WO2025201868A1 - Verfahren zum kalibrieren einer fertigungsvorrichtung zum additiven fertigen eines dreidimensionalen objekts sowie eine fertigungsvorrichtung - Google Patents

Verfahren zum kalibrieren einer fertigungsvorrichtung zum additiven fertigen eines dreidimensionalen objekts sowie eine fertigungsvorrichtung

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WO2025201868A1
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WO
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reference body
markings
processing plane
manufacturing device
manufacturing
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PCT/EP2025/056592
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Valentin BLICKLE
Jörg Waller
Dieter Pfitzner
Marc GRONLE
Julia Peters
Bastian LAMPERT
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Trumpf Laser und Systemtechnik SE
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    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • a first energy beam it is possible for a first energy beam to produce a first component in a work area of the manufacturing device, while at the same time a second energy beam works on the same component and/or produces a second component in the work area.
  • the present invention is based on the object of providing a method for calibrating a manufacturing device for the additive manufacture of a three-dimensional object by layer-by-layer application and selective solidification of a powder material within a construction field in a processing plane and a manufacturing device for the additive manufacture of a three-dimensional object by layer-by-layer application and selective solidification of a powder material within a construction field in a processing plane, wherein the aforementioned disadvantages do not occur or are at least reduced.
  • the present disclosure is directed, at least in part, to improving on or overcoming one or more aspects of prior systems.
  • the present disclosure is directed, at least in part, to improving on or completely overcoming one or more aspects of prior systems. Summary of Revelation
  • the object is achieved in particular by a method for calibrating a manufacturing device for the additive manufacture of a three-dimensional object by layer-by-layer application and selective solidification of a powder material within a construction field in a processing plane
  • the manufacturing device comprises: at least one beam deflection unit or scanning unit, which is configured to direct a beam generated by a respective beam generation unit onto different target points in the processing plane, which lie within a scanning area assigned to the respective beam deflection unit, and a reference body, such as a reference plate, which is arranged in the construction field in the processing plane, wherein the reference body has a plurality of markings arranged at predetermined positions of the reference body
  • the method comprises the following steps: displacing the beam of the manufacturing device in the scanning area over areas on the reference body which contain one or more markings or over the markings on the reference body, location-dependent detection of signal values of light of the beam remitted along an optical axis of the beam, wherein a signal value is assigned to each location of the displacement of the beam in
  • the detection of remitted light makes it possible to observe the work area with a comparatively low optical output power of the working beam, since it eliminates the need to rely on process light and/or thermal emissions, which occur in power ranges of the optical working beam that could cause changes to materials arranged in the work area, be it a preform or powder material.
  • the detection of the work area can be carried out without causing damage and/or influencing a subsequent build process for the production of a generative component. Because the remitted light is captured along the optical axis of the optical working beam, the location-dependent capture of the signal values takes place directly in the coordinate system of the scanner device, completely eliminating the otherwise required registration between a measuring device and the scanner device.
  • the signal value of the remitted light is detected by a photodiode arranged on the optical axis of the optical working beam.
  • a silicon photodiode is preferably used as the photodiode.
  • the photodiode can be sensitive in the visible and/or infrared spectral range. The sensitivity of the photodiode is preferably matched to the wavelength range of the optical working beam.
  • An infrared photodiode or a pyrometer diode can preferably be used.
  • the signal value is preferably recorded with spatial resolution by assigning an output signal of the photodiode to a momentary state, in particular an internal state, of the scanner device in a time-dependent manner.
  • the recording of the signal values, in this case the output signal of the photodiode, and the displacement of the optical working beam by corresponding control of the scanner device thus takes place in particular synchronously, so that each signal value can be assigned a state of the scanner device and thus simultaneously a location in the working area.
  • the state of the scanner device is in particular a position of at least one movable mirror of the scanner device, in particular a galvanometric mirror, which in turn is assigned to a location in the working area at which the optical working beam is directed.
  • the resolution of the detection of the working area is set, preferably changed.
  • the resolution is preferably selected as needed.
  • the resolution is particularly preferably set by shifting the optical working beam with an appropriate step size.
  • a detection section of the working area is preferably set, preferably changed.
  • the detection section is preferably selected as needed. It is also possible to define several separate detection sections. This can also be achieved by shifting the optical working beam only within a specific detection section or by evaluating the output signal of the detection device only within the specified detection section.
  • the detection section is preferably selected such that the markings to be detected can be scanned within these sections.
  • the resolution and/or the detection range can be selected dynamically, preferably via software configuration.
  • this makes it possible, for example, to perform a powder bed analysis with higher spatial resolution than detecting the position of a preform, in particular to be able to detect defects in the powder bed, especially in a newly applied powder shift, more accurately.
  • the beam for detecting the machining plane is operated with an optical output power that is reduced compared to a lower power limit for the optical output power of the beam for additive manufacturing.
  • the optical working beam for detecting the work area is operated with an optical output power that is lower than a lower power limit for the optical output power of the optical working beam for generative manufacturing.
  • the lower power limit is selected in particular such that a material change, in particular sintering or melting, in particular of the powder material of the generative manufacturing device, only occurs from this lower power limit or above this lower power limit, so that generative manufacturing with the optical working beam is possible.
  • the optical output power of the optical working beam is therefore preferably selected to be higher for generative manufacturing than the lower power limit.
  • the lower power limit is 100 W.
  • the optical working beam is preferably operated with an optical output power of at least 1 W to at most 99.9 W, in particular of at least 2 W to at most 50 W.
  • the optical working beam is preferably operated with an optical output power of at least 100 W, preferably more than 100 W, preferably of at least 100 W to 500 W. Higher power ranges are not excluded, in particular up to a range of 1.5 kW.
  • the aperture has a conical bore, wherein the cross section of the conical bore of the aperture decreases in the direction of the underlying cone.
  • the cavity opens into another bore with a constant diameter.
  • the markings are directly integrated into the reference body or detachably connected to the reference body.
  • the reference body serves as a common reference for other sensor components, such as a camera or height reference for the coater/powder height.
  • control device is preferably configured to assemble, calculate or otherwise form the image of the working area from the location-dependent detected signal values.
  • control device is preferably configured to evaluate the image of the work area to detect geometric structures, in particular to perform edge detection.
  • the beam generation unit comprises a laser or is designed as a laser.
  • the detection device comprises a photodiode or is designed as a photodiode, or wherein the detection device is designed as a planar sensor, such as a camera, preferably with low resolution, 4-quadrant diode, point sensors.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of a manufacturing device for the additive manufacturing of a three-dimensional object
  • Fig. 2 is a schematic representation of an embodiment of a manufacturing device for additively manufacturing a three-dimensional object with a reference body
  • Fig. 4 is a schematic representation of an embodiment of a marking
  • Fig. 5 shows a reference body with markings in a side view according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 1 schematically shows a manufacturing device 1 with a build space 3 or a build chamber and a control unit 5.
  • the control unit 5 has a data storage medium for storing control programs.
