用于校准至少一个用于添加式地制造三维物体的设备的方法与流程

本发明涉及一种用于校准至少一个用于通过依次逐层地选择性照射和固化由能借助能量束固化的建造材料构成的层来添加式地制造三维物体的设备的方法，所述能量束能经由所述设备的照射装置的照射元件产生，其中设置了用于确定过程室内部的至少一个照射参数的确定单元。

背景技术：

一般从现有技术获知用于添加式地制造三维物体的设备，其中使用能量束来选择性地照射并由此固化设备的过程室中的(粉末状的)建造材料。这样的设备典型地包括具有至少一个照射元件的照射装置，能够在过程室内部经由所述照射元件出射能量束以照射例如布置在建造平面中的建造材料。为了确保能量束被适当地引导到建造平面上，还已知提供一种确定单元，其适配于确定过程室内部的至少一个照射参数，通常为能量束的参数。

因此，确定单元能够用于判定在过程室内部产生和引导的能量束的至少一个参数是否满足规定要求，例如能量束的强度是否在规定区间内或满足规定值。因此，能够确保建造材料内消耗正确量的能量，这对于过程和物体品质是至关重要的，因为偏离建造材料中必须消耗的标称能量会负面地影响固化过程并因此可能导致物体的缺陷。

此外，由现有技术已知经由不同照射元件、即不同能量束照射的两个物体或一个物体的两个部分可能呈现不同特性，诸如机械表现，因为不同能量束的所述至少一个参数可能不同。因此，还有必要确定并比较不同能量束的所述至少一个参数。通常，判定仅经由对单独的设备设置的确定单元执行，其中确定单元中的缺陷——例如，确定单元的光学组件中的偏差——可能导致针对不同设备或不同能量束的不同判定结果，因为使用不同的确定单元来确定所述至少一个参数。因此，校准例程将引起针对所述至少一个参数的不同标称值，因为不同能量束的所述至少一个参数已被不同地确定。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种用于校准至少一个用于添加式地制造三维物体的设备的方法，其中改进了确定单元和/或照射装置的校准，特别是其中能够减少或避免不同能量束的校准的偏差。

通过根据权利要求1所述的方法来创造性地实现该目的。本发明的有利实施例记载于从属权利要求。

本文所描述的方法为一种用于校准至少一个用于通过依次逐层地选择性固化由能借助能量源——例如，能量束，特别是激光束或电子束——固化的粉末状的建造材料(“建造材料”)构成的层来添加式地制造三维物体——例如，技术结构件——的设备的方法。相应的建造材料可以为金属、陶瓷或聚合物粉末。相应的能量束可以为激光束或电子束。相应的设备可以为例如选择性激光烧结设备、选择性激光熔化设备或选择性电子束熔化设备。或者，建造材料的依次逐层选择性固化可经由至少一种粘结材料来执行。该粘结材料可使用对应的涂布单元涂布并且例如利用合适的能量源——例如uv光源——进行照射。

设备可包括在其运行期间使用的多个功能单元。示例性的功能单元为：过程室；照射装置，其如前所述适配于使用至少一个能量束选择性地照射设置在过程室中的建造材料层；和流产生装置，其适配于产生具有给定的流动特性——例如，给定的流动轮廓、流速等——的至少部分地流经过程室的气态流体流。气态流体流在流经过程室的同时能够携带/夹带未固化的颗粒状建造材料，尤其是在设备运行期间产生的烟雾或烟雾残留物。所述气态流体流典型为惰性的，也就是典型为惰性气体——例如氩气、氮气、二氧化碳等——的流。

本发明基于以下思想：在设备的过程室内部、特别是建造平面或建造平面上方的区域中布置或产生有校准束源，其中经由确定单元来确定由校准束源出射的辐射的至少一个参数，特别是强度，并且其中根据所确定的所述至少一个参数来校准照射装置和/或确定单元。

