WO2021228356A1 - Vorrichtung zur additiven herstellung eines werkstücks - Google Patents

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WO2021228356A1
WO2021228356A1 PCT/EP2020/063010 EP2020063010W WO2021228356A1 WO 2021228356 A1 WO2021228356 A1 WO 2021228356A1 EP 2020063010 W EP2020063010 W EP 2020063010W WO 2021228356 A1 WO2021228356 A1 WO 2021228356A1
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layer
line
workpiece
line camera
camera
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PCT/EP2020/063010
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Thomas Milde
Frank Widulle
Michael Totzeck
Christian PLATT
Johann Irnstetter
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Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh
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    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for additive manufacturing of a workpiece, with a manufacturing platform that is configured to hold a defined material layer made of a particulate material on the manufacturing platform, with a structuring tool that is configured to produce the defined material layer to selectively solidify the particulate material on the production platform in order to produce a defined workpiece layer, with an inspection sensor for inspecting the defined material layer and / or the defined workpiece layer, the inspection sensor being movable along a direction of movement relative to the production platform, and with an evaluation and Control unit with an interface for receiving a data record which defines the workpiece in a plurality of workpiece layers arranged on top of one another, the evaluation and control unit being set up to structure the tool depending on the Control data set in order to produce the plurality of successive workpiece layers from the particulate material.
  • Additive processes for the production of workpieces are sometimes referred to as 3D printing.
  • additive manufacturing processes In what is known as selective laser sintering (SLS) and selective laser melting (SLM), for example, a powder bed with a large number of (often metallic) powder particles is used. Selected powder particles in the powder bed are fused with the aid of a laser beam and a desired material structure is produced in layers from the powder bed.
  • SLS selective laser sintering
  • SLM selective laser melting
  • undesirable anomalies can occur in the manufacturing process that negatively affect the quality of the workpiece.
  • the anomalies can include, for example, pores, cracks, unmelted material, droplets forming, delamination and other things. For this reason, it is desirable to monitor the layer formation already in the manufacturing process and, if necessary, to take corrective action during the ongoing manufacturing process in order to minimize undesired anomalies and defects resulting therefrom.
  • metallic materials numerous reflections caused by the metallic powder particles can make inspection difficult. Another difficulty is the casting of shadows.
  • US Pat. No. 10,220,566 B2 mentioned at the beginning proposes, in one embodiment, arranging an optical measuring sensor on the so-called doctor blade.
  • the squeegee is a layer-forming tool that is used to create a defined material layer with the most homogeneous and smooth surface possible from the powdery material to create.
  • the doctor blade can have a knife-like edge with which the particulate material is distributed and smoothed on the production platform.
  • EP 1 815 936 B1 describes a method for the additive production of a workpiece with the aid of a first laser beam which selectively solidifies the particulate material on the production platform.
  • An inspection sensor uses a second laser beam to excite an ultrasonic wave pattern in the top layer of the workpiece.
  • the ultrasonic waves interact with the anomalies and generate interference patterns that can be determined on the basis of echo responses from the layer surface.
  • EP 1 815 936 B1 mentions very generally that the inspection sensor can be integrated into the layer-forming tool without, however, going into this in more detail.
  • an object of the present invention to provide a device for the additive production of workpieces, in which the quality of the material layers can be monitored in an efficient manner close to the process.
  • a device for the additive production of workpieces with an inspection sensor which can detect as many types of anomalies and defects as possible.
  • a device of the type mentioned wherein the inspection sensor has a line camera and a line light source, each extending transversely to the direction of movement, wherein the inspection sensor is further coupled to a position encoder that generates a position signal which represents a current position of the inspection sensor relative to the production platform, the evaluation and control unit being set up to use the line light source and the line camera as well as the position signal to generate a spatially resolved image of the defined material layer and / or of the workpiece layer to generate, and wherein the evaluation and control unit is set up to control the structuring tool further as a function of the spatially resolved image.
  • the new device uses a line camera and uses the movement of this line camera relative to the production platform to record a spatially resolved image of a defined material layer made of the particulate material and / or of a workpiece layer made therefrom.
  • the device can have a plurality of line cameras and / or a multi-line camera in order to record a plurality of spatially resolved images with a movement along the direction of movement.
  • the use of one or more line cameras makes it possible to mount the inspection sensor in a very space-saving manner and close to the process in the area of the production platform. Due to the movement relative to the production platform, large optics with a wide field of vision can advantageously be dispensed with.
  • such a line camera can be positioned at a short distance from the defined material layer and / or workpiece layer, which facilitates a “free view” of the inspection sensor on the layers mentioned.
  • the inspection sensor of the new device has at least one line light source which is set up to illuminate the defined material layer or workpiece layer in the recording area of the line camera.
  • the line camera and the line light source are arranged parallel to one another.
  • the integration of the line light source in the inspection sensor which can be moved relative to the production platform, facilitates shadow-free illumination of the defined material layer or workpiece layer during image recording. would take.
  • illumination of the defined material layer or workpiece layer from different directions can be achieved in a simple and inexpensive manner.
  • the heat input of the lighting into the defined material layer or workpiece layer can be minimized.
  • the line camera and line light source which are moved relative to the production platform, enable image recording with high image quality.
  • disturbing reflections and streaking due to process gases can be minimized due to the spatial proximity of the inspection sensor to the defined material layer or workpiece layer.
  • the integration of the line light source in the moving inspection sensor thus enables targeted and process-related lighting from different directions.
  • the inspection sensor of the new device can therefore be integrated into the working space of the structuring tool in a very inexpensive and compact manner for monitoring close to the process.
  • the new device preferably enables the defined material layer to be monitored even before the selective solidification and an inspection of the defined workpiece layer after the selective solidification with respectively adapted lighting. The above-mentioned tasks are therefore completely solved.
  • the device has a layer formation tool, in particular a doctor blade, which is set up to form the defined material layer from the particulate material on the production platform, the layer formation tool being movable relative to the production platform along the direction of movement, and wherein the inspection sensor is arranged on the film formation tool.
  • the inspection sensor can be arranged on a web or slide which can be moved relative to the production platform and is present in addition to the layer formation tool.
  • the preferred embodiment with an inspection sensor on the layer formation tool enables a particularly compact and inexpensive implementation.
  • arranging the inspection sensor on a separate web or slide facilitates process-related monitoring of the writing process with the structuring tool.
  • the melt pool can be monitored with the aid of the line camera, that is to say the respective locally melted area of the defined material layer.
  • the shape and / or dimensions of the melt pool can be measured with the aid of the inspection sensor.
  • the layer formation tool has a material outlet for discharging the particulate material and the inspection sensor has a first line camera and a second line camera, the first line camera being arranged in the direction of movement in front of the material outlet, and the second line camera in the Direction of movement is arranged after the material outlet.
  • the layer formation tool can contain a concurrent reservoir from which the particulate material is discharged through the material outlet onto the production platform or onto a previously produced workpiece layer.
  • the homogeneity of the defined material layer can be monitored close to the process before the selective solidification.
  • the defined material layer can be post-processed in a control loop with the aid of the layer formation tool if inhomogeneities in the material layer are detected with the aid of the line camera tracking in the direction of movement. For example, material accumulations or depressions in the defined material layer as a result of material defects or damage to the layer formation tool can be detected in a process-oriented manner.
  • a previously solidified workpiece layer can be inspected with the aid of the line camera moving forward in the direction of movement. This can advantageously take place at the same time as the particulate material is discharged for the next material layer.
  • the line light source has a plurality of light elements, wherein the evaluation and control unit is set up to the Selectively activate a plurality of light elements in order to produce an illumination of the defined material layer and / or workpiece layer from different directions.
  • the line camera is used to record a large number of images of the defined material layer and / or workpiece layer, the individual images each showing the material layer and / or workpiece layer with different lighting, for example from a different direction.
  • this embodiment enables angle-selective illumination of the material layer and / or workpiece layer for recording a multiplicity of angle-selectively illuminated images.
  • the embodiment enables a very advantageous correction of shadows and light reflections on the basis of the large number of images, as is described below for a preferred exemplary embodiment.
  • a spatial distribution of light reflections on the defined material layer can be determined very easily, which facilitates an inspection of the material layer with regard to the homogeneity of the particulate material.
  • the defined material layer and / or workpiece layer can be inspected deflectometrically with the aid of the angle-selective illumination.
  • the configuration therefore enables a large number of advantageous methods for inspecting the material layer and / or workpiece layer with a cost-effective implementation.
  • the inspection sensor has at least two line light sources, a first line light source of the at least two line light sources being arranged in front of the line camera in the direction of movement, and a second line light source of the at least two line light sources being arranged near the line camera in the direction of movement is.
  • This configuration makes it possible to illuminate the surface to be inspected of the material layer and / or workpiece layer from opposite directions based on the direction of movement of the inspection sensor. Accordingly, this configuration also enables the recording of a large number of images, each with a different illumination, and an evaluation of the images based thereon.
  • the line light source has a multiplicity of light elements with light colors that differ from one another.
  • the line light source in the direction of movement and / or across it have a series of red, green and blue LEDs and / or a series of light elements that alternately emit light in the visible spectral range or in the invisible infrared range (based on the respective dominant spectral color).
  • the line camera has a large number of camera elements (pixels), each of which is sensitive to one of the different spectral colors. The embodiment enables angle-selective illumination encoded using the spectral colors of the emitted light.
  • the angle-selectively illuminated images can therefore be recorded synchronously with one another, which enables the defined material layer and / or workpiece layer to be inspected very quickly.
  • infrared images and / or optical images of the defined material layer and / or workpiece layer can optionally be recorded, which enables flexible and process-related inspection of the material layer and / or workpiece layer.
  • the inspection sensor has a first line camera and a second line camera, the first line camera having a first optical axis that runs orthogonally to the defined material layer, and the second line camera has a second optical axis that is inclined runs to the defined material layer.
  • This refinement enables images to be recorded from different viewing directions onto the material layer and / or workpiece layer.
  • the images can be recorded from the different viewing directions at the same time.
  • the configuration helps to increase the information density and to enable a flexible, process-related inspection of the material layer and / or workpiece layer.
  • first optical axis and the second optical axis intersect at the defined workpiece layer.
  • the first line camera and the second line camera each take the same position during the movement of the inspection sensor. cut from the material layer and / or workpiece layer.
  • the configuration facilitates a correlation of the recorded images and enables a particularly detailed inspection of the material layer and / or workpiece layer.
  • the first line chamber is set up to generate a spatially resolved temperature image of the defined workpiece layer.
  • the first line scan camera can contain a bandpass filter which predominantly allows radiation in the near infrared range to pass (NIR bandpass filter).
  • the first line camera can contain an infrared line camera or a line arrangement of pyrometers.
  • the first line camera essentially detects temperature radiation. Accordingly, the spatially resolved image from the first line camera can be a temperature image that shows the weld pool and / or the workpiece layer after the selective solidification. Such an image enables a process-related correction, which advantageously takes place in a closed control loop.
  • the second line camera is a camera which essentially detects radiation in the visible spectral range.
  • the second line camera can therefore advantageously be used for an inspection of the defined material layer and / or workpiece layer according to the principle of deflectometry. For example, with the aid of the second line camera, local height variations on the surface of the defined material layer and / or workpiece layer can be detected efficiently and close to the process.
  • the evaluation and control unit is set up to correlate a first image that was captured with the first line camera and a second image that was captured with the second line camera.
  • the evaluation and control unit is set up to correlate contrast structures, ie structures that are shown on the basis of contrasts in the respective recorded images, with one another.
  • contrast structures in a spatially resolved image of the defined material layer with contrast structures in a spatially resolved image of the workpiece Layer can be correlated in order to follow the development of defects in the workpiece layer close to the process.
  • the line light source is aligned obliquely to the defined workpiece layer. In some exemplary embodiments, the line light source is aligned axially symmetrically to the second line camera, the axis of symmetry lying parallel and in particular coaxial with the optical axis of the first line camera.
  • the embodiment is particularly advantageous in order to inspect the material layer and / or workpiece layer deflectometrically and / or on the basis of reflections of the light from the line light source.
  • the line camera is a multi-line camera which has a plurality of adjacent camera elements in the direction of movement.
  • the embodiment enables a quick recording of several images and in particular a spatially resolved detection of transient signals in the defined material layer and / or workpiece layer, since each area of the layer surface is recorded several times in the course of the movement.
  • the configuration enables, for example, temperature images to be recorded on which the propagation of a thermal excitation can be recognized. Pores or other anomalies under the surface of the workpiece layer can thus be detected in an efficient manner.
  • the device has a pattern generator which is arranged above the production platform.
  • a pattern generator in the sense of this embodiment is a display or a projector that generates a defined light-dark pattern in such a way that it is visible on or above the surface of the material layer and / or workpiece layer.
  • the design enables a process-related inspection of a layer surface after Principle of deflectometry, especially according to the principle of phase-shifting deflectometry.
