WO2023016759A1 - Verbesserung der positionsgenauigkeit der energiezufuhr in einer additiven fertigungsvorrichtung - Google Patents

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WO2023016759A1
WO2023016759A1 PCT/EP2022/070042 EP2022070042W WO2023016759A1 WO 2023016759 A1 WO2023016759 A1 WO 2023016759A1 EP 2022070042 W EP2022070042 W EP 2022070042W WO 2023016759 A1 WO2023016759 A1 WO 2023016759A1
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layer
energy supply
supply device
movement
radiation
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PCT/EP2022/070042
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Alois LOHR
Uwe STARR
Thomas Mattes
Alexander Prillwitz
Michael GÖTH
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Eos Gmbh Electro Optical Systems
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Definitions

  • the present invention relates to a calibration method of a device for the layer-by-layer additive manufacturing of three-dimensional objects and to a device that can be calibrated by such a calibration method for the layer-by-layer additive manufacturing of a number of three-dimensional objects.
  • Additive manufacturing devices and associated methods to which the invention relates are generally characterized in that they manufacture objects by solidifying a formless building material (e.g., a metal or plastic powder) layer by layer.
  • the solidification can be brought about, for example, by supplying thermal energy to the building material by means of irradiating it with electromagnetic radiation or particle radiation (e.g. laser sintering (SLS or DMLS) or laser melting or electron beam melting).
  • electromagnetic radiation or particle radiation e.g. laser sintering (SLS or DMLS) or laser melting or electron beam melting.
  • SLS or DMLS electromagnetic radiation or particle radiation
  • laser sintering or laser melting a laser beam is moved over those points of a layer of the construction material that correspond to the object cross section of the object to be produced in this layer, so that the construction material is solidified at these points.
  • the building material After the building material has been melted or sintered at one point by the supply of thermal energy, the building material is no longer in a shapeless state after cooling, but is present as a solid body. After all points of an object cross-section to be solidified have been scanned, a new layer of the building material is applied and also solidified at the points corresponding to the cross-section of the object in this layer.
  • the selective irradiation of the applied powder layer can be done, for example, in that a laser beam through a deflection device formed, for example, from galvanometer mirrors, is deflected in such a way that its point of impingement on the powder surface is moved over the points to be solidified.
  • WO 2015/091485 A1 discloses an irradiation device (sometimes also called an exposure device) that contains a plurality of laser arrays.
  • Each of these laser arrays is made up of a number of individual VCSELs (vertical cavity surface-emitting lasers), which are switched on or off together.
  • the laser arrays are imaged onto the powder surface using an optical element.
  • a selective irradiation process can take place more quickly, since different areas of the powder layer can be irradiated approximately at the same time or at least with a large temporal overlap.
  • the object is achieved by a calibration method according to claim 1 and a device according to claim 10.
  • Further developments of the invention are claimed in the dependent claims.
  • a device according to the invention can also be further developed by features of the method according to the invention that are set out below or in the dependent claims, and vice versa.
  • the features described in connection with a device according to the invention can also be used to develop another device according to the invention, even if this is not explicitly stated.
  • a control device for controlling the layer-by-layer additive manufacturing process having: a control device for controlling the layer-by-layer additive manufacturing process, a layer application device which is designed to apply a layer of an amorphous building material on a building base or an already manufactured layer within of a construction field, and an energy supply device, which is designed to solidify defined locations of the provided layer, which are associated with the cross sections of the number of objects in this layer, by supplying electromagnetic radiation, wherein the energy supply device is designed for supplying electromagnetic radiation to be moved to the specified points on the construction field and the energy supply device for this movement a predefined target direction (X) is specified and wherein the energy supply device e has a number of radiation emitters, which are arranged along an arrangement direction (Y) transversely to the predefined target direction (X), and radiation emitters, depending on the specified locations, the control device specifies at which emission locations over the construction field radiation is to be emitted, is determined whether the direction of movement (B) of
  • the present invention relates to the calibration of layer-by-layer additive manufacturing devices in which energy as electromagnetic radiation is selectively applied to a layer of build material.
  • the working level also referred to as the construction level
  • the construction level is a level in which the upper side of the layer lies to which the energy is supplied, usually the uppermost layer of the layer stack resulting from the layer-by-layer production.
  • the construction area is the area of the working level in which objects can be produced in layers.
  • the invention relates to laser sintering or laser melting, with heat being supplied to the building material by radiation, so that it at least partially melts and, after cooling, is in a solid, no longer shapeless state, ie is solidified. Since the transitions between partial (ie superficial in the case of powder grains) melting (sintering) and complete melting (melting) are fluid, the terms sintering and melting are used synonymously in the present application and no distinction is made between sintering and melting.
  • the methods and devices to which the present invention relates concern the production of three-dimensional objects, in other words it does not relate to the formation of layers on carrier materials (coatings). Nevertheless, the use of fuselage components should also be included, in which a partial volume of the complete component is supplemented by means of the additive manufacturing process.
  • the shapeless building material can be a powdery or a paste-like material. It is preferably a polymer-containing building material. It should also be noted at this point that, by means of an additive manufacturing device according to the invention, not only one object but also several objects can be manufactured at the same time. If the production of an object is discussed in the present application, then it goes without saying that the respective description can also be applied in the same way to additive production methods and devices in which several objects are produced simultaneously. Furthermore, the term “number” is always used in the sense of “one or more” in the present application. Furthermore, it should be noted that an object in an additive manufacturing process can also be just a component or a portion of the actual object representing the end product.
  • the energy supply device In order to supply the electromagnetic radiation to the building material, the energy supply device is moved in a plane above the building field, which is parallel to the building plane. If, in practice, unintentional minor deviations from the parallelism of the planes should occur, these can be corrected independently of the procedure described here or in the course of the procedure described here.
  • a predefined target direction (X) is specified for the movement of the energy supply device. This means the motion is constructively constrained to linear motion in one dimension in the plane.
  • target direction (X) should not necessarily imply that the movement can only take place in one direction in the plane. Rather, movement in the opposite direction (so to speak -X) will usually also be possible, although the energy supply device normally always moves in the same direction (i.e. not back and forth) for the solidification of the total number of specified locations in a layer.
  • the direction of motion B With any linear motion control in a desired direction, it cannot be ruled out that the direction of motion B will deviate from the desired direction, even with careful design of the components that guide the movement. According to the present procedure, it is therefore checked whether such a deviation from the direction of movement occurs and the radiation supply for the selective solidification of the building material is corrected accordingly.
  • the deviation can result in a linear movement in a direction other than the target direction or in express different directions.
  • the deviation can also be caused by a rotary movement.
  • the deviation can only be temporary, ie it can only occur at certain positions in the desired direction, or at almost all points in the desired direction from the first occurrence of a deviation during movement in the desired direction.
  • the last case relates in particular to a cumulative increase in the deviation of the direction of movement from the target direction.
  • the deviation can only be determined at a predetermined maximum number of positions of the energy supply device in the target direction, or it is determined at as many positions as possible whether a deviation occurs. This depends entirely on the accuracy requirements in the layer-by-layer additive manufacturing of three-dimensional objects. In the latter case, the number of positions at which a deviation is determined can be linked to the spatial resolution of the linear guide in the desired direction (e.g. when using a stepping motor).
  • the electromagnetic radiation can be supplied to several points of the building material layer to be solidified at the same time or at least with a temporal overlap, so that the solidification step for one layer can take place in a shorter time compared to, for example, a laser scanner.
  • the direction of arrangement is preferably essentially perpendicular, preferably exactly perpendicular to the desired direction, embodiments are also possible in which the desired direction and the direction of arrangement enclose an angle that differs from 90°. Irrespective of this, it is possible for the radiation emitters to be offset relative to one another in a direction perpendicular to the arrangement direction.
  • each radiation emitter preferably consists of a number of diode lasers, eg VCSELs or VECSELs.
  • the control device via which the individual components of the device for layer-by-layer additive manufacturing are controlled in a coordinated manner for carrying out the layer-by-layer additive construction process, can also be arranged partially or entirely outside of the additive manufacturing device.
  • the control device preferably contains a CPU, the operation of which is controlled by a computer program (software).
  • the computer program can be stored separately from the additive manufacturing device in a memory device from where it can be loaded (e.g. via a network) into the controller.
  • control device specifies to the individual radiation emitters at which locations in the plane parallel to the construction plane the individual radiation emitters should emit radiation during the movement of the radiation supply device over the construction field.
  • emission locations of the radiation emitters correspond to defined locations of the layer provided, at which building material is to be solidified.
  • the control device or its software is prompted to automatically assign at least some of the radiation emitters other emission locations than those which would have been assigned to these radiation emitters had there not been a deviation.
  • the control device automatically changes the locations at which radiation emitters should emit radiation, so that the emission locations correctly correlate with the specified locations of the building material layer to be solidified . It is therefore understood that other emission locations are not necessarily assigned to all of the radiation emitters contained in the energy supply device, but often only to some of them Radiation emitters are assigned other emission sites. The number of radiation emitters to which other emission locations are assigned often depends on the extent of the deviation determined.
  • the radiation power emitted by the radiation emitters can optionally also be changed. This procedure relates to the case in which the radiation emitters can not only be switched on and off, but the radiation power emitted by radiation emitters can also be modified.
  • the angle (ctj) between the predefined target direction (X) and the direction of movement (B) is preferably determined and a decision is made that there is a deviation if this angle (ctj) exceeds a specified tolerance angle (ctref).
  • the emission locations of the radiation emitters are slightly shifted as a result of the deviation of the direction of movement from the desired direction.
  • the tolerance for minor deviations can be taken into account by specifying the tolerance angle. A modification or adaptation of the emission locations then only takes place in those cases in which the displacement of the emission locations in relation to the locations of the building material layer which are to be solidified can no longer be tolerated. If the deviation falls below the tolerance angle, the shift in the emission locations resulting from the deviation is tolerated. In principle, any small tolerance angle (0°) can be specified. However, a lower limit automatically results from the measurement accuracy with which the tolerance angle can be determined.
  • the energy supply device is preferably moved with or without the supply of electromagnetic radiation to the defined points over the construction field. With this procedure, it is possible to determine deviations in the direction of movement from the desired direction that occur during a movement of the energy supply device across the construction field, independently of a manufacturing process running in the device for layer-by-layer additive manufacturing. To determine deviations, the energy supply device is moved over the construction area, preferably the entire construction area, and it is checked at individual positions in the desired direction whether there is a deviation between the direction of movement and the desired direction.
  • the control device can then be modified in such a way that in subsequent manufacturing processes it takes into account the deviations that have occurred at the corresponding positions of the energy supply device in the desired direction by specifying other emission locations at these positions.
  • deviations can be determined before the device for layer-by-layer additive manufacturing is put into operation for the first time or after a long period of downtime, after conversions or changes in the environmental conditions, e.g. B. Changes in the ambient temperature at the installation site or transition to the production of other objects.
  • the deviations can also be determined continuously during the production process, for example in order to counteract gradual changes.
  • information about positions (XJ) in the target direction (X) at which a deviation was determined is stored in a storage device and the information stored in the storage device is accessed for specifying the other emission locations of the radiation emitters.
  • the control device can then obtain the positions in the desired direction at which a deviation occurred by accessing the memory device.
  • the memory device can be any type of volatile or non-volatile memory.
  • a storage device present in the control device itself for example a RAM, EPROM, etc., or a storage medium to which the control device can have read access, for example a CD-ROM or DVD, would be grateful Storage device arranged in a completely different location than the layer-by-layer additive manufacturing apparatus, the storage device being accessed via a LAN, in particular the Internet.
  • a cloud-based implementation of the memory device could also be considered, which then also includes storage on a number of different memory devices.
  • the device for layer-by-layer additive manufacturing has an interface for receiving control data for controlling the sequence of a layer-by-layer additive manufacturing process, the control data having at least one data model of the number of objects to be manufactured, in which radiation emitters it is specified at which emission locations above the Construction field radiation is to be emitted for supplying electromagnetic radiation to specified locations of a provided layer, which are assigned to the cross sections of the number of objects in this layer, the control device specifying other emission locations for radiation emitters by making changes in an accepted data model.
  • the control data can contain instructions for applying layers of the building material one after the other and for applying radiation to regions of the respective layers which correspond to the cross section of an object to be produced in order to solidify the building material there.
  • control data have a data model that is derived from a computer-based model of the object or objects to be produced, preferably a CAD model of the same.
  • control data for each build-up material layer specifies at which emission locations radiation emitters should emit radiation when the energy supply device is moved over the build field in order to solidify locations of the build-up material layer. These emission locations are derived from a computer-based model of the object or objects to be produced, preferably a CAD model of the same.
  • the interface for receiving control data can in particular be an interface known in the prior art for receiving digital data, such as a PCI bus, AGP, SCSI, USB or FireWire interface, the list is not exhaustive.
  • the use of a device for layer-by-layer additive manufacturing with such an interface allows users of the device to provide the device with the control data with a data model for the production of the objects desired by the users.
  • the control device modified by the calibration method can automatically modify the received data model at the positions of the energy supply device in the target direction at which a deviation was determined.
  • the data model specified by a user for the number of objects to be produced is predistorted before the start of the production process or before the start of the irradiation process of a layer and the production process is carried out on the basis of the predistorted data model.
  • the control device is preferably caused to specify other emission locations for radiation emitters during an additive manufacturing process, preferably during a movement of the energy supply device over the construction field.
  • deviations between the direction of movement and the target direction are determined during a movement of the energy supply device over the construction site for supplying the radiation to the construction material.
  • the presence of a deviation can be determined at each new position in the target direction that the energy supply device reaches.
  • the controller automatically specifies different emission locations for radiation emitters than those which would have been specified had there not been an anomaly.
  • the control device of the additive manufacturing device is therefore designed in such a way that it either initiates the determination of deviations itself or can at least receive the information about the existence of a deviation, in order in both cases, if a deviation exists to automatically specify other places of emission.
  • the angle between the direction of movement and the target direction is also determined or communicated to the control device, so that the control device can then use this information to change emission locations.
  • a deviation is preferably determined only at a predetermined number of positions (XJ) in the desired direction (X).
  • the positions in the target direction at which a deviation is determined can be specified, for example, where there is already a suspicion in advance that there may be a deviation from the linear movement.
  • a suspicion can, for example, stem from a calibration process that has already taken place in the past or be justified by the knowledge that particularly high temperatures or particularly large temperature differences occur in certain areas of the construction site during the additive manufacturing process. Such a procedure can reduce the effort involved in calibrating.
  • the associated deviations between the specified positions are calculated on the basis of the deviations determined at the positions (interpolation). It is also possible to specify a maximum number of positions so that, if the boundary conditions permit, a deviation can also be determined at a smaller number of positions in the target direction.
  • a deviation is preferably determined at positions (XJ) in the desired direction (X) which are at a predetermined distance (Ax) from one another.