  • the manufacturing device 1 further comprises three beam deflection units 9a, 9b, 9c, each deflecting a beam 11a, 11b, 11c along an optical axis A by means of a beam generation unit 10a, 10b, 10c.
  • each beam deflection unit 9a, 9b, 9c for a beam or laser beam can comprise a scanner mirror (not shown) that can be rotated in two directions or two scanner mirrors that can be rotated in one direction.
  • the beam deflection unit 9a, 9b, 9c can comprise a galvanometer scanner.
  • the beam deflection unit 9a, 9b, 9c for an electron beam may comprise several pairs of electrodes between which an electric field may be applied to deflect the electron beam.
  • the manufacturing device 1 further comprises a substrate plate 13, which is arranged below the beam deflection units 9a, 9b, 9c and onto which a building material 15, such as a Powder or a powder bed is applied layer by layer.
  • a building material 15 such as a Powder or a powder bed is applied layer by layer.
  • the substrate plate 13 is adjusted by a desired distance in the Z direction, i.e. in the direction of increasing distance from the beam deflection units 9a, 9b, 9c, and then a new layer of build material is applied using an application device 17, such as a coater or a powder pusher. Scrapers, blades or rollers, for example, can also be used as application devices 17.
  • the beam deflection units 9a, 9b, 9c are suitable for deflecting their respective beam 11a, 11b, 11c over the entire build space 3.
  • the entire build space surface represents a common processing plane 18 in which the beams 11a, 11b, 11c can solidify the build material 15.
  • the substrate plate 13 can be moved again in the Z direction in its build cylinder 14 and a new build material layer is applied via the application device 17 in order to produce a three-dimensional object 19 layer by layer.
  • the build space 3 or the build chamber is gas-tight and includes an inflow channel 21 and an exhaust channel 23.
  • the build space 3 can be filled with an inert gas such as nitrogen or argon via the inflow channel 21 to prevent oxidation of the build material 15.
  • an inert gas such as nitrogen or argon
  • a uniform protective gas flow can also be created over the build material 15 to remove condensate, powder particles, and other particles that are ejected into the atmosphere during solidification with laser beams, thus reducing potential interference with the laser beam.
  • the exhaust channel 23 can also be used to evacuate the build space 3 so that electron beams can be used as beams 11a, 11b, 11c. For this purpose, the build space 3 must be made vacuum-tight.
  • the control unit 5 can also have a data interface, via which, for example, control programs can be imported. When executing a control program via a control interface, the control unit 5 can perform all steps on the device necessary for layer-by-layer additive manufacturing, such as activating or deactivating beams 11a, 11b, 11c, deflecting them with the beam deflection units 9a, 9b, 9c, adjusting the substrate plate 13 along the Z-axis, or initiating a build material application.
  • Figure 2 shows a schematic representation of an embodiment of a manufacturing device 1 for the additive manufacturing of a three-dimensional object 19 with a reference body 30 or, in this embodiment, a reference plate 30.
  • the reference plate 30 is arranged in the processing plane 18 and fastened to the substrate plate 13.
  • the reference plate 30 can thus be moved up or down in the Z direction together with the substrate plate 13.
  • the reference plate 30 has a plurality of markings 31 arranged at predetermined positions on the reference plate 30.
  • the positioning of the markings 31 on the reference plate 30 was measured in advance using a suitable method, so that the reference plate 30, with its precisely arranged markings 31, can serve as a reference for calibration.
  • the markings 31 are arranged at a uniform distance from one another and distributed across the entire reference plate 30.
  • the remitted light 20 is reflected back again.
  • Figure 4 shows a schematic sectional view of an embodiment of a marking 31.
  • the markings 31 on the reference plate 30 consist of a diaphragm 31a with a bore 31b and an underlying cavity 31c, preferably a cone, wherein an absorbing surface 31d is preferably applied to the rear side of the cavity 31c, which reduces possible back reflections.
  • the diaphragm 31a has a bore 31b that is not centered on the diaphragm 31a.
  • the bore 31b of the diaphragm 31a is a conical bore 31b, wherein the cross-section of the conical bore 31b of the diaphragm 31a decreases in the direction of the underlying cone.
  • the cross-section of the cavity 31c increases in the direction of the diaphragm 31a.
  • the cavity opens into a further bore 31e of constant diameter.
  • Figure 5 shows a reference plate 30 with markings 31 in a sectional side view according to another embodiment of the present invention.
  • the substrate plate 13 can be moved up and down in the Z direction within the build cylinder 14 of the production device 1.
  • the reference plate 30 is attached, which in this embodiment is mounted on supports 32 so that the reference plate 30 does not rest directly on the substrate plate 13.
  • the reference plate 30 has markings 31, which in this embodiment are designed as holes 31b.
  • the cavity 31c serves in particular to absorb light.
  • an absorbing surface 31d in the form of a black absorber plate is attached to the substrate plate 13.

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Abstract

Verfahren zum Kalibrieren einer Fertigungsvorrichtung (1) zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts (19) durch schichtweises Auftragen und selektives Verfestigen eines Pulvermaterials (15) innerhalb eines Baufeldes in einer Bearbeitungsebene (18), wobei die Fertigungsvorrichtung (1) umfasst: zumindest eine Strahlablenkeinheit (9a, 9b, 9c), welche dazu eingerichtet ist, einen von einer jeweiligen Strahlerzeugungseinheit (10a, 10b, 10c) erzeugten Strahl (11a, 11b, 11c) auf unterschiedliche Zielpunkte in der Bearbeitungsebene (18) zu richten, die innerhalb eines der jeweiligen Strahlablenkeinheit (9a, 9b, 9c) zugeordneten Scanbereichs liegen, und einen Referenzkörper (30), welcher im Baufeld in der Bearbeitungsebene (18) angeordnet ist, wobei der Referenzkörper (30) mehrere Markierungen (31) aufweist, welche auf vorbestimmten Positionen des Referenzkörpers (30) angeordnet sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Verlagern des Strahls (11a, 11b, 11c) der Fertigungsvorrichtung (1) in dem Scanbereich über Bereiche auf dem Referenzkörper (30), welche eine oder mehrere Markierungen (31) enthalten, ortsabhängiges Erfassen von Signalwerten von entlang einer optischen Achse (A) des Strahls (11a, 11b, 11c) remittiertem Licht (20) des Strahls (11a, 11b, 11c), wobei jedem Ort der Verlagerung des Strahls (11a, 11b, 11c) in dem Scanbereich (7) ein Signalwert zugeordnet wird, Erhalten einer örtlich aufgelösten Information über die Positionen der Markierungen (31) auf dem Referenzkörper (30), Vergleichen der erhaltenen örtlich aufgelösten Information mit den vorbestimmen Positionen der Markierungen (31) auf dem Referenzkörper (30), um einen Ausrichtungsfehler zwischen dem Strahl (11a, 11b, 11c) und den vorbestimmten Positionen der Markierungen (31) auf dem Referenzkörper (30) zu berechnen, und Korrigieren des Ausrichtungsfehlers durch Anpassen der ortsabhängigen Positionierung des Strahls (11a, 11b, 11c).