因此，所述至少一个能量束的所述至少一个参数不仅经由为用于添加式地制造三维物体的设备设置的确定单元确定，而且在设备的过程室内部布置或产生校准束源。校准束源适配于产生辐射、特别是校准束，诸如能量束，例如激光束或电子束。当然，校准束源可以适配于产生可以沿相同或不同方向出射的多个校准束。一般而言，能够使用任何类型的辐射源作为校准束源，例如发光二极管、电子束源、激光源、灯，特别是(发光)丝，诸如电灯泡，等等。校准束源还可以包括各种光学元件，诸如遮光片、滤光片、针孔、光圈、透镜等。

如前所述，校准束源被布置在过程室内部或在过程室内部产生，在过程室中校准束源出射要经由设备的确定单元确定的至少一个校准束。因此，确定单元适配于确定校准束源的至少一个参数，特别是空间扩展，例如(摄像机)传感器上的校准束源的尺寸，和/或校准束源的强度(例如光电二极管的信号高度)，即由校准束源出射的辐射的强度。此外，可以调整确定单元——例如，摄像机——的焦点位置。这能够通过聚焦在规定图案——例如，由校准束源提供的线图案——来执行。校准束源例如可以适配于(例如，使用合适的遮光片或光圈)提供不同的光斑大小和/或不同的辐射图案。因此，可以对不同强度或不同光斑大小/照射图案确定不同的参数。

取决于由校准束源出射的辐射的至少一个确定的参数，可以校准用于添加式地制造三维物体的设备，特别是能够执行确定单元和/或照射装置的校准。由于校准束源的辐射图案是已知的，所以特别是可以推断确定单元是否正确地确定校准束源的所述至少一个参数或者确定单元确定的所述至少一个参数与由校准束源出射的校准束的所述至少一个参数的(已知)标称值之间是否存在偏差。

优选地，可以将校准束源布置在不同的用于添加式地制造三维物体的设备中，以确保能够同等地校准不同设备的确定单元和/或照射装置，因为能够在不同设备的过程室内部产生由同一校准束源产生的相同辐射图案。因此，能够考虑或能够通过基于具有已知的辐射特性的同一校准束源执行判定过程来补偿由各个确定单元执行的判定过程中例如由于在不同的确定单元中使用的光学组件的状态或不同光学组件或者确定单元的维护状态而出现的偏差。

因此，特别优选的是，校准束源包括规定的辐射图案，其中能够经由确定单元来检测由校准束源出射的辐射的至少一部分。因此，不必设置单独的确定单元，但可以使用经由本发明的方法校准的为设备设置的确定单元。除了不必设置单独的确定单元的事实之外，能够校准设备的确定单元，因为确定单元确定的所述至少一个参数与已知的标称参数之间的偏差能够用来校准确定单元。

例如，能够使用具有规定辐射图案的校准束源，其例如出射强度为10w的校准束。如果经由确定单元确定的强度偏离10w的(已知)标称强度，则需要校准确定单元。例如，如果确定单元确定5w的强度，则能够相应地校准确定单元以补偿偏差。当然，可以考虑各种其它参数，因为所确定的参数可以取决于这些不同参数，诸如取决于波长的吸收或局部改变的吸收。当然，能够以相同方式校准照射装置和/或能够基于经由确定单元执行的判定来控制或基于对确定单元的校准来控制照射装置。

根据本发明的方法的另一实施例，可以执行其中通过扫描过程室的至少一个区域(校准束源布置在该过程室的所述至少一个区域中)来确定由校准束源出射的辐射的至少一个参数的扫描作业，其中针对x-y平面、特别是建造平面中的至少两个位置确定所述至少一个参数。因此，根据本实施例，能够通过扫描过程室内部的区域——例如布置在x-y平面中的建造平面——来执行扫描作业。x方向或y方向例如可大致垂直于z方向布置，所述z方向平行于在其上添加式地制造物体的建造方向。还可以仅扫描建造平面的规定部分或扫描整个建造平面。术语“扫描”可以指针对x-y平面中的多个位置确定所述至少一个参数。

通过在多个x和y位置确定所述至少一个参数，可以更精确地或更可靠地确定所述至少一个参数，因为能够比较多个判定结果，特别是能够对判定结果执行各种操作，诸如确定平均值、最小值、最大值等。

