WO2024032919A1 - Device and method for calibrating a production system based on optical interaction - Google Patents

Device and method for calibrating a production system based on optical interaction Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for calibrating a manufacturing system based on optical interaction, in particular a manufacturing system for selective laser melting (SLM), in which a processing light beam from the manufacturing system is absorbed by means of conversion material and converted into a detectable and preferably visible calibration light can be converted.
  • SLM selective laser melting
  • the present invention relates to a method and a device which enables calibration of the production system by selectively moving the processing light beam along the conversion material and detecting the calibration light generated in this way.
  • Manufacturing systems known from the prior art and based on optical interaction optical manufacturing systems
  • laser-induced and/or manufacturing systems based on additive manufacturing steps, such as selective laser melting usually include one or more high-performance systems operating in the infrared range.
  • Intensity light sources which are coupled to a plurality of finely adjusted optical elements (lenses, mirrors, filters, etc.) that can be controlled automatically via a computer system and thus make it possible to plastically impact a workpiece or workpiece by generating a compressed processing light beam focused on a specific production point a material to take effect.
  • a manufacturing system using the selective laser melting process has at least one laser light source, which can use software-supported optics to focus a bundled laser beam onto powdery layers of materials to be processed and thus create an extremely effective, three-dimensional manufacturing process through local, layer-by-layer fusions.
  • the problem still occurs in most such systems that, due to different external and internal influences, such as thermal expansion or mechanical displacements of individual manufacturing components contained in the manufacturing system, the light path of the processing light beam is particularly independent of any settings of the optical elements can be changed, which can sometimes result in noticeable deviations between the target position of the processing light beam to be controlled and an actual position that is actually present. Accordingly, it is critical for existing optical manufacturing systems to produce the most precise possible analysis of existing light path deviations and, if necessary, a correction of the above-mentioned position discrepancies, which is able to both identify any changes in the light beam being processed and to correct the resulting misalignment of the light path .
  • US 2021 016394 A1 describes the use of a so-called scanning field plate, on which a predefined geometric pattern is melted and analyzed using an external measuring machine to determine any light beam misses.
  • the above-mentioned method provides, in addition to the pattern generation, to apply a series of measurement coordinates to the scanning field plate and to include said positioning of the measurement coordinates together with the analysis results of the previously described melt pattern in a calibration data set used to readjust optical elements.
  • the claimed method and the claimed device for calibrating the optical manufacturing system can at least, in a first aspect of the present invention, include the use and provision of a light-converting medium, hereinafter referred to as a “conversion body”, which is preferably used for calibrating one in one processing light beam used in an optical production system, can be introduced into a respective production system and set up to absorb the light of the processing light beam (in particular a bundled light beam with an infrared wavelength and thus an invisible laser) by hitting certain points on the conversion body and for subsequent identification. and adjustment processes to convert or emit a detectable and preferably visible light.
  • a light-converting medium hereinafter referred to as a “conversion body”
  • conversion body which is preferably used for calibrating one in one processing light beam used in an optical production system
  • the basis of the present invention thus forms a calibration process which is preferably based on the conversion of the processing light beam into a detectable light signal, which means that neither plastic deformations/destructions on a calibration material nor any externally stored ones are observed for the analysis of any light path deviations within a production system to be corrected Measuring machines are required.
  • the present invention can be used in particular to carry out the calibration of the corresponding light path within the production facility without the necessary exchange of calibration elements, so that material costs are saved as well as a calibration process that can be carried out exclusively within the production facility (ie competent in situ) and is enabled to be automated can be.
  • the position of the laser beam (light beam) can be directly detected and evaluated as soon as the beam passes over the conversion medium emotional.
  • This type of position detection also applies advantageously to rays that strike at an angle of inclination.
  • a calibration method according to the present invention may comprise at least one of the following steps:
  • the calibration method described above is preferably designed to be carried out completely within the production system to be adjusted, so that any changes caused by the exchange Waiting times that arise or relocating calibration materials can be effectively avoided.
  • the claimed method is generally not limited to a specific type of manufacturing system, but can preferably be used for any type of manufacturing system based on optical interactions.
  • the method claimed herein can initially be used preferably for any production system which is at least capable of plastically acting on a predefined workpiece or a material required to generate the workpiece by focusing a light beam generated within the corresponding production system and thus on an at least two-dimensional body to create.
  • the optical manufacturing system applicable to the method can also comprise for this purpose at least one radiation source set up to generate the light beam, such as a laser or high-energy diodes, which are used to focus the generated light beam on the corresponding material, optically can be coupled with a series of selectively adjustable optical elements, such as (converging or scattering) lenses, mirrors or filters, and thus enables the production system to target and focus the light generated at least along a predefined working plane located within the production system procedure.
  • at least one radiation source set up to generate the light beam such as a laser or high-energy diodes, which are used to focus the generated light beam on the corresponding material
  • optically can be coupled with a series of selectively adjustable optical elements, such as (converging or scattering) lenses, mirrors or filters, and thus enables the production system to target and focus the light generated at least along a predefined working plane located within the production system procedure.
  • the latter working plane can preferably also be positioned within an installation space that is decoupled from the location of the optical elements and is preferably set up for the production of the respective workpiece, for example a process chamber arranged in the production system, so that the optical elements themselves during the production process can be effectively protected against any emissions (e.g. smoke, dust, sparks, etc.).
  • any emissions e.g. smoke, dust, sparks, etc.
  • manufacturing systems for additive manufacturing such as 3D printers or SLM systems based on optical interactions, can preferably be effectively calibrated using the above-mentioned method.
  • the claimed method itself can preferably be started with an initial initiation phase in which, in a preferred exemplary embodiment of the present invention, particularly required system settings and/or calibration elements are adjusted into the production system to be adjusted and the subsequent calibration can thus be prepared as efficiently as possible.
  • a first step of the aforementioned initiation phase can preferably initially provide for positioning of the conversion body required centrally for the calibration process at a predefined calibration position within the respective production system to be adjusted, the position at which the latter conversion body can preferably be defined as the calibration position also illuminated by the processing light beam of the production system and should therefore be analyzed for the further process and used to adjust the production system.
  • the corresponding calibration position can be arranged, in particular at least in the aforementioned working plane, but in further exemplary embodiments at least at a point within the used installation space that can be reached by the processing light beam by controlling the optical elements of the production system, so that it is preferred This makes it possible to illuminate said conversion body without the addition of additional aids (and thus potentially additional sources of error that need to be included).
  • the said conversion body can, for example, preferably, in a first exemplary embodiment of the present invention, be introduced into a locking device which is set up for releasably fixing the conversion body and stationed within the installation space, preferably in the working plane of the production system, so that irradiation of the conversion body for the subsequent calibration process preferably by the same as the conventional manufacturing process, but in a further preferred embodiment at least partially coaxial with the The light path used for the manufacturing process can be done.
  • a positioning of the body not only offers the above-mentioned advantage of the redundancy of further required calibration materials, but can also be used to generate the highest possible precision in the subsequent calibration phase due to the minimum width of the processing light beam generated by the focus point.
  • first exemplary embodiment can also result in particular from the reuse of already existing elements of the production system: For example, it can equally be possible for devices of the optical production system that are already used for production to be used as a locking device, in a particularly preferred exemplary embodiment, However, it can even be designed as the actual conversion body to be positioned on the working plane, whereby the installation of further mechanisms within the production system can be avoided and the efficiency of the claimed calibration method can be further increased.
  • the locking device set up to fix the conversion body can, for example, preferably also be used as a holding mechanism that already exists within the installation space and is usually configured for positioning and fixing the respective workpieces/materials, such as one conventional in additive manufacturing systems occurring base plate, so that said holding mechanism in the present invention preferably assumes a double role and can therefore be used both to lock any workpieces and the conversion body used for calibration.
  • said holding mechanism itself to be designed as a conversion body, which in particular generates the advantage that the claimed calibration method completely dispenses with the import of external calibration materials and is therefore designed completely in situ can be.
  • the conversion body can also preferably, alternatively or in addition to the above-mentioned properties, also be designed to be movable in particular, whereby the conversion body can preferably be made possible to move along a predefined transport path for precise placement at the respective calibration position.
  • the positioning of the conversion body within a respective installation space can also include at least the additional step of moving the conversion body along at least one axis and at least from a first position (henceforth called “first travel position”) to a second (movement -) position and back, whereby the second travel position can be identified in a preferred case as the desired calibration position of the manufacturing system.
  • controllable transport devices that are configured specifically for the transport of the locking device and/or the conversion body and are equally integrated within the installation space, for example a rail system or a lifting work platform that can be moved along at least one axis, can also be provided, so that it
  • the production system is made possible not only to carry out the method step described above, preferably fully automatically, but also to selectively move the conversion body used out of or into a potential processing zone, for example to enable a production step to be carried out in the meantime.
  • any removal of the conversion body from the production plant, in particular to protect against potential emissions occurring during the manufacturing process, is no longer necessary, so that in this case the conversion body is preferably firmly attached to the respective installation space can be designed to be portable.
  • the transport device set up to move the conversion body the latter can, in a particularly preferred example, also, similar to the first mentioned embodiment, in particular again as one already existing in the production plant or at least a part of one already in the production plant existing facility, so that the corresponding installation space can be used equally effectively.
  • the locking device (and thus the respective conversion body) can be used, for example, to position the conversion body, preferably on movable manufacturing elements used for the enrichment of material, such as coaters or material nozzles used for powder melting processes Manufacturing system can be attached, so that by appropriately moving the manufacturing element, an equally simple and efficient position adjustment and thus a dynamic introduction of the conversion body into the light path of the processing light beam can be achieved.
  • these movable production elements such as the above-mentioned coater, to be used as conversion bodies themselves, which not only avoids any additional attachment processes that need to be carried out, but also further minimizes the materials required for calibration can.
  • the above-mentioned method step for positioning the conversion body in a respective production system to be adjusted can include a plurality of process steps that improve or simplify the calibration process, so that an extremely effective calibration is made possible compared to the prior art.
  • the present invention can also be used as a second process step within the initiation phase, especially after the above-mentioned introduction of the conversion body into the corresponding production system the setting of any existing manufacturing facilities in the manufacturing plant to initiate the subsequent one
  • At least the processing light of the radiation source integrated within the optical production system can be adapted for the same calibration process.
  • an extremely preferred method step can at least include reducing the power emitted by the radiation source per unit of time, whereby said conversion body can be effectively protected during the entire calibration process.
  • the radiation source can preferably be equipped with an adjustment mechanism, which allows the former, for example by receiving an initiation signal from the production system, to set the power of the radiation source at the beginning of the calibration process to a predefined one for the irradiation of the conversion body to minimize the value to be used.
  • an adjustment mechanism which allows the former, for example by receiving an initiation signal from the production system, to set the power of the radiation source at the beginning of the calibration process to a predefined one for the irradiation of the conversion body to minimize the value to be used.
  • the radiation source may not be suitable for adjusting its power on its own (for example in the case of a laser source)
  • an opto-mechanical device specifically intended for the light beam of the radiation source
  • Power filter such as an absorption filter designed for the wavelength of the processing light beam, can be introduced into the beam path of the radiation source and thus externally modifies the power density reaching the conversion body.
  • the production system can also be set up to activate a pulse operation of the laser light source, which is preferably set up for the calibration process and is preferably adjustable, whereby the outgoing power, in particular by adjusting the Pulse lengths defining light radiation can be adjusted effectively and preferably continuously, even without additional elements being introduced.
  • a pulse operation of the laser light source which is preferably set up for the calibration process and is preferably adjustable, whereby the outgoing power, in particular by adjusting the Pulse lengths defining light radiation can be adjusted effectively and preferably continuously, even without additional elements being introduced.
  • the latter can preferably be done by using preferred laser light modulations, such as quality modulation (Q-switch) or various mode coupling methods, for example modulation methods based on acousto-optical (AOM) or electro-optical modulators (EOM), and so, depending on the laser light source used, as much as possible enable precise adjustment of the laser light to be used.
  • Q-switch quality modulation
  • AOM acousto-optical
  • EOM electro-optical modulators
  • the present invention can, in a next step, preferably initiate a calibration phase intended for identifying optical shifts and corresponding adjustment of the processing light beam.
  • the calibration method provided for this purpose can preferably use at least the properties of the conversion body present in the production system, which is set up to absorb the light of the processing light beam of the production system during the irradiation at predefined points of the conversion body and preferably into a detectable, preferably visible, calibration light convert and emit.
  • the conversion body itself in a particularly preferred exemplary embodiment, can preferably initially be made of an inert material, for example glass or anodized aluminum Substrate provided and designed as any three-dimensional body, which can comprise an application consisting of at least one conversion material that interacts with the processing light beam to produce the above-mentioned optical conversion properties.
  • the light beam which is preferably a laser beam, is converted by the conversion material from its infrared wavelength, which is invisible to the human eye, into visible light in order to be able to carry out direct position detection.
  • the conversion material in question can, for example, preferably be a polymer made of optically active materials, such as lithium niobate (LiNb03), potassium dihydrogen phosphate (KH2P04), barium borate (BA(BO2)2), YAG (Y3AI5012), a mixture of rare earths such as neodymium ( Nd) or yttrium (Y), or other elements fulfilling the above property, which can be explicitly designed to carry out the previously described conversion process upon exposure to the processing light beam and thus to provide the calibration light required for the calibration, preferably through purely quantum optical effects generate.
  • optically active materials such as lithium niobate (LiNb03), potassium dihydrogen phosphate (KH2P04), barium borate (BA(BO2)2), YAG (Y3AI5012), a mixture of rare earths such as neodymium ( Nd) or yttrium (Y), or other elements fulfilling the above property, which can be explicitly designed to carry out
  • the conversion material applied to the conversion plate can also be set up in particular in such a way that the aforementioned calibration light can be generated, for example, by means of preferred frequency doubling of the absorbed light beam of the radiation source used, so that an accurate and in particular dependent on the processing light Definition of the calibration light is made possible.
  • the described three-dimensional shape of the conversion material can generate the advantage that a conversion of the processing light can take place by the sole impact of the processing light beam on the conversion material and the present calibration process can therefore be carried out in particular independently of any angles of irradiation or orientation of the last-mentioned light beam, which the
  • the conversion body can be designed as a flat, preferably plate-shaped plate, for example in the same size and/or shape as a workpiece originally to be processed in the respective production system, so that the conversion body can be effectively integrated into the production system of the respective production system to be adjusted.
  • an already existing manufacturing device (or an element) of the manufacturing system such as a base plate set up to fix a workpiece or a movable coater, can assume the function of a conversion body, which can be achieved, for example, by applying the previously described conversion material to a predefined surface of the respective Manufacturing facility is generated. The latter in particular results in an extremely effective calibration procedure.
  • the claimed calibration method can initially, in a first step of the calibration method, provide for the identification of a misalignment of the processed light beam of the optical manufacturing system to be adjusted, by moving the processed light beam, preferably by controlling the optical elements, along a surface wetted with the conversion material of the conversion body and, based on this process, an explicit difference between an impact position (target position) originally intended by the optical production system and an actual impact position (actual position) of the machine being processed, which is generated by the misalignment and deviates from the target position Light beam on the conversion body can be determined.
  • a calibration trajectory responsible for the movement of the processing light beam can preferably first be created or at least selected from a plurality of possible calibration trajectories, preferably using a predetermined database within the optical production system, so that the method of processing light beam on the surface of the conversion body at least along said predefined Calibration trajectory can be done.
  • the latter process step not only has the advantage that the respective method of the processing light beam can be completely determined based on the predefined travel path and can therefore be repeated consistently even in iterative processes, but the creation of a calibration trajectory can also be used to define a plurality of "target" values to be compared. Positions” can be used.
  • each point P of the selected calibration trajectory (for example named T) can be defined at least by a temporal component t and a spatial component x or a temporal t and a speed-indicating component v, whereby the travel path T(P(x,t)) or T(P(v,t)) to be carried out by the processing light beam is completely defined at any time.
  • T the travel path
  • T(P(x,t)) or T(P(v,t)) to be carried out by the processing light beam is completely defined at any time.
  • the latter identification of actual positions to be used can also preferably be carried out by means of the above-mentioned conversion of the processing light by the conversion body. More specifically, for this purpose, the conversion of the processing light beam into a detectable light can preferably be carried out in a particularly spatially-dependent manner, so that, for example, by irradiating only areas of the conversion body capable of conversion at predefined positions and subsequent detection of the calibration light generated by the conversion , at least one actually occurring impact position (actual position) of the processing light beam on the conversion body can be verified.
  • the conversion body can, for example, be designed in such a way that, during the irradiation of the conversion body by the processing light beam, the processing light is converted into the detectable light only at certain, predefined positions of the conversion body can be done.
  • the application of the conversion material to the conversion body can preferably only be spatially limited.
  • this spatial restriction can also be designed in such a way that the conversion body can only provide individual application structures made of conversion material (hereinafter also referred to as “conversion structures”), which are only present at specific, i.e. predefined positions, which in particular results in the effect is generated so that the above-mentioned calibration light is generated only when the processed light beam hits the positions defined by the conversion structures and can therefore be used as an effective and position-specific detection signal.
  • conversion structures individual application structures made of conversion material
  • a corresponding calibration phase of the present invention can preferably be designed in such a way that the processing light beam can initially be moved along a predefined travel path on the conversion body, preferably by using the aforementioned calibration trajectory. If the processing light beam then hits at least part of a conversion structure positioned on the conversion body along its travel path, the processing light can then be absorbed by the conversion materials located within the conversion structure and converted into the detectable calibration light.
  • the conversion structure Since the conversion structure is only placed at predefined positions on the conversion body, in a next step, by detecting the Conversion structure outgoing calibration light, verified that the current actual position of the processing light beam must be at one of the corresponding, predefined positions of the conversion structure, so that, preferably by detecting a plurality of calibration light emissions, the actual travel path of the processing light beam and thus the on The actual positions of the processing light beam that actually occur during this travel path can be effectively reconstructed.
  • the actual detection of the calibration light emanating from the conversion material can also preferably be achieved by a sensor and in particular a photodiode or a photodiode array.
  • a sensor and in particular a photodiode or a photodiode array.
  • an optical sensor device integrated into the production system can be present, such as a one- or two-dimensional CCD sensor, a cMOS sensor, so that the calibration process can also be carried out completely in situ, that is, exclusively within the production system and in particular autonomously.
  • the actual positions of the light beam determined by the above detection process can, in a next step, preferably be compared with the target positions provided within the optical production system. More specifically, for this purpose, as a result of the reconstruction of the actual travel path of the processing light beam made possible by means of signal detection, selected positions can be taken from the reconstructed travel path, defined as actual positions and are contrasted with the target positions stored within the calibration trajectory used and actually intended at the time of a respective actual position, so that the present identification process determines an explicit spatial difference between said actual and target positions of the processing light beam and preferably for one subsequent adjustment of the optical production system can continue to be used.
  • the method claimed here can also provide, in a subsequent step, for a recalibration of the respective optical production system, preferably on the basis of the previously identified differences between the determined actual and target position.
  • the above-mentioned identified differences between the actual and target positions of the processing light beam can be fed as corresponding difference data into an adjustment device which is specifically set up for adjusting the production system and is also integrated into the production system , preferably based on information obtained from these differences (for example: distance between the positions, relative displacement coordinates, position in the coordinate system of the manufacturing system) can carry out a change in the control parameters of the optical manufacturing system used to control the processing light beam.
  • control parameters can be changed by the adjustment device depending on the information received or, in general, which consequences can be drawn from the information received, can preferably be done by reading out parameter-dependent parameters stored in the adjustment device Process decisions are defined.
  • the adjustment device can contain an internal data library with regard to possible solutions to position discrepancies that occur with certain light beam modifications, which the adjustment device can check to find potentially useful parameter changes and, if necessary, use as a basis for adapting the above-mentioned control parameters.
  • the calibration program mentioned can, for example, preferably be set up to extract the aforementioned information based on the identified difference between the actual and target position of the processing light beam and a potential parameter change accordingly based on the information extracted and a previous training of the contained artificial intelligence, for example with regard to to carry out optical effects resulting from various parameter changes.
  • the claimed calibration method especially due to the extremely material-friendly and precise process steps, offers a much more efficient method approach compared to the state of the art, which, in addition to further advantages, such as a completely possible in situ procession, dynamically feasible analysis steps or a purely optical detection process, can be applied to a large number of different manufacturing systems based on optical interactions.
  • the claimed calibration method due to which individually adaptable process steps, a wide variety of adaptation options that can be applied to a respective system.
  • the claimed calibration method can be designed to be completely automated.
  • the optical manufacturing system can preferably additionally comprise, for example, at least one central control device, which can preferably be connected in terms of signals to individual manufacturing devices or elements, such as the optical elements, the radiation source or a device that gives the conversion body position (for example the locking device), and is set up accordingly to regulate the above-mentioned method centrally and automatically by means of signal exchange between the above-mentioned production facilities and the control device.
  • the central control device can preferably be set up to check the process status of a respective method step by requesting and receiving a status signal to be sent by a responsible manufacturing facility and, based on the signals thus received, to initiate a subsequent method step by controlling further manufacturing facilities or to continue existing method steps .
  • a completely automatable calibration process can be generated, since each process step of the claimed method can preferably only be carried out within the production system and thus in the control area of the above-mentioned control device.
  • the present method can also preferably be carried out iteratively, so that after a respective change in the control parameters by the adjustment device, a new start of the calibration method can be initiated if, for example, the light beam modifications resulting from the adjustment are not the desired improvement of the processing light beam can be achieved.
  • the claimed method can preferably also provide to repeat the calibration process preferably so often until at least the determined spatial difference between at least one identified actual position and the corresponding target position falls below a predefined limit or at least a predefined number of process iterations have been carried out.
  • the detection process carried out by the optical sensor device and required for detecting the calibration light can be carried out in particular continuously during the process of the processing light beam, so that a calibration of the production system is preferably carried out in real time and with an increased Number of calibration information is possible.
  • the optical sensor device can preferably be set up to first detect the calibration light generated by the conversion of the processing light as a calibration light signal, which is preferably dependent on the intensity or on the amount of the detected calibration light, whereby, by means of the above-mentioned continuous determination type , a time course of the detected calibration light quantity/calibration light signal generated during the process of the processing light beam can be generated.
  • the above-mentioned process step has the advantage that by constantly detecting the calibration light emitted by the conversion structures, a time-dependent signal structure can be generated, which generates both additional information for identifying any actual/target positions as well as the precision of the Detection of any calibration light emission can be further increased.
  • the sensor device can be set up to use the previously described generated signal curve to generate an additional process step for verifying existing calibration light emissions by searching the signal curve mentioned by the sensor device, preferably in real time, for any signal patterns indicating calibration light emission.
  • this process step can preferably provide for identifying, in particular, those signal intervals as emission events that have actually occurred, which can show a comparatively strong calibration light signal value or one that preferably exceeds a specified signal limit value, so that, through an explicit comparison of existing signal values, any resulting from external influences and thus to Signal detection resulting in incorrect adjustments can be effectively eliminated.
  • a further advantage of the generated signal curve can also be seen in further improving the identification of the exact impact positions of the processing light beam on the respective conversion structure, in particular by making it possible to analyze an exact point in time of a respective detected calibration light emission.
  • the said light can strike at several points of a conversion structure (for example when passing through a conversion structure), so that an emission occurs for several intended positions of the light beam of the calibration light to be detected, thus making it more difficult to determine the exact position of the processing light.
  • the optical sensor device can in particular preferably be set up to search the signal curve correspondingly generated by the last-mentioned calibration light emission, preferably for a signal maximum, and to select an impact position on the conversion structure to be used for identifying the actual positions, preferably at least for the time of this signal maximum to determine.
  • This is based on this Process step in particular ensures that by moving a finitely wide light beam on a predefined conversion structure, a signal maximum is generated at a point of the largest structure exposure area, so that by determining the signal maximum, preferably the center of the exposed conversion structure or at least the position in which the processing light beam the largest area of the conversion structure exposed can be identified.
  • the previously mentioned reconstruction of the actual travel path of the processing light beam by means of the plurality of detected calibration light signals can also preferably be made possible by using a wide variety of geometric analysis mechanisms, such as dynamic regression algorithms and / or compensation calculations based on fit functions, which can preferably be set up when receiving the A plurality of calibration light signals and comparison of the latter with the predefined positions of the conversion structures to simulate the actual movement of the processing light beam. More precisely, for this purpose, for example, the calibration light signals continuously determined by the optical sensor device during the movement of the processing light beam can be collected and passed on to the above-mentioned analysis mechanisms after the travel path has ended, so that due to the large amount of existing data/information generated in this way, an exceedingly precise identification of the actual travel path of the processing light beam can be made possible.
  • geometric analysis mechanisms such as dynamic regression algorithms and / or compensation calculations based on fit functions
  • the above-mentioned process steps can be used to further improve the detection of the actual and target positions to be identified by supporting the determination of the respective impact positions of the processed light beam on the conversion structures and the reconstruction mechanism based thereon by a time-dependent analysis method that is dependent on dynamic signal structures becomes.