  • the outlay for the calibration is limited by the fact that the presence of a deviation is only determined at certain positions.
  • the constant distance between the positions deviations are determined as uniformly as possible along the target direction.
  • a maximum distance between the positions in the target direction can also be specified, which must not be exceeded.
  • the calibration method it is preferably also determined whether the movement of the energy supply device results in a change in the distance between the radiation emitters and the construction area and, if this is the case, causes the control device to change the focal position of the radiation emitted by the radiation emitters.
  • a change in the distance from radiation emitters to the construction area can be caused by the fact that the movement of the energy supply device across the construction area does not run completely in one plane, i.e. the energy supply device as a whole is offset in a direction perpendicular to the plane in which the desired direction runs. In this case, the distance between all radiation emitters changes.
  • the plane in which the energy supply device is moved across the construction area cannot be completely parallel to the construction plane in which the construction area lies.
  • a different distance from the construction area can result for different radiation emitters, so that the distance of only some of the radiation emitters changes beyond a tolerable extent.
  • the focus position can be corrected by changing the distance between the energy supply device and the construction level and/or by introducing or changing an inclination of the energy supply device relative to the level of the construction field (the working or construction level) and/or by adjusting the focus become.
  • a device for the layer-by-layer additive manufacturing of a number of objects, which can be calibrated using a calibration method according to the invention, has: a control device for controlling the layer-by-layer additive manufacturing process, a layer application device that is designed to provide a layer of an amorphous building material on a building base or a layer that has already been produced within a building field, an energy supply device that is designed to provide specified points on the layer provided that correspond to the cross sections assigned to the number of objects in this layer, to be solidified by supplying electromagnetic radiation, wherein the energy supply device is designed to be moved over the construction field for supplying electromagnetic radiation to the specified locations and the energy supply device has a predefined target direction (X ) is specified, wherein the energy supply device has a number of radiation emitters, which are arranged along an arrangement direction (Y) transversely to the predefined desired direction (X), and radiation emitters in dependence
  • the control device specifies the emission locations at which radiation is to be emitted above the construction site, and the control device is designed at positions (
  • a device is set up in such a way that, in the event of deviations in the direction of movement of the energy supply device from the desired direction, it automatically changes the locations at which the radiation emitters are intended to emit radiation.
  • the control device of the device is designed in such a way that it can either take into account the information about deviations determined before a production process during the production process or else automatically determine the information during the production process and take it into account immediately.
  • the device is thus designed in such a way that a calibration method according to the invention can be carried out for this device.
  • This can eliminate the need for a user of the device to calibrate the device before use or from time to time.
  • Deviations in the direction of movement from the target direction can in particular also be determined by the manufacturer of the device or the device can do this automatically during the course of a hardening process of a layer of building material.
  • the device preferably has a linear guide, through which the energy supply device is guided as it moves across the construction site.
  • the linear guide can be implemented by means of a number of rails, in particular one or two rails, which serve to guide the movement of the energy supply device in a straight line.
  • the energy supply device is connected to the rail(s) by means of a coupling device (e.g. carriage or carriage).
  • the linear guide also preferably has two parallel rails spaced apart from one another, on which the movement of the energy supply device is guided by means of two carriages.
  • Such a configuration of the linear guide has the advantage that it can be used to ensure a particularly linear movement.
  • the energy supply device is arranged between rails arranged on two sides of the construction area.
  • Such a configuration of the linear guide has the advantage that it ensures a particularly stable construction, in which the energy supply device mounted on the two rails then spans like a bridge over the construction site.
  • the device according to the invention for the layer-by-layer additive manufacturing of a number of objects preferably also has a position detector which is designed to determine whether the movement of the energy supply device deviates from the predefined target direction (X) in the direction of movement (B) of the energy supply device.
  • a position detector determines, for example, the angle between the direction of movement of the energy supply unit and the target direction.
  • a camera can be used for this purpose, which is preferably arranged above the energy supply unit and the construction area.
  • the position detector can have a linear measuring system (e.g. a glass scale, an inductive displacement sensor, an interferometer or a combination of linear measuring system and angle measuring system (glass scale and autocollimator).
  • the device according to the invention for the layered additive manufacturing of a number of objects in which the linear guide has two parallel rails spaced apart from one another, preferably also has a position detector which is designed to determine whether the movement of the energy supply device has resulted in a deviation in the direction of movement (B ) of the energy supply device comes from the predefined desired direction (X), the position detector comprising two position measuring units, each of which is attached to one of the two rails and is suitable for determining the position of the respective carriage on the rail.
  • the position of the coupling devices e.g. the carriages determined at a given point in time, with which the energy supply units are coupled to the rails, is determined and a deviation between the direction of movement and the desired direction is determined from this, for example via the distance between the position measuring units, and the calculated positions of the angle between the direction of movement of the energy supply unit and the target direction.
  • Linear measuring systems eg inductive position sensors, interferometers
  • the position detector is designed to determine an angle (ctj) between the predefined desired direction (X) and the direction of movement (B).
  • the information about the deviation that has occurred can be taken into account in a simple manner when redefining emission locations, particularly if the arrangement of the radiation emitters on the energy supply device follows a complex pattern.
  • the position detector is a camera arranged above the energy supply device.
  • the camera can either be an optical camera, which then takes pictures of the energy supply device and its linear guide in particular, or an infrared camera, which takes pictures of the irradiated layer of building material, which can be used to draw conclusions about a deviation between the direction of movement and the desired direction. Due to the energy supply, the irradiated areas of the building material layer have a higher temperature than the surrounding building material, which is reflected in the IR image. Deviations can then be determined by determining geometric deviations from the associated object cross section (or part thereof) specified in the input data of the additive manufacturing device.
  • the device according to the invention for the layer-by-layer additive manufacturing of a number of objects also has a checking unit that is designed to determine the presence of a deviation if the angle (ctj) determined by the position detector exceeds a predetermined tolerance angle (ctref).
  • the test unit can be implemented in particular by means of software, in particular also by means of a program processed by a CPU contained in the control device.
  • the tolerance angle is preferably adjustable and, for example, dependent on the accuracy requirements for the objects to be produced. This means either the manufacturer of the additive manufacturing device can through Specification of the tolerance angle determine the accuracy of the additive manufacturing device or a user of the device can adapt the device to his requirements by changing the tolerance angle.
  • a method according to the invention for the layer-by-layer additive manufacturing of a number of objects comprises a calibration method according to the invention.
  • the accuracy of the manufactured objects can be improved in a simple manner by means of such a layer-by-layer additive manufacturing method.
  • FIG. 1 shows a schematic, partially sectioned view of an exemplary apparatus for additively manufacturing a three-dimensional object in accordance with the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic plan view of a construction field with a line exposer to which the present invention can be applied.
  • FIG. 3 schematically illustrates the problem solved by the invention.
  • FIG. 5a is a schematic bottom view of an imagesetter included in the apparatus shown in FIG. 1.
  • FIG. 5a is a schematic bottom view of an imagesetter included in the apparatus shown in FIG. 1.
  • Figure 5b is a schematic view of a laser module included in the imagesetter shown in Figure 5a.
  • FIG. 5c is a schematic view of a laser array included in the laser module shown in FIG. 5b. 6 illustrates the course of a calibration method according to a first embodiment
  • FIG. 7 schematically shows details of the structure of a control device of an additive manufacturing device according to a first specific embodiment.
  • FIG. 9 schematically shows details of the structure of a control device of an additive manufacturing device according to a second specific embodiment.
  • FIG. 1 An exemplary device 1 which is calibrated according to the two embodiments of the present invention is first described below with reference to FIG. 1 .
  • the device shown in FIG. 1 is a laser sintering or laser melting device 1 .
  • it For building an object 2, it contains a process chamber 3 with a chamber wall 4.
  • a container 5 which is open at the top and has a container wall 6 is arranged in the process chamber 3 .
  • a working plane 7 is defined by the upper opening of the container 5 , the area of the working plane 7 lying within the opening, which can be used for constructing the object 2 , being referred to as the construction field 8 .
  • a carrier 10 Arranged in the container 5 is a carrier 10 that can be moved in a vertical direction V and to which a base plate 11 is attached, which closes off the container 5 at the bottom and thus forms its bottom.
  • the base plate 11 may be a plate formed separately from the bracket 10 and fixed to the bracket 10, or may be formed integrally with the bracket 10.
  • a construction platform 12 can also be attached to the base plate 11 as a construction base, on which the object 2 is built.
  • the object 2 can also be built directly on the base plate 11, which then serves as a building base.
  • In 1 shows the object 2 to be formed in the container 5 on the construction platform 12 below the working plane 7 in an intermediate state with several solidified layers, surrounded by construction material 13 that has remained unsolidified.
  • the laser sintering device 1 also contains a reservoir 14 for a powdery or pasty construction material 15 that can be solidified by electromagnetic radiation and a coater 16 that can be moved in a horizontal direction H for applying the construction material 15 within the construction area 8.
  • the coater 16 preferably extends transversely to its direction of movement the entire area to be coated.
  • a radiant heater 17 is arranged in the process chamber 3, which is used to heat the build-up material 15 applied.
  • An infrared radiator for example, can be provided as the radiant heater 17 .
  • the laser sintering device 1 also contains, as an energy supply device for supplying electromagnetic radiation to the building material, an exposure unit 18 which can also be moved in a horizontal direction and which generates a laser radiation 19 which is focused on the working plane 7 .
  • the exposer 18 is designed as a line exposer that is able to expose an area that extends transversely, in particular perpendicularly, to its direction of movement, which is also referred to as a line and extends over the entire area to be exposed.
  • FIG. 2 shows a schematic plan view of the construction field 8, which shows the line exposer 18 to be moved in the desired direction X.
  • This has an exposure arm 31 with a longitudinal axis which extends perpendicularly to the desired direction X.
  • the exposure arm 31 is rigidly connected to a coupling device 30, which is arranged in the extension of its longitudinal axis.
  • Two carriages 30a and 30b are attached to the coupling device 30 and can each be slidably moved along one of the two parallel rails 28a and 28b.
  • To register the position of each carriage along the direction of extension (trajectory) of its rail is at each attached to the two carriages is a position measuring unit 32a or 32b.
  • the motor for moving the imagesetter 18 (for example a stepper motor) is not shown in the figures for reasons of clarity.
  • the line exposure unit 18 has a plurality of independently controllable exposure units (i.e. radiation emitters) 80 which are arranged next to one another perpendicularly to the direction of movement of the line exposure unit (referred to as the Y direction in Figure 2) and each independently of one another apply laser radiation to the under the line exposure unit 18 lying work level 7 can direct.
  • n exposure units 801, 802, . . . 80n are present, where n is a natural number and has the value 184, for example. It is assumed in the further course of the description that the exposure unit 801 is at the shortest distance from the rail 28a and the exposure unit 80n is at the greatest distance.
  • the laser sintering device 1 contains a control device 20, via which the individual components of the device 1 (e.g. the motor for moving the imagesetter 18) are controlled in a coordinated manner for carrying out the building process.
  • the control device can also be arranged partially or entirely outside of the device.
  • the controller may include a CPU whose operation is controlled by a computer program (software).
  • the computer program can be stored on a storage medium from which it can be loaded into the device, in particular into the control device.
  • the term "controller” includes any computer-based controller capable of controlling or regulating the operation of an additive manufacturing device or at least one of the components thereof.
  • the connection between the control device and the controlled components does not necessarily have to be cable-based, but can also be implemented by radio, in that the control device has appropriate radio receivers and transmitters.
  • control device 20 In the additive manufacturing device just described as an example, a manufacturing process takes place in such a way that the control device 20 generates a control data record processed, which is read by the control device.
  • the control data record specifies at which points within the construction field 8 laser radiation is to be directed onto the working plane 7 (and thus onto the construction material 15). This means that the control data record specifies which exposure units 801 . . .
  • the specification of the respective exposure unit 80i in the control data record corresponds to the position of the location to be irradiated in a direction perpendicular to the target direction X. In other words, locations above the construction area are specified in the control data record by specifying data triplets (Xj, 80i, Pij).
  • control device 20 For each layer in the layered production of an object, the control device 20 causes the coater 16 to apply a layer of the construction material 15 in order to then move the line exposer 18 by means of a linear guide in the desired direction X over the construction field 8 and in accordance with the specifications in the control data record for to drive the selective exposure of the build material.
  • deviations in the direction in which the linear guide moves the imagesetter 18 over the construction field 8 from the desired direction X are determined and the additive manufacturing device is calibrated such that such deviations are automatically taken into account during additive manufacturing processes of objects.
  • FIG. 3 schematically illustrates the problem solved by the invention.
  • FIG. 3 also shows a schematic top view of the construction field 8 with the line exposer 18 to be moved in the desired direction X.
  • FIG. 3 features that are identical to those in FIG. 2 are provided with the same reference symbols .
  • the straightness of the movement of the imagesetter 18 depends on the straightness of the rails 28a and 28b serving as linear guides. Just one Rail length/construction area length in the range of approx. 50 cm cannot be ruled out that manufacturing tolerances lead to deviations from straightness.
  • a deviation in the straightness of the rails is shown oversized for reasons of illustration.
  • the curvature of the rails means that when the imagesetter 18 moves in the desired direction X, an additional rotational movement by the angle ⁇ is added.
  • the exposure units do not occupy a position Xj specified in the control data set in the target direction.
  • the offset of the exposure units in the X-direction is also dependent on the distance of an exposure unit from the rails, which is illustrated in FIG. 3 using exposure units 80j and 80m.
  • the dashed line shows the position at the point Xj that the exposure units 80j and 80m would assume for an exactly straight-line movement of the imagesetter 18 in the desired direction.
  • control device 20 just described and the mode of operation of the control device 20 just described apply not only to the following first embodiment, but also to the control device 200 of the second embodiment described further below.
  • deviations in the direction in which the linear guide moves the exposure device 18 over the construction field 8 from the target direction X are determined before the start of a manufacturing process, and the additive manufacturing device is calibrated in such a way that it automatically takes such deviations into account during additive manufacturing processes of objects.
  • a control device 20 of the additive manufacturing device it is necessary for a control device 20 of the additive manufacturing device to be designed in a special way. The course of the calibration method is described below with reference to FIG. 6 , with FIG. 7 illustrating relevant details of the structure of the control device 20 .
  • the values supplied by the position measuring units 32a and 32b are compared with one another at selected positions Xj in the desired direction X. If at a position Xj the difference ⁇ j of the values supplied by the position measuring units 32a or 32b exceeds a tolerance value, this difference ⁇ j is converted into an angle ctj.
  • the angle ctj is arctan (öj/L1), where L1 is the distance between the rails perpendicular to the direction of the rails.
  • the angle ctj is then stored in a deviation table together with the associated position Xj.
  • the selected positions Xj are preferably selected in such a way that they cover the entire length of the construction field 8 in the target direction X as far as possible.
