second group.
  • the lines of the first and second group are time-multiplexed.
  • time coding can advantageously be undertaken, which enables a differentiation between the various lines of different groups and can thus be used for location coding.
  • an area is imaged on the detector which contains the entire writing surface and in which at least one reference structure is additionally arranged, in particular a reference structure of the
  • the area is adapted using the reference structure or a position and / or orientation of the detector is calibrated using the reference structure.
  • the calibration can include, for example, a calibration or a definition of a field of view of the detector or an adaptation of the field of view of the detector.
  • a position, alignment or orientation of the reference structure can be determined on the detector image.
  • a projection beam is coupled into a beam path of the melt beam in order to project the marker structure onto the writing surface. During production, the melt beam and the projection beam are moved synchronously.
  • the entire marker structure is coupled into the beam path of the measuring beam, in particular by means of several projection beams.
  • the projection beam is not to be understood as an isolated light beam, but can for example contain a large number of light beams.
  • a change in the position of the writing point thus directly affects a position and / or shape of the
  • a geometric parameter of the marker structure is determined and the position of the writing point is determined based on the geometric parameter.
  • the geometric parameter can be, for example, a shape or contour or a distortion of the marker structure or of a part of the marker structure.
  • a marker structure Due to the coupling of the projection beam into the beam path of the melting beam, a marker structure can be used, for example, which is then imaged concentrically with the melting beam on the writing surface.
  • the marker structure can be selected in such a way that when the melt jet impinges perpendicularly on the writing surface, the marker structure represents a circle in the center of which the position of the writing point is located. If the melt beam is deflected by the scanning unit, the circular shape of the marker structure is thus distorted.
  • the melt jet and at least one further melt jet are used for additive manufacturing of the workpiece, which in particular can be deflected independently of one another by the scanning unit or by respective scanning units and directed onto the writing surface. Based on the at least one detector signal, a common coordinate system can then be defined for all melt jets.
  • a device for additive manufacturing of a workpiece has a scanning unit which is set up to direct a melt beam onto a writing point on a writing plane.
  • the device also has an optical detector, a control unit and an imaging unit.
  • the device also has a projection unit, in particular with at least one projector, which is set up and arranged to project a marker structure onto the writing surface.
  • the imaging unit is set up to image at least a partial area of the writing surface onto which at least a part of the marker structure was projected on the optical detector.
  • the detector is set up to generate at least one detector signal as a function of the image and the control unit is set up to control the steering unit as a function of the at least one detector signal.
  • the projection unit contains at least one line projector, in particular a laser line projector, which is set up and arranged in such a way that it can project one or more lines, in particular laser lines, onto the writing surface that are parallel or substantially parallel to one The main plane of the writing surface.
  • line projector in particular a laser line projector
  • the main plane can, for example, be a plane that is perpendicular to the melt beam when the melt beam is not deflected by the scanning unit.
  • the main plane of the writing surface can be an initial
  • Essentially parallel can be understood here, for example, to mean that the laser line encloses an angle with the main plane that is small enough for the laser line to run over an entire working area of the writing surface, i.e. over the entire writing surface or the entire powder bed and is recognizable on this.
  • the device has a beam splitter which is net angeord on an input side of the scanning unit in a beam path of the melt beam.
  • the projection device is set up and arranged in such a way that it can generate a projection beam which can be coupled into the beam path of the fusible source via the beam splitter.
  • the device has a camera system, at least one camera of the camera system, which contains the detector, being arranged between the scanning unit and the writing surface.
  • the camera is between the focusing unit or the F-theta lens and the writing surface or the powder bed arranged.
  • the camera can also be arranged at the same height as the focusing unit or the F-theta lens.
  • the camera is arranged outside a Häraumgebliu ses of the device, within which the workpiece and the writing plane are located, in particular between the scanning unit and a cover window of the Häraumge housing.
  • the entire work space can advantageously be observed by the camera or the at least one camera.
  • the arrangement outside the workspace housing protects against dirt, for example.
  • At least one further camera of the camera system is arranged and set up in such a way that it uses light decoupled from a beam path of the melt beam for imaging the partial area of the
  • the at least one further camera includes the detector, for example.
  • Embodiments are also possible which contain at least one camera and at least one further camera.
  • the device has several detectors, in particular each of the at least one cameras includes a corresponding detector and each of the other cameras includes a corresponding further detector.
  • the detectors and further detectors can then jointly or individually take on one or more tasks that are described above with regard to the detector, in particular the optical detector.
  • the detectors of the cameras and the further detectors of the further cameras can generate the detector signals.
  • a computer program is specified with commands which, when the computer program is executed by a computer system, cause a device according to the improved concept to carry out a method according to the improved concept.
  • the computer system is in particular a computer system of the device.
  • the computer system contains the control unit, the evaluation unit and / or another processor unit of the device.
  • a computer-readable storage medium is specified on which a computer program according to the improved concept is stored.
  • a device according to the improved concept is set up to carry out a method according to the improved concept.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a marker structure according to an exemplary embodiment of a method according to the improved concept
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a projection unit of an exemplary embodiment of a device according to the improved concept
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a further projection unit according to a further exemplary embodiment of a device according to the improved concept.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a further projection unit according to a further exemplary embodiment of a device according to the improved concept.
  • FIG. 1 a device according to an exemplary embodiment is shown according to the improved concept.
  • the device has a scanning unit or scanning unit 2, which can systematically deflect a melt beam 3, for example a laser beam or electron beam, in accordance with a work order for the production of a workpiece and direct or direct it to a writing point 4 in a powder bed.
  • the device also has a control unit 6, which is coupled, for example, to the scanning unit 2 in order to control it.
  • the melt beam 3 is generated by a heating source 9, in particular a laser source or electron beam source, and coupled into the scanning unit 2 by means of optional beam-shaping optics 12 on an input side of the scanning unit 2.
  • the device can have a focusing unit 10, for example with an F-theta lens.
  • the device also has a projection unit 11, which is set up to project a marker structure onto the powder bed or a writing surface 1.
  • the writing surface 1 can be a surface, in particular a current surface given at a certain point in time of production, of the powder bed and / or correspond to a workpiece to be manufactured.
  • the device also has a detector 5 and an imaging unit 2, the imaging unit being set up to image at least part of the writing surface onto which at least part of the marker structure was projected onto the optical detector 5.
  • the imaging unit can be designed, for example, as a camera that contains the detector 5.
  • the camera can, for example, be aimed directly at the writing surface 1 or the powder bed.
  • the imaging unit as shown in FIG. 1, contain a beam splitter 7, which is arranged in a beam path of the melt beam 3, in particular on the input side to the scanning unit 2, that is between the scanning unit 2 and the heating source 9.
  • Beam splitter 7 is used to decouple imaging light, which starts from the writing surface 1 and hits the beam splitter 7 via the scanning unit 2, from the beam path of the melt beam 3, so that the imaging light, for example, via an optional lens 8, for example the camera, onto the Detector 5 can be imaged.
  • the imaging unit in particular the camera or the detector 5, can therefore observe and recognize the marker structure projected onto the writing surface 1.
  • the detector 5 Based on an image which is mapped onto the detector 5, the detector 5 can generate one or more detector signals which, for example, correspond to an observation of the marker structure and / or the writing point 4.
  • the control unit 6 can control the scanning unit 2, for example, as a function of the detector signals.
  • FIG. 2 shows an exemplary version of a marker structure as can be used in FIG.
  • the marker structure contains, for example, a plurality of n parallel and straight lines, which for example run parallel to a y-axis of the writing surface 1 and are arranged at respective distances d1, d2... Dn from one another.
  • the distances d1, d2, dn can be identical, but can also be different. In various embodiments, all distances between all lines parallel to the y-axis dl, d2 ... dn are different from one another.
  • the marker structure also has N parallel and straight lines, which are arranged parallel to an x-axis of the writing surface 1 and are in particular perpendicular to the n lines parallel to the y-axis. Distances between the N lines parallel to the x-axis are marked with D1, D2 ... DN. These distances D1, D2, DN can also be identical or different, in particular all different.
  • the lines of the marker structure shown in FIG. 2 can be, for example, laser lines that were projected onto the writing plane by means of the projector 11.
  • the respective line widths of the different lines can be identical or different from one another.
  • all parallel lines can have identical line widths which, for example, differ from those of lines perpendicular thereto.
  • the liabili Change the width of the lines for parallel lines along their arrangement along the x-axis or along the y-axis.
  • location coding can take place.
  • location coding By observing in particular the intersection points between the lines parallel to the y and x axes and depending on the position of the writing point relative to these intersection points, it is possible, in particular, using the location coding to determine where the writing point 4 is positioned with respect to one or more of the intersection points. A position of the writing point 4 can be determined accordingly.
  • the position of the writing point 4 can be understood, for example, as a position of one of the intersection points of the lines to which the
  • a coordinate value between intersection points of the lines can also be determined with high accuracy via a lateral displacement of the lines in the marker structure. It is advantageous if at least two lines are in the field of view of the detector 5.
  • a line of the marker structure together with the information on the current writing point 4 or a setting of the scanning unit 2 can be offset, so that an oblique line over the intersection on two marked axes or pixel lines in the detector 5 with the displacement of the Points of intersection of the lines a current position of the field of view of the detector 5 can be checked and possibly also coded.
  • a camera or a detector 5 can be used which capture an area around the writing point 4 coaxially with the melt jet 3 via the writing system, i.e. via the scanning unit 2 and the focus unit 10 can.
  • the observation beam path is decoupled from the melt beam 3, for example via the beam splitter 7, preferably between the heating source 9 for the melt beam 3 and the scanning unit 2.
  • the projection unit 11 in FIG. 1 is only an example of one or more projectors, for example line projectors.
  • a separate line projector can be used for each line, as is sketched in FIG. 4, for example.
  • multi-line generators can be used for several of the lines, as explained with respect to FIG. 5 and FIG.
  • FIG. 3 shows an alternative variant of a marker structure as it can also be used in a device according to FIG. For example, instead of parallel lines, several lines diverge in a fan shape
  • Beams or line bundles projected onto the writing surface In the example shown in FIG. 3, starting from three points A, B, C at respective edges of the writing surface, bundles of lines diverging in a fan shape are sent out.
  • the positions of the source points of the compartments A, B, C are only chosen as examples and can be distributed, for example, in such a way that one as possible homogeneous spatial resolution is generated on the writing surface.
  • the corresponding line generators do not have to be arranged in corners or other prominent positions on the writing surface.
  • a multiline generator can be arranged at each of the points A, B, C, from each of which a fan-shaped divergent beam emanates.
  • Such an arrangement of line generators and the resulting marker structure intersect lines of different starting points A, B, C with defined angles.
  • location coding can be carried out with a marker structure as in FIG. 3 via angle coding at the intersection points.
  • the angle coding can also be combined with a spatial coding using a spacing sequence or line widths or both of the lines.
  • different ones of the line generators at locations A, B, C can emit laser lines with different wavelengths, so that lines emanating from A have a different wavelength than those emanating from B and / or C, for example.
  • laser sources with different colors can be used. This makes the lines of different sources visually distinguishable. It is thus possible to provide color coding for the source locations A, B, C.
  • the line generators at points A, B, C can generate the respective lines offset in time with respect to one another, that is to say according to time multiplexing become. In such embodiments, a time coding of the points on the writing surface is then possible.
  • projection light from the projection unit 11 can also be coupled into the beam path of the melt beam 3, for example via a further beam splitter, so that the melt beam 3 is coupled or deflected synchronously with the projection beam.
  • This enables marker structures which are always arranged around a writing point 4 of the melt jet 3 or around the melt jet 3.
  • a pattern which can consist of points, line pieces, circles, ellipses and / or other geometric elements, can be projected onto the writing surface 1.
  • the pattern to be projected can be superimposed on the melt beam 3 by coupling into the beam path of the melt beam 3.
  • the melt jet 3 and the pattern or marker structure have different wavelengths. This leads to very low-loss transmission, for example by means of dichroic beam splitters.
  • the camera or the detector 5 can also be protected from the much higher intensity of the melt beam 3, for example by attenuating filters, at least to the extent that the melt beam 3 and the marker structure can be detected and measured together.
  • Wavelengths for the marker structure can be selected, for example, in such a way that the effects of vapors emanating from the writing surface on absorption or beam deflection or possible thermal effects are largely minimized.
  • the detector 5, or the camera which can be designed as an overview camera, is sensitive, as well as the dispersion of the atmosphere, especially in the blue sky rich is as low as possible, especially when it is very warm.
  • a single camera or an arrangement of several cameras, which can then for example capture different and in particular overlapping areas of the writing surface 1, can serve as an overview camera.
  • the procedure for the overview camera is shown using the example of a camera, but it can also be directly functionally and analogously transferred to several cameras.
  • the marker structure can then be imaged on the writing surface 1 around the melt stream 3 or, in the case of several melt streams, around each of the melt streams.
  • the marker structure is mapped in an oblique direction of incidence of the respective melt beam 3 according to the inclination of the beam 3 and due to the distortion of the focus unit, for example the F-theta lens. If, for example, a circle is assumed as the marker structure, in the center of which the melt jet 3 is arranged, the circle generally becomes an ellipse.
  • the marker structure can be significantly larger than an extension of the melt beam 3 or writing point 4, it can be detected by the detector 5 with more pixels and thus a corresponding distorted image of the marker structure, also known as an oblique image, is a fit Center position of the marker structure and thus of the
  • Melt jet 3 can be determined with high precision.
  • the marker structure is then recorded from different perspectives and thus different sub-areas of the marker structure are also evaluated. Measurement results from the several cameras can then be converted into a common measurement result, for example. Weighting factors can also be taken into account, for example a quality ("Quality of Sensing") of the respective measurement result of a camera are taken into account.