优选地，可针对x-y平面中、特别是建造平面的至少一部分中的多个位置确定所述至少一个参数，其中可以生成所确定的参数在其中在空间上被解析的映射图。因此，能够生成其中能够在空间上解析经由校准束源出射的辐射的所述至少一个参数的映射图。这允许确定所述至少一个参数在x-y平面上的变动，并且特别是对判定结果执行各种操作，诸如产生平均值，找出所述至少一个参数的最小值和/或最大值，或将一函数拟合至所确定的参数。

此外，可以确定所述至少一个参数的最大值，特别是强度最大值。因此，能够执行最大值确定程序，其中能够确定由校准束源出射的辐射的所述至少一个参数的最大值(或最小值)。例如，如果生成其中所确定的参数在空间上——例如，在x-y平面上——被解析的映射图，则能够确定并且能够存储/保存所述至少一个参数的最大值。本实施例允许确定所述至少一个参数的最大值，例如经由确定单元确定的校准束的强度的最大值。因此，校准束源在过程室内部的精确布置或定位不是很重要，因为能够扫描x-y平面并且能够确定强度的最大值。因此，校准束源能够几乎任意地布置在过程室的内部，只要校准束源处于x-y平面的在扫描作业期间被扫描的区域内即可。此后，所述至少一个参数的最大值能够被确定并且能够用于校准过程。因此，能够避免校准束源的定位的失准或误差导致不同的判定结果并因此负面地影响不同的校准数据。

也可以将一函数拟合至所确定的参数，以确定校准束源的位置。例如，如果所确定的参数被噪声信号覆盖，则通过确定参数的最大值对最大值的唯一确定可能不会正确地识别校准束源的位置，例如中心。因此，拟合函数或使用参数的其它特征——例如特定区域的平均值——或使用中值或标准偏差或将一函数拟合至所确定的数据可以更可靠地识别校准束源的位置。

优选地，可以基于所确定的参数与校准束源的标称参数的偏差来校准确定单元和/或照射装置。因此，校准束源的标称参数是已知的，因为校准束源包括规定的辐射图案。例如，所述至少一个校准束——即经由校准束源出射的辐射——的强度是已知和明确规定的。由于经由设备的确定单元确定校准束源的辐射的所述至少一个参数，所以能够识别判定结果与标称参数之间有无偏差。因此，能够基于所确定的参数与标称参数之间的偏差来校准确定单元和/或照射装置。这确保了经由校准束源校准的每个设备以相同方式被校准，或换而言之，校准基于校准束源的同一标称参数而被执行。

例如，第一设备可以包括通过确定由校准束源出射的辐射的至少一个参数——例如5w的强度——来推断第一判定结果的确定单元。第二设备可以包括通过确定由校准束源出射的辐射的至少一个参数——例如20w的强度——来推断第二判定结果的第二确定单元。例如，由校准束源出射的辐射的至少一个参数是公知的且为10w，因此能够以偏差能够被补偿的方式相应地校准第一确定单元和第二确定单元。因此，通过在建造材料中部署相同量的能量，能够以相同方式控制第一设备和第二设备的能量束。因此，使用第一设备和第二设备制造的两个物体包括相同的物体品质，特别是相同的物体特性，因为对固化过程使用了相同量的能量。当然，也可以校准用于其它目的——诸如确定从建造平面出射的辐射的至少一个参数，例如从熔池出射的热辐射——的确定单元。

根据本发明的方法的另一实施例，可以执行不使用能量束的建造作业作为扫描作业或可以执行关于校准束源、特别是校准束源的布置规定的扫描作业。在第一替代方案中，可以执行其中不使用或关闭定期用于照射和固化建造材料的能量束的建造作业作为扫描作业。因此，设备的确定单元能够用来扫描x-y平面，特别是建造平面，与通常的制造过程中一样。代替如常规制造过程中那样确定能量束的至少一个参数，确定单元确定由校准束源出射的辐射的至少一个参数。有利地，不需要其它程序来执行该校准方法，因为仅校准束源将被布置在过程室的内部并且能量束必须例如被关闭或中断(blanked)。