Description

Verfahren zum Kalibrieren einer Fertigungsvorrichtung zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts sowie eine Fertigungsvorrichtung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer Fertigungsvorrichtung zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufträgen und selektives Verfestigen eines Pulvermaterials innerhalb eines Baufeldes in einer Bearbeitungsebene und eine Fertigungsvorrichtung zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufträgen und selektives Verfestigen eines Pulvermaterials innerhalb eines Baufeldes in einer Bearbeitungsebene.
Hintergrund der Offenbarung
Bei der additiven Fertigung, z.B. beim selektiven Lasersintern oder selektiven Laserschmelzen, wird ein pulverförmiges Material, z.B. ein Metall- oder Keramikpulver, mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt. Nacheinander werden dünne Pulver schichten in einer Kammer auf einer Bauplattform aufgebracht, um dreidimensionale Objekte zu formen, indem die jeweiligen Pulverschichten mit einem Bestrahlungsstrahl, beispielsweise einem Laserstrahl, bestrahlt werden. Entsprechende Vorrichtungen werden als additive Fertigungsvorrichtungen, 3D-Drucksysteme, selektive Lasersintermaschinen oder selektive Laserschmelzmaschinen und dergleichen bezeichnet. Zur Funktionsweise einer solchen Vorrichtung wird zum Beispiel auf EP 2 732 890 A2 verwiesen.
In den letzten Jahren hat die additive Fertigung von Bauteilen auch im industriellen Umfeld an Bedeutung gewonnen. Die additive Fertigung in einem Pulverbett (Powder Bed Fusion, PBF), bei der schrittweise dünne Pulverschichten, bspw. aus Metall-, Keramik- oder Thermoplastpulver, aufgetragen und mit einem oder mehreren Strahlen lokal verfestigt werden, um sukzessive das Bauteil aufzubauen, ist besonders geeignet zur Fertigung komplexer und filigraner Bauteile. Maschinen, die geeignet sind zur Durchführung eines PBF-Verfahrens, werden im Folgenden mit PBF-Maschinen bezeichnet. Als Strahlerzeugungseinheiten werden dabei üblicherweise Laser und Elektronenstrahlsysteme verwendet. Bei Verwendung einer Laserquelle spricht man auch von Powder Bed Fusion - Laser Based (PBF-LB). Der Strahl kann das Pulver zum Verfestigen sintern oder schmelzen und dabei mit zuvor bereits verfestigten Bauteilschichten stoffschlüssig verbinden. Je nach Strahlerzeugungseinheit spricht man beim Sintern vom Selektiven Lasersintem (Selective Laser Sintering) oder Elektronenstrahlsintem, beim Schmelzen vom Selektiven Laserschmelzen (Selective Laser Melting) oder Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Melting). Bei der pulverbettbasierten additiven Fertigung von Metallpulver mit einem Laserstrahl ist bspw. auch die Bezeichnung des Laser Metal Fusion bekannt.
Da das Bauteil schichtweise hergestellt wird, ist ein solcher additiver Herstellungsprozess relativ zeitaufwendig. Um die Herstellungszeit zu reduzieren, werden statt eines einzigen Energiestrahls mehrere Energiestrahlen, beispielsweise 2, 3, 4, 8, 12 oder 16 Energiestrahlen, verwendet. Eine dabei verwendete Fertigungsvorrichtung weist üblicherweise mindestens eine Ablenkungseinheit bzw. Scannervorrichtung auf, die eingerichtet ist, um die Energiestrahlen zu verlagern.
Durch die Verwendung mehrerer Energiestrahlen ist es möglich, dass ein erster Energiestrahl ein erstes Bauteil in einem Arbeitsbereich der Fertigungsvorrichtung herstellt, wobei zeitgleich ein zweiter Energiestrahl am gleichen Bauteil arbeitet und/oder ein zweites Bauteil in dem Arbeitsbereich herstellt.
Bei einer solchen Fertigungsvorrichtung besteht grundsätzlich das Erfordernis, einen Arbeitsbereich, in welchem ein Bauteil aus einem Pulvermaterial generativ aufgebaut wird, zu überwachen. Dies betrifft insbesondere die Überwachung neu aufgetragener Pulver schichten, insbesondere auf eventuell mangelbeschichtete Bereiche oder Abrisskanten, die Analyse aufgeschmolzener Bereiche einer Pul verschiebt, die Erfassung des entstehenden Bauteils, sowie weitere Anforderungen. Zunehmend ergibt sich außerdem, dass bestimmte Bauteile insbesondere wegen der sich insoweit ergebenden Kosten- und Geschwindigkeitsvorteile nicht im Ganzen generativ gefertigt werden, wobei vielmehr bestimmte Abschnitte eines Bauteils, bei denen sich die Vorteile dieses Verfahrens besonders verwirklichen, generativ auf eine klassisch hergestellte Grundform, einen sogenannten Vorformling, aufgebaut werden. Dies ermöglicht es, den Vorformling, beispielsweise einen Einspannschaft eines Werkzeugs, bei dem die generative Fertigung keine Vorteile brächte, schnell und insbesondere kostengünstig auf herkömmliche Weise zu fertigen, wobei anschließend auf dem Vorformling nur diejenige Bauteilgeometrie generativ aufgebaut wird, die in herkömmlicher Weise nicht oder nur mit deutlich höherem Aufwand zu fertigen wäre. Essentiell für eine gute Bauteilqualität solcher Mischbauteile, die auch als hybride Bauteile bezeichnet werden, ist eine genaue Kenntnis der Position des Vorformlings in dem Arbeitsbereich, sodass der generativ gefertigte Bauteilbereich mit hoher Genauigkeit, ohne Versatz, auf dem Vorformling aufgebaut werden kann. Insbesondere ist es nötig, die Lage des Vorformlings bis auf wenige 10 pm genau zu erfassen. Grundsätzlich können hierzu separate Messgeräte oder eigens zu diesem Zweck in die generative Fertigungsvorrichtung integrierte Messgeräte verwendet werden, wobei jedoch zwei Einflussgrößen auftreten, welche die Lagebestimmung beeinflussen: Zum einen die Genauigkeit des eingesetzten Messgeräts selbst, und zum anderen die Registriergenauigkeit zwischen dem Messgerät und einer Scannereinrichtung zum Verlagern eines optischen Arbeitsstrahls für die generative Fertigung. Unter dem Begriff „Registriergenauigkeit“ wird dabei insbesondere die Genauigkeit einer Transformation von dem Koordinatensystem des Messgeräts in das Koordinatensystem der Scannereinrichtung verstanden. Insbesondere diese Registriergenauigkeit wird unmittelbar durch Instabilitäten und/oder Drifts in dem Messgerät sowie auch der Scannereinrichtung beeinflusst. Solche Fehlerbeiträge führen - insbesondere miteinander kumuliert - direkt zu einer Verminderung der Qualität und/oder Genauigkeit des entstehenden Bauteils, insbesondere zu einem Versatz zwischen dem Vorformling und dem darauf aufgebauten, generativ gefertigten Bauteilabschnitt. Dieses Problem tritt unabhängig von der Wahl des Messgeräts für die Lagebestimmung auf, seien es Triangulationssensoren, fotogrammetrische Sensoren, Streifenlichtprojektionssensoren, optische Kameras, Fotodioden, oder Zeilensensoren, welche den Arbeitsbereich unabhängig von der Scannereinrichtung erfassen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Kalibrieren einer Fertigungsvorrichtung zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufträgen und selektives Verfestigen eines Pulvermaterials innerhalb eines Baufeldes in einer Bearbeitungsebene und eine Fertigungsvorrichtung zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufträgen und selektives Verfestigen eines Pulvermaterials innerhalb eines Baufeldes in einer Bearbeitungsebene, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten oder zumindest vermindert werden.