  • a detection area of the camera or cameras is somewhat larger than an entire production area of the device, that is to say than the entire production area
  • a reference structure in particular in the sense of a reference frame, possibly expanded to include reference marks that can be one-, two- or three-dimensional, can be provided to provide a common and stable reference for the field of view of the respective camera or the plurality to create cameras.
  • a displacement and / or tilting of the respective camera can then also be detected via the reference structure and, if necessary, also compensated by software.
  • FIG. 4 shows an exemplary line projector 11a, which can be part of the projection unit 11 from FIG. 1, for example.
  • the line projector 11a is designed, for example, as a laser line projector, which is preceded by a collimator lens 13a, for example, in order to shape the laser beam in accordance with a desired line shape.
  • the line projector 11a can, for example, contain a semiconductor laser diode for generating the laser beam for the marker structure.
  • a semiconductor laser diode for generating the laser beam for the marker structure.
  • the upper part of FIG 4 is a plan view of the Laserli never or the writing surface 1 shown in the lower part of FIG 4 is a corresponding side view.
  • Semiconductor lasers can, for example, have different divergences in different directions of propagation. This can be seen, for example, in the upper part of FIG. In a first direction b, the divergence of the laser beam is less than in a second direction perpendicular to the first direction, direction a.
  • an expansion in the b direction is bl and an expansion of the line in a direction al.
  • the extension in the b direction b2 which is, for example, similar or almost identical to the extension bl. Due to the greater divergence in the a direction, however, an extension of the line in the a direction a2 at point x2 is increased compared to a1.
  • the laser line can preferably be incident with a line direction perpendicular to the writing surface 1 or to the powder bed with a beam axis that runs almost or almost parallel over the writing surface 1.
  • the beam axis is tilted slightly in the direction of the writing surface in order to ensure that the line is easily recognizable at every location on the writing surface or writing surface. This is shown in the lower part of FIG. Since the writing surface 1 can, for example, have a linear extent in the range of a few 10 mm to 100 mm, it can be advantageous to keep the point of impact on the writing surface 1 in the line generation that varies over the line height. For example, a Powell lens can have a different focal length over its height.
  • DOE Diffractive optical elements
  • DOE can also be appropriately adapted and used, for example, in that over a direction of the DOE in which the line extends, structures also become larger with increasing focus distance.
  • purely collimated beams can also be used if the collimation is good enough, at least in the direction of the line width, that the projected line is mapped sufficiently sharp.
  • FIG. 5 shows a further line projector 11b with an optional upstream collimator lens 13b.
  • the line projector 11b is located behind a DOE or an optical grating 14.
  • the grating or DOE 14 leads to a diffraction of the laser beams and, accordingly, to a fanning out of the laser lines.
  • FIG. 6 shows a further variant of a projection unit or a line projector 11c, which is preceded by an optional collimator lens 13c and a DOE 15. Furthermore, a beam splitter 16 is provided. Beams fanned out by the DOE are divided further, for example by the beam splitter 16, so that the number of resulting lines is further increased.
  • the illustrations in FIG. 5 and FIG. 6 serve only to explain that a larger number of exiting beams, in particular with a larger number of beam directions, is generated from a number of incident beams.
  • the beam splitter 16 can, for example, be dielectric, birefringent, polarizing and / or diffractive.
  • imaging errors in the beam deflection by the scanning unit in particular by the focusing unit or the F-theta lens, can be detected and compensated effectively and in real time during the production of the workpiece.
  • deviations and changes in the system and in temperature as well as other environmental conditions that occur during production can be taken into account.
  • a method for geometric referencing for additive manufacturing systems can be specified which is able to perform geometric referencing of the writing point during the writing process, ie online, and to guide the writing point exactly to a desired location.
  • the device for additive manufacturing uses more than one melt jet, then these are provided, for example, by different scanning units.
  • Each of the scanning units is corrected in the manner described in accordance with the improved concept.
  • geometrical referencing can be specified in such a way that the writing surfaces or writing areas of the different melting jets or scanning units have a common coordinate system or separate coordinate systems which, however, are free of offset or seams Rotation errors or scaling errors can connect to one another.
  • the improved concept allows the workpiece to be manufactured with reference to a reference coordinate system, for example a machine or workpiece coordinate system. Disruptive influences on the dimensional precision of the manufacturing process can be compensated. A real-time correction of detected dimensional deviations can also be carried out. To evaluate the detector signals and to compensate for the
  • the control unit can contain, for example, a geometrical correction unit to compensate for detected geometrical deviations for a current production order.
  • a geometrical correction unit to compensate for detected geometrical deviations for a current production order.
  • an interface to the production machine can be provided for correcting the machine movements for the production order or for transferring new coordinate values for the production order.

Abstract

In order to achieve a higher degree of precision during the additive manufacture of a workpiece, a method is disclosed, in which a fusing beam (3) is directed onto a tracing spot (4) on a tracing surface (1). A marker structure is projected onto the tracing surface (1), at least one portion of the tracing surface (1), onto which at least part of the marker structure is projected, is imaged on an optical detector (5), and at least one detector signal is generated using the image. A position of the tracing spot (4) is determined on the basis of the at least one detector signal and the manufacture of the workpiece continues, taking into consideration said determined position of the tracing spot (4).

Description

Beschreibung description
Additive Fertigung eines Werkstücks Additive manufacturing of a workpiece
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Werkstücks, wobei ein Schmelzstrahl auf einen Schreib punkt auf einer Schreibfläche gelenkt wird. Die Erfindung be trifft weiterhin eine Vorrichtung zur additiven Fertigung ei nes Werkstücks mit einer Abtasteinheit, einem optischen De tektor, einer Steuereinheit und einer Abbildungseinheit sowie ein Computerprogramm. The invention relates to a method for additive manufacturing of a workpiece, wherein a melt jet is directed to a writing point on a writing surface. The invention also relates to a device for additive manufacturing of a workpiece with a scanning unit, an optical detector, a control unit and an imaging unit and a computer program.
Bei der additiven Fertigung wird Material in einem Schreib punkt aufgetragen und lagenweise auf das Werkstück bezie hungsweise einen Werkstückträger aufgebracht. Dabei wird der Schmelzstrahl, der zum Aufheizen beziehungsweise Aufschmelzen benötigt wird, über das Werkstück geführt. Dies kann bei spielsweise mechanisch erfolgen, indem beispielsweise ein Schreibkopf relativ zu dem Werkstück bewegt wird, oder über ein Scanverfahren, wobei der Schmelzstrahl mit einer Abtast einheit abgelenkt und beispielsweise einer Fokussiereinheit auf die Bauteiloberfläche fokussiert wird. In additive manufacturing, material is applied in one writing point and applied in layers to the workpiece or a workpiece carrier. The melt jet, which is required for heating or melting, is guided over the workpiece. This can be done mechanically, for example, by moving a write head relative to the workpiece, or by means of a scanning process, the melt beam being deflected with a scanning unit and, for example, a focusing unit being focused on the component surface.
Da der Schmelzstrahl dabei durch die Abtastung eine oder meh rere Linsen an unterschiedlichen Orten mit unterschiedlichen Strahlneigungen durchläuft, kann es zu geometrischen Abbil dungsfehlern kommen, welche über ein Linsendesign nicht oder nur unzureichend ausgeglichen werden können. Since the melt beam passes through one or more lenses at different locations with different beam inclinations, geometric mapping errors can occur which cannot be compensated for by a lens design, or only inadequately.
Bekannte Verfahren zur teilweisen Korrektur solcher Abbil dungsfehler oder Geometriefehler basieren auf statischen Ka librierungsmethoden, die zu einem gegebenen Zeitpunkt, insbe sondere vor Beginn der Fertigung, Verzeichnungen und sonstige Abbildungsfehler bestimmen und die Führung des Schmelzstrahls entsprechend der Kalibrierung durchführen. Known methods for partially correcting such misrepresentation or geometry errors are based on static Ka libration methods that determine at a given point in time, in particular special before the start of production, distortions and other imaging errors and perform the management of the melt beam according to the calibration.
Solche bekannten Ansätze haben jedoch den Nachteil, dass sich eine Anordnung von Komponenten der Vorrichtung zur additiven Fertigung und deren Eigenschaften beziehungsweise Parameter nach der Kalibrierung nicht mehr verändern dürfen, da sonst die Korrektur nicht mehr oder nicht mehr vollständig funktio niert. Bei typischen Systemen zur additiven Fertigung sind aber diverse Baugruppen, beispielsweise die Abtasteinheit o- der die Fokussiereinheit, Luft in einem Arbeitsraum, mechani sche Abstände und relative Positionierungen der Schreibfläche beziehungsweise des Schreiborts zu der Abtasteinheit und der Fokussiereinheit über die Zeit während der Fertigung nicht konstant und gegebenenfalls auch nicht für verschiedene Tem peraturen. Beispielsweise kann die Umgebungstemperatur Ein fluss auf eine Systemgeometrie haben, aber auch der Schmelz strahl selbst erwärmt Bauteile und Komponenten des Systems, sodass sich auch über thermische Ausdehnungseffekte Eigen schaften des Systems ändern können, was zu weiteren geometri schen Fehlern führt, die im Rahmen von bekannten Korrekturme thoden nicht berücksichtigt werden. However, such known approaches have the disadvantage that an arrangement of components of the device for additive Production and its properties or parameters may no longer be changed after calibration, as otherwise the correction will no longer work or no longer work completely. In typical systems for additive manufacturing, however, various assemblies, for example the scanning unit or the focusing unit, air in a work area, mechanical distances and relative positioning of the writing surface or the writing location to the scanning unit and the focusing unit are not constant over time during production and possibly not for different temperatures. For example, the ambient temperature can have an influence on a system geometry, but the melt jet itself also heats parts and components of the system, so that properties of the system can also change via thermal expansion effects, which leads to further geometric errors that are within the scope of known Correction methods are not taken into account.
Im Dokument EP 3 421 225 Al wird die Kalibrierung einer Vor richtung zur vollparallelisierten additiven Fertigung be schrieben. Dazu sind drei Markervorrichtungen vorgesehen, die jeweils eine Lichtreferenzmarkierung auf ein Bauteil bezie hungsweise ein Baufeld projizieren. Eine Laservorrichtung weist eine Detektionseinrichtung auf, welche die Lichtrefe renzmarkierungen erfasst und eine Steuereinheit kalibriert die Laservorrichtung abhängig von den erfassten Lichtrefe renzmarkierungen . The document EP 3 421 225 A1 describes the calibration of a device for fully parallelized additive manufacturing. For this purpose, three marker devices are provided, each of which project a light reference marking onto a component or a construction field. A laser device has a detection device which detects the light reference markings and a control unit calibrates the laser device as a function of the light reference markings detected.
Dokument WO 2017/187147 Al beschreibt einen Apparat zur addi tiven Fertigung durch selektives Laserschmelzen. In einer Ausführung wird ein Referenzmuster auf eine Arbeitsfläche projiziert. Zwei verschiedene Optikmodule, von denen eines kalibriert und eines unkalibriert ist, werden zur nominell selben Position gefahren und die zugehörigen Bilder, die je weils das Referenzmuster werden miteinander verglichen, um das unkalibrierte Optikmodul zu korrigieren. Dokument EP 3 208 077 Al betrifft ein Verfahren zum 3D-Druck. Dabei kann ein Sensing-Energiestrahl ein Muster auf einer Oberfläche formen. Verschiedene Empfänger beziehungsweise Transmitter können eine Zielposition aus verschiedenen räum lichen Positionen betrachten. Document WO 2017/187147 A1 describes an apparatus for additive manufacturing by selective laser melting. In one embodiment, a reference pattern is projected onto a work surface. Two different optical modules, one of which is calibrated and one uncalibrated, are moved to nominally the same position and the associated images, each of which is the reference pattern, are compared with one another in order to correct the uncalibrated optical module. Document EP 3 208 077 A1 relates to a method for 3D printing. A sensing energy beam can form a pattern on a surface. Different receivers or transmitters can view a target position from different spatial positions.
Es ist vor diesem Hintergrund eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Konzept zur additiven Fertigung mit einem Schmelzstrahl anzugeben, das eine höhere Genauig keit bei der Fertigung des Werkstücks ermöglicht. Against this background, it is an object of the present invention to provide an improved concept for additive manufacturing with a melt jet that enables greater accuracy in the manufacture of the workpiece.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und eine Vorrichtung sowie ein Computerprogramm gemäß den unab hängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungs formen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen An sprüche . This object is achieved according to the invention by a method and a device as well as a computer program according to the independent claims. Advantageous embodiment forms and developments are the subject of the dependent claims.
Das verbesserte Konzept beruht auf der Idee, eine The improved concept is based on the idea of a
Markerstruktur auf die Schreibfläche zu projizieren, wenigs tens ein Teil der Markerstruktur mit einem Detektor aufzuneh men und basierend auf der Aufnahme eine aktuelle Position des Schreibpunktes zu bestimmen. Projecting the marker structure onto the writing surface, recording at least part of the marker structure with a detector and determining a current position of the writing point based on the recording.
