本发明涉及一种用于自动化地或能自动化地确定由用于添加式制造三维物体的设备的照射装置产生的激光束的焦点位置的方法，其中，设备具有通过水平定向的第一机器轴线限定的x轴、通过水平定向的第二机器轴线限定的y轴和通过竖直定向的第三机器轴线限定的z轴。
背景技术：
在三维物体的可实施的或被实施的添加式制造的范围中，确定由用于添加式制造三维物体的添加设备的照射装置产生的激光束的焦点位置是一个重要的过程。确定激光束的焦点位置和随后使用被聚焦的、用于选择地固化在实施添加式建造或制造过程中要选择地固化的建造材料层的激光束，对于建造材料的希望的固化和由此对于相应的要添加式制造的或已制造的三维物体的结构特性是至关重要的。
迄今为止，通常这样地确定激光束的焦点位置，即通过在衬底的不同的z轴位置上照射衬底，例如薄铝板，在衬底上产生特定的照射图案。这个或这些产生的照射图案由技术人员检查。具有带最薄照射矢量的照射图案的那个z轴位置被确定为―零位置”，在该―零位置”上激光束被聚焦。这种方法一方面不是很准确和另一方面成本高，因为不能自动化。
技术实现要素：
本发明基于的任务是，提出一种相对与此、尤其关于准确性和可自动化性改进的、用于确定由用于添加式地制造三维物体的设备的照射装置产生的激光束的焦点位置的方法。
这个任务通过一种根据权利要求1所述的用于自动化地或能自动化地确定由用于添加式制造三维物体的设备的照射装置产生的激光束的焦点位置的方法解决。所属的从属权利要求涉及该方法的可能的实施方式。
在此处描述的方法用于自动化地或能自动化地确定由用于添加式制造三维物体的设备(―设备”)，也就是说尤其是被设置用于实施选择性激光熔化方法(简称slm方法)的设备的照射装置产生的激光束的焦点位置。照射装置通常包括激光射束产生装置，其被设置用于产生具有特定的射束特性，也就是说例如特定的波长的激光束，和也被称为或看作是扫描器装置的射束偏转装置，其被设置用于将由激光射束产生装置产生的激光束专门地偏转到要(选择地)照射的表面上。
设备具有通过水平定向的第一机器轴线限定的x轴、通过水平定向的第二机器轴线限定的y轴和通过竖直定向的第三机器轴线限定的z轴。所述的轴可以-类似于笛卡尔坐标系-相互正交地布置或定向。通过x轴和y轴限定的平面通常包括建造区，在该建造区中实施在设备的运行的范围中实施的、对由可借助于相应的激光辐射固化的建造材料构成的建造材料层的选择性照射和因此选择性固化。
在此处描述的方法包括在下面详细解释的步骤:
在该方法的第一步骤中实施衬底在第一照射位置上的布置——在该第一照射位置上衬底相对于参照点被布置在特定的z轴位置，并且实施在第一照射位置上用至少一个照射矢量对衬底的照射。
在该方法的自动化的或能自动化的第一步骤中，因此用至少一个照射矢量实施对衬底、也就是说例如(阳极氧化的)薄铝板、钢箔或相纸的照射。照射矢量通过两个点限定并且由此通常具有(直)线形的走向。当然可能的是，用多个、形成一个照射图案或这种照射图案的一部分的照射矢量照射衬底。对衬底的照射在第一照射位置上实施，在该第一照射位置上衬底相对于参照点被布置在特定的z轴位置上，也就是说，在该第一照射位置上衬底相对于参照点在z方向上被布置在特定的距离下。参照点例如可以是照射装置的激光束出发点，也就是说这样的点，在该点处激光束从照射装置、也就是说通常射束偏转装置中出来，进入设备的(可惰性化的)过程室中。衬底通常被布置或构造在设备的被设置用于承载要添加式制造的或已制造的三维物体的承载装置的沿着z轴被可运动地支承的承载元件上。
在该方法的随后的第二步骤中，尤其是逐步地或逐级地使衬底运动到多个另外的照射位置上，并且在相应的另外的照射位置上用至少一个照射矢量相应地照射衬底，在该多个另外的照射位置上衬底分别相对于参照点被布置在另一特定的z轴位置上，其中，在衬底上形成通过对应于相应的照射矢量被照射的衬底区域限定的照射图案，其中，在相继的照射位置上的照射矢量被分配给不同的z轴位置。