  • the pattern generator is set up to generate a variable light and dark pattern, such as a stripe pattern, which can be shifted relative to the layer surface to be inspected.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of the new device
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an exemplary embodiment for the inspection sensor of the device according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a further exemplary embodiment for the inspection sensor of the device according to FIG. 1,
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a further exemplary embodiment for the inspection sensor of the device according to FIG. 1,
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a further exemplary embodiment for the inspection sensor of the device according to FIG. 1,
  • FIG. 6 is a schematic representation of an exemplary arrangement of two
  • Line light sources and a multi-line camera for the inspection sensor of the device according to FIG. 1, and 7 shows a flow chart to explain the mode of operation of an exemplary embodiment of the new device
  • FIG. 8 shows a further flow diagram to explain the inspection of the material surface according to an exemplary embodiment of the new device.
  • an exemplary embodiment of the new device is designated in its entirety by the reference number 10.
  • the device 10 has a production platform 12 on which a workpiece 14 is produced additively.
  • the workpiece 14 is built up from a material stack in layers from bottom to top in successive steps.
  • the reference number 16 designates a currently uppermost workpiece contour or workpiece layer.
  • An uppermost material layer, from which the workpiece layer 16 is produced, is denoted by the reference number 18.
  • the production platform 12 is typically lowered in the direction of the arrow 26 by the height of the next material layer and the particulate material 20 is removed from a reservoir 28 and distributed on the existing layer stack 24 with the aid of the doctor blade 22.
  • the doctor blade can be moved in the direction of arrow 29 relative to production platform 12.
  • Other exemplary embodiments can include the application of a workpiece material without a doctor blade, for example a locally selective supply of a workpiece material 20 with a tool head (not shown here) that can be moved relative to the production platform 12.
  • a structuring tool is shown in a simplified manner.
  • the structuring tool 30 generates a laser beam 32 and moves it relative to the production platform 12 and the material layer 18 to be structured.
  • the material particles become selective with the laser beam 32 melted or completely melted so that they solidify as they cool.
  • the structuring tool 30 can generate an electron beam in order to structure a workpiece layer 16 on the manufacturing platform 12.
  • the structuring tool 30 could, as an alternative or in addition to the energy beam 30, apply a workpiece material locally selectively on the production platform 12 or the top workpiece layer 16, for example in the form of a material powder that is introduced into a melt pool.
  • the device 10 can contain more than one structuring tool 30, that is to say, for example, use two or more laser and / or electron beams to produce a workpiece layer.
  • the evaluation and control unit 34 has an interface 36, via which a data record 38 can be read, which defines the workpiece 14 to be produced in a plurality of workpiece layers arranged on top of one another.
  • the evaluation and control unit 34 accordingly controls the movement of the laser beam 32 as a function of the data record 38, the laser beam 32 describing a respective trajectory in each workpiece layer 16 to be produced, which results from the data record 38.
  • the evaluation and control unit 34 is implemented with the aid of commercially available personal computers on which a commercially available operating system, such as Microsoft Windows, OSX or Linux, and one or more control programs 40 are implemented.
  • the evaluation and control unit 34 can be implemented as a soft PLC on a commercially available PC.
  • the evaluation and control unit 34 can be implemented with the aid of dedicated control hardware in the form of a PLC and / or with the aid of one or more ASICs, FPGAs, microcontrollers, microprocessors or comparable logic circuits.
  • the evaluation and control unit 34 can be implemented with the aid of several controls and / or personal computers that are networked or communicate with one another in some other way, for example via a dual-ported RAM (not shown here).
  • the device 10 also has an inspection sensor 42 which is set up to inspect the surface of the layer stack 24.
  • the inspection sensor 42 here contains one or more line cameras 44 and one or more line light sources 46 (see FIGS. 2, 4, 5, 6), which are each connected to the evaluation and control unit 34.
  • the inspection sensor 42 is arranged here on the doctor blade 22.
  • the doctor blade 22 is coupled to a position encoder 48 here. With the aid of the position encoder 48, the evaluation and control unit 34 can determine an instantaneous position of the doctor blade 22 relative to the production platform 12.
  • the position encoder 48 accordingly generates a position signal which is representative of the respective instantaneous position of the inspection sensor 42 relative to the production platform 12 and thus also relative to the layer stack 24.
  • the evaluation and control unit 34 can record a spatially resolved image of the surface of the layer stack 24 with the aid of the line camera 44 and using the position signal from the position encoder 48. Accordingly, the evaluation and control unit 34 can record spatially resolved images of the respective uppermost material layer 18 and / or workpiece layer 16 with the aid of the line camera 44 and using the position signal.
  • the one or more line light sources extend transversely to the direction of movement 29.
  • the line light sources and line cameras extend over the entire width of the production platform. Due to the extension of the line light sources in the transverse direction and due to the movement relative to the layer stack 24, the evaluation and control unit 34 is able to illuminate the upper material layer 18 with the particulate material and / or the upper workpiece layer 16 from several different directions. Two directions of illumination are indicated here by way of example with the reference numerals 50a, 50b.
  • the one or more line cameras 44 can be set up to record a plurality of images of the surface of the layer stack 24 while the surface is illuminated from the different directions, that is to say angle-selectively. In addition to the arrangement shown in FIG.
  • the device 10 could also have a ring light with a plurality of individually and / or segment-wise controllable light sources and / or several light sources around the production platform 12 in order to illuminate the surface of the layer stack 24 from different directions to enable.
  • the device 10 can include a pattern generator 52 that can generate a light-dark pattern 54 over the layer stack 24.
  • the pattern generator can furthermore be configured to illuminate the surface of the layer stack 24 from different directions.
  • the pattern generator 52 can be a display, for example an LED, LCD or OLED display, with the aid of which the evaluation and control unit 34 can generate variable patterns 54.
  • the evaluation and control unit 34 can generate a stripe pattern 54 with the aid of the pattern generator 52, which is shifted in several steps relative to the surface of the layer stack 24 in order to inspect the material layer 18 and / or workpiece layer 16 according to the phase-shifting principle Allow deflectometry.
  • This method is known per se to those skilled in the art for inspecting reflective surfaces, for example from WO 2009/083248 A1, which is incorporated herein by reference with reference to the explanations on the principle of phase-shifting deflectometry.
  • Fig. 2 shows a preferred embodiment for an inspection sensor 42, which can be arranged on the doctor blade 22 or alternatively on a separate web (not shown here).
  • the same reference symbols denote the same elements as before.
  • the inspection sensor according to FIG. 2 has a first line camera 44a and a second line camera 44b, as well as a line light source 46, which are held stationary relative to one another on a suitable carrier 56.
  • the first line camera 44a has an optical axis 58a which is oriented essentially orthogonally to the surface 60 of the layer stack 24.
  • the optical axis 58a of the first line camera 44a thus also runs orthogonally to the respective uppermost material layer 18 and workpiece layer 16.
  • the first line camera 44a can contain optical elements 62a, such as lens and / or mirror elements.
  • the second line camera 44b has a second optical axis 58b, which is arranged here at an angle to the surface 60 of the layer stack 24.
  • the optical axes 58a, 58b intersect along a line which is indicated in FIG. 2 at the point 64 and which is on the surface 60 of the Layer stack 24 runs parallel to the longitudinal extension of line cameras 44a, 44b.
  • the line camera 44b also has optical elements 62b.
  • the line of intersection 64 of the optical axes 58a, 58b can lie at a defined distance from the focus line of the line cameras 44a, 44b, which is particularly advantageous if the surface 60 of the layer stack 24 is inspected deflectometrically.
  • the inspection sensor 42 according to FIG. 2 also has a line light source 46 which generates a line of light along the surface 60.
  • the line light source 46 can be a laser light source that generates a laser line on the surface 60.
  • the line of light extends over the line of intersection 64 of the optical axes 58a, 58b.
  • the line light source 46 and the second line camera 44b are arranged approximately axially symmetrically to the optical axis 58a of the first line camera 44a.
  • the second line camera 58b can be used here to inspect the defined material layer 18 and / or workpiece layer 16 on the basis of triangulation relationships between the line light source 46 and the line camera 44b.
  • the second line camera 58b preferably detects light from the visible spectral range.
  • the second line camera 58b can have a bandpass filter 66b, the pass frequency of which is in the visible spectral range.
  • multiple images of the defined material layer 18 and / or workpiece layer 16 can be recorded with the line cameras 44a and / or 44b in order to implement an inspection based on the phase-shifting deflectometry together with the pattern 54 from the pattern generator 52.
  • the first line camera 44a can be an infrared camera or a line array of pyrometers.
  • the first The first line camera 44a here shows temperature radiation from the surface 60.
  • the first line camera 44a can be used, for example, to monitor the shape and / or dimensions of the melt pool.
  • the first line camera 44a can be used to record transient temperature signals from the surface 60. With the aid of a spatially resolved temperature image, for example, an anomaly or a defect 68 in workpiece layers close to the surface can be detected.
  • the line light source 46 can generate light in the visible spectral range and in the infrared range, in particular in the near infrared range, in order to enable a thermal inspection using the first line camera 44a on the one hand and a visual / deflectometric inspection using the second line camera 44b on the other hand .
  • the line light source can therefore emit light from the spectral range between 350 nm and 3000 nm.
  • the device 10 has one or more multi-line cameras.
  • a multi-line camera in this sense is a line camera which has a large number of camera elements in the direction of movement 29.
  • 3 shows an example of such a multi-line camera 44, which is moved relative to the production platform 12 over the defined material layer 18 in the direction of the arrow 29.
  • the reference numeral 70 indicates a measurement area which is here in the direction of movement 29, for example, 10 camera elements / pixels long.
  • the multi-line camera 44 in this exemplary embodiment has ten camera elements in the direction of movement 29 and a large number of camera elements transversely thereto.
  • the line cameras 44a, 44b or a line camera 44 used extend across the entire production platform 12 transversely to the direction of movement 29.
  • a small area 74 in the direction of movement 29 can be illuminated with the aid of a line light source of the aforementioned type, while a larger measurement area 70 is recorded with the aid of the line camera 44 will.
  • transient signals in measurement area 70 as a result of thermal excitation in area 74 can be recorded.
  • a respective instantaneous position of the line camera 44 relative to the material surface 18 can be determined and thus a large number of spatially resolved images of the material surface can be recorded synchronously during a movement of the inspection sensor.
  • a respective scan image can be recorded with one row of camera elements 72, with the various scan images differing in each case by a different distance from the illumination in area 74.
  • the doctor blade 22 has a reservoir 76 for receiving the particulate material 20 and an outlet opening 78 for discharging the material 20.
  • the inspection sensor has a first sensor part 42a and a second sensor part 42b.
  • the sensor parts 42a, 42b can each contain one or more line cameras and one or more line light sources (not shown separately here).
  • the first sensor part 42a is arranged in the direction of movement 29 in front of the material outlet 78, while the second sensor part 42b is arranged in the direction of movement 29 after the material outlet 78.
  • the second sensor part 42b can advantageously be used here to inspect a freshly produced powder layer.
  • the first sensor part 42a can advantageously be used to inspect a workpiece layer 16 that was last produced before a new powder layer is discharged.
  • the inspection sensor 42 can have a line camera 44 which is combined with a first line light source 46a and a second line light source 46b.
  • the line camera 44 and the line light sources 46a, 46b each extend parallel to one another and preferably over the entire width of the production platform 12. In the direction of movement 29, a line light source 46b precedes the line camera 44, while another line light source 46a follows the line camera 44 .
  • the line light sources 46a, 46b here each have a light cone 80a, 80b which overlap in the area of the focus line 82 of the line camera 44.
  • one of The area of the material layer 18 recorded by the line camera 44 can optionally be illuminated with the line light source 46a and / or with the line light source 46b.
  • FIG. 6 shows an embodiment of the inspection sensor 42 according to FIG. 5 with a line camera 44, which is designed as a multi-line camera with a plurality of camera elements 72, the camera elements 72 of the multi-line camera 44 each being sensitive to one of several light colors.
  • the multi-line camera 44 can have camera elements 72 which are sensitive either to the light color green or to the light color red or to the light color blue.
  • the line camera 44 in this exemplary embodiment is a color line camera, with the individual camera elements being able to form a Bayer pattern.
  • the first line light source 46a and the second line light source 46b (cf. FIG. 5) can each have light elements 84 which each emit a dominant light color.
  • the line light sources 46a, 46b can thus contain light elements 84 which emit either red or green or blue light in a dominant manner.
  • the defined material layer 18 can be illuminated from different directions simultaneously, with the angle-selective illumination being able to be differentiated from one another on the basis of the light colors.
  • an inspection sensor according to FIGS. 5 and 6 with angle-selective illumination can be used in an arrangement according to FIG. 2 and / or FIG. 4.
  • the line camera 44 and / or the line light sources 46a, 46b according to FIGS. 5 and 6 can have camera elements 72 and / or light elements 84 which dominate or emit light in the infrared range. Accordingly, the variants shown here with reference to FIGS. 2 to 6 can be combined with one another in whole or in part. In the following, the function of the new device according to an embodiment is explained with reference to FIGS. 7 and 8.
  • a data record 38 is read into the evaluation and control unit 34, which data set defines the workpiece 14 in a plurality of workpiece layers 16 arranged one on top of the other.
  • a material layer 18 is produced on the layer stack 24.
  • the evaluation and control unit 34 can, for this purpose, remove particulate material 20 from the reservoir 28 with the aid of the doctor blade 22 and distribute it on the layer stack 24.
  • the distribution of the particulate material 20 should usually be uniform and as homogeneous as possible.