Gemäß einem ersten unabhängigen Aspekt des verbesserten Kon zepts wird ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Werk stücks angegeben, wobei ein Schmelzstrahl auf einen Schreib punkt auf einer Schreibfläche gelenkt wird. Dabei wird eine Markerstruktur auf die Schreibfläche projiziert, wenigstens ein Teilbereich der Schreibfläche, auf dem wenigstens ein Teil der Markerstruktur projiziert wurde, wird auf einem op tischen Detektor abgebildet und anhand des Abbilds wird we nigstens ein Detektorsignal erzeugt. Basierend auf dem we nigstens einen Detektorsignal wird eine Position, insbesonde re eine tatsächliche oder aktuelle Position, des Schreibpunk tes bestimmt und die Fertigung des Werkstücks wird unter Be rücksichtigung der bestimmten Position des Schreibpunktes fortgeführt . Das Projizieren der Markerstruktur auf die Schreibfläche er folgt beispielsweise mittels eines Projektors, insbesondere optisch unter Verwendung von Licht, insbesondere Laserstrah len . According to a first independent aspect of the improved concept, a method for additive manufacturing of a workpiece is specified, wherein a melt beam is directed to a writing point on a writing surface. A marker structure is projected onto the writing surface, at least a portion of the writing surface on which at least part of the marker structure was projected is imaged on an optical detector and at least one detector signal is generated based on the image. Based on the at least one detector signal, a position, in particular an actual or current position, of the writing point is determined and the production of the workpiece is continued taking into account the determined position of the writing point. The marker structure is projected onto the writing surface, for example, by means of a projector, in particular optically using light, in particular Laserstrah sources.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann der Begriff Licht derart verstanden werden, dass davon elektromagnetische Wel len im sichtbaren, im infraroten und/oder im ultravioletten Bereich umfasst sind. Dementsprechend kann der Begriff op tisch derart verstanden werden, dass er sich auf Licht nach diesem Verständnis bezieht. In the context of the present disclosure, the term light can be understood in such a way that it includes electromagnetic waves in the visible, infrared and / or ultraviolet range. Accordingly, the term optical can be understood such that it relates to light according to this understanding.
Die Markerstruktur kann insbesondere eine oder mehrere Marken oder Strukturen enthalten. The marker structure can in particular contain one or more marks or structures.
Bei der Schreibfläche kann es sich beispielsweise um eine Oberfläche oder einen Teil der Oberfläche eines Pulverbetts handeln, aus dem das Werkstück gefertigt wird. Die Schreib fläche kann einen Teil der Pulverbettoberfläche beinhalten und einen Teil einer Werkstückoberfläche. The writing surface can be, for example, a surface or part of the surface of a powder bed from which the workpiece is manufactured. The writing surface can include part of the powder bed surface and part of a workpiece surface.
Bei der Position des Schreibpunktes handelt es sich insbeson dere um eine Position in dem Pulverbett und/oder auf dem Werkstück, also auf der Schreibfläche. Bei der Position kann es sich insbesondere um zweidimensionale oder dreidimensiona le Koordinaten handeln, beispielsweise kartesische Koordina ten und/oder Winkelkoordinaten. Die Position kann insbesonde re auch durch eine aktuelle oder tatsächliche Auslenkung, insbesondere Winkelauslenkung oder Winkelposition, des The position of the writing point is in particular a position in the powder bed and / or on the workpiece, that is to say on the writing surface. The position can in particular be two-dimensional or three-dimensional coordinates, for example Cartesian coordinates and / or angle coordinates. The position can in particular also be determined by a current or actual deflection, in particular angular deflection or angular position
Schmelzstrahls beschreiben werden. Describe melt jet.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen wird der Schmelzstrahl mittels einer Abtasteinheit, welche beispielsweise den According to various embodiments, the melt jet by means of a scanning unit, which for example the
Schmelzstrahl kontrolliert ablenken kann, etwa mittels Um lenkspiegeln, auf den Schreibpunkt der Schreibfläche gelenkt. Can deflect melt jet controlled, for example by means of deflecting mirrors, directed to the writing point of the writing surface.
In verschiedenen Ausführungsformen wird der Schmelzstrahl mittels der Abtasteinheit und/oder mittels einer Fokussie- reinheit, welche beispielsweise zwischen der Abtasteinheit und der Schreibfläche angeordnet ist, und beispielsweise eine F-Theta-Linse beinhaltet, auf den Schreibpunkt gelenkt. In various embodiments, the melt beam is detected by means of the scanning unit and / or by means of a focusing purity, which is arranged, for example, between the scanning unit and the writing surface, and includes, for example, an F-theta lens, directed to the writing point.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird der Schmelzstrahl mittels einer optischen Vorrichtung, welche beispielsweise die Abtasteinheit und/oder die Fokussiereinheit beinhalten kann, auf den Schreibpunkt gelenkt. According to various embodiments, the melt beam is directed onto the writing point by means of an optical device which, for example, can contain the scanning unit and / or the focusing unit.
Gemäß einem Verfahren zur additiven Fertigung nach dem ver besserten Konzept kann mit Vorteil eine Ist-Position des Schreibpunktes auf der Schreibfläche direkt erfasst und be stimmt werden und mit einer Sollposition verglichen werden. Abweichungen von Ist-Position und Soll-Position können bei spielsweise auf Abbildungsfehler durch die optische Vorrich tung, insbesondere die Fokussiereinheit, beispielsweise die F-Theta-Linse, zurückgehen. Gemäß dem verbesserten Konzept können solche Abweichungen durch die Bestimmung der tatsäch lichen Position des Schreibpunkts und eine Fortführung der Fertigung unter Berücksichtigung der bestimmten Position kom pensiert werden. According to a method for additive manufacturing according to the improved concept, an actual position of the writing point on the writing surface can advantageously be recorded and determined directly and compared with a target position. Deviations from the actual position and the target position can, for example, be due to imaging errors caused by the optical device, in particular the focusing unit, for example the F-theta lens. According to the improved concept, such deviations can be compensated for by determining the actual position of the writing point and continuing production taking into account the determined position.
Mit Vorteil kann eine solche Kompensation in Echtzeit, also online, oder näherungsweise in Echtzeit während der Ferti gung, erfolgen. Insbesondere ist die Kompensation insofern dynamisch, als dass sie auf den tatsächlichen momentanen Ab bildungsfehler oder Abweichungen zwischen Ist- und Soll-Wert der Position beruht und nicht auf einer vor Beginn der Ferti gung durchgeführten Kalibrierung, die im Wesentlichen darauf vertrauen muss, dass sich die Gegebenheiten während der Fer tigung nicht von den Gegebenheiten während der Kalibrierung unterscheiden . Such a compensation can advantageously take place in real time, that is to say online, or approximately in real time during production. In particular, the compensation is dynamic in that it is based on the actual current mapping errors or deviations between the actual and target value of the position and not on a calibration carried out before the start of production, which essentially has to rely on the Do not differentiate conditions during production from conditions during calibration.
Dementsprechend kann eine additive Fertigung gemäß dem ver besserten Konzept eine bessere Fehlerkompensation und damit eine erhöhte Genauigkeit und Produktqualität bei der Ferti gung des Werkstücks erreichen. Die Markerstruktur beinhaltet eine erste und eine zweite Gruppe von Linien, insbesondere geraden Linien. Jede Linie der ersten Gruppe schneidet dabei mindestens eine der Linien der zweiten Gruppe. Die Position des Schreibpunktes wird mit tels einer Ortscodierung bestimmt, die auf wenigstens einer geometrischen Eigenschaft der Linien der beiden Gruppen ba siert . Accordingly, additive manufacturing according to the improved concept can achieve better error compensation and thus increased accuracy and product quality in the manufacture of the workpiece. The marker structure contains a first and a second group of lines, in particular straight lines. Each line in the first group intersects at least one of the lines in the second group. The position of the writing point is determined by means of a spatial coding which is based on at least one geometric property of the lines of the two groups.
Vorzugsweise beinhalten sowohl die erste und die zweite Grup pe jeweils mindestens zwei Linien. Preferably, both the first and second groups each include at least two lines.
Die geometrische Eigenschaft kann dabei eine Eigenschaft der Linien selbst sein, beispielsweise eine Linienbreite der je weiligen Linien oder eine Eigenschaft mehrerer Linien in Be zug aufeinander, beispielsweise eine Abstandsfolge von Ab ständen zwischen benachbarten Linien oder Winkel zwischen sich schneidenden Linien. The geometric property can be a property of the lines themselves, for example a line width of the respective lines or a property of several lines in relation to one another, for example a sequence of distances between adjacent lines or angles between intersecting lines.
Mit Vorteil können dadurch komplexere Muster eingesetzt wer den, die eine Ortscodierung und damit eine höhere Genauigkeit der Bestimmung des Schreibpunktes und eine höhere Zuverläs sigkeit der Bestimmung des Schreibpunktes ermöglichen. As a result, more complex patterns can be used to advantage, which allow location coding and thus greater accuracy in determining the writing point and greater reliability in determining the writing point.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Position des Schreibpunktes mit einer Soll-Position verglichen und die Fertigung des Werkstücks wird abhängig von einem Ergebnis des Vergleichs fortgeführt. According to at least one embodiment, the position of the writing point is compared with a target position and the production of the workpiece is continued as a function of a result of the comparison.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Position des Schreibpunktes relativ zu einem Referenzmerkmal der According to at least one embodiment, the position of the writing point relative to a reference feature is
Markerstruktur bestimmt. Mark structure determined.
Das Referenzmerkmal kann beispielsweise einen Punkt, eine Li nie, insbesondere eine gerade Linie beinhalten oder einen in einer definierten Weise ausgezeichneten Linienabschnitt. Bei spielsweise kann das Referenzmerkmal einen Schnittpunkt zwei er Linien der Markerstruktur beinhalten. Die gemäß dem Verfahren bestimmte Position des Schreibpunktes kann insbesondere eine geschätzte, eine berechnete oder eine aktuelle, insbesondere tatsächliche, Position des Schreib punktes sein. The reference feature can, for example, contain a point, a line, in particular a straight line, or a line segment marked out in a defined manner. For example, the reference feature can contain an intersection of two lines of the marker structure. The position of the writing point determined according to the method can in particular be an estimated, a calculated or a current, in particular actual, position of the writing point.
Die Position des Schreibpunktes kann insbesondere auch durch eine geschätzte, berechnete oder tatsächliche Winkelauslegung des Schmelzstrahles bestimmt oder gegeben sein, insbesondere wenn ein Abstand der Abtasteinheit zu dem Referenzmerkmal be kannt ist. The position of the writing point can in particular also be determined or given by an estimated, calculated or actual angular design of the melt jet, in particular if a distance between the scanning unit and the reference feature is known.
Mit Vorteil basiert die Bestimmung der Position des Schreib punktes auf einer direkten Bestimmung einer Auslenkung des Schreibstrahls oder einer direkten Bestimmung der Position des Schreibpunkts auf der Schreibfläche selbst und insbeson dere nicht auf einer indirekte Schlussfolgerung ausgehend von einer Einstellung oder Winkeleinstellung oder Soll- Einstellung der Abtasteinheit oder einer Soll-Ablenkung des Schreibstrahls, welche aufgrund der oben beschriebenen geo metrischen Abbildungsfehler fehlerbehaftet sein kann. The determination of the position of the writing point is advantageously based on a direct determination of a deflection of the writing beam or a direct determination of the position of the writing point on the writing surface itself and in particular not on an indirect conclusion based on a setting or angle setting or target setting of the scanning unit or a target deflection of the write beam, which can be prone to errors due to the geometric imaging errors described above.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Position des Schreibpunktes relativ zu mindestens zwei Referenzmerkmalen der Markerstruktur bestimmt. According to at least one embodiment, the position of the writing point is determined relative to at least two reference features of the marker structure.
Die zumindest zwei Referenzmerkmale können beispielsweise zwei Schnittpunkte von Linien, insbesondere von mindestens drei Linien, der Markerstruktur beinhalten. The at least two reference features can contain, for example, two intersection points of lines, in particular of at least three lines, of the marker structure.
Aus einer bekannten Position der Schnittpunkte der Linien kann beispielsweise bestimmt werden, welche Lage oder Positi on der Schreibpunkt bezüglich eines oder mehrerer der From a known position of the intersection points of the lines it can be determined, for example, which location or position of the writing point with respect to one or more of the
Schnittpunkte der Linien einnimmt. Die Position des Schreib punktes kann beispielsweise näherungsweise als Koordinate des nächstliegenden Schnittpunkts bestimmt werden. Occupies intersections of the lines. The position of the writing point can, for example, be determined approximately as the coordinate of the closest intersection.
Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise über eine la terale, das heißt in einer Ebene der Schreibfläche oder einer Hauptebene des Pulverbetts, Verschiebung der Linien die Posi tion des Schreibpunktes über Interpolation bestimmt werden.Alternatively or additionally, for example, via a la terale, that is, in a plane of the writing surface or a Main plane of the powder bed, shifting the lines the position of the writing point can be determined via interpolation.
In dieser Weise ist auch eine Abschätzung von Positionen oder Koordinaten zwischen den Positionen oder Koordinaten der je weiligen Schnittpunkte möglich. In this way, it is also possible to estimate positions or coordinates between the positions or coordinates of the respective intersection points.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Marker struktur drei oder mehr Linien und die Referenzmerkmale bein halten zwei oder mehr Schnittpunkte der drei oder mehr Li nien . According to at least one embodiment, the marker structure comprises three or more lines and the reference features contain two or more points of intersection of the three or more lines.
Bei den Linien handelt es sich insbesondere um Geraden oder gerade Linien. The lines are in particular straight lines or straight lines.
Bei den Linien handelt es sich insbesondere teilweise um pa rallele Linien, das heißt wenigstens zwei der drei oder mehr Linien sind parallel zueinander. The lines are in particular partly parallel lines, that is to say at least two of the three or more lines are parallel to one another.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen sind wenigstens zwei der drei oder mehr Linien fächerförmig angeordnet, das heißt wenigstens zwei der wenigstens drei Linien haben einen ge meinsamen Ursprung, insbesondere definiert durch eine gemein same Lichtquelle, und werden mit unterschiedlichen Winkeln abgestrahlt . According to various embodiments, at least two of the three or more lines are arranged in a fan shape, that is to say at least two of the at least three lines have a common origin, in particular defined by a common light source, and are emitted at different angles.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Linien der ersten Gruppe mit Licht einer ersten Wellenlänge erzeugt und die Linien der zweiten Gruppe werden mit Licht einer zweiten, von der ersten verschiedenen, Wellenlänge erzeugt. According to at least one embodiment, the lines of the first group are generated with light of a first wavelength and the lines of the second group are generated with light of a second wavelength different from the first.