该方法的自动化的或能自动化的第二步骤可以被划分成多个分步骤。在相应的一个分步骤中衬底被布置在特定的、与前面的照射位置不同的照射位置上并且用至少一个照射矢量照射，在该照射位置上衬底相对于参照点被布置在特定的(与前面的z轴位置不同的)z轴位置上，也就是说在该照射位置上衬底被布置成相对于参照点具有特定的沿z方向的距离。另外的照射位置可以关于它们各自的z轴位置被错开例如在0.5mm和1mm之间的范围中的偏移量，尤其是0.1mm的偏移量；照射位置可以在z方向上因此例如以在0.5mm和1mm之间的范围中的偏移量被相互间隔开。
用于在各个另外的照射位置上照射衬底的照射矢量通常被相互相间隔地布置或定向；例如它们可以平行地布置或定向。使衬底相对于参照点运动到相应的照射位置或z轴位置上通过使承载元件相应地运动到对应于相应的照射位置的z轴位置上来实施，该承载元件形成被设置用于承载要添加式制造的或被添加式制造的三维物体的承载装置的组成部件；如提到的那样，衬底通常被布置或构造在设备的被设置用于承载要添加式制造的或被添加式制造的三维物体的承载装置的沿着z轴被可运动地支承的承载元件上。
通过相应于各个照射矢量被照射的衬底区域在衬底上形成限定的照射图案。照射图案包括用于在不同的照射位置上照射衬底的照射矢量，或通过用于在不同的照射位置上照射衬底的照射矢量形成。用于在相应的照射位置上照射衬底或用于在相继的或不同的照射位置上照射衬底的照射矢量被分配给或能够被分配给各个相继的或不同的z轴位置。
在该方法的第三步骤中，通过检测在照射图案中的不同的可光学检测的颜色区域或对比度区域，实施对在该方法的第二步骤中形成的照射图案的光学评价。
因此在该方法的第三步骤中，关于通过照射产生的颜色或对比度区域或颜色或对比度差异，进行对照射图案，一般地，对衬底或被照射的衬底表面的自动化的或可自动化的光学检查。可光学检测的颜色或对比度区域或可光学检测的颜色或对比度差异可以理解为尤其是在照射图案中的具有可光学检测的色差或对比度的区域。在此通常涉及的是可光学地精确地检测的明暗区域，也就是说这样的区域，在该区域中照射图案，一般地，衬底或被照射的衬底表面，具有(较)明亮的和(较)暗的区域。通过用于在各自的照射位置上照射衬底或用于在相继的或不同的照射位置上照射衬底的照射矢量被分配给或可以被分配给相继的或不同的z轴位置，在照射图案中被光学检测的颜色区域或对比度区域也可以被分配给相应的照射位置或z轴位置。
在该方法的第四步骤中，基于检测的光学的对比度区域，实施激光束的焦点位置的确定。
在该方法的自动化的或能自动化的第四步骤中，基于检测的光学的对比度区域确定激光束的焦点位置。在此利用这样的事实，即较明亮的区域通常表示激光束没有被聚焦，和(相比之下)(较)暗的区域通常表示激光束被聚焦；依据激光束是散焦地还是聚焦地投射到衬底上，在衬底上形成不同颜色的颜色区域或对比度区域，其中，相比之下明亮的颜色区域或对比度区域通常表示激光束在相应的照射位置上是散焦的，和相比之下暗的颜色区域或对比度区域通常表示激光束在相应的照射位置是聚焦的。通过所描述的将在照射图案中被光学检测到的颜色或对比度区域分配给相应的照射位置或z轴位置的可能性，可以精确地确定激光束在哪个照射位置或z轴位置上被聚焦。
在该方法的可能的第五步骤中，只要需要，可以基于激光束的被确定的焦点位置，相对于在实施选择性建造过程的范围中设备的要选择地照射的建造区，实施照射装置的布置和/或定向的尤其是自动化的匹配。
因此提供一种在精确性和自动化方面改进的、用于确定由用于添加式地制造三维物体的设备的照射装置产生的激光束的焦点位置的方法。
该方法的自动化的或能自动化的实施通常通过与设备的相应的用于实施该方法需要的功能部件通信的控制装置来实现。控制装置被设置用于产生相应的控制命令。
照射图案可以形成有特定的可光学检测的几何分配特征，其中，相应的分配特征被分配给特定的照射位置和/或特定的z轴位置。通过专门地产生相应的可光学检测的几何分配特征，其中，各个分配特征被分配给特定的照射位置和/或特定的z轴位置，可以形成在z轴的方向上的标度(z-标度)，该标度(大大地)简化了在所描述的确定激光束的焦点位置的范围中进行的、将相应的颜色或对比度区域向特定的照射位置或特定的z轴位置的分配。