  • the at least one conversion structure located on the conversion body can, for example, be provided with a predefined, geometric pattern, whereby in particular the aforementioned reconstruction of the actual travel path of the processing beam can be further specified.
  • the pattern of the at least one conversion structure can, for example, include a plurality of geometries filled with the conversion material and designed as a line structure, so that the potentially impact positions on the conversion structure to be taken into account (and thus the inaccuracies to be taken into account for the reconstruction), in particular due to the so preferably small structural area can be reduced.
  • the line structures mentioned can, for example, only be present in orientations that are parallel and/or orthogonal to one another, so that when a calibration light signal corresponding to this line structure is detected, the potential impact positions can be limited to only one-dimensional coordinates .
  • each line structure of the at least one conversion structure may also be designed with different widths or with another predefined geometric figure, such as a circular shape, a triangular shape, a trapezoidal shape, etc , so that by passing through the processing light beam on each line structure, a line structure-specific signal structure generated on the optical sensor device is generated and these can therefore also be used for improved identification of any actual/target positions.
  • another predefined geometric figure such as a circular shape, a triangular shape, a trapezoidal shape, etc .
  • the conversion body or the locking device fixing the conversion body within the optical production system can be designed to be movable at least vertically, but in a preferred exemplary embodiment at least perpendicular to the focal plane of the processing light beam, so that the calibration position is equally above and / or below the corresponding working level of the optical production system can be defined.
  • the above-mentioned property can generate the advantage that the calibration method described above can be carried out using a focused light beam (calibration position in the focal plane/working plane), but in desired cases also with defocused optics (calibration position below/above the focal plane/working plane). can be operated, so that additional effects, such as error analysis that is equally dependent on the z-position of the processing light beam, can be made possible.
  • the positioning of the optical sensor device can preferably be adapted to the respective optical production system to be adjusted.
  • the optical sensor device can, for example, be positioned in a free area of the installation space, that is to say independent of the light path of the radiation source, so that the calibration light emitted by the conversion body preferably impinges directly on the integrated sensor of the optical sensor device and thus can generate a particularly strong calibration light signal.
  • the optical sensor device may also be possible for the optical sensor device to be preferably attached to a position adjacent to the light path of the processing light beam, whereby it is made possible for the optical sensor device of the calibration light to use at least part of the optical elements integrated in the optical production system for its own detection of the calibration light and thus the light path of the calibration light can be at least partially aligned coaxially with the light path of the processing light beam.
  • the last exemplary embodiment can be used to create an extremely efficient and space-saving integration of the optical sensor device into the production system to be adjusted.
  • the present invention can also include the introduction of at least one optical filter device, preferably into the light path of the optical sensor device.
  • the optical filter device can preferably provide at least one optical filter element, such as a long-pass filter, a short-pass filter or a band-pass filter, and can therefore at least be set up to transmit light within a predefined wavelength range, preferably in the wavelength range of the emitted calibration light, and to absorb light outside this wavelength range. whereby any interference signals for the optical sensor device caused, for example, by external light sources can be effectively minimized.
  • the filter device mentioned can be, for example, as an optical element of the optical production system wetted with an optical filter glass, but in further examples also, for example, as a protective glass of the installation space positioned in the light path of the processing light beam and provided with one of the above-mentioned filter elements or as a Filter turrets that already exist in the production plant can be designed.
  • Figure 1 shows an embodiment of an optical manufacturing system set up to use the claimed calibration method with an optical sensor device integrated in the scanning head of the manufacturing system;
  • Figure 2A shows a schematic representation of the claimed calibration method
  • Figure 2B shows an exemplary top view of a portion of a conversion plate with an applied conversion structure
  • Figure 2C shows an exemplary course of the calibration light signal detected by the sensor device of the claimed invention
  • Figure 3 shows a further embodiment of the optical production system shown in Figure 1 with the optical sensor device integrated in the installation space of the production system;
  • Figure 4 shows an exemplary calibration method according to the present invention carried out by the production system of the embodiments of Figures 1 and 3.
  • Figure 1 shows a schematic embodiment of a manufacturing system 1 based on optical interactions, specifically a manufacturing system for selective laser melting of the present invention, in which a material to be processed is applied in layers on a movable base plate 16 and locally remelted by means of focused laser irradiation in such a way that by continuous application , exposing and fusing additional material layers 24, a three-dimensional workpiece 26 can be generated (additive manufacturing).
  • the manufacturing plant 1 provides at least one (laser) light source 4, which generates a light beam LS modified to interact with the material layers 24 via a control system 6 coupled to the manufacturing plant 1, and this light beam LS with the aid of various devices in a scanning head 2 integrated optical elements L e , such as focus or scatter lenses LI, L2, L3, mirrors 13A, optical filters, etc., are focused via a light path onto the material layer 24 to be processed.
  • laser laser
  • galvanometer scanners are used as deflection mirrors.
  • the scan head 2 itself is present as an independent, rigid housing, in which the latter optical elements L e are aligned so that they can be controlled manually and/or automatically and thus, depending on their current orientation and the optical properties assigned to them (e.g. focus lengths or filter frequencies ) generate a light beam that can be positioned three-dimensionally and is designed to process the material layers 24.
  • the scan head 2 in the present embodiment is initially designed as a closed or lockable system in which the light beam processing the material only passes through an exit hole provided with a scan head glass 3 can be led out of the scan head 2.
  • optical elements L e may also be possible to design the optical elements L e as a free-standing device system or to integrate the latter at least partially in other units of the production system 1, such as the light source 4.
  • the representation of the light source 4 only serves visual purposes, so that the latter can be designed to be integrated into the scan head 2 or other elements of the production system 1.
  • the light path used to produce the workpiece 26 also leads through the scan head glass 3 into a process chamber 12 which is spaced from the scan head 2 by a free space 5, which in this case is called The installation space to be used is used and in which the various material layers 24 to be processed are applied to a movable base plate 16 and are focused on a working plane AE by the producing light beam to produce the workpiece 26.
  • any three-dimensional workpiece 26 the material to be processed is first applied in powder form in a thin layer 24 to a base plate 16 and by at least a vertical process the base plate 16 is positioned at a processing height corresponding to the light path by means of controllable lifting devices 20 (eg pneumatic, electrical or mechanical cylinder or scissor lifting devices).
  • controllable lifting devices 20 eg pneumatic, electrical or mechanical cylinder or scissor lifting devices.
  • the corresponding powdery material 18 in this exemplary embodiment is previously coated with at least one layer parallel to the one being processed Material layer 24 movable roller or alternatively with other devices such as integrated silicone lips, brought to a predefined layer height and excess material removed from the base plate 16, so that in particular consistent material conditions can be guaranteed within each iteration process.
  • the processed powdery material layer 24 is then locally remelted using the above-mentioned light beam focused through the light path and forms a solid material layer after solidification.
  • the base plate 16 is then lowered by a predefined layer thickness of the material layer 24 and a new material layer 24 is applied to the base plate 16, so that a fused, three-dimensional material shape (the workpiece) 26 can be formed by repetitive processing and adding new material layers 24.
  • the process chamber 12 of the manufacturing plant 1 is also designed to be completely closable and equipped with any regulatory elements, such as pressure regulators or for importing or exporting the required processing chemicals (e.g. argon, neon, etc. ) equipped valves, equipped processing housing is designed, which in particular completely encloses the above-mentioned base plate 16, through integration into the process chamber structure 11 (ie at least the process chamber outer wall), and can thus provide an installation space that is sealed off from external influences.
  • any regulatory elements such as pressure regulators or for importing or exporting the required processing chemicals (e.g. argon, neon, etc. ) equipped valves, equipped processing housing is designed, which in particular completely encloses the above-mentioned base plate 16, through integration into the process chamber structure 11 (ie at least the process chamber outer wall), and can thus provide an installation space that is sealed off from external influences.
  • a protective glass 10 is also introduced into the process chamber housing 11, which, due to its optical properties, is at least set up to protect both from the light source 4 and through the scanning head 2 to allow the controlled light beam into the process chamber 12 as well as the elements of the production system 1 mounted in the scan head 2 or otherwise before any during the to shield the process emissions 28 (powder residues, smoke, sparks, etc.) that occur during production.
  • optical manufacturing systems such as the SLM system 1 shown in FIG Light beam can be unintentionally modified, so that the light path of the actually occurring processing light beam 14 'and thus the resulting impact position (actual position IP) on the material layer 24 differs from the light path or the impact position (target position SP) of the originally intended Light beam 14 can deviate and thus cause inaccuracies within the manufacturing process.
  • Figure 2A shows a first schematic representation of the operation of the claimed calibration method.
  • a particularly extremely precise and non-invasive calibration process is made possible in that detection of the potential misalignment of the processing light beam 14 'can only be generated by a purely optical identification mechanism.
  • the present invention provides for a so-called conversion body 29 coated with a conversion material to be positioned in the installation space of the production plant 1, which is capable of being exposed to light by means of the conversion material, which is usually in the infrared range (and therefore difficult to identify).
  • Processing light of the manufacturing plant 1 the processing light into a detectable, preferably visible calibration light 32 and so, by detecting the emanating from the conversion material Calibration light 32 to enable a position determination of the processing light beam 14 '.
  • Figure 2A shows the basic principle of the identification and calibration process to be generated in a schematic minimal system.
  • the conversion body 29 used in this case designed as a rectilinearly aligned, plate-shaped plate, is provided with so-called conversion structures, which are only at predefined positions, shown here as a line pattern of vertical and horizontal line structures 34 & 34 ', are applied to the substrate 33 of the conversion body 29 and to achieve the previously described conversion process, contain the above-mentioned conversion materials.
  • a processing light beam 14 ' preferably focused on this conversion body 29, now moves along and illuminates one of the predefined positions of the applied conversion structures, the aforementioned calibration light 32 can be generated at this point, so that an optical, non-invasive and in particular spatially-dependent detection signal can be created whenever the processing light beam 14 'travels over a predefined position of the conversion body 29.
  • Figures 2B and 2C show an exemplary detection and analysis step of the aforementioned sensor device S for identification any actual positions IP of the processing light beam 14 'to be used for the calibration process.
  • 2B shows an exemplary schematic top view of a conversion body, which is provided with a conversion structure designed as a vertical and horizontal line pattern 34 & 34 'and along which the processing light beam 14' is moved along an actual travel path TV.
  • KT describes the travel path of the processing light beam 14 'that was originally intended and predetermined by a calibration trajectory KT.
  • the shape of the conversion structure shown here only serves visual purposes and can also be present in other embodiments in a different configuration, for example with different geometries (e.g. spatially defined circular or cuboid shapes), sizes or orientations.
  • 2C shows an exemplary, schematic and time-dependent course of a detection signal correspondingly generated at the sensor device S, also called a calibration light signal KS, which is generated at the sensor device S during the movement of the processing light beam 14 'along the travel path TV of FIG. 2B.
  • the travel path TV is designed such that the processing light beam 14 'over a plurality of areas affected by conversion structures, for example shown at positions M2, M4 and M5, and free areas (see, for example, positions M1 and M3). of the conversion body 29 moves, so that the temporal signal curve of the sensor device S forms as a signal pattern with a plurality of signal peaks.
  • a calibration light 32 is generated, which is recorded by the sensor device S and thus as a characteristic increased Calibration light signal KS is inserted into the signal curve (see, for example, those with conversion structures Positions M2, M4 and M5, which can be found as signal peaks in the time course of the sensor device S).
  • the geometric analysis mechanism can provide for this purpose to examine the individual values of the time-dependent signal curve, but also other information (e.g. different distances between the individual signal peaks, widths of the signal pattern taken or, for example, the orientation of the original calibration trajectory KT) and by comparison This information with the predefined positions of the individual conversion structures (for example using geometric regression methods) to create an exact replica of the travel path TV actually used by the processing light beam 14 '.
  • Figure 1 also shows a first embodiment of the above-mentioned method, as it can be practiced in the optical manufacturing system 1 and thus in particular in an SLM system.
  • the conversion body 29 shown is again plate-shaped and provided with the conversion line structures 34 already shown in FIG. 2B Structure shown, which in the present case was placed within the process chamber 12 on the movable base plate 16 and, by means of the controllable lifting device 20 in at least the vertical direction, is present at a calibration position KP located on the working or focal plane AE of the production system 1.
  • the scanning field plate 29 may also be possible for the scanning field plate 29 to be stationed below or above the focal plane of the optical manufacturing system 1 by means of the method of the base plate 16, so that calibration can also be implemented when the light is not focused.
  • the general shape of the conversion body 29 can also deviate from the geometry shown, so that the conversion body 29 can not necessarily be designed as a plate, but in other embodiments also as any three-dimensional shape provided with the conversion structures. Furthermore, it is also possible that even one of the illustrated elements of the production system 1, such as the base plate 16, can be provided with the conversion structures and thus used as a functional conversion body 29.
  • the processing light beam 14 ' is now moved on the optical conversion body 29, which in the case shown is preferably carried out, analogously to the previously mentioned processing method, by selective control of the optical elements L e , then by converting the processing light on the conversion structure, the calibration light 32 is generated, which is detected by the sensor device S in the case shown for the calibration method already mentioned above.
  • the sensor device S itself is positioned within the scanning head 2, in particular behind a wavelength-specific mirror device 13A, which is also used for the manufacturing process and is preferably coordinated with the calibration light 32, such as an interference mirror or a wavelength-dependent prism, which in particular is set up to transmit light with a wavelength corresponding to the calibration light 32, but to reflect light outside of this wavelength.
  • the construction described above enables extremely effective and space-saving integration the sensor device S can be provided, which can not only use existing optical elements (e.g. L3) of the production system 1 for the detection of the calibration light 32 due to the light path used partly coaxially with the processing light beam 14 ', but also by means of the filtering capability of the mirror device 13A, any interference signals potentially arriving at the sensor device S are effectively prevented.
  • other elements located within the light path of the production system 1, such as the protective glass 10 or the exit glass 3 can also be provided with a filter function (e.g. by applying a wavelength-specific filter coating) , so that in particular a detection mechanism generated via a plurality of filter processes can be generated.
  • FIG. 3 also shows a further embodiment of the production system already shown in FIG. 1, wherein, in contrast to the exemplary embodiment shown in FIG Installation space of the manufacturing device 1 shown were introduced. Accordingly, the positioning of the sensor device S shown in FIG. 3 makes it possible in particular to detect the calibration light 32 independently of other optical elements and thus in particular directly.
  • Figure 4 also shows an exemplary sequence of an exemplary embodiment of the claimed calibration method, shown as a flow chart, as it can be carried out in one of the production plants 1 of Figures 1 or 3.
  • the claimed method can be initiated in particular with an initiation phase preceding the actual identification of misalignments of the processing light beam 14 ' and the adjustment of the production system 1, in which the system to be adjusted can first be set up for the subsequent calibration.
  • the conversion body 29 to be used for the calibration can first be positioned in the installation space, in the case shown on the movable base plate 16 of the production system 1, so that the former is exposed by the processing light beam 14 'and thus the initiation of the calibration process is made possible.
  • a second step S2 it is then possible, in a second step S2, to adjust the height of the conversion body 29 positioned in the base plate 16, whereby the conversion body 29 in a preferred case moves into the focal plane/working plane AE of the processing light beam 14 ', but also in other cases can be aligned below or above this level.
  • the settings used in the production system must be adapted to the calibration process. Accordingly, in a third step S3, the method can at least provide for the laser used in the production system, as radiation source 4, to be converted into an adjustable pulse operation and thus to effectively throttle the power of the processing light beam to protect the conversion plate.
  • the claimed calibration method can then move on to the so-called calibration phase, in which, preferably automated and coordinated as an in situ process, a misalignment of the processing light beam 14 'is identified and, based on this, the corresponding optical Manufacturing plant 1 is readjusted.
  • An automation of the calibration process can be realized in particular by using a control device set up centrally within the manufacturing system 1, which preferably has signal connections to the individual manufacturing devices located in the optical manufacturing system 1 (e.g. the optical elements L e or LS, the movable lifting device 20 or the Radiation source 4) check the status of the calibration process to be carried out and use selective Can guide the control of the above-mentioned production facilities.
  • control device can receive continuous information (e.g. in the form of status signals) from the manufacturing facilities currently used during the calibration process and, in response, by creating and sending control signals (e.g. NC-based signals) to the respective manufacturing facilities to be used. initiate subsequent procedural steps.
  • the process steps themselves e.g. defining the calibration trajectory KT to be processed, setting the radiation source 4, etc.
  • a memory which is also integrated in the production system, and by connecting the memory to the control device, to the latter be passed on.
  • the processing light beam 14 ' in this case designed as a pulsed laser beam, is then moved along a predefined calibration trajectory KT, whereby when the processing light beam 14 'impacts on a conversion structure applied to the conversion body 29, the Light from the radiation source 4 is converted into a detectable, preferably visible calibration light.
  • This converted calibration light can subsequently, in a second step of the calibration phase S5, be detected by the sensor device integrated in the production system 1 and used according to the method described in FIGS. 2A to 2C to identify the travel path actually used by the processing light beam 14 ' .
  • the actual path of the processing light beam 14 ' is reconstructed by evaluating the characteristic signal pattern detected in the optical sensor device S.
  • one or more actual positions IP can be determined in which one predefined number of position points can be taken from the reconstructed travel path.
  • the calibration process can then provide, in a fifth step of the calibration process S8, to compare the previously determined actual positions IP of the processing light beam 14 'with originally intended target positions SP, whereby explicit, spatial differences can be generated between the two positions.
  • the target positions SP to be compared are preferably taken from the calibration trajectory KT and compared with the actual positions IP corresponding to the same point in time.
  • the determined difference between the detected actual position IP and the target position SP can also be used to correct the misalignment of the processing light beam 14 'by recalibrating the optical manufacturing system 1.
  • the determined differences are preferably fed as difference data into an adjustment device integrated in the production system 1, which is carried out using the included adjustment mechanism, such as the use of predefined decision-making processes based on different difference data or the use of an artificial intelligence/a program based on machine learning, which is used for Method of the processing light beam 14 'used control parameters of the manufacturing plant 1, for example by changing the control of the optical elements L e , and thus reduces the difference between the actual and target position IP and SP.
  • a final assessment method must also be used, in which the accuracy of the current processing light beam 14 'is evaluated with regard to the previously carried out calibration.
  • this step can, for example, provide for the difference between the determined actual and target positions IP and SP investigate and, depending on the result (e.g. a difference greater than a predefined limit), force a new iteration of the previously described calibration phase.
  • this last step enables a continuous approach to the desired accuracy of the production system 1 and thus, potentially, the misalignment of the processing light beam 14 'to be found can be completely corrected.

Abstract

The present invention relates to a method and a device for calibrating a production system (1) based on optical interaction, in particular a production system for selective laser melting (SLM), in which, by means of a conversion body (29) integrated into the production system (1), a processing light beam (14') of the production system (1) can be absorbed and converted into a detectable and preferably visible calibration light (32). The present invention also relates to a method and a device which, by selectively displacing the processing light beam (14') along said conversion body (29) and subsequently detecting the thus generated calibration light (32), allow a specific adaptation of the device elements required for moving the processing light beam (14').

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Kalibrierung einer auf optischer Wechselwirkung basierenden Fertigungsanlage Device and method for calibrating a manufacturing system based on optical interaction
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kalibrierung einer auf optischer Wechselwirkung basierender Fertigungsanlage, insbesondere einer Fertigungsanlage zum selektiven Laserschmelzen („Selective Laser Melting“, SLM), in welcher mittels Konversionsmaterial, ein bearbeitender Lichtstrahl der Fertigungsanlage absorbiert und in ein detektierbares und vorzugsweise sichtbares Kalibrierungslicht umgewandelt werden kann. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung, welche durch selektives Verfahren des bearbeitenden Lichtstrahls entlang des Konversionsmaterials und Detektion des so generierten Kalibrierungslichts, eine Kalibrierung der Fertigungsanlage ermöglicht. The present invention relates to a method and a device for calibrating a manufacturing system based on optical interaction, in particular a manufacturing system for selective laser melting (SLM), in which a processing light beam from the manufacturing system is absorbed by means of conversion material and converted into a detectable and preferably visible calibration light can be converted. In addition, the present invention relates to a method and a device which enables calibration of the production system by selectively moving the processing light beam along the conversion material and detecting the calibration light generated in this way.
Hintergrund der Erfindung Background of the invention
Aufgrund zunehmend komplexer werdender Arbeitsprozesse und der daraus entstehenden Anforderung möglichst präzise, automatisiert und großflächig fertigen zu können, hat sich die Produktion und Bearbeitung von Werkstücken auf Basis von optischen Wechselwirkungsprozessen etabliert. Due to increasingly complex work processes and the resulting requirement to be able to produce as precisely, automatically and on a large scale as possible, the production and processing of workpieces based on optical interaction processes has become established.
Gattungsgemäß aus dem Stand der Technik bekannte und auf optischer Wechselwirkung basierende Fertigungsanlagen (optische Fertigungsanlagen), wie zum Beispiel Laser-induzierte und/oder auf additiven Fertigungsschritten basierende Fertigungsanlagen, wie etwa dem selektiven Laserschmelzen, umfassen hierbei zumeist ein oder mehrere im Infrarotbereich arbeitende Hoch- Intensitätslichtquellen, welche mit einer Mehrzahl von feinjustierten und über ein Computersystem automatisiert ansteuerbaren, optischen Elementen (Linsen, Spiegel, Filter etc.) gekoppelt werden und es somit erlauben, durch Erzeugen eines verdichteten und auf einen bestimmten Fertigungspunkt fokussierten Bearbeitungslichtstrahls, plastisch auf ein Werkstück oder einen Werkstoff einzuwirken. Beispielhaft besitzt eine Fertigungsanlage nach dem selektiven Laserschmelzverfahren zumindest eine Laserlichtquelle, welche mittels Softwaregestützter Optik, einen gebündelten Laserstrahl auf pulverförmige Schichten von zu verarbeitenden Werkstoffen fokussieren und so, durch lokale, schichtweise miteinander verbindbare Verschmelzungen, einen äußerst effektiven, dreidimensionalen Fertigungsprozess erzeugen kann. Manufacturing systems known from the prior art and based on optical interaction (optical manufacturing systems), such as laser-induced and/or manufacturing systems based on additive manufacturing steps, such as selective laser melting, usually include one or more high-performance systems operating in the infrared range. Intensity light sources, which are coupled to a plurality of finely adjusted optical elements (lenses, mirrors, filters, etc.) that can be controlled automatically via a computer system and thus make it possible to plastically impact a workpiece or workpiece by generating a compressed processing light beam focused on a specific production point a material to take effect. By way of example, a manufacturing system using the selective laser melting process has at least one laser light source, which can use software-supported optics to focus a bundled laser beam onto powdery layers of materials to be processed and thus create an extremely effective, three-dimensional manufacturing process through local, layer-by-layer fusions.
Trotz stetiger Weiterentwicklung solcher Fertigungsanlagen, tritt jedoch in den meisten solcher Systeme weiterhin das Problem auf, dass aufgrund von unterschiedlichen äußeren und inneren Einflüssen, wie etwa Wärmeausdehnungen oder mechanischen Verschiebungen einzelner in der Fertigungsanlage enthaltener Fertigungskomponenten, der Lichtweg des bearbeitenden Lichtstrahls insbesondere unabhängig von etwaigen Einstellungen der optischen Elemente verändert werden kann, wodurch sich zum Teil merkliche Abweichungen zwischen der anzusteuernden Soll-Position des bearbeitenden Lichtstrahls und einer tatsächlich vorliegenden Ist-Position ergeben können. Entsprechend ist es für bestehende optische Fertigungsanlagen kritisch eine möglichst präzise Analyse existierender Lichtwegabweichungen und gegebenenfalls eine Korrektur der oben genannten Positionsdiskrepanzen zu erzeugen, welche sowohl in der Lage ist, etwaige Veränderungen des bearbeitenden Lichtstrahls zu identifizieren als auch die sich so ergebenen Fehlstellung des Lichtweges zu beheben. Despite constant further development of such manufacturing systems, the problem still occurs in most such systems that, due to different external and internal influences, such as thermal expansion or mechanical displacements of individual manufacturing components contained in the manufacturing system, the light path of the processing light beam is particularly independent of any settings of the optical elements can be changed, which can sometimes result in noticeable deviations between the target position of the processing light beam to be controlled and an actual position that is actually present. Accordingly, it is critical for existing optical manufacturing systems to produce the most precise possible analysis of existing light path deviations and, if necessary, a correction of the above-mentioned position discrepancies, which is able to both identify any changes in the light beam being processed and to correct the resulting misalignment of the light path .