Die Wellenlänge des Lichts der ersten Gruppe entspricht dabei einer charakteristischen Laserwellenlänge oder einer Wellen längenverteilung des Lichts. Dasselbe gilt entsprechend auch für die Wellenlänge des Lichts der zweiten Gruppe. The wavelength of the light of the first group corresponds to a characteristic laser wavelength or a wavelength distribution of the light. The same applies accordingly to the wavelength of the light of the second group.
Durch die Verwendung unterschiedlicher Wellenlängen kann eine Farbcodierung verwendet werden, um die Ortscodierung durchzu führen . Mit Vorteil sind verschiedene Gruppen dadurch visuell unter scheidbar und für die Ortscodierung nutzbar. By using different wavelengths, color coding can be used to carry out the location coding. In this way, different groups are advantageously distinguishable visually and can be used for location coding.
Insbesondere werden die Linien der unterschiedlichen Gruppen von Linien mit unterschiedlichen Projektoren, insbesondere Linienprojektoren, erzeugt. In particular, the lines of the different groups of lines are generated with different projectors, in particular line projectors.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Linien der ersten Gruppe zeitlich abwechselnd mit den Linien der zweiten Gruppe erzeugt und insbesondere zeitlich abwechselnd mit den Linien der zweiten Gruppe ein- und ausgeschaltet. According to at least one embodiment, the lines of the first group are generated alternately with the lines of the second group and in particular are switched on and off alternately with the lines of the second group.
Es findet also insbesondere ein zeitliches Multiplexen der Linien ersten und zweiten Gruppe statt. In particular, the lines of the first and second group are time-multiplexed.
Dementsprechend kann mit Vorteil eine Zeitcodierung vorgenom men werden, die eine Unterscheidung der verschiedenen Linien unterschiedlicher Gruppen ermöglicht und damit für die Ort scodierung nutzbar ist. Correspondingly, time coding can advantageously be undertaken, which enables a differentiation between the various lines of different groups and can thus be used for location coding.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird ein Bereich auf den Detektor abgebildet, der die gesamte Schreibfläche bein haltet und in dem zusätzlich wenigstens eine Referenzstruktur angeordnet ist, insbesondere eine Referenzstruktur der According to at least one embodiment, an area is imaged on the detector which contains the entire writing surface and in which at least one reference structure is additionally arranged, in particular a reference structure of the
Markerstruktur. Der Bereich wird anhand der Referenzstruktur angepasst oder eine Position und/oder Ausrichtung des Detek tors wird anhand der Referenzstruktur kalibriert. Marker structure. The area is adapted using the reference structure or a position and / or orientation of the detector is calibrated using the reference structure.
Die Kalibrierung kann beispielsweise eine Kalibrierung oder ein Festlegen eines Sichtfelds des Detektors oder eine Anpas sung des Sichtfelds des Detektors beinhalten. The calibration can include, for example, a calibration or a definition of a field of view of the detector or an adaptation of the field of view of the detector.
Zum Anpassen des Bereichs beziehungsweise zum Kalibrieren der Position oder Ausrichtung des Detektors kann beispielsweise eine Position, Ausrichtung oder Orientierung der Referenz struktur auf dem Detektorabbild ermittelt werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird zur Projektion der Markerstruktur auf die Schreibfläche ein Projektionsstrahl in einem Strahlengang des Schmelzstrahls eingekoppelt. Während der Fertigung werden der Schmelzstrahl und der Projektions strahl synchron bewegt. To adapt the area or to calibrate the position or alignment of the detector, for example, a position, alignment or orientation of the reference structure can be determined on the detector image. According to at least one embodiment, a projection beam is coupled into a beam path of the melt beam in order to project the marker structure onto the writing surface. During production, the melt beam and the projection beam are moved synchronously.
Insbesondere wird die gesamte Markerstruktur in den Strahlen gang des Messstrahls eingekoppelt, insbesondere mittels meh rere Projektionsstrahlen. In diesem Kontext ist also der Pro jektionsstrahl nicht als isolierter Lichtstrahl zu verstehen, sondern kann beispielsweise eine Vielzahl von Lichtstrahlen beinhalten . In particular, the entire marker structure is coupled into the beam path of the measuring beam, in particular by means of several projection beams. In this context, the projection beam is not to be understood as an isolated light beam, but can for example contain a large number of light beams.
Eine Veränderung der Position des Schreibpunktes wirkt sich damit unmittelbar auf eine Position und/oder Form der A change in the position of the writing point thus directly affects a position and / or shape of the
Markerstruktur aus. Dementsprechend kann die Position Marker structure. Accordingly, the position
und/oder Form der Markerstruktur als direktes Maß für die Po sition des Schreibpunktes dienen. and / or the shape of the marker structure serve as a direct measure of the position of the writing point.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird eine geometrische Kenngröße der Markerstruktur bestimmt und die Position des Schreibpunktes wird basierend auf der geometrischen Kenngröße bestimmt . According to at least one embodiment, a geometric parameter of the marker structure is determined and the position of the writing point is determined based on the geometric parameter.
Dies ist insbesondere vorteilhaft bei Ausgestaltungen des Verfahrens, bei denen der Projektionsstrahl in den Strahlen gang des Schmelzstrahls eingekoppelt wird und der Projekti onsstrahl synchron mit dem Schmelzstrahl bewegt wird. This is particularly advantageous in embodiments of the method in which the projection beam is coupled into the beam path of the melt beam and the projection beam is moved synchronously with the melt beam.
Bei der geometrischen Kenngröße kann es sich beispielsweise um eine Form oder Kontur oder eine Verzerrung der Marker struktur oder eines Teils der Markerstruktur handeln. Auf grund der Einkopplung des Projektionsstrahls in den Strahlen gang des Schmelzstrahls kann beispielsweise eine Markerstruk tur verwendet werden, die dann konzentrisch mit dem Schmelz strahl auf die Schreibfläche abgebildet wird. Beispielsweise kann die Markerstruktur derart gewählt werden, dass bei senkrechtem Auftreffen des Schmelzstrahls auf die Schreibfläche die Markerstruktur einen Kreis darstellt, in dessen Zentrum sich die Position des Schreibpunktes befindet. Bei einer Ablenkung des Schmelzstrahls durch die Abtastein heit wird damit die Kreisform der Markerstruktur verzerrt.The geometric parameter can be, for example, a shape or contour or a distortion of the marker structure or of a part of the marker structure. Due to the coupling of the projection beam into the beam path of the melting beam, a marker structure can be used, for example, which is then imaged concentrically with the melting beam on the writing surface. For example, the marker structure can be selected in such a way that when the melt jet impinges perpendicularly on the writing surface, the marker structure represents a circle in the center of which the position of the writing point is located. If the melt beam is deflected by the scanning unit, the circular shape of the marker structure is thus distorted.
Aus der Stärke der Verzerrung kann ein Mittelpunkt der From the strength of the distortion, a center of the
Markerstruktur und damit die Position des Schreibpunktes er mittelt werden. Marker structure and thus the position of the writing point can be determined.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden zur additiven Fertigung des Werkstücks der Schmelzstrahl und mindestens ein weiterer Schmelzstrahl verwendet, die insbesondere unabhängig voneinander durch die Abtasteinheit oder durch jeweilige Ab- tasteinheiten abgelenkt und auf die Schreibfläche gelenkt werden können. Basierend auf dem wenigstens einen Detektor signal kann dann ein gemeinsames Koordinatensystem für alle Schmelzstrahlen definiert werden. According to at least one embodiment, the melt jet and at least one further melt jet are used for additive manufacturing of the workpiece, which in particular can be deflected independently of one another by the scanning unit or by respective scanning units and directed onto the writing surface. Based on the at least one detector signal, a common coordinate system can then be defined for all melt jets.
Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt des verbesserten Konzepts wird eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Werkstücks angegeben. Die Vorrichtung weist eine Abtastein heit auf, die dazu eingerichtet ist, einen Schmelzstrahl auf einem Schreibpunkt auf einer Schreibebene zu lenken. Die Vor richtung weist außerdem einen optischen Detektor, eine Steu ereinheit und eine Abbildungseinheit auf. Die Vorrichtung weist zudem eine Projektionseinheit auf, insbesondere mit we nigstens einem Projektor, die dazu eingerichtet und angeord net ist, eine Markerstruktur auf die Schreibfläche zu proji zieren. Die Abbildungseinheit ist dazu eingerichtet, wenigs tens einen Teilbereich der Schreibfläche, auf den wenigstens ein Teil der Markerstruktur projiziert wurde, auf dem opti schen Detektor abzubilden. Der Detektor ist dazu eingerich tet, abhängig von dem Abbild wenigstens ein Detektorsignal zu erzeugen und die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, die Ab lenkeinheit in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Detek torsignal anzusteuern. Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält die Projekti onseinheit wenigstens einen Linienprojektor, insbesondere ei nen Laserlinienprojektor, der derart eingerichtet und ange ordnet ist, dass er eine oder mehrere Linien, insbesondere Laserlinien, auf die Schreibfläche projizieren kann, die pa rallel oder im Wesentlichen parallel zu einer Hauptebene der Schreibfläche verlaufen. According to a further independent aspect of the improved concept, a device for additive manufacturing of a workpiece is specified. The device has a scanning unit which is set up to direct a melt beam onto a writing point on a writing plane. The device also has an optical detector, a control unit and an imaging unit. The device also has a projection unit, in particular with at least one projector, which is set up and arranged to project a marker structure onto the writing surface. The imaging unit is set up to image at least a partial area of the writing surface onto which at least a part of the marker structure was projected on the optical detector. The detector is set up to generate at least one detector signal as a function of the image and the control unit is set up to control the steering unit as a function of the at least one detector signal. According to at least one embodiment, the projection unit contains at least one line projector, in particular a laser line projector, which is set up and arranged in such a way that it can project one or more lines, in particular laser lines, onto the writing surface that are parallel or substantially parallel to one The main plane of the writing surface.
Die Hauptebene kann beispielsweise eine Ebene sein, die senk recht zu dem Schmelzstrahl steht, wenn der Schmelzstrahl durch die Abtasteinheit nicht abgelenkt wird. Insbesondere kann die Hauptebene der Schreibfläche einer initialen The main plane can, for example, be a plane that is perpendicular to the melt beam when the melt beam is not deflected by the scanning unit. In particular, the main plane of the writing surface can be an initial
Schreibfläche oder Schreibebene bei Beginn der Fertigung oder vor Beginn der Fertigung entsprechen. Corresponding to the writing surface or writing plane at the start of production or before the start of production.
„Im Wesentlichen parallel" kann hier beispielsweise derart verstanden werden, dass die Laserlinie einen Winkel mit der Hauptebene einschließt, der klein genug ist, damit die Laser linie über einen gesamten Arbeitsbereich der Schreibfläche, also über die gesamte Schreibfläche oder das gesamte Pulver bett, verläuft und auf dieser erkennbar ist. "Essentially parallel" can be understood here, for example, to mean that the laser line encloses an angle with the main plane that is small enough for the laser line to run over an entire working area of the writing surface, i.e. over the entire writing surface or the entire powder bed and is recognizable on this.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Vorrichtung einen Strahlteiler auf, der auf einer Eingangsseite der Ab tasteinheit in einem Strahlengang des Schmelzstrahls angeord net ist. Die Projektionseinrichtung ist derart eingerichtet und angeordnet, dass sie einen Projektionsstrahl erzeugen kann, der über den Strahlteiler in den Strahlengang des Schmelzstrahlers eingekoppelt werden kann. According to at least one embodiment, the device has a beam splitter which is net angeord on an input side of the scanning unit in a beam path of the melt beam. The projection device is set up and arranged in such a way that it can generate a projection beam which can be coupled into the beam path of the fusible source via the beam splitter.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Vorrichtung ein Kamerasystem auf, wobei wenigstens eine Kamera des Kame rasystems, welche den Detektor beinhaltet, zwischen der Ab tasteinheit und der Schreibfläche angeordnet ist. According to at least one embodiment, the device has a camera system, at least one camera of the camera system, which contains the detector, being arranged between the scanning unit and the writing surface.
Insbesondere ist die Kamera zwischen der Fokussiereinheit o- der der F-Theta-Linse und der Schreibfläche oder dem Pulver- bett angeordnet. Die Kamera kann auch auf gleiche Höhe wie die Fokussiereinheit oder die F-Theta-Linse angeordnet sein. In particular, the camera is between the focusing unit or the F-theta lens and the writing surface or the powder bed arranged. The camera can also be arranged at the same height as the focusing unit or the F-theta lens.
Insbesondere ist die Kamera außerhalb eines Arbeitsraumgehäu ses der Vorrichtung, innerhalb dessen sich das Werkstück und die Schreibebene befinden, angeordnet, insbesondere zwischen der Abtasteinheit und einem Abdeckfenster des Arbeitsraumge häuses . In particular, the camera is arranged outside a Arbeitsraumgehäu ses of the device, within which the workpiece and the writing plane are located, in particular between the scanning unit and a cover window of the Arbeitsraumge housing.
Mit Vorteil ist dadurch der gesamte Arbeitsraum durch die Ka mera oder die wenigstens eine Kamera beobachtbar. Die Anord nung außerhalb des Arbeitsraumgehäuses schützt beispielsweise vor Schmutz. As a result, the entire work space can advantageously be observed by the camera or the at least one camera. The arrangement outside the workspace housing protects against dirt, for example.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist wenigstens eine weitere Kamera des Kamerasystems derart angeordnet und einge richtet, dass sie aus einem Strahlengang des Schmelzstrahls ausgekoppeltes Licht zum Abbilden des Teilbereichs der According to at least one embodiment, at least one further camera of the camera system is arranged and set up in such a way that it uses light decoupled from a beam path of the melt beam for imaging the partial area of the
Schreibfläche auf den Detektor erfassen kann. Can detect writing surface on the detector.