  • correction data are calculated from the pairs of values stored in the deviation table and stored in a correction data table.
  • FIG. 4 it is explained below how the position error Aij is determined for an exemplary exposure unit 80i.
  • those features which are not necessary for the explanation are omitted in FIG. Otherwise, features identical to those in Figure 3 are given the same reference numerals.
  • the control device 20 contains, among other things, a control data access unit 101, a correction data storage unit 102, a control data correction unit 103 and an exposure control unit 104.
  • step S3 shown in Fig. 6 the correction data table previously generated in step S2 is stored in the correction data storage unit 102 of the control device 20 is stored.
  • the control data correction unit 103 is connected between the control data access unit 101 and the imagesetter control unit 104 .
  • control data correction unit 103 can carry out the following steps (i) to (ii) so that the imagesetter control unit 104 does not automatically carry out an irradiation based on the read-in control data triples.
  • step i) for each of the control data triples (Xj, 80i, Pij) specified in the control data record, it is checked whether a correction data triple (Xj, 80i, Aij) is stored for the position Xj in the control data triple in the correction data storage unit 102. Step ii) is carried out for the control data triples where this is the case.
  • step ii) the corresponding control data triple is modified to (Xj, ⁇ i, Pi(Xj+Aij)).
  • the value of Pij originally specified for an exposure unit 80i located at position Xj becomes one value is set which was originally specified for an exposure unit 80i located at position Xj+Aij.
  • control data set modified in this way can now (possibly after intermediate storage) be used as a basis by the exposure control unit 104 for the control of the exposure device 18 .
  • a modified control data record is initially generated before the start of construction.
  • deviations in the direction in which the linear guide moves the exposer 18 over the construction field 8 from the desired direction X are determined during a production process.
  • the additive manufacturing device thus calibrates itself during additive manufacturing processes of objects by determining such deviations during additive manufacturing processes and automatically taking them into account during the irradiation of a building material layer.
  • the additive manufacturing device has a control device 200 for this purpose.
  • step S1 shown in FIG. 8 a control data record is first read in by the control data access unit 201 shown in FIG. 9, which contains the control data for the production of a number of cross sections of an object, optionally also for the entire object.
  • step S2 the coater 16 is then prompted to apply a layer of the construction material 15 in order to then move the line exposer 18 in the desired direction X over the construction field 8 and to control it according to the specifications in the control data record for the selective exposure of the construction material.
  • the components required for this Control devices 200 are known in the prior art and are therefore not shown explicitly in FIG. 9 .
  • Step S2 also contains a sub-step that is not known in the prior art.
  • the deviation determination unit 202 shown in FIG. 9 reads out the values supplied by the position measuring units 32a and 32b and compares them with one another. If at a position Xj the difference ⁇ j of the values supplied by the position measuring units 32a or 32b exceeds a tolerance value, then the values specified in the control data for this position Xj for the exposure unit 80i are modified by a control data correction unit 203 shown in FIG. The procedure is explained with reference to FIG. 4 for an exemplary exposure unit 80i.
  • a position error Aij is determined for each position Xj of the line exposer 18 during the movement in the desired direction X, which indicates the difference in the X direction between the actual position of the exposure unit 80i and the position Xj.
  • control data triples which define the actuation of the imagesetter units 80i at position Xj, are modified in that the Control data triples (Xj, 80i, Pij) (1 ⁇ i ⁇ n) are replaced by data triples (Xj, 80i, Pi(Xj+Aij)).
  • the modified data triples (Xj, 80i, Pi(Xj+Aij) (1 ⁇ i ⁇ n) now become the Exposure control unit 204 is provided for the selective irradiation of the building material at the exposure position Xj.
  • the position measuring units 32a or 32b are first checked before the line exposer 18 supplies radiation to the construction material at the position Xj.
  • FIGS. 5a to 5c schematically show a view of the imagesetter 18 from below.
  • the direction of movement of the imagesetter over the construction area is indicated by an arrow X.
  • 5a shows how a plurality of laser modules 30 are arranged in mutually offset rows on the underside of the exposer 18.
  • FIG. 5 b shows how each laser module 30 is formed from a plurality of laser arrays 31 which represent the exposure units or radiation emitters 80 .
  • FIG. 5c shows how each laser array 31 is formed from a plurality of individual lasers 32.
  • the individual lasers 32 are in the form of semiconductor diode lasers of the VCSEL (vertical cavity surface-emitting laser) or VECSEL (vertical external cavity surface-emitting laser) type.
  • These laser sources have an emission direction perpendicular to the main extension (wafer plane) and a circularly symmetrical beam divergence and are particularly well suited for arrangement in two-dimensional arrays.
  • the individual lasers 32 are arranged hexagonally, but any other arrangement is possible. All lasers 32 of a laser array 31 are preferably driven simultaneously. The smallest individually controllable exposure unit 80 of the exposer 18 is then the laser array 31 . This has the advantage that if a single laser fails, a complete exposure unit does not fail, but the drop in performance can be compensated for by the other lasers in the laser array.
  • each laser module 30 is also provided for each laser module 30. Also provided for each laser module 30 is an optical element (not shown in the figure), with which the laser arrays 31 are imaged onto the working plane 7 . Each laser array 31 is imaged onto a picture element (pixel) in the working plane 7 . Each laser module 30 is aimed at a specific area in the working plane 7 . When the imagesetter 18 is moved in the target direction X, the pixels of the switched-on laser arrays 31 form a track.
  • the individual laser arrays 31 are arranged in two staggered rows in such a way that the tracks of their image points in the working plane adjoin one another when the laser module 30 moves in the desired direction X. If, for example, the laser arrays 31 have a width of 0.1 mm transversely to the desired direction X (i.e. transversely to the intended direction of movement of the imagesetter) and the optical element has a reducing image scale of 1:5, then the adjacent tracks of the laser arrays 31 have a width of 0.02mm In other words, the imagesetter 18 has a resolution of 0.02 mm in a direction transverse to its intended direction of movement.
  • a plurality of laser modules 30 are arranged in a row in the direction transverse to the desired direction X. Because of the optical reduction of the laser modules 30 by the optical element, the total width of a track formed when a laser module 30 moves in the desired direction from the pixels of all laser arrays 31 of the laser module 30 is narrower than the laser module 30 itself by the reduction scale. However, the grid dimension of the tracks of all laser modules in a row, i.e. the center distance between the tracks, corresponds to the (unreduced) grid dimension of the laser modules 30. A non-imageable area thus remains between the tracks that can be exposed by a single row of laser modules 30.
  • a number of rows of laser modules 30 are therefore arranged in an offset manner with respect to one another.
  • individual cascades are formed from laser modules 30, which lie one behind the other in the desired direction X, but are offset from one another in the direction transverse to the desired direction X.
  • the leftmost laser modules 30 of the five rows form a cascade.
  • Several such cascades are then arranged next to one another in the direction transverse to the desired direction X.
  • the laser modules 30 are offset from one another to such an extent that the tracks of the pixels of their laser arrays 31 adjoin one another.
  • a linesetter just described may contain 108 laser modules, each laser module may contain 32 laser arrays (exposure units), and each laser array may contain 282 VCSELs.
  • the imagesetter has 3456 individually controllable exposure units (laser arrays).
  • an angle between the direction of movement of the energy supply unit and the desired direction can also be determined using an autocollimator, which emits a measuring beam parallel to the construction level.
  • the exposure units will not only be offset in the X direction, but also in the Y direction (i.e. in a plane parallel to the building plane perpendicular to the X direction ) comes, but perishes is at least a factor of 10 less than the offset in the X direction and is therefore usually negligible.
  • the offset in the Y-direction be in the order of magnitude of the distance between the exposure units in the Y-direction
  • the values of Pij can be offset in the Y-direction for correction, i.e. the value Pij originally assigned to an exposure unit changes in the Y-direction Be assigned direction adjacent exposure unit.

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Abstract

Bei einem Kalibrierverfahren einer Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung von Objekten, die aufweist: eine Steuereinrichtung zur Steuerung des schichtweisen additiven Herstellvorgangs, eine Schichtauftragsvorrichtung, die ausgelegt ist, eine Schicht eines Aufbaumaterials bereitzustellen, und eine Energiezufuhrvorrichtung, die ausgelegt ist, Stellen der Schicht durch Zufuhr von elektromagnetischer Strahlung zu verfestigen, wobei die Energiezufuhrvorrichtung ausgelegt ist, über das Baufeld bewegt zu werden und der Energiezufuhrvorrichtung für diese Bewegung eine vordefinierte Sollrichtung (X) vorgegeben ist, und wobei die Energiezufuhrvorrichtung eine Anzahl von Strahlungsemittern aufweist, die entlang einer Anordnungsrichtung (Y) quer zur vordefinierten Sollrichtung (X) angeordnet sind, und Strahlungsemittern in Abhängigkeit von den Stellen durch die Steuereinrichtung vorgegeben wird, an welchen Emissionsorten über dem Baufeld Strahlung emittiert werden soll, wird ermittelt, ob es bei der Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung zu einer Abweichung der Bewegungsrichtung (B) von der vordefinierten Sollrichtung (X) kommt, und die Steuervorrichtung veranlasst, in Abhängigkeit einer ermittelten Abweichung Strahlungsemittern andere Emissionsorte vorzugeben.

Description

Verbesserung der Positionsgenauigkeit der Energiezufuhr in einer additiven Fertigungsvorrichtung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kalibrierverfahren einer Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung von dreidimensionalen Objekten sowie auf eine durch solch ein Kalibrierverfahren kalibrierbare Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung einer Anzahl von dreidimensionalen Objekten.
Additive Herstellvorrichtungen und zugehörige Verfahren, auf die sich die Erfindung bezieht, sind allgemein dadurch charakterisiert, dass in ihnen Objekte durch Verfestigen eines formlosen Aufbaumaterials (z.B. eines Metall- oder Kunststoffpulvers) Schicht für Schicht hergestellt werden. Die Verfestigung kann beispielsweise durch Zufuhr von Wärmeenergie zum Aufbaumaterial mittels Bestrahlens desselben mit elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung (z.B. Lasersintern (SLS oder DMLS) oder Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen) herbeigeführt werden. Beispielsweise beim Lasersintern oder Laserschmelzen wird ein Laserstrahl über jene Stellen einer Schicht des Aufbaumaterials bewegt, die dem Objektquerschnitt des herzustellenden Objekts in dieser Schicht entsprechen, so dass an diesen Stellen das Aufbaumaterial verfestigt wird. Nachdem an einer Stelle das Aufbaumaterial durch die Zufuhr von Wärmeenergie aufgeschmolzen bzw. gesintert wurde, liegt nach dem Abkühlen das Aufbaumaterial nicht mehr in formlosem Zustand, sondern als Festkörper vor. Nachdem alle zu verfestigenden Stellen eines Objektquerschnitts abgetastet wurden, wird eine neue Schicht des Aufbaumaterials aufgebracht und ebenfalls an den dem Querschnitt des Objekts in dieser Schicht entsprechenden Stellen verfestigt.
Das selektive Bestrahlen der aufgebrachten Pulverschicht kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein Laserstrahl durch eine Umlenkeinrichtung, die beispielsweise aus Galvanometerspiegeln gebildet ist, so abgelenkt wird, dass sein Auftreffpunkt auf der Pulveroberfläche über die zu verfestigenden Stellen bewegt wird.
Alternativ offenbart WO 2015/091485 A1 eine Bestrahlungsvorrichtung (manchmal auch Belichtungsvorrichtung genannt), die eine Mehrzahl von Laserarrays enthält. Jedes dieser Laserarrays ist aus einer Mehrzahl einzelner VCSEL (vertical cavity surface-emitting laser) aufgebaut, die gemeinsam ein- oder ausgeschaltet werden. Die Laserarrays werden mittels eines optischen Elements auf die Pulveroberfläche abgebildet. Durch selektives Ein- bzw. Ausschalten der Laserarrays und eine Bewegung der Belichtungsvorrichtung parallel zu der Pulveroberfläche kann die gesamte Pulverschicht selektiv belichtet werden. Mit solch einem System, das man auch als Zeilenbelichter bezeichnen kann, kann ein selektiver Bestrahlungsvorgang rascher vonstatten gehen, da unterschiedliche Stellen der Pulverschicht annähernd zeitgleich oder zumindest mit großer zeitlicher Überschneidung bestrahlt werden können.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung mussten allerdings feststellen, dass bei Verwendung eines Zeilenbelichters sich auch neue Probleme hinsichtlich der Positionsgenauigkeit ergeben können, mit der die Strahlung den zu verfestigenden Stellen der Pulverschicht zugeführt wird. Bei Verwendung von Galvanometerspiegeln zum Richten der Strahlung auf die Pulverschicht ist die Positionsgenauigkeit hinsichtlich der Lage des Auftreffpunkts auf der Pulveroberfläche unter anderem davon abhängig, wie rasch die Mechanik die von der Steuerung vorgegebenen Befehle in Winkelbewegungen umsetzen kann. Bei Verwendung eines Zeilenbelichters liegt demgegenüber ein ganz anderer Sachverhalt vor. Hier wird, im Gegensatz zu dem herkömmlichen Einsatz von Galvanometerspiegeln, eine deutlich größere Masse, nämlich der gesamte Belichter, bewegt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, durch welche bei Verwendung einer additiven Herstellvorrichtung mit Zeilenbelichter eine hohe Positionsgenauigkeit bei der Zuführung der Strahlung zu einer Aufbaumaterialschicht erzielbar sind. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Kalibrierverfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 10. Weiterbildungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beansprucht. Insbesondere kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung auch durch untenstehende bzw. in den abhängigen Ansprüchen ausgeführte Merkmale der erfindungsgemäßen Verfahren weitergebildet sein und umgekehrt. Ferner können die im Zusammenhang mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beschriebenen Merkmale auch zur Weiterbildung einer anderen erfindungsgemäßen Vorrichtung benutzt werden, selbst wenn dies nicht explizit angegeben wird.