Im Allgemeinen ist die vorliegende Offenbarung zumindest teilweise darauf gerichtet, einen oder mehrere Aspekte der bisherigen Systeme zu verbessern oder zu überwinden. Somit ist die vorliegende Offenbarung zumindest teilweise darauf gerichtet, einen oder mehrere Aspekte früherer Systeme zu verbessern oder vollständig zu überwinden. Zusammenfassung der Offenbarung
Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten bevorzugten Ausführungsformen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst durch ein Verfahren zum Kalibrieren einer Fertigungsvorrichtung zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufträgen und selektives Verfestigen eines Pulvermaterials innerhalb eines Baufeldes in einer Bearbeitungsebene, wobei die Fertigungsvorrichtung umfasst: zumindest eine Strahlablenkeinheit bzw. Scaneinheit, welche dazu eingerichtet ist, einen von einer jeweiligen Strahlerzeugungseinheit erzeugten Strahl auf unterschiedliche Zielpunkte in der Bearbeitungsebene zu richten, die innerhalb eines der jeweiligen Strahlablenkeinheit zugeordneten Scanbereichs liegen, und einen Referenzkörper, wie eine Referenzplatte, welcher im Baufeld in der Bearbeitungsebene angeordnet ist, wobei der Referenzkörper mehrere Markierungen aufweist, welche auf vorbestimmten Positionen des Referenzkörpers angeordnet sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Verlagern des Strahls der Fertigungsvorrichtung in dem Scanbereich über Bereiche auf dem Referenzkörper, welche eine oder mehrere Markierungen enthalten bzw. über die Markierungen auf dem Referenzkörper, ortsabhängiges Erfassen von Signalwerten von entlang einer optischen Achse des Strahls remittiertem Licht des Strahls, wobei jedem Ort der Verlagerung des Strahls in dem Scanbereich ein Signalwert zugeordnet wird, Erhalten einer örtlich aufgelösten Information über die Positionen der Markierungen auf dem Referenzkörper, Vergleichen der erhaltenen örtlich aufgelösten Information mit den vorbestimmen Positionen der Markierungen auf dem Referenzkörper, um einen Ausrichtungsfehler zwischen dem Strahl und den vorbestimmten Positionen der Markierungen auf dem Referenzkörper zu berechnen, und Korrigieren des Ausrichtungsfehlers durch Anpassen der ortsabhängigen Positionierung des Strahls.
Die Erfassung remittierten Lichts ermöglicht es, den Arbeitsbereich mit vergleichsweise kleiner optischer Ausgangsleistung des Arbeitsstrahls zu beobachten, da nicht auf ein Prozessleuchten und/oder thermische Emissionen zurückgegriffen werden muss, die in Leistungsbereichen des optischen Arb ei ts Strahls auftreten, in denen eine Veränderung von in dem Arbeitsbereich angeordneten Materialien, sei es ein Vorformling oder Pulvermaterial, führen könnten. Somit kann die Erfassung des Arbeitsbereichs insbesondere beschädigungsfrei und/oder ohne Einfluss auf einen nachfolgenden Aufbauprozess zur Herstellung eines generativen Bauteils erfolgen. Dadurch, dass das remittierte Licht entlang der optischen Achse des optischen Arbeitsstrahls erfasst wird, erfolgt die ortsabhängige Erfassung der Signalwerte direkt im Koordinatensystem der Scannereinrichtung, sodass die ansonsten benötigte Registrierung zwischen einem Messgerät und der Scannereinrichtung vollkommen entfällt. Somit entfallen zugleich auch die zuvor genannten Fehlerquellen, und die Erfassung des Arbeitsbereichs ist sehr genau. Somit kann insbesondere die Lage eines Vorformlings sehr genau bestimmt werden. Wird der optische Arbeitsstrahl zur Erfassung des Arbeitsbereichs verwendet, entfallen weiterhin in sowohl einfacher als auch kostengünstiger Weise zusätzliche Sensorikkomponenten. Das Verfahren ist somit sehr einfach und kostengünstig durchführbar. Insbesondere können vorteilhaft ohnehin vorhandene Komponenten der generativen Fertigungsvorrichtung verwendet werden, sodass es lediglich einer Implementierung des Verfahrens in eine Steuerungssoftware der generativen Fertigungsvorrichtung bedarf, das schnell, einfach, kostengünstig und auch im Wege der Nachrüstung für bestehende generative Fertigungsvorrichtungen möglich ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Signalwert des remittierten Lichts durch eine auf der optischen Achse des optischen Arbeitsstrahls angeordnete Fotodiode erfasst wird. Dies stellt eine einfache und kostengünstige Möglichkeit dar, die optischen Signalwerte zu erfassen. Als Fotodiode wird bevorzugt eine Silizium -Fotodiode verwendet. Es ist möglich, dass die Fotodiode empfindlich ist im sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich. Vorzugsweise ist die Empfindlichkeit der Fotodiode abgestimmt auf den Wellenlängenbereich des optischen Arbeits Strahls. In bevorzugter Weise kann eine Infrarot- Fotodiode oder eine Pyrometer-Diode verwendet werden.