具有相应的可光学检测的几何分配特征的照射图案例如可以是锯齿形的或尖峰形的照射图案。因此可以形成锯齿形的或尖峰形的照射图案。在此情况下例如各个锯齿或尖峰的尖顶可以被用作特定的可光学检测的几何分配特征，该尖顶分别被分配给特定的照射位置和/或特定的z轴位置。可以通过产生平行地布置的或定向的照射矢量形成相应地锯齿形的或尖峰形的照射图案，照射矢量在其长度上有差异，由此产生锯齿形的或尖峰形的照射图案。当然除了锯齿形的或尖峰形的照射图案以外，也可以设想在几何形状上不同类型的、也就是说例如在其边缘区域中拱形地延伸的照射图案，该照射图案具有相应的可光学检测的几何分配特征。
照射图案可以通过可光学检测的分配特征形成，该分配特征限定照射图案的开始部或被分配给照射图案的开始部。这种分配特征例如可以是至少一次、必要时多次地突出于其余的照射图案的尺寸之外的线。通过相应的分配特征可以以简单的方式限定或检测要继续光学地评价的照射图案的开始部。
已经提到，被用来在各个另外的照射位置上照射衬底的照射矢量通常被相互间隔地布置或定向；它们例如可以被平行地布置或定向。因此至少两个照射矢量——尤其是在x轴或y轴的方向上——可以被平行地布置或定向。照射矢量可以关于其各自的x轴位置和/或y轴位置例如被错开一个在0.1mm和1mm之间的范围中的偏移量、尤其是0.2mm的偏移量地进行布置；照射矢量因此可以在x和/或y方向上例如以一个在0.1mm和1mm之间的范围中的偏移量被相互间隔开。原则上应该如此窄小地选择照射矢量的间距，使得在激光束的要确定的或被确定的焦点位置上照射矢量只能够被检测为单独的照射矢量。
为了通过检测在照射图案中的不同的光学的对比度区域光学地评价照射图案和为了基于检测的光学的对比度区域确定激光束的焦点位置，可以使用在设备侧存在的检测和/或确定装置。检测和/或确定装置可以包括至少一个用于检测在照射图案中的不同的光学的对比度区域的光学的检测机构，尤其是摄像机，和至少一个用于基于检测的光学的对比度区域确定激光束的焦点位置的评价机构。检测和/或确定装置可以配备合适的检测和/或确定算法，尤其是光学的评价算法。
但是备选地或补充地，也可能的是，为了通过检测在照射图案中的不同的光学的对比度区域光学地评价照射图案和为了基于检测的光学的对比度区域确定激光束的焦点位置，使用在使用者侧或用户侧的移动式终端设备、尤其是智能手机、平板电脑、笔记本电脑等等中存在的检测和确定装置。检测和/或确定装置可以–类似于在设备侧存在的检测和/或确定装置–包括至少一个用于检测在照射图案中的不同的光学的对比度区域的光学的检测机构，尤其是摄像机，和至少一个用于基于检测的光学的对比度区域确定激光束的焦点位置的评价机构。检测和/或确定装置可以配备合适的检测和/或确定算法，尤其是光学的评价算法，并且例如被实施成所谓的―app”。
除了该方法以外，本发明涉及一种用于添加式地制造三维物体的设备。除了用于实施添加式建造过程的否则需要的功能部件以外，该设备包括用于产生指向设备的建造区上的激光束的照射装置并且由此其特征在于，它被设置用于实施描述的方法。设备为此可以包括检测和确定装置，该检测和确定装置被设置用于通过检测在照射图案中的不同的可光学检测的对比度区域光学地评价照射图案和用于基于检测的光学的对比度区域确定激光束的焦点位置。与方法相关联的全部的描述以类似的方式适用于该设备。
附图说明
本发明借助于在附图图示中的实施例进行详细解释。在此示出:
图1是按照一个实施例的设备的原理图；和
图2是按照一个实施例的照射图案的原理图。
具体实施方式
图1示出按照一个实施例的设备1的原理图。在图1中仅仅示出与用于解释以下描述的原理相关的设备1的局部。
设备1例如是slm设备，也就是说用于实施选择性熔化方法(slm方法)的设备，该设备1用于通过依次逐层地选择性照射和因此固化由可借助于激光束2固化的建造材料，也就是说例如金属粉末构成的建造材料层来添加式地制造三维物体，也就是说尤其是技术结构件或技术结构件组。选择性地固化各个要固化的建造材料层基于与物体相关的建造数据来实施。相应的建造数据分别描述要添加式制造的物体的几何或几何结构上的设计。相应的建造数据例如可以包含要制造的物体的―被切片的”cad数据。