Die wenigstens eine weitere Kamera umfasst dabei beispiels weise den Detektor. The at least one further camera includes the detector, for example.
Es sind auch solche Ausführungsformen möglich, welche die we nigstens eine Kamera und die wenigstens eine weitere Kamera beinhalten. In diesem Fall weist die Vorrichtung mehrere De tektoren auf, insbesondere jede der wenigstens einen Kameras beinhaltet einen entsprechenden Detektor und jede der weite ren Kameras beinhaltet einen entsprechenden weiteren Detek tor . Embodiments are also possible which contain at least one camera and at least one further camera. In this case, the device has several detectors, in particular each of the at least one cameras includes a corresponding detector and each of the other cameras includes a corresponding further detector.
Die Detektoren und weiteren Detektoren können dann gemeinsam oder individuell eine oder mehrere Aufgaben übernehmen, die oben bezüglich des Detektors, insbesondere des optischen De tektors, beschrieben sind. Insbesondere können die Detektoren der Kameras und die weite ren Detektoren der weiteren Kameras die Detektorsignale er zeugen . The detectors and further detectors can then jointly or individually take on one or more tasks that are described above with regard to the detector, in particular the optical detector. In particular, the detectors of the cameras and the further detectors of the further cameras can generate the detector signals.
Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt des verbesserten Konzepts wird ein Computerprogramm mit Befehlen angegeben, welche bei Ausführung des Computerprogramms durch ein Compu tersystem eine Vorrichtung gemäß dem verbesserten Konzept da zu veranlassen, ein Verfahren gemäß dem verbesserten Konzept durchzuführen . According to a further independent aspect of the improved concept, a computer program is specified with commands which, when the computer program is executed by a computer system, cause a device according to the improved concept to carry out a method according to the improved concept.
Bei dem Computersystem handelt es sich insbesondere um ein Computersystem der Vorrichtung. Insbesondere enthält das Com putersystem die Steuereinheit, die Auswerteeinheit und/oder eine weitere Prozessoreinheit der Vorrichtung. The computer system is in particular a computer system of the device. In particular, the computer system contains the control unit, the evaluation unit and / or another processor unit of the device.
Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt des verbesserten Konzepts wird ein computerlesbares Speichermedium angegeben, auf dem ein Computerprogramm gemäß dem verbesserten Konzept gespeichert ist. According to a further independent aspect of the improved concept, a computer-readable storage medium is specified on which a computer program according to the improved concept is stored.
Weitere Aus führungs formen der Vorrichtung gemäß dem verbes serten Konzept folgen unmittelbar aus den verschiedenen Aus führungsformen des Verfahrens gemäß dem verbesserten Konzept und umgekehrt. Insbesondere ist eine Vorrichtung gemäß dem verbesserten Konzept dazu eingerichtet, ein Verfahren nach dem verbesserten Konzept auszuführen. Further embodiments of the device according to the improved concept follow directly from the various embodiments of the method according to the improved concept and vice versa. In particular, a device according to the improved concept is set up to carry out a method according to the improved concept.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand konkreter Ausführungs beispiele und zugehöriger schematischer Zeichnungen näher er läutert. In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Beschrei bung gleicher oder funktionsgleicher Elemente wird gegebenen falls nicht notwendigerweise in verschiedenen Figuren wieder holt. The invention is explained in more detail below with reference to specific embodiment examples and associated schematic drawings. Identical or functionally identical elements are provided with the same reference symbols in the figures. The description of identical or functionally identical elements is possibly not necessarily repeated in different figures.
In den Figuren zeigen: FIG 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaftenIn the figures show: 1 shows a schematic representation of an exemplary
Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß dem verbes serten Konzept; Embodiment of a device according to the improved concept;
FIG 2 eine schematische Darstellung einer Markerstruktur gemäß einer beispielhaften Ausführungsform eines Verfahrens nach dem verbesserten Konzept; 2 shows a schematic representation of a marker structure according to an exemplary embodiment of a method according to the improved concept;
FIG 3 eine schematische Darstellung einer weiteren 3 shows a schematic representation of another
Markerstruktur gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines Verfahrens nach dem verbes serten Konzept; Marker structure according to a further exemplary embodiment of a method according to the improved concept;
FIG 4 eine schematische Darstellung einer Projektionsein heit einer beispielhaften Ausführungsform einer Vorrichtung nach dem verbesserten Konzept; 4 shows a schematic representation of a projection unit of an exemplary embodiment of a device according to the improved concept;
FIG 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Pro jektionseinheit gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß dem verbes serten Konzept; und 5 shows a schematic illustration of a further projection unit according to a further exemplary embodiment of a device according to the improved concept; and
FIG 6 eine schematische Darstellung einer weiteren Pro jektionseinheit gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß dem verbes serten Konzept. 6 shows a schematic representation of a further projection unit according to a further exemplary embodiment of a device according to the improved concept.
In FIG 1 ist eine Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Aus führungsform nach dem verbesserten Konzept gezeigt. In FIG. 1, a device according to an exemplary embodiment is shown according to the improved concept.
Die Vorrichtung weist eine Scaneinheit oder Abtasteinheit 2 auf, die einen Schmelzstrahl 3, beispielsweise einen Laser strahl oder Elektronenstrahl, entsprechend einem Arbeitsauf trag zur Fertigung eines Werkstücks systematisch ablenken und auf einen Schreibpunkt 4 in einem Pulverbett richten bezie hungsweise lenken kann. Die Vorrichtung weist auch eine Steu ereinheit 6 auf, welche beispielsweise mit der Abtasteinheit 2 gekoppelt ist, um diese anzusteuern. Der Schmelzstrahl 3 wird durch eine Heizquelle 9, insbesonde re eine Laserquelle oder Elektronenstrahlquelle, erzeugt und mittels einer optionalen Strahlformungsoptik 12 auf einer Eingangsseite der Abtasteinheit 2 in die Abtasteinheit 2 ge koppelt. Zur Abbildung des Schmelzstrahls 3 auf den Schreib punkt 4 kann die Vorrichtung eine Fokussiereinheit 10, bei spielsweise mit einer F-Theta-Linse, aufweisen. The device has a scanning unit or scanning unit 2, which can systematically deflect a melt beam 3, for example a laser beam or electron beam, in accordance with a work order for the production of a workpiece and direct or direct it to a writing point 4 in a powder bed. The device also has a control unit 6, which is coupled, for example, to the scanning unit 2 in order to control it. The melt beam 3 is generated by a heating source 9, in particular a laser source or electron beam source, and coupled into the scanning unit 2 by means of optional beam-shaping optics 12 on an input side of the scanning unit 2. To image the melt jet 3 on the writing point 4, the device can have a focusing unit 10, for example with an F-theta lens.
Die Vorrichtung weist außerdem eine Projektionseinheit 11 auf, die dazu eingerichtet ist, eine Markerstruktur auf das Pulverbett beziehungsweise eine Schreibfläche 1 zu projizie ren. Die Schreibfläche 1 kann dabei einer Oberfläche, insbe sondere einer aktuellen zu einem bestimmten Zeitpunkt der Fertigung gegebenen Oberfläche, des Pulverbetts und/oder ei nes zu fertigenden Werkstücks entsprechen. The device also has a projection unit 11, which is set up to project a marker structure onto the powder bed or a writing surface 1. The writing surface 1 can be a surface, in particular a current surface given at a certain point in time of production, of the powder bed and / or correspond to a workpiece to be manufactured.
Die Vorrichtung weist außerdem einen Detektor 5 auf und eine Abbildungseinheit 2, wobei die Abbildungseinheit dazu einge richtet ist, wenigstens einen Teilbereich der Schreibfläche, auf den wenigstens ein Teil der Markerstruktur projiziert wurde, auf den optischen Detektor 5 abzubilden. Die Abbil dungseinheit kann beispielsweise als Kamera ausgebildet sein, die den Detektor 5 enthält. Die Kamera kann beispielsweise direkt auf die Schreibfläche 1 oder das Pulverbett gerichtet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Abbildungseinheit, wie in FIG 1 dargestellt, einen Strahlteiler 7 beinhalten, der in einem Strahlengang des Schmelzstrahls 3, insbesondere eingangsseitig zu der Abtasteinheit 2, also zwischen der Ab tasteinheit 2 und der Heizquelle 9, angeordnet ist. Der The device also has a detector 5 and an imaging unit 2, the imaging unit being set up to image at least part of the writing surface onto which at least part of the marker structure was projected onto the optical detector 5. The imaging unit can be designed, for example, as a camera that contains the detector 5. The camera can, for example, be aimed directly at the writing surface 1 or the powder bed. Alternatively or additionally, the imaging unit, as shown in FIG. 1, contain a beam splitter 7, which is arranged in a beam path of the melt beam 3, in particular on the input side to the scanning unit 2, that is between the scanning unit 2 and the heating source 9. Of the
Strahlteiler 7 dient dazu, Abbildungslicht, welches von der Schreibfläche 1 ausgehend über die Abtasteinheit 2 auf den Strahlteiler 7 trifft, aus dem Strahlengang des Schmelz strahls 3 auszukoppeln, sodass das Abbildungslicht beispiels weise über ein optionales Objektiv 8, beispielsweise der Ka mera, auf den Detektor 5 abgebildet werden kann. Die Abbildungseinheit, insbesondere die Kamera beziehungswei se der Detektor 5, kann also die auf die Schreibfläche 1 pro jizierte Markerstruktur beobachten und erkennen. Basierend auf einem Bild, welches auf den Detektor 5 abgebildet wird, kann der Detektor 5 eines oder mehrere Detektorsignale erzeu gen, die beispielsweise einer Beobachtung der Markerstruktur und/oder des Schreibpunkts 4 entspricht. Abhängig von den De tektorsignalen kann beispielsweise die Steuereinheit 6 die Abtasteinheit 2 steuern. Beam splitter 7 is used to decouple imaging light, which starts from the writing surface 1 and hits the beam splitter 7 via the scanning unit 2, from the beam path of the melt beam 3, so that the imaging light, for example, via an optional lens 8, for example the camera, onto the Detector 5 can be imaged. The imaging unit, in particular the camera or the detector 5, can therefore observe and recognize the marker structure projected onto the writing surface 1. Based on an image which is mapped onto the detector 5, the detector 5 can generate one or more detector signals which, for example, correspond to an observation of the marker structure and / or the writing point 4. The control unit 6 can control the scanning unit 2, for example, as a function of the detector signals.
In FIG 2 ist eine beispielhafte Version einer Markerstruktur gezeigt, wie sie in FIG 1 Verwendung finden kann. Im Beispiel der FIG 2 beinhaltet die Markerstruktur beispielsweise eine Vielzahl von n parallelen und geraden Linien, die beispiels weise parallel zu einer y-Achse der Schreibfläche 1 verlaufen und in jeweiligen Abständen dl, d2 ... dn zueinander angeordnet sind. Die Abstände dl, d2, dn können identisch sein, können sich jedoch auch unterscheiden sein. In verschiedenen Ausfüh rungsformen sind alle Abstände zwischen allen Linien parallel zur y-Achse dl, d2 ... dn voneinander unterschiedlich. FIG. 2 shows an exemplary version of a marker structure as can be used in FIG. In the example in FIG. 2, the marker structure contains, for example, a plurality of n parallel and straight lines, which for example run parallel to a y-axis of the writing surface 1 and are arranged at respective distances d1, d2... Dn from one another. The distances d1, d2, dn can be identical, but can also be different. In various embodiments, all distances between all lines parallel to the y-axis dl, d2 ... dn are different from one another.
Die Markerstruktur weist zudem N parallele und gerade Linien auf, welche parallel zu einer x-Achse der Schreibfläche 1 an geordnet sind und insbesondere senkrecht auf den n Linien pa rallel zur y-Achse stehen. Abstände zwischen den N Linien pa rallel zur x-Achse sind mit Dl, D2 ... DN gekennzeichnet. Auch diese Abstände Dl, D2, DN können identisch oder unterschied lich, insbesondere alle unterschiedlich sein. The marker structure also has N parallel and straight lines, which are arranged parallel to an x-axis of the writing surface 1 and are in particular perpendicular to the n lines parallel to the y-axis. Distances between the N lines parallel to the x-axis are marked with D1, D2 ... DN. These distances D1, D2, DN can also be identical or different, in particular all different.
Die gezeigten Linien der Markerstruktur aus FIG 2 können bei spielsweise Laserlinien sein, die mittels des Projektors 11, auf die Schreibebene projiziert wurden. The lines of the marker structure shown in FIG. 2 can be, for example, laser lines that were projected onto the writing plane by means of the projector 11.
Jeweilige Linienbreiten der unterschiedlichen Linien können identisch oder verschieden voneinander sein. Beispielsweise können alle parallelen Linien identische Linienbreiten auf weisen, die beispielsweise von denen senkrecht dazu stehender Linien abweichen. In Aus führungs formen können sich die Li- nienbreiten für parallele Linien entlang deren Anordnung ent lang der x-Achse oder entlang der y-Achse verändern. The respective line widths of the different lines can be identical or different from one another. For example, all parallel lines can have identical line widths which, for example, differ from those of lines perpendicular thereto. In embodiments, the liabili Change the width of the lines for parallel lines along their arrangement along the x-axis or along the y-axis.