Als Referenz für ein solches Kalibrierungsverfahren ist beispielsweise in der US 2021 016394 Al der Einsatz einer sogenannten Scanfeld platte beschrieben, auf welcher zur Bestimmung etwaiger Lichtstrahlverfehlungen, ein vordefiniertes geometrisches Muster eingeschmolzen und mittels einer externen Messmaschine analysiert wird. Darüber hinaus sieht das oben genannte Verfahren vor, zusätzlich zu der Mustergenerierung, eine Reihe von Messkoordinaten auf die Scanfeld platte aufzubringen und besagte Positionierungen der Messkoordinaten gemeinsam mit den Analyseergebnissen des zuvor beschriebenen Schmelzmusters in ein zur Rejustierung von optischen Elementen genutzten Kalibrierungsdatensatz miteinzubeziehen. Obgleich sich dabei die bisher genutzten Verfahren aus dem Stand der Technik, aufgrund von hinreichenden Genauigkeiten zur Rekalibrierung der zuvor beschriebenen Elemente, bewehren konnten, zeichnete sich der Gebrauch dieser Verfahren, insbesondere der Gebrauch von Scanfeldplatten, jedoch seit jeher auch durch eine Reihe von nicht zu unterschätzenden Nachteilen aus: So bedingen beispielsweise die meist zur Kalibrierung benötigten plastischen Verformungen des jeweiligen Kalibrierungselements, einen stetigen Austausch von zu verwendenden Kalibrierungsmaterialien, sodass die Verfahren nach dem Stand der Technik für gewöhnlich mit hohen Materialkosten verbunden sind. Darüber hinaus erzwingt das Lokalisieren des zumeist im Mikrometerbereich liegenden Auftreffpunktes des bearbeitenden Lichtstrahls einen in der Regel lang andauernden Analyseprozess, welcher lediglich von speziell hierfür vorgesehenen, extern gelagerten Einrichtungen durchgeführt werden kann und somit gleichermaßen einen automatisierten und speziell innerhalb der Fertigungsmaschine durchführbaren Justierungsmechanismus verhindert. As a reference for such a calibration method, for example, US 2021 016394 A1 describes the use of a so-called scanning field plate, on which a predefined geometric pattern is melted and analyzed using an external measuring machine to determine any light beam misses. In addition, the above-mentioned method provides, in addition to the pattern generation, to apply a series of measurement coordinates to the scanning field plate and to include said positioning of the measurement coordinates together with the analysis results of the previously described melt pattern in a calibration data set used to readjust optical elements. Although the previously used methods from the prior art were able to prove themselves due to sufficient accuracy for recalibrating the previously described elements, the use of these methods, in particular the use of scanning field plates, has always been characterized by a number of failures underestimated disadvantages: For example, the plastic deformations of the respective calibration element that are usually required for calibration require a constant exchange of calibration materials to be used, so that the methods according to the prior art are usually associated with high material costs. In addition, locating the point of impact of the processing light beam, which is usually in the micrometer range, forces a generally long-lasting analysis process, which can only be carried out by externally stored devices specially designed for this purpose and thus equally prevents an automated adjustment mechanism that can be carried out specifically within the production machine.
Insofern ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Kalibrierungsverfahren und eine Vorrichtung zur Identifizierung und Justierung etwaiger Lichtwegfehlstellungen bereitzustellen, welche die zuvor beschriebenen Verfehlungen des Stands der Technik überwinden können und vornehmlich eine materialsparendere und somit kostengünstigere Anpassung der auf optischer Wechselwirkung basierenden Fertigungsanlage ermöglichen. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ebensolche Identifizierung- und Justierungsschritte gleichermaßen automatisiert und insbesondere innerhalb der entsprechend zu kalibrierenden Fertigungsanlage vorzunehmen, sodass eine weitaus effizientere, genauere und unter anderem beschleunigte Korrektur letzterer ermöglicht werden kann. Detaillierte Beschreibung der Erfindung In this respect, it is an object of the present invention to provide, in particular, a calibration method and a device for identifying and adjusting any light path misalignments, which can overcome the previously described shortcomings of the prior art and primarily enable a more material-saving and therefore more cost-effective adaptation of the manufacturing system based on optical interaction. In addition, it is an object of the present invention to carry out such identification and adjustment steps equally automatically and in particular within the corresponding manufacturing system to be calibrated, so that a much more efficient, more precise and, among other things, accelerated correction of the latter can be made possible. Detailed description of the invention
Zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe werden die Merkmale der unabhängigen Ansprüche vorgeschlagen. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. To solve the above-mentioned problem, the features of the independent claims are suggested. The dependent claims relate to preferred embodiments of the present invention.
Das beanspruchte Verfahren und die beanspruchte Vorrichtung zur Kalibrierung der optischen Fertigungsanlage können dabei zumindest, in einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, das Verwenden und Bereitstellen eines lichtwandelnden Mediums, im Folgenden als „Konversionskörper“ genannt, umfassen, welcher vorzugsweise, zur Kalibrierung eines in einer optischen Fertigungsanlage genutzten bearbeitenden Lichtstrahls, in eine jeweilige Fertigungsanlage eingebracht und eingerichtet sein kann, das Licht des bearbeitenden Lichtstrahls (insbesondere eines gebündelten Lichtstrahls mit infraroter Wellenlänge und somit eines unsichtbaren Lasers), durch Auftreffen an bestimmten Stellen des Konversionskörpers zu absorbieren und für darauffolgende Identifizierungs- und Justierungsprozesse in ein detektierbares und vorzugsweise sichtbares Licht umzuwandeln bzw. zu emittieren. Entgegen des Stands der Technik bildet die Grundlage der vorliegenden Erfindung somit ein bevorzugt auf der Umwandlung des bearbeitenden Lichtstrahls in ein detektierbares Lichtsignal basierender Kalibrierungsprozess, wodurch zur Analyse etwaiger Lichtwegabweichungen innerhalb einer zu korrigierenden Fertigungsanlage, weder plastische Verformungen/Zerstörungen an einem Kalibrierungsmaterial noch etwaige extern gelagerten Messmaschinen benötigt werden. Entsprechend kann die vorliegende Erfindung insbesondere dazu verwendet werden, das Kalibrieren des entsprechenden Lichtwegs innerhalb der Fertigungsanlage ohne erforderlichen Austausch von Kalibrierungselementen zu vollziehen, sodass sowohl Material kosten gespart, als auch ein ausschließlich innerhalb der Fertigungsanlage durchzuführender (d.h. in situ kompetenter) und automatisierbarer Kalibrierungsprozess ermöglicht werden kann. Erfindungsgemäß kann somit durch die Verwendung von geeigneten Sensoren innerhalb der Fertigungsmaschine in Kombination mit einem, in einem vorbestimmten Muster auf einem Trägermaterial oder Substrat angeordneten, Konversionsmaterial, die Position des Laserstrahls (Lichtstrahls) direkt erfasst und ausgewertet werden, sobald sich der Strahl über das Konversionsmedium bewegt. Diese Art der Positionserfassung gilt vorteilhaft auch für Strahlen, die unter einem Neigungswinkel auftreffen. The claimed method and the claimed device for calibrating the optical manufacturing system can at least, in a first aspect of the present invention, include the use and provision of a light-converting medium, hereinafter referred to as a “conversion body”, which is preferably used for calibrating one in one processing light beam used in an optical production system, can be introduced into a respective production system and set up to absorb the light of the processing light beam (in particular a bundled light beam with an infrared wavelength and thus an invisible laser) by hitting certain points on the conversion body and for subsequent identification. and adjustment processes to convert or emit a detectable and preferably visible light. Contrary to the prior art, the basis of the present invention thus forms a calibration process which is preferably based on the conversion of the processing light beam into a detectable light signal, which means that neither plastic deformations/destructions on a calibration material nor any externally stored ones are observed for the analysis of any light path deviations within a production system to be corrected Measuring machines are required. Accordingly, the present invention can be used in particular to carry out the calibration of the corresponding light path within the production facility without the necessary exchange of calibration elements, so that material costs are saved as well as a calibration process that can be carried out exclusively within the production facility (ie competent in situ) and is enabled to be automated can be. According to the invention, through the use of suitable sensors within the manufacturing machine in combination with a conversion material arranged in a predetermined pattern on a carrier material or substrate, the position of the laser beam (light beam) can be directly detected and evaluated as soon as the beam passes over the conversion medium emotional. This type of position detection also applies advantageously to rays that strike at an angle of inclination.
Zu diesem Zweck kann ein Kalibrierungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zumindest einen der folgenden Schritte umfassen: For this purpose, a calibration method according to the present invention may comprise at least one of the following steps:
1) Positionieren des Konversionskörpers an einer Kalibrierungsposition innerhalb einer auf optische Wechselwirkungen basierenden Fertigungsanlage; 1) positioning the conversion body at a calibration position within a manufacturing system based on optical interactions;
2) Verfahren des bearbeitenden Lichtstrahls auf dem Konversionskörper; 2) Moving the processing light beam on the conversion body;
3) Erfassen eines durch den Konversionskörper emittierten detektierbaren Kalibrierungslichtsignals; 3) detecting a detectable calibration light signal emitted by the conversion body;
4) Ermitteln einer derzeitigen Position (Ist-Position) des bearbeitenden Lichtstrahls durch Analyse des erfassten Kalibrierungslichtsignals; 4) determining a current position (actual position) of the processing light beam by analyzing the captured calibration light signal;
5) Vergleichen der ermittelten Ist-Position mit einer innerhalb der Fertigungsanlage vordefinierten Referenzposition (Soll-Position) des bearbeitenden Lichtstrahls; und 5) Comparing the determined actual position with a reference position (target position) of the processing light beam predefined within the production system; and
6) Kalibrieren der optischen Fertigungsanlage basierend auf den ermittelten Unterschieden zwischen der verglichenen Ist-Position und der Soll-Position. 6) Calibrate the optical manufacturing system based on the differences determined between the compared actual position and the target position.
Wie bereits genannt ist das oben beschriebene Kalibrierungsverfahren dabei vorzugsweise darauf ausgelegt, vollständig innerhalb der zu justierenden Fertigungsanlage durchgeführt zu werden, sodass etwaige durch das Umtauschen oder Verlagern von Kalibrierungsmaterialien entstehende Wartezeiten effektiv vermieden werden können. Dabei ist das beanspruchte Verfahren generell nicht auf eine bestimmte Art von Fertigungsanlage beschränkt, sondern kann vorzugsweise für jede Art von auf optischen Wechselwirkungen basierenden Fertigungssystemen angewandt werden. Insofern kann das hierin beanspruchte Verfahren zunächst bevorzugt für jegliche Fertigungsanlagen Anwendung finden, welches zumindest in der Lage ist, mittels Fokussierens eines innerhalb der entsprechenden Fertigungsanlage generierten Lichtstrahls plastisch auf ein vordefiniertes Werkstück oder einen zur Generierung des Werkstückes benötigten Werkstoff einzuwirken und so einen zumindest zweidimensionalen Körper zu kreieren. As already mentioned, the calibration method described above is preferably designed to be carried out completely within the production system to be adjusted, so that any changes caused by the exchange Waiting times that arise or relocating calibration materials can be effectively avoided. The claimed method is generally not limited to a specific type of manufacturing system, but can preferably be used for any type of manufacturing system based on optical interactions. In this respect, the method claimed herein can initially be used preferably for any production system which is at least capable of plastically acting on a predefined workpiece or a material required to generate the workpiece by focusing a light beam generated within the corresponding production system and thus on an at least two-dimensional body to create.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die auf das Verfahren anwendbare optische Fertigungsanlage zudem zu diesem Zweck zumindest eine zur Erzeugung des Lichtstrahls eingerichtete Strahlungsquelle, wie etwa einen Laser oder hoch-energetische Dioden, umfassen, welche zur Fokussierung des generierten Lichtstrahls auf den entsprechenden Werkstoff, optisch mit einer Reihe von selektiv justierbaren optischen Elementen, wie beispielsweise (Sammel- oder Streu-)linsen, Spiegeln oder Filtern, gekoppelt sein kann und der Fertigungsanlage somit ermöglicht, das erzeugte Licht gezielt und fokussiert zumindest entlang einer vordefinierten, innerhalb der Fertigungsanlage befindlichen Arbeitsebene zu verfahren. In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann letztgenannte Arbeitsebene dabei bevorzugt zudem innerhalb eines von dem Standort der optischen Elementen entkoppelten, vorzugsweise für die Herstellung des jeweiligen Werkstücks eingerichteten Bauraums, etwa einer in der Fertigungsanlage angeordneten Prozesskammer, positioniert sein, sodass die optischen Elemente selbst während des Herstellungsverfahrens effektiv vor etwaigen Emissionen (z.B. Schmauch, Staub, Funken etc.) geschützt werden können. Insofern ist hervorzuheben, dass vorzugsweise sogar Fertigungsanlagen zur additiven Fertigung, wie zum Beispiel auf optischen Wechselwirkungen basierende 3D- Drucker oder SLM-Anlagen effektiv durch das oben genannte Verfahren kalibriert werden können. Das beanspruchte Verfahren selbst kann dabei vorzugsweise mit einer anfänglichen Initiationsphase begonnen werden, in welcher, in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, insbesondere benötigte Systemeinstellungen und/oder Kalibrierungselemente in die zu justierende Fertigungsanlage adjustiert und somit die darauffolgende Kalibration möglichst effizient vorbereitet werden kann. In a particularly preferred exemplary embodiment, the optical manufacturing system applicable to the method can also comprise for this purpose at least one radiation source set up to generate the light beam, such as a laser or high-energy diodes, which are used to focus the generated light beam on the corresponding material, optically can be coupled with a series of selectively adjustable optical elements, such as (converging or scattering) lenses, mirrors or filters, and thus enables the production system to target and focus the light generated at least along a predefined working plane located within the production system procedure. In a further preferred exemplary embodiment, the latter working plane can preferably also be positioned within an installation space that is decoupled from the location of the optical elements and is preferably set up for the production of the respective workpiece, for example a process chamber arranged in the production system, so that the optical elements themselves during the production process can be effectively protected against any emissions (e.g. smoke, dust, sparks, etc.). In this respect, it should be emphasized that even manufacturing systems for additive manufacturing, such as 3D printers or SLM systems based on optical interactions, can preferably be effectively calibrated using the above-mentioned method. The claimed method itself can preferably be started with an initial initiation phase in which, in a preferred exemplary embodiment of the present invention, particularly required system settings and/or calibration elements are adjusted into the production system to be adjusted and the subsequent calibration can thus be prepared as efficiently as possible.
Hierbei kann, wie oben beschrieben, ein erster Schritt der genannten Initiationsphase vorzugsweise zunächst ein Positionieren des zentral für den Kalibrierungsvorgang benötigten Konversionskörpers an eine vordefinierte Kalibrierungsposition innerhalb der jeweilig zu justierenden Fertigungsanlage vorsehen, wobei als Kalibrierungsposition bevorzugt jene Position definiert werden kann, an welcher letztgenannter Konversionskörper auch von dem bearbeitenden Lichtstrahl der Fertigungsanlage beleuchtet und somit für das weitere Verfahren analysiert und zur Justierung der Fertigungsanlage genutzt werden soll. Dabei kann, in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel, entsprechende Kalibrierungsposition insbesondere zumindest in der zuvor genannten Arbeitsebene, in weiteren Ausführungsbeispielen jedoch zumindest an einem von dem bearbeitenden Lichtstrahl durch Ansteuerung der optischen Elemente der Fertigungsanlage zu erreichender Punkt innerhalb des genutzten Bauraums angeordnet sein, sodass es vorzugsweise ermöglicht wird, besagten Konversionskörper ohne Zusatz weiterer Hilfsmittel (und somit potentiell zusätzlich einzubeziehender Fehlerquellen) ausleuchten zu können. Here, as described above, a first step of the aforementioned initiation phase can preferably initially provide for positioning of the conversion body required centrally for the calibration process at a predefined calibration position within the respective production system to be adjusted, the position at which the latter conversion body can preferably be defined as the calibration position also illuminated by the processing light beam of the production system and should therefore be analyzed for the further process and used to adjust the production system. In a particularly preferred exemplary embodiment, the corresponding calibration position can be arranged, in particular at least in the aforementioned working plane, but in further exemplary embodiments at least at a point within the used installation space that can be reached by the processing light beam by controlling the optical elements of the production system, so that it is preferred This makes it possible to illuminate said conversion body without the addition of additional aids (and thus potentially additional sources of error that need to be included).
Zu diesem Zweck kann der besagte Konversionskörper beispielhaft bevorzugt, in einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in eine zur lösbaren Fixierung des Konversionskörpers eingerichtete und innerhalb des Bauraums, vorzugsweise in der Arbeitsebene der Fertigungsanlage stationierte Arretierungsvorrichtung, eingebracht werden, sodass eine Bestrahlung des Konversionskörpers für den darauffolgenden Kalibrierungsprozess vorzugsweise durch den im Vergleich zum herkömmlichen Fertigungsprozess gleichen, in einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel jedoch zumindest teilweise koaxial zum für den Fertigungsprozess genutzten verlaufenden Lichtweg erfolgen kann. Eine derartige Positionierung des Körpers bietet entsprechend insbesondere nicht nur den bereits oben genannten Vorteil der Redundanz weiterer benötigter Kalibrierungsmaterialien, sondern kann gleichermaßen dazu genutzt werden, aufgrund der durch den Fokuspunkt erzeugten Minimalbreite des bearbeitenden Lichtstrahls, eine möglichst hohe Präzision in der darauffolgenden Kalibrierungsphase zu erzeugen. For this purpose, the said conversion body can, for example, preferably, in a first exemplary embodiment of the present invention, be introduced into a locking device which is set up for releasably fixing the conversion body and stationed within the installation space, preferably in the working plane of the production system, so that irradiation of the conversion body for the subsequent calibration process preferably by the same as the conventional manufacturing process, but in a further preferred embodiment at least partially coaxial with the The light path used for the manufacturing process can be done. Such a positioning of the body not only offers the above-mentioned advantage of the redundancy of further required calibration materials, but can also be used to generate the highest possible precision in the subsequent calibration phase due to the minimum width of the processing light beam generated by the focus point.
Weitere Varianten des oben genannten ersten Ausführungsbeispiels können sich zudem im Speziellen auch aus der Umnutzung bereits existierender Elemente der Fertigungsanlage ergeben: So kann es beispielsweise gleichermaßen möglich sein, dass bereits für die Fertigung genutzte Einrichtungen der optischen Fertigungsanlage als Arretierungsvorrichtung, in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel, jedoch sogar als der eigentliche an der Arbeitsebene zu positionierende Konversionskörper selbst ausgebildet sein können, wodurch die Anbringung weiterer Mechaniken innerhalb der Fertigungsanlage vermieden und somit die Effizienz des beanspruchten Kalibrierungsverfahren weiter gesteigert werden kann. Insofern kann, in einer weiteren Darstellung der oben genannten Ausführungsform, die zur Fixierung des Konversionskörpers eingerichtete Arretierungsvorrichtung beispielsweise bevorzugt auch als ein bereits innerhalb des Bauraums bestehender und für gewöhnlich zur Positionierung und Fixierung von jeweiligen Werkstücken/Werkstoffen konfigurierter Haltemechanismus, etwa einer konventionell in additiven Fertigungsanlagen vorkommenden Grundplatte, ausgebildet sein, sodass besagter Haltemechanismus in der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eine Doppelrolle einnehmen und somit sowohl zur Arretierung etwaiger Werkstücke als auch des zur Kalibrierung genutzten Konversionskörpers verwendet werden kann. In einer weiteren Form des Ausführungsbeispiels kann es hingegen jedoch auch möglich sein, dass besagter Haltemechanismus auch selbst als Konversionskörper ausgebildet sein kann, wodurch insbesondere der Vorteil generiert wird, dass das beanspruchte Kalibrierungsverfahren vollständig von einer Einfuhr von externen Kalibrierungsmaterialen absehen und somit vollends in situ ausgestaltet werden kann. Um darüber hinaus selbst im Falle von nicht-existenten oder potentiell inkompatiblen Haltevorrichtungen eine effiziente Positionierung bzw. Bereitstellung des Konversionskörpers innerhalb des Bauraums erlauben zu können, kann der Konversionskörper zudem vorzugsweise, alternativ oder zusätzlich zu den oben genannten Eigenschaften, auch insbesondere beweglich ausgestaltet sein, wodurch es dem Konversionskörper bevorzugt ermöglicht werden kann, zur genauen Platzierung an die jeweilige Kalibrierungsposition, entlang eines vordefinierten Transportweges zu verfahren. Insofern kann, in einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das Positionieren des Konversionskörpers innerhalb eines jeweiligen Bauraums auch zumindest den zusätzlichen Schritt des Verfahrens des Konversionskörpers entlang zumindest einer Achse und zumindest von einer ersten Position (fortan „erste Verfahrposition genannt) zu einer zweiten (Verfahr-) position und zurück umfassen, wobei die zweite Verfahrposition in einem bevorzugten Fall als die gewünschte Kalibrierungsposition der Fertigungsanlage identifiziert werden kann. Further variants of the above-mentioned first exemplary embodiment can also result in particular from the reuse of already existing elements of the production system: For example, it can equally be possible for devices of the optical production system that are already used for production to be used as a locking device, in a particularly preferred exemplary embodiment, However, it can even be designed as the actual conversion body to be positioned on the working plane, whereby the installation of further mechanisms within the production system can be avoided and the efficiency of the claimed calibration method can be further increased. In this respect, in a further representation of the above-mentioned embodiment, the locking device set up to fix the conversion body can, for example, preferably also be used as a holding mechanism that already exists within the installation space and is usually configured for positioning and fixing the respective workpieces/materials, such as one conventional in additive manufacturing systems occurring base plate, so that said holding mechanism in the present invention preferably assumes a double role and can therefore be used both to lock any workpieces and the conversion body used for calibration. In a further form of the exemplary embodiment, however, it may also be possible for said holding mechanism itself to be designed as a conversion body, which in particular generates the advantage that the claimed calibration method completely dispenses with the import of external calibration materials and is therefore designed completely in situ can be. In order to be able to allow efficient positioning or provision of the conversion body within the installation space even in the case of non-existent or potentially incompatible holding devices, the conversion body can also preferably, alternatively or in addition to the above-mentioned properties, also be designed to be movable in particular, whereby the conversion body can preferably be made possible to move along a predefined transport path for precise placement at the respective calibration position. In this respect, in a second exemplary embodiment of the present invention, the positioning of the conversion body within a respective installation space can also include at least the additional step of moving the conversion body along at least one axis and at least from a first position (henceforth called “first travel position”) to a second (movement -) position and back, whereby the second travel position can be identified in a preferred case as the desired calibration position of the manufacturing system.
Zur Realisierung des letztgenannten Verfahrensschrittes können zu diesem Zweck zudem beispielhaft eigens für den Transport der Arretierungsvorrichtung und/oder des Konversionskörpers konfigurierte, ansteuerbare und gleichermaßen innerhalb des Bauraums integrierte Transportvorrichtungen, beispielsweise ein entlang zumindest einer Achse bewegbares Schienensystem oder eine Hubarbeitsbühne, vorgesehen sein, sodass es der Fertigungsanlage insbesondere ermöglicht wird, den oben beschriebenen Verfahrensschritt nicht nur vorzugsweise voll-automatisch auszuführen, sondern den genutzten Konversionskörper, beispielsweise zur Ermöglichung eines zwischenzeitig durchzuführenden Fertigungsschritts, auch selektiv aus oder in eine potentielle Bearbeitungszone zu bewegen. Insofern wird ersichtlich, dass mit dem oben genannten Ausführungsbeispiel selbst eine etwaige Entnahme des Konversionskörpers aus der Fertigungsanlage, insbesondere zum Schutz vor potentiellen während des Fertigungsprozesses auftretenden Emissionen, nicht mehr nötig wird, sodass der Konversionskörper in diesem Fall sogar vorzugsweise fest in dem jeweiligen Bauraum an bringbar ausgestaltet sein kann. Alternativ zur zuvor beschriebenen Ausführung der zur Bewegung des Konversionskörpers eingerichteten Transportvorrichtung, kann letztere darüber hinaus, in einem besonders bevorzugten Beispiel, auch, ähnlich zur ersten genannten Ausführungsform, insbesondere erneut als eine bereits in der Fertigungsanlage bestehende oder zumindest einen Teil einer bereits in der Fertigungsanlage bestehenden Einrichtung ausgestaltet sein, wodurch der entsprechende Bauraum gleichermaßen effektiv genutzt werden kann. So kann, beispielsweise im Falle einer auf additiver Fertigung basierender Fertigungsanlage, die Arretierungsvorrichtung (und somit der jeweilige Konversionskörper) beispielhaft zur Positionierung des Konversionskörpers, bevorzugt an beweglichen und für die Anreicherung von Werkstoff genutzten Fertigungselementen, wie etwa für Pulverschmelzverfahren genutzten Beschichtern oder Materialdüsen, der Fertigungsanlage angebracht sein, sodass durch entsprechendes Bewegen des Fertigungselements, eine gleichermaßen einfache wie auch effiziente Positionsanpassung und damit ein dynamisches Einführen des Konversionskörpers in den Lichtweg des bearbeitenden Lichtstrahls erzielt werden kann. In einer weiteren Variante kann es zudem erneut möglich sein, dass auch diese beweglichen Fertigungselemente, wie etwa der oben genannte Beschichter, selbst als Konversionskörper genutzt werden können, wodurch nicht nur etwaig zusätzlich durchzuführende Anbringungsprozesse vermieden, sondern gleichermaßen die zu Kalibrierung benötigten Materialien weiter minimiert werden können. To implement the last-mentioned method step, for this purpose, controllable transport devices that are configured specifically for the transport of the locking device and/or the conversion body and are equally integrated within the installation space, for example a rail system or a lifting work platform that can be moved along at least one axis, can also be provided, so that it In particular, the production system is made possible not only to carry out the method step described above, preferably fully automatically, but also to selectively move the conversion body used out of or into a potential processing zone, for example to enable a production step to be carried out in the meantime. In this respect, it can be seen that with the above-mentioned exemplary embodiment, any removal of the conversion body from the production plant, in particular to protect against potential emissions occurring during the manufacturing process, is no longer necessary, so that in this case the conversion body is preferably firmly attached to the respective installation space can be designed to be portable. As an alternative to the previously described embodiment of the transport device set up to move the conversion body, the latter can, in a particularly preferred example, also, similar to the first mentioned embodiment, in particular again as one already existing in the production plant or at least a part of one already in the production plant existing facility, so that the corresponding installation space can be used equally effectively. For example, in the case of a manufacturing system based on additive manufacturing, the locking device (and thus the respective conversion body) can be used, for example, to position the conversion body, preferably on movable manufacturing elements used for the enrichment of material, such as coaters or material nozzles used for powder melting processes Manufacturing system can be attached, so that by appropriately moving the manufacturing element, an equally simple and efficient position adjustment and thus a dynamic introduction of the conversion body into the light path of the processing light beam can be achieved. In a further variant, it may also be possible again for these movable production elements, such as the above-mentioned coater, to be used as conversion bodies themselves, which not only avoids any additional attachment processes that need to be carried out, but also further minimizes the materials required for calibration can.