Bei einem erfindungsgemäßen Kalibrierverfahren einer Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung einer Anzahl von Objekten, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Steuereinrichtung zur Steuerung des schichtweisen additiven Herstellvorgangs, eine Schichtauftragsvorrichtung, die ausgelegt ist, eine Schicht eines formlosen Aufbaumaterials auf einer Bauunterlage oder einer bereits hergestellten Schicht innerhalb eines Baufelds bereitzustellen, und eine Energiezufuhrvorrichtung, die ausgelegt ist, festgelegte Stellen der bereitgestellten Schicht, die den Querschnitten der Anzahl von Objekten in dieser Schicht zugeordnet sind, durch Zufuhr von elektromagnetischer Strahlung zu verfestigen, wobei die Energiezufuhrvorrichtung ausgelegt ist, zur Zufuhr von elektromagnetischer Strahlung zu den festgelegten Stellen über das Baufeld bewegt zu werden und der Energiezufuhrvorrichtung für diese Bewegung eine vordefinierte Sollrichtung (X) vorgegeben ist und wobei die Energiezufuhrvorrichtung eine Anzahl von Strahlungsemittern aufweist, die entlang einer Anordnungsrichtung (Y) quer zur vordefinierten Sollrichtung (X) angeordnet sind, und Strahlungsemittern in Abhängigkeit von den festgelegten Stellen durch die Steuereinrichtung vorgegeben wird, an welchen Emissionsorten über dem Baufeld Strahlung emittiert werden soll, wird ermittelt, ob es bei der Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung zu einer Abweichung der Bewegungsrichtung (B) der Energiezufuhrvorrichtung von der vordefinierten Sollrichtung (X) kommt, und die Steuervorrichtung veranlasst, in Abhängigkeit einer ermittelten Abweichung Strahlungsemittern andere Emissionsorte vorzugeben.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Kalibrierung von schichtweise arbeitenden additiven Herstellvorrichtungen, bei denen Energie als elektromagnetische Strahlung selektiv einer Schicht des Aufbaumaterials zugeführt wird. Die Arbeitsebene (auch als Bauebene bezeichnet) ist dabei eine Ebene, in der die Oberseite der Schicht liegt, welcher die Energie zugeführt wird, in der Regel die oberste Schicht des bei der schichtweisen Herstellung entstehenden Schichtstapels. Das Baufeld ist dabei jener Bereich der Arbeitsebene, in dem eine schichtweise Herstellung von Objekten stattfinden kann.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf das Lasersintern oder Laserschmelzen, wobei dem Aufbaumaterial durch Strahlung Wärme zugeführt wird, sodass dieses zumindest teilweise aufschmilzt und nach dem Abkühlen in festem, nicht mehr formlosem Zustand vorliegt, also verfestigt ist. Da die Übergänge zwischen teilweisem (bei Pulverkörnern also oberflächlichem) Aufschmelzen (Sintern) und vollständigem Aufschmelzen (Schmelzen) fließend sind, werden die Begriffe Sintern und Schmelzen in der vorliegenden Anmeldung synonym verwendet und nicht zwischen Sintern und Schmelzen unterschieden.
Ferner sei noch bemerkt, dass es bei den Verfahren und Vorrichtungen, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, um die Herstellung dreidimensionaler Objekte geht, mit anderen Worten bezieht sie sich nicht auf die Ausbildung von Schichten auf Trägermaterialien (Beschichtungen). Dennoch soll auch die Verwendung von Rumpf- Bauteilen mit umfasst sein, bei denen ein Teilvolumen des vollständigen Bauteils mittels des additiven Herstellverfahrens ergänzt wird.
Bei dem formlosen Aufbaumaterial kann es sich um ein pulverförmiges oder um ein pastoses Material handeln. Bevorzugt handelt es sich um polymerhaltiges Aufbaumaterial. Es sei an dieser Stelle auch angemerkt, dass mittels einer erfindungsgemäßen additiven Herstellvorrichtung nicht nur ein Objekt, sondern auch mehrere Objekte gleichzeitig hergestellt werden können. Wenn in der vorliegenden Anmeldung von der Herstellung eines Objekts die Rede ist, dann versteht es sich, dass die jeweilige Beschreibung in gleicher weise auch auf additive Herstellverfahren und - Vorrichtungen anwendbar ist, bei denen mehrere Objekte gleichzeitig hergestellt werden. Weiterhin wird in der vorliegenden Anmeldung der Begriff "Anzahl" stets im Sinne von "ein oder mehrere" verwendet. Ferner sei bemerkt, dass ein Objekt in einem additiven Herstellvorgang auch nur eine Komponente oder ein Abschnitt des eigentlichen das Endprodukt darstellenden Objekts sein kann.
Zur Zufuhr der elektromagnetischen Strahlung zum Aufbaumaterial wird die Energiezufuhrvorrichtung in einer Ebene oberhalb des Baufeldes bewegt, die parallel zur Bauebene ist. Wenn in der Praxis unbeabsichtigte geringfügige Abweichungen von der Parallelität der Ebenen auftreten sollten, so sind diese unabhängig von dem hier beschriebenen Vorgehen oder im Zuge des hier beschriebenen Vorgehens korrigierbar. Für die Bewegung ist der Energiezufuhrvorrichtung eine vordefinierte Sollrichtung (X) vorgegeben. Dies bedeutet, die Bewegung wird konstruktiv auf eine lineare Bewegung in einer Dimension in der Ebene beschränkt. Dabei soll der Begriff Sollrichtung (X) nicht zwangsweise implizieren, dass die Bewegung nur in einer Richtung in der Ebene stattfinden kann. Vielmehr wird in der Regel auch eine Bewegung in der Gegenrichtung (sozusagen -X) möglich sein, obwohl sich die Energiezufuhrvorrichtung für die Verfestigung der Gesamtzahl von festgelegten Stellen in einer Schicht normalerweise immer in der gleichen Richtung (also nicht vor und zurück) bewegt.
Bei jeder linearen Bewegungsführung in einer Sollrichtung kann nicht ausgeschlossen werden, dass es zu Abweichungen der Bewegungsrichtung B von der Sollrichtung kommt, selbst bei sorgfältiger Auslegung der Komponenten, die die Bewegung führen. Gemäß dem vorliegenden Vorgehen wird daher geprüft, ob solch eine Abweichung von der Bewegungsrichtung auftritt und die Strahlungszufuhr zur selektiven Verfestigung des Aufbaumaterials entsprechend korrigiert. Die Abweichung kann sich dabei in einer Linearbewegung in anderer Richtung als der Sollrichtung bzw. in unterschiedlichen Richtungen äußern. Weiterhin kann alternativ oder zusätzlich die Abweichung auch durch eine Drehbewegung hervorgerufen werden. In allen genannten Fällen kann die Abweichung nur temporär sein, also nur an bestimmten Positionen in Sollrichtung auftreten, oder aber an nahezu allen Stellen in der Sollrichtung ab dem erstmaligen Auftreten einer Abweichung bei der Bewegung in Sollrichtung. Der letzte Fall bezieht sich insbesondere auf ein kumulatives Anwachsen der Abweichung der Bewegungsrichtung von der Sollrichtung.
Die Abweichung kann lediglich an einer vorgegebenen Maximalzahl von Positionen der Energiezufuhrvorrichtung in der Sollrichtung ermittelt werden oder aber es wird an möglichst vielen Positionen ermittelt, ob eine Abweichung stattfindet. Dies hängt ganz von den Genauigkeitsanforderungen bei der schichtweisen additiven Herstellung von dreidimensionalen Objekten ab. Im letztgenannten Fall kann die Anzahl der Positionen, an denen eine Abweichung ermittelt wird, an die Ortsauflösung der Linearführung in Sollrichtung (z.B. bei Verwendung eines Schrittmotors) gekoppelt werden.
Wenn mehrere Strahlungsemitter in einer Anordnungsrichtung (Y) quer zur Sollrichtung (X), bevorzugt nebeneinander, angeordnet sind, dann kann dadurch mehreren zu verfestigenden Stellen der Aufbaumaterialschicht die elektromagnetische Strahlung zeitgleich oder zumindest mit zeitlicher Überschneidung zugeführt werden, so dass der Verfestigungsschritt für eine Schicht im Vergleich mit z.B. einem Laserscanner in verkürzter Zeit stattfinden kann. Obwohl die Anordnungsrichtung bevorzugt im Wesentlichen senkrecht, vorzugsweise exakt senkrecht zur Sollrichtung ist, sind auch Ausführungsformen möglich, bei denen die Sollrichtung und die Anordnungsrichtung einen von 90° verschiedenen Winkel einschließen. Unabhängig davon ist es möglich, dass die Strahlungsemitter in einer Richtung senkrecht zur Anordnungsrichtung gegeneinander versetzt sind. Denkbar ist es ferner auch, dass die Strahlungsemitter nicht lückenlos in der Anordnungsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Entscheidend ist vielmehr, dass die elektromagnetische Strahlung in Anordnungsrichtung lückenlos zugeführt werden kann, wobei es auch hiervon Ausnahmen geben kann, wenn z.B. einem sich in der Sollrichtung erstreckenden Streifen des Baufelds bewusst keine elektromagnetische Strahlung zugeführt werden soll. Bevorzugt besteht jeder Strahlungsemitter aus einer Anzahl von Diodenlasern, z.B. VCSELn oder VECSELn.
Die Steuereinrichtung, über die die einzelnen Bestandteile der Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung in koordinierter Weise zum Durchführen des schichtweisen additiven Bauprozesses gesteuert werden, kann auch teilweise oder ganz außerhalb der additiven Herstellvorrichtung angeordnet sein. Die Steuereinrichtung enthält bevorzugt eine CPU, deren Betrieb durch ein Computerprogramm (Software) gesteuert wird. Das Computerprogramm kann getrennt von der additiven Herstellvorrichtung in einer Speichervorrichtung gespeichert sein, von wo aus es (z.B. über ein Netzwerk) in die Steuereinrichtung geladen werden kann.
Insbesondere gibt die Steuereinrichtung den einzelnen Strahlungsemittern vor, an welchen Orten in der Ebene parallel zur Bauebene bei der Bewegung der Strahlungszufuhrvorrichtung über das Baufeld die einzelnen Strahlungsemitter Strahlung emittieren sollen. Diesen Emissionsorten der Strahlungsemitter entsprechen festgelegte Stellen der bereitgestellten Schicht, an denen Aufbaumaterial zu verfestigen ist.
Bei dem beschriebenen Kalibrierverfahren wird die Steuereinrichtung bzw. deren Software veranlasst, an Positionen entlang der Sollrichtung, an denen ermittelt wird, dass bei der Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung über die Bauebene eine Abweichung von der Sollrichtung stattfindet, automatisch zumindest einigen der Strahlungsemitter andere Emissionsorte zugewiesen werden als jene, die diesen Strahlungsemittern ohne Vorliegen einer Abweichung zugewiesen worden wären. Mit anderen Worten, da sich infolge der Abweichung die Lage der Strahlungsemitter in der Ebene parallel zur Bauebene ändert, ändert die Steuereinrichtung automatisch die Orte, an denen Strahlungsemitter Strahlung emittieren sollen, ab, damit die Emissionsorte korrekt mit den festgelegten zu verfestigenden Stellen der Aufbaumaterialschicht korrelieren. Es versteht sich daher, dass nicht unbedingt allen der in der Energiezufuhrvorrichtung enthaltenen Strahlungsemitter andere Emissionsorte zugewiesen werden, sondern oftmals auch nur einem Teil der Strahlungsemitter andere Emissionsorte zugewiesen werden. Die Anzahl der Strahlungsemitter, denen andere Emissionsorte zugewiesen werden, hängt oftmals vom Ausmaß der ermittelten Abweichung ab.
Es sei noch bemerkt, dass zusätzlich zur Abänderung der Emissionsorte optional auch noch die von den Strahlungsemittern abgegebene Strahlungsleistung abgeändert werden kann. Dieses Vorgehen bezieht sich auf den Fall, dass die Strahlungsemitter nicht nur an- und abschaltbar sind, sondern darüber hinaus die von Strahlungsemittern abgestrahlte Strahlungsleistung abgeändert werden kann.
Bevorzugt wird bei dem Kalibrierverfahren zur Ermittlung der Abweichung der Winkel (ctj) zwischen der vordefinierten Sollrichtung (X) und der Bewegungsrichtung (B) bestimmt und entschieden, dass eine Abweichung vorliegt, wenn dieser Winkel (ctj) einen vorgegebenen Toleranzwinkel (ctref) übersteigt.
In Abhängigkeit von den Genauigkeitsanforderungen bei der additiven Herstellung von Objekten kann manchmal toleriert werden, dass die Emissionsorte der Strahlungsemitter infolge der Abweichung der Bewegungsrichtung von der Sollrichtung geringfügig verschoben sind. Die Toleranz gegenüber geringfügigen Abweichungen kann durch die Vorgabe des Toleranzwinkels berücksichtigt werden. Eine Abänderung bzw. Anpassung von Emissionsorten findet dann nur in jenen Fällen statt, in denen die Verschiebung der Emissionsorte gegenüber den zu verfestigenden Stellen der Aufbaumaterialschicht nicht mehr toleriert werden kann. Sofern die Abweichung den Toleranzwinkel unterschreitet, wird die aus der Abweichung resultierende Verschiebung der Emissionsorte toleriert. Grundsätzlich kann man einen beliebig kleinen Toleranzwinkel (0°) vorgeben. Eine untere Grenze ergibt sich aber automatisch aus der Messgenauigkeit, mit der der Toleranzwinkel ermittelt werden kann.
Bevorzugt wird für die Ermittlung von Abweichungen die Energiezufuhrvorrichtung mit oder ohne Zufuhr von elektromagnetischer Strahlung zu den festgelegten Stellen über das Baufeld bewegt wird. Bei diesem Vorgehen ist es möglich, während einer Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung über das Baufeld auftretende Abweichungen der Bewegungsrichtung von der Sollrichtung unabhängig von einem in der Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung ablaufenden Herstellvorgang zu ermitteln. Zur Ermittlung von Abweichungen wird dabei die Energiezufuhrvorrichtung über das Baufeld, bevorzugt das gesamte Baufeld bewegt und an einzelnen Positionen in der Sollrichtung wird überprüft, ob eine Abweichung zwischen Bewegungsrichtung und Sollrichtung vorliegt. Basierend auf dem Ergebnis kann dann die Steuereinrichtung so abgeändert werden, dass sie in nachfolgenden Herstellvorgängen an den entsprechenden Positionen der Energiezufuhrvorrichtung in der Sollrichtung die aufgetretenen Abweichungen dadurch berücksichtigt, dass sie an diesen Positionen andere Emissionsorte vorgibt. Insbesondere kann die Ermittlung von Abweichungen vor der erstmaligen Inbetriebnahme der Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung durchgeführt werden oder aber nach längeren Standzeiten, nach Umbauten oder Änderungen der Umgebungsbedingungen, z. B. Änderungen der Umgebungstemperatur am Aufstellort bzw. Übergang zur Herstellung anderer Objekte. Die Ermittlung der Abweichungen kann abgesehen davon auch kontinuierlich während des Herstellvorgangs erfolgen, z.B. um schleichenden Veränderungen entgegenzuwirken.
Weiter bevorzugt wird eine Information über Positionen (XJ) in der Sollrichtung (X), an denen eine Abweichung ermittelt wurde, in einer Speichereinrichtung hinterlegt und für das Vorgeben der anderen Emissionsorte der Strahlungsemitter auf die in der Speichereinrichtung hinterlegte Information zugegriffen.