  • step 104 the surface of the new material layer 18 is inspected with the aid of the inspection sensor 42 in order to detect any inhomogeneities such as waves, piles, doctor blade structures or density variations in the particulate material. If the surface of the new material layer 18 meets all the desired criteria, the method branches according to step 106 to step 108, in which a new workpiece layer 16 is produced in the topmost material layer 18 with the aid of the structuring tool 30. If the surface of the new material layer 18 does not meet the desired criteria, the method branches according to loop 110 back to step 102 in order to rework the surface of the new material layer 18 or to create a completely new one. According to step 114, the workpiece layer 16 produced can be inspected. According to step 112, steps 102-114 are repeated until the workpiece 14 in accordance with the data record 38 is completed.
  • FIG. 8 shows an advantageous exemplary embodiment for method step 104 from FIG. 7.
  • the inspection sensor 42 is moved relative to the production platform 12 and the object surface of the material layer 18 is illuminated from several different directions, for example with the aid of the Line light sources 46a, 46b according to FIG. 6.
  • a plurality of images of the respectively illuminated object surface are recorded here with the aid of the multi-line camera 44 in a scanning manner.
  • the line camera 44 can have 3 or more lines with camera elements in the direction of movement.
  • I a first picture denoted by I and further k images are denoted by J k , the index k denoting the number of further images.
  • a maximum brightness value MH is determined over all pixel values of the recorded images in step 118.
  • the maximum brightness value MH can be used later when determining an aggregated reflex image and / or also when determining a shadow-corrected image and / or a reflex-corrected image of the object surface in order to define the pixel values in the images as relative brightnesses, for example between 0 and 1, to be able to look at.
  • step 118 can be omitted and the pixel values of the images can be used as absolute values.
  • a shadow-corrected image SC of the object surface is determined, while an aggregated reflection image RI is determined in steps 132 to 138 and, in addition, in step 140 a reflection-corrected image RC of the material layer 18 is determined.
  • Steps 120 to 130 and steps 132 to 140 are shown parallel to one another in FIG. 8 and can be carried out parallel to one another if the evaluation and control unit 34 enables corresponding parallel processing.
  • steps 120 to 130 and steps 132 to 140 can be carried out one after the other and it is also possible to determine only an aggregated reflection image according to steps 132-140 in order to then determine individual properties of the material layer 18.
  • a first indicator value US k and a second indicator value VS k are determined.
  • the indicator value US k can advantageously be determined as follows:
  • the indicator value US k is determined for all corresponding pixel pairs of the images I, J k , which are to be evaluated when determining the shadow-corrected image SC and has the value 1 if a observed pixel in an image J k is more than 10% brighter than the corresponding pixel in image I.
  • the percentage value relates to the maximum brightness value MH and it forms a threshold value which is a limit of a brightness value range is defined.
  • the threshold value of 10% assumed here is exemplary and can be selected to be smaller or larger in other exemplary embodiments.
  • the above formula realizes a continuous transition.
  • the indicator value US k signals with the value 1 when a pixel in an image J k is lighter than the corresponding pixel in the first image I, the threshold value of 10% ensuring that there is a "clear" difference in each case consists in the brightness between the observed image pixels.
  • the indicator value VS k 1 (0.1 ⁇ SBL-J k / MH) + 1 (0.1> BL-J k / MH) 1 (J k / MH BL) (1 + ((BL-0.1) - J k / MH) / 0.1), where BL (for Bright Limit) defines a further threshold value.
  • the indicator value VS k has the value 1 if the pixel under consideration in the image J k has a relative brightness value between at least 0 and a maximum value, which here is, for example, 10% of MH below the threshold value BL MH.
  • a continuous connection is advantageously implemented in the transition to the upper threshold value BL.
  • the indicator value VS k assumes the value 1 if the pixel value of a pixel under consideration in an image J k is between 0 and the upper threshold value defined by BL.
  • a combined indicator value WS k is calculated according to the following formula
  • WS K (US k -VS k ) 1/2 determined from the indicator values mentioned above.
  • the combined indicator value WS k prevents a viewed pixel in an image J k from being included in the further calculation. gen when it's too light or too dark.
  • the exponent V here represents a square root operation which has been shown to be advantageous for the inspection of a metal powder. In principle, however, the product can also be retained without further operation or raised to the power of other exponents p ⁇ 1.
  • exponents p> 1 are better. Depending on whether the exponent p> 1, a curve with values close to zero is smoothed, or with exponent p ⁇ 1 a curve with values close to 1 is smoothed. An exponent p> 0 is therefore possible in terms of the application. An exponent 0 ⁇ p ⁇ 1 is particularly advantageous.
  • a difference RS k is now formed for all the observed pixel pairs in the images I and J k , this difference being weighted with the combined indicator value WS k according to the following formula
  • the difference values RS k each form a correction vector for a pixel in the first image, which is weighted with the combined indicator value WS k.
  • the correction vectors RS k are averaged in order to determine a shadow-corrected image SC. For this reason, a factor Z is determined in step 126 according to the following formula:
  • the correction vectors are advantageously averaged here with the aid of the sum of the combined indicator values WS k .
  • a damping factor in the form of the maximum combined indicator value is advantageously determined over all combined indicator values WS k , ie
  • the function Gaussian filter (..., 1) denotes a Gaussian filter with a standard deviation that is assumed here to be 1, for example. In principle, the value for the standard deviation could be chosen differently.
  • a shadow-corrected image is determined by determining a difference between the pixel values in the first image I and corresponding pixel values in a weighted and filtered correction image.
  • the correction image results here from the Gauss-filtered sum of all correction vectors, the correction vectors in turn being weighted with the combined indicator value WS k.
  • Gaussian filtering another local smoothing filter could also be used.
  • the threshold value BL ensures that the reflections in the images I, J k do not add up in an undesired way when determining the shadow-corrected image SC.
  • the filtering in the final step 130 avoids or reduces artificial artifacts. By multiplying the summed correction vectors by the maximum of the combined indicator value, sudden changes in the summed correction are largely avoided.
  • UR k 1 (J k -l ⁇ 0) 1 (lJ k ⁇ MH 0.1) (lJ k ) /0.1/MH + 1 (lJ k > 0.1 MH).
  • a observed pixel in the images J k is included in the correction of the first image I if its brightness value is darker than the brightness value of the corresponding pixel in the first image I. Furthermore, in step 134 an indicator value VR k according to calculated using the following formula:
  • VR k 1 (J k /MH>DL+0.1) + 1 (J k / MH> DL) 1 (J k /MH ⁇ DL+0.1) (J k /MH-DL)/0.1.
  • the observed pixel in the images J k should have a minimum brightness that is set here by the threshold value DL (for dark limit).
  • a observed pixel in the images J k should lie in a second brightness value range which, according to step 134, is again defined with the aid of a combined indicator value WR k.
  • the combined indicator value WR k is calculated according to the following formula:
  • step 136 the corresponding pixel values in the first image I and in the other images J k for all k subtracted from one another and weighted with the combined k indicator value WR.
  • correction vectors RR k are calculated according to the following formula:
  • step 138 an aggregated reflex image is now calculated by determining the maximum of the correction vectors RR k over all k images:
  • RI max (RR k , k).
  • the aggregated reflex image is thus a replacement image calculated from the images I, J k , which essentially shows the reflexes on the surface of the material layer 18.
  • This reflected image shows the spatial distribution of the light reflections on the material surface and is therefore representative of the homogeneity of the distribution of the material particles.
  • a reflex-corrected image is advantageously calculated according to the following formula:
  • the reflex-corrected image is calculated by subtracting the pixel values of the aggregated reflex image from the pixel values of the first image I. Since the aggregated reflex image represents the reflexes on the surface, the light reflexes in the first image are largely eliminated by the subtraction.
  • reflection correction in contrast to shadow correction, the maximum effect is advantageously used here, since reflections are typically locally limited and in some cases also heavily overdriven.
  • a Gaussian filter can be used in the same way as in the case of the shadow correction.
  • step 142 individual properties of the material surface 18, such as height variations (for example due to squeegee structures, waves, material accumulations or other unevenness), individual particle sizes of the powder particles and / or the homogeneity of the distribution of the powder particles are determined. For example, it can be checked here whether the spatial distribution of the light reflexes in the aggregated reflex image fulfills a defined uniformity criterion and / or whether the material surface 18 in the reflex-corrected and / or shadow-corrected image fulfills a defined criterion with regard to smoothness or any height variations. If this is the case, a workpiece layer 16 is generated in accordance with step 108 (FIG. 7).
  • the inspection in particular the determination of an aggregated reflex image and / or a height map, can take place after the workpiece layer has been generated, which is indicated in FIG. 7 at reference number 114.
  • the workpiece can be reworked to correct any defects, or the partially finished workpiece is discarded if it has defects that cannot be expected to be corrected for economic and / or technical reasons .
  • an inspection of the workpiece layer 16 with the aid of phase-shifting deflectometry using the pattern generator 52 based on a simple deflectometric observation of the workpiece surface with an inspection sensor according to FIGS / or based on a thermographic analysis of the workpiece surface.

Abstract

Eine Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks (14) beinhaltet eine Fertigungsplattform (12), die dazu eingerichtet ist, eine definierte Materialschicht (18) aus einem partikelförmigen Material (20) zu halten. Die Vorrichtung beinhaltet ferner ein Strukturierungswerkzeug (30), um die definierte Materialschicht (18) auf der Fertigungsplattform (12) selektiv zu verfestigen, um eine definierte Werkstückschicht (16) herzustellen. Die Vorrichtung beinhaltet ferner einen Inspektionssensor (42) zum Inspizieren der definierten Materialschicht (18) und/oder der definierten Werkstückschicht (16). Der Inspektionssensor (42) ist entlang einer Bewegungsrichtung (29) bewegbar und beinhaltet eine Zeilenkamera und eine Zeilenlichtquelle, die sich jeweils quer zu der Bewegungsrichtung (29) erstrecken. Des Weiteren ist der Inspektionssensor mit einem Positionsencoder (48) gekoppelt. Eine Auswerte- und Steuereinheit (34) nimmt mit Hilfe der Zeilenkamera und des Positionsencoders ein ortsaufgelöstes Bild von der definierten Materialschicht (18) und/oder Werkstückschicht (16) auf und steuert das Strukturierungswerkzeug (30) in Abhängigkeit von dem ortsaufgelösten Bild.

Description

Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks, mit einer Fertigungsplattform, die dazu eingerichtet ist, eine definierte Materialschicht aus einem partikelförmigem Material auf der Fertigungsplattform zu halten, mit einem Strukturierungswerkzeug, das dazu eingerichtet ist, die definierte Materialschicht aus dem partikelförmigen Material auf der Fertigungsplattform selektiv zu verfestigen, um eine definierte Werkstückschicht herzustellen, mit einem Inspektionssensor zum Inspizieren der definierten Materialschicht und/oder der definierten Werkstückschicht, wobei der Inspektionssensor entlang einer Bewegungsrichtung relativ zu der Fertigungsplattform bewegbar ist, und mit einer Auswerte- und Steuereinheit mit einer Schnittstelle zum Empfangen eines Datensatzes, der das Werkstück in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten definiert, wobei die Auswerte- und Steuereinheit dazu eingerichtet ist, das Strukturierungswerkzeug in Abhängigkeit von dem Datensatz zu steuern, um die Vielzahl von aufeinanderfolgenden Werkstückschichten aus dem partikelförmigen Material herzustellen.
[0002] Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise in US 10,220,566 B2 beschrieben.
[0003] Additive Verfahren zur Herstellung von Werkstücken werden zum Teil als 3D-Druck bezeichnet. Es gibt verschiedene additive Herstellungsverfahren. Beim sogenannten selektiven Lasersintern (SLS) und selektiven Laserschmelzen (SLM) wird beispielsweise ein Pulverbett mit einer Vielzahl (häufig metallischer) Pulverpartikel verwendet. Ausgewählte Pulverpartikel in dem Pulverbett werden mit Hilfe eines Laserstrahls verschmolzen und eine gewünschte Werkstoffstruktur wird so schichtweise aus dem Pulverbett hergestellt.
[0004] In den einzelnen Werkstückschichten und zwischen den aufeinanderfolgenden Werkstückschichten können im Fertigungsprozess unerwünschte Anomalien auftreten, die die Qualität des Werkstücks negativ beeinflussen. Die Anomalien können z.B. Poren, Risse, ungeschmolzenes Material, Tropfen bi Id ung, Schichtablösungen und anderes beinhalten. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, die Schichtbildung bereits im Fertigungsprozess zu überwachen und ggf. im laufenden Fertigungsprozess korrigierend einzugreifen, um unerwünschte Anomalien und daraus resultierende Defekte zu minimieren. Insbesondere bei der Verwendung von metallischen Materialien können zahlreiche Reflexionen, die durch die metallische Pulverpartikel verursacht werden, eine Inspektion schwierig machen. Eine andere Schwierigkeit sind Schattenwürfe. Außerdem ist es schwierig, die Komponenten eines geeigneten Inspektionssensors in den engen Bauraum einer Fertigungsplattform zu integrieren.