Entsprechend ist festzuhalten, dass bereits der oben genannte Verfahrensschritt zur Positionierung des Konversionskörpers in eine jeweilig zu justierende Fertigungsanlage eine Mehrzahl von den Kalibrierungsprozess verbessernden bzw. vereinfachenden Prozessschritten umfassen kann, sodass eine im Vergleich zum Stand der Technik äußerst effektive Kalibrierung ermöglicht wird. Accordingly, it should be noted that the above-mentioned method step for positioning the conversion body in a respective production system to be adjusted can include a plurality of process steps that improve or simplify the calibration process, so that an extremely effective calibration is made possible compared to the prior art.
Als zweiten innerhalb der Initiationsphase bestehenden Verfahrensschritt, kann die vorliegende Erfindung zudem, insbesondere nach der oben genannten Einführung des Konversionskörpers in die entsprechende Fertigungsanlage, gleichermaßen das Einstellen etwaiger in der Fertigungsanlage bestehender Fertigungseinrichtungen zum Einleiten des darauffolgendenThe present invention can also be used as a second process step within the initiation phase, especially after the above-mentioned introduction of the conversion body into the corresponding production system the setting of any existing manufacturing facilities in the manufacturing plant to initiate the subsequent one
Kalibrierungsprozesses vorsehen. Provide calibration process.
Insofern kann, in einem zweiten bevorzugten Prozessschritt, zumindest das bearbeitende Licht der innerhalb der optischen Fertigungsanlage integrierten Strahlungsquelle für ebensolchen Kalibrierungsprozess angepasst werden. In this respect, in a second preferred process step, at least the processing light of the radiation source integrated within the optical production system can be adapted for the same calibration process.
So verfügen für gewöhnlich insbesondere für optische Fertigungsprozesse eingerichtete Strahlungsquellen (und somit die von diesen ausgehenden Lichtstrahlen) im Normalfall über eine äußerst hohe Leistungsdichte, welche bei Bestrahlung des Konversionskörpers während des zu beschreibenden Kalibrierungsprozesses, zur Zerstörung wichtiger auf dem Konversionskörper bestehender Materialien führen und somit den Kalibrierungsgenauigkeit sichtlich mindern können. Entsprechend kann ein äußerst bevorzugter Verfahrensschritt zumindest das Vermindern der von der Strahlungsquelle pro Zeiteinheit ausgehenden Leistung umfassen, wodurch der besagte Konversionskörper während des gesamten Kalibrierungsprozesses effektiv geschützt werden kann. Radiation sources that are set up especially for optical manufacturing processes (and thus the light beams emanating from them) usually have an extremely high power density, which, when the conversion body is irradiated during the calibration process to be described, leads to the destruction of important materials existing on the conversion body and thus the Calibration accuracy can visibly decrease. Accordingly, an extremely preferred method step can at least include reducing the power emitted by the radiation source per unit of time, whereby said conversion body can be effectively protected during the entire calibration process.
Zu diesem Zweck kann, in einem ersten Ausführungsbeispiel, die Strahlungsquelle vorzugsweise mit einem Justierungsmechanismus ausgestattet sein, welcher es ersterem erlaubt, beispielhaft durch Erhalten eines Initiationssignals durch die Fertigungsanlage, die Leistung der Strahlungsquelle zu Beginn des Kalibrierungsprozesses auf einen vordefinierten, für die Bestrahlung des Konversionskörpers zu nutzenden Wert zu minimieren. Alternativ zu diesem Prozess kann es zudem auch möglich sein, insbesondere in Fällen, in welchen die Strahlungsquelle nicht dazu geeignet sein kann ihre Leistung von selbst zu justieren (beispielsweise im Falle einer Laserquelle), dass ein speziell für den Lichtstrahl der Strahlungsquelle vorgesehener opto-mechanischer Leistungsfilter, etwa ein auf die Wellenlänge des bearbeitenden Lichtstrahls ausgelegter Absorptionsfilter, in den Strahlengang der Strahlungsquelle eingeführt werden kann und somit die auf den Konversionskörper gelangende Leistungsdichte extern modifiziert. In einem äußerst bevorzugten Ausführungsbeispiel kann darüber hinaus, speziell im Fall einer genutzten Laserlichtquelle, beispielsweise einem CW-Laser, die Fertigungsanlage auch eingerichtet sein, einen vorzugsweise für den Kalibrierungsprozess eingerichteten und bevorzugt justierbaren Pulsbetrieb des Laserlichtquelle zu aktivieren, wodurch die ausgehende Leistung, insbesondere mittels Einstellung der die Lichtstrahlung definierenden Pulslängen, selbst ohne zusätzlich einzuführender Elemente effektiv und vorzugsweise kontinuierlich angepasst werden kann. Letzteres kann dabei vorzugsweise durch Verwendung bevorzugter Laserlichtmodulationen, wie etwa einer Gütemodulation (Q-switch) oder verschiedenen Modenkopplungsverfahren, zum Beispiel auf akustooptischen (AOM) oder elektrooptischen Modulatoren (EOM) basierenden Modulationsverfahren, erfolgen und so, abhängig von der genutzten Laserlichtquelle, eine möglichst präzise Einstellung des zu nutzenden Laserlichts ermöglichen. For this purpose, in a first exemplary embodiment, the radiation source can preferably be equipped with an adjustment mechanism, which allows the former, for example by receiving an initiation signal from the production system, to set the power of the radiation source at the beginning of the calibration process to a predefined one for the irradiation of the conversion body to minimize the value to be used. As an alternative to this process, it may also be possible, particularly in cases in which the radiation source may not be suitable for adjusting its power on its own (for example in the case of a laser source), for an opto-mechanical device specifically intended for the light beam of the radiation source Power filter, such as an absorption filter designed for the wavelength of the processing light beam, can be introduced into the beam path of the radiation source and thus externally modifies the power density reaching the conversion body. In an extremely In a preferred embodiment, especially in the case of a laser light source used, for example a CW laser, the production system can also be set up to activate a pulse operation of the laser light source, which is preferably set up for the calibration process and is preferably adjustable, whereby the outgoing power, in particular by adjusting the Pulse lengths defining light radiation can be adjusted effectively and preferably continuously, even without additional elements being introduced. The latter can preferably be done by using preferred laser light modulations, such as quality modulation (Q-switch) or various mode coupling methods, for example modulation methods based on acousto-optical (AOM) or electro-optical modulators (EOM), and so, depending on the laser light source used, as much as possible enable precise adjustment of the laser light to be used.
Sind ferner zumindest der Konversionskörper in der vorgesehenen Kalibrierungsposition angeordnet und vorzugsweise alle weiteren zur Initiierung des Kalibrierungsprozesses benötigten Vorbereitungen getroffen, so kann die vorliegende Erfindung, in einem nächsten Schritt, bevorzugt eine zur Identifizierung von optischen Verschiebungen und entsprechende Justierung des bearbeitenden Lichtstrahls bestimmte Kalibrierungsphase einleiten. Furthermore, if at least the conversion body is arranged in the intended calibration position and preferably all other preparations required to initiate the calibration process have been made, the present invention can, in a next step, preferably initiate a calibration phase intended for identifying optical shifts and corresponding adjustment of the processing light beam.
Wie bereits beschrieben kann das hierzu vorgesehene Kalibrierungsverfahren vorzugsweise zumindest die Eigenschaften des in der Fertigungsanlage vorliegenden Konversionskörpers nutzen, welches eingerichtet ist, das Licht des bearbeitenden Lichtstrahls der Fertigungsanlage während der Bestrahlung an vordefinieren Stellen des Konversionskörpers zu absorbieren und vorzugsweise in ein detektierbares, bevorzugt sichtbares Kalibrierungslicht umzuwandeln und zu emittieren. As already described, the calibration method provided for this purpose can preferably use at least the properties of the conversion body present in the production system, which is set up to absorb the light of the processing light beam of the production system during the irradiation at predefined points of the conversion body and preferably into a detectable, preferably visible, calibration light convert and emit.
Zu diesem Zweck kann der Konversionskörper selbst, in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel, vorzugsweise zunächst als mit einem bevorzugt aus inertem Material, beispielsweise Glas oder eloxiertem Aluminium, bestehenden Substrat versehen und als beliebiger dreidimensionaler Körper ausgebildet sein, welcher zur Erzeugung der oben genannten optischen Wandlungseigenschaften, eine aus zumindest einem mit dem bearbeitenden Lichtstrahl wechselwirkenden Konversionsmaterial bestehende Auftragung umfassen kann. Der Lichtstrahl, welcher bevorzugt ein Laserstrahl ist, wird durch das Konversionsmaterial von seiner für das menschliche Auge unsichtbaren Infrarot-Wellenlänge in ein sichtbares Licht umgewandelt, um eine direkte Positionserfassung vornehmen zu können. Genauer kann das besagte Konversionsmaterial dabei zum Beispiel bevorzugt als Polymer aus optisch aktiven Materialien, etwa Lithiumniobat (LiNb03), Kaliumdihydrogenphosphat (KH2P04), Bariumborat (BA(BO2)2), YAG (Y3AI5012), einer Mischung seltener Erden wie zum Beispiel Neodym (Nd) oder Yttrium (Y), oder weiteren die obere Eigenschaft erfüllenden Elementen bestehen, welche explizit dafür eingerichtet sein können, den zuvor beschriebenen Wandlungsprozess bei Belichtung mit dem bearbeitenden Lichtstrahl auszuführen und somit das für die Kalibrierung benötigte Kalibrierungslicht, vorzugsweise durch rein quantenoptische Effekte zu erzeugen. For this purpose, the conversion body itself, in a particularly preferred exemplary embodiment, can preferably initially be made of an inert material, for example glass or anodized aluminum Substrate provided and designed as any three-dimensional body, which can comprise an application consisting of at least one conversion material that interacts with the processing light beam to produce the above-mentioned optical conversion properties. The light beam, which is preferably a laser beam, is converted by the conversion material from its infrared wavelength, which is invisible to the human eye, into visible light in order to be able to carry out direct position detection. More precisely, the conversion material in question can, for example, preferably be a polymer made of optically active materials, such as lithium niobate (LiNb03), potassium dihydrogen phosphate (KH2P04), barium borate (BA(BO2)2), YAG (Y3AI5012), a mixture of rare earths such as neodymium ( Nd) or yttrium (Y), or other elements fulfilling the above property, which can be explicitly designed to carry out the previously described conversion process upon exposure to the processing light beam and thus to provide the calibration light required for the calibration, preferably through purely quantum optical effects generate.
Insofern kann, in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel, das auf der Konversionsplatte aufgetragene Konversionsmaterial auch insbesondere derart eingerichtet sein, dass das zuvor genannte Kalibrierungslicht beispielsweise mittels bevorzugter Frequenzverdopplung des absorbierten Lichtstrahls der genutzten Strahlungsquelle erzeugt werden kann, sodass eine genaue und insbesondere von dem bearbeitenden Licht abhängige Definierung des Kalibrierungslichts ermöglicht wird. Darüber hinaus kann durch die beschriebene dreidimensionale Form des Konversionsmaterials der Vorteil generiert werden, dass eine Umwandlung des bearbeitenden Lichts durch alleiniges Auftreffen des bearbeitenden Lichtstrahls auf dem Konversionsmaterial erfolgen und der vorliegende Kalibrierungsprozess somit insbesondere unabhängig von etwaigen Einstrahlungswinkeln oder Orientierungen letztgenannten Lichtstrahls durchgeführt werden kann, was denIn this respect, in a particularly preferred exemplary embodiment, the conversion material applied to the conversion plate can also be set up in particular in such a way that the aforementioned calibration light can be generated, for example, by means of preferred frequency doubling of the absorbed light beam of the radiation source used, so that an accurate and in particular dependent on the processing light Definition of the calibration light is made possible. In addition, the described three-dimensional shape of the conversion material can generate the advantage that a conversion of the processing light can take place by the sole impact of the processing light beam on the conversion material and the present calibration process can therefore be carried out in particular independently of any angles of irradiation or orientation of the last-mentioned light beam, which the
Kalibrierungsprozess weiter vereinfacht. Bevorzugt kann der Konversionskörper als flache, vorzugsweise tellerförmig ausgebildete Platte, etwa in einer Größe und/oder Form eines ursprünglich in der jeweiligen Fertigungsanlage zu bearbeitenden Werkstücks ausgebildet sein, sodass sich der Konversionskörper effektiv in das Fertigungssystem der jeweilig zu justierenden Fertigungsanlage integrieren lässt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann eine bereits bestehende Fertigungseinrichtung (oder ein Element) der Fertigungsanlage, etwa eine zur Fixierung eines Werkstücks eingerichtete Grundplatte oder ein verfahrbarer Beschichter, die Funktion eines Konversionskörpers einnehmen, was beispielsweise durch Auftragung des zuvor beschriebenen Konversionsmaterials auf einer vordefinierten Oberfläche der jeweiligen Fertigungseinrichtung erzeugt wird. Letzteres erwirkt dabei insbesondere ein äußerst effektives Kalibrierungsverfahren. Calibration process further simplified. Preferably, the conversion body can be designed as a flat, preferably plate-shaped plate, for example in the same size and/or shape as a workpiece originally to be processed in the respective production system, so that the conversion body can be effectively integrated into the production system of the respective production system to be adjusted. In a further exemplary embodiment, an already existing manufacturing device (or an element) of the manufacturing system, such as a base plate set up to fix a workpiece or a movable coater, can assume the function of a conversion body, which can be achieved, for example, by applying the previously described conversion material to a predefined surface of the respective Manufacturing facility is generated. The latter in particular results in an extremely effective calibration procedure.
Auf dieser Grundlage beruhend kann das beanspruchte Kalibrierungsverfahren zunächst, in einem ersten Schritt des Kalibrierungsverfahrens, die Identifizierung einer Fehlstellung des zu justierenden bearbeitenden Lichtstrahls der optischen Fertigungsanlage vorsehen, indem der bearbeitende Lichtstrahl, vorzugsweise mittels Ansteuerung der optischen Elemente, entlang einer mit dem Konversionsmaterial benetzten Oberfläche des Konversionskörpers verfahren und, basierend auf diesen Vorgang, ein expliziter Unterschied zwischen einer von der optischen Fertigungsanlage ursprünglich angedachten Auftreffposition (Soll- Position) und einer durch die Fehlstellung erzeugten und von der Soll-Position abweichenden, tatsächlichen Auftreffposition (Ist-Position) des bearbeitenden Lichtstrahls auf dem Konversionskörper ermittelt werden kann. Based on this basis, the claimed calibration method can initially, in a first step of the calibration method, provide for the identification of a misalignment of the processed light beam of the optical manufacturing system to be adjusted, by moving the processed light beam, preferably by controlling the optical elements, along a surface wetted with the conversion material of the conversion body and, based on this process, an explicit difference between an impact position (target position) originally intended by the optical production system and an actual impact position (actual position) of the machine being processed, which is generated by the misalignment and deviates from the target position Light beam on the conversion body can be determined.
Zu diesem Zweck kann, in einem ersten Schritt des letztgenannten Identifizierungsprozesses, vorzugsweise zunächst eine für die Bewegung des bearbeitenden Lichtstrahls zuständige Kalibrierungstrajektorie erstellt oder zumindest, bevorzugt mittels vorgegebener Datenbank innerhalb der optischen Fertigungsanlage, aus einer Mehrzahl von möglichen Kalibrierungstrajektorien ausgewählt werden, sodass das Verfahren des bearbeitenden Lichtstrahl auf der Oberfläche des Konversionskörpers zumindest entlang besagter vordefinierter Kalibrierungstrajektorie erfolgen kann. Letzterer Prozessschritt besitzt dabei nicht nur den Vorteil, dass das jeweilige Verfahren des bearbeitenden Lichtstrahls, aufgrund des vordefinierten Verfahrweges vollständigfestgelegt und somit selbst in iterativen Prozessen gleichbleibend wiederholt werden kann, sondern das Erstellen einer Kalibrierungstrajektorie gleichermaßen auch zur Definierung einer Mehrzahl von zu vergleichenden „Soll-Positionen“ genutzt werden kann. For this purpose, in a first step of the latter identification process, a calibration trajectory responsible for the movement of the processing light beam can preferably first be created or at least selected from a plurality of possible calibration trajectories, preferably using a predetermined database within the optical production system, so that the method of processing light beam on the surface of the conversion body at least along said predefined Calibration trajectory can be done. The latter process step not only has the advantage that the respective method of the processing light beam can be completely determined based on the predefined travel path and can therefore be repeated consistently even in iterative processes, but the creation of a calibration trajectory can also be used to define a plurality of "target" values to be compared. Positions” can be used.
So kann, in einem besonders bevorzugten Beispiel, beispielsweise ein jeder Punkt P der ausgewählten Kalibrierungstrajektorie (zum Beispiel mit T benannt), zumindest durch eine zeitliche Komponente t und eine räumliche Komponente x bzw. eine zeitliche t und eine geschwindigkeitsangebende Komponente v definiert sein, wodurch der von dem bearbeitenden Lichtstrahl durchzuführende Verfahrweg T(P(x,t)) bzw. T(P(v,t)) zu jedem Zeitpunkt vollständig definiert wird. Insofern ist es möglich, durch Erstellen der oben genannten Kalibrierungstrajektorie und darauffolgendes Auslesen der so entstehenden räumlich-zeitlichen Verfahr- Koordinaten der Trajektorie, eine genaue Aussage über die zu jedem Zeitpunkt bestehende, angedachte Position (Soll-Position) des sich bewegenden Lichtstrahls der Fertigungsanlage zu erhalten, sodass, nach gleichwertiger Identifizierung etwaiger Ist-Positionen, eine einfache Analyse bestehender Fehlstellungen ermöglicht werden kann. In a particularly preferred example, for example, each point P of the selected calibration trajectory (for example named T) can be defined at least by a temporal component t and a spatial component x or a temporal t and a speed-indicating component v, whereby the travel path T(P(x,t)) or T(P(v,t)) to be carried out by the processing light beam is completely defined at any time. In this respect, by creating the above-mentioned calibration trajectory and then reading out the resulting spatial-temporal travel coordinates of the trajectory, it is possible to make an exact statement about the intended position (target position) of the moving light beam of the production system at any given time obtained so that, after equivalent identification of any actual positions, a simple analysis of existing misalignments can be made possible.
Letztgenannte Identifizierung zu nutzender Ist-Positionen kann dabei ferner vorzugsweise mittels der bereits oben genannten Umwandlung des bearbeitenden Lichts durch den Konversionskörper erfolgen. Genauer kann zu diesem Zweck vorzugsweise die Umwandlung des bearbeitenden Lichtstrahls in ein detektierbares Licht in einer insbesondere räumlich-abhängigen Weise vollzogen werden, sodass, beispielsweise durch Bestrahlung von nur an vordefinierten Positionen zur Umwandlung fähigen Arealen des Konversionskörpers und darauffolgender Detektion des durch die Umwandlung erzeugten Kalibrierungslichts, zumindest eine tatsächlich auftretende Auftreffposition (Ist-Position) des bearbeitenden Lichtstrahls auf dem Konversionskörper verifiziert werden kann. So kann hierfür, in einem besonders bevorzugten Beispiel und zu Erfüllung der oben genannten Eigenschaften, der Konversionskörper beispielsweise derart ausgebildet sein, dass, während der Bestrahlung des Konversionskörpers durch den bearbeitenden Lichtstrahl, eine Umwandlung des bearbeitenden in das detektierbare Licht nur an bestimmten, vordefinierten Positionen des Konversionskörpers erfolgen kann. The latter identification of actual positions to be used can also preferably be carried out by means of the above-mentioned conversion of the processing light by the conversion body. More specifically, for this purpose, the conversion of the processing light beam into a detectable light can preferably be carried out in a particularly spatially-dependent manner, so that, for example, by irradiating only areas of the conversion body capable of conversion at predefined positions and subsequent detection of the calibration light generated by the conversion , at least one actually occurring impact position (actual position) of the processing light beam on the conversion body can be verified. For this purpose, in a particularly preferred example and in order to fulfill the above-mentioned properties, the conversion body can, for example, be designed in such a way that, during the irradiation of the conversion body by the processing light beam, the processing light is converted into the detectable light only at certain, predefined positions of the conversion body can be done.
Insofern kann zu diesem Zweck, in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die Auftragung des Konversionsmaterials auf dem Konversionskörper vorzugsweise nur räumlich beschränkt vorliegen. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel kann diese räumliche Beschränkung zudem auch derart ausgebildet sein, dass der Konversionskörper lediglich einzelne, nur an spezifischen, d.h. vordefinierten Positionen vorliegende und aus Konversionsmaterial bestehende Auftragungsstrukturen (im weiteren auch „Konversionsstrukturen“ genannt) vorsehen kann, wodurch insbesondere der Effekt generiert wird, dass das oben genannte Kalibrierungslicht ausschließlich beim Auftreffen des bearbeiten Lichtstrahls an den durch die Konversionsstrukturen definierten Positionen generiert und somit als effektives und positionsspezifisches Detektionssignal genutzt werden kann. In this respect, for this purpose, in a preferred exemplary embodiment of the present invention, the application of the conversion material to the conversion body can preferably only be spatially limited. In a particularly preferred exemplary embodiment, this spatial restriction can also be designed in such a way that the conversion body can only provide individual application structures made of conversion material (hereinafter also referred to as “conversion structures”), which are only present at specific, i.e. predefined positions, which in particular results in the effect is generated so that the above-mentioned calibration light is generated only when the processed light beam hits the positions defined by the conversion structures and can therefore be used as an effective and position-specific detection signal.
Auf diesen Grundlagen basierend kann eine entsprechende Kalibrierungsphase der vorliegenden Erfindung vorzugsweise derart ausgestaltet sein, dass zunächst der bearbeitende Lichtstrahl, bevorzugt durch Verwendung der zuvor genannten Kalibrierungstrajektorie, entlang eines vordefinierten Verfahrweges auf dem Konversionskörper verfahren werden kann. Trifft der bearbeitende Lichtstrahl daraufhin entlang seines Verfahrweges auf zumindest einen Teil einer auf dem Konversionskörper positionierten Konversionsstruktur, so kann das bearbeitende Licht von den innerhalb der Konversionsstruktur befindlichen Konversionsmaterialien daraufhin absorbiert und in das detektierbare Kalibrierungslicht umgewandelt werden. Da die Konversionsstruktur hierbei ferner nur an vordefinierten Positionen auf dem Konversionskörper platziert ist, kann entsprechend, in einem nächsten Schritt, durch Detektion des von der Konversionsstruktur ausgehenden Kalibrierungslichts, verifiziert werden, dass sich die momentane Ist-Position des bearbeitenden Lichtstrahls an einer der entsprechenden, vordefinierten Positionen der Konversionsstruktur befinden muss, sodass sich, vorzugsweise durch Erfassen einer Mehrzahl von Kalibrierungslichtemissionen, der eigentliche Verfahrweg des bearbeitende Lichtstrahls und somit die auf diesem Verfahrweg tatsächlich auftretenden Ist- Positionen des bearbeitenden Lichtstrahls effektiv rekonstruieren lassen. Based on these principles, a corresponding calibration phase of the present invention can preferably be designed in such a way that the processing light beam can initially be moved along a predefined travel path on the conversion body, preferably by using the aforementioned calibration trajectory. If the processing light beam then hits at least part of a conversion structure positioned on the conversion body along its travel path, the processing light can then be absorbed by the conversion materials located within the conversion structure and converted into the detectable calibration light. Since the conversion structure is only placed at predefined positions on the conversion body, in a next step, by detecting the Conversion structure outgoing calibration light, verified that the current actual position of the processing light beam must be at one of the corresponding, predefined positions of the conversion structure, so that, preferably by detecting a plurality of calibration light emissions, the actual travel path of the processing light beam and thus the on The actual positions of the processing light beam that actually occur during this travel path can be effectively reconstructed.