Bei dieser Vorgehensweise kann dann die Steuereinrichtung die Positionen in Sollrichtung, an denen eine Abweichung auftrat, durch Zugriff auf die Speichereinrichtung erhalten. Bei der Speichereinrichtung kann es sich dabei um jedwede Art von flüchtigem oder nichtflüchtigem Speicher handeln. Dankbar wäre eine in der Steuereinrichtung selbst vorhandene Speichereinrichtung, z.B. ein RAM, EPROM, etc., oder aber ein Speichermedium, auf das die Steuereinrichtung Lesezugriff haben kann, z.B. eine CD-ROM oder DVD, oder aber eine Speichereinrichtung, die an einem ganz anderen Ort angeordnet ist als die Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung, wobei der Zugriff auf die Speichereinrichtung über ein LAN, insbesondere das Internet, erfolgt. Insbesondere wäre auch an eine Cloud-basierte Implementierung der Speichereinrichtung zu denken, was dann auch die Speicherung auf mehreren verschiedenen Speichereinrichtungen umfasst.
Weiter bevorzugt wird weist die Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung eine Schnittstelle zur Entgegennahme von Steuerdaten zur Steuerung des Ablaufs eines schichtweisen additiven Herstellvorgangs auf, wobei die Steuerdaten zumindest ein Datenmodell der herzustellenden Anzahl von Objekten aufweisen, in welchem Strahlungsemittern vorgegeben wird, an welchen Emissionsorten über dem Baufeld Strahlung emittiert werden soll zur Zufuhr von elektromagnetischer Strahlung zu festgelegten Stellen einer bereitgestellten Schicht, die den Querschnitten der Anzahl von Objekten in dieser Schicht zugeordnet sind, wobei die Steuereinrichtung Strahlungsemittern andere Emissionsorte vorgibt, indem in einem entgegengenommenen Datenmodell Abänderungen vorgenommen werden.
Die Steuerdaten können Anweisungen enthalten, Schichten des Aufbaumaterials nacheinander aufzutragen und Bereichen der jeweiligen Schichten, die dem Querschnitt eines herzustellenden Objektes entsprechen, Strahlung zuzuführen, um dort das Aufbaumaterial zu verfestigen.
Im Detail weisen die Steuerdaten ein Datenmodell auf, das aus einem computerbasierten Modell des oder der herzustellenden Objekte, bevorzugt einem CAD-Modell derselben, abgeleitet ist. Im Detail legen die Steuerdaten für jede Aufbaumaterialschicht fest, an welchen Emissionsorten Strahlungsemitter beim Bewegen der Energiezufuhrvorrichtung über das Baufeld Strahlung emittieren sollen, um Stellen der Aufbaumaterialschicht zu verfestigen. Diese Emissionsorte sind dabei aus einem computerbasierten Modell des oder der herzustellenden Objekte, bevorzugt einem CAD-Modell derselben abgeleitet. Die Schnittstelle zur Entgegennahme von Steuerdaten kann insbesondere eine im Stand der Technik bekannte Schnittstelle zur Entgegennahme von digitalen Daten sein wie beispielsweise eine PCI-Bus-, AGP-, SCSI-, USB-, oder FireWire- Schnittstelle, die Aufzählung ist nicht abschließend.
Die Verwendung einer Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung mit solch einer Schnittstelle erlaubt es Nutzern der Vorrichtung, der Vorrichtung die Steuerdaten mit einem Datenmodell für die Herstellung der von den Nutzern gewünschten Objekte vorzugeben. In solch einem Fall kann die durch das Kalibrierverfahren abgeänderte Steuereinrichtung automatisch das entgegengenommene Datenmodell an den Positionen der Energiezufuhrvorrichtung in Sollrichtung, an denen eine Abweichung ermittelt wurde, abändern. Mit anderen Worten, das von einem Nutzer vorgegebene Datenmodell der herzustellenden Anzahl von Objekten wird vor Beginn des Herstellvorgangs oder jeweils vor Beginn des Bestrahlungsvorgangs einer Schicht vorverzerrt und der Herstellvorgang auf der Grundlage des vorverzerrten Datenmodells durchgeführt.
Bevorzugt wird die Steuervorrichtung veranlasst, während eines additiven Herstellvorgangs, vorzugsweise während einer Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung über das Baufeld, Strahlungsemittern andere Emissionsorte vorzugeben.
Bei dieser Ausführungsweise des Kalibrierverfahrens werden Abweichungen zwischen Bewegungsrichtung und Sollrichtung während einer Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung über das Baufeld zum Zuführen der Strahlung zum Baumaterial ermittelt. Dabei kann an jeder neuen Position in Sollrichtung, die die Energiezufuhrvorrichtung erreicht, das Vorliegen einer Abweichung ermittelt werden. Wenn eine Abweichung vorliegt, gibt die Steuervorrichtung automatisch Strahlungsemittern andere Emissionsorte vor als jene, die ohne Vorliegen einer Abweichung vorgegeben worden wären. Die Steuereinrichtung der additiven Herstellvorrichtung ist also so ausgelegt, dass sie entweder selbst das Ermitteln von Abweichungen veranlasst oder zumindest die Information über das Vorliegen einer Abweichung entgegen nehmen kann, um in beiden Fällen, falls eine Abweichung vorliegt, automatisch andere Emissionsorte vorzugeben. Bevorzugt wird dabei der auch der Winkel zwischen Bewegungsrichtung und Sollrichtung ermittelt bzw. der Steuereinrichtung mitgeteilt, so dass die Steuereinrichtung für die Abänderung von Emissionsorten dann diese Information verwenden kann.
Bevorzugt erfolgt die Ermittlung einer Abweichung lediglich an einer vorgegebenen Anzahl von Positionen (XJ) in der Sollrichtung (X).
Die Positionen in der Sollrichtung, an denen die Ermittlung einer Abweichung erfolgt, können beispielsweise dort vorgegeben werden, wo bereits im Vorfeld der Verdacht besteht, dass es zu einer Abweichung von der Linearbewegung kommen kann. Solch ein Vorverdacht kann z.B. von einem bereits in der Vergangenheit stattgefundenen Kalibriervorgang herrühren oder durch die Kenntnis begründet sein, dass während des additiven Herstellvorgangs in bestimmten Bereichen des Baufelds besonders hohe Temperaturen oder besonders große Temperaturdifferenzen auftreten. Durch solch ein Vorgehen kann der Aufwand der Kalibrierung verringert werden.
Zwischen den vorgegebenen Positionen werden die zugehörigen Abweichungen rechnerisch ermittelt auf Basis der an den Positionen ermittelten Abweichungen (Interpolation). Es ist ferner möglich, auch eine Höchstzahl von Positionen vorzugeben, so dass, sofern die Randbedingungen dies zulassen, die Ermittlung einer Abweichung auch an einer geringeren Anzahl von Positionen in der Sollrichtung erfolgen kann.
Bevorzugt erfolgt die Ermittlung einer Abweichung an Positionen (XJ) in der Sollrichtung (X), die einen vorgegebenen Abstand (Ax) zueinander aufweisen.
Bei diesem Vorgehen wird einerseits der Aufwand für die Kalibrierung dadurch beschränkt, dass das Vorliegen einer Abweichung nur an bestimmten Positionen ermittelt wird. Andererseits wird durch die Vorgabe des konstanten Abstands zwischen den Positionen erreicht, dass Abweichungen möglichst gleichmäßig entlang der Sollrichtung ermittelt werden. Optional kann auch ein Höchstabstand zwischen den Positionen in der Sollrichtung vorgegeben werden, der nicht überschritten werden darf.
Bevorzugt wird in dem Kalibrierverfahren zusätzlich ermittelt, ob es bei der Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung zu einer Abänderung des Abstands von Strahlungsemittern von dem Baufeld kommt und falls dies der Fall ist, die Steuereinrichtung veranlasst, die Fokuslage der von Strahlungsemittern emittierten Strahlung abzuändern.
Eine Änderung des Abstands von Strahlungsemittern zu dem Baufeld kann dadurch hervorgerufen werden, dass die Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung über das Baufeld nicht vollständig in einer Ebene verläuft, also die Energiezufuhrvorrichtung als Ganzes in einer Richtung senkrecht zur Ebene, in der die Sollrichtung verläuft, versetzt wird. In diesem Fall ändert sich der Abstand aller Strahlungsemitter.
Andererseits kann aber auch die Ebene, in der die Energiezufuhrvorrichtung über das Baufeld bewegt wird, nicht vollständig parallel zur Bauebene, in der das Baufeld liegt, sein. In diesem Fall kann daraus für unterschiedliche Strahlungsemitter ein unterschiedlicher Abstand zum Baufeld resultieren, so dass sich der Abstand lediglich eines Teils der Strahlungsemitter über ein tolerierbares Maß hinaus ändert.
Auch wenn die Abweichungen von der Ebenenparallelität in der Regel vernachlässigbar gering sind, so kann bei hochpräzisen Anwendungen auch dieser Effekt berücksichtigt werden, indem (beispielsweise mittels einer über dem Baufeld angeordneten (IR)-Kamera) überprüft wird, ob es zu Schwankungen des Strahlfokus kommt. Falls dies der Fall ist, so kann die Fokuslage durch eine Änderung des Abstands der Energiezufuhrvorrichtung zur Bauebene und/oder durch Einführen oder Abändern einer Neigung der Energiezufuhrvorrichtung gegenüber der Ebene des Baufelds (der Arbeits- oder Bauebene) und/oder durch Anpassen der Fokussierung korrigiert werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung einer Anzahl von Objekten, die gemäß einem erfindungsgemäßen Kalibrierverfahren kalibrierbar ist, weist auf: eine Steuereinrichtung zur Steuerung des schichtweisen additiven Herstellvorgangs, eine Schichtauftragsvorrichtung, die ausgelegt ist, eine Schicht eines formlosen Aufbaumaterials auf einer Bauunterlage oder einer bereits hergestellten Schicht innerhalb eines Baufelds bereitzustellen, eine Energiezufuhrvorrichtung, die ausgelegt ist, festgelegte Stellen der bereitgestellten Schicht, die den Querschnitten der Anzahl von Objekten in dieser Schicht zugeordnet sind, durch Zufuhr von elektromagnetischer Strahlung zu verfestigen, wobei die Energiezufuhrvorrichtung ausgelegt ist, zur Zufuhr von elektromagnetischer Strahlung zu den festgelegten Stellen über das Baufeld bewegt zu werden und der Energiezufuhrvorrichtung für diese Bewegung eine vordefinierte Sollrichtung (X) vorgegeben ist, wobei die Energiezufuhrvorrichtung eine Anzahl von Strahlungsemittern aufweist, die entlang einer Anordnungsrichtung (Y) quer zur vordefinierten Sollrichtung (X) angeordnet sind, und Strahlungsemittern in Abhängigkeit von den festgelegten Stellen durch die Steuereinrichtung vorgegeben wird, an welchen Emissionsorten über dem Baufeld Strahlung emittiert werden soll, und die Steuereinrichtung ausgelegt ist, an Positionen (XJ) in der Sollrichtung (X), an denen im Zuge des Kalibrierverfahrens eine Abweichung ermittelt wird, Strahlungsemittern andere Emissionsorte vorzugeben.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist so eingerichtet, dass sie im Falle von Abweichungen der Bewegungsrichtung der Energiezufuhrvorrichtung von der Sollrichtung automatisch die Orte, an denen Strahlungsemitter Strahlung emittieren sollen, abändert. Mit anderen Worten, die Steuereinrichtung der Vorrichtung ist so ausgestaltet, dass sie entweder die Informationen über vor einem Herstellvorgang ermittelte Abweichungen während des Herstellvorgangs berücksichtigen kann oder aber während des Herstellvorgangs die Informationen selbsttätig ermittelt und sofort berücksichtigt.
Damit ist die Vorrichtung so ausgelegt, dass ein erfindungsgemäßes Kalibrierverfahren für diese Vorrichtung durchgeführt werden kann. Insbesondere kann dadurch für einen Nutzer der Vorrichtung das Erfordernis, die Vorrichtung vor Inbetriebnahme oder aber von Zeit zu Zeit kalibrieren zu müssen, entfallen. Die Ermittlung von Abweichungen der Bewegungsrichtung von der Sollrichtung kann insbesondere auch bereits durch den Hersteller der Vorrichtung vorgenommen werden oder aber die Vorrichtung kann dies selbsttätig im Zuge eines Verfestigungsvorgangs einer Aufbaumaterialschicht tun.
Bevorzugt weist die Vorrichtung eine Linearführung auf, durch welche die Energiezufuhrvorrichtung bei ihrer Bewegung über das Baufeld geführt wird.
Für die Ausgestaltung der Linearführung gibt es hierbei eine Vielzahl von Möglichkeiten. In erster Linie kann die Linearführung mittels einer Anzahl von Schienen, insbesondere eine oder zwei Schienen, bewerkstelligt werden, die zur Geradführung der Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung dienen. Die Energiezufuhrvorrichtung ist hierbei mittels einer Kopplungsvorrichtung (z.B. Schlitten oder Wagen) mit der/den Schiene(n) verbunden.
Weiter bevorzugt weist die Linearführung zwei voneinander beabstandete parallele Schienen auf, auf denen die Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung mittels zweier Schlitten geführt ist.
Solch eine Ausgestaltung der Linearführung hat den Vorteil, dass mit ihr für eine besonders geradlinige Bewegung gesorgt werden kann.
Weiter bevorzugt ist die Energiezufuhrvorrichtung zwischen auf zwei Seiten des Baufelds angeordneten Schienen angeordnet.
Solch eine Ausgestaltung der Linearführung hat den Vorteil, dass mit ihr für einen besonders stabilen Aufbau gesorgt wird, bei dem sich dann die auf den beiden Schienen gelagerte Energiezufuhrvorrichtung wie eine Brücke über das Baufeld spannt. Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung einer Anzahl von Objekten weiterhin einen Lagedetektor auf, der ausgelegt ist zu ermitteln, ob es bei der Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung zu einer Abweichung der Bewegungsrichtung (B) der Energiezufuhrvorrichtung von der vordefinierten Sollrichtung (X) kommt.
Ein Lagedetektor ermittelt dabei z.B. den Winkel zwischen der Bewegungsrichtung der Energiezufuhreinheit und der Sollrichtung. Beispielsweise kann hierfür eine Kamera verwendet werden, die bevorzugt oberhalb der Energiezufuhreinheit und des Baufelds angeordnet ist. Ferner kann der Lagedetektor ein lineares Messsystem (z.B. einen Glasmaßstab, einen induktiven Wegaufnehmer, ein Interferometer oder eine Kombination aus linearem Messsystem und Winkelmesssystem (Glasmaßstab und Autokollimator) aufweisen.
Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung einer Anzahl von Objekten, bei der die Linearführung zwei voneinander beabstandete parallele Schienen aufweist, weiterhin einen Lagedetektor auf, der ausgelegt ist zu ermitteln, ob es bei der Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung zu einer Abweichung der Bewegungsrichtung (B) der Energiezufuhrvorrichtung von der vordefinierten Sollrichtung (X) kommt, wobei der Lagedetektor zwei Positionsmesseinheiten aufweist, von denen jede an einer der beiden Schienen angebracht ist und geeignet ist, die Position des jeweiligen Schlittens auf der Schiene zu bestimmen.
Bei dieser Ausgestaltung wird einfach die zu einem gegebenen Zeitpunkt ermittelte Position der Kopplungsvorrichtungen (z.B. der Schlitten), mit denen die Energiezufuhreinheiten an die Schienen angekoppelt ist, ermittelt und hieraus eine Abweichung zwischen Bewegungsrichtung und Sollrichtung ermittelt, beispielsweise über den Abstand der Positionsmesseinheiten, und die ermittelten Positionen der Winkel zwischen der Bewegungsrichtung der Energiezufuhreinheit und der Sollrichtung berechnet. Als Positionsmesseinheiten kommen hierbei lineare Messsysteme (z.B. induktive Wegaufnehmer, Interferometer) in Frage. Weiter bevorzugt ist der Lagedetektor ausgelegt, einen Winkel (ctj) zwischen der vordefinierten Sollrichtung (X) und der Bewegungsrichtung (B) zu bestimmen.
Durch die Bestimmung des Winkels zwischen Bewegungsrichtung und Sollrichtung kann die Information über die aufgetretene Abweichung auf einfache Weise bei der Neufestlegung von Emissionsorten berücksichtigt werden, insbesondere wenn die Anordnung der Strahlungsemitter an der Energiezufuhrvorrichtung einem komplexen Muster folgt.
Weiter bevorzugt handelt es sich bei dem Lagedetektor um eine oberhalb der Energiezufuhrvorrichtung angeordnete Kamera.
Bei der Kamera kann es sich entweder um eine optische Kamera handeln, die dann insbesondere Bilder der Energiezufuhrvorrichtung und ihrer Linearführung aufnimmt, oder um eine Infrarotkamera, die Bilder der bestrahlten Aufbaumaterialschicht aufnimmt, anhand derer Rückschlüsse auf eine Abweichung zwischen Bewegungsrichtung und Sollrichtung gezogen werden. Die bestrahlten Stellen der Aufbaumaterialschicht weisen infolge der Energiezufuhr eine höhere Temperatur als das umgebende Aufbaumaterial auf, was sich im IR-Bild widerspiegelt. Abweichungen können dann durch die Ermittlung von geometrischen Abweichungen zu dem in den Eingangsdaten der additiven Herstellvorrichtung spezifizierten zugehörigen Objektquerschnitt (bzw. einem Teil desselben) ermittelt werden.
Weiter bevorzugt weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung einer Anzahl von Objekten weiterhin eine Prüfeinheit auf, die ausgelegt ist, das Vorliegen einer Abweichung festzustellen, wenn der durch den Lagedetektor ermittelte Winkel (ctj) einen vorgegebenen Toleranzwinkel (ctref) übersteigt.
Die Prüfeinheit kann hierbei insbesondere mittels Software implementiert werden, insbesondere auch mittels eines von einer in der Steuereinrichtung enthaltenen CPU abgearbeiteten Programms. Der Toleranzwinkel ist bevorzugt einstellbar und z.B. abhängig von den Genauigkeitsanforderungen an die herzustellenden Objekte. Dies bedeutet, entweder kann der Hersteller der additiven Herstellvorrichtung durch Vorgabe des Toleranzwinkels die Genauigkeit der additiven Herstellvorrichtung festlegen oder ein Nutzer der Vorrichtung kann durch Abänderung des Toleranzwinkels die Vorrichtung an seine Anforderungen anpassen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur schichtweisen additiven Herstellung einer Anzahl von Objekten, umfasst ein erfindungsgemäßes Kalibrierverfahren.
Mittels solch eines schichtweisen additiven Herstellverfahrens kann die Genauigkeit der hergestellten Objekte auf einfache Weise verbessert werden.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Figuren.
Fig. 1 zeigt eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht einer beispielhaften Vorrichtung zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß der Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Baufeld mit einem Zeilenbelichter, auf den die vorliegende Erfindung anwendbar ist.
Fig. 3 veranschaulicht schematisch das durch die Erfindung gelöste Problem.
Fig. 4 dient der Erläuterung einer erfindungsgemäßen Vorgehensweise.
Fig. 5a ist eine schematische Ansicht eines in der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung enthaltenen Belichters von unten.
Fig. 5b ist eine schematische Ansicht eines in dem in Fig. 5a gezeigten Belichter enthaltenen Lasermoduls.
Fig. 5c ist eine schematische Ansicht eines in dem in Fig. 5b gezeigten Lasermodul enthaltenen Laserarrays. Fig. 6 veranschaulicht den Ablauf eines Kalibrierverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform,
Fig. 7 zeigt schematisch Details des Aufbaus einer Steuereinrichtung einer additiven Herstellvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform.
Fig. 8 veranschaulicht den Ablauf eines Kalibrierverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 9 zeigt schematisch Details des Aufbaus einer Steuereinrichtung einer additiven Herstellvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Nachfolgend wird mit Bezug auf Fig. 1 zunächst eine beispielhafte Vorrichtung 1 beschrieben, die gemäß den beiden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kalibriert wird. Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung ist eine Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 1 . Zum Aufbauen eines Objekts 2 enthält sie eine Prozesskammer 3 mit einer Kammerwandung 4.
In der Prozesskammer 3 ist ein nach oben offener Behälter 5 mit einer Behälterwandung 6 angeordnet. Durch die obere Öffnung des Behälters 5 ist eine Arbeitsebene 7 definiert, wobei der innerhalb der Öffnung liegende Bereich der Arbeitsebene 7, der zum Aufbau des Objekts 2 verwendet werden kann, als Baufeld 8 bezeichnet wird.
In dem Behälter 5 ist ein in einer vertikalen Richtung V bewegbarer Träger 10 angeordnet, an dem eine Grundplatte 11 angebracht ist, die den Behälter 5 nach unten abschließt und damit dessen Boden bildet. Die Grundplatte 11 kann eine getrennt von dem Träger 10 gebildete Platte sein, die an dem Träger 10 befestigt ist, oder sie kann integral mit dem Träger 10 gebildet sein. Je nach verwendetem Pulver und Prozess kann auf der Grundplatte 11 noch eine Bauplattform 12 als Bauunterlage angebracht sein, auf der das Objekt 2 aufgebaut wird. Das Objekt 2 kann aber auch direkt auf der Grundplatte 11 aufgebaut werden, die dann als Bauunterlage dient. In Fig. 1 ist das in dem Behälter 5 auf der Bauplattform 12 zu bildende Objekt 2 unterhalb der Arbeitsebene 7 in einem Zwischenzustand dargestellt mit mehreren verfestigten Schichten, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial 13.
Die Lasersintervorrichtung 1 enthält weiter einen Vorratsbehälter 14 für ein durch elektromagnetische Strahlung verfestigbares pulverförmiges oder pastoses Aufbaumaterial 15 und einen in einer horizontalen Richtung H bewegbaren Beschichter 16 zum Aufbringen des Aufbaumaterials 15 innerhalb des Baufelds 8. Vorzugsweise erstreckt sich der Beschichter 16 quer zu seiner Bewegungsrichtung über den ganzen zu beschichtenden Bereich.
Optional ist in der Prozesskammer 3 eine Strahlungsheizung 17 angeordnet, die zum Beheizen des aufgebrachten Aufbaumaterials 15 dient. Als Strahlungsheizung 17 kann beispielsweise ein Infrarotstrahler vorgesehen sein.
Die Lasersintervorrichtung 1 enthält als Energiezufuhrvorrichtung zum Zuführen von elektromagnetischer Strahlung zum Aufbaumaterial ferner einen ebenfalls in einer horizontalen Richtung bewegbaren Belichter 18, der eine Laserstrahlung 19 erzeugt, die auf die Arbeitsebene 7 fokussiert wird. Der Belichter 18 ist dabei als Zeilenbelichter ausgebildet, der in der Lage ist, eine sich quer, insbesondere senkrecht zu seiner Bewegungsrichtung erstreckende Fläche zu belichten, die auch als Linie bezeichnet wird und sich über den gesamten zu belichtenden Bereich erstreckt.
Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Baufeld 8, die den in der Sollrichtung X zu bewegenden Zeilenbelichter 18 zeigt. Dieser weist einen Belichterarm 31 mit einer Längsachse auf, die sich senkrecht zur Sollrichtung X erstreckt. Zur Führung der Bewegung des Zeilenbelichters 18 ist der Belichterarm 31 starr mit einer Kopplungsvorrichtung 30 verbunden, die in Verlängerung seiner Längsachse angeordnet ist. An der Kopplungsvorrichtung 30 sind zwei Schlitten 30a und 30b angebracht, die jeweils entlang einer der beiden zueinander parallelen Schienen 28a und 28b gleitend verfahrbar sind. Zur Registrierung der Lage jedes Schlittens entlang der Erstreckungsrichtung (Bahnkurve) seiner Schiene ist an jedem der beiden Schlitten eine Positionsmesseinheit 32a bzw. 32b angebracht. Der Motor zur Bewegung des Belichters 18 (z.B. ein Schrittmotor) ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht in den Figuren dargestellt.
Der Zeilenbelichter 18 weist in diesem Beispiel eine Mehrzahl unabhängig voneinander ansteuerbarer Belichtungseinheiten (d.h. Strahlungsemitter) 80 auf, die senkrecht zur Bewegungsrichtung des Zeilenbelichters (in Figur 2 als Y-Richtung bezeichnet) nebeneinander angeordnet sind und jeweils unabhängig voneinander Laserstrahlung auf die unter dem Zeilenbelichter 18 liegende Arbeitsebene 7 richten können. In diesem Beispiel wird angenommen, dass n Belichtungseinheiten 8O1, 8O2, ... 80n vorhanden sind, wobei n eine natürliche Zahl ist und beispielsweise den Wert 184 aufweist. Dabei wird im weiteren Verlauf der Beschreibung angenommen, dass die Belichtungseinheit 8O1 den kleinsten Abstand zur Schiene 28a aufweist und die Belichtungseinheit 80n den größten Abstand.
Wieder Bezug nehmend auf Fig. 1 enthält die Lasersintervorrichtung 1 eine Steuereinrichtung 20, über die die einzelnen Bestandteile der Vorrichtung 1 (z.B. der Motor zur Bewegung des Belichters 18) in koordinierter Weise zum Durchführen des Bauprozesses gesteuert werden. Alternativ kann die Steuereinrichtung auch teilweise oder ganz außerhalb der Vorrichtung angeordnet sein. Die Steuereinrichtung kann eine CPU enthalten, deren Betrieb durch ein Computerprogramm (Software) gesteuert wird. Das Computerprogramm kann auf einem Speichermedium gespeichert sein, von dem aus es in die Vorrichtung, insbesondere in die Steuereinrichtung, geladen werden kann. In der vorliegenden Anmeldung schließt der Begriff "Steuereinrichtung" jede computerbasierte Steuereinrichtung ein, die in der Lage ist, den Betrieb einer additiven Herstellvorrichtung oder zumindest einer der Komponenten derselben zu steuern oder zu regeln. Dabei muss die Verbindung zwischen Steuereinrichtung und gesteuerten Komponenten nicht notwendigerweise kabelgestützt sein, sondern kann auch mittels Funk implementiert werden, indem die Steuereinrichtung entsprechende Funkempfänger und -sender aufweist.
In der soeben beispielhaft beschriebenen additiven Herstellvorrichtung geht ein Herstellvorgang so vonstatten, dass die Steuereinrichtung 20 einen Steuerdatensatz abarbeitet, der von der Steuereinrichtung gelesen wird. Der Steuerdatensatz spezifiziert für jede durch den Beschichter 16 aufgetragene Schicht des Aufbaumaterials 15, an welchen Stellen innerhalb des Baufelds 8 Laserstrahlung auf die Arbeitsebene 7 (und damit auf das Aufbaumaterial 15) zu richten ist. Dies bedeutet, im Steuerdatensatz ist spezifiziert, an welchen Positionen Xj des Belichters 18 in der Sollrichtung X welche Belichtungseinheiten 8O1 ... 80n an dem Belichterarm 31 Laserstrahlung emittieren sollen. Die Angabe der jeweiligen Belichtungseinheit 80i in dem Steuerdatensatz korrespondiert dabei mit der Position des zu bestrahlenden Ortes in einer Richtung senkrecht zur Sollrichtung X. Mit anderen Worten, im Steuerdatensatz werden durch die Vorgabe von Datentripeln (Xj, 80i, Pij) Orte oberhalb des Baufelds spezifiziert, an denen Strahlung mit der Leistung P emittiert werden soll. Der Einfachheit halber wird hier angenommen, dass entweder Strahlung emittiert wird oder nicht, mit anderen Worten entweder wird die Leistung P zugeführt oder gar keine Leistung wird zugeführt, d.h. Pij ist ein binärer Parameter. Wenn keine Leistung zugeführt wird, hat P den Wert Null.
Für jede Schicht bei der schichtweisen Herstellung eines Objekts veranlasst die Steuereinrichtung 20 den Beschichter 16, eine Schicht des Aufbaumaterials 15 aufzutragen, um anschließend den Zeilenbelichter 18 mittels einer Linearführung in der Sollrichtung X über das Baufeld 8 zu bewegen und entsprechend den Vorgaben in dem Steuerdatensatz für die selektive Belichtung des Aufbaumaterials anzusteuern.
Erfindungsgemäß werden Abweichungen der Richtung, in der die Linearführung den Belichter 18 über das Baufeld 8 bewegt, von der Sollrichtung X ermittelt und die additive Herstellvorrichtung so kalibriert, dass sie während additiver Herstellvorgänge von Objekten solche Abweichungen automatisch berücksichtigt.