[0005] Die eingangs genannte US 10,220,566 B2 schlägt in einem Ausführungsbeispiel vor, einen optischen Messsensor an dem sogenannten Rakel anzuordnen. Der Rakel ist ein Schichtbildungswerkzeug, das dazu dient, eine definierte Materialschicht mit einer möglichst homogenen und glatten Oberfläche aus dem pulverförmigen Material zu erzeugen. Der Rakel kann eine messerartige Kante aufweisen, mit der das partikelförmige Material auf der Fertigungsplattform verteilt und geglättet wird.
[0006] EP 1 815 936 B1 beschreibt ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks mit Hilfe eines ersten Laserstrahls, der das partikelförmige Material auf der Fertigungsplattform selektiv verfestigt. Ein Inspektionssensor regt mit Hilfe eines zweiten Laserstrahls ein Ultraschallwellenmuster in der jeweils oberen Werkstückschicht an. Die Ultraschallwellen interagieren mit den Anomalien und erzeugen Interferenzmuster, die anhand von Echoantworten von der Schichtoberfläche bestimmt werden können. Sehr allgemein erwähnt EP 1 815 936 B1 , dass der Inspektionssensor in das Schichtbildungswerkzeug integriert sein könne, ohne dies jedoch näher auszuführen.
[0007] Die Publikation "Review ofin-situ process monitoring and in-situ metrol- ogy formetal additive manufacturing" von Sarah K. Everton et al. in Materials and Design 95 (2016), Seiten 431 bis 445 gibt einen Überblick über Inspektionsverfahren für die additive Herstellung eines Werkstücks. Gemäß einem Vorschlag wird das sogenannte Schmelzbad, das ist der mit dem Laserstrahl aufgeschmolzene Materialbereich, mit einer Flächenkamera aufgenommen und es wird die über das Schmelzbad gemittelte Temperatur bestimmt. Die erhaltenen Daten können zur Überwachung des Herstellungsprozesses genutzt werden, aber sie liefern keine direkten Informationen zu qualitätsrelevanten Anomalien, die zum Teil erst nach Erstarren des Schmelzbads auftreten.
[0008] Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur additiven Herstellung von Werkstücken anzugeben, bei der die Qualität der Materialschichten prozessnah und auf effiziente Weise überwacht werden kann. Es ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur additiven Herstellung von Werkstücken mit einem Inspektionssensor anzugeben, der möglichst viele Arten von Anomalien und Defekten erkennen kann. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Inspektionssensor zur Erkennung von Anomalien und Defekten möglichst kostengünstig in eine Vorrichtung zur additiven Herstellung von Werkstücken zu integrieren. [0009] Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden diese Aufgaben durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, wobei der Inspektionssensor eine Zeilenkamera und eine Zeilenlichtquelle aufweist, die sich jeweils quer zu der Bewegungsrichtung erstrecken, wobei der Inspektionssensor ferner mit einem Positionsencoder gekoppelt ist, der ein Positionssignal erzeugt, welches eine Momentanposition des Inspektionssensors relativ zu der Fertigungsplattform repräsentiert, wobei die Auswerte- und Steuereinheit dazu eingerichtet ist, mit Hilfe der Zeilenlichtquelle und der Zeilenkamera sowie mit Hilfe des Positionssignals ein ortsaufgelöstes Bild von der definierten Materialschicht und/oder von der Werkstückschicht zu erzeugen, und wobei die Auswerte- und Steuereinheit dazu eingerichtet ist, das Strukturierungswerkzeug ferner in Abhängigkeit von dem ortsaufgelösten Bild zu steuern.
[0010] Die neue Vorrichtung verwendet somit eine Zeilenkamera und nutzt die Bewegung dieser Zeilenkamera relativ zu der Fertigungsplattform, um ein ortsaufgelöstes Bild von einer definierten Materialschicht aus dem partikelförmigen Material und/oder von einer daraus hergestellten Werkstückschicht aufzunehmen. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung mehrere Zeilenkameras und/oder eine Multizeilenkamera aufweisen, um mehrere ortsaufgelöste Bilder mit einer Bewegung entlang der Bewegungsrichtung aufzunehmen. Die Verwendung von einer oder mehreren Zeilenkameras macht es möglich, den Inspektionssensor sehr platzsparend und prozessnah im Bereich der Fertigungsplattform zu montieren. Aufgrund der Bewegung relativ zu der Fertigungsplattform kann auf eine großbauende Optik mit weitem Blickfeld vorteilhaft verzichtet werden. Des Weiteren kann eine solche Zeilenkamera in geringer Entfernung zu der definierten Materialschicht und/oder Werkstückschicht positioniert werden, was einen "freien Blick" des Inspektionssensors auf die genannten Schichten erleichtert.
[0011] Des Weiteren besitzt der Inspektionssensor der neuen Vorrichtung zumindest eine Zeilenlichtquelle, die dazu eingerichtet ist, die definierte Materialschicht oder Werkstückschicht im Aufnahmebereich der Zeilenkamera zu beleuchten. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die Zeilenkamera und die Zeilenlichtquelle parallel zueinander angeordnet. Die Integration der Zeilenlichtquelle in den relativ zu der Fertigungsplattform bewegbaren Inspektionssensor erleichtert eine abschattungsfreie Beleuchtung der definierten Materialschicht oder Werkstückschicht während der Bildauf- nähme. Außerdem kann mit der bewegten Zeilenlichtquelle auf einfache und kostengünstige Weise eine Beleuchtung der definierten Materialschicht oder Werkstückschicht aus verschiedenen Richtungen erreicht werden. Schließlich kann mit Hilfe einer Zeilenlichtquelle der Wärmeeintrag der Beleuchtung in die definierte Materialschicht oder Werkstückschicht minimiert werden.
[0012] Die relativ zu der Fertigungsplattform bewegte Zeilenkamera und Zeilenlichtquelle ermöglichen eine Bildaufnahme mit hoher Bildqualität. Insbesondere können störende Reflexionen und Schlierenbildungen infolge von Prozessgasen aufgrund der räumlichen Nähe des Inspektionssensors zu der definierten Materialschicht oder Werkstückschicht minimiert werden. Die Integration der Zeilenlichtquelle in den bewegten Inspektionssensor ermöglicht somit eine gezielte und prozessnahe Beleuchtung aus verschiedenen Richtungen.
[0013] Insgesamt kann der Inspektionssensor der neuen Vorrichtung daher recht kostengünstig und kompakt für eine prozessnahe Überwachung in den Arbeitsraum des Strukturierungswerkzeugs integriert werden. Bevorzugt ermöglicht die neue Vorrichtung eine Überwachung der definierten Materialschicht schon vor der selektiven Verfestigung und eine Inspektion der definierten Werkstückschicht nach der selektiven Verfestigung mit jeweils angepasster Beleuchtung. Die oben genannten Aufgaben sind daher vollständig gelöst.
[0014] In einer bevorzugten Ausgestaltung besitzt die Vorrichtung ein Schichtbildungswerkzeug, insbesondere einen Rakel, das dazu eingerichtet ist, die definierte Materialschicht aus dem partikelförmigen Material auf der Fertigungsplattform zu bilden, wobei das Schichtbildungswerkzeug relativ zu der Fertigungsplattform entlang der Bewegungsrichtung bewegbar ist, und wobei der Inspektionssensor an dem Schichtbildungswerkzeug angeordnet ist. In anderen Ausgestaltungen kann der Inspektionssensor an einem Steg oder Schlitten angeordnet sein, der relativ zu der Fertigungsplattform bewegbar Ist und zusätzlich zu dem Schichtbildungswerkzeug vorhanden Ist. [0015] Die bevorzugte Ausgestaltung mit einem Inspektionssensor an dem Schichtbildungswerkzeug ermöglicht eine besonders kompakte und kostengünstige Realisierung. Alternativ hierzu erleichtert eine Anordnung des Inspektionssensors an einem separaten Steg oder Schlitten eine prozessnahe Überwachung des Schreibprozesses mit dem Strukturierungswerkzeug. In einigen Ausführungsbeispielen kann das Schmelzbad mit Hilfe der Zeilenkamera überwacht werden, also der jeweils lokal aufgeschmolzene Bereich der definierten Materialschicht. Insbesondere kann die Form und/oder Dimension des Schmelzbades mit Hilfe des Inspektionssensors gemessen werden.
[0016] In einer weiteren Ausgestaltung weist das Schichtbildungswerkzeug einen Materialauslass zum Austragen des partikelförmigen Materials auf und der Inspektionssensor besitzt eine erste Zeilenkamera und eine zweite Zeilenkamera, wobei die erste Zeilenkamera in der Bewegungsrichtung vor dem Materialauslass angeordnet ist, und wobei die zweite Zeilenkamera in der Bewegungsrichtung nach dem Materialauslass angeordnet ist.
[0017] In einigen Ausführungsbeispielen dieser Ausgestaltung kann das Schichtbildungswerkzeug ein mitlaufendes Reservoir beinhalten, aus dem das partikelförmige Material durch den Materialauslass auf die Fertigungsplattform bzw. eine zuvor hergestellte Werkstückschicht ausgetragen wird. Mit Hilfe der zweiten Zeilenkamera kann die Homogenität der definierten Materialschicht vor der selektiven Verfestigung prozessnah überwacht werden. In einigen Ausführungsbeispielen kann die definierte Materialschicht mit Hilfe des Schichtbildungswerkzeugs in einer Regelschleife nachbearbeitet werden, wenn mit Hilfe der in der Bewegungsrichtung nachlaufenden Zeilenkamera Inhomogenitäten der Materialschicht erkannt werden. Beispielsweise können Materialanhäufungen oder Vertiefungen in der definierten Materialschicht infolge von Materialfehlern oder Beschädigungen am Schichtbildungswerkzeug prozessnah erkannt werden. Mit Hilfe der in der Bewegungsrichtung vorlaufenden Zeilenkamera kann hingegen eine zuvor verfestigte Werkstückschicht inspiziert werden. Vorteilhaft kann dies zeitgleich zum Austragen des partikelförmigen Materials für die nächstfolgende Materialschicht erfolgen.
[0018] In einer weiteren Ausgestaltung weist die Zeilenlichtquelle eine Vielzahl von Lichtelementen auf, wobei die Auswerte- und Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Vielzahl von Lichtelementen selektiv zu aktivieren, um eine Beleuchtung der definierten Materialschicht und/oder Werkstückschicht aus verschiedenen Richtungen zu erzeugen.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen dieser Ausgestaltung werden mit Hilfe der Zeilenkamera eine Vielzahl von Bildern von der definierten Materialschicht und/oder Werkstückschicht aufgenommen, wobei die einzelnen Bilder die Materialschicht und/oder Werkstückschicht jeweils mit einer anderen Beleuchtung zeigen, beispielsweise aus einer jeweils anderen Richtung. Insbesondere ermöglicht diese Ausgestaltung eine winkelselektive Beleuchtung der Materialschicht und/oder Werkstückschicht zur Aufnahme einer Vielzahl von winkelselektiv beleuchteten Bildern. Die Ausgestaltung ermöglicht eine sehr vorteilhafte Korrektur von Schatten und Lichtreflexen anhand der Vielzahl von Bildern, wie weiter unten für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben ist. Des Weiteren kann eine räumliche Verteilung von Lichtreflexen an der definierten Materialschicht sehr einfach bestimmt werden, was eine Inspektion der Materialschicht in Bezug auf die Homogenität des partikelförmigen Materials erleichtert. Außerdem kann die definierte Materialschicht und/oder Werkstückschicht mit Hilfe der winkelselektiven Beleuchtung deflektometrisch inspiziert werden. Die Ausgestaltung ermöglicht daher eine Vielzahl von vorteilhaften Verfahren zur Inspektion der Materialschicht und/oder Werkstückschicht mit einer kostengünstigen Implementierung.
[0019] In einer weiteren Ausgestaltung weist der Inspektionssensor zumindest zwei Zeilenlichtquellen auf, wobei eine erste Zeilenlichtquelle von den zumindest zwei Zeilenlichtquellen in der Bewegungsrichtung vor der Zeilenkamera angeordnet ist, und wobei eine zweite Zeilenlichtquelle von den zumindest zwei Zeilenlichtquellen in der Bewegungsrichtung nahe der Zeilenkamera angeordnet ist.
[0020] Diese Ausgestaltung ermöglicht es, die zu inspizierende Oberfläche der Materialschicht und/oder Werkstückschicht aus entgegengesetzten Richtungen bezogen auf die Bewegungsrichtung des Inspektionssensors zu beleuchten. Dementsprechend ermöglicht auch diese Ausgestaltung die Aufnahme einer Vielzahl von Bildern mit jeweils einer anderen Beleuchtung sowie eine darauf basierende Auswertung der Bilder.