Der Signalwert wird bevorzugt ortsaufgelöst erfasst, indem ein Ausgangssignal der Fotodiode zeitabhängig einem momentanen Zustand, insbesondere innerem Zustand, der Scannereinrichtung zugeordnet wird. Die Erfassung der Signalwerte, hier also des Ausgangssignals der Fotodiode, und die Verlagerung des optischen Arbeits Strahls durch entsprechende Steuerung der Scannereinrichtung erfolgt somit insbesondere synchron, sodass jedem Signalwert ein Zustand der Scannereinrichtung und damit zugleich ein Ort in dem Arbeitsbereich zugeordnet werden kann. Der Zustand der Scannereinrichtung ist insbesondere eine Position von wenigstens einem beweglichen Spiegel der Scannereinrichtung, insbesondere einem galvanometrischen Spiegel, die ihrerseits wiederum einem Ort in dem Arbeitsbereich zugeordnet ist, auf den der optische Arbeitsstrahl gerichtet ist. Die ortsaufgelöste Erfassung der Signalwerte erfolgt somit unmittelbar im Koordinatensystem der Scannereinrichtung. Der Vorteil der hier vorliegenden Erfindung liegt auch darin, dass weder Ungenauigkeiten bei der Positionierung des Detektors bezüglich der optischen Achse des Hauptsystems als auch die genaue Größe des Erfassungsbereichs / Sichtbereichs des Detektors eine Auswirkung auf die Auflösung oder Genauigkeit der Erfassung hat. Diese ist lediglich abhängig von der Strahl große und -qualität der Lichtquelle / des Messstrahls und der zeitlichen Auflösung der Detektion als auch der Positioniergenauigkeit der Strahlablenkeinheit.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Auflösung der Erfassung des Arbeitsbereichs eingestellt, vorzugsweise verändert wird. Insbesondere wird die Auflösung bevorzugt bedarfsabhängig gewählt. Besonders bevorzugt wird die Auflösung eingestellt, indem die Verlagerung des optischen Arbeitsstrahls mit entsprechender Schrittweite durchgeführt wird. Es ist aber auch möglich, die Auflösung durch gezielte zeitabhängige Auswertung der Detektionseinrichtung zu wählen, beispielsweise indem das Ausgangssignal nicht durchgängig, sondern vielmehr nur in vorbestimmten Intervallen erfasst wird, die größer sind als ein zeitlicher Abstand zweier aufeinanderfolgender Ausgangssignalwerte. Durch die Einstellung der Auflösung ist es möglich, zum einen eine hohe Auflösung bereitzustellen, wenn dies wünschenswert oder erforderlich ist, zum anderen aber das Datenaufkommen vorteilhaft zu reduzieren, wenn eine geringere Auflösung ausreicht.
Alternativ oder zusätzlich wird bevorzugt ein Erfassungsabschnitt des Arbeitsbereichs eingestellt, vorzugsweise geändert. Insbesondere wird der Erfassungsabschnitt bevorzugt bedarfsabhängig gewählt. Es ist auch möglich, dass mehrere, voneinander getrennte Erfassungsabschnitte definiert werden. Dies kann auch wiederum dadurch geschehen, dass der optische Arbeitsstrahl nur innerhalb eines bestimmten Erfassungsabschnitts verlagert wird, oder dadurch, dass das Ausgangssignal der Detektionseinrichtung nur innerhalb des vorgegebenen Erfassungsabschnitts ausgewertet wird. Der Erfassungsabschnitt wird vorzugsweise so gewählt, dass die zu erfassenden Markierungen innerhalb dieser Abschnitte abgetastet werden können.
Die Auflösung und/oder der Erfassungsabschnitt können insbesondere dynamisch, vorzugsweise per Softwarekonfiguration, gewählt werden. Insbesondere ist es so beispielsweise auch möglich, eine Pulverbettanalyse mit höherer Ortsauflösung vorzunehmen, als eine Erfassung einer Position eines Vorformlings, insbesondere um Fehler in dem Pulverbett, insbesondere in einer neu aufgetragenen Pul verschiebt, genauer detektieren zu können. Alternativ wird der Strahl zum Erfassen der Bearbeitungsebene mit einer optischen Ausgangsleistung betrieben, die im Vergleich zu einer unteren Leistungsgrenze für die optische Ausgangsleistung des Strahls zum additiven Fertigen reduziert ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der optische Arbeitsstrahl zum Erfassen des Arbeitsbereichs mit einer optischen Ausgangsleistung betrieben wird, die geringer ist als eine untere Leistungsgrenze für die optische Ausgangsleistung des optischen Arb ei ts Strahls zum generativen Fertigen. Auf diese Weise wird eine Veränderung von in dem Arbeitsbereich angeordnetem Material, sei es Pulvermaterial oder ein Vorformling, vermieden. Die untere Leistungsgrenze ist dabei insbesondere so gewählt, dass erst ab dieser unteren Leistungsgrenze oder oberhalb dieser unteren Leistungsgrenze eine Materialveränderung, insbesondere ein Sintern oder Schmelzen, insbesondere von dem Pulvermaterial der generativen Fertigungsvorrichtung auftritt, sodass die generative Fertigung mit dem optischen Arbeitsstrahl möglich ist. Die optische Ausgangsleistung des optischen Arb ei ts Strahls wird somit für die generative Fertigung bevorzugt höher gewählt als die untere Leistungsgrenze. Somit sind ein Betriebsmodus zum Erfassen des Arbeitsbereichs einerseits und ein Betriebsmodus zum generativen Fertigen andererseits bezüglich der gewählten optischen Ausgangsleistung des optischen Arb eits Strahls deutlich voneinander separiert.
Insbesondere wird derselbe optische Arbeitsstrahl - bis gegebenenfalls auf die Reduzierung der optischen Ausgangsleistung - sowohl für die generative Fertigung als auch für die Erfassung des Arbeitsbereichs verwendet.
Die untere Leistungsgrenze beträgt gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung 100 W. Der optische Arbeitsstrahl wird zum Erfassen des Arbeitsbereichs vorzugsweise mit einer optischen Ausgangsleistung von mindestens 1 W bis höchstens 99,9 W, insbesondere von mindestens 2 W bis höchstens 50 W betrieben. Zum generativen Fertigen wird der optische Arbeitsstrahl vorzugsweise mit einer optischen Ausgangsleistung von mindestens 100 W, vorzugsweise mehr als 100 W, vorzugsweise von mindestens 100 W bis 500 W, betrieben. Höhere Leistungsbereiche sind nicht ausgeschlossen, insbesondere bis zu einem Bereich von 1,5kW.
Vorzugsweise bestehen die Markierungen auf dem Referenzkörper aus Bohrungen, Kerben, Vertiefungen, erhabenen Strukturen, aufgerauten Oberflächen, Passstiften oder Kugeln. In einer weiteren Ausführungsform bestehen die Markierungen auf dem Referenzkörper aus einer Blende mit Bohrung und einem darunterliegendem Hohlraum, vorzugsweise einem Konus oder einem Schaft, wobei auf der Rückseite des Hohlraums vorzugsweise eine absorbierende Oberfläche angebracht ist, welche mögliche Rückreflexe reduziert.
Alternativ weist die Blende eine Bohrung auf, welche nicht mittig auf der Blende zentriert ist.
Vorzugsweise weist die Blende eine kegelförmige Bohrung auf, wobei der Querschnitt der kegelförmigen Bohrung der Blende in Richtung des darunterliegenden Konus abnimmt.
Vorzugsweise nimmt der Querschnitt des Hohlraums in Richtung der Blende zu.
In einer weiteren Ausführungsform mündet der Hohlraum in eine weitere Bohrung mit konstantem Durchmesser.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Markierungen direkt in dem Referenzkörper integriert oder löslich mit dem Referenzkörper verbunden.
Alternativ dient der Referenzkörper als gemeinsame Referenz für weitere Sensorikbauteile, wie Kamera oder Höhenreferenz für Beschichter/Pulverhöhe.
Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem eine Fertigungsvorrichtung zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufträgen und selektives Verfestigen eines Pulvermaterials innerhalb eines Baufeldes in einer Bearbeitungsebene geschaffen wird, wobei die Fertigungsvorrichtung umfasst: zumindest eine Strahlablenkeinheit, welche dazu eingerichtet ist, einen von einer jeweiligen Strahl erzeugungseinheit erzeugten Strahl auf unterschiedliche Zielpunkte in der Bearbeitungsebene zu richten, die innerhalb eines der jeweiligen Strahlablenkeinheit zugeordneten Scanbereichs liegen, einen Referenzkörper, welcher im Baufeld in der Bearbeitungsebene angeordnet ist, wobei der Referenzkörper mehrere Markierungen aufweist, welche auf vorbestimmten Positionen des Referenzkörpers angeordnet sind, eine Detektionseinrichtung, die eingerichtet ist zum Erfassen von entlang einer optischen Achse des Strahls remittiertem Licht des Strahls, wobei die Detektionseinrichtung auf einer optischen Achse des Strahls angeordnet ist, und eine Steuereinrichtung, die eingerichtet ist, um die Strahlablenkeinheit zum Verlagern des Strahls in der Bearbeitungsebene über Bereiche auf dem Referenzkörper, welche eine oder mehrere Markierungen enthalten, bzw. über die Markierungen auf der Referenzplatte anzusteuern, um ortsabhängig Signalwerte der Detektionseinrichtung während des Verlagerns des Strahls zu erfassen, um jedem Ort der Verlagerung des Strahls in der Bearbeitungsebene einen Signalwert der Detektionseinrichtung zuzuordnen, um eine örtlich aufgelöste Information über die Positionen der Markierungen auf dem Referenzkörper zu erhalten, um die erhaltene örtlich aufgelöste Information mit den vorbestimmen Positionen der Markierungen auf dem Referenzkörper zu vergleichen, um einen Ausrichtungsfehler zwischen dem Strahl und der vorbestimmten Positionen der Markierungen auf dem Referenzkörper zu berechnen, und um den Ausrichtungsfehler durch Anpassen der ortsabhängigen Positionierung des Strahls zu korrigieren.
Insbesondere ist die Steuereinrichtung bevorzugt eingerichtet, um die Abbildung des Arbeitsbereichs aus den ortsabhängig erfassten Signalwerten zusammenzusetzen, zu berechnen oder anderweitig zu bilden.
Weiter ist die Steuereinrichtung bevorzugt eingerichtet, um die Abbildung des Arbeitsbereichs zur Erkennung von geometrischen Strukturen auszuwerten, insbesondere eine Kantenerkennung durchzuführen. Insbesondere weist die Strahlerzeugungseinheit einen Laser auf oder als Laser ausgebildet ist.
Vorzugsweise weist die Detektionseinrichtung eine Fotodiode auf oder als Fotodiode ausgebildet ist, oder wobei die Detektionseinrichtung als flächiger Sensor, wie eine Kamera, vorzugsweise mit niedriger Auflösung, 4-Quardranten-Diode, Punktsensoren, ausgebildet ist.
Andere Merkmale und Aspekte dieser Offenbarung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die beigefügten Zeichnungen, die hierin aufgenommen werden und einen Teil der Beschreibung bilden, veranschaulichen beispielhafte Ausführungsformen der Offenbarung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Offenbarung zu erläutern. In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Fertigungsvorrichtung zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts, Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Fertigungsvorrichtung zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts mit einem Referenzkörper,
Fig. 3 eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines Referenzkörpers mit Markierungen,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Markierung, und
Fig. 5 einen Referenzkörper mit Markierungen in einer Seitenansicht gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung
Das Folgende ist eine detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die darin beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten beispielhaften Ausführungsformen sollen die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung lehren und es dem Durchschnittsfachmann ermöglichen, die vorliegende Offenbarung in vielen verschiedenen Umgebungen und für viele verschiedene Anwendungen zu implementieren und zu verwenden. Daher sind die beispielhaften Ausführungsformen nicht als einschränkende Beschreibung des Umfangs des Patentschutzes gedacht und sollten nicht als solche betrachtet werden. Vielmehr soll der Umfang des Patentschutzes durch die beigefügten Ansprüche definiert werden.
Figur 1 zeigt schematisch eine Fertigungsvorrichtung 1 mit einem Bauraum 3 bzw. einer Baukammer und einer Steuereinheit 5. Die Steuereinheit 5 hat einen Datenträger zur Speicherung von Steuerprogrammen. Die Fertigungsvorrichtung 1 weist in dieser Ausführungsform ferner drei Strahlablenkeinheiten 9a, 9b, 9c auf, die jeweils einen Strahl 11a, 11b, 11c mittels einer Strahlerzeugungseinheit 10a, 10b, 10c entlang einer optischen Achse A ablenken. Beispielsweise kann jede Strahlablenkeinheit 9a, 9b, 9c für einen Strahl bzw. Laserstrahl einen in zwei Richtungen drehbaren Scanner spiegel (nicht dargestellt) oder zwei in eine Richtung drehbare Scanner spiegel umfassen. Beispielsweise kann die Strahlablenkeinheit 9a, 9b, 9c einen Galvanometerscanner umfassen. Alternativ kann die Strahlablenkeinheit 9a, 9b, 9c für einen Elektronenstrahl mehrere Paare von Elektroden umfassen, zwischen denen ein elektrisches Feld angelegt werden kann, um den Elektronenstrahl abzulenken.
Die Fertigungsvorrichtung 1 umfasst ferner eine Substratplatte 13, die unterhalb der Strahlablenkeinheiten 9a, 9b, 9c angeordnet ist und auf die ein Baumaterial 15, wie z. B. ein Pulver bzw. ein Pulverbett, schichtweise aufgebracht wird. Dazu wird die Substratplatte 13 um einen gewünschten Abstand in -Z-Richtung, d.h. in Richtung zunehmenden Abstandes von den Strahlablenkeinheiten 9a, 9b, 9c, verstellt und anschließend mit einer Auftragsvorrichtung 17, wie z.B. einem Beschichter oder einem Pulverschieber, eine neue Baumaterialschicht aufgetragen. Als Auftragsvorrichtungen 17 kommen z. B. auch Abstreifer, Klingen oder Walzen in Betracht. In diesem speziellen Fall sind die Strahlablenkeinheiten 9a, 9b, 9c geeignet, ihren jeweiligen Strahl 1 la, 1 lb, 11c über den gesamten Bauraum 3 abzulenken. Somit stellt in dieser Ausführungsform die gesamte Bauraumoberfläche eine gemeinsame Bearbeitungsebene 18 dar, in der die Strahlen 11a, 11b, 11c da Baumaterial 15 verfestigen können. Nach dem Erstarren der jeweils obersten Baumaterialschicht kann die Substratplatte 13 in ihrem Bauzylinder 14 wieder in -Z-Richtung bewegt werden und eine neue Baumaterialschicht wird über die Auftragsvorrichtung 17 aufgetragen, um ein dreidimensionales Objekt 19 schichtweise herzustellen.