Durch die Verwendung unterschiedlicher Abstände dl, d2, dn beziehungsweise Dl, D2, DN und/oder durch die Verwendung un terschiedlicher Linienbreiten kann eine Ortscodierung erfol gen. Durch Beobachtung insbesondere der Schnittpunkte zwi schen den Linien parallel zur y- und zur x-Achse und je nach Position des Schreibpunktes relativ zu diesen Schnittpunkten kann insbesondere anhand der Ortscodierung festgestellt wer den, wo der Schreibpunkt 4 bezüglich eines oder mehrerer der Schnittpunkte positioniert ist. Entsprechend kann eine Posi tion des Schreibpunktes 4 ermittelt werden. Die Position des Schreibpunktes 4 kann beispielsweise als eine Position eines der Schnittpunkte der Linien aufgefasst werden, dem der By using different distances dl, d2, dn or Dl, D2, DN and / or by using different line widths, location coding can take place. By observing in particular the intersection points between the lines parallel to the y and x axes and depending on the position of the writing point relative to these intersection points, it is possible, in particular, using the location coding to determine where the writing point 4 is positioned with respect to one or more of the intersection points. A position of the writing point 4 can be determined accordingly. The position of the writing point 4 can be understood, for example, as a position of one of the intersection points of the lines to which the
Schreibpunkt 4 am nächsten liegt. Aber auch alternative Zu ordnungen sind möglich. Is closest to writing point 4. But alternative assignments are also possible.
Wenn beispielsweise eine Ausrichtung des Detektors 5 nicht mit einer Linienrichtung der Linien übereinstimmt, kann über eine laterale Verschiebung der Linien in der Markerstruktur auch ein Koordinatenwert zwischen Schnittpunkten der Linien mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Dabei ist es vorteil haft, wenn mindestens zwei Linien im Sichtfeld des Detektors 5 sind. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Linie der Markerstruktur zusammen mit der Information zum aktuellen Schreibpunkt 4 beziehungsweise einer Einstellung der Abtast einheit 2 verrechnet werden, sodass auch aus einer schrägen Linie über den Schnittpunkt auf zwei ausgezeichneten Achsen beziehungsweise Pixellinien im Detektor 5 mit der Verschie bung der Schnittpunkte der Linien eine aktuelle Position des Sichtfeldes des Detektors 5 überprüft und gegebenenfalls auch codiert werden kann. If, for example, an alignment of the detector 5 does not match a line direction of the lines, a coordinate value between intersection points of the lines can also be determined with high accuracy via a lateral displacement of the lines in the marker structure. It is advantageous if at least two lines are in the field of view of the detector 5. Alternatively or additionally, a line of the marker structure together with the information on the current writing point 4 or a setting of the scanning unit 2 can be offset, so that an oblique line over the intersection on two marked axes or pixel lines in the detector 5 with the displacement of the Points of intersection of the lines a current position of the field of view of the detector 5 can be checked and possibly also coded.
Wegen möglicher laminarer Gasflüsse im Zusammenhang mit einem Austrag von Dämpfen aus dem Schreibbereich unmittelbar über der Schreibfläche, kann es zu Störungen der Linienprojektion und insbesondere zu lateralen Ablenkungen kommen. Diese late- ralen Ablenkungen können beispielsweise auch mit einem Sensor für mindestens eine Linie überwacht werden. Zur Detektion können sowohl pixelbasierte Detektoren wie Kameras oder Lini- enarrays oder auch integrierende Detektoren wie Position Sen- sing Devices für eine oder zwei Messrichtungen verwendet wer den . Because of possible laminar gas flows in connection with a discharge of vapors from the writing area directly above the writing surface, disturbances of the line projection and in particular lateral deflections can occur. This late- Real deflections can for example also be monitored with a sensor for at least one line. Both pixel-based detectors such as cameras or line arrays or also integrating detectors such as position sensing devices for one or two measuring directions can be used for detection.
Als Kamera kann beispielsweise, wie beispielsweise in FIG 1 dargestellt, eine Kamera beziehungsweise ein Detektor 5 ver wendet werden, die koaxial mit dem Schmelzstrahl 3 über das Schreibsystem, also über die Abtasteinheit 2 und die Fokus siereinheit 10, einen Bereich um den Schreibpunkt 4 erfassen kann. Der Beobachtungsstrahlengang wird dazu beispielsweise über den Strahlteiler 7 vom Schmelzstrahl 3 entkoppelt, vor zugsweise zwischen der Heizquelle 9 für den Schmelzstrahl 3 und der Abtasteinheit 2. As a camera, for example, as shown in FIG. 1, a camera or a detector 5 can be used which capture an area around the writing point 4 coaxially with the melt jet 3 via the writing system, i.e. via the scanning unit 2 and the focus unit 10 can. For this purpose, the observation beam path is decoupled from the melt beam 3, for example via the beam splitter 7, preferably between the heating source 9 for the melt beam 3 and the scanning unit 2.
Die Projektionseinheit 11 in FIG 1 steht lediglich beispiel haft für einen oder mehrere Projektoren, beispielsweise Lini enprojektoren. Im Beispiel der FIG 2 kann beispielsweise für jede Linie ein separater Linienprojektor verwendet werden, wie er beispielsweise in FIG 4 skizziert ist. The projection unit 11 in FIG. 1 is only an example of one or more projectors, for example line projectors. In the example in FIG. 2, for example, a separate line projector can be used for each line, as is sketched in FIG. 4, for example.
Alternativ oder zusätzlich können für mehrere der Linien Mul tiliniengeneratoren verwendet werden, wie sie bezüglich FIG 5 und FIG 6 erläutert werden. Alternatively or in addition, multi-line generators can be used for several of the lines, as explained with respect to FIG. 5 and FIG.
In FIG 3 ist eine alternative Variante einer Markerstruktur gezeigt, wie sie ebenfalls in einer Vorrichtung gemäß FIG 1 verwendet werden kann. Anstelle von parallelen Linien werden beispielsweise mehrere fächerförmig auseinanderlaufende FIG. 3 shows an alternative variant of a marker structure as it can also be used in a device according to FIG. For example, instead of parallel lines, several lines diverge in a fan shape
Strahlenbündel beziehungsweise Linienbündel auf die Schreib fläche projiziert. Im gezeigten Beispiel der FIG 3 werden ausgehend von drei Punkten A, B, C an jeweiligen Rändern der Schreibfläche jeweils Bündel von fächerförmig auseinanderlau fenden Linien ausgesandt. Die Positionen der Quellpunkte der Fächer A, B, C sind lediglich beispielhaft gewählt und können beispielsweise derart verteilt werden, dass eine möglichst homogene Ortsauflösung auf der Schreibfläche erzeugt wird. Insbesondere müssen die entsprechenden Liniengeneratoren nicht in Ecken oder sonstigen ausgezeichneten Positionen der Schreibfläche angeordnet sein. Beams or line bundles projected onto the writing surface. In the example shown in FIG. 3, starting from three points A, B, C at respective edges of the writing surface, bundles of lines diverging in a fan shape are sent out. The positions of the source points of the compartments A, B, C are only chosen as examples and can be distributed, for example, in such a way that one as possible homogeneous spatial resolution is generated on the writing surface. In particular, the corresponding line generators do not have to be arranged in corners or other prominent positions on the writing surface.
Für eine Markerstruktur wie in FIG 3 können beispielsweise drei Multiliniengeneratoren eingesetzt werden, wie sie in FIG 5 oder FIG 6 dargestellt sind. In einem solchen Fall kann an jedem der Punkte A, B, C jeweils ein Multiliniengenerator an geordnet sein, von denen jeweils ein fächerförmig auseinan derlaufendes Strahlenbündel ausgeht. For a marker structure as in FIG. 3, for example, three multiline generators can be used, as are shown in FIG. 5 or FIG. In such a case, a multiline generator can be arranged at each of the points A, B, C, from each of which a fan-shaped divergent beam emanates.
Durch eine solche Anordnung von Liniengeneratoren und die re sultierende Markerstruktur schneiden sich Linien unterschied licher Ausgangspunkte A, B, C mit definierten Winkeln. An stelle der Ortscodierung, wie sie bezüglich FIG 2 im Hinblick auf unterschiedliche Abstände der Linien und/oder unter schiedliche Linienbreiten der Linien erläutert wurde, kann mit einer Markerstruktur wie in FIG 3 eine Ortscodierung über eine Winkelcodierung an den Schnittpunkten vorgenommen wer den. Selbstverständlich kann die Winkelcodierung auch mit ei ner Ortscodierung über eine Abstandsfolge oder Linienbreiten oder beides der Linien kombiniert werden. Such an arrangement of line generators and the resulting marker structure intersect lines of different starting points A, B, C with defined angles. Instead of the location coding, as explained with regard to FIG. 2 with regard to different distances between the lines and / or different line widths of the lines, location coding can be carried out with a marker structure as in FIG. 3 via angle coding at the intersection points. Of course, the angle coding can also be combined with a spatial coding using a spacing sequence or line widths or both of the lines.
In verschiedenen Ausführungsformen können verschiedene der Liniengeneratoren an den Orten A, B, C Laserlinien mit unter schiedlichen Wellenlängen aussenden, sodass Linien, welche von A ausgehen, beispielsweise eine andere Wellenlänge auf weisen als solche, die von B und/oder von C ausgehen. In various embodiments, different ones of the line generators at locations A, B, C can emit laser lines with different wavelengths, so that lines emanating from A have a different wavelength than those emanating from B and / or C, for example.
Insbesondere können Laserquellen mit unterschiedlichen Farben verwendet werden. Damit werden die Linien unterschiedlicher Quellen visuell unterscheidbar. Es ist damit möglich, eine Farbcodierung der Quelleorte A, B, C vorzusehen. In particular, laser sources with different colors can be used. This makes the lines of different sources visually distinguishable. It is thus possible to provide color coding for the source locations A, B, C.
Alternativ oder zusätzlich können die Liniengeneratoren an den Punkten A, B, C die jeweiligen Linien zeitlich versetzt zueinander, also gemäß einem zeitlichen Multiplexen, erzeugt werden. In solchen Ausführungsformen ist dann eine zeitliche Codierung der Punkte auf der Schreibfläche möglich. Alternatively or additionally, the line generators at points A, B, C can generate the respective lines offset in time with respect to one another, that is to say according to time multiplexing become. In such embodiments, a time coding of the points on the writing surface is then possible.
In weiteren Ausführungsformen kann auch Projektionslicht der Projektionseinheit 11 beispielsweise über einen weiteren Strahlteiler in den Strahlengang des Schmelzstrahls 3 einge koppelt werden, sodass der Schmelzstrahl 3 mit dem Projekti onsstrahl gekoppelt beziehungsweise synchron abgelenkt wird. Dadurch sind Markerstrukturen möglich, die immer um einen Schreibpunkt 4 des Schmelzstrahls 3 herum beziehungsweise um den Schmelzstrahl 3 herum angeordnet sind. In further embodiments, projection light from the projection unit 11 can also be coupled into the beam path of the melt beam 3, for example via a further beam splitter, so that the melt beam 3 is coupled or deflected synchronously with the projection beam. This enables marker structures which are always arranged around a writing point 4 of the melt jet 3 or around the melt jet 3.
Man kann also gewissermaßen neben dem Schmelzstrahl 3 ein Muster, das aus Punkten, Linienstücken, Kreisen, Ellipsen und/oder anderen Geometrieelementen bestehen kann, auf die Schreibfläche 1 projizieren. Das zu projizierende Muster kann, wie beschrieben, durch Einkopplung in den Strahlengang des Schmelzstrahls 3 dem Schmelzstrahl 3 überlagert werden. In addition to the melt jet 3, a pattern, which can consist of points, line pieces, circles, ellipses and / or other geometric elements, can be projected onto the writing surface 1. As described, the pattern to be projected can be superimposed on the melt beam 3 by coupling into the beam path of the melt beam 3.
Mit Vorteil haben Schmelzstrahl 3 und Muster beziehungsweise Markerstruktur unterschiedliche Wellenlängen. Dies führt zu einer sehr verlustarmen Übertragung beispielsweise mittels dichroitischer Strahlteiler . Auch kann die Kamera beziehungs weise der Detektor 5 vor der sehr viel höheren Intensität des Schmelzstrahls 3 beispielsweise durch Abschwächfilter zumin dest so weit geschützt werden, dass der Schmelzstrahl 3 und die Markerstruktur gemeinsam detektierbar und messbar sind. Wellenlängen für die Markerstruktur können beispielsweise derart gewählt werden, dass auch Einflüsse von Dämpfen, die von der Schreibfläche ausgehen, auf Absorption oder Strahl ablenkung oder mögliche thermische Effekte, weitgehend mini miert werden. Advantageously, the melt jet 3 and the pattern or marker structure have different wavelengths. This leads to very low-loss transmission, for example by means of dichroic beam splitters. The camera or the detector 5 can also be protected from the much higher intensity of the melt beam 3, for example by attenuating filters, at least to the extent that the melt beam 3 and the marker structure can be detected and measured together. Wavelengths for the marker structure can be selected, for example, in such a way that the effects of vapors emanating from the writing surface on absorption or beam deflection or possible thermal effects are largely minimized.
Dazu kann es vorteilhaft sein, die Wellenlänge für die For this purpose it can be advantageous to select the wavelength for the
Markerstruktur in einem Bereich zu wählen, in dem zum einen der Detektor 5, beziehungsweise die Kamera, welche etwa als Übersichtskamera ausgeführt sein kann, empfindlich ist, als auch die Dispersion der Atmosphäre, insbesondere im Blaube- reich möglichst gering ist, insbesondere auch bei starker Er wärmung. Als Übersichtskamera kann beispielsweise eine ein zelne Kamera dienen oder eine Anordnung mehrerer Kameras, die dann beispielsweise unterschiedliche und insbesondere über lappende Bereiche der Schreibfläche 1 erfassen können. To choose marker structure in an area in which on the one hand the detector 5, or the camera, which can be designed as an overview camera, is sensitive, as well as the dispersion of the atmosphere, especially in the blue sky rich is as low as possible, especially when it is very warm. A single camera or an arrangement of several cameras, which can then for example capture different and in particular overlapping areas of the writing surface 1, can serve as an overview camera.