[0021] In einer weiteren Ausgestaltung weist die Zeilenlichtquelle eine Vielzahl von Lichtelementen mit voneinander verschiedenen Lichtfarben auf. Beispielsweise kann die Zeilenlichtquelle in Bewegungsrichtung und/oder quer dazu eine Folge roter, grüner und blauer LEDs besitzen und/oder eine Folge von Lichtelementen, die alternierend Licht im sichtbaren Spektralbereich oder im nicht-sichtbaren Infrarotbereich abstrahlen (bezogen auf die jeweils dominierende Spektralfarbe). In vorteilhaften Ausführungsbeisplelen besitzt die Zeilenkamera eine Vielzahl von Kameraelementen (Pixeln), die jeweils für eine der verschiedenen Spektralfarben sensitiv sind. Die Ausgestaltung ermöglicht eine winkelselektive Beleuchtung kodiert über die Spektralfarben des abgestrahlten Lichts. In bevorzugten Ausführungsbeispielen können die winkelselektiv beleuchteten Bilder daher synchron zueinander aufgenommen werden, was eine sehr schnelle Inspektion der definierten Materialschicht und/oder Werkstückschicht ermöglicht. Des Weiteren können wahlweise Infrarotbilder und/oder optische Bilder von der definierten Materialschicht und/oder Werkstückschicht aufgenommen werden, was eine flexible und prozessnahe Inspektion der Materialschicht und/oder Werkstückschicht ermöglicht.
[0022] In einer weiteren Ausgestaltung weist der Inspektionssensor eine erste Zeilenkamera und eine zweite Zeilenkamera auf, wobei die erste Zeilenkamera eine erste optische Achse besitzt, die orthogonal zu der definierten Materialschicht verläuft, und wobei die zweite Zeilenkamera eine zweite optische Achse besitzt, die schräg zu der definierten Materialschicht verläuft.
[0023] Diese Ausgestaltung ermöglicht die Aufnahme von Bildern aus unterschiedlichen Blickrichtungen auf die Materialschicht und/oder Werkstückschicht. In einigen vorteilhaften Ausführungsbeispielen können die Bilder aus den verschiedenen Blickrichtungen zeitgleich aufgenommen werden. Die Ausgestaltung trägt dazu bei, die Informationsdichte zu erhöhen und eine flexible, prozessnahe Inspektion der Materialschicht und/oder Werkstückschicht zu ermöglichen.
[0024] In einer weiteren Ausgestaltung schneiden sich die erste optische Achse und die zweite optische Achse an der definierten Werkstückschicht.
[0025] In dieser Ausgestaltung nehmen die erste Zeilenkamera und die zweite Zeilenkamera während der Bewegung des Inspektionssensors jeweils denselben Aus- schnitt aus der Materialschicht und/oder Werkstückschicht auf. Die Ausgestaltung erleichtert eine Korrelation der aufgenommenen Bilder und ermöglicht eine besonders detailgenaue Inspektion der Materialschicht und/oder Werkstückschicht.
[0026] In einer weiteren Ausgestaltung ist die erste Zeilenkammer eingerichtet, ein ortsaufgelöstes Temperaturbild von der definierten Werkstückschicht zu erzeugen. In einigen Ausführungsbeispielen kann die erste Zeilenkamera ein Bandpassfilter beinhalten, das überwiegend Strahlung im nahen Infrarotbereich durchlässt (NIR-Bandpassfilter). In weiteren Ausführungsbeispielen kann die erste Zeilenkamera eine Infrarot-Zeilenkamera oder eine Zeilenanordnung von Pyrometern beinhalten. In einigen Ausführungsbeispielen erfasst die erste Zeilenkamera im Wesentlichen Temperaturstrahlung. Dementsprechend kann das ortsaufgelöste Bild von der ersten Zeilenkamera ein Temperaturbild sein, das das Schmelzbad und/oder die Werkstückschicht nach der selektiven Verfestigung zeigt. Ein solches Bild ermöglicht eine prozessnahe Korrektur, die vorteilhaft in einem geschlossenen Regelkreis erfolgt. Im Gegensatz dazu ist die zweite Zeilenkamera in bevorzugten Ausführungsbeispielen eine Kamera, die im Wesentlichen Strahlung im sichtbaren Spektralbereich erfasst. Vorteilhaft kann die zweite Zeilenkamera daher für eine Inspektion der definierten Materialschicht und/oder Werkstückschicht nach dem Prinzip der Deflektome- trie verwendet werden. Beispielsweise können mit Hilfe der zweiten Zeilenkamera lokale Höhenvariationen an der Oberfläche der definierten Materialschicht und/oder Werkstückschicht prozessnah und effizient erkannt werden.
[0027] In einer weiteren Ausgestaltung ist die Auswerte- und Steuereinheit dazu eingerichtet, ein erstes Bild, das mit der ersten Zeilenkamera erfasst wurde, und ein zweites Bild, das mit der zweiten Zeilenkamera erfasst wurde, miteinander zu korrelieren.
[0028] Diese Ausgestaltung ermöglicht eine sehr detailgenaue Inspektion einer Materialschicht und/oder Werkstückschicht, indem hier verschiedene Sensordaten fusioniert werden. In vorteilhaften Ausführungsbeispielen ist die Auswerte- und Steuereinheit dazu eingerichtet, Kontraststrukturen, d.h. Strukturen, die sich anhand von Kontrasten in den jeweils aufgenommenen Bildern zeigen, miteinander zu korrelieren. Vorteilhaft können beispielsweise Kontraststrukturen in einem ortsaufgelösten Bild von der definierten Materialschicht mit Kontraststrukturen in einem ortsaufgelösten Bild von der Werkstück- Schicht korreliert werden, um die Entstehung von Defekten in der Werkstückschicht prozessnah zu verfolgen.
[0029] In einer weiteren Ausgestaltung ist die Zeilenlichtquelle schräg zu der definierten Werkstückschicht ausgerichtet. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Zeilenlichtquelle achssymmetrisch zu der zweiten Zeilenkamera ausgerichtet, wobei die Symmetrieachse parallel und insbesondere koaxial zu der optischen Achse der ersten Zeilenkamera liegt.
[0030] Die Ausgestaltung Ist besonders vorteilhaft, um die Materialschicht und/oder Werkstückschicht deflektometrisch und/oder anhand von Reflexionen des Lichts von der Zeilenlichtquelle zu inspizieren.
[0031] In einer weiteren Ausgestaltung ist die Zeilenkamera eine Mehrzeilenkamera, die eine Vielzahl von benachbarten Kameraelementen in der Bewegungsrichtung besitzt.
[0032] Die Ausgestaltung ermöglicht eine schnelle Aufnahme von mehreren Bildern und insbesondere eine ortsaufgelöste Erfassung von transienten Signalen in der definierten Materialschicht und/oder Werkstückschicht, da jeder Bereich der Schichtoberfläche im Verlauf der Bewegung mehrfach erfasst wird. Die Ausgestaltung ermöglicht beispielweise die Aufnahme von Temperaturbildern, auf denen die Ausbreitung einer thermischen Anregung erkennbar ist. Poren oder andere Anomalien unter der Oberfläche der Werkstückschicht können so auf effiziente Weise erkannt werden.
[0033] In einer weiteren Ausgestaltung besitzt die Vorrichtung einen Mustergenerator, der über der Fertigungsplattform angeordnet ist.
[0034] Ein Mustergenerator im Sinne dieser Ausgestaltung ist eine Anzeige oder ein Projektor, die ein definiertes Hell-Dunkel-Muster so erzeugen, dass dieses an oder über die Oberfläche der Materialschicht und/oder Werkstückschicht sichtbar ist. Die Ausgestaltung ermöglicht eine prozessnahe Inspektion einer Schichtoberfläche nach dem Prinzip der Deflektometrie, insbesondere nach dem Prinzip der phasenschiebenden Deflektometrie. In vorteilhaften Ausführungsbeispielen ist der Mustergenerator dazu eingerichtet, ein variables Hell- und Dunkelmuster zu erzeugen, wie etwa ein Streifenmuster, das relativ zu der inspizierenden Schichtoberfläche verschoben werden kann.
[0035] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
[0036] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für den Inspektionssensor der Vorrichtung gemäß Fig. 1 ,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels für den Inspektionssensor der Vorrichtung gemäß Fig. 1 ,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels für den Inspektionssensor der Vorrichtung gemäß Fig. 1 ,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels für den Inspektionssensor der Vorrichtung gemäß Fig. 1 ,
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Anordnung von zwei
Zeilenlichtquellen und einer Mehrzeilenkamera für den Inspektionssensor der Vorrichtung gemäß Fig. 1 , und Fig. 7 ein Flussdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise eines Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung, und
Fig. 8 ein weiteres Flussdiagramm zur Erläuterung der Inspektion der Materialoberfläche gemäß einem Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung.
[0037] In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 besitzt eine Fertigungsplattform 12, auf der ein Werkstück 14 additiv hergestellt wird. Das Werkstück 14 wird in zeitlich aufeinanderfolgenden Schritten schichtweise von unten nach oben aus einem Materialstapel aufgebaut. Mit der Bezugsziffer 16 ist eine momentan oberste Werkstückkontur bzw. Werkstückschicht bezeichnet. Eine oberste Materialschicht, aus der die Werkstückschicht 16 erzeugt wird, ist mit der Bezugsziffer 18 bezeichnet.
[0038] Nach Fertigstellung einer jeweiligen Werkstückschicht 16 wird eine neue Materialschicht 18 aus einem pulverförmigen Material 20, etwa einem metallischen, Kunststoff- und/oder Keramikmaterial, mit Hilfe eines Schichtbildungswerkzeugs in Form eines Rakels 22 auf dem Schichtstapel 24 verteilt. Typischerweise wird die Fertigungsplattform 12 dafür in Richtung des Pfeils 26 um die Höhe der nächsten Materialschicht abgesenkt und das partikelförmige Material 20 wird aus einem Reservoir 28 entnommen und mit Hilfe des Rakels 22 auf dem vorhandenen Schichtstapel 24 verteilt. Dazu kann der Rakel in Richtung des Pfeils 29 relativ zu der Fertigungsplattform 12 bewegt werden. Andere Ausführungsbeispiele können die Ausbringung eines Werkstückmaterials ohne Rakel beinhalten, etwa eine lokal-selektive Zuführung eines Werkstückmaterials 20 mit einem Werkzeugkopf (hier nicht dargestellt), der relativ zu der Fertigungsplattform 12 bewegbar ist.
[0039] Bei der Bezugsziffer 30 ist ein Strukturierungswerkzeug vereinfacht dargestellt. In einigen Ausführungsbeispielen erzeugt das Strukturierungswerkzeug 30 einen Laserstrahl 32 und bewegt diesen relativ zu der Fertigungsplattform 12 und der zu strukturierenden Materialschicht 18. Mit dem Laserstrahl 32 werden die Materialpartikel selektiv angeschmolzen oder gänzlich aufgeschmolzen, so dass sie sich mit dem Abkühlen verfestigen.
[0040] In anderen Ausführungsbeispielen kann das Strukturierungswerkzeug 30 einen Elektronenstrahl erzeugen, um eine Werkstückschicht 16 auf der Fertigungsplattform 12 zu strukturieren. Des Weiteren könnte das Strukturierungswerkzeug 30 in weiteren Ausführungsbeispielen alternativ oder ergänzend zu dem Energiestrahl 30 ein Werkstückmaterial lokal-selektiv auf der Fertigungsplattform 12 bzw. der obersten Werkstückschicht 16 ausbringen, beispielsweise in Form eines Materialpulvers, das in ein Schmelzbad eingebracht wird. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung 10 mehr als ein Strukturierungswerkzeug 30 beinhalten, also etwa zwei oder mehr Laserund/oder Elektronenstrahlen zum Erzeugen einer Werkstückschicht verwenden.
[0041] Das Strukturierungswerkzeug 30, im Folgenden zum Teil einfach als Schreiblaser bezeichnet, ist mit einer Auswerte- und Steuereinheit 34 verbunden, die die Bewegung des Laserstrahls 32 entlang der Materialoberfläche steuert. Die Auswerte- und Steuereinheit 34 besitzt eine Schnittstelle 36, über die ein Datensatz 38 eingelesen werden kann, der das herzustellende Werkstück 14 in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten definiert. Dementsprechend steuert die Auswerte- und Steuereinheit 34 die Bewegung des Laserstrahls 32 in Abhängigkeit von dem Datensatz 38, wobei der Laserstrahl 32 in jeder herzustellenden Werkstückschicht 16 eine jeweilige Trajektorie beschreibt, die sich aus dem Datensatz 38 ergibt. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Auswerte- und Steuereinheit 34 mit Hilfe handelsüblicher Personal Computer realisiert, auf denen ein handelsübliches Betriebssystem, wie etwa Microsoft Windows, OSX oder Linux, sowie ein oder mehrere Steuerprogramme 40 implementiert sind. In einigen Fällen kann die Auswerte- und Steuereinheit 34 als Soft-SPS auf einem handelsüblichen PC realisiert sein. Alternativ oder ergänzend kann die Auswerte- und Steuereinheit 34 mit Hilfe dedizierter Steuerungshardware in Form einer SPS und/oder mit Hilfe von einem oder mehrere ASICs, FPGAs, Mikrocontrollern, Mikroprozessoren oder vergleichbaren Logikschaltkreisen realisiert sein. Die Auswerte- und Steuereinheit 34 kann mit Hilfe von mehreren Steuerungen und/oder Personal Computern realisiert sein, die vernetzt sind oder auf andere Weise miteinander kommunizieren, etwa über ein Dual-Ported RAM (hier nicht dargestellt). [0042] Die Vorrichtung 10 besitzt ferner einen Inspektionssensor 42, der dazu eingerichtet ist, die Oberfläche des Schichtstapels 24 zu inspizieren. Der Inspektionssensor 42 beinhaltet hier eine oder mehrere Zeilenkameras 44 und eine oder mehrere Zeilenlichtquellen 46 (siehe Fig. 2, 4, 5, 6), die jeweils mit der Auswerte- und Steuereinheit 34 verbunden sind. Wie in Fig. 1 dargestellt, ist der Inspektionssensor 42 hier an dem Rakel 22 angeordnet. Der Rakel 22 ist hier mit einem Positionsencoder 48 gekoppelt. Mit Hilfe des Positionsencoders 48 kann die Auswerte- und Steuereinheit 34 eine Momentanposition des Rakels 22 relativ zu der Fertigungsplattform 12 bestimmen. Dementsprechend erzeugt der Positionsencoders 48 ein Positionssignal, das für die jeweilige Momentanposition des Inspektionssensors 42 relativ zu der Fertigungsplattform 12 und damit auch relativ zu dem Schichtstapel 24 repräsentativ ist. Die Auswerte- und Steuereinheit 34 kann mit Hilfe der Zeilenkamera 44 und unter Verwendung des Positionssignals von dem Positionsencoder 48 ein ortsaufgelöstes Bild von der Oberfläche des Schichtstapels 24 aufnehmen. Dementsprechend kann die Auswerte- und Steuereinheit 34 mit Hilfe der Zeilenkamera 44 und unter Verwendung des Positionssignals ortsaufgelöste Bilder von der jeweils obersten Materialschicht 18 und/oder Werkstückschicht 16 aufnehmen.