Der Bauraum 3 bzw. die Baukammer ist gasdicht und umfasst einen Einströmkanal 21 und einen Absaugkanal 23. Über den Einströmkanal 21 kann der Bauraum 3 mit einem Inertgas wie Stickstoff oder Argon gefüllt werden, um eine Oxidation des Baumaterials 15 zu verhindern. Zusammen mit dem Absaugkanal 23 kann auch ein gleichmäßiger Schutzgasstrom über dem Baumaterial 15 gebildet werden, um Kondensate, Pulverpartikel und andere Partikel, die bei der Erstarrung mit Laserstrahlen in die Atmosphäre geschleudert werden, abzutransportieren und so mögliche Störungen des Laserstrahls zu verringern. Der Absaugkanal 23 kann auch verwendet werden, um den Bauraum 3 zu evakuieren, damit Elektronenstrahlen als Strahlen 11a, 11b, 11c verwendet werden können. Zu diesem Zweck muss der Bauraum 3 vakuumdicht gemacht werden.
Die Steuereinheit 5 kann auch über eine Datenschnittstelle verfügen, über die z.B. Steuerprogramme importiert werden können. Bei der Ausführung eines Steuerprogramms über eine Steuerschnittstelle kann die Steuereinheit 5 alle für die schichtweise additive Fertigung notwendigen Schritte an der Vorrichtung ausführen, wie z. B. das Aktivieren oder Deaktivieren von Strahlen 11a, 11b, 11c, deren Ablenkung mit den Strahlablenkeinheiten 9a, 9b, 9c, die Verstellung der Substratplatte 13 entlang der Z-Achse oder das Auslösen eines Baumaterialauftrags. Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Fertigungsvorrichtung 1 zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts 19 mit einem Referenzkörper 30 bzw. in dieser Ausführungsform einer Referenzplatte 30.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Referenzplatte 30 in der Bearbeitungsebene 18 angeordnet und auf der Substratplatte 13 befestigt. Die Referenzplatte 30 kann somit mitsamt der Substratplatte 13 in Z-Richtung nach oben oder unten verfahren werden.
Des Weiteren weist die Referenzplatte 30, wie auch in Figur 3 gezeigt, eine Mehrzahl von Markierungen 31 auf, welche auf vorbestimmten Positionen der Referenzplatte 30 angeordnet sind. Die Positionierung der Markierungen 31 auf der Referenzplatte 30 wurden im Vorfeld mittels eines geeigneten Verfahrens ausgemessen, so dass die Referenzplatte 30 mit deren präzise angeordneten Markierungen 31 als Referenz für eine Kalibrierung dienen kann. Vorzugsweise sind die Markierungen 31 in einem gleichmäßigen Abstand zueinander angeordnet und über die ganze Referenzplatte 30 verteilt.
Trifft der Strahl 11a nun auf eine der Markierungen 31 der Referenzplatte 30, so wird remittiertes Licht 20 wieder zurück gestrahlt.
Figur 4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Markierung 31. Hierbei bestehen die Markierungen 31 auf der Referenzplatte 30 aus einer Blende 3 la mit Bohrung 31b und einem darunterliegendem Hohlraum 31c, vorzugsweise einem Konus, wobei auf der Rückseite des Hohlraums 31c vorzugsweise eine absorbierende Oberfläche 3 Id angebracht ist, welche mögliche Rückreflexe reduziert. Die Blende 31a weist eine Bohrung 31b auf, welche nicht mittig auf der Blende 31a zentriert ist. Des Weiteren ist die Bohrung 31b der Blende 31a eine kegelförmige Bohrung 31b, wobei der Querschnitt der kegelförmigen Bohrung 31b der Blende 31a in Richtung des darunterliegenden Konus abnimmt. Zudem nimmt der Querschnitt des Hohlraums 31c in Richtung der Blende 31a zu. Am Bezug auf die Blende 31a gegenüberliegenden Ende des Hohlraums 31c mündet dieser in eine weitere Bohrung 3 le mit konstantem Durchmesser.
Figur 5 zeigt eine Referenzplatte 30 mit Markierungen 31 in einer geschnittenen Seitenansicht gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Wie in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt, kann die Substratplatte 13 innerhalb des Bauzylinders 14 der Fertigungsvorrichtung 1 in Z-Richtung auf und ab bewegt werden. Auf der Substratplatte 13 wird die Referenzplatte 30 angebracht, welche in dieser Ausführungsform auf Stützen 32 montiert ist, so dass die Referenzplatte 30 nicht direkt auf der Substratplatte 13 aufliegt. Dadurch bildet sich ein Hohlraum 31c zwischen Referenzplatte 30 und Substratplatte 13. Die Referenzplatte 30 weist Markierungen 31 auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel als Bohrungen 31b ausgestaltet sind. Der Hohlraum 31c dient insbesondere dazu, Licht zu absorbieren. Um diesen Effekt zu verstärken, ist auf der Substratplatte 13 eine absorbierende Fläche 3 Id in Form einer schwarzen Absorberplatte angebracht.
Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale getrennt und unabhängig voneinander zum Zwecke der ursprünglichen Offenbarung sowie zum Zwecke der Beschränkung der beanspruchten Erfindung unabhängig von der Zusammensetzung der Merkmale in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen offenbart werden sollen. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass alle Wertebereiche oder Angaben zu Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Zwischenwert zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung sowie zum Zweck der Einschränkung der beanspruchten Erfindung, insbesondere als Grenzen von Wertebereichen, offenbaren.
Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung hierin beschrieben worden sind, können Verbesserungen und Modifikationen aufgenommen werden, ohne vom Umfang der folgenden Ansprüche abzuweichen.