Fig. 3 veranschaulicht schematisch das durch die Erfindung gelöste Problem. Wie Fig. 2 zeigt auch Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf das Baufeld 8 mit dem in der Sollrichtung X zu bewegenden Zeilenbelichter 18. Dabei sind in Fig. 3 Merkmale, die identisch zu jenen in Fig. 2 sind, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Geradlinigkeit der Bewegung des Belichters 18 hängt von der Geradlinigkeit der der Linearführung dienenden Schienen 28a und 28b ab. Gerade bei einer Schienenlänge/Baufeldlänge im Bereich von ca. 50 cm kann nicht ausgeschlossen werden, dass Fertigungstoleranzen zu Abweichungen von der Geradlinigkeit führen. In Fig. 3 ist dabei aus Gründen der Veranschaulichung eine Abweichung der Geradlinigkeit der Schienen übergroß dargestellt. Wie man erkennt, bewirkt die Krümmung der Schienen, dass sich bei der Bewegung des Belichters 18 in der Sollrichtung X noch eine zusätzliche Drehbewegung um den Winkel ß hinzuaddiert. Als Folge davon nehmen die Belichtungseinheiten in der Sollrichtung nicht eine Position Xj ein, die in dem Steuerdatensatz spezifiziert sind. Insbesondere ist der Versatz der Belichtungseinheiten in X-Richtung auch vom Abstand einer Belichtungseinheit von den Schienen abhängig, was in Fig. 3 anhand der Belichtungseinheiten 80j und 80m veranschaulicht ist. Für die Belichtungseinheiten 80j und 80m ist gestrichelt die Position an der Stelle Xj gezeigt, die die Belichtungseinheiten 80j und 80m für eine exakt geradlinige Bewegung des Belichters 18 in Sollrichtung einnehmen würden. Die Folge des Versatzes der Belichtungseinheiten ist die, dass Belichtungseinheiten an anderen Positionen Laserstrahlung emittieren als jenen, die ihnen vorgegeben sind, wodurch Baufehler hervorgerufen werden. Es sei angemerkt, dass für den Fall, dass die Vorgabe der dem Material zugeführten Leistung P nicht binär, sondern in mehr als zwei Stufen erfolgt, ebenfalls Baufehler daraus resultieren, dass an einzelnen Orten in der Arbeitsebene 7 die falsche Leistung dem Aufbaumaterial zugeführt wird.
Es sei noch angemerkt, dass die soeben beschriebene Ausgestaltung und die soeben beschriebene Funktionsweise der Steuereinrichtung 20 nicht nur auf die nachfolgende erste Ausführungsform zutreffen, sondern auch auf die Steuereinrichtung 200 der weiter unten beschriebenen zweiten Ausführungsform.
Erste Ausführungsform
Bei der ersten Ausführungsform werden Abweichungen der Richtung, in der die Linearführung den Belichter 18 über das Baufeld 8 bewegt, von der Sollrichtung X vor Beginn eines Herstellvorgangs ermittelt und die additive Herstellvorrichtung so kalibriert, dass sie während additiver Herstellvorgänge von Objekten solche Abweichungen automatisch berücksichtigt. Für die Durchführung des Kalibrierverfahrens ist es notwendig, dass eine Steuereinrichtung 20 der additiven Herstellvorrichtung in besonderer Weise ausgelegt ist. Nachfolgend wird der Ablauf des Kalibrierverfahrens anhand von Fig. 6 beschrieben, wobei Fig. 7 relevante Details des Aufbaus der Steuereinrichtung 20 veranschaulicht.
In dem in Fig. 6 gezeigten Schritt S1 wird vor Beginn des Herstellvorgangs eines Objekts der Belichter 18 entlang der Schienen 28a und 28b über das gesamte Baufeld 8 verfahren. Dabei werden an ausgewählten Positionen Xj in der Sollrichtung X die von den Positionsmesseinheiten 32a bzw. 32b gelieferten Werte miteinander verglichen. Sofern an einer Position Xj die Differenz öj der von den Positionsmesseinheiten 32a bzw. 32b gelieferten Werte einen Toleranzwert überschreitet, wird diese Differenz öj in einen Winkel ctj umgerechnet. Der Winkel ctj ergibt sich dabei zu arctan (öj/L1), wobei L1 der Abstand der Schienen senkrecht zur Verlaufsrichtung der Schienen ist. Anschließend wird der Winkel ctj zusammen mit der zugehörigen Position Xj in einer Abweichungstabelle hinterlegt.
Die ausgewählten Positionen Xj werden bevorzugt so gewählt, dass sie möglichst die gesamte Länge des Baufelds 8 in der Sollrichtung X abdecken. Je dichter die Positionen Xj aneinander liegen, mit anderen Worten je größer die Anzahl der ausgewählten Positionen ist, desto genauer können Abweichungen vom geradlinigen Verlauf erfasst werden. Dabei wird für einen hohen Toleranzwert eine geringere Anzahl von Positionen Xj ausreichen als für einen geringen Toleranzwert. Es sei bemerkt, dass dem im Vorhinein festgelegten Toleranzwert ein Toleranzwinkel entsprechend der Beziehung Toleranzwinkel = arctan (Toleranzwert/L1 ) entspricht.
In dem in Fig. 6 gezeigten Schritt S2 werden aus den in der Abweichungstabelle hinterlegten Wertepaaren Korrekturdaten berechnet und in einer Korrekturdatentabelle hinterlegt. Diese enthält Korrekturdatentripel (Xj, 80i, Aij), in denen für jede der Positionen Xj jeder der Belichtungseinheiten 80i (1 < i < n) ein Positionsfehler Aij zugeordnet ist, der den Unterschied in X-Richtung zwischen der tatsächlichen Position der Belichtungseinheit 80i und der Position Xj angibt. Bezug nehmend auf Fig. 4 wird nachfolgend erläutert, wie für eine beispielhafte Belichtungseinheit 80i der Positionsfehler Aij ermittelt wird. Dabei sind in Fig. 4 gegenüber Fig. 3 jene Merkmale weggelassen, die für die Erläuterung nicht notwendig sind. Ansonsten sind Merkmale, die identisch zu jenen in Fig. 3 sind, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Fig. 4 zeigt die Lage der Belichtungseinheit 80i in Richtung der Längsachse des Belichterarms 31 , wobei Li den Abstand der Belichtungseinheit 80i von der Schiene 28b kennzeichnet. Hier wird davon ausgegangen, dass die Längsachse des Belichterarms senkrecht zur Schiene 28b verläuft. Man erkennt, dass sich der Positionsfehler Aij zu Aij = Li • sin ctj berechnen lässt.
Wie in Fig. 7 gezeigt, enthält die Steuereinrichtung 20 unter anderem eine Steuerdatenzugriffseinheit 101 , eine Korrekturdatenspeichereinheit 102, eine Steuerdatenkorrektureinheit 103 sowie eine Belichteransteuereinheit 104. In dem in Fig. 6 gezeigten Schritt S3 wird die zuvor im Schritt S2 generierte Korrekturdatentabelle in der Korrekturdatenspeichereinheit 102 der Steuereinrichtung 20 abgespeichert. Wie man in Fig. 7 erkennt, ist die Steuerdatenkorrektureinheit 103 zwischen die Steuerdatenzugriffseinheit 101 und die Belichteransteuereinheit 104 geschaltet. Dadurch kann nach dem Einlesen eines Steuerdatensatzes mit den Steuerdaten für die Herstellung einer Anzahl von Querschnitten eines Objekts, optional auch für das gesamte Objekt, was durch die Steuerdatenzugriffseinheit 101 geschieht, die Steuerdatenkorrektureinheit 103 die nachfolgenden Schritte (i) bis (ii) ausführen, sodass die Belichteransteuereinheit 104 nicht automatisch eine Bestrahlung basierend auf den eingelesen Steuerdaten-Tripeln durchführt.
Im Schritt i) wird für jedes der im Steuerdatensatz spezifizierten Steuerdaten-Tripel (Xj, 80i, Pij) abgeprüft, ob für die Position Xj im Steuerdaten-Tripel in der Korrekturdatenspeichereinheit 102 ein Korrekturdatentripel (Xj, 80i, Aij) hinterlegt ist. Für die Steuerdaten-Tripel, bei denen dies der Fall ist, wird der Schritt ii) ausgeführt.
Im Schritt ii) wird das entsprechende Steuerdaten-Tripel zu (Xj, 80i, Pi(Xj+Aij)) abgeändert. Mit anderen Worten der Wert von Pij, der ursprünglich für eine an der Position Xj angeordnete Belichtungseinheit 80i spezifiziert war, wird auf einen Wert gesetzt, der ursprünglich für eine an der Position Xj+Aij angeordnete Belichtungseinheit 80i spezifiziert war.
Der auf diese Weise abgeänderte Steuerdatensatz kann nun (ggf. nach Zwischenspeicherung) von der Belichteransteuereinheit 104 der Ansteuerung des Belichters 18 zugrunde gelegt werden. In diesem Fall wird bei einem Herstellvorgang in der additiven Herstellvorrichtung zunächst vor dem Baubeginn ein abgeänderter Steuerdatensatz erzeugt. Alternativ ist es auch möglich vor der Bestrahlung einer Schicht zunächst die sich auf diese Schicht beziehenden Steuerdaten abzuändern (z.B. während des Schichtauftrags).
Zweite Ausführungsform
Bei der zweiten Ausführungsform erfolgt die Ermittlung von Abweichungen der Richtung, in der die Linearführung den Belichter 18 über das Baufeld 8 bewegt, von der Sollrichtung X während eines Herstellvorgangs. Die additive Herstellvorrichtung kalibriert sich also während additiver Herstellvorgänge von Objekten selbst, indem sie solche Abweichungen während additiver Herstellvorgänge ermittelt und automatisch bei der Bestrahlung einer Aufbaumaterialschicht berücksichtigt. Die additive Herstellvorrichtung weist hierfür eine Steuereinrichtung 200 auf.
Nachfolgend wird der Ablauf des Kalibrierverfahrens anhand von Fig. 8 beschrieben, wobei Fig. 9 relevante Details des Aufbaus der Steuereinrichtung 200 veranschaulicht, die für eine entsprechende Kalibration ausgelegt ist.
In dem in Fig. 8 gezeigten Schritt S1 wird zunächst durch die in Fig. 9 gezeigte Steuerdatenzugriffseinheit 201 ein Steuerdatensatz eingelesen, der die Steuerdaten für die Herstellung einer Anzahl von Querschnitten eines Objekts, optional auch für das gesamte Objekt, enthält. Im Schritt S2 wird anschließend der Beschichter 16 veranlasst, eine Schicht des Aufbaumaterials 15 aufzutragen, um danach den Zeilenbelichter 18 in der Sollrichtung X über das Baufeld 8 zu bewegen und entsprechend den Vorgaben in dem Steuerdatensatz für die selektive Belichtung des Aufbaumaterials anzusteuern. Die hierfür erforderlichen Komponenten der Steuereinrichtung 200 sind im Stand der Technik bekannt und daher nicht explizit in Fig. 9 gezeigt.
Der Schritt S2 enthält darüber hinaus aber noch einen Teilschritt, der so nicht im Stand der Technik bekannt ist. Während der Bewegung des Belichters 18 werden durch die in Fig. 9 gezeigte Abweichungsermittlungseinheit 202 die von den Positionsmesseinheiten 32a bzw. 32b gelieferten Werte ausgelesen und miteinander verglichen. Wenn an einer Position Xj die Differenz öj der von den Positionsmesseinheiten 32a bzw. 32b gelieferten Werte einen Toleranzwert überschreitet, dann werden von einer in Fig. 9 gezeigten Steuerdatenkorrektureinheit 203 die in den Steuerdaten für diese Position Xj für die Belichtungseinheit 80i spezifizierten Werte abgeändert. Das Vorgehen wird Bezug nehmend auf Fig. 4 für eine beispielhafte Belichtungseinheit 80i erläutert.
Für jede Position Xj des Zeilenbelichters 18 bei der Bewegung in der Sollrichtung X wird wie bei der ersten Ausführungsform ein Positionsfehler Aij ermittelt, der den Unterschied in X-Richtung zwischen der tatsächlichen Position der Belichtungseinheit 80i und der Position Xj angibt. Hierzu kann man wie bei der ersten Ausführungsform die Differenz öj in einen Winkel ctj umrechnen und daraus Aij als Aij = Li • sin ctj bestimmen. Alternativ kann Aij aber auch direkt zu Aij = L / L1 • öj bestimmt werden, was ebenso auch bei der ersten Ausführungsform möglich ist. Man macht sich hier zunutze, dass die Abweichungen von der Geradlinigkeit so minimal sind, dass in guter Näherung die von den Positionsmesseinheiten 32a bzw. 32b gelieferte Differenz öj, die sich ja auf unterschiedliche Positionen entlang der Bahnkurven der Schienen 28a und 28b bezieht, gleich dem Unterschied dieser Positionen in der Sollrichtung X ist.
Wenn an einer Position Xj festgestellt wird, dass die Differenz öj der von den Positionsmesseinheiten 32a bzw. 32b gelieferten Werte einen Toleranzwert überschreitet, dann werden die Steuerdaten-Tripel, die an der Position Xj die Ansteuerung der Belichtereinheiten 80i definieren, abgeändert, in dem die Steuerdaten-Tripel (Xj, 80i, Pij) (1< i < n) durch Datentripel (Xj, 80i, Pi(Xj+Aij)) ersetzt werden. Die abgeänderten Datentripel (Xj, 80i, Pi(Xj+Aij) (1 < i < n) werden nun der Belichteransteuereinheit 204 zur selektiven Bestrahlung des Aufbaumaterials an der Belichterposition Xj zur Verfügung gestellt.
Sofern der oben erwähnte durch die Abweichungsermittlungseinheit 202 durchgeführte Vergleich der von den Positionsmesseinheiten 32a bzw. 32b gelieferten Werte keine Überschreitung des Toleranzwerts ergibt, werden die eingelesenen Steuerdaten-Tripel (Xj, 80i, Pij) (1< i < n), die sich auf eine Belichterposition Xj in Sollrichtung beziehen, von der Abweichungsermittlungseinheit 202 direkt an die Belichteransteuereinheit 204 weitergereicht ohne die Steuerdatenkorrektureinheit 203 zu involvieren.
Auf diese Weise erfolgt also bei der Bewegung des Zeilenbelichters 18 über eine Schicht des Aufbaumaterials an jeder Position Xj zunächst eine Abprüfung der Positionsmesseinheiten 32a bzw. 32b bevor der Zeilenbelichter 18 an der Position Xj dem Aufbaumaterial Strahlung zuführt.