[0043] Die eine oder mehreren Zeilenlichtquellen erstrecken sich quer zu der Bewegungsrichtung 29. In bevorzugten Ausführungsbeispielen erstrecken sich die Zeilenlichtquellen und Zeilenkameras über die gesamte Breite der Fertigungsplattform. Aufgrund der Erstreckung der Zeilenlichtquellen in Querrichtung und aufgrund der Bewegung relativ zu dem Schichtstapel 24 ist die Auswerte- und Steuereinheit 34 in der Lage, die obere Materialschicht 18 mit dem partikelförmigen Material und/oder die obere Werkstückschicht 16 aus mehreren unterschiedlichen Richtungen zu beleuchten. Beispielhaft sind hier zwei Beleuchtungsrichtungen mit den Bezugsziffern 50a, 50b angedeutet. Die eine oder mehreren Zeilenkameras 44 können in einigen Varianten dazu eingerichtet sein, mehrere Bilder von der Oberfläche des Schichtstapels 24 aufzunehmen, während die Oberfläche aus den unterschiedlichen Richtungen, d.h. winkelselektiv beleuchtet wird. Ergänzend zu der in Fig. 1 dargestellten Anordnung könnte die Vorrichtung 10 ferner ein Ringlicht mit einer Vielzahl von einzeln und/oder segmentweise ansteuerbaren Lichtquellen und/oder mehrere Lichtquellen rund um die Fertigungsplattform 12 besitzen, um eine Beleuchtung der Oberfläche des Schichtstapels 24 aus verschiedenen Richtungen zu ermöglichen. [0044] In einigen Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung 10 einen Mustergenerator 52 beinhalten, der ein Hell-Dunkel-Muster 54 über dem Schichtstapel 24 erzeugen kann. In einigen Ausführungsbeispielen kann der Mustergenerator ferner dazu eingerichtet sein, die Oberfläche des Schichtstapels 24 aus verschiedenen Richtungen zu beleuchten. Der Mustergenerator 52 kann eine Anzeige sein, etwa eine LED-, LCD- oder OLED-Anzeige, mit deren Hilfe die Auswerte- und Steuereinheit 34 variable Muster 54 erzeugen kann. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Auswerte- und Steuereinheit 34 mit Hilfe des Mustergenerators 52 ein Streifenmuster 54 erzeugen, das in mehreren Schritten relativ zu der Oberfläche des Schichtstapels 24 verschoben wird, um eine Inspektion der Materialschicht 18 und/oder Werkstückschicht 16 nach dem Prinzip der phasenschiebenden Deflektometrie zu ermöglichen. Dieses Verfahren ist den Fachleuten für sich genommen zur Inspektion von reflektierenden Oberflächen bekannt, etwa aus WO 2009/083248 A1 , die hier mit Verweis auf die Erläuterungen zum Prinzip der phasenschiebenden Deflektometrie durch Bezugnahme aufgenommen ist.
[0045] Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen Inspektionssensor 42, der an dem Rakel 22 oder alternativ an einem separaten Steg (hier nicht dargestellt) angeordnet sein kann. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dieselben Elemente wie zuvor.
[0046] Der Inspektionssensor gemäß Fig. 2 besitzt eine erste Zeilenkamera 44a und eine zweite Zeilenkamera 44b sowie eine Zeilenlichtquelle 46, die an einem geeigneten Träger 56 ortsfest zueinander gehalten sind. Die erste Zeilenkamera 44a besitzt eine optische Achse 58a, die im Wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche 60 des Schichtstapels 24 ausgerichtet ist. Damit verläuft die optische Achse 58a der ersten Zeilenkamera 44a auch orthogonal zu der jeweils obersten Materialschicht 18 und Werkstückschicht 16. In einigen Ausführungsbeispielen kann die erste Zeilenkamera 44a optische Elemente 62a, wie etwa Linsen- und/oder Spiegelelemente, beinhalten.
[0047] Die zweiten Zeilenkamera 44b besitzt eine zweite optische Achse 58b, die hier schräg zu der Oberfläche 60 des Schichtstapels 24 angeordnet ist. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen schneiden sich die optischen Achsen 58a, 58b entlang einer Linie, die in Fig. 2 an dem Punkt 64 angedeutet ist und die an der Oberfläche 60 des Schichtstapels 24 parallel zu der Längserstreckung der Zeilenkameras 44a, 44b verläuft.
In einigen Ausführungsbeispielen besitzt auch die Zeilenkamera 44b optische Elemente 62b. In einigen Ausführungsbeispielen ist es bevorzugt, wenn die Schnittlinie 64 der optischen Achsen 58a, 58b im Wesentlichen der jeweiligen Fokuslinie der Zeilenkameras 44a, 44b entspricht. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Schnittlinie 64 der optischen Achsen 58a, 58b in einem definierten Abstand zu der Fokuslinie der Zeilenkameras 44a, 44b liegen, was insbesondere vorteilhaft ist, wenn die Oberfläche 60 des Schichtstapels 24 deflektometrisch inspiziert wird.
[0048] Der Inspektionssensor 42 gemäß Fig. 2 besitzt ferner eine Zeilenlichtquelle 46, die eine Lichtlinie entlang der Oberfläche 60 erzeugt. Die Zeilenlichtquelle 46 kann in einigen Ausführungsbeispielen eine Laserlichtquelle sein, die eine Laserlinie auf der Oberfläche 60 erzeugt. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen erstreckt sich die Lichtlinie über der Schnittlinie 64 der optischen Achsen 58a, 58b. Des Weiteren ist es in diesem Ausführungsbeispiel bevorzugt, dass die Zeilenlichtquelle 46 und die zweite Zeilenkamera 44b in etwa achssym metrisch zu der optischen Achse 58a der ersten Zeilenkamera 44a angeordnet sind. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen trifft ein von der Zeilenlichtquelle 46 ausgesendeter Lichtstrahl, der an der Oberfläche 60 im Bereich des Schnittlinie 64 reflektiert wird, nach dem Prinzip Einfallswinkel = Ausfallswinkel auf die zweite Zeilenkamera 58b. Dementsprechend kann die zweite Zeilenkamera 58b hier verwendet werden, um die definierte Materialschicht 18 und/oder Werkstückschicht 16 auf Basis von Triangulationsbeziehungen zwischen der Zeilenlichtquelle 46 und der Zeilenkamera 44b zu inspizieren. Bevorzugt erfasst die zweite Zeilenkamera 58b in diesen Ausführungsbeispielen Licht aus dem sichtbaren Spektralbereich. In einigen Ausführungsbeispielen kann die zweite Zeilenkamera 58b ein Bandpassfilter 66b aufweisen, dessen Durchlassfrequenz im sichtbaren Spektralbereich liegt. Alternativ oder ergänzend können mit den Zeilenkameras 44a und/oder 44b mehrere Bilder von der definierten Materialschicht 18 und/oder Werkstückschicht 16 aufgenommen werden, um zusammen mit dem Muster 54 von dem Mustergenerator 52 eine Inspektion auf Basis der phasenschiebenden Deflektometrie zu realisieren.
[0049] Die erste Zeilenkamera 44a kann in bevorzugten Ausführungsbeispielen eine Infrarot-Kamera oder ein Linienarray von Pyrometern sein. Vorteilhaft erfasst die ers- te Zeilenkamera 44a hier eine Temperaturstrahlung von der Oberfläche 60. Dementsprechend kann die erste Zeilenkamera 44a verwendet werden, um beispielsweise die Form und/oder Dimension des Schmelzbades zu überwachen. Alternativ oder ergänzend kann die erste Zeilenkamera 44a verwendet werden, um transiente Temperatursignale von der Oberfläche 60 zu erfassen. Mit Hilfe eines ortsaufgelösten Temperaturbildes kann beispielsweise eine Anomalie bzw. ein Defekt 68 in oberflächennahen Werkstückschichten detektiert werden.
[0050] Die Zeilenlichtquelle 46 kann in einigen Ausführungsbeispielen Licht im sichtbaren Spektralbereich und im Infrarotbereich, insbesondere im nahen Infrarotbereich erzeugen, um einerseits eine thermische Inspektion mit Hilfe der ersten Zeilenkamera 44a und andererseits eine visuelle/deflektometrische Inspektion mit Hilfe der zweiten Zeilenkamera 44b zu ermöglichen. Beispielsweise kann die Zeilenlichtquelle daher Licht aus dem Spektralbereich zwischen 350 nm und 3000 nm abstrahlen.
[0051] In bevorzugten Ausführungsbeispielen besitzt die Vorrichtung 10 eine oder mehrere Mehrzeilenkameras. Eine Mehrzeilenkamera in diesem Sinne ist eine Zeilenkamera, die in der Bewegungsrichtung 29 eine Vielzahl von Kameraelementen aufweist. Fig. 3 zeigt beispielhaft eine solche Mehrzeilenkamera 44, die relativ zu der Fertigungsplattform 12 über die definierte Materialschicht 18 in Richtung des Pfeils 29 bewegt wird. Mit der Bezugsziffer 70 ist ein Messbereich angedeutet, der hier in der Bewegungsrichtung 29 beispielsweise 10 Kameraelemente/Pixel lang ist. Mit anderen Worten besitzt die Mehrzeilenkamera 44 in diesem Ausführungsbeispiel zehn Kameraelemente in der Bewegungsrichtung 29 sowie eine Vielzahl von Kameraelementen quer dazu. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen erstrecken sich die verwendeten Zeilenkameras 44a, 44b oder eine verwendete Zeilenkamera 44 quer zu der Bewegungsrichtung 29 jeweils über die gesamte Fertigungsplattform 12. In der Bewegungsrichtung 29 erfassen die eine oder mehreren Zeilenkameras hier jeweils einen begrenzten Abschnitt der definierten Materialschicht 18.
[0052] In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 kann ein kleiner Bereich 74 in der Bewegungsrichtung 29 mit Hilfe einer Zeilenlichtquelle der vorgenannten Art beleuchtet werden, während ein größerer Messbereich 70 mit Hilfe der Zeilenkamera 44 erfasst wird. In diesen Ausführungsbeispielen können transiente Signale im Messbereich 70 infolge einer thermischen Anregung im Bereich 74 erfasst werden. Mit Hilfe des Positionssignals von dem Encoder 48 kann eine jeweilige Momentanposition der Zeilenkamera 44 relativ zu der Materialoberfläche 18 bestimmt werden und es können somit eine Vielzahl von ortsaufgelösten Bildern von der Materialoberfläche während einer Bewegung des Inspektionssensors synchron aufgenommen werden. Dementsprechend kann mit jeweils einer Zeile von Kameraelementen 72 ein jeweils Scanbild aufgenommen werden, wobei sich die verschiedenen Scanbilder durch einen jeweils anderen Abstand von der Beleuchtung im Bereich 74 unterscheiden.
[0053] Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Inspektionssensor 42, der an einem Rakel 22 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel besitzt der Rakel 22 ein Reservoir 76 zur Aufnahme des partikelförmigen Materials 20 sowie eine Auslassöffnung 78 zum Austragen des Materials 20. Des Weiteren besitzt der Inspektionssensor einen ersten Sensorteil 42a und einen zweiten Sensorteil 42b. Die Sensorteile 42a, 42b können jeweils eine oder mehrere Zeilenkameras und eine oder mehrere Zeilenlichtquellen (hier nicht gesondert dargestellt) beinhalten. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der erste Sensorteil 42a in der Bewegungsrichtung 29 vor dem Materialauslass 78 angeordnet, während der zweite Sensorteil 42b in der Bewegungsrichtung 29 nach dem Materialauslass 78 angeordnet ist. Der zweite Sensorteil 42b kann hier vorteilhaft verwendet werden, um eine frisch erzeugte Pulverschicht zu inspizieren. Hingegen kann der erste Sensorteil 42a vorteilhaft verwendet werden, um eine zuletzt hergestellte Werkstückschicht 16 vor dem Austragen einer neuen Pulverschicht zu inspizieren.