Bezugszeichenliste
1 Fertigungsvorrichtung
3 Bauraum bzw. Baukammer
5 Steuereinheit
9a, 9b, 9c Strahlablenkeinheit
10a, 10b, 10c Strahlerzeugungseinheit
11a, 11b, 11c Strahl
13 Substratplatte
14 Bauzylinder
15 Pulvermaterial bzw. Baumaterial
17 Auftragsvorrichtung
18 Bearbeitungsebene
19 Bauteil bzw. dreidimensionales Objekt
20 remittiertes Licht
21 Einströmkanal
23 Absaugkanal
30 Referenzkörper bzw. Referenzplatte
31 Markierung
31a Blende
31b Bohrung
31c Hohlraum
3 Id absorbierende Fläche
31 e weitere B ohrung
32 Stütze
40 Fotodiode
50 Detektionseinrichtung
A optische Achse

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Kalibrieren einer Fertigungsvorrichtung (1) zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts (19) durch schichtweises Aufträgen und selektives Verfestigen eines Pulvermaterials (15) innerhalb eines Baufeldes in einer Bearbeitungsebene (18), wobei die Fertigungsvorrichtung (1) umfasst: zumindest eine Strahlablenkeinheit (9a, 9b, 9c), welche dazu eingerichtet ist, einen von einer jeweiligen Strahlerzeugungseinheit (10a, 10b, 10c) erzeugten Strahl (11a, 1 lb, 11c) auf unterschiedliche Zielpunkte in der Bearbeitungsebene (18) zu richten, die innerhalb eines der jeweiligen Strahlablenkeinheit (9a, 9b, 9c) zugeordneten Scanbereichs liegen, und einen Referenzkörper (30), welcher im Baufeld in der Bearbeitungsebene (18) angeordnet ist, wobei der Referenzkörper (30) mehrere Markierungen (31) aufweist, welche auf vorbestimmten Positionen des Referenzkörpers (30) angeordnet sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Verlagern des Strahls (11a, 11b, 11c) der Fertigungsvorrichtung (1) in dem Scanbereich über Bereiche auf dem Referenzkörper (30), welche eine oder mehrere Markierungen (31) enthalten, ortsabhängiges Erfassen von Signalwerten von entlang einer optischen Achse (A) des Strahls (11a, 11b, 11c) remittiertem Licht (20) des Strahls (11a, 11b, 11c), wobei jedem Ort der Verlagerung des Strahls (11a, 11b, 11c) in dem Scanbereich (7) ein Signalwert zugeordnet wird,
Erhalten einer örtlich aufgelösten Information über die Positionen der Markierungen (31) auf dem Referenzkörper (30),
Vergleichen der erhaltenen örtlich aufgelösten Information mit den vorbestimmen Positionen der Markierungen (31) auf dem Referenzkörper (30), um einen Ausrichtungsfehler zwischen dem Strahl (11a, 11b, 11c) und den vorbestimmten Positionen der Markierungen (31) auf dem Referenzkörper (30) zu berechnen, und Korrigieren des Ausrichtungsfehlers durch Anpassen der ortsabhängigen Positionierung des Strahls (11a, 11b, 11c).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Signalwert des remittierten Lichts (15) durch eine auf der optischen Achse (A) des Strahls (11a, 11b, 11c) angeordnete Fotodiode (40) erfasst wird, wobei der Signalwert ortsaufgelöst erfasst wird, indem ein Ausgangssignal der Fotodiode (40) zeitabhängig einem synchronen Zustand einer Scannereinrichtung (9) zum Verlagern des Strahls (11a, 11b, 11c) zugeordnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Auflösung der Erfassung und/oder ein Erfassungsabschnitt der Bearbeitungsebene (18) eingestellt wird/werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Strahl (11a, 11b, 11c) zum Erfassen der Bearbeitungsebene (18) mit einer optischen Ausgangsleistung betrieben wird, die im Vergleich zu einer unteren Leistungsgrenze für die optische Ausgangsleistung des Strahls (11a, 1 lb, 11c) zum additiven Fertigen reduziert ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Markierungen (31) auf dem Referenzkörper (30) aus Bohrungen, Kerben, Vertiefungen, erhabenen Strukturen, aufgerauten Oberflächen, Passstiften oder Kugeln bestehen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Markierungen (31) auf dem Referenzkörper (30) aus einer Blende (31a) mit Bohrung (31b) und einem darunterliegendem Hohlraum (31c), vorzugsweise einem Konus oder einem Schaft, bestehen, wobei auf der Rückseite des Hohlraums (31c) vorzugsweise eine absorbierende Oberfläche (3 Id) angebracht ist, welche mögliche Rückreflexe reduziert.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Blende (31a) eine Bohrung (31b) aufweist, welche nicht mittig auf der Blende (31a) zentriert ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Blende (31a) eine kegelförmige Bohrung (31b) aufweist, und wobei der Querschnitt der kegelförmigen Bohrung (31b) der Blende (31a) in Richtung des darunterliegenden Konus abnimmt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Querschnitt des Hohlraums (31c) in Richtung der Blende (31a) zunimmt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der Hohlraum (31c) in eine weitere Bohrung (3 le) mit konstantem Durchmesser mündet.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Markierungen (31) direkt in dem Referenzkörper (30) integriert oder löslich mit dem Referenzkörper (30) verbunden sind.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Referenzkörper (30) als gemeinsame Referenz für weitere Sensorikbauteile, wie Kamera oder Höhenreferenz für Beschichter/Pulverhöhe, dient.
13. Fertigungsvorrichtung (1) zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts (19) durch schichtweises Aufträgen und selektives Verfestigen eines Pulvermaterials (15) innerhalb eines Baufeldes in einer Bearbeitungsebene (18), wobei die Fertigungsvorrichtung (1) umfasst:
- zumindest eine Strahlablenkeinheit (9a, 9b, 9c), welche dazu eingerichtet ist, einen von einer jeweiligen Strahlerzeugungseinheit (10a, 10b, 10c) erzeugten Strahl (11a, 1 lb, 11c) auf unterschiedliche Zielpunkte in der Bearbeitungsebene (18) zu richten, die innerhalb eines der jeweiligen Strahlablenkeinheit (9a, 9b, 9c) zugeordneten Scanbereichs liegen,
- einen Referenzkörper (30), welcher im Baufeld in der Bearbeitungsebene (18) angeordnet ist, wobei der Referenzkörper (30) mehrere Markierungen (31) aufweist, welche auf vorbestimmten Positionen des Referenzkörpers (30) angeordnet sind,
- eine Detektionseinrichtung (50), die eingerichtet ist zum Erfassen von entlang einer optischen Achse (A) des Strahls (11a, 1 lb, 11c) remittiertem Licht des Strahls (11a, 1 lb, 11c), wobei die Detektionseinrichtung (50) auf einer optischen Achse (A) des Strahls (11a, 11b, 11c) angeordnet ist, und
- eine Steuereinrichtung (5), die eingerichtet ist, um die Strahlablenkeinheit (9a, 9b, 9c) zum Verlagern des Strahls (11a, 1 lb, 11c) in der Bearbeitungsebene (18) über Bereiche auf dem Referenzkörper (30), welche eine oder mehrere Markierungen (31) enthalten, anzusteuern, um ortsabhängig Signalwerte der Detektionseinrichtung (50) während des Verlagerns des Strahls (11a, 1 lb, 11c) zu erfassen, um jedem Ort der Verlagerung des Strahls (11a, 11b, 11c) in der Bearbeitungsebene (18) einen Signalwert der Detektionseinrichtung (50) zuzuordnen, um eine örtlich aufgelöste Information über die Positionen der Markierungen (31) auf dem Referenzkörper (30) zu erhalten, um die erhaltene örtlich aufgelöste Information mit den vorbestimmen Positionen der Markierungen (31) auf dem Referenzkörper (30) zu vergleichen, um einen Ausrichtungsfehler zwischen dem Strahl (11a, 11b, 11c) und der vorbestimmten Positionen der Markierungen (31) auf dem Referenzkörper (30) zu berechnen, und um den Ausrichtungsfehler durch Anpassen der ortsabhängigen Positionierung des Strahls
(11a, 1 lb, 11c) zu korrigieren.
14. Fertigungsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Strahlerzeugungseinheit (10a, 10b, 10c) einen Laser aufweist oder als Laser ausgebildet ist.
15. Fertigungsvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Detektionseinrichtung (50) eine Fotodiode (40) aufweist oder als Fotodiode (40) ausgebildet ist, oder wobei die
Detektionseinrichtung (50) als flächiger Sensor, wie eine Kamera, vorzugsweise mit niedriger Auflösung, 4-Quardranten-Diode, Punktsensoren, ausgebildet ist.
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