Entsprechend ist ersichtlich, dass durch die oben genannte einfache Strukturierung des Konversionskörpers mittels einzelner positionsspezifische Konversionsstrukturen, ein äußerst effizientes Detektionssystem erzeugt werden kann, welches, basierend auf den rein optisch zu nutzenden Umwandlungs- und Erfassungs Prozessen, ein im Vergleich zum Stand der Technik zugleich materialsparenderes als auch beschleunigtes Kalibrierungsverfahren erlaubt. Accordingly, it can be seen that through the above-mentioned simple structuring of the conversion body using individual position-specific conversion structures, an extremely efficient detection system can be created, which, based on the purely optical conversion and detection processes, is also more material-saving than the prior art as well as accelerated calibration procedures are permitted.
Dabei kann die eigentliche Detektion des von dem Konversionsmaterial ausgehenden Kalibrierungslichts ferner vorzugsweise durch einen Sensor und insbesondere eine Photodiode oder ein Photodiodenarray erreicht werden. Ferner kann eine in die Fertigungsanlage integrierte optische Sensorvorrichtung vorliegen, etwa einen ein- oder zweidimensionalen CCD-Sensor, einen cMOS-Sensor, sodass das Kalibrierungsverfahren im Weiteren auch vollständig in situ, das heißt ausschließlich innerhalb der Fertigungsanlage und insbesondere autonom durchgeführt werden kann. The actual detection of the calibration light emanating from the conversion material can also preferably be achieved by a sensor and in particular a photodiode or a photodiode array. Furthermore, an optical sensor device integrated into the production system can be present, such as a one- or two-dimensional CCD sensor, a cMOS sensor, so that the calibration process can also be carried out completely in situ, that is, exclusively within the production system and in particular autonomously.
Zur finalen Identifizierung etwaiger Fehlstellungen des bearbeitenden Lichtstrahls können darüber hinaus, wie bereits zuvor beschrieben, die durch den obigen Detektionsprozess ermittelten Ist-Positionen des Lichtstrahls in einem nächsten Schritt vorzugsweise mit der innerhalb der optischen Fertigungsanlage vorgesehenen Soll-Positionen verglichen werden. Genauer können beispielhaft zu diesem Zweck, infolge der mittels Signaldetektion ermöglichten Rekonstruktion des eigentlichen Verfahrweges des bearbeitenden Lichtstrahls, ausgewählte Positionen aus dem rekonstruierten Verfahrweg entnommen, als Ist-Positionen definiert und mit den innerhalb der genutzten Kalibrierungstrajektorie gespeicherten und zum Zeitpunkt einer jeweiligen Ist-Position eigentlich vorgesehenen Soll-Positionen kontrastiert werden, sodass durch den vorliegenden Identifikationsprozess, ein expliziter räumlicher Unterschied zwischen der besagten Ist- und Soll-Positionen des bearbeitenden Lichtstrahls ermittelt und vorzugsweise für eine darauffolgende Justierung der optischen Fertigungsanlage weiterverwendet werden kann. For the final identification of any misalignments of the processing light beam, as already described above, the actual positions of the light beam determined by the above detection process can, in a next step, preferably be compared with the target positions provided within the optical production system. More specifically, for this purpose, as a result of the reconstruction of the actual travel path of the processing light beam made possible by means of signal detection, selected positions can be taken from the reconstructed travel path, defined as actual positions and are contrasted with the target positions stored within the calibration trajectory used and actually intended at the time of a respective actual position, so that the present identification process determines an explicit spatial difference between said actual and target positions of the processing light beam and preferably for one subsequent adjustment of the optical production system can continue to be used.
Entsprechend kann das vorliegend beanspruchte Verfahren, in einem folgenden Schritt, ebenfalls ein Rekalibrieren der jeweiligen optischen Fertigungsanlage, vorzugsweise auf der Basis der zuvor identifizierten Unterschiede zwischen der ermittelten Ist- und Soll-Position, vorsehen. Accordingly, the method claimed here can also provide, in a subsequent step, for a recalibration of the respective optical production system, preferably on the basis of the previously identified differences between the determined actual and target position.
Zu diesem Zweck können, in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel, beispielweise die oben genannten identifizierten Unterschiede zwischen der Ist- und Soll-Positionen des bearbeitenden Lichtstrahls als entsprechende Differenzdaten in eine speziell zur Justierung der Fertigungsanlage eingerichtete und ebenfalls in der Fertigungsanlage integrierten Justierungsvorrichtung eingespeist werden, welche, vorzugsweise basierend auf aus diesen Unterschieden erhaltenen Informationen (zum Beispiel: Distanz zwischen den Positionen, relative Verschiebungskoordinaten, Position im Koordinatensystem der Fertigungsanlage) eine Änderung in den zur Ansteuerung des bearbeitenden Lichtstrahls genutzten Steuerungsparametern der optischen Fertigungsanlage durchführen kann. Insofern kann es beispielsweise durch die oben genannte Justierungsvorrichtung möglich sein, die Ansteuerung zumindest einer der optischen Elemente der Fertigungsanlage derart zu modifizieren, dass eine Annäherung der Ist-Positionen an die entsprechende Soll- Positionen erfolgen und somit die Fertigungsanlage an etwaige ungewollten Modifikationen des bearbeitenden Lichtstrahls angepasst werden kann. For this purpose, in a particularly preferred exemplary embodiment, for example, the above-mentioned identified differences between the actual and target positions of the processing light beam can be fed as corresponding difference data into an adjustment device which is specifically set up for adjusting the production system and is also integrated into the production system , preferably based on information obtained from these differences (for example: distance between the positions, relative displacement coordinates, position in the coordinate system of the manufacturing system) can carry out a change in the control parameters of the optical manufacturing system used to control the processing light beam. In this respect, it may be possible, for example, using the above-mentioned adjustment device, to modify the control of at least one of the optical elements of the production system in such a way that the actual positions are brought closer to the corresponding target positions and thus the production system is aware of any unwanted modifications to the processing light beam can be adjusted.
Welche Steuerungsparameter dabei, abhängig von den erhaltenen Informationen, von der Justiervorrichtung geändert bzw. allgemein welche Konsequenzen durch die erhaltenen Informationen gezogen werden können, kann dabei vorzugsweise mittels Auslesen von in der Justiervorrichtunggespeicherten, parameterabhängigen Prozessentscheidungen definiert werden. So kann beispielsweise, in einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel, die Justiervorrichtung eine interne Datenbibliothek bezüglich möglicher Lösungsansätze von bei bestimmten Lichtstrahlmodifikationen auftretenden Positionsdiskrepanzen enthalten, welche die Justierungsvorrichtung zum Aufsuchen potentiell sinnvoller Parameteränderungen überprüfen und gegebenenfalls als Grundlage für die Anpassung der oben genannten Steuerungsparameter nutzen kann. In einem zweiten überaus bevorzugten Ausführungsbeispiel kann es zudem auch möglich sein, dass eine entsprechende Modifikation bestehender Steuerungsparameter vorzugsweise automatisiert und durch ein von der Justierungsvorrichtung genutztes und bevorzugt auf einer künstlichen Intelligenz bzw. maschinelles Lernen basierendes Kalibrierungsprogramm durchgeführt werden kann, wodurch, insbesondere im Falle von komplexen Kalibrierungsproblemen, eine überaus individuelle und entsprechend effiziente Parameteranpassung ermöglicht werden kann. Hierzu kann das genannte Kalibrierungsprogramm beispielsweisebevorzugt eingerichtet sein, die zuvor genannten, auf dem identifizierten Unterschied zwischen Ist- und Sollposition des bearbeitenden Lichtstrahls basierenden Informationen zu entnehmen und eine potentielle Parameteränderung entsprechend auf Grundlage der entnommenen Informationen und einem vorhergehenden Anlernen der enthaltenen künstlichen Intelligenz, beispielsweise bezüglich durch verschiedene Parameteränderung entstehenden optischen Effekte durchzuführen. Which control parameters can be changed by the adjustment device depending on the information received or, in general, which consequences can be drawn from the information received, can preferably be done by reading out parameter-dependent parameters stored in the adjustment device Process decisions are defined. For example, in a first preferred embodiment, the adjustment device can contain an internal data library with regard to possible solutions to position discrepancies that occur with certain light beam modifications, which the adjustment device can check to find potentially useful parameter changes and, if necessary, use as a basis for adapting the above-mentioned control parameters. In a second extremely preferred exemplary embodiment, it may also be possible for a corresponding modification of existing control parameters to be carried out, preferably automatically, and by a calibration program used by the adjustment device and preferably based on artificial intelligence or machine learning, whereby, in particular in the case of complex calibration problems, an extremely individual and correspondingly efficient parameter adjustment can be made possible. For this purpose, the calibration program mentioned can, for example, preferably be set up to extract the aforementioned information based on the identified difference between the actual and target position of the processing light beam and a potential parameter change accordingly based on the information extracted and a previous training of the contained artificial intelligence, for example with regard to to carry out optical effects resulting from various parameter changes.
Insofern wird ersichtlich, dass das beanspruchte Kalibrierungsverfahren, speziell aufgrund der überaus materialschonenden und präzisen Prozessschritte, einen im Vergleich zum Stand der Technik weitaus effizienteren Verfahrensansatz bietet, welcher, neben weiteren Vorteilen, wie etwa einer vollständig möglichen in situ Prozession, dynamisch durchführbaren Analyseschritten oder einem rein optischen Detektionsvorgang, auf eine große Anzahl von verschiedenen, auf optischen Wechselwirkungen basierenden Fertigungsanlagen angewandt werden kann. Darüber hinaus bietet das beanspruchte Kalibrierungsverfahren, aufgrund der individuell anpassbaren Prozessschritte, verschiedenste auf ein jeweiliges System anzuwendende Adaptionsmöglichkeiten. In this respect, it can be seen that the claimed calibration method, especially due to the extremely material-friendly and precise process steps, offers a much more efficient method approach compared to the state of the art, which, in addition to further advantages, such as a completely possible in situ procession, dynamically feasible analysis steps or a purely optical detection process, can be applied to a large number of different manufacturing systems based on optical interactions. In addition, the claimed calibration method, due to which individually adaptable process steps, a wide variety of adaptation options that can be applied to a respective system.
So kann das beanspruchte Kalibrierungsverfahren insbesondere vollständig automatisierbar ausgestaltet sein. Zu diesem Zweck kann die optische Fertigungsanlage bevorzugt beispielsweise zusätzlich zumindest eine zentrale Steuerungsvorrichtung umfassen, welche vorzugsweise mit einzelnen Fertigungseinrichtungen oder -elementen, wie etwa den optischen Elementen, der Strahlungsquelle oder einer dem Konversionskörper positionsgebenden Vorrichtung (beispielsweise der Arretierungsvorrichtung), signaltechnisch verbunden sein kann und entsprechend eingerichtet ist, das oben genannte Verfahren mittels Signalaustausch zwischen den oben genannten Fertigungseinrichtungen und der Steuerungsvorrichtung zentral und automatisiert zu regulieren. Genauer kann die zentrale Steuerungsvorrichtung hierzu vorzugsweise eingerichtet sein, den Prozessstatus eines jeweiligen Verfahrensschritts durch Anfrage und Erhalt eines von einer zuständigen Fertigungseinrichtung auszusendenden Statussignales zu überprüfen und, basierend auf den so erhaltenen Signalen, einen darauffolgenden Verfahrensschritt mittels Ansteuerung weiterer Fertigungseinrichtungen zu initiieren oder bestehende Verfahrensschritte fortzuführen. Diesem Umstand entsprechend lässt sich somit ein vollkommen automatisierbarer Kalibrierungsprozess generieren, da ein jeder Verfahrensschritt des beanspruchten Verfahrens vorzugsweise lediglich innerhalb der Fertigungsanlage und somit im Kontrollbereich der oben genannten Steuerungsvorrichtung durchgeführt werden kann. In particular, the claimed calibration method can be designed to be completely automated. For this purpose, the optical manufacturing system can preferably additionally comprise, for example, at least one central control device, which can preferably be connected in terms of signals to individual manufacturing devices or elements, such as the optical elements, the radiation source or a device that gives the conversion body position (for example the locking device), and is set up accordingly to regulate the above-mentioned method centrally and automatically by means of signal exchange between the above-mentioned production facilities and the control device. More specifically, the central control device can preferably be set up to check the process status of a respective method step by requesting and receiving a status signal to be sent by a responsible manufacturing facility and, based on the signals thus received, to initiate a subsequent method step by controlling further manufacturing facilities or to continue existing method steps . According to this circumstance, a completely automatable calibration process can be generated, since each process step of the claimed method can preferably only be carried out within the production system and thus in the control area of the above-mentioned control device.
Darüber hinaus kann, zur weiteren Verbesserung der Kalibrierungspräzision, das vorliegende Verfahren auch vorzugsweise iterativ durchgeführt werden, sodass, nach einer jeweiligen Änderung der Steuerungsparameter durch die Justierungsvorrichtung, ein erneuter Start des Kalibrierungsverfahren initiiert werden kann, falls die durch die Anpassung erfolgenden Lichtstrahlmodifikationen beispielsweise nicht die gewünschte Ausbesserung des bearbeitenden Lichtstrahls erzielen kann. Entsprechend kann das beanspruchte Verfahren vorzugsweise auch vorsehen, den Kalibrierungsprozess bevorzugt derart oft zu wiederholen, bis zumindest der ermittelte, räumliche Unterschied zwischen zumindest einer identifizierten Ist-Position und der entsprechenden Soll-Position einen vordefinierten Grenzwert unterschreitet oder zumindesteine vordefinierte Anzahl an Prozessiterationen ausgeführt wurden. Insofern ist es möglich, durch das oben genannte Verfahren, die Genauigkeit des bearbeitenden Lichtstrahls potentiell unbegrenzt zu verbessern, da durch eine jede Iteration des Kalibrierungsprozesses eine verbesserte Annäherung an die gewünschte Präzision der optischen Fertigungsanlage erreicht werden kann. In addition, to further improve the calibration precision, the present method can also preferably be carried out iteratively, so that after a respective change in the control parameters by the adjustment device, a new start of the calibration method can be initiated if, for example, the light beam modifications resulting from the adjustment are not the desired improvement of the processing light beam can be achieved. Accordingly, the claimed method can preferably also provide to repeat the calibration process preferably so often until at least the determined spatial difference between at least one identified actual position and the corresponding target position falls below a predefined limit or at least a predefined number of process iterations have been carried out. In this respect, it is possible to use the above-mentioned method to improve the accuracy of the processing light beam in a potentially unlimited manner, since each iteration of the calibration process can achieve an improved approximation of the desired precision of the optical manufacturing system.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann es zudem auch möglich sein, dass der durch die optische Sensorvorrichtung durchgeführte und zur Detektion des Kalibrierungslicht benötigte Detektionsprozess insbesondere kontinuierlich während des Verfahrens des bearbeitenden Lichtstrahls durchgeführt werden kann, sodass eine Kalibrierung der Fertigungsanlage vorzugsweise in Realzeit und mit einer gesteigerten Anzahl an Kalibrierungsinformationen ermöglicht wird. So kann die optische Sensorvorrichtung in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorzugsweise eingerichtet sein, das durch die Umwandlung des bearbeitenden Lichts generierte Kalibrierungslicht zunächst als ein vorzugsweise von der Stärke bzw. von der Menge des detektierten Kalibrierungslicht abhängiges Kalibrierungslichtsignal zu erfassen, wodurch, mittels der oben genannten kontinuierlichen Ermittlungsart, ein während des Verfahrens des bearbeitenden Lichtstrahl erzeugter, zeitlicher Verlauf der detektierten Kalibrierungslichtmenge/des Kalibrierungslichtsignals generiert werden kann. Entsprechend ergibt sich durch den oben genannten Prozessschritt der Vorteil, dass mittels des konstanten Erfassens des durch die Konversionsstrukturen emittierten Kalibrierungslichts, eine zeitliche abhängige Signalstruktur erzeugt werden kann, welche sowohl zusätzliche Informationen zur Identifikation etwaiger Ist-/Soll- Positionen erzeugen als auch die Präzision der Detektion etwaiger Kalibrierungslichtemission weiter steigern kann. So kann die Sensorvorrichtung beispielsweise eingerichtet sein, mittels des zuvor beschriebenen generierten Signalverlaufs, einen zusätzlichen Prozessschritt zur Verifizierung bestehender Kalibrierungslichtemissionen zu erzeugen, indem der genannte Signalverlauf durch die Sensorvorrichtung, vorzugsweise in Echtzeit, nach etwaigen auf eine Kalibrierungslichtemission hindeutenden Signalmustern abgesucht wird. Entsprechend kann dieser Prozessschritt dabei vorzugsweise vorsehen, insbesondere solche Signalintervalle als tatsächlich aufgetretene Emissionsevents zu identifizieren, welche ein vergleichsweise starke oder vorzugsweise über einen festgelegten Signalgrenzwert hinausgehende Kalibrierungslichtsignalwerte aufzeigen können, sodass, durch einen expliziten Vergleich bestehender Signalwerte, etwaige durch äußere Einflüsse entstehenden und somit zu fehlerhaften Justierungen führenden Signaldetektion effektiv ausgeschlossen werden können. In a further preferred exemplary embodiment, it may also be possible that the detection process carried out by the optical sensor device and required for detecting the calibration light can be carried out in particular continuously during the process of the processing light beam, so that a calibration of the production system is preferably carried out in real time and with an increased Number of calibration information is possible. Thus, in this preferred exemplary embodiment, the optical sensor device can preferably be set up to first detect the calibration light generated by the conversion of the processing light as a calibration light signal, which is preferably dependent on the intensity or on the amount of the detected calibration light, whereby, by means of the above-mentioned continuous determination type , a time course of the detected calibration light quantity/calibration light signal generated during the process of the processing light beam can be generated. Accordingly, the above-mentioned process step has the advantage that by constantly detecting the calibration light emitted by the conversion structures, a time-dependent signal structure can be generated, which generates both additional information for identifying any actual/target positions as well as the precision of the Detection of any calibration light emission can be further increased. For example, the sensor device can be set up to use the previously described generated signal curve to generate an additional process step for verifying existing calibration light emissions by searching the signal curve mentioned by the sensor device, preferably in real time, for any signal patterns indicating calibration light emission. Accordingly, this process step can preferably provide for identifying, in particular, those signal intervals as emission events that have actually occurred, which can show a comparatively strong calibration light signal value or one that preferably exceeds a specified signal limit value, so that, through an explicit comparison of existing signal values, any resulting from external influences and thus to Signal detection resulting in incorrect adjustments can be effectively eliminated.
Ein weiterer Vorteil des generierten Signalverlaufs kann zudem darin gesehen werden, insbesondere durch die ermöglichte Analyse eines genauen Zeitpunkts einer jeweils detektierten Kalibrierungslichtemission, die Identifizierung der genauen Auftreffpositionen des bearbeitenden Lichtstrahls auf der jeweiligen Konversionsstruktur weiter zu verbessern. Insofern kann es beispielsweise möglich sein, dass aufgrund der vordefinierten Strahlbreite des auf dem Konversionskörper verfahrenden Lichtstrahls, ein Auftreffen des besagten Lichts an mehreren Stellen einer Konversionsstruktur erfolgen kann (beispielsweise bei einem Hindurchfahren durch eine Konversionsstruktur), sodass für mehrere angedachte Positionen des Lichtstrahls eine Emission des zu detektierenden Kalibrierungslichts erzeugt und somit eine genaue Positionsbestimmung des bearbeitenden Lichts erschwert wird. A further advantage of the generated signal curve can also be seen in further improving the identification of the exact impact positions of the processing light beam on the respective conversion structure, in particular by making it possible to analyze an exact point in time of a respective detected calibration light emission. In this respect, it may be possible, for example, that due to the predefined beam width of the light beam traveling on the conversion body, the said light can strike at several points of a conversion structure (for example when passing through a conversion structure), so that an emission occurs for several intended positions of the light beam of the calibration light to be detected, thus making it more difficult to determine the exact position of the processing light.
Um dies hingegen zu umgehen, kann die optische Sensorvorrichtung insbesondere bevorzugt eingerichtet sein, den entsprechend durch die letztgenannte Kalibrierungslichtemission erzeugten Signalverlauf vorzugsweise nach einem Signalmaximum abzusuchen und eine für die Identifizierung der Ist-Positionen zu nutzende Auftreffpositionen an der Konversionsstruktur bevorzugt zumindest für den Zeitpunkt dieses Signalmaximums zu bestimmen. Dabei beruht dieser Prozessschritt insbesondere darauf, dass durch das Verfahren eines endlich breiten Lichtstrahls auf einer vordefinierten Konversionsstruktur, ein Signalmaximum an einer Stelle der größten Strukturbelichtungsfläche erzeugt wird, sodass durch Bestimmen des Signalmaximums vorzugsweise der Mittelpunkt der belichteten Konversionsstruktur bzw. zumindest die Position, in welcher der bearbeitende Lichtstrahl die größte Fläche der Konversionsstruktur belichtet, identifiziert werden kann. In order to avoid this, however, the optical sensor device can in particular preferably be set up to search the signal curve correspondingly generated by the last-mentioned calibration light emission, preferably for a signal maximum, and to select an impact position on the conversion structure to be used for identifying the actual positions, preferably at least for the time of this signal maximum to determine. This is based on this Process step in particular ensures that by moving a finitely wide light beam on a predefined conversion structure, a signal maximum is generated at a point of the largest structure exposure area, so that by determining the signal maximum, preferably the center of the exposed conversion structure or at least the position in which the processing light beam the largest area of the conversion structure exposed can be identified.
Die bereits zuvor genannte Rekonstruktion des eigentlichen Verfahrweges des bearbeitenden Lichtstrahls mittels der Mehrzahl von detektierten Kalibrierungslichtsignalen kann darüber hinaus vorzugsweise mittels Verwendung verschiedenster geometrischer Analysemechanismen, etwa dynamischen Regressionsalgorithmen und/oder auf Fitfunktionen-basierenden Ausgleichsrechnungen ermöglicht werden, welche vorzugsweise eingerichtet sein können, bei Erhalt der Mehrzahl an Kalibrierungslichtsignalen und Vergleich letzterer mit den vordefinierten Positionen der Konversionsstrukturen, die tatsächliche Bewegung des bearbeitenden Lichtstrahls nachzubilden. Genauer können zu diesem Zweck beispielsweise die durch die optische Sensorvorrichtung kontinuierlich während des Verfahrens des bearbeitenden Lichtstrahls ermittelten Kalibrierungslichtsignale gesammelt und nach Beenden des Verfahrweges an die oben genannten Analysemechanismen übergeben werden, sodass aufgrund der so generierten, großen Anzahl an vorhandenen Datenmengen/Informationen, eine überaus präzise Identifizierung des eigentlichen Verfahrwegs des bearbeitenden Lichtstrahls ermöglicht werden kann. The previously mentioned reconstruction of the actual travel path of the processing light beam by means of the plurality of detected calibration light signals can also preferably be made possible by using a wide variety of geometric analysis mechanisms, such as dynamic regression algorithms and / or compensation calculations based on fit functions, which can preferably be set up when receiving the A plurality of calibration light signals and comparison of the latter with the predefined positions of the conversion structures to simulate the actual movement of the processing light beam. More precisely, for this purpose, for example, the calibration light signals continuously determined by the optical sensor device during the movement of the processing light beam can be collected and passed on to the above-mentioned analysis mechanisms after the travel path has ended, so that due to the large amount of existing data/information generated in this way, an exceedingly precise identification of the actual travel path of the processing light beam can be made possible.
Entsprechend kann durch die oben genannten Prozessschritte die Detektion der zu identifizierenden Ist- und Soll-Positionen noch weiter verbessert werden, indem die Ermittlung der jeweiligen Auftreffpositionen des bearbeiten Lichtstrahls auf den Konversionsstrukturen und der darauf beruhende Rekonstruktionsmechanismus durch ein zeitabhängiges und von dynamischen Signalstrukturen abhängiges Analyseverfahren unterstützt wird. Zur weiteren Verbesserung des oben genannten Prozesses kann es zudem gleichermaßen möglich sein, die auf dem Konversionskörper aufgetragenen Konversionsstrukturen speziell an das zuvor beschriebene Kalibrierungsverfahren anzupassen. So kann, in einem äußerst bevorzugten Ausführungsbeispiel, die zumindest eine auf dem Konversionskörper befindliche Konversionsstruktur beispielsweise insbesondere mit einem vordefinierten, geometrischen Muster versehen sein, wodurch insbesondere die zuvor genannte Rekonstruktion des eigentlichen Verfahrweges des bearbeitenden Strahls weiter präzisiert werden kann. Accordingly, the above-mentioned process steps can be used to further improve the detection of the actual and target positions to be identified by supporting the determination of the respective impact positions of the processed light beam on the conversion structures and the reconstruction mechanism based thereon by a time-dependent analysis method that is dependent on dynamic signal structures becomes. To further improve the above-mentioned process, it may also be possible to adapt the conversion structures applied to the conversion body specifically to the previously described calibration method. Thus, in an extremely preferred exemplary embodiment, the at least one conversion structure located on the conversion body can, for example, be provided with a predefined, geometric pattern, whereby in particular the aforementioned reconstruction of the actual travel path of the processing beam can be further specified.