附加地或替代地，也可以使用设备的能量束(或另一能量束)来产生校准光源。因此，能量束可以用来消耗材料中的能量，该材料用作校准束源并且出射能够经由确定单元确定的辐射。如果材料的品质和特性是已知的并且满足能量束的规定参数，则被照射的材料(例如，建造材料)能够被用作校准束源。该材料可以反射能量束或出射辐射，诸如热辐射。

根据第二替代方案，扫描作业能够特别适配于校准过程，特别是扫描作业能够适配于校准束源的布置。这例如允许仅必须扫描x-y平面的小部分，例如建造平面的供布置校准束源的部分。因此，能够减少扫描所需的时间，因为不必扫描完整的x-y平面或建造平面，而是可以将该区域限制为校准束源布置在其中的区域。此外，能够考虑校准束源的其它特征，诸如由校准束源出射的辐射的波长。也可以使用出射具有规定特性——例如，强度，特别是相同强度但不同波长——的辐射的至少两个校准束源。因此，能够识别所确定的参数对给定(辐射)特性的依从性。

此外，校准束源可以布置在具有规定尺寸的至少一个接收单元上，该接收单元能够布置在过程室中，例如设备的建造平面中。该接收单元可以是高精度地制造的单元，诸如金属板，其具有校准束源能够布置在其中的接收区段。因此，接收单元允许精确和可重复地定位校准束源。通过使用接收单元，在过程室内部布置或产生校准束源的区域能够进一步减小，从而允许更快的判定过程，因为能够进一步减小校准束源能够布置在其中并且必须扫描以便正确地检测校准束源的区域。因此，可以根据校准束源在接收单元上的位置来执行扫描作业。因此，接收单元限定校准束源在x-y平面中的位置。因而，能够执行扫描时间与校准束源的检测精度之间的折衷。

此外，接收单元可以包括校准束源能够布置在其中的多个接收区段。也可以的是，多个(不同的)校准束源能够被接纳在由接收单元提供的多个接收区段中。而且，接收区段可以被充填合适的材料，能够使用能量束照射该材料以产生校准束源，如前所述。

根据本发明的方法的另一实施例，可以使用出射具有不同强度和/或不同波长和/或光斑大小的辐射的校准束源确定所述至少一个参数。因此，可以使所述至少一个校准束源出射具有不同强度的辐射，例如以通过提供不同强度来提高对确定单元和/或照射装置的校准的质量，因为所确定的参数与标称参数的偏差对于检测到的辐射的不同强度可以不同。

此外，可以具有适配于出射不同波长的至少一个校准束源，其中能够进一步改进校准过程，因为确定单元能够针对不同波长包括不同偏差。另外，可以的是，至少一个校准束源适配于从不同的光斑大小出射辐射。

也可以设置至少两个——优选不同的——校准束源，其可用来出射具有不同强度和/或不同波长和/或光斑大小的辐射。例如，可以设置多个发光二极管作为校准束源，其中每个校准束源可以用来出射具有不同强度或不同波长的辐射。也可以具有适配于出射不同强度的多个校准束源，例如，在一个确定步骤中，每个校准束源可适配于产生具有第一强度和/或第一波长的辐射，而在第二确定步骤中，每个校准束源可适配于出射具有第二强度和/或第二波长的辐射。当然，两种方法的任意组合是可行的。

本发明的方法能够进一步进行以下改进：可以根据经由所述至少一个校准束源出射的辐射的至少一个确定的参数来控制照射装置的至少一个照射元件的至少一个能量束的至少一个能量束参数，特别是能量输出。因此，能够反馈控制经由照射装置产生的至少一个能量束，因为确定单元能够在添加式制造过程中(即时)确定所述至少一个能量束的至少一个参数，例如能量束的强度或能量束的能量输出。

由于可以根据确定单元的确定结果来执行由照射装置产生的至少一个能量束的控制，所以能够基于已为了校准确定单元而执行的校准来执行对照射装置的控制。也可以直接校准照射装置，其中能够通过控制照射装置——例如通过使用偏离值或修正发送到照射装置的控制信号的乘法因数或查找表——来考虑由确定单元执行的确定结果与由校准束源出射的辐射的标称参数之间的可能偏差。查找表可以将所述至少一个参数在空间上与在x-y平面(如映射图)中的位置关联。