设备1具有通过水平定向的第一机器轴线限定的x轴、通过水平定向的第二机器轴线限定的y轴和通过竖直定向的第三机器轴线限定的z轴。通过x轴和y轴限定的平面通常包括建造区，在该建造区中实施在设备1的运行的范围中实施的、对由能借助于相应的激光辐射固化的建造材料构成的建造材料层的选择性照射和因此选择性固化。
设备1包括可惰性化的过程室3，在该过程室中实施相应的物体的实际的添加式制造。在过程室3中布置或构造至少一部分用于实施添加式建造过程需要的功能部件，也就是说，尤其是如通过水平定向的双箭头p1指示的那样，可运动地支承的覆层器装置4，它被设置用于在建造平面中形成要固化的建造材料层。
被设置用于承载要添加式制造的或已添加式制造的三维物体的承载装置5被布置在过程室3内。承载装置5包括，如通过竖直定向的双箭头p2指示的那样，沿着z轴被可运动地支承的承载元件9。承载元件9可以形成可插入过程室3中的模块(没有示出)、尤其是建造模块的底部，或与可插入过程室3中的模块、尤其是建造模块的底部耦联。
设备1包括照射装置6。照射装置6包括激光射束产生装置7，激光射束产生装置被设置用于产生具有特定的射束特性，也就是说例如特定的波长的激光束2，和也被称为或被看作为扫描器装置的射束偏转装置8，射束偏转装置被设置用于将由激光射束产生装置7产生的激光束2专门地偏转到要(选择性地)照射的表面上，也就是说在实施添加式建造过程的范围中要选择性地照射的或要选择性地固化的建造材料层上。
借助于设备1可以实现一种用于确定由照射装置6产生的激光束2的焦点位置的自动化的或能自动化的方法，该方法在下面进行详细描述。通过与设备1的相应的、用于实施该方法需要的功能部件通信的控制装置(没有示出)实现该方法的自动化的或能自动化的实施。控制装置被设置用于产生相应的控制命令。
在该方法的自动化的或可自动化的第一步骤中，用至少一个照射矢量13实施对衬底10、也就是说例如(阳极氧化的)薄铝板、钢箔或相纸的照射。衬底10被布置在设备1的承载装置5的承载元件9上。对衬底10的照射在第一照射位置z1上实施，在该第一照射位置上衬底10相对于参照点11被布置在一个特定的z轴位置上，也就是说，在该第一照射位置上衬底10相对于参照点11在z方向上被布置在一个特定的距离下。参照点11例如是照射装置6的激光束出发点，也就是说这样的点，在该点处激光束2从照射装置6进入设备1的过程室3中。
该方法的自动化的或可自动化的第二步骤可以被划分成多个分步骤。在一个相应的分步骤中衬底10被布置在一个特定的、与前面的照射位置z1不同的照射位置zn上并且用至少一个照射矢量13照射，在该照射位置zn上衬底10相对于参照点11被布置在一个特定的(与前面的z轴位置不同的)z轴位置上，也就是说在该照射位置上衬底10相对于参照点11在z方向上被布置在一个特定的距离下。另外的照射位置zn关于它们各自的z轴位置被错开例如在0.5mm和1mm之间的范围中的偏移量，尤其是0.1mm的偏移量；照射位置(z1–zn)在z方向上因此例如以在0.5mm和1mm之间的范围中的偏移量被相互间隔开。在图1中，为了清晰起见，衬底10纯示范性地仅仅在两个照射位置z1，zn上示出，其中，一个虚线地和一个实线地画出。
用于在各个另外的照射位置zn上照射衬底10的照射矢量13在x和/或y方向上或在通过x轴和y轴形成的平面上也被相互相间隔地布置或定向，如在更下面结合对在图2中示出的照射图案12的描述所解释的那样。使衬底10相对于参照点11运动到各个照射位置zn或z轴位置上通过使承载元件9相应地运动到对应于各个照射位置的z轴位置上来实施。
通过相应于各个照射矢量13被照射的衬底区域在衬底10上形成限定的照射图案12(参见图2)。照射图案12包括用于在不同的照射位置z1–zn上照射衬底10的照射矢量13，或通过用于在不同的照射位置z1–zn上照射衬底10的照射矢量13形成。用于在相应的照射位置z1–zn上照射衬底10或用于在相继的或不同的照射位置z1–zn上照射衬底10的照射矢量13被分配给或可以被分配给各个相继的或不同的z轴位置。