Diesen Grundlagen entsprechend kann das Muster der zumindest einen Konversionsstruktur beispielhaft eine Mehrzahl von mit dem Konversionsmaterial ausgefüllten und als Linienstruktur ausgebildete Geometrien umfassen, sodass sich die potentiell zu berücksichtigen Auftreffpositionen auf der Konversionsstruktur (und somit die zur Rekonstruktion miteinzubeziehenden Ungenauigkeiten), insbesondere aufgrund der so vorzugsweise geringen Strukturfläche verringern lassen. Darüber hinaus können die genannten Linienstrukturen, in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel, beispielhaft auch lediglich in parallel und/oder orthogonal zueinander ausgerichteten Orientierungen vorliegen, sodass, bei der Detektion eines entsprechend auf diese Linienstruktur zutreffendes Kalibrierungslichtsignals, die potentiellen Auftreffpositionen auf lediglich eindimensionale Koordinaten beschränkt werden können. In einem weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel kann es jedoch zudem auch möglich sein, dass eine jede Linienstruktur der zumindest einen Konversionsstruktur auch unterschiedlich breit oder mit einer anderen vordefinierten geometrischen Figur, wie etwa einer Kreisform, einer Dreiecksform, einer Trapezform usw., ausgebildet sein kann, sodass durch das Durchfahren des bearbeitenden Lichtstrahls an einer jeden Linienstruktur, eine an der optischen Sensorvorrichtung erzeugte, Linienstrukturspezifische Signalstrukturen generiert und diese somit gleichermaßen zur verbesserten Identifikation etwaiger Ist-/Soll-Positionen genutzt werden kann. Darüber hinaus können auch auf der technischen Seite der vorliegenden Erfindungen etwaige zusätzlich in der optischen Fertigungsanlage anzubringenden Vorrichtungseigenschaften möglich sein. According to these principles, the pattern of the at least one conversion structure can, for example, include a plurality of geometries filled with the conversion material and designed as a line structure, so that the potentially impact positions on the conversion structure to be taken into account (and thus the inaccuracies to be taken into account for the reconstruction), in particular due to the so preferably small structural area can be reduced. In addition, in a particularly preferred exemplary embodiment, the line structures mentioned can, for example, only be present in orientations that are parallel and/or orthogonal to one another, so that when a calibration light signal corresponding to this line structure is detected, the potential impact positions can be limited to only one-dimensional coordinates . In a further, particularly preferred exemplary embodiment, however, it may also be possible for each line structure of the at least one conversion structure to be designed with different widths or with another predefined geometric figure, such as a circular shape, a triangular shape, a trapezoidal shape, etc , so that by passing through the processing light beam on each line structure, a line structure-specific signal structure generated on the optical sensor device is generated and these can therefore also be used for improved identification of any actual/target positions. Furthermore, on the technical side of the present inventions, any additional device properties to be installed in the optical manufacturing system may also be possible.
So kann beispielweise der Konversionskörper bzw. die den Konversionskörper fixierende Arretierungsvorrichtung innerhalb der optischen Fertigungsanlage gleichermaßen eingerichtet sein, zumindest vertikal, in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel jedoch zumindest senkrecht zur Fokusebene des bearbeitenden Lichtstrahls, verfahrbar ausgestaltet zu sein, sodass die Kalibrierungsposition gleichermaßen oberhalb und/oder unterhalb der entsprechenden Arbeitsebene der optischen Fertigungsanlage definiert werden kann. Entsprechend kann durch die oben genannte Eigenschaft der Vorteil generiert werden, dass das zuvor beschriebene Kalibrierungsverfahren mittels Nutzung eines fokussierten Lichtstrahls (Kalibrierungsposition in der Fokusebene/Arbeitsebene), jedoch in gewünschten Fällen auch mit einer defokussierten Optik (Kalibrierungsposition unterhalb/oberhalb der Fokusebene/Arbeitsebene) betrieben werden kann, sodass zusätzliche Effekte, wie etwa eine gleichermaßen von der z-Position des bearbeitenden Lichtstrahls abhängige Fehleranalyse ermöglicht werden können. For example, the conversion body or the locking device fixing the conversion body within the optical production system can be designed to be movable at least vertically, but in a preferred exemplary embodiment at least perpendicular to the focal plane of the processing light beam, so that the calibration position is equally above and / or below the corresponding working level of the optical production system can be defined. Accordingly, the above-mentioned property can generate the advantage that the calibration method described above can be carried out using a focused light beam (calibration position in the focal plane/working plane), but in desired cases also with defocused optics (calibration position below/above the focal plane/working plane). can be operated, so that additional effects, such as error analysis that is equally dependent on the z-position of the processing light beam, can be made possible.
Darüber hinaus kann zur Nutzung eines besonders effizienten Kalibrierungsverfahrens, auch die Positionierung der optischen Sensorvorrichtung vorzugsweise an die jeweils zu justierende optische Fertigungsanlage angepasst sein. Hierzu kann, in einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel, die optische Sensorvorrichtung beispielsweise in einem freien, d.h. von dem Lichtweg der Strahlungsquelle unabhängigen, Areal des Bauraums positioniert sein, sodass das durch den Konversionskörper emittierte Kalibrierungslicht vorzugsweise direkt auf den integrierten Sensor der optischen Sensorvorrichtung auftreffen und somit ein besonders starkes Kalibrierungslichtsignal erzeugen kann. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann es zudem auch möglich sein, dass die optische Sensorvorrichtung vorzugsweise an einer zum Lichtweg des bearbeitenden Lichtstrahls angrenzenden Position angebracht sein kann, wodurch es insbesondere ermöglicht wird, dass die optische Sensorvorrichtung des Kalibrierungslichts zumindest einen Teil der in der optischen Fertigungsanlage integrierten optischen Elemente zur eigenen Detektion des Kalibrierungslicht nutzen und somit der Lichtweg des Kalibrierungslichts zumindest teilweise koaxial zum Lichtweg des bearbeitenden Lichtstrahls ausgerichtet sein kann. Insofern kann mittels des letzten Ausführungsbeispiels insbesondere ein äußerst effizientes und platzsparendes Integrieren der optischen Sensorvorrichtung in die zu justierende Fertigungsanlage erzeugt werden. In addition, in order to use a particularly efficient calibration method, the positioning of the optical sensor device can preferably be adapted to the respective optical production system to be adjusted. For this purpose, in a first preferred exemplary embodiment, the optical sensor device can, for example, be positioned in a free area of the installation space, that is to say independent of the light path of the radiation source, so that the calibration light emitted by the conversion body preferably impinges directly on the integrated sensor of the optical sensor device and thus can generate a particularly strong calibration light signal. In a further exemplary embodiment, it may also be possible for the optical sensor device to be preferably attached to a position adjacent to the light path of the processing light beam, whereby it In particular, it is made possible for the optical sensor device of the calibration light to use at least part of the optical elements integrated in the optical production system for its own detection of the calibration light and thus the light path of the calibration light can be at least partially aligned coaxially with the light path of the processing light beam. In this respect, the last exemplary embodiment can be used to create an extremely efficient and space-saving integration of the optical sensor device into the production system to be adjusted.
Um zudem gleichermaßen das von der optischen Sensorvorrichtung zu detektierende Kalibrierungslichtsignal noch präziser erfassen zu können, kann die vorliegende Erfindung zudem gleichermaßen das Einbringen zumindest einer optischen Filtervorrichtung, vorzugsweise in den Lichtweg der optischen Sensorvorrichtung, umfassen. Dabei kann die optische Filtervorrichtung vorzugsweise zumindest ein optisches Filterelement, wie etwa einen Langpassfilter, einen Kurpassfilter oder einen Bandpassfilter vorsehen und somit zumindest eingerichtet sein, Licht innerhalb eines vordefinierten Wellenlängenbereichs, vorzugsweise im Wellenlängenbereich des emittierten Kalibrierungslicht, durchzulassen und Licht außerhalb dieses Wellenlängenbereichs zu absorbieren, wodurch etwaige, beispielsweise durch externe Lichtquellen entstehende Störsignale für die optische Sensorvorrichtung effektiv minimiert werden können. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel kann es zudem auch möglich sein, dass besagte Filtervorrichtung bevorzugt erneut in einer bereits innerhalb der jeweiligen Fertigungsanlage bestehenden Fertigungseinrichtung integriert ausgestaltet sein kann, sodass auch in diesem Fall eine möglichst platzsparende und kosteneffiziente Ausführung ermöglicht wird. In bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die genannte Filtervorrichtung entsprechend beispielsweise als mit einem optischen Filterglas benetztes optisches Element der optischen Fertigungsanlage, in weiteren Beispielen jedoch auch beispielsweise als ein in dem Lichtweg des bearbeitenden Lichtstrahls positioniertes und mit einem der oben genannten Filterelemente versehenes Schutzglas des Bauraumes oder als ein bereits in der Fertigungsanlage bestehender Filterrevolver ausgebildet sein. Kurzbeschreibung der Figuren In order to be able to detect the calibration light signal to be detected by the optical sensor device even more precisely, the present invention can also include the introduction of at least one optical filter device, preferably into the light path of the optical sensor device. The optical filter device can preferably provide at least one optical filter element, such as a long-pass filter, a short-pass filter or a band-pass filter, and can therefore at least be set up to transmit light within a predefined wavelength range, preferably in the wavelength range of the emitted calibration light, and to absorb light outside this wavelength range. whereby any interference signals for the optical sensor device caused, for example, by external light sources can be effectively minimized. In a particularly preferred exemplary embodiment, it may also be possible for said filter device to preferably be designed to be integrated in a manufacturing device that already exists within the respective manufacturing plant, so that in this case too, a design that is as space-saving and cost-efficient as possible is made possible. In preferred exemplary embodiments, the filter device mentioned can be, for example, as an optical element of the optical production system wetted with an optical filter glass, but in further examples also, for example, as a protective glass of the installation space positioned in the light path of the processing light beam and provided with one of the above-mentioned filter elements or as a Filter turrets that already exist in the production plant can be designed. Short description of the characters
Figur 1: zeigt eine Ausführungsform einer zur Nutzung des beanspruchten Kalibrierungsverfahren eingerichteten optischen Fertigungsanlage mit einer optischen Sensorvorrichtung integriert in dem Scankopf der Fertigungsanlage; Figure 1: shows an embodiment of an optical manufacturing system set up to use the claimed calibration method with an optical sensor device integrated in the scanning head of the manufacturing system;
Figur 2A: zeigt eine schematische Darstellung des beanspruchten Kalibrierungsverfahrens; Figure 2A: shows a schematic representation of the claimed calibration method;
Figur 2B: zeigt eine beispielhafte Draufsicht eines Anteils einer mit einer aufgetragenen Konversionsstruktur behafteten Konversionsplatte; Figure 2B: shows an exemplary top view of a portion of a conversion plate with an applied conversion structure;
Figur 2C: zeigt einen beispielhaften Verlauf des durch die Sensorvorrichtung der beanspruchten Erfindung detektierten Kalibrierungslichtsignals; Figure 2C: shows an exemplary course of the calibration light signal detected by the sensor device of the claimed invention;
Figur 3: zeigt eine weitere Ausführungsform der in Figur 1 gezeigten optischen Fertigungsanlage mit der optischen Sensorvorrichtung integriert in dem Bauraum der Fertigungsanlage; Figure 3: shows a further embodiment of the optical production system shown in Figure 1 with the optical sensor device integrated in the installation space of the production system;
Figur 4: zeigt ein beispielhaftes von der Fertigungsanlage der Ausführungsformen der Figuren 1 und 3 ausgeführtes Kalibrierungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung. Figure 4: shows an exemplary calibration method according to the present invention carried out by the production system of the embodiments of Figures 1 and 3.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen Detailed description of preferred embodiments
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand beispielhafter Figuren detailliert beschrieben. Die Merkmale der Ausführungsbeispiele sind im Ganzen oder teilweise kombinierbar und die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Exemplary embodiments of the present invention are described in detail below using exemplary figures. The features of the exemplary embodiments can be combined in whole or in part and the present invention is not limited to the exemplary embodiments described.
Figur 1 zeigt eine schematische Ausführungsform einer auf optischen Wechselwirkungen basierenden Fertigungsanlage 1, speziell eine Fertigungsanlage zum selektiven Laserschmelzen der vorliegenden Erfindung, in welcher ein zu verarbeitender Werkstoff schichtweise auf einer verfahrbare Grundplatte 16 aufgebracht und mittels fokussierter Laserbestrahlung lokal so umgeschmolzen wird, dass durch kontinuierliches Aufträgen, Belichten und Verschmelzen weiterer Werkstoffschichten 24 ein dreidimensionales Werkstück 26 generiert werden kann (additive Fertigung). Figure 1 shows a schematic embodiment of a manufacturing system 1 based on optical interactions, specifically a manufacturing system for selective laser melting of the present invention, in which a material to be processed is applied in layers on a movable base plate 16 and locally remelted by means of focused laser irradiation in such a way that by continuous application , exposing and fusing additional material layers 24, a three-dimensional workpiece 26 can be generated (additive manufacturing).
Die Fertigungsanlage 1 sieht zu diesem Zweck zumindest eine (Laser-)Lichtquelle 4 vor, welche über ein an die Fertigungsanlage 1 gekoppeltes Steuerungssystem 6 einen zur Wechselwirkung mit den Werkstoffschichten 24 modifizierten Lichtstrahl LS erzeugt, und dieser Lichtstrahl LS mithilfe von verschiedenen, in einem Scankopf 2 integrierten optischen Elementen Le, wie etwa Fokus- oder Streulinsen LI, L2, L3, Spiegeln 13A, optischen Filtern etc., über einen Lichtweg auf die zu bearbeitende Werkstoffschicht 24 fokussiert wird. Insbesondere werden Galvanometerscanner als Umlenkspiegel verwendet. Der Scankopf 2 selbst liegt in diesem Fall als eigenständiges, starrausgebildetes Gehäuse vor, in welchem letztgenannte optische Elemente Le gleichermaßen manuell und/oder automatisiert ansteuerbar ausgerichtet sind und somit, abhängig von ihrer derzeitigen Orientierung und den ihnen zugesprochenen optischen Eigenschaften (z.B. Fokuslängen oder Filterfrequenzen) einen dreidimensional positionierbaren und zur Bearbeitung der Werkstoffschichten 24 eingerichteten Lichtstrahl erzeugen. Um zudem einen geeigneten Schutz oben beschriebener optischer Elemente Le vor etwaigen Prozessemissionen zu gewährleisten, ist der Scankopf 2 in der vorliegenden Ausführungsform zunächst als abgeschlossenes bzw. abschließbares System ausgebildet, in welchem der den Werkstoff bearbeitende Lichtstrahl lediglich durch ein mit einem Scankopfglas 3 versehenen Austrittsloch aus dem Scankopf 2 herausgeführt werden kann. In weiteren Ausführungsformen kann es jedoch auch möglich sein, die optischen Elemente Le als freistehendes Vorrichtungssystem auszubilden oder letztere zumindest teilweise in anderen Einheiten der Fertigungsanlage 1, wie etwa der Lichtquelle 4, zu integrieren. Auch die Darstellung der Lichtquelle 4 dient in diesem Fall lediglich visuellen Zwecken, sodass letztere gleichermaßen in den Scankopf 2 oder anderen Elementen der Fertigungsanlage 1 integriert ausgebildet sein kann. For this purpose, the manufacturing plant 1 provides at least one (laser) light source 4, which generates a light beam LS modified to interact with the material layers 24 via a control system 6 coupled to the manufacturing plant 1, and this light beam LS with the aid of various devices in a scanning head 2 integrated optical elements L e , such as focus or scatter lenses LI, L2, L3, mirrors 13A, optical filters, etc., are focused via a light path onto the material layer 24 to be processed. In particular, galvanometer scanners are used as deflection mirrors. In this case, the scan head 2 itself is present as an independent, rigid housing, in which the latter optical elements L e are aligned so that they can be controlled manually and/or automatically and thus, depending on their current orientation and the optical properties assigned to them (e.g. focus lengths or filter frequencies ) generate a light beam that can be positioned three-dimensionally and is designed to process the material layers 24. In order to ensure suitable protection of the above-described optical elements L e from possible process emissions, the scan head 2 in the present embodiment is initially designed as a closed or lockable system in which the light beam processing the material only passes through an exit hole provided with a scan head glass 3 can be led out of the scan head 2. In further embodiments, however, it may also be possible to design the optical elements L e as a free-standing device system or to integrate the latter at least partially in other units of the production system 1, such as the light source 4. In this case, the representation of the light source 4 only serves visual purposes, so that the latter can be designed to be integrated into the scan head 2 or other elements of the production system 1.
Bedingt durch die oben genannten Arbeitsabstände der in dem Scankopf 2 implementierten optischen Elemente Le, führt der zur Fertigung des Werkstücks 26 genutzte Lichtweg ferner durch das Scankopfglas 3 in eine von dem Scankopf 2 durch einen Freiraum 5 beabstandete Prozesskammer 12, die in diesem Fall als zu nutzender Bauraum dient und in welcher die verschiedenen zu bearbeitenden Werkstoffschichten 24 auf einer verfahrbaren Grundplatte 16 aufgetragen und zur Herstellung des Werkstücks 26 durch den fertigenden Lichtstrahl an einer Arbeitsebene AE fokussiert werden. Der genaue Fertigungsprozess sieht dabei, wie oben beschrieben, einen iterativen Besch ichtungs- und Belichtungsprozess vor: Zur Herstellung eines beliebigen, dreidimensionalen Werkstücks 26 wird das zu bearbeitende Material zunächst in Pulverform in einer dünnen Schicht 24 auf eine Grundplatte 16 aufgebracht und durch zumindest vertikales Verfahren der Grundplatte 16 mittels ansteuerbarer Hebevorrichtungen 20 (z.B. pneumatische, elektrische oder mechanische Zylinder- oder Scherenhubvorrichtungen) auf eine dem Lichtweg entsprechenden Bearbeitungshöhe positioniert. Um hierbei eine möglichst gleichmäßig und insbesondere dichte Werkstoffschicht 24 zu garantieren, wird zudem der entsprechende pulverförmige Werkstoff 18 in diesem Ausführungsbeispiel vorhergehend mit zumindest einer parallel zur bearbeitenden Werkstoffschicht 24 verfahrbarenden Rolle oder alternativ mit weiteren Vorrichtungen wie etwa integrierten Silikonlippen verdichtet, auf eine vordefinierte Schichthöhe gebracht und überschüssiger Werkstoff von der Grundplatte 16 entfernt, sodass insbesondere gleichbleibende Werkstoffbedingungen innerhalb eines jeden Iterationsprozesses gewährleistet werden können. Due to the above-mentioned working distances of the optical elements L e implemented in the scan head 2, the light path used to produce the workpiece 26 also leads through the scan head glass 3 into a process chamber 12 which is spaced from the scan head 2 by a free space 5, which in this case is called The installation space to be used is used and in which the various material layers 24 to be processed are applied to a movable base plate 16 and are focused on a working plane AE by the producing light beam to produce the workpiece 26. The exact manufacturing process, as described above, provides for an iterative coating and exposure process: To produce any three-dimensional workpiece 26, the material to be processed is first applied in powder form in a thin layer 24 to a base plate 16 and by at least a vertical process the base plate 16 is positioned at a processing height corresponding to the light path by means of controllable lifting devices 20 (eg pneumatic, electrical or mechanical cylinder or scissor lifting devices). In order to guarantee a material layer 24 that is as uniform and in particular dense as possible, the corresponding powdery material 18 in this exemplary embodiment is previously coated with at least one layer parallel to the one being processed Material layer 24 movable roller or alternatively with other devices such as integrated silicone lips, brought to a predefined layer height and excess material removed from the base plate 16, so that in particular consistent material conditions can be guaranteed within each iteration process.
Die bearbeitete pulverförmige Werkstoffschicht 24 wird daraufhin lokal mittels des oben genannten und durch den Lichtweg fokussierten Lichtstrahls umgeschmolzen und bildet nach der Erstarrung eine feste Materialschicht. Anschließend wird die Grundplatte 16 um eine vordefinierte Schichtdicke der Werkstoffschicht 24 abgesenkt und eine erneute Werkstoffschicht 24 auf die Grundplatte 16 aufgetragen, sodass, durch wiederholendes Bearbeiten und Hinzufügen neuer Werkstoffschichten 24 eine zusammengeschmolzene, dreidimensionale Werkstoffform (das Werkstück) 26 gebildet werden kann. The processed powdery material layer 24 is then locally remelted using the above-mentioned light beam focused through the light path and forms a solid material layer after solidification. The base plate 16 is then lowered by a predefined layer thickness of the material layer 24 and a new material layer 24 is applied to the base plate 16, so that a fused, three-dimensional material shape (the workpiece) 26 can be formed by repetitive processing and adding new material layers 24.
Um die für den oben genannten SLM-Fertigungsprozess geeigneten atmosphärischen Bedingungen zu ermöglichen, ist die Prozesskammer 12 der Fertigungsanlage 1 ferner als vollständig verschließbares und mit etwaigen Regulationselementen, wie etwa Druckregulatoren oder zur Ein- oder Ausfuhr von benötigten Bearbeitungschemikalien (z.B. Argon, Neon etc.) eingerichteten Ventilen, ausgestattetes Bearbeitungsgehäuse ausgestaltet, das insbesondere die oben genannte Grundplatte 16, durch Integration in die Prozesskammerstruktur 11 (d.h. zumindest die Prozesskammeraußenwand), vollständig einschließt und somit einen von äußeren Einflüssen abgeschotteten Bauraum bereitstellen kann. Um zudem gleichermaßen den Kontakt des Lichtwegs mit den verschiedenen Werkstoffschichten 24 zu ermöglichen, ist darüber hinaus ein Schutzglas 10 in das Prozesskammergehäuse 11 eingebracht, welches, aufgrund seiner optischen Eigenschaften, zumindest eingerichtet ist, sowohl den von der Lichtquelle 4 ausgehenden bzw. durch den Scankopf 2 gesteuerten Lichtstrahl in die Prozesskammer 12 hineinzulassen als auch die in dem Scankopf 2 oder anderweitig angebrachten Elemente der Fertigungsanalage 1 vor etwaigen während der Fertigung anfallenden Prozessemissionen 28 (Pulverrückstände, Schmauch, Funken etc.) abzuschirmen. In order to enable the atmospheric conditions suitable for the above-mentioned SLM manufacturing process, the process chamber 12 of the manufacturing plant 1 is also designed to be completely closable and equipped with any regulatory elements, such as pressure regulators or for importing or exporting the required processing chemicals (e.g. argon, neon, etc. ) equipped valves, equipped processing housing is designed, which in particular completely encloses the above-mentioned base plate 16, through integration into the process chamber structure 11 (ie at least the process chamber outer wall), and can thus provide an installation space that is sealed off from external influences. In order to equally enable the light path to come into contact with the different material layers 24, a protective glass 10 is also introduced into the process chamber housing 11, which, due to its optical properties, is at least set up to protect both from the light source 4 and through the scanning head 2 to allow the controlled light beam into the process chamber 12 as well as the elements of the production system 1 mounted in the scan head 2 or otherwise before any during the to shield the process emissions 28 (powder residues, smoke, sparks, etc.) that occur during production.
Dabei kann es jedoch, wie bereits beschrieben, in optischen Fertigungssystem wie der in Figur 1A gezeigten SLM-Anlage 1 für gewöhnlich zu dem Problem kommen, dass, aufgrund von äußeren Einflüssen, wie etwa innerhalb der Fertigungsanlage entstehenden thermischen Ausdehnungen, der optische Lichtweg des bearbeitenden Lichtstrahls unbeabsichtigter Weise modifiziert werden kann, sodass der Lichtweg des tatsächlich auftretenden bearbeitenden Lichtstrahls 14‘ und somit die hieraus entstehende auf der Werkstoffschicht 24 resultierende Auftreffposition (Ist-Position IP) von dem Lichtweg bzw. der Auftreffposition (Soll-Position SP) des ursprünglich vorgesehenen Lichtstrahls 14 abweichen und damit Ungenauigkeiten innerhalb des Fertigungsprozesses entstehen lassen kann. Insofern ist es von großer Wichtigkeit für bestehende optische Fertigungsanlagen ein Verfahren bzw. eine Möglichkeit zu besitzen, welche es ermöglicht, die oben genannte Fehlstellung des bearbeitenden Lichtstrahls zu identifizieren und in einem bevorzugten Fall gleichermaßen zu korrigieren. However, as already described, in optical manufacturing systems such as the SLM system 1 shown in FIG Light beam can be unintentionally modified, so that the light path of the actually occurring processing light beam 14 'and thus the resulting impact position (actual position IP) on the material layer 24 differs from the light path or the impact position (target position SP) of the originally intended Light beam 14 can deviate and thus cause inaccuracies within the manufacturing process. In this respect, it is of great importance for existing optical manufacturing systems to have a method or a possibility which makes it possible to identify the above-mentioned misalignment of the processing light beam and, in a preferred case, to correct it at the same time.