根据本发明的方法的另一实施例，可以对分配给同一设备、特别是同一建造平面的至少两个确定单元和/或照射装置确定所述至少一个参数，和/或可以对分配给不同设备的至少两个确定单元和/或照射装置确定所述至少一个参数。因此，能够针对同一设备的多个确定单元和/或多个照射装置根据本发明的方法来执行校准，以确保经由确定单元确定的过程室内部的辐射的至少一个参数传递相同的结果。此外，能够相应地校准照射装置的控制，以确保经由照射装置产生的能量束在建造材料中部署相同量的能量。因此，确保了使用不同能量束制造的物体的所有区域或区段接收适量能量并且能够减小或避免损害物体品质和/或过程品质的物体中的偏差。

此外，可以确保在使用不同确定单元和不同照射装置的不同设备中建造的两个物体包括相同的特性，特别是机械特性，因为使用同一校准束源校准分配给不同设备的确定单元和/或照射装置。因此，确定单元和照射装置两者基于由校准束源出射的辐射的同一参数而被校准。

此外，本发明涉及一种用于通过依次逐层地选择性照射和固化由能借助能量束固化的建造材料构成的层来添加式地制造三维物体的设备，其中确定单元适配于确定由布置或可布置在或产生于设备的过程室中的校准束源出射的辐射的至少一个参数，特别是强度，其中控制单元适配于根据所述至少一个参数来校准照射装置和/或确定单元。控制单元尤其可以被视为确定单元或照射装置的一部分。当然，也可以具有分配给设备的一个或多个单独的控制单元。

此外，本发明涉及一种用于添加式地制造三维物体的设备、特别是如前所述的本发明的设备的确定单元，该设备适配于产生能量束，其中确定单元适配于确定由布置或可布置在或产生于设备的过程室中的校准束源出射的辐射的至少一个参数，特别是强度，其中控制单元适配于根据所述至少一个参数来校准照射装置和/或确定单元。

当然，关于本发明的方法描述的所有特征、细节和优点可全部转移至本发明的设备和本发明的确定单元。优选地，本发明的设备适配于特别是使用本发明的确定单元执行本发明的方法。

附图说明

参考附图描述本发明的示例性实施例。附图为示意图，其中

图1示出本发明的设备；以及

图2示出图1的本发明的设备的建造平面的俯视图。

具体实施方式

图1示出用于通过依次逐层地选择性照射和固化由能借助能量束固化的建造材料构成的层来添加式地制造三维物体的设备1。设备1包括确定单元2，该确定单元适配于确定由校准束源4出射的辐射3的至少一个参数，例如强度。校准束源4布置在设备1的过程室5中，其中过程室5围出在设备1的常规运转时在其中发生添加式制造过程的容积。

设备1还包括控制单元6，该控制单元适配于根据所确定的至少一个参数来校准照射装置7和/或确定单元2。在设备1的该示例性实施例中，控制单元6用来校准确定单元2，如下面将描述的。照射装置7包括至少一个照射元件(未示出)，例如激光源或电子源，其中照射装置7适配于在设备1的常规运转模式中产生和引导能量束8。换而言之，能量束8能够在建造平面9中产生并被引导，在建造平面9中通常布置有建造材料，以选择性照射和固化该建造材料，从而添加式地建造三维物体。当执行校准方法时，能量束8不会被使用，例如被中断或关闭(经由虚线表示)。尽管未示出，但是也可以使用能量束8以通过用能量束8照射规定材料(如建造材料)来产生校准束源，其中所述材料优选地布置在建造平面9中。所产生的校准束源可出射辐射3，正如如前所述的校准束源4那样。