[0054] Wie in Fig. 5 dargestellt, kann der Inspektionssensor 42 in einigen Ausführungsbeispielen eine Zeilenkamera 44 besitzen, die mit einer ersten Zeilenlichtquelle 46a und einer zweiten Zeilenlichtquelle 46b kombiniert ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Zeilenkamera 44 und die Zeilenlichtquellen 46a, 46b jeweils parallel zueinander und vorzugsweise über die gesamte Breite der Fertigungsplattform 12. In der Bewegungsrichtung 29 läuft eine Zeilenlichtquelle 46b der Zeilenkamera 44 voraus, während eine weitere Zeilenlichtquelle 46a der Zeilenkamera 44 nachläuft. Die Zeilenlichtquellen 46a, 46b besitzen hier jeweils einen Lichtkegel 80a, 80b, die sich im Bereich der Fokuslinie 82 der Zeilenkamera 44 überlappen. Dementsprechend kann ein von der Zeilenkamera 44 aufgenommener Bereich der Materialschicht 18 wahlweise mit der Zeilenlichtquelle 46a und/oder mit der Zeilenlichtquelle 46b beleuchtet werden. Insbesondere ist es in diesen Ausführungsbeispielen auch möglich, einen von der Zeilenkamera 44 erfassten Bereich der Materialschicht 18 aus entgegengesetzten Richtungen zu beleuchten. Vorteilhaft kann auf diese Weise ein Verfahren zum Inspizieren der definierten Materialschicht implementiert werden, wie es im Folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 7 und 8 für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben ist.
[0055] Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Inspektionssensors 42 gemäß Fig. 5 mit einer Zeilenkamera 44, die als Multizeilenkamera mit einer Vielzahl von Kameraelementen 72 ausgebildet ist, wobei die Kameraelemente 72 der Multizeilenkamera 44 jeweils für eine von mehreren Lichtarben sensitiv sind. Beispielsweise kann die Multizeilenkamera 44 Kameraelemente 72 besitzen, die entweder für die Lichtfarbe grün oder für die Lichtfarbe rot oder für die Lichtfarbe blau sensitiv sind. Dementsprechend ist die Zeilenkamera 44 in diesem Ausführungsbeispiel eine Farb-Zeilenkamera, wobei die einzelnen Kameraelemente ein Bayer-Muster bilden können. Die erste Zeilenlichtquelle 46a und die zweite Zeilenlichtquelle 46b (vgl. Fig. 5) können jeweils Lichtelemente 84 besitzen, die jeweils eine Lichtfarbe dominant abstrahlen. Beispielsweise können die Zeilenlichtquellen 46a, 46b also Lichtelemente 84 beinhalten, die entweder rotes oder grünes oder blaues Licht dominant abstrahlen. Mit einem solchen Inspektionssensor kann eine Beleuchtung der definierten Materialschicht 18 aus verschiedenen Richtungen simultan erfolgen, wobei die winkelselektive Beleuchtung anhand der Lichtfarben voneinander unterschieden werden kann.
[0056] In einigen Ausführungsbeispielen kann ein Inspektionssensor gemäß den Fig. 5 und 6 mit einer winkelselektiven Beleuchtung in einer Anordnung gemäß Fig. 2 und/oder Fig. 4 verwendet werden. In weiteren Ausführungsbeispielen können die Zeilenkamera 44 und/oder die Zeilenlichtquellen 46a, 46b gemäß den Fig. 5 und 6 Kameraelemente 72 und/oder Lichtelemente 84 aufweisen, die Licht im Infrarotbereich dominant aufnehmen bzw. abstrahlen. Dementsprechend können die hier anhand der Fig. 2 bis 6 dargestellten Varianten ganz oder teilweise miteinander kombiniert sein. [0057] Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 7 und 8 die Funktion der neuen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel erläutert. Gemäß Schritt 100 wird in die Auswerte- und Steuereinheit 34 ein Datensatz 38 eingelesen, der das Werkstück 14 in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten 16 definiert. Gemäß Schritt 102 wird eine Materialschicht 18 auf dem Schichtstapel 24 erzeugt. Beispielsweise kann die Auswerte- und Steuereinheit 34 zu diesem Zweck partikelförmiges Material 20 mit Hilfe des Rakels 22 aus dem Reservoir 28 entnehmen und auf dem Schichtstapel 24 verteilen. Die Verteilung des partikelförmigen Materials 20 soll üblicherweise gleichmäßig und möglichst homogen sein.
[0058] Gemäß Schritt 104 wird die Oberfläche der neuen Materialschicht 18 mit Hilfe des Inspektionssensors 42 inspiziert, um etwaige Inhomogenitäten, wie Wellen, Aufhäufungen, Rakelstrukturen oder Dichtevariationen in dem partikelförmigen Material zu erkennen. Entspricht die Oberfläche der neuen Materialschicht 18 allen gewünschten Kriterien, verzweigt das Verfahren gemäß Schritt 106 zum Schritt 108, in dem eine neue Werkstückschicht 16 in der obersten Materialschicht 18 mit Hilfe des Strukturierungswerkzeugs 30 erzeugt wird. Entspricht die Oberfläche der neuen Materialschicht 18 den gewünschten Kriterien nicht, verzweigt das Verfahren gemäß Schleife 110 zurück zum Schritt 102, um die Oberfläche der neuen Materialschicht 18 nachzuarbeiten oder komplett neu zu erzeugen. Gemäß Schritt 114 kann die hergestellte Werkstückschicht 16 inspiziert werden. Gemäß Schritt 112 werden die Schritte 102 - 114 wiederholt, bis das Werkstück 14 entsprechend dem Datensatz 38 fertiggestellt ist.
[0059] Fig. 8 zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel für den Verfahrensschritt 104 aus Fig. 7. Gemäß Schritt 116 wird der Inspektionssensor 42 relativ zu der Fertigungsplattform 12 bewegt und die Objektoberfläche der Materialschicht 18 wird dabei aus mehreren verschiedenen Richtungen beleuchtet, beispielsweise mit Hilfe der Zeilenlichtquellen 46a, 46b gemäß Fig. 6. Des Weiteren werden hier mit Hilfe der Mehrzeilenkamera 44 mehrere Bilder von der jeweils beleuchteten Objektoberfläche scannend aufgenommen. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen werden zumindest drei Bilder aufgenommen, wenngleich eine höhere Anzahl vorteilhaft sein kann. Dementsprechend kann die Zeilenkamera 44 in einigen Ausführungsbeispielen 3 oder mehr Zeilen mit Kameraelementen in der Bewegungsrichtung besitzen. Im Folgenden wird ein erstes Bild mit I bezeichnet und weitere k Bilder werden mit Jk bezeichnet, wobei der Index k die Anzahl der weiteren Bilder bezeichnet.
[0060] Nach Aufnahme aller Bilder wird in Schritt 118 ein maximaler Helligkeitswert MH über alle Pixelwerte der aufgenommen Bilder bestimmt. Der maximale Helligkeitswert MH kann später bei der Bestimmung eines aggregierten Reflexbildes und/oder auch bei der Bestimmung eines schattenkorrigierten Bildes und/oder eines reflexkorrigierten Bildes von der Objektoberfläche verwendet werden, um die Pixelwerte in den Bildern als relative Helligkeiten, beispielsweise zwischen 0 und 1, betrachten zu können. In einigen Ausführungsbeispielen kann Schritt 118 entfallen und die Pixelwerte der Bilder können als absolute Werte verwendet werden.
[0061] Gemäß den Schritten 120 bis 130 wird ein schattenkorrigiertes Bild SC von der Objektoberfläche bestimmt, während in den Schritten 132 bis 138 ein aggregiertes Reflexbild RI und zusätzlich im Schritt 140 noch ein reflexkorrigiertes Bild RC von der Materialschicht 18 bestimmt wird. Die Schritte 120 bis 130 und die Schritte 132 bis 140 sind in Fig. 8 parallel zueinander dargestellt und können parallel zueinander ausgeführt werden, wenn die Auswerte- und Steuereinheit 34 eine entsprechende Parallelverarbeitung ermöglicht. Alternativ hierzu können die Schritte 120 bis 130 und die Schritte 132 bis 140 nacheinander ausgeführt werden und es ist ebenso möglich, lediglich ein aggregiertes Reflexbild gemäß den Schritten 132 - 140 zu bestimmen, um in Anschluss daran individuelle Eigenschaften der Materialschicht 18 zu bestimmen.
[0062] Gemäß Schritt 120 werden ein erster Indikatorwert USk und ein zweiter Indikatorwert VSk bestimmt. Vorteilhaft kann der Indikatorwert USk folgendermaßen bestimmt werden:
USk = 1(l-Jk 0) 1(Jk-l MHO.1) (Jk-I)/0.1/MH + 1 (Jk-l>0.1 MH), wobei die Funktion 1 (...) den Wert 1 liefert, wenn die in der Klammer angegebene Bedingung erfüllt ist, und den Wert 0 liefert, wenn die Bedingung in der Klammer nicht erfüllt ist. Der Indikatorwert USk wird für alle korrespondierenden Pixelpaare der Bilder I, Jk, die bei der Bestimmung des schattenkorrigierten Bildes SC ausgewertet werden sollen, bestimmt und besitzt den Wert 1 , wenn ein betrachtetes Pixel in einem Bild Jk um mehr als 10 % heller ist als das entsprechende Pixel in dem Bild I. Der Prozentwert bezieht sich dabei auf den maximalen Helligkeitswert MH und er bildet einen Schwellenwert, der eine Grenze eines Helligkeitswertebereichs definiert.
[0063] Der hier angenommene Schwellenwert in der Größe von 10% ist beispielhaft und kann in anderen Ausführungsbeispielen kleiner oder größer gewählt werden. Für relative Helligkeiten eines betrachteten Pixels in dem Bild Jk zwischen 0 und dem angenommenen Schwellenwert wird durch die obige Formel ein stetiger Übergang realisiert. Grob gesagt signalisiert der Indikatorwert USk mit dem Wert 1, wenn ein betrachtetes Pixel in einem Bild Jk heller ist als das entsprechende Pixel in dem ersten Bild I, wobei aufgrund des Schwellenwertes von 10 % gewährleistet ist, dass jeweils ein "deutlicher" Unterschied in der Helligkeit zwischen den betrachteten Bildpixeln besteht.
[0064] Der zweite Indikatorwert VSk wird vorteilhaft folgendermaßen berechnet:
VSk = 1(0.1 <SBL-Jk/MH) + 1(0.1>BL-Jk/MH) 1(Jk/MH BL) (1+((BL-0.1) - Jk/MH)/0.1), wobei BL (für Bright Limit) einen weiteren Schwellenwert definiert. Der Indikatorwert VSk besitzt den Wert 1 , wenn das betrachtete Pixel in dem Bild Jk einen relativen Helligkeitswert zwischen mindestens 0 und einem Maximalwert besitzt, der hier beispielsweise 10% von MH unterhalb des Schwellenwerts BL MH liegt. Auch hier wird im Übergang zu dem oberen Schwellenwert BL vorteilhaft eine stetige Verbindung realisiert. Grob gesagt nimmt der Indikatorwert VSk den Wert 1 an, wenn der Pixelwert eines betrachteten Pixels in einem Bild Jk zwischen 0 und dem oberen Schwellenwert definiert durch BL liegt.
[0065] Gemäß Schritt 122 wird ein kombinierter Indikatorwert WSk gemäß folgender Formel
WSK = (USk-VSk)1/2 aus den zuvor genannten Indikatorwerten bestimmt. Der kombinierte Indikatorwert WSk verhindert, dass ein betrachtetes Pixel in einem Bild Jk in die weitere Rechnung einbezo- gen wird, wenn es zu hell oder zu dunkel ist. Der Exponent V repräsentiert hier eine Quadratwurzeloperation, die sich für die Inspektion eines Metallpulvers als vorteilhaft gezeigt hat. Das Produkt kann prinzipiell aber auch ohne weitere Operation bestehen bleiben oder mit anderen Exponenten p<1 potenziert werden. Es kann darüber hinaus Anwendungen geben, bei denen Exponenten p>1 besser sind. Je nachdem ob der Exponent p>1 ist, wird ein Verlauf mit Werten nahe Null geglättet, oder bei Exponenten p<1 wird ein Verlauf mit Werten nahe 1 geglättet. Es ist also applikativ ein Exponent p>0 möglich. Besonders vorteilhaft ist ein Exponent 0<p<1 .
[0066] Gemäß Schritt 124 wird nun für alle betrachteten Pixelpaare in den Bildern I und Jk eine Differenz RSk gebildet, wobei diese Differenz mit dem kombinierten Indikatorwert WSk gemäß nachfolgender Formel gewichtet wird
RSk = (l-Jk) WSk
Die Differenzwerte RSk bilden jeweils einen Korrekturvektor für ein Pixel im ersten Bild, der mit dem kombinierten Indikatorwert WSk gewichtet ist.