Figur 2A zeigt hierzu eine erste schematische Darstellung der Wirkungsweise des beanspruchten Kalibrierungsverfahrens. Dabei wird in der vorliegenden Erfindung ein insbesondere äußerst präziser und non-invasiver Kalibrierungsprozess ermöglicht, indem eine Detektion der potentiellen Fehlstellung des bearbeitenden Lichtstrahls 14‘ lediglich durch einen rein optischen Identifikationsmechanismus generiert werden kann. Genauer sieht die vorliegende Erfindung zu diesem Zweck vor, einen sogenannten mit einem Konversionsmaterial beschichteten Konversionskörper 29 in den Bauraum der Fertigungsanlage 1 zu positionieren, welcher in der Lage ist, durch Belichtung des Konversionsmaterials mittels des für gewöhnlich im Infrarotbereich liegenden (und somit schwer zu identifizierenden) Bearbeitungslichts der Fertigungsanlage 1, das bearbeitende Licht in ein detektierbares, vorzugsweise sichtbares Kalibrierungslicht 32 umzuwandeln und so, durch Detektion des von dem Konversionsmaterial ausgehenden Kalibrierungslichts 32, eine Positionsbestimmung des bearbeitenden Lichtstrahls 14‘ zu ermöglichen. Figure 2A shows a first schematic representation of the operation of the claimed calibration method. In the present invention, a particularly extremely precise and non-invasive calibration process is made possible in that detection of the potential misalignment of the processing light beam 14 'can only be generated by a purely optical identification mechanism. More specifically, for this purpose, the present invention provides for a so-called conversion body 29 coated with a conversion material to be positioned in the installation space of the production plant 1, which is capable of being exposed to light by means of the conversion material, which is usually in the infrared range (and therefore difficult to identify). ) Processing light of the manufacturing plant 1, the processing light into a detectable, preferably visible calibration light 32 and so, by detecting the emanating from the conversion material Calibration light 32 to enable a position determination of the processing light beam 14 '.
Figur 2A zeigt hierzu das Grundprinzip des so zu generierenden Identifizierungs- und Kalibrierungsprozesses in einem schematischen Minimalsystem. So wird in der vorliegenden Erfindung, zur genauen Bestimmung der tatsächlichen Position des bearbeitenden Lichtstrahls 14‘, der genutzte Konversionskörper 29, in diesem Fall als eine geradlinig ausgerichtete, tellerförmige Platte ausgestaltet, mit sogenannten Konversionsstrukturen versehen, welche lediglich an vordefinierten Positionen, hier dargestellt als ein Linienmuster aus senkrechten und waagerechten Linienstrukturen 34 & 34‘, auf das Substrat 33 des Konversionskörpers 29 aufgetragen werden und zur Erzielung des zuvor beschriebenen Umwandlungsprozesses, die oben genannten Konversionsmaterialien beinhalten. Verfährt nun ein bearbeitender Lichtstrahl 14‘, vorzugsweise fokussiert auf diesem Konversionskörper 29 entlang und belichtet dabei eine der vordefinierten Positionen der aufgetragenen Konversionsstrukturen, so kann an dieser Stelle das zuvor genannte Kalibrierungslicht 32 generiert werden, sodass ein optisches, noninvasives und insbesondere räumlich-abhängiges Detektionssignal geschaffen werden kann, wann immer der bearbeitende Lichtstrahl 14‘ über eine vordefinierte Position des Konversionskörpers 29 verfährt. Entsprechend ist es möglich, durch gezieltes Verfahren des bearbeitenden Lichtstrahls 14‘ auf dem Konversionskörper 29 und zeitlich abgestimmten Detektieren des bei einem Auftreffen des Lichtstrahls 14‘ auf einer vorbestimmten Konversionsmuster generierten Kalibrierungslichts 32 durch eine Sensorvorrichtung S (hier dargestellt als eine Sensorvorrichtung S und ein das Kalibrierungslicht 32 sammelndes Linsensystem Ls), ein durch das Erfassen des Kalibrierungslichts 32 definiertes Signalmuster zu erzeugen, welches charakteristisch für den jeweilig tatsächlichen Verfahrweg des bearbeitenden Lichtstrahls ist und somit zur Rekonstruktion dieses Verfahrwegs (und damit zur Identifikation etwaiger Ist-Positionen IP) genutzt werden kann. Figure 2A shows the basic principle of the identification and calibration process to be generated in a schematic minimal system. In the present invention, in order to precisely determine the actual position of the processing light beam 14 ', the conversion body 29 used, in this case designed as a rectilinearly aligned, plate-shaped plate, is provided with so-called conversion structures, which are only at predefined positions, shown here as a line pattern of vertical and horizontal line structures 34 & 34 ', are applied to the substrate 33 of the conversion body 29 and to achieve the previously described conversion process, contain the above-mentioned conversion materials. If a processing light beam 14 ', preferably focused on this conversion body 29, now moves along and illuminates one of the predefined positions of the applied conversion structures, the aforementioned calibration light 32 can be generated at this point, so that an optical, non-invasive and in particular spatially-dependent detection signal can be created whenever the processing light beam 14 'travels over a predefined position of the conversion body 29. Accordingly, it is possible by targeted movement of the processing light beam 14 'on the conversion body 29 and time-coordinated detection of the calibration light 32 generated when the light beam 14' hits a predetermined conversion pattern by a sensor device S (shown here as a sensor device S and a that Calibration light 32 collecting lens system L s ), to generate a signal pattern defined by detecting the calibration light 32, which is characteristic of the respective actual travel path of the processing light beam and is therefore used to reconstruct this travel path (and thus to identify any actual positions IP). can.
Die Figuren 2B und 2C zeigen zu diesem Zweck einen beispielhaften Detektionsund Analyseschritt der zuvor genannten Sensorvorrichtung S zur Identifizierung etwaiger für das Kalibrierungsverfahren zu nutzender Ist-Positionen IP des bearbeitenden Lichtstrahls 14‘. Figur 2B zeigt hierzu eine beispielhafte schematische Draufsicht eines Konversionskörpers, welcher mit einer als vertikale und horizontale Linienmuster 34 & 34‘ ausgebildeten Konversionsstruktur versehen ist und entlang welcher der bearbeitender Lichtstrahl 14‘ entlang eines tatsächlich erfolgenden Verfahrweges TV verfahren wird. Darüber hinaus wird mit KT der ursprünglich angedachte und durch eine Kalibrierungstrajektorie KT vorgegebene Verfahrweg des bearbeitenden Lichtstrahls 14‘ beschrieben. For this purpose, Figures 2B and 2C show an exemplary detection and analysis step of the aforementioned sensor device S for identification any actual positions IP of the processing light beam 14 'to be used for the calibration process. 2B shows an exemplary schematic top view of a conversion body, which is provided with a conversion structure designed as a vertical and horizontal line pattern 34 & 34 'and along which the processing light beam 14' is moved along an actual travel path TV. In addition, KT describes the travel path of the processing light beam 14 'that was originally intended and predetermined by a calibration trajectory KT.
Dabei dient insbesondere die hier gezeigte Form der Konversionsstruktur lediglich visuellen Zwecken und kann in anderen Ausführungsbeispielen auch in anderer Ausgestaltung, etwa mit unterschiedlichen Geometrien (z.B. räumlich definierte Kreis- oder Quaderformen), Größen oder Orientierungen vorliegen. Figur 2C zeigt indes einen beispielhaften, schematischen und zeitabhängigen Verlauf eines entsprechend an der Sensorvorrichtung S entstehenden Detektionssignals, auch Kalibrierungslichtsignal KS genannt, welches während des Verfahrens des bearbeitenden Lichtstrahls 14‘ entlang des Verfahrweges TV der Figur 2B an der Sensorvorrichtung S generiert wird. In particular, the shape of the conversion structure shown here only serves visual purposes and can also be present in other embodiments in a different configuration, for example with different geometries (e.g. spatially defined circular or cuboid shapes), sizes or orientations. 2C shows an exemplary, schematic and time-dependent course of a detection signal correspondingly generated at the sensor device S, also called a calibration light signal KS, which is generated at the sensor device S during the movement of the processing light beam 14 'along the travel path TV of FIG. 2B.
Wie zu sehen, ist dabei der Verfahrweg TV derart ausgebildet, dass der bearbeitende Lichtstrahl 14‘ über eine Mehrzahl von mit Konversionsstrukturen behafteten Arealen, etwa an den Positionen M2, M4 und M5 dargestellt, und freien Arealen (siehe beispielsweise die Positionen Ml und M3) des Konversionskörpers 29 verfährt, sodass sich der zeitliche Signalverlauf der Sensorvorrichtung S als ein mit einer Mehrzahl von Signalpeaks behaftetes Signalmuster ausbildet. Genauer wird dabei zu jedem Zeitpunkt, an welcher der bearbeitende Lichtstrahl 14‘ über eine Linienstruktur 34 & 34‘ der Konversionsstruktur verfährt, aufgrund der oben genannten Umwandlung des bearbeitenden Lichts, ein Kalibrierungslicht 32 erzeugt, welches durch die Sensorvorrichtung S aufgenommen und so als charakteristisches erhöhtes Kalibrierungslichtsignal KS in den Signalverlauf eingefügt wird (siehe beispielsweise die mit Konversionsstrukturen behafteten Positionen M2, M4 und M5, welche als Signalpeaks in dem zeitlichen Verlauf der Sensorvorrichtung S wiederzufinden sind). As can be seen, the travel path TV is designed such that the processing light beam 14 'over a plurality of areas affected by conversion structures, for example shown at positions M2, M4 and M5, and free areas (see, for example, positions M1 and M3). of the conversion body 29 moves, so that the temporal signal curve of the sensor device S forms as a signal pattern with a plurality of signal peaks. More precisely, at each point in time at which the processing light beam 14 'travels over a line structure 34 &34' of the conversion structure, due to the above-mentioned conversion of the processing light, a calibration light 32 is generated, which is recorded by the sensor device S and thus as a characteristic increased Calibration light signal KS is inserted into the signal curve (see, for example, those with conversion structures Positions M2, M4 and M5, which can be found as signal peaks in the time course of the sensor device S).
Dem oben genannten Umstand entsprechend, kann in der vorliegenden Erfindung nun eine äußerst effiziente Identifizierung bestehender Ist-Positionen des bearbeitenden Lichtstrahls 14‘ ermöglicht werden, indem durch Auswertung des in Figur 2C dargestellten charakteristischen Signalmusters mittels eines speziell hierzu vorgesehenen geometrischen Analysemechanismus“, der eigentliche von dem bearbeitenden Lichtstrahl 14‘ genutzte Verfahrweg TV rekonstruiert werden kann. Genauer kann der geometrische Analysemechanismus zu diesem Zweck vorsehen, die einzelnen Werte des zeitabhängigen Signalverlaufs, jedoch auch weiterer Informationen (z.B. verschiedene zwischen den einzelnen Signalpeaks bestehende Abstände, Breiten des entnommenen Signalmuster oder aber etwa die Orientierung der ursprünglichen Kalibrierungstrajektorie KT) zu untersuchen und durch Vergleich dieser Informationen mit den vordefinierten Positionen der einzelnen Konversionsstrukturen (beispielsweise mittels geometrischen Regressionsverfahren), eine genaue Nachbildung des durch den bearbeitenden Lichtstrahl 14‘ tatsächlich genutzten Verfahrweges TV zu erstellen. According to the above-mentioned circumstance, an extremely efficient identification of existing actual positions of the processing light beam 14 'can now be made possible in the present invention by evaluating the characteristic signal pattern shown in FIG The travel path TV used by the processing light beam 14 'can be reconstructed. More precisely, the geometric analysis mechanism can provide for this purpose to examine the individual values of the time-dependent signal curve, but also other information (e.g. different distances between the individual signal peaks, widths of the signal pattern taken or, for example, the orientation of the original calibration trajectory KT) and by comparison This information with the predefined positions of the individual conversion structures (for example using geometric regression methods) to create an exact replica of the travel path TV actually used by the processing light beam 14 '.
Insofern ist es möglich, durch das oben genannte Verfahren den tatsächlich bestehenden Verfahrweg TV des bearbeitenden Lichtstrahls 14‘ allein durch optische Wechselwirkungs- und Detektionsmechanismen zu identifizieren, sodass dieser in einem darauffolgenden Schritt mit der ursprünglich vorgesehenen Kalibrierungstrajektorie KT verglichen und somit zur finalen Justierung der optischen Fertigungsanlage 1 weiterverwendet werden kann. In this respect, it is possible to use the above-mentioned method to identify the actually existing travel path TV of the processing light beam 14 ' solely through optical interaction and detection mechanisms, so that in a subsequent step this can be compared with the originally intended calibration trajectory KT and thus for the final adjustment of the optical Manufacturing plant 1 can continue to be used.
Figur 1 zeigt zu diesem Zweck ferner eine erste Ausgestaltung des oben genannten Verfahrens, wie es in der optischen Fertigungsanlage 1 und somit insbesondere in einer SLM-Anlage praktiziert werden kann. For this purpose, Figure 1 also shows a first embodiment of the above-mentioned method, as it can be practiced in the optical manufacturing system 1 and thus in particular in an SLM system.
Dabei ist der dargestellte Konversionskörper 29 erneut als plattenförmiges und mit der bereits in Figur 2B gezeigten Konversions-Linienstrukturen 34 versehenes Gebilde dargestellt, welches im vorliegenden Fall innerhalb der Prozesskammer 12 auf die verfahrbare Grundplatte 16 platziert wurde und, mittels Verfahrens der ansteuerbaren Hebevorrichtung 20 in zumindest vertikaler Richtung, an einer auf der Arbeits- bzw. Fokusebene AE der Fertigungsanlage 1 befindlichen Kalibrierungsposition KP vorliegt. In weiteren Ausführungsbeispielen kann es jedoch auch möglich sein, dass mittels des Verfahrens der Grundplatte 16, die Scanfeld platte 29 unterhalb oder oberhalb der Fokusebene der optischen Fertigungsanlage 1 stationiert sein kann, sodass eine Kalibrierung auch bei nicht fokussiertem Licht realisiert werden kann. Gleichermaßen kann auch die generelle Form des Konversionskörpers 29 von der dargestellten Geometrie abweichen, sodass der Konversionskörper 29 nicht notwendigerweise als Platte, sondern in anderen Ausführungsformen auch als etwaige, mit den Konversionsstrukturen versehene dreidimensionale Form ausgebildet sein kann. Des Weiteren ist es auch möglich, dass selbst eines der dargestellten Elemente der Fertigungsanlage 1, wie etwa die Grundplatte 16, mit den Konversionsstrukturen versehen und somit als funktioneller Konversionskörper 29 genutzt werden können. The conversion body 29 shown is again plate-shaped and provided with the conversion line structures 34 already shown in FIG. 2B Structure shown, which in the present case was placed within the process chamber 12 on the movable base plate 16 and, by means of the controllable lifting device 20 in at least the vertical direction, is present at a calibration position KP located on the working or focal plane AE of the production system 1. In further exemplary embodiments, however, it may also be possible for the scanning field plate 29 to be stationed below or above the focal plane of the optical manufacturing system 1 by means of the method of the base plate 16, so that calibration can also be implemented when the light is not focused. Likewise, the general shape of the conversion body 29 can also deviate from the geometry shown, so that the conversion body 29 can not necessarily be designed as a plate, but in other embodiments also as any three-dimensional shape provided with the conversion structures. Furthermore, it is also possible that even one of the illustrated elements of the production system 1, such as the base plate 16, can be provided with the conversion structures and thus used as a functional conversion body 29.
Erfolgt nun ein Verfahren des bearbeitenden Lichtstrahls 14‘ auf dem optischen Konversionskörper 29, was in dem gezeigten Fall vorzugsweise, analog zu dem zuvor genannten Bearbeitungsverfahren, durch selektive Ansteuerung der optischen Elemente Le erfolgt, so wird mittels Umwandlung des bearbeitenden Lichts an der Konversionsstruktur, das Kalibrierungslicht 32 erzeugt, welches für das bereits oben genannte Kalibrierungsverfahren in dem dargestellten Fall durch die SensorvorrichtungS erfasst wird. Die SensorvorrichtungS selbst ist dabei in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel innerhalb des Scankopfes 2, insbesondere hinter einer auch für den Fertigungsprozess genutzten und vorzugsweise auf das Kalibrierungslicht 32 abgestimmten, Wellenlängen-spezifischen Spiegelvorrichtung 13A, etwa einem Interferenzspiegel oder einem Wellenlängen-abhängigen Prisma, positioniert, welche insbesondere eingerichtet ist, Licht mit einer dem Kalibrierungslicht 32 entsprechenden Wellenlänge durchzulassen, jedoch Licht abseits dieser Wellenlänge zu reflektieren. Insofern kann durch die oben beschriebene Konstruktion eine äußerst effektive und platzsparende Integration der Sensorvorrichtung S bereitgestellt werden, welche nicht nur, aufgrund des zum bearbeitenden Lichtstrahls 14‘ zum Teil koaxial genutzten Lichtwegs, bereits bestehende optische Elemente (z.B. L3) der Fertigungsanlage 1 für die Erfassung des Kalibrierungslichts 32 mitbenutzen kann, sondern gleichermaßen mittels der Filterfähigkeit der Spiegelvorrichtung 13A, etwaige potentiell an der Sensorvorrichtung S ankommenden Störsignale effektiv verhindert. Um zudem die oben genannte Signalpräzision noch weiter verbessern zu können, können im vorliegenden Fall auch weitere innerhalb des Lichtwegs der Fertigungsanlage 1 befindliche Elemente, wie etwa das Schutzglas 10 oder das Austrittsglas 3, mit einer Filterfunktion versehen sein (z.B. durch Anbringung einer wellenlängenspezifischen Filterbeschichtung), sodass insbesondere ein über eine Mehrzahl von Filterprozessen generierter Detektionsmechanismus generiert werden kann. If the processing light beam 14 'is now moved on the optical conversion body 29, which in the case shown is preferably carried out, analogously to the previously mentioned processing method, by selective control of the optical elements L e , then by converting the processing light on the conversion structure, the calibration light 32 is generated, which is detected by the sensor device S in the case shown for the calibration method already mentioned above. In the present exemplary embodiment, the sensor device S itself is positioned within the scanning head 2, in particular behind a wavelength-specific mirror device 13A, which is also used for the manufacturing process and is preferably coordinated with the calibration light 32, such as an interference mirror or a wavelength-dependent prism, which in particular is set up to transmit light with a wavelength corresponding to the calibration light 32, but to reflect light outside of this wavelength. In this respect, the construction described above enables extremely effective and space-saving integration the sensor device S can be provided, which can not only use existing optical elements (e.g. L3) of the production system 1 for the detection of the calibration light 32 due to the light path used partly coaxially with the processing light beam 14 ', but also by means of the filtering capability of the mirror device 13A, any interference signals potentially arriving at the sensor device S are effectively prevented. In order to be able to further improve the above-mentioned signal precision, in the present case other elements located within the light path of the production system 1, such as the protective glass 10 or the exit glass 3, can also be provided with a filter function (e.g. by applying a wavelength-specific filter coating) , so that in particular a detection mechanism generated via a plurality of filter processes can be generated.
Die Figur 3 zeigt zudem eine weitere Ausführungsform der bereits in Figur 1 gezeigten Fertigungsanlage, wobei, im Unterschied zu dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, die Sensorvorrichtung S und vorzugsweise etwaige zur Erfassung des Kalibrierungslichts 32 erforderlichen optischen Einrichtungen LS in die Prozesskammer 12 bzw. den Bauraum der dargestellten Fertigungseinrichtung 1 eingebracht wurden. Entsprechend kann durch die in Figur 3 dargestellte Positionierung der Sensorvorrichtung S insbesondere eine von weiteren optischen Elementen unabhängige und somit insbesondere direkte Erfassung des Kalibrierungslichts 32 ermöglicht werden. 3 also shows a further embodiment of the production system already shown in FIG. 1, wherein, in contrast to the exemplary embodiment shown in FIG Installation space of the manufacturing device 1 shown were introduced. Accordingly, the positioning of the sensor device S shown in FIG. 3 makes it possible in particular to detect the calibration light 32 independently of other optical elements and thus in particular directly.
Figur 4 zeigt zudem einen als Flussdiagramm dargestellten beispielhaften Ablauf eines Ausführungsbeispiels des beanspruchten Kalibrierungsverfahrens, so wie es in einem der Fertigungsanlagen 1 der Figuren 1 oder 3 durchgeführt werden kann. Figure 4 also shows an exemplary sequence of an exemplary embodiment of the claimed calibration method, shown as a flow chart, as it can be carried out in one of the production plants 1 of Figures 1 or 3.
Hierbei kann das beanspruchte Verfahren insbesondere mit einer der eigentlichen Identifizierung von Fehlstellungen des bearbeitenden Lichtstrahls 14‘ und der Justierung der Fertigungsanlage 1 vorhergehenden Initiationsphase eingeleitet werden, in welcher das zu justierende System zunächst für die darauffolgende Kalibrierung eingerichtet werden kann. Insofern kann, in einem ersten Schritt Sl, der entsprechend für die Kalibrierung zu nutzende Konversionskörper 29 zunächst in den Bauraum, im dargestellten Fall auf die verfahrbare Grundplatte 16 der Fertigungsanlage 1, positioniert werden, sodass eine Belichtung ersteren durch den bearbeitenden Lichtstrahl 14‘ und somit die Initiierung des Kalibrierungsverfahrens ermöglicht wird. Here, the claimed method can be initiated in particular with an initiation phase preceding the actual identification of misalignments of the processing light beam 14 ' and the adjustment of the production system 1, in which the system to be adjusted can first be set up for the subsequent calibration. In this respect, in a first step Sl, the conversion body 29 to be used for the calibration can first be positioned in the installation space, in the case shown on the movable base plate 16 of the production system 1, so that the former is exposed by the processing light beam 14 'and thus the initiation of the calibration process is made possible.
Darauffolgend ist es möglich, in einem zweiten Schritt S2, die Höhe des in der Grundplatte 16 positionierten Konversionskörpers 29 zu adjustieren, wodurch der Konversionskörper 29 in einem bevorzugten Fall in die Fokusebene/Arbeitsebene AE des bearbeitenden Lichtstrahls 14‘ verfahren, in anderen Fällen jedoch auch unterhalb oder oberhalb dieser Ebene ausgerichtet werden kann. It is then possible, in a second step S2, to adjust the height of the conversion body 29 positioned in the base plate 16, whereby the conversion body 29 in a preferred case moves into the focal plane/working plane AE of the processing light beam 14 ', but also in other cases can be aligned below or above this level.
Ferner sind in einem weiteren Schritt die in der Fertigungsanlage genutzten Einstellungen an das Kalibrierungsverfahren anzupassen. Entsprechend kann das Verfahren in einem dritten Schritt S3 zumindest vorsehen, den in der Fertigungsanlage genutzten Laser, als Strahlungsquelle 4, in einen einstellbaren Pulsbetrieb zu überführen und somit die Leistung des bearbeitenden Lichtstrahls zum Schutz der Konversionsplatte effektiv zu drosseln. Furthermore, in a further step, the settings used in the production system must be adapted to the calibration process. Accordingly, in a third step S3, the method can at least provide for the laser used in the production system, as radiation source 4, to be converted into an adjustable pulse operation and thus to effectively throttle the power of the processing light beam to protect the conversion plate.