Die Vorgehensweise für die Übersichtskamera wird am Beispiel einer Kamera dargestellt, kann aber auch auf mehrere Kameras unmittelbar funktions- und sinngemäß übertragen werden. Um den Schmelzstrahl 3 beziehungsweise, im Fall von mehreren Schmelzstrahlen, um jeden der Schmelzstrahlen kann dann die Markerstruktur auf die Schreibfläche 1 abgebildet werden. Bei der Abbildung wird die Markerstruktur bei schräger Einfalls richtung des jeweiligen Schmelzstrahls 3 entsprechend der Neigung des Strahls 3 und aufgrund der Verzeichnung der Fo kussiereinheit, beispielsweise der F-Theta-Linse, verzeichnet abgebildet. Nimmt man als Markerstruktur beispielsweise einen Kreis an, in dessen Mitte der Schmelzstrahl 3 angeordnet ist, so wird im Allgemeinen aus dem Kreis eine Ellipse. Da die Markerstruktur aber deutlich größer sein kann als eine Aus dehnung des Schmelzstrahls 3 oder Schreibpunkts 4, kann sie von dem Detektor 5 mit mehr Pixeln erfasst werden und so über mindestens einen Fit einer entsprechenden verzerrten Abbil dung der Markerstruktur, auch schrägaffine Abbildung genannt, eine Mittelpunktslage der Markerstruktur und damit des The procedure for the overview camera is shown using the example of a camera, but it can also be directly functionally and analogously transferred to several cameras. The marker structure can then be imaged on the writing surface 1 around the melt stream 3 or, in the case of several melt streams, around each of the melt streams. In the illustration, the marker structure is mapped in an oblique direction of incidence of the respective melt beam 3 according to the inclination of the beam 3 and due to the distortion of the focus unit, for example the F-theta lens. If, for example, a circle is assumed as the marker structure, in the center of which the melt jet 3 is arranged, the circle generally becomes an ellipse. However, since the marker structure can be significantly larger than an extension of the melt beam 3 or writing point 4, it can be detected by the detector 5 with more pixels and thus a corresponding distorted image of the marker structure, also known as an oblique image, is a fit Center position of the marker structure and thus of the
Schmelzstrahls 3 mit hoher Präzision bestimmt werden. Melt jet 3 can be determined with high precision.
Zur Steigerung der Präzision des Fits und zur Vermeidung von Störeinflüssen durch den Schreibprozess kann es vorteilhaft sein, nur den Teil des Abbilds auszuwerten, der auf einer der Kamera zugeordneten Seite des Schmelzstrahls 3 liegt. Kommen mehrere Kameras zum Einsatz, welche die Markerstruktur erfas sen, so wird die Markerstruktur dann aus unterschiedlichen Perspektiven erfasst und so auch unterschiedliche Teilberei che der Markerstruktur ausgewertet. Messergebnisse der mehre ren Kameras können dann beispielsweise in ein gemeinsames Messergebnis überführt werden. Dabei können auch Gewichtungs faktoren berücksichtigt werden, beispielsweise eine Güte („Quality of Sensing") des jeweiligen Messergebnisses einer Kamera berücksichtigt werden. To increase the precision of the fit and to avoid interference from the writing process, it can be advantageous to evaluate only that part of the image that lies on one side of the melt jet 3 assigned to the camera. If several cameras are used to record the marker structure, the marker structure is then recorded from different perspectives and thus different sub-areas of the marker structure are also evaluated. Measurement results from the several cameras can then be converted into a common measurement result, for example. Weighting factors can also be taken into account, for example a quality ("Quality of Sensing") of the respective measurement result of a camera are taken into account.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn ein Erfassungsbereich der Kamera oder der Kameras etwas größer ist als ein gesamter Fertigungsbereich der Vorrichtung, also als die gesamte Furthermore, it can be advantageous if a detection area of the camera or cameras is somewhat larger than an entire production area of the device, that is to say than the entire production area
Schreibfläche. So kann beispielsweise eine Referenzstruktur, insbesondere im Sinne eines Referenzrahmens, gegebenenfalls erweitert um Referenzmarken, die ein-, zwei- oder dreidimen sional ausgeführt sein können, vorgesehen sein, um eine ge meinsame und stabile Referenz für das Gesichtsfeld der jewei ligen Kamera beziehungsweise der Vielzahl an Kameras zu schaffen. Über die Referenzstruktur kann dann auch eine Ver schiebung und/oder Verkippung der jeweiligen Kamera erkannt und gegebenenfalls auch softwaretechnisch kompensiert werden. Writing surface. For example, a reference structure, in particular in the sense of a reference frame, possibly expanded to include reference marks that can be one-, two- or three-dimensional, can be provided to provide a common and stable reference for the field of view of the respective camera or the plurality to create cameras. A displacement and / or tilting of the respective camera can then also be detected via the reference structure and, if necessary, also compensated by software.
Sowohl bei der Verwendung von dem Schmelzstrahl 3 überlager ten Markerstrukturen als auch bei der Verwendung von direkt auf die Schreibfläche projizierten Linien oder Mustern kann es hilfreich sein, neben dem eigentlichen Werkstück auch Re ferenzelemente zu fertigen, insbesondere in Rand- oder Eckbe reichen der Schreibfläche 1, um unmittelbar in einer Ebene der Schreibfläche 1 auch für eine aktuelle Höhe der Struktur beziehungsweise des Werkstücks eine Referenz zu haben, die beispielsweise fortwährend vermessen werden kann. Both when using marker structures overlaying the melt jet 3 and when using lines or patterns projected directly onto the writing surface, it can be helpful to manufacture reference elements in addition to the actual workpiece, especially in the edge or corner areas of the writing surface 1 in order to have a reference directly in a plane of the writing surface 1 for a current height of the structure or the workpiece, which reference can be continuously measured, for example.
In FIG 4 ist ein beispielhafter Linienprojektor 11a gezeigt, der beispielsweise Teil der Projektionseinheit 11 aus FIG 1 sein kann. Der Linienprojektor 11a ist beispielsweise als La serlinienprojektor ausgebildet, dem beispielsweise eine Kol limatorlinse 13a vorgeschaltet wird, um den Laserstrahl ent sprechend einer erwünschten Linienform zu formen. FIG. 4 shows an exemplary line projector 11a, which can be part of the projection unit 11 from FIG. 1, for example. The line projector 11a is designed, for example, as a laser line projector, which is preceded by a collimator lens 13a, for example, in order to shape the laser beam in accordance with a desired line shape.
Der Linienprojektor 11a kann beispielsweise eine Halbleiter laserdiode zur Erzeugung des Laserstrahls für die Marker struktur beinhalten. Im oberen Teil der FIG 4 ist eine Draufsicht auf die Laserli nie beziehungsweise die Schreibfläche 1 gezeigt im unteren Teil der FIG 4 eine entsprechende Seitenansicht. Halbleiter laser können beispielsweise unterschiedliche Divergenzen in unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen aufweisen. Dies ist beispielsweise im oberen Teil von FIG 4 ersichtlich. In einer ersten Richtung b ist die Divergenz des Laserstrahls geringer als in einer zweiten, zur ersten Richtung senkrecht stehen den, Richtung a. The line projector 11a can, for example, contain a semiconductor laser diode for generating the laser beam for the marker structure. In the upper part of FIG 4 is a plan view of the Laserli never or the writing surface 1 shown in the lower part of FIG 4 is a corresponding side view. Semiconductor lasers can, for example, have different divergences in different directions of propagation. This can be seen, for example, in the upper part of FIG. In a first direction b, the divergence of the laser beam is less than in a second direction perpendicular to the first direction, direction a.
Schematisch ist in FIG 4 im oberen Teil auch eine jeweilige Querschnittsdarstellung der Laserlinie zu zwei unterschiedli chen Entfernungen XI, X2 von der Laserquelle, also von dem Generator 11a, dargestellt. Beim Punkt XI beträgt eine Aus dehnung in b-Richtung bl und eine Ausdehnung der Linie in a- Richtung al . Am Punkt X2, welcher von dem Linienprojektor 11a weiter entfernt ist als XI, ist die Ausdehnung in b-Richtung b2, welche beispielsweise ähnlich oder nahezu identisch zur Ausdehnung bl ist. Aufgrund der größeren Divergenz in a- Richtung ist eine Ausdehnung der Linie in a-Richtung a2 an Punkt x2 jedoch im Vergleich zu al erhöht. A respective cross-sectional view of the laser line at two different distances XI, X2 from the laser source, that is to say from the generator 11a, is also shown schematically in the upper part of FIG. At point XI, an expansion in the b direction is bl and an expansion of the line in a direction al. At point X2, which is further away from the line projector 11a than XI, there is the extension in the b direction b2, which is, for example, similar or almost identical to the extension bl. Due to the greater divergence in the a direction, however, an extension of the line in the a direction a2 at point x2 is increased compared to a1.
Aufgrund der unterschiedlichen Divergenzen kann es beispiels weise vorteilhaft sein, nur in eine Richtung, beispielsweise mittels einer rotationssymmetrischen Linse zu kollimieren, und die andere Richtung nicht zu kollimieren. Die Achse mit der verbleibenden höheren Divergenz kann dann für die Höhe der Linie verwendet werden. Due to the different divergences, it can be advantageous, for example, to collimate only in one direction, for example by means of a rotationally symmetrical lens, and not to collimate the other direction. The axis with the remaining higher divergence can then be used for the height of the line.
Bevorzugt kann die Laserlinie mit einer Linienrichtung senk recht zur Schreibfläche 1 beziehungsweise zum Pulverbett mit einer Strahlachse, die fast oder nahezu parallel über die Schreibfläche 1 verläuft, einfallen. Beispielsweise ist die Strahlachse geringfügig in Richtung auf die Schreibfläche ge kippt, um sicherzustellen, dass möglichst an jedem Ort der Schreibebene oder Schreibfläche die Linie gut erkennbar ist. Dies ist im unteren Teil von FIG 4 dargestellt. Da die Schreibfläche 1 beispielsweise eine lineare Ausdehnung im Bereich von einigen 10 mm bis 100 mm aufweisen kann, kann es vorteilhaft sein, den über die Linienhöhe variierenden Auftreffort auf die Schreibfläche 1 in der Linienerzeugung vorzuhalten. Beispielsweise kann dazu eine Powell-Linse über die Höhe eine unterschiedliche Brennweite erhalten. Auch dif- fraktive optische Elemente, DOE, können entsprechend ange passt werden und eingesetzt werden, indem beispielsweise über eine Richtung des DOE, in die sich die Linie ausdehnt, auch Strukturen mit zunehmendem Fokusabstand größer werden. Alter nativ können auch rein kollimierte Strahlen verwendet werden, wenn die Kollimation zumindest in Richtung der Linienbreite gut genug ist, dass die projizierte Linie hinreichend scharf abgebildet wird. The laser line can preferably be incident with a line direction perpendicular to the writing surface 1 or to the powder bed with a beam axis that runs almost or almost parallel over the writing surface 1. For example, the beam axis is tilted slightly in the direction of the writing surface in order to ensure that the line is easily recognizable at every location on the writing surface or writing surface. This is shown in the lower part of FIG. Since the writing surface 1 can, for example, have a linear extent in the range of a few 10 mm to 100 mm, it can be advantageous to keep the point of impact on the writing surface 1 in the line generation that varies over the line height. For example, a Powell lens can have a different focal length over its height. Diffractive optical elements, DOE, can also be appropriately adapted and used, for example, in that over a direction of the DOE in which the line extends, structures also become larger with increasing focus distance. Alternatively, purely collimated beams can also be used if the collimation is good enough, at least in the direction of the line width, that the projected line is mapped sufficiently sharp.
Insbesondere für die Erzeugung von Markerstrukturen wie in FIG 3 können auch mehrere Linien- oder Fächerprojektoren ver wendet werden. Dies ist in den FIG 5 und 6 schematisch darge stellt. In FIG 5 ist ein weiterer Linienprojektor 11b gezeigt mit einer optionalen vorgeschalteten Kollimatorlinse 13b. Der Linienprojektor 11b befindet sich hinter einem DOE oder einem optischen Gitter 14. Entsprechend führt das Gitter oder DOE 14 zu einer Beugung der Laserstrahlen und dementsprechend zu einer Auffächerung der Laserlinien. In particular, for the generation of marker structures as in FIG. 3, several line or fan-type projectors can also be used. This is shown schematically in FIGS. 5 and 6. FIG. 5 shows a further line projector 11b with an optional upstream collimator lens 13b. The line projector 11b is located behind a DOE or an optical grating 14. Correspondingly, the grating or DOE 14 leads to a diffraction of the laser beams and, accordingly, to a fanning out of the laser lines.
In FIG 6 ist eine weitere Variante einer Projektionseinheit beziehungsweise eines Linienprojektors 11c gezeigt, dem eine optionale Kollimatorlinse 13c vorgeschaltet ist sowie ein DOE 15. Des Weiteren ist ein Strahlteiler 16 vorgesehen. Von dem DOE aufgefächerte Strahlen werden beispielsweise durch den Strahlteiler 16 weiter aufgeteilt, sodass die Anzahl der re sultierenden Linien weiter erhöht wird. FIG. 6 shows a further variant of a projection unit or a line projector 11c, which is preceded by an optional collimator lens 13c and a DOE 15. Furthermore, a beam splitter 16 is provided. Beams fanned out by the DOE are divided further, for example by the beam splitter 16, so that the number of resulting lines is further increased.