在该方法的自动化的或可自动化的第三步骤中，关于通过照射产生的颜色或对比度区域或颜色或对比度差异，进行对照射图案12的自动化的或可自动化的光学检查。可光学检测的颜色或对比度区域或可光学检测的颜色或对比度差异可以理解为在照射图案12中的具有可光学检测的色差或对比度的区域。在此通常涉及的是可光学地精确地检测的明暗区域，也就是说这样的区域，在该区域中照射图案12或衬底10或被照射的衬底表面具有(较)明亮的和(较)暗的区域。通过用于在相应的照射位置z1–zn上照射衬底10或用于在相继的或不同的照射位置z1–zn上照射衬底10的照射矢量13被分配给或能够被分配给相继的或不同的z轴位置，在照射图案12中光学检测的颜色或对比度区域也可以被分配给相应的照射位置z1，zn或z轴位置。
在该方法的自动化的或可自动化的第四步骤中，基于检测的光学的对比度区域确定激光束2的焦点位置。在此利用这样的事实，即较明亮的区域表示激光束2没有被聚焦，和(相比之下)(较)暗的区域，参见画阴影线突出的区域15，表示激光束2被聚焦。通过所描述的将在照射图案12中光学检测到的颜色或对比度区域分配给相应的照射位置z1，zn或z轴位置的可能性，可以精确地确定激光束2在哪个照射位置或z轴位置上被聚焦。
在该方法的可能的第五步骤中，只要需要，基于激光束2的被确定的焦点位置，相对于在实施选择性建造过程的范围中设备1的要选择地照射的建造区，实施照射装置6的布置和/或定向的尤其是自动化的匹配。
图2在俯视图中示出按照一个实施例的照射图案12的原理图。
借助于图2可以看见，照射图案12可以通过特定的可光学检测的几何分配特征14形成，其中，相应的分配特征14被分配给特定的照射位置z1，zn和/或特定的z轴位置。通过专门地产生相应的可光学检测的几何分配特征14，可以形成在z轴的方向上的标度(z-标度)，该标度(大大地)简化了在所描述的对激光束2的焦点位置的确定的范围中进行的、将相应的颜色或对比度区域向特定的照射位置z1，zn或特定的z轴位置的分配。
在图2中示出的实施例中，照射图案12具有锯齿形的几何形状或锯齿形的(外)轮廓。例如使用锯齿的尖顶作为特定的可光学检测的几何分配特征14，该尖顶分别被分配以特定的照射位置z1，zn和/或特定的z轴位置。可以通过产生平行地布置的或定向的照射矢量13形成相应地锯齿形的照射图案12，照射矢量在其长度上有差异，由此产生锯齿形的照射图案12。平行地布置的照射矢量13在该实施例中在x轴的方向上被平行地布置并且关于它们各自的x轴位置被错开一在0.1mm和1mm之间的范围中的偏移量、尤其是0.2mm的偏移量地布置。照射矢量13的间距被如此窄地选择，使得在激光束2的要确定的或被确定的焦点位置上照射矢量13可以仅被检测为单独的照射矢量13。
借助于图2此外可以看见，照射图案12通过可光学检测的分配特征16形成，该分配特征16限定照射图案12的开始部或被分配给照射图案12的开始部。分配特征16在按照图2的实施例中是可光学检测地突出于其余的照射图案12的尺寸之外的线。该线通过相比之下较长的照射矢量13形成。通过分配特征16可以以简单的方式限定或检测要光学地评价的照射图案12的开始部。
为了通过检测在照射图案12中的不同的光学的对比度区域光学地评价照射图案12和为了基于检测的光学的对比度区域确定激光束2的焦点位置，使用在设备侧存在的检测和/或确定装置16。检测和/或确定装置16可以包括用于检测在照射图案12中的不同的光学的对比度区域的光学的检测机构17，尤其是摄像机，和用于基于检测的光学的对比度区域确定激光束2的焦点位置的评价机构18。检测和/或确定装置16可以配备合适的检测和/或确定算法，尤其是光学的评价算法。
但是备选地或补充地，也可能的是，为了通过检测在照射图案12中的不同的光学的对比度区域光学地评价照射图案12和为了基于检测的光学的对比度区域确定激光束2的焦点位置，使用在使用者侧或用户侧的移动式终端设备、尤其是智能手机、平板电脑、笔记本电脑等等中存在的检测和确定装置。检测和/或确定装置可以–类似于在设备侧存在的检测和/或确定装置16–包括用于检测在照射图案12中的不同的光学的对比度区域的光学的检测机构，尤其是摄像机，和用于基于检测的光学的对比度区域确定激光束2的焦点位置的评价机构。检测和/或确定装置可以配备合适的检测和/或确定算法，尤其是光学的评价算法，并且例如被实施成所谓的―app”。