Sind darauf alle benötigten Einstellungen innerhalb der Initiationsphase vollzogen worden, so kann das beanspruchte Kalibrierungsverfahren daraufhin in die sogenannte Kalibrierungsphase übergehen, in welcher, vorzugsweise automatisiert und als in situ-Prozess koordiniert, eine Fehlstellung des bearbeitenden Lichtstrahls 14‘ identifiziert und hierauf basierend die entsprechende optische Fertigungsanlage 1 neu justiert wird. Eine Automatisierung des Kalibrierungsprozesses kann dabei insbesondere durch Verwendung einer zentral innerhalb der Fertigungsanlage 1 eingerichteten Steuerungsvorrichtung realisiert werden, welche vorzugsweise über Signalverbindungen zu den einzelnen in der optischen Fertigungsanlage 1 befindlichen Fertigungseinrichtungen (z.B. die optischen Elemente Le oder LS, die verfahrbare Hebevorrichtung 20 oder die Strahlungsquelle 4) den Status des auszuführenden Kalibrierungsprozesses überprüfen und mittels selektiver Ansteuerung oben genannter Fertigungseinrichtungen anleiten kann. Beispielsweise kann die Steuerungsvorrichtung zu diesem Zweck kontinuierliche Informationen (z.B. in Form von Statussignalen) von den derzeitig während des Kalibrierungsverfahrens genutzten Fertigungseinrichtungen erhalten und als Erwiderung hierauf, mittels Erstellen und Senden von Steuerungssignalen (z.B. NC- basierten Signalen) an die jeweilig zu nutzenden Fertigungseinrichtungen, darauffolgende Verfahrensschritte einleiten. Die Verfahrensschritte selbst (z.B. die Definierung des zu Verfahrenden Kalibrierungstrajektorie KT, Einstellung der Strahlungsquelle 4 etc.) können dabei vorzugsweise als vordefinierte Prozessanweisungen in einem ebenfalls in der Fertigungsanlage integrierten Speicher vorliegen bzw. gespeichert sein und durch Verbindung des Speichers mit der Steuerungsvorrichtung, an letzteren weitergegeben werden. If all the necessary settings have been made within the initiation phase, the claimed calibration method can then move on to the so-called calibration phase, in which, preferably automated and coordinated as an in situ process, a misalignment of the processing light beam 14 'is identified and, based on this, the corresponding optical Manufacturing plant 1 is readjusted. An automation of the calibration process can be realized in particular by using a control device set up centrally within the manufacturing system 1, which preferably has signal connections to the individual manufacturing devices located in the optical manufacturing system 1 (e.g. the optical elements L e or LS, the movable lifting device 20 or the Radiation source 4) check the status of the calibration process to be carried out and use selective Can guide the control of the above-mentioned production facilities. For example, for this purpose the control device can receive continuous information (e.g. in the form of status signals) from the manufacturing facilities currently used during the calibration process and, in response, by creating and sending control signals (e.g. NC-based signals) to the respective manufacturing facilities to be used. initiate subsequent procedural steps. The process steps themselves (e.g. defining the calibration trajectory KT to be processed, setting the radiation source 4, etc.) can preferably be present or stored as predefined process instructions in a memory, which is also integrated in the production system, and by connecting the memory to the control device, to the latter be passed on.
In einem ersten Schritt der Kalibrierungsphase S4, wird daraufhin der bearbeitende Lichtstrahl 14‘, in diesem Fall als gepulster Laserstrahl ausgebildet, entlang einer vordefinierten Kalibrierungstrajektorie KT verfahren, wodurch bei dem Auftreffen des bearbeitenden Lichtstrahls 14‘ auf einer auf dem Konversionskörper 29 aufgetragenen Konversionsstruktur, das Licht der Strahlungsquelle 4 in ein detektierbares, vorzugsweise sichtbares Kalibrierungslicht umgewandelt wird. In a first step of the calibration phase S4, the processing light beam 14 ', in this case designed as a pulsed laser beam, is then moved along a predefined calibration trajectory KT, whereby when the processing light beam 14 'impacts on a conversion structure applied to the conversion body 29, the Light from the radiation source 4 is converted into a detectable, preferably visible calibration light.
Dieses umgewandelte Kalibrierungslicht kann folgend, in einem zweiten Schritt der Kalibrierungsphase S5, durch die in der Fertigungsanlage 1 integrierte Sensorvorrichtung erfasst und nach dem in Figur 2A bis 2C beschriebenen Verfahren dazu genutzt werden, um den tatsächlich von dem bearbeitenden Lichtstrahl 14‘ genutzten Verfahrweg zu identifizieren. Speziell wird hierzu, in einem dritten Schritt der Kalibrierungsphase S6, der tatsächliche Weg des bearbeitenden Lichtstrahls 14‘ durch Auswerten des in der optischen Sensorvorrichtung S erfassten charakteristischen Signalmusters rekonstruiert. This converted calibration light can subsequently, in a second step of the calibration phase S5, be detected by the sensor device integrated in the production system 1 and used according to the method described in FIGS. 2A to 2C to identify the travel path actually used by the processing light beam 14 ' . Specifically, in a third step of the calibration phase S6, the actual path of the processing light beam 14 'is reconstructed by evaluating the characteristic signal pattern detected in the optical sensor device S.
Auf diesem Prozess folgend lassen sich daraufhin, in einem vierten Schritt der Kalibrierungsphase S7, ein oder mehrere Ist-Positionen IP bestimmen, in dem eine vordefinierte Anzahl an Positionspunkten aus dem rekonstruierten Verfahrweg entnommen werden. Following this process, in a fourth step of the calibration phase S7, one or more actual positions IP can be determined in which one predefined number of position points can be taken from the reconstructed travel path.
Um zudem hierauf basierend eine potentielle Fehlstellung des bearbeitenden Lichtstrahls zu identifizieren, kann das Kalibrierungsverfahren, in einem fünften Schritt des Kalibrierungsverfahrens S8, sodann vorsehen, die zuvor ermittelten Ist- Positionen IP des bearbeitenden Lichtstrahls 14‘ mit ursprünglich vorgesehenen Soll-Positionen SP zu vergleichen, wodurch explizite, räumliche Unterschiede zwischen den beiden Positionen generiert werden können. Die hierbei zu vergleichenden Soll-Positionen SP sind dabei vorzugsweise aus der Kalibrierungstrajektorie KT zu entnehmen und jeweils mit den für einen jeweils gleichen Zeitpunkt entsprechenden Ist-Positionen IP zu vergleichen. In order to identify a potential misalignment of the processing light beam based on this, the calibration process can then provide, in a fifth step of the calibration process S8, to compare the previously determined actual positions IP of the processing light beam 14 'with originally intended target positions SP, whereby explicit, spatial differences can be generated between the two positions. The target positions SP to be compared are preferably taken from the calibration trajectory KT and compared with the actual positions IP corresponding to the same point in time.
In sechsten Schritt des Kalibrierungsverfahrens S9 kann darüber hinaus der ermittelte Unterschied zwischen der erfassten Ist-Position IP und der Soll-Position SP dazu genutzt werden, um die Fehlstellung des bearbeitenden Lichtstrahls 14‘ mittels Rekalibrierung der optischen Fertigungsanlage 1 zu korrigieren. Hierzu werden die ermittelten Unterschiede vorzugsweise als Differenzdaten in eine in der Fertigungsanlage 1 integrierte Justierungsvorrichtung eingespeist, welche mittels beinhaltenen Justierungsmechanismus, etwa der Verwendung von vordefinierten, auf verschiedenen Differenzdaten basierenden Entscheidungsprozessen oder der Verwendung einer künstlichen Intelligenz/eines auf maschinellen Lernen basierendes Programms, die zum Verfahren des bearbeitenden Lichtstrahls 14‘ genutzten Steuerungsparameter der Fertigungsanlage 1, zum Beispiel durch veränderte Ansteuerung der optischen Elemente Le, anpasst und somit den Unterschied zwischen Ist- und Soll-Position IP und SP verringert. In the sixth step of the calibration method S9, the determined difference between the detected actual position IP and the target position SP can also be used to correct the misalignment of the processing light beam 14 'by recalibrating the optical manufacturing system 1. For this purpose, the determined differences are preferably fed as difference data into an adjustment device integrated in the production system 1, which is carried out using the included adjustment mechanism, such as the use of predefined decision-making processes based on different difference data or the use of an artificial intelligence/a program based on machine learning, which is used for Method of the processing light beam 14 'used control parameters of the manufacturing plant 1, for example by changing the control of the optical elements L e , and thus reduces the difference between the actual and target position IP and SP.
In einem letzten Schritt des Kalibrierungsverfahrens S10 ist zudem ein finales Beurteilungsverfahren anzuwenden, in welcher die Genauigkeit des momentanen bearbeitenden Lichtstrahls 14‘ in Hinblick auf die zuvor durchgeführte Kalibrierung evaluiert wird. Zu diesem Zweck kann dieser Schritt beispielsweise vorsehen, den Unterschied zwischen den ermittelten Ist- und Soll-Positionen IP und SP zu untersuchen und, abhängig von dem Ergebnis (beispielsweise einem Unterschied größer als ein vordefinierter Grenzwert), eine neue Iteration der zuvor beschriebenen Kalibrierungsphase zu erzwingen. Insofern kann durch diesen letzten Schritt ein kontinuierliches Annähern an die gewünschte Genauigkeit des Fertigungsanlage 1 ermöglicht und somit, potentiell, die zu findende Fehlstellung des bearbeitenden Lichtstrahls 14‘ vollständig korrigiert werden. In a final step of the calibration method S10, a final assessment method must also be used, in which the accuracy of the current processing light beam 14 'is evaluated with regard to the previously carried out calibration. For this purpose, this step can, for example, provide for the difference between the determined actual and target positions IP and SP investigate and, depending on the result (e.g. a difference greater than a predefined limit), force a new iteration of the previously described calibration phase. In this respect, this last step enables a continuous approach to the desired accuracy of the production system 1 and thus, potentially, the misalignment of the processing light beam 14 'to be found can be completely corrected.

Claims

Patentansprüche Patent claims
1. Verfahren zur Kalibrierung einer auf optischer Wechselwirkung basierenden Fertigungsanlage (1), insbesondere einer SLM-Anlage, umfassend zumindest eine optische Strahlungsquelle (4) zur Erzeugung eines für die Herstellung eines Werkstücks (26) eingerichteten Lichtstrahls (14‘), insbesondere eines Laserstrahls, und zumindest ein justierbares optisches Element (Le), welches dazu eingerichtet ist, den von der Strahlungsquelle (4) generierten Lichtstrahl (14‘) zur Herstellung des Werkstücks (26) selektiv auf eine Position im Bereich einer Arbeitsebene (AE) der Fertigungsanlage (1) zu fokussieren und einen die Arbeitsebene (AE) umfassenden Bauraum, in welchem zur Herstellung des Werkstücks (26) von dem Lichtstrahl (14‘) zu belichtende Werkstückmaterialien (24) eingebracht werden können, das Verfahren umfassend die Schritte: 1. Method for calibrating a manufacturing system (1) based on optical interaction, in particular an SLM system, comprising at least one optical radiation source (4) for generating a light beam (14 '), in particular a laser beam, designed for the production of a workpiece (26). , and at least one adjustable optical element (L e ), which is designed to selectively direct the light beam (14') generated by the radiation source (4) to a position in the area of a working plane (AE) of the production system for producing the workpiece (26). (1) and a construction space comprising the working plane (AE) in which workpiece materials (24) to be exposed by the light beam (14 ') can be introduced to produce the workpiece (26), the method comprising the steps:
(54) Verfahren des Lichtstrahls (14‘) der Strahlungsquelle (4) auf einem Konversionskörper (29), wobei der Konversionskörper (29) eingerichtet ist, bei Bestrahlung durch den Lichtstrahl (14) der Strahlungsquelle (4) an vordefinierten Stellen des Konversionskörpers (29), das Licht der Strahlungsquelle (4) in ein detektierbares, insbesondere sichtbares Kalibrierungslicht (32) umzuwandeln und das detektierbare Kalibrierungslicht (32) zu emittieren; (54) moving the light beam (14') of the radiation source (4) on a conversion body (29), the conversion body (29) being set up to be irradiated by the light beam (14) of the radiation source (4) at predefined locations of the conversion body ( 29), converting the light from the radiation source (4) into a detectable, in particular visible, calibration light (32) and emitting the detectable calibration light (32);
(55) Erfassen des durch den Konversionskörper (29) emittierten detektierbaren Kalibrierungslichts (32) durch eine in die Fertigungsanlage (1) integrierte Sensorvorrichtung (S); (55) detecting the detectable calibration light (32) emitted by the conversion body (29) by a sensor device (S) integrated into the production system (1);
Ermitteln zumindest einer Ist-Position (IP) des von der Strahlungsquelle (4) ausgehenden Lichtstrahls (14‘) basierend auf dem durch die Sensorvorrichtung (S) erfassten Kalibrierungslicht (32); Determining at least one actual position (IP) of the light beam (14') emanating from the radiation source (4) based on the calibration light (32) detected by the sensor device (S);
(S8) Vergleichen zumindest einef ermittelten Ist-Position (IP) mit zumindest einer innerhalb der Fertigungsanlage (1) vordefinierten Soll-Position (SP) des Lichtstrahls (14‘); (S9) Kalibrieren der optischen Fertigungsanlage (1) basierend auf zumindest der ermittelten Ist-Position (IP) und/oder der Soll-Position (SP) des Lichtstrahls (14‘) der Strahlungsquelle (4). (S8) comparing at least one determined actual position (IP) with at least one target position (SP) of the light beam (14') predefined within the production system (1); (S9) Calibrating the optical manufacturing system (1) based on at least the determined actual position (IP) and/or the target position (SP) of the light beam (14') of the radiation source (4).
2. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Konversionskörper (29) zur Umwandlung des Lichtstrahls (14‘) der Strahlungsquelle (4) in detektierbares Kalibrierungslicht (32) zumindest eine mit einem Konversionsmaterial ausgestattete Konversionsstruktur umfasst, wobei die Konversionsstruktur auf einem Substrat (33) des Konversionskörpers (29) mit einem vordefinierten Muster aufgetragen ist und das Konversionsmaterial eingerichtet ist, das Licht der Strahlungsquelle (4) in das detektierbare, insbesondere sichtbare Kalibrierungslicht (32) umzuwandeln und zu emittieren. 2. The method according to claim 1, wherein the conversion body (29) for converting the light beam (14 ') of the radiation source (4) into detectable calibration light (32) comprises at least one conversion structure equipped with a conversion material, the conversion structure being on a substrate (33 ) of the conversion body (29) is applied with a predefined pattern and the conversion material is set up to convert and emit the light from the radiation source (4) into the detectable, in particular visible, calibration light (32).
3. Das Verfahren gemäß Anspruch 2, mit den Schritten: 3. The method according to claim 2, with the steps:
Verfahren des Lichtstrahls (14‘) der Strahlungsquelle (4) zumindest teilweise an der Konversionsstruktur des Konversionskörpers (29); undMoving the light beam (14') of the radiation source (4) at least partially on the conversion structure of the conversion body (29); and
Erfassen des durch die Konversionsstruktur emittierten Kalibrierungslichts (32), im Falle, dass der Lichtstrahl (14‘) der Strahlungsquelle (4) auf zumindest einen Teil der Konversionsstruktur (34; 34‘) trifft. Detecting the calibration light (32) emitted by the conversion structure in the event that the light beam (14') of the radiation source (4) impinges on at least part of the conversion structure (34; 34').
4. Das Verfahren gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Strahlungsquelle (4) eine Laserstrahlungsquelle ist und das Verfahren ferner umfasst: 4. The method according to at least one of the preceding claims, wherein the optical radiation source (4) is a laser radiation source and the method further comprises:
- (S3) Aktivieren eines justierbaren Pulsbetriebs der optischen Strahlungsquelle (4) zur Anpassung der Stärke des durch die optischen Strahlungsquelle (4) generierten Lichtstrahls (14‘). - (S3) Activating an adjustable pulse operation of the optical radiation source (4) to adjust the strength of the light beam (14') generated by the optical radiation source (4).
5. Das Verfahren gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche ferner umfassend: - (S10) Wiederholen des Verfahrens, bis ein Unterschied zwischen der zumindest einen ermittelten Ist-Position (IP) und der Soll-Position (SP) des optischen Lichtstrahls (14‘) einen vordefinierten Grenzwert unterschreitet. 5. The method according to at least one of the preceding claims further comprising: - (S10) Repeating the method until a difference between the at least one determined actual position (IP) and the target position (SP) of the optical light beam (14 ') falls below a predefined limit value.
6. Das Verfahren gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche ferner umfassend: 6. The method according to at least one of the preceding claims further comprising:
- An passen des von der optischen Sensorvorrichtung (S) erfassten Kalibrierungslichts (32) durch eine in die Fertigungsanlage (1) integrierte optische Filtervorrichtung, wobei die optische Filtervorrichtung eingerichtet ist, Licht innerhalb eines vordefinierten Wellenlängenbereichs hindurchzulassen und Licht außerhalb des vordefinierten Wellenbereichs zu absorbieren. - Adjusting the calibration light (32) detected by the optical sensor device (S) by an optical filter device integrated into the production system (1), the optical filter device being set up to transmit light within a predefined wavelength range and to absorb light outside the predefined wavelength range.
7. Das Verfahren gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Konversionskörper (29) lösbar und/oder beweglich in dem Bauraum (12) der Fertigungsanlage (1) angebracht ist und wobei das Verfahren ferner umfasst: 7. The method according to at least one of the preceding claims, wherein the conversion body (29) is detachably and/or movably attached in the installation space (12) of the production system (1) and wherein the method further comprises:
Verfahren des Konversionskörpers (29) entlang zumindest einer Achse von einer ersten Verfahrposition zur Unterbringung des Konversionskörpers (29) innerhalb des Bauraums (12) zu zumindest einer zweiten Verfahrposition zur Einbringung des Konversionskörpers (29) in den Strahlengang der Strahlungsquelle (4) und zurück, wobei die zweite Verfahrposition bevorzugt eine zur Kalibrierung der Fertigungsanlage (1) genutzte Kalibrierungsposition (KP) des Konversionskörpers (29) ist. Moving the conversion body (29) along at least one axis from a first travel position for accommodating the conversion body (29) within the installation space (12) to at least a second travel position for introducing the conversion body (29) into the beam path of the radiation source (4) and back, wherein the second travel position is preferably a calibration position (KP) of the conversion body (29) used to calibrate the production system (1).
8. Das Verfahren gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren des Lichtstrahls (14‘) auf dem Konversionskörper (29) gemäß einer vordefinierten Kalibrierungstrajektorie (KT) erfolgt; wobei jede Position innerhalb der Kalibrierungstrajektorie (KT) zumindest durch eine zeitliche und eine räumliche oder durch eine zeitliche und eine geschwindigkeitsangebende Komponente definiert wird; und wobei die zu vergleichende Soll-Position (SP) aus den Koordinaten der Kalibrierungstrajektorie (KT) entnommen wird. 8. The method according to at least one of the preceding claims, wherein the movement of the light beam (14 ') on the conversion body (29) takes place according to a predefined calibration trajectory (KT); where each position within the calibration trajectory (KT) is defined at least by a temporal and a spatial or by a temporal and a velocity component; and wherein the target position (SP) to be compared is taken from the coordinates of the calibration trajectory (KT).
9. Das Verfahren gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erfassen des Kalibrierungslichts (32) durch die Sensorvorrichtung (S) kontinuierlich während des Verfahrens des Lichtstrahls (14‘) erfolgt, derart, dass ein zeitlicher Verlauf eines erfassten Kalibrierungslichtsignals (KS) erzeugt wird; wobei zur Ermittlung der Ist-Position (IP) des von der Strahlungsquelle (4) emittierten Lichtstrahls (14‘) zumindest ein Signalmaximum aus dem zeitlichen Verlauf des erfassten Kalibrierungslichtsignals (KS) identifiziert wird. 9. The method according to at least one of the preceding claims, wherein the detection of the calibration light (32) by the sensor device (S) takes place continuously during the movement of the light beam (14 '), such that a time course of a detected calibration light signal (KS) is generated becomes; wherein in order to determine the actual position (IP) of the light beam (14') emitted by the radiation source (4), at least one signal maximum is identified from the time profile of the detected calibration light signal (KS).
10. Das Verfahren gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Lichtweg des Kalibrierungslichtsignals (KS) zumindest teilweise koaxial zum Lichtstrahl (14‘) der Strahlungsquelle (4) angeordnet ist oder das Kalibrierungslichtsignal (KS) unabhängig von dem Lichtweg der Strahlungsquelle (4) innerhalb des Bauraums (12) erfasst wird. 10. The method according to at least one of the preceding claims, wherein the light path of the calibration light signal (KS) is at least partially arranged coaxially to the light beam (14 ') of the radiation source (4) or the calibration light signal (KS) is independent of the light path of the radiation source (4) is detected within the installation space (12).
11. Das Verfahren gemäß zumindest Anspruch 2, wobei die auf dem Konversionskörper (29) aufgetragene Konversionsstruktur eine Mehrzahl von mit dem Konversionsmaterial ausgefüllten und als Linienstruktur ausgebildete Geometrien umfasst; und wobei bevorzugt die Linienstrukturen der Geometrien unterschiedlich breit ausgestaltet sind. 11. The method according to at least claim 2, wherein the conversion structure applied to the conversion body (29) comprises a plurality of geometries filled with the conversion material and designed as a line structure; and the line structures of the geometries are preferably designed to have different widths.
12. Das Verfahren gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Konversionskörper (29) während des Verfahrens des Lichtstrahls (14‘) zumindest vertikal bewegbar ausgestaltet ist, sodass die Kalibrierungsposition (KP) des Konversionskörpers (29) über und/oder unter die der Arbeitsebene (AE) der Fertigungsanlage (1) bewegt werden kann. 12. The method according to at least one of the preceding claims, wherein the conversion body (29) is designed to be at least vertically movable during the movement of the light beam (14 '), so that the calibration position (KP) of the conversion body (29) is above and / or below that of Working level (AE) of the manufacturing plant (1) can be moved.
13. Das Verfahren gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kalibrieren des optischen Fertigungsanlage (1) durch ein auf maschinellem Lernen basierenden Kalibrierungsprogramm durchgeführt wird; wobei das Kalibrierungsprogramm eingerichtet ist, die Unterschiede zwischen der Ist-Position (IP) und der Soll-Position (SP) der von der Strahlungsquelle (4) ausgehenden Lichtstrahlung (14‘) zu erhalten und die optische Fertigungsanlage (1), basierend auf ein vorhergehendes Anlernen des Kalibrierungsprogramms, zu kalibrieren. 13. The method according to at least one of the preceding claims, wherein the calibration of the optical manufacturing system (1) is carried out by a calibration program based on machine learning; wherein the calibration program is set up to obtain the differences between the actual position (IP) and the target position (SP) of the light radiation (14 ') emanating from the radiation source (4) and the optical manufacturing system (1), based on a prior training of the calibration program to calibrate.
14. Vorrichtung zur Kalibrierung einer auf optischen Wechselwirkungen basierenden Fertigungsanlage (1), insbesondere einer SLM-Anlage, umfassend die auf optischen Wechselwirkungen basierende Fertigungsanlage mit 14. Device for calibrating a manufacturing system (1) based on optical interactions, in particular an SLM system, comprising the manufacturing system based on optical interactions
- zumindest einer optischen Strahlungsquelle (4) zur Generierung einer für die Herstellung eines Werkstücks (26) eingerichteten Lichtstrahls (14‘), - at least one optical radiation source (4) for generating a light beam (14') set up for the production of a workpiece (26),
- zumindest ein justierbares optisches Element (Le) welches dazu eingerichtet ist, den von der Strahlungsquelle (4) generierten Lichtstrahl (14‘) zur Herstellung des Werkstücks (26) selektiv auf eine Position innerhalb einer Arbeitsebene (AE) der Fertigungsanlage (1) zu fokussieren, - at least one adjustable optical element (L e ) which is designed to selectively direct the light beam (14') generated by the radiation source (4) to a position within a working plane (AE) of the production system (1) for producing the workpiece (26). to focus,
- einen die Arbeitsebene (AE) umfassenden Bauraum (12), in welchem zur Herstellung des Werkstücks (26) von dem Lichtstrahl (14‘) zu belichtende Werkstückmaterialien (24) eingebracht werden können, und - einen Konversionskörper (29) an einer Kalibrierungsposition (KP) innerhalb des Bauraums (12) der Fertigungsanlage (1), wobei der Konversionskörper (29) eingerichtet ist, bei Bestrahlung durch den Lichtstrahl (14‘) der Strahlungsquelle (4) an vordefinierten Stellen des Konversionskörpers (29), das Licht der Strahlungsquelle (4) in ein detektierbares, insbesondere sichtbares Kalibrierungslicht (32) umzuwandeln und das detektierbare Kalibrierungslicht (32) zu emittieren; wobei die Vorrichtung zur Kalibrierung der auf optischen Wechselwirkung basierenden Fertigungsanlage (1) eingerichtet ist zumindest das Verfahren gemäß Anspruch 1 durchzuführen. - a construction space (12) comprising the working plane (AE), in which workpiece materials (24) to be exposed by the light beam (14 ') can be introduced to produce the workpiece (26), and - a conversion body (29) at a calibration position (KP) within the installation space (12) of the production system (1), the conversion body (29) being set up to be irradiated by the light beam (14') of the radiation source (4) at predefined locations the conversion body (29), converting the light from the radiation source (4) into a detectable, in particular visible, calibration light (32) and emitting the detectable calibration light (32); wherein the device for calibrating the manufacturing system (1) based on optical interaction is set up to carry out at least the method according to claim 1.
15. Computerimplementiertes Verfahren, das, wenn angewandt an eine die Vorrichtung gemäß Anspruch 14 ansteuerbare Recheneinheit, die Vorrichtung gemäß Anspruch 14 veranlasst zumindest die Verfahrensschritte gemäß Anspruch 1 auszuführen. 15. Computer-implemented method which, when applied to a computing unit that can be controlled by the device according to claim 14, causes the device according to claim 14 to carry out at least the method steps according to claim 1.
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