换而言之，校准束源4布置在过程室5的内部，特别是位于x-y平面中的建造平面9中。校准束源4适配于出射辐射3，例如具有规定辐射图案、特别是规定强度的校准束，诸如激光束、电子束或(可见)光。在该示例性实施例中，由校准束源4出射的辐射3朝向照射装置7传播，特别是传播到束引导单元，诸如x和y扫描器(未示出)。束引导单元用于在设备1的常规运转模式中引导建造平面9中的能量束。辐射3因此能够经由照射装置7的束引导单元被引向确定单元2，其中x-y平面、特别是建造平面9能够由于束引导单元如经由线10所示的移动而被扫描。因此，能够经由确定单元2检测通过校准束源4出射的辐射3并且能够经由确定单元2确定辐射3的所述至少一个参数。

在图1、2所示的示例性实施例中，校准束源4被接纳在承载于设备1的承载元件12上的接收单元11(任选)内。承载元件12在设备1的常规运转模式中承载一定体积的建造材料，例如承载其中通过选择性照射和固化来添加式地建造物体的粉末床。接收单元11优选是高位置制造的元件，例如具有用于校准束源4的凹槽的金属板。如前所述，也可以经由至少一个能量束照射接收单元的至少一部分。

如示出校准束源4和接收单元11的俯视图的图2所示，在凹部13(经由虚线示出)中能够设置有另外的校准束源4。因此，可能的是，多个校准束源4能够布置在x-y平面(经由箭头14表示)中的不同位置。每个校准束源4能够设置用于出射具有特定波长和特定强度的辐射，或能够设置适配于出射具有可调节波长和/或可调节强度的辐射的至少一个校准束源4。

确定单元2特别是可以确定经由校准束源4在x-y平面中的多个位置出射的辐射3的至少一个参数并且还生成所确定的参数在其中在空间上被解析的映射图。换而言之，能够对x-y平面中的任意点或位置存储所确定的参数的值。特别地，可以对所确定的参数执行操作，诸如找出最小值或最大值。因此，能够执行最大值确定程序，其中确定单元2确定经由校准束源4在x-y平面中出射的辐射3的参数的最大值。

参数的最大值(例如最大强度)能够用于校准过程。因此，最大值确定程序允许将校准束源4定位在建造平面9(x-y平面)中的任意位置，其中针对在最大值确定程序中推导的所述至少一个参数的最大值识别校准束源4的精确位置。因此，x-y平面中具有最高强度的位置能够被识别为校准束源4的位置。因此，不需要校准束源4的非常精确的定位。然而，通过具有非常精确地制造的接收单元11，能够显著减小确定单元2确定所述至少一个参数(扫描建造平面9)的面积。

在已确定经由校准束源4出射的辐射3的至少一个参数之后，能够将所确定的参数与该参数的(已知)标称值进行比较，因为校准束源4包括明确规定的照射图案，例如明确规定的强度。能够以所确定的参数与已知参数之间的偏差作为校准的基础，因为与规定参数的偏差指示确定单元2是否被适当地校准。

例如，如果使用出射具有10w的强度的辐射3的校准束源4并且确定单元2确定20w的强度，则必须相应地调节(校准)经由确定单元2确定的值。特别是能够针对不同波长或不同强度执行确定，因为确定单元2可以针对不同强度和/或波长需要不同校准。

换而言之，为了校准设备1，校准束源4优选使用接收单元11插入过程室5中，特别是建造平面9中。因此，能够使用确定单元2检测经由校准束源4出射的辐射3，其中能够确定辐射3的至少一个参数。此后，能够将所确定的参数与标称参数进行比较，以判断所确定的参数与标称参数之间是否存在偏差。确定单元2能够基于所获取的数据来生成校准数据。当然，也可以通过使用所生成的校准数据来校准照射装置7，以考虑由确定单元2执行的判定过程中的偏差来产生所述至少一个能量束8。

当然，如果存在多于一个的确定单元2或要例如在不同设备1或同一设备1中使用不同能量束8制造不同物体，则能够对每个确定单元2或每个照射装置7执行确定且特别是校准过程。

当然，本发明的方法能够在设备1上执行。例如，能够利用校准束源4的不同特性(如强度、波长或尺寸)来执行该校准方法。因此，可以针对校准束源4的不同特性生成不同的校准数据。