Die Abbildungen der FIG 5 und FIG 6 dienen lediglich der Er läuterung, dass aus einer Zahl einfallender Strahlen eine größere Zahl austretender Strahlen insbesondere mit einer größeren Zahl an Strahlrichtungen erzeugt wird. Der Strahlteiler 16 kann beispielsweise dielektrisch, dop- peltbrechend, polarisierend und/oder diffraktiv ausgeführt sein . The illustrations in FIG. 5 and FIG. 6 serve only to explain that a larger number of exiting beams, in particular with a larger number of beam directions, is generated from a number of incident beams. The beam splitter 16 can, for example, be dielectric, birefringent, polarizing and / or diffractive.
Es können auch mehrere Wellenlängen oder Laserquellen überla gert werden, um mit einem DOE mehr unterschiedliche Strahl richtungen zu erzeugen. It is also possible to superimpose several wavelengths or laser sources in order to generate more different beam directions with one DOE.
Gemäß einem Verfahren und einer Vorrichtung nach dem verbes serten Konzept können Abbildungsfehler bei der Strahlablen kung durch die Abtasteinheit, insbesondere durch die Fokus siereinheit oder die F-Theta-Linse, wirksam und in Echtzeit während der Fertigung des Werkstücks erkannt und kompensiert werden. Im Gegensatz zu statischen Kalibrierungsmethoden kön nen dadurch Abweichungen und Veränderungen im System und in der Temperatur sowie sonstigen Umweltbedingungen berücksich tigt werden, die während der Fertigung auftreten. According to a method and a device according to the improved concept, imaging errors in the beam deflection by the scanning unit, in particular by the focusing unit or the F-theta lens, can be detected and compensated effectively and in real time during the production of the workpiece. In contrast to static calibration methods, deviations and changes in the system and in temperature as well as other environmental conditions that occur during production can be taken into account.
Gemäß dem verbesserten Konzept kann ein Verfahren für eine geometrische Referenzierung für additive Fertigungssysteme angegeben werden, das in der Lage ist, eine geometrische Re- ferenzierung des Schreibpunkts während des Schreibprozesses, also online, auszuführen und den Schreibpunkt exakt auf einen gewünschten Ort zu führen. According to the improved concept, a method for geometric referencing for additive manufacturing systems can be specified which is able to perform geometric referencing of the writing point during the writing process, ie online, and to guide the writing point exactly to a desired location.
Wenn die Vorrichtung zur additiven Fertigung mehr als einen Schmelzstrahl verwendet, so werden diese beispielsweise von unterschiedlichen Abtasteinheiten bereitgestellt. Jede der Abtasteinheiten wird in der gemäß dem verbesserten Konzept beschriebenen Art korrigiert. Bei Vorrichtungen mit zwei oder mehr Schmelzstrahlen beziehungsweise Abtasteinheiten kann nach dem verbesserten Konzept eine geometrische Referenzie- rung derart angegeben werden, dass die Schreibflächen oder Schreibbereiche der unterschiedlichen Schmelzstrahlen bezie hungsweise Abtasteinheiten ein gemeinsames Koordinatensystem aufweisen oder getrennte Koordinatensysteme, die jedoch frei von Versatz beziehungsweise Nahtstellen, Rotationsfehlern o- der Skalierungsfehlern aneinander anschließen können. Das verbesserte Konzept erlaubt eine Fertigung des Werkstücks mit Bezug auf ein Referenzkoordinatensystem, beispielsweise ein Maschinen- oder Werkstückkoordinatensystem. Störeinflüsse auf die dimensionelle Präzision des Fertigungsprozesses kön nen kompensiert werden. Es kann außerdem eine Echtzeitkorrek- tur von erkannten dimensionellen Abweichungen vorgenommen werden . Zur Auswertung der Detektorsignale und zur Kompensation derIf the device for additive manufacturing uses more than one melt jet, then these are provided, for example, by different scanning units. Each of the scanning units is corrected in the manner described in accordance with the improved concept. In the case of devices with two or more melting jets or scanning units, according to the improved concept, geometrical referencing can be specified in such a way that the writing surfaces or writing areas of the different melting jets or scanning units have a common coordinate system or separate coordinate systems which, however, are free of offset or seams Rotation errors or scaling errors can connect to one another. The improved concept allows the workpiece to be manufactured with reference to a reference coordinate system, for example a machine or workpiece coordinate system. Disruptive influences on the dimensional precision of the manufacturing process can be compensated. A real-time correction of detected dimensional deviations can also be carried out. To evaluate the detector signals and to compensate for the
Fehler durch entsprechende Ansteuerung der Abtasteinheit kann die Steuereinheit beispielsweise eine geometrische Korrektur einheit zur Kompensation erkannter geometrischer Abweichungen für einen aktuellen Fertigungsauftrag beinhalten. Dabei kann beispielsweise eine Schnittstelle zur Fertigungsmaschine zur Korrektur der Maschinenbewegungen für den Fertigungsauftrag beziehungsweise zur Übergabe neuer Koordinatenwerte für den Fertigungsauftrag vorgesehen sein. Errors caused by appropriate activation of the scanning unit, the control unit can contain, for example, a geometrical correction unit to compensate for detected geometrical deviations for a current production order. For example, an interface to the production machine can be provided for correcting the machine movements for the production order or for transferring new coordinate values for the production order.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zur additiven Fertigung eines Werkstücks, wobei ein Schmelzstrahl (3) auf einen Schreibpunkt (4) auf einer Schreibfläche (1) gelenkt wird; 1. A method for additive manufacturing of a workpiece, wherein a melt jet (3) is directed onto a writing point (4) on a writing surface (1);
wobei in which
- eine Markerstruktur auf die Schreibfläche (1) projiziert wird; - A marker structure is projected onto the writing surface (1);
- wenigstens ein Teilbereich der Schreibfläche (1), auf den wenigstens ein Teil der Markerstruktur projiziert wurde, auf einen optischen Detektor (5) abgebildet wird; - at least a partial area of the writing surface (1), onto which at least a part of the marker structure was projected, is imaged onto an optical detector (5);
- anhand des Abbilds wenigstens ein Detektorsignal erzeugt wird; - at least one detector signal is generated based on the image;
- basierend auf dem wenigstens einen Detektorsignal eine Po sition des Schreibpunktes (4) bestimmt wird; - A position of the writing point (4) is determined based on the at least one detector signal;
- die Fertigung des Werkstücks unter Berücksichtigung der Po sition des Schreibpunktes (4) fortgeführt wird; - The production of the workpiece is continued, taking into account the position of the writing point (4);
- die Markerstruktur eine erste und eine zweite Gruppe von Linien enthält; the marker structure contains a first and a second group of lines;
- jede Linie der ersten Gruppe mindestens eine der Linien der zweiten Gruppe schneidet; und - each line of the first group intersects at least one of the lines of the second group; and
- die Position des Schreibpunktes (4) mittels einer Ortsko dierung bestimmt wird, die auf wenigstens einer geometrischen Eigenschaft der Linien der beiden Gruppen basiert. - The position of the writing point (4) is determined by means of a Ortsko dation based on at least one geometric property of the lines of the two groups.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Position des Schreib punktes (4) mit einer Sollposition verglichen wird und die Fertigung des Werkstücks abhängig von einem Ergebnis des Ver gleichs fortgeführt wird. 2. The method according to claim 1, wherein the position of the writing point (4) is compared with a target position and the production of the workpiece is continued depending on a result of the comparison.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Li nien der ersten Gruppe mit Licht einer ersten Wellenlänge er zeugt werden und die Linien der zweiten Gruppe mit Licht ei ner zweiten, von der ersten Wellenlänge verschiedenen, Wel lenlänge erzeugt werden. 3. The method according to any one of claims 1 or 2, wherein the lines of the first group with light of a first wavelength he testifies and the lines of the second group with light ei ner second, different from the first wavelength, wavelengths are generated.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Li nien der ersten Gruppe zeitlich abwechselnd mit den Linien der zweiten Gruppe erzeugt werden. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the lines of the first group are generated alternately with the lines of the second group.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei 5. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein
- ein Bereich auf den Detektor (5) abgebildet wird, der die gesamte Schreibfläche (1) beinhaltet und in dem zusätzlich wenigstens eine Referenzstruktur angeordnet ist; und - A region is imaged on the detector (5) which contains the entire writing surface (1) and in which at least one reference structure is additionally arranged; and
- der Bereich anhand der Referenzstruktur angepasst wird oder eine Position und/oder Ausrichtung des Detektors (5) anhand der Referenzstruktur kalibriert wird. - the area is adapted using the reference structure or a position and / or alignment of the detector (5) is calibrated using the reference structure.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei 6. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein
- zur Projektion der Markerstruktur auf die Schreibfläche (5) ein Projektionsstrahl in einen Strahlengang des Schmelz strahls (3) eingekoppelt wird; und - To project the marker structure onto the writing surface (5), a projection beam is coupled into a beam path of the melt beam (3); and
- während der Fertigung der Schmelzstrahl (3) und der Projek tionsstrahl synchron bewegt werden. - During the production of the melt beam (3) and the projection beam are moved synchronously.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine geometrische Kenn größe der Markerstruktur bestimmt wird und die Position des Schreibpunktes (4) basierend auf der geometrischen Kenngröße bestimmt wird. 7. The method according to claim 6, wherein a geometric parameter of the marker structure is determined and the position of the writing point (4) is determined based on the geometric parameter.
8. Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Werkstücks, die Vorrichtung aufweisend eine Abtasteinheit (2), die dazu ein gerichtet ist, einen Schmelzstrahl (3) auf einen Schreibpunkt (4) auf einer Schreibfläche (1) zu lenken, einen optischen Detektor (5), eine Steuereinheit (6) und eine Abbildungsein heit, wobei 8. Device for additive manufacturing of a workpiece, the device having a scanning unit (2), which is directed to a melt beam (3) on a writing point (4) on a writing surface (1), an optical detector (5) , a control unit (6) and an imaging unit, wherein
- die Vorrichtung eine Projektionseinheit (11) aufweist, die dazu eingerichtet und angeordnet ist, eine Markerstruktur auf die Schreibfläche (1) zu projizieren; - The device has a projection unit (11) which is set up and arranged to project a marker structure onto the writing surface (1);
- die Markerstruktur eine erste und eine zweite Gruppe von Linien enthält; the marker structure contains a first and a second group of lines;
- jede Linie der ersten Gruppe mindestens eine der Linien der zweiten Gruppe schneidet; - die Abbildungseinheit dazu eingerichtet ist, wenigstens ei nen Teilbereich der Schreibfläche (1), auf den wenigstens ein Teil der Markerstruktur projiziert wurde, auf den optischen Detektor (5) abzubilden; - each line of the first group intersects at least one of the lines of the second group; - the imaging unit is set up to image at least one partial area of the writing surface (1) onto which at least part of the marker structure was projected onto the optical detector (5);
- der Detektor (5) dazu eingerichtet ist, abhängig von dem Abbild wenigstens ein Detektorsignal zu erzeugen; - The detector (5) is set up to generate at least one detector signal as a function of the image;
- die Steuereinheit (6) dazu eingerichtet ist, die Ablenkein heit (2) in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Detektor signal anzusteuern, wobei basierend auf dem wenigstens einen Detektorsignal eine Position des Schreibpunktes (4) bestimmt wird und die Position des Schreibpunktes (4) mittels einer Ortskodierung bestimmt wird, die auf wenigstens einer geomet rischen Eigenschaft der Linien der beiden Gruppen basiert. - The control unit (6) is set up to control the deflection unit (2) as a function of the at least one detector signal, with a position of the writing point (4) being determined based on the at least one detector signal and the position of the writing point (4) is determined by means of a spatial coding which is based on at least one geometric property of the lines of the two groups.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, 9. Apparatus according to claim 8,
- aufweisend einen Strahlteiler (7), der auf einer Eingangs seite der Abtasteinheit (2) in einem Strahlengang des - Having a beam splitter (7) on an input side of the scanning unit (2) in a beam path of the
Schmelzstrahls (3) angeordnet ist; Melt jet (3) is arranged;
- wobei die Projektionseinrichtung (11) eingerichtet und an geordnet ist, einen Projektionsstrahl zu erzeugen, der über den Strahlteiler (7) in den Strahlengang des Schmelzstrahls (3) eingekoppelt werden kann. - The projection device (11) being set up and arranged to generate a projection beam which can be coupled into the beam path of the melt beam (3) via the beam splitter (7).
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, aufweisend ein Kamerasystem, wobei wenigstens eine Kamera des Kamerasys tems, welche den Detektor (5) beinhaltet, zwischen der Ab tasteinheit (2) und der Schreibfläche (1) angeordnet ist. 10. Device according to one of claims 8 or 9, having a camera system, wherein at least one camera of the camera system, which includes the detector (5), is arranged between the scanning unit (2) and the writing surface (1).
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10 wobei we nigstens eine weitere Kamera des Kamerasystems angeordnet und eingerichtet ist, aus einem Strahlengang des Schmelzstrahls (3) ausgekoppeltes Licht zum Abbilden des Teilbereichs der Schreibfläche (1) auf den Detektor (5) zu erfassen. 11. Device according to one of claims 8 to 10, wherein we at least one further camera of the camera system is arranged and set up to detect light decoupled from a beam path of the melt beam (3) for imaging the portion of the writing surface (1) on the detector (5) .
12. Computerprogramm mit Befehlen, welche bei Ausführung des Computerprogramms durch ein Computersystem eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11 dazu veranlassen, ein Ver fahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen. 12. Computer program with instructions which, when the computer program is executed by a computer system, cause a device according to one of claims 8 to 11 to carry out a process according to one of claims 1 to 7.
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