Abwandlung der Ausführungsformen
Es hat sich gezeigt, dass das in den beiden Ausführungsformen geschilderte Vorgehen gerade dann vorteilhaft ist, wenn ein Zeilenbelichter zum Einsatz kommt, bei dem Belichtungseinheiten 80 nicht nur quer zur Sollrichtung X sondern auch in der Sollrichtung X nebeneinander angeordnet sind. Nachfolgend wird ein Beispiel solch eines Belichters beschrieben:
Die Figuren 5a bis 5c zeigen schematisch eine Ansicht des Belichters 18 von unten. Die Bewegungsrichtung des Belichters über das Baufeld ist dabei durch einen Pfeil X angegeben. Dabei zeigt Fig. 5a, wie auf der Unterseite des Belichters 18 eine Mehrzahl von Lasermodulen 30 in gegeneinander versetzten Reihen angeordnet ist. Fig. 5b zeigt, wie jedes Lasermodul 30 aus einer Mehrzahl von Laserarrays 31 , die die Belichtungseinheiten bzw. Strahlungsemitter 80 darstellen, gebildet ist. Fig. 5c zeigt, wie jedes Laserarray 31 aus einer Mehrzahl einzelner Laser 32 gebildet ist. Die einzelnen Laser 32 sind als Halbleiter-Diodenlaser vom Typ VCSEL (vertical cavity surface-emitting laser) oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) ausgebildet. Diese Laserquellen haben eine Abstrahlrichtung senkrecht zur Haupterstreckung (Waferebene) und eine kreissymmetrische Strahldivergenz und sind besonders gut zur Anordnung in zweidimensionalen Arrays geeignet. Bei dem in Fig. 5c gezeigten Laserarray 31 sind die einzelnen Laser 32 hexagonal angeordnet, aber beliebige andere Anordnungen sind möglich. Alle Laser 32 eines Laserarrays 31 werden bevorzugt gleichzeitig angesteuert. Die kleinste einzeln ansteuerbare Belichtungseinheit 80 des Belichters 18 ist dann das Laserarray 31 . Das hat den Vorteil, dass bei Ausfall eines einzelnen Lasers nicht gleich eine vollständige Belichtungseinheit ausfällt, sondern der Leistungsabfall von den anderen Lasern des Laserarrays ausgeglichen werden kann.
Mehrere Laserarrays 31 sind zu einem Lasermodul 30 zusammengefasst. Für jedes Lasermodul 30 ist ferner ein (in der Figur nicht gezeigtes) optisches Element bereitgestellt, mit dem die Laserarrays 31 auf die Arbeitsebene 7 abgebildet werden. Jedes Laserarray 31 wird dabei auf einen Bildpunkt (Pixel) in der Arbeitsebene 7 abgebildet. Jedes Lasermodul 30 wird auf einen bestimmten Bereich in der Arbeitsebene 7 gerichtet. Wenn der Belichter 18 in der Sollrichtung X bewegt wird, bilden die Bildpunkte der eingeschalteten Laserarrays 31 eine Spur.
Bei dem in Fig. 5b gezeigten Lasermodul 30 sind die einzelnen Laserarrays 31 in zwei versetzten Reihen so angeordnet, dass die Spuren ihrer Bildpunkte in der Arbeitsebene bei einer Bewegung des Lasermoduls 30 in der Sollrichtung X aneinandergrenzen. Wenn beispielsweise die Laserarrays 31 quer zur Sollrichtung X (also quer zur intendierten Bewegungsrichtung des Belichters) eine Breite von 0,1 mm haben und das optische Element einen verkleinernden Abbildungsmaßstab von 1 :5 aufweist, dann haben die aneinandergrenzenden Spuren der Laserarrays 31 eine Breite von 0,02 mm. Anders ausgedrückt hat der Belichter 18 in einer Richtung quer zu seiner intendierten Bewegungsrichtung eine Auflösung von 0,02 mm.
Um die gesamte Breite des Belichters 18 auszunutzen, sind mehrere Lasermodule 30 in der Richtung quer zur Sollrichtung X in einer Reihe angeordnet. Wegen der optischen Verkleinerung der Lasermodule 30 durch das optische Element ist die Gesamtbreite einer bei einer Bewegung eines Lasermoduls 30 in der Sollrichtung aus den Bildpunkten aller Laserarrays 31 des Lasermoduls 30 gebildeten Spur um den Verkleinerungsmaßstab schmaler als das Lasermodul 30 selber. Das Rastermaß der Spuren aller Lasermodule in einer Reihe, also der Mittenabstand der Spuren zueinander, entspricht aber dem (unverkleinerten) Rastermaß der Lasermodule 30. Somit verbleibt zwischen den durch eine einzelne Reihe von Lasermodulen 30 belichtbaren Spuren ein nicht belichtbarer Bereich.
Um eine kontinuierliche Belichtung der Arbeitsebene in der Richtung quer zur Sollrichtung X zu ermöglichen, sind daher mehrere Reihen von Lasermodulen 30 versetzt zueinander angeordnet. Anders ausgedrückt werden einzelne Kaskaden aus Lasermodulen 30 gebildet, die in der Sollrichtung X hintereinander liegen, aber in der Richtung quer zur Sollrichtung X gegeneinander versetzt sind. In Fig. 5a bilden beispielsweise die am weitesten links gelegenen Lasermodule 30 der fünf Reihen eine Kaskade. Mehrere solcher Kaskaden sind dann in der Richtung quer zur Sollrichtung X nebeneinander angeordnet. Innerhalb jeder Kaskade sind die Lasermodule 30 so weit versetzt zueinander angeordnet, dass die Spuren der Bildpunkte ihrer Laserarrays 31 aneinandergrenzen.
Beispielsweise kann ein soeben beschriebener Zeilenbelichter 108 Lasermodule enthalten, jedes Lasermodul 32 Laserarrays (Belichtungseinheiten) enthalten, und jedes Laserarray 282 VCSEL enthalten. In diesem Fall weist der Belichter 3456 einzeln ansteuerbare Belichtungseinheiten (Laserarrays) auf.
Es sei noch erwähnt, dass ein Winkel zwischen der Bewegungsrichtung der Energiezufuhreinheit und der Sollrichtung auch mittels eines Autokollimators ermittelt werden kann, der einen Messstrahl parallel zur Bauebene aussendet.
Schließlich sei noch erwähnt, dass es bei einer Abweichung der Bewegungsrichtung der Energiezufuhreinheit von der Sollrichtung nicht nur zu einem Versatz der Belichtungseinheiten in X-Richtung, sondern zu einem Versatz in Y-Richtung (also in einer Ebene parallel zur Bauebene senkrecht zur X-Richtung) kommt, der jedoch um mindestens einen Faktor 10 geringer ist als der Versatz in X-Richtung und daher in der Regel vernachlässigbar ist. Sollte dennoch ausnahmsweise der Versatz in Y- Richtung in der Größenordnung des Abstands der Belichtungseinheiten in Y-Richtung sein, so können zur Korrektur die Werte von Pij in der Y-Richtung versetzt werden, also der ursprünglich einer Belichtungseinheit zugeordnete Wert Pij der in Y-Richtung benachbarten Belichtungseinheit zugeordnet werden.
Abschließend sei noch erwähnt, dass neben der beschriebenen Software-
Kompensation von Abweichungen auch eine Kompensation mittels Hardware möglich ist. Hierzu kann z. B. (gerade bei der Korrektur eines Versatzes in Y-Richtung) die Lage des optischen Elements abgeändert werden. Denkbar wäre auch eine Ausgestaltung des optischen Elements als Array von Spatial Light Modulatoren, die in ihren Eigenschaften entsprechend angepasst werden könnten.

Claims

32 Patentansprüche
1 . Kalibrierverfahren einer Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung einer Anzahl von Objekten, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Steuereinrichtung zur Steuerung des schichtweisen additiven Herstellvorgangs, eine Schichtauftragsvorrichtung, die ausgelegt ist, eine Schicht eines formlosen Aufbaumaterials auf einer Bauunterlage oder einer bereits hergestellten Schicht innerhalb eines Baufelds bereitzustellen, und eine Energiezufuhrvorrichtung, die ausgelegt ist, festgelegte Stellen der bereitgestellten Schicht, die den Querschnitten der Anzahl von Objekten in dieser Schicht zugeordnet sind, durch Zufuhr von elektromagnetischer Strahlung zu verfestigen, wobei die Energiezufuhrvorrichtung ausgelegt ist, zur Zufuhr von elektromagnetischer Strahlung zu den festgelegten Stellen über das Baufeld bewegt zu werden und der Energiezufuhrvorrichtung für diese Bewegung eine vordefinierte Sollrichtung (X) vorgegeben ist und wobei die Energiezufuhrvorrichtung eine Anzahl von Strahlungsemittern aufweist, die entlang einer Anordnungsrichtung (Y) quer zur vordefinierten Sollrichtung (X) angeordnet sind, und Strahlungsemittern in Abhängigkeit von den festgelegten Stellen durch die Steuereinrichtung vorgegeben wird, an welchen Emissionsorten über dem Baufeld Strahlung emittiert werden soll, wobei in dem Kalibrierverfahren ermittelt wird, ob es bei der Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung zu einer Abweichung der Bewegungsrichtung (B) der Energiezufuhrvorrichtung von der vordefinierten Sollrichtung (X) kommt, und die Steuervorrichtung veranlasst wird, in Abhängigkeit einer ermittelten Abweichung Strahlungsemittern andere Emissionsorte vorzugeben.
2. Kalibrierverfahren nach Anspruch 1 , wobei zur Ermittlung der Abweichung der Winkel (ctj) zwischen der vordefinierten Sollrichtung (X) und der Bewegungsrichtung 33
(B) bestimmt wird und entschieden wird, dass eine Abweichung vorliegt, wenn dieser Winkel (ctj) einen vorgegebenen Toleranzwinkel (ctref) übersteigt.
3. Kalibrierverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei für die Ermittlung von Abweichungen die Energiezufuhrvorrichtung mit oder ohne Zufuhr von elektromagnetischer Strahlung zu den festgelegten Stellen über das Baufeld bewegt wird.
4. Kalibrierverfahren nach Anspruch 3, wobei eine Information über Positionen (XJ) in der Sollrichtung (X), an denen eine Abweichung ermittelt wurde, in einer Speichereinrichtung hinterlegt wird und für das Vorgeben der anderen Emissionsorte der Strahlungsemitter auf die in der Speichereinrichtung hinterlegte Information zugegriffen wird.
5. Kalibrierverfahren nach Anspruch 4, bei dem die Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung eine Schnittstelle zur Entgegennahme von Steuerdaten zur Steuerung des Ablaufs eines schichtweisen additiven Herstellvorgangs aufweist, wobei die Steuerdaten zumindest ein Datenmodell der herzustellenden Anzahl von Objekten aufweisen, in welchem Strahlungsemittern vorgegeben wird, an welchen Emissionsorten über dem Baufeld Strahlung emittiert werden soll zur Zufuhr von elektromagnetischer Strahlung zu festgelegten Stellen einer bereitgestellten Schicht, die den Querschnitten der Anzahl von Objekten in dieser Schicht zugeordnet sind, wobei die Steuereinrichtung Strahlungsemittern andere Emissionsorte vorgibt, indem in einem entgegengenommenen Datenmodell Abänderungen vorgenommen werden.
6. Kalibrierverfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Steuervorrichtung veranlasst wird, während eines additiven Herstellvorgangs, vorzugsweise während einer Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung über das Baufeld, Strahlungsemittern andere Emissionsorte vorzugeben.
7. Kalibrierverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Ermittlung einer Abweichung lediglich an einer vorgegebenen Anzahl von Positionen (XJ) in der Sollrichtung (X) erfolgt.
8. Kalibrierverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Ermittlung einer Abweichung an Positionen (XJ) in der Sollrichtung (X) erfolgt, die einen vorgegebenen Abstand (Ax) zueinander aufweisen.
9. Kalibrierverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zusätzlich ermittelt wird, ob es bei der Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung zu einer Abänderung des Abstands von Strahlungsemittern von dem Baufeld kommt und falls dies der Fall ist, die Steuereinrichtung veranlasst wird, die Fokuslage der von Strahlungsemittern emittierten Strahlung abzuändern.
10. Vorrichtung zur schichtweisen additiven Herstellung einer Anzahl von Objekten, die gemäß einem Kalibrierverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 kalibrierbar ist, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Steuereinrichtung zur Steuerung des schichtweisen additiven Herstellvorgangs, eine Schichtauftragsvorrichtung, die ausgelegt ist, eine Schicht eines formlosen Aufbaumaterials auf einer Bauunterlage oder einer bereits hergestellten Schicht innerhalb eines Baufelds bereitzustellen, eine Energiezufuhrvorrichtung, die ausgelegt ist, festgelegte Stellen der bereitgestellten Schicht, die den Querschnitten der Anzahl von Objekten in dieser Schicht zugeordnet sind, durch Zufuhr von elektromagnetischer Strahlung zu verfestigen, wobei die Energiezufuhrvorrichtung ausgelegt ist, zur Zufuhr von elektromagnetischer Strahlung zu den festgelegten Stellen über das Baufeld bewegt zu werden und der Energiezufuhrvorrichtung für diese Bewegung eine vordefinierte Sollrichtung (X) vorgegeben ist, wobei die Energiezufuhrvorrichtung eine Anzahl von Strahlungsemittern aufweist, die entlang einer Anordnungsrichtung (Y) quer zur vordefinierten Sollrichtung (X) angeordnet sind, und Strahlungsemittern in Abhängigkeit von den festgelegten Stellen durch die Steuereinrichtung vorgegeben wird, an welchen Emissionsorten über dem Baufeld Strahlung emittiert werden soll, und die Steuereinrichtung ausgelegt ist, an Positionen (XJ) in der Sollrichtung (X), an denen im Zuge des Kalibrierverfahrens eine Abweichung ermittelt wird, Strahlungsemittern andere Emissionsorte vorzugeben.
11 . Vorrichtung nach Anspruch 10 mit einer Linearführung, durch welche die Energiezufuhrvorrichtung bei ihrer Bewegung über das Baufeld geführt wird.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , bei der die Linearführung zwei voneinander beabstandete parallele Schienen aufweist, auf denen die Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung mittels zweier Schlitten geführt ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Energiezufuhrvorrichtung zwischen auf zwei Seiten des Baufelds angeordneten Schienen angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, weiterhin aufweisend: einen Lagedetektor, der ausgelegt ist zu ermitteln, ob es bei der Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung zu einer Abweichung der Bewegungsrichtung (B) der Energiezufuhrvorrichtung von der vordefinierten Sollrichtung (X) kommt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, weiterhin aufweisend: einen Lagedetektor, der ausgelegt ist zu ermitteln, ob es bei der Bewegung der Energiezufuhrvorrichtung zu einer Abweichung der Bewegungsrichtung (B) der Energiezufuhrvorrichtung von der vordefinierten Sollrichtung (X) kommt, wobei der Lagedetektor zwei Positionsmesseinheiten aufweist, von denen jede an einer der beiden Schienen angebracht ist und geeignet ist, die Position des jeweiligen Schlittens auf der Schiene zu bestimmen.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, bei der der Lagedetektor ausgelegt ist, einen Winkel (ctj ) zwischen der vordefinierten Sollrichtung (X) und der Bewegungsrichtung (B) zu bestimmen. 36
17. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 16, bei der es sich bei dem Lagedetektor um eine oberhalb der Energiezufuhrvorrichtung angeordnete Kamera handelt.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, weiterhin aufweisend: eine Prüfeinheit, die ausgelegt ist, das Vorliegen einer Abweichung festzustellen, wenn der durch den Lagedetektor ermittelte Winkel (ctj ) einen vorgegebenen Toleranzwinkel (ctref) übersteigt.
19. Verfahren zur schichtweisen additiven Herstellung einer Anzahl von Objekten, das ein Kalibrierverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst.
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