[0067] In bevorzugten Ausführungsbeispielen werden die Korrekturvektoren RSk gemittelt, um ein schattenkorrigiertes Bild SC zu bestimmen. Aus diesem Grund wird im Schritt 126 ein Faktor Z gemäß folgender Formel bestimmt:
Z = 1/sum(WSk, k).
[0068] Die Mittelung der Korrekturvektoren erfolgt hier vorteilhaft mit Hilfe der Summe der kombinierten Indikatorwerte WSk. Gemäß Schritt 128 wird vorteilhaft ein Dämpfungsfaktor in der Form des maximalen kombinierten Indikatorwertes über alle kombinierten Indikatorwerte WSk bestimmt, d.h.
M=max(WSk, k)
[0069] Gemäß Schritt 130 wird dann ein schattenkorrigiertes Bild gemäß folgender Formel bestimmt: SC = l-Gaussfilt(sum(RSkl k) M, 1).
[0070] Hierbei bezeichnet die Funktion Gaussfilt(..., 1) ein Gaussfilter mit einer Standardabweichung, die hier beispielsweise mit 1 angenommen ist. Prinzipiell könnte der Wert für die Standardabweichung abweichend gewählt werden.
[0071] Dementsprechend wird im Schritt 130 ein schattenkorrigiertes Bild bestimmt, indem eine Differenz zwischen den Pixelwerten im ersten Bild I und korrespondierenden Pixelwerten in einem gewichteten und gefilterten Korrekturbild bestimmt wird. Das Korrekturbild ergibt sich hier aus der Gauss-gefilterten Summe aller Korrekturvektoren, wobei die Korrekturvektoren wiederum mit dem kombinierten Indikatorwert WSk gewichtet sind. Alternativ zu einem Gauss-Filterung könnte auch ein anderes lokales Glättungsfilter verwendet werden. Durch den Schwellenwert BL wird erreicht, dass sich die Reflexe in den Bildern I, Jk bei der Bestimmung des schattenkorrigierten Bildes SC nicht in unerwünschter Weise aufaddieren. Die Filterung im abschließenden Schritt 130 vermeidet oder verringert künstliche Artefakte. Durch die Multiplikation der summierten Korrekturvektoren mit dem Maximum des kombinierten Indikatorwertes werden sprunghafte Änderungen der summierten Korrektur weitgehend vermieden.
[0072] Die Bestimmung eines aggregiertes Reflexbildes und - vorzugsweise - eines reflexkorrigierten Bildes erfolgt auf ähnliche Weise, wobei in Schritt 132 zunächst ein Indikatorwert URk gemäß folgender Formel berechnet wird:
URk = 1 (Jk-l<0) 1(l-Jk<MH 0.1) (l-Jk)/0.1/MH + 1(l-Jk>0.1 MH).
[0073] Demnach geht ein betrachtetes Pixel in den Bildern Jk in die Korrektur des ersten Bildes I ein, wenn sein Helligkeitswert dunkler ist als der Helligkeitswert des korrespondierenden Pixels in dem ersten Bild I. Des Weiteren wird in Schritt 134 ein Indikatorwert VRk gemäß folgender Formel berechnet:
VRk =1(Jk/MH>DL+0.1) + 1(Jk/MH>DL) 1(Jk/MH<DL+0.1) (Jk/MH-DL)/0.1. [0074] Das betrachtete Pixel in den Bildern Jk soll eine Mindesthelligkeit besitzen, die hier durch den Schwellenwert DL (für Dark Limit) eingestellt ist.
[0075] Mit anderen Worten soll ein betrachtetes Pixel in den Bildern Jk in einem zweiten Helligkeitswertebereich liegen, der gemäß Schritt 134 wiederum mit Hilfe eines kombinierten Indikatorwertes WRk definiert wird. Beispielsweise wird der kombinierte Indikatorwert WRk gemäß folgender Formel berechnet:
WRk = (URk'VRk)1/2.
[0076] Gemäß Schritt 136 werden die korrespondierenden Pixelwerte in dem ersten Bild I und in den weiteren Bildern Jk für alle k voneinander subtrahiert und mit dem kombinierten Indikatorwert WRk gewichtet. Mit anderen Worten werden im Schritt 136 Korrekturvektoren RRk gemäß folgender Formel berechnet:
RRk = (l-Jk) - WRk.
[0077] Im Schritt 138 wird nun ein aggregiertes Reflexbild berechnet, indem das Maximum der Korrekturvektoren RRk über alle k Bilder bestimmt wird:
RI = max(RRk, k).
[0078] Das aggregierte Reflexbild ist somit ein aus den Bildern I, Jk berechnetes Ersatzbild, das im Wesentlichen die Reflexe an der Oberfläche der Materialschicht 18 zeigt. Dieses Reflexbild zeigt die räumliche Verteilung der Lichtreflexe an der Materialoberfläche und ist damit repräsentativ für die Homogenität der Verteilung der Materialpartikel.
[0079] Im Schritt 140 wird hier vorteilhaft noch ein reflexkorrigiertes Bild nach folgender Formel berechnet:
RC = l-RI. [0080] Mit anderen Worten wird das reflexkorrigierte Bild berechnet, indem die Pixelwerte des aggregierten Reflexbildes von den Pixelwerten des ersten Bildes I subtrahiert werden. Da das aggregierte Reflexbild die Reflexe an der Oberfläche repräsentiert, werden die Lichtreflexe in dem ersten Bild durch die Subtraktion weitgehend eliminiert.
Bei der Reflexionskorrektur wird hier - im Unterschied zu der Schattenkorrektur - die maximale Wirkung vorteilhaft verwendet, da Reflexe typischerweise lokal begrenzt und zum Teil auch stark übersteuert sind. Alternativ kann hier aber in entsprechenderWeise wie bei der Schattenkorrektur mit einem Gaussfilter gearbeitet werden.
[0081] Gemäß Schritt 142 werden individuelle Eigenschaften der Materialoberfläche 18, wie Höhenvariationen (etwa aufgrund von Rakelstrukturen, Wellen, Materialanhäufungen oder anderen Unebenheiten), individuelle Partikelgrößen der Pulverpartikel und/oder die Homogenität der Verteilung der Pulverpartikel bestimmt. Beispielsweise kann hier geprüft werden, ob die räumliche Verteilung der Lichtreflexe in dem aggregierten Reflexbild ein definiertes Gleichmäßigkeitskriterium erfüllt und/oder ob die Materialoberfläche 18 in dem reflexkorrigierten und/oder schattenkorrigierten Bild ein definiertes Kriterium in Bezug auf Glattheit bzw. etwaige Höhenvariationen erfüllt. Wenn dies der Fall ist, wird gemäß Schritt 108 (Fig. 7) eine Werkstückschicht 16 erzeugt.
[0082] Prinzipiell kann die Inspektion, insbesondere die Bestimmung eines aggregierten Reflexbildes und/oder einer Höhenkarte, nach dem Erzeugen der Werkstückschicht erfolgen, was in Fig. 7 bei der Bezugsziffer 114 angedeutet ist. In Abhängigkeit von der räumlichen Verteilung von Lichtreflexen an der erzeugten Werkstückschicht kann das Werkstück nachbearbeitet werden, um etwaige Defekte zu korrigieren, oder das teilfertige Werkstück wird verworfen, wenn es Defekte aufweist, die eine erfolgreiche Korrektur aus wirtschaftlichen und/oder technischen Gründen nicht erwarten lassen.
[0083] Wie bereits oben angedeutet, kann alternativ oder ergänzend zu dem Verfahren gemäß Fig. 8 eine Inspektion der Werkstückschicht 16 mit Hilfe der phasenschiebenden Deflektometrie unter Verwendung des Mustergenerators 52, anhand einer einfachen deflektometrischen Betrachtung der Werkstückoberfläche mit einem Inspektionssensor gemäß Fig. 2 und/oder anhand einer thermografischen Analyse der Werkstückoberfläche erfolgen.

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks (14), mit
- einer Fertigungsplattform (12), die dazu eingerichtet ist, eine definierte Materialschicht (18) aus einem partikelförmigen Material (20) auf der Fertigungsplattform (12) zu halten,
- einem Strukturierungswerkzeug (30), das dazu eingerichtet ist, die definierte Materialschicht (18) aus dem partikelförmigen Material (20) auf der Fertigungsplattform (12) selektiv zu verfestigen, um eine definierte Werkstückschicht (16) herzustellen, einem Inspektionssensor (42) zum Inspizieren der definierten Materialschicht (18) und/oder der definierten Werkstückschicht (16), wobei der Inspektionssensor (42) entlang einer Bewegungsrichtung (29) relativ zu der Fertigungsplattform (12) bewegbar ist, und einer Auswerte- und Steuereinheit (34) mit einer Schnittstelle (36) zum Empfangen eines Datensatzes (38), der das Werkstück (14) in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten definiert, wobei die Auswerte- und Steuereinheit (34) dazu eingerichtet ist, das Strukturierungswerkzeug (30) in Abhängigkeit von dem Datensatz (38) zu steuern, um die Vielzahl von aufeinanderfolgenden Werkstückschichten aus dem partikelförmigen Material (20) herzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass der Inspektionssensor (42) eine Zeilenkamera (44) und eine Zeilenlichtquelle
(46) aufweist, die sich jeweils quer zu der Bewegungsrichtung (29) erstrecken, wobei der Inspektionssensor (42) ferner mit einem Positionsencoder (48) gekoppelt ist, der ein Positionssignal erzeugt, welches eine Momentanposition des Inspektionssensors (42) relativ zu der Fertigungsplattform (12) repräsentiert, wobei die Auswerte- und Steuereinheit (34) dazu eingerichtet ist, mit Hilfe der Zeilenlichtquelle (46) und der Zeilenkamera (44) sowie mit Hilfe des Positionssignals ein ortsaufgelöstes Bild von der definierten Materialschicht (18) und/oder von der Werkstückschicht (16) zu erzeugen, und wobei die Auswerte- und Steuereinheit (34) dazu eingerichtet ist, das Strukturierungswerkzeug (32 ferner in Abhängigkeit von dem ortsaufgelösten Bild zu steuern.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Schichtbildungswerkzeug (22), das dazu eingerichtet ist, die definierte Materialschicht (18) aus dem partikelförmigen Material (20) auf der Fertigungsplattform (12) zu bilden, wobei das Schichtbildungswerkzeug (22) relativ zu der Fertigungsplattform (12) entlang der Bewegungsrichtung (29) bewegbar ist, und wobei der Inspektionssensor (42) an dem Schichtbildungswerkzeug (22) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtbildungswerkzeug (22) einen Materialauslass (78) zum Austragen des partikelförmigen Materials (20) aufweist, und dass der Inspektionssensor (42) eine erste Zeilenkamera und eine zweite Zeilenkamera aufweist, wobei die erste Zeilenkamera in der Bewegungsrichtung (29) vor dem Materialauslass (78) angeordnet ist, und wobei die zweite Zeilenkamera in der Bewegungsrichtung nach dem Materialauslass (78) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeilenlichtquelle (46) eine Vielzahl von Lichtelementen (84) aufweist, wobei die Auswerte- und Steuereinheit (34) dazu eingerichtet ist, die Vielzahl von Lichtelementen (84) selektiv zu aktivieren, um eine Beleuchtung der definierten Material- Schicht (18) und/oder Werkstückschicht (16) aus verschiedenen Richtungen zu erzeugen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Inspektionssensor (42) zumindest zwei Zeilenlichtquellen aufweist, wobei eine erste Zeilenlichtquelle (46b) von den zumindest zwei Zeilenlichtquellen in der Bewegungsrichtung (29) vor der Zeilenkamera (44) angeordnet ist, und wobei eine zweite Zeilenlichtquelle (46a) von den zumindest zwei Zeilenlichtquellen in der Bewegungsrichtung (29) nach der Zeilenkamera (44) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeilenlichtquelle (46) eine Vielzahl von Lichtelementen (84) mit voneinander verschiedenen Lichtfarben aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Inspektionssensor (42) eine erste Zeilenkamera (44a) und eine zweite Zeilenkamera (44b) aufweist, wobei die erste Zeilenkamera eine erste optische Achse (58a) besitzt, die orthogonal zu der definierten Materialschicht (18) verläuft, und wobei die zweite Zeilenkamera eine zweite optische Achse (58b) besitzt, die schräg zu der definierten Materialschicht (18) verläuft.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste optische Achse (58a) und die zweite optische Achse (58b) an der definierten Materialschicht (16) schneiden.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zeilenkamera (46a) eingerichtet ist, ein ortsaufgelöstes Temperaturbild von der der definierten Werkstückschicht (16) zu erzeugen.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (34) dazu eingerichtet ist, ein erstes Bild, das mit der ersten Zeilenkamera (46a) erfasst wurde, und ein zweites Bild, das mit der zweiten Zeilenkamera (46b) erfasst wurde, miteinanderzu korrelieren.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeilenlichtquelle (46) schräg zu der definierten Werkstückschicht (16) ausgerichtet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeilenkamera (44) eine Mehrzeilenkamera ist, die eine Vielzahl von benachbarten Kameraelementen (72) in der Bewegungsrichtung (29) besitzt.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch einen Mustergenerator (52), der über der Fertigungsplattform (12) angeordnet ist.
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