用于制造三维物体的装置和方法与流程

本发明涉及一种用于通过相继地在与物体的相应的横剖面对应的位置处固化能借助于辐射固化的构建材料的层来制造三维物体的装置，所述装置具有：构建室，在该构建室中布置有用于支承物体的、具有高度可调的支架的支承装置；用于在与物体的相应的横剖面对应的位置处对构建材料的层进行辐射的辐射装置；以及用于拍摄对构建室进行描摹的至少一个图像数据组的图像拍摄装置。

背景技术：

当提到上述的图像拍摄装置时，还包括使用c-mos或ccd技术的装置，也就是说其中由单个像素数据产生图像的装置。因此，应该如此理解概念“图像拍摄装置”，即也包括这种电子装置。

已知一种成型方法，其中在预设的位置处层状地固化材料，以便如此形成三维物体。在此，原则上可以固化像立体光刻工艺中的液体，或者激光烧结(sls)或者激光熔融(lsm)工艺中的粉末。在此，层状地降低已经完成的层并涂抹新的层，以便把构建材料固化在期望的位置处。

在层状地涂抹时，可能出现错误涂抹。此外，对构建材料的不同的加热也是一个问题，因为由此会损害完成的三维物体的强度。

因此还已知，使用用于监控构建空间或构建室的摄像机。ep2032345b1教导了用于选择性激光粉末加工的装置，其中相对于用于固化粉末的激光束，追踪了摄像机或光电二极管装置或者ccd装置。

在此还已知，根据图像数据修正激光的输入能量或者停留时间，从而控制每面积部段的能量输入。由此可以避免同一个面积区域的多次熔融。

在此，尽管进行了所有的改进仍然还存在问题，即根据摄像机拍摄的图像数据或者由此导出的数据不具有所需的精度，在导出的数据——像熔池的温度、即熔融的和仍未再次固化的构建材料的温度——的预测中具有过大的公差。

技术实现要素：

因此本发明的任务在于，提出一种前述类型的装置，其中提高了拍摄的图像数据的处理质量。

为了完成该任务，建议了具有根据权利要求1所述特征的装置。由从属权利要求得到有利的改进方案。

本发明的核心在于，能借助于构建室中一个或多个位置标记校准图像拍摄装置。即已经证明的是，在图像拍摄设备的图像数据的进一步使用中，不精确性和位置相关且进而在图像中存在信息和位置之间的相关性。相应地，图像拍摄设备的这种和位置相关的测量不精确性通过校准来补偿。

在本申请中，校准也就如下地涉及信息获取，即在构建过程期间拍摄的图像数据组中能够补偿测量不精确性。这些测量不精确性取决于结构且不能通过图像拍摄设备的重新定位来消除。

相应地，位置标记不被设想用于，在构建室中标记特定的位置，而是标记特定的图像位置。通过分析对位置标记进行描摹的图像区域可以得到用于补偿测量不精确性的数据。

在校准时需要考虑任意一个值作为标准值。与该标准值的偏差被用于得到一个校准数据或者多个校准数据。该标准值可以是通过摄像机拍摄的图像数据组的图像中心中的强度值。可选地，可以涉及在整个图像中或者在可预定的图像区域中最明亮或最暗淡的强度值。下面将进一步说明其他设计方案。

在图像拍摄设备和构建室之间可以布置具有至少一个镜子的镜装置。该镜装置用于偏转通过激光设备发出的用于固化构建材料的激光束。然而，通过该镜装置也可以拍摄至少部分地描摹构建室的图像数据。

有利地，至少一个位置标记可以布置在构建室的底部上或者构建室的底部处的底板上。和位置相关的测量不精确性涉及由构建材料制成的层，所述层位于所谓的构建平面中且利用激光束被辐射或者应该利用激光束被辐射。构建平面是与所述底部和与所述底板平行的平面。因此，借助于分布在底部上的位置标记可以实现最佳的校准。

优选可以在位置标记上方布置有透光的热保护装置、尤其是由玻璃陶瓷制成的热保护装置。如果位置标记是热敏的，则其通过玻璃陶瓷层保护，因为该玻璃陶瓷层为位置标记屏蔽了由激光束输入的且通过构建材料继续传导的热量。

优选规定了，位置标记至少部分地或以和支撑位置相关的方式模拟在构建室中使用的构建材料的均匀反射性。这如此完成，就像构建材料具有预定的在整个构建平面中恒定的热辐射。在此输出的电磁辐射通过位置标记模拟。在极端情况下，位置标记是对底部或者底板整体或者部分地进行加载的照明设备。

为了能价廉地实现位置标记，该位置标记设计为led灯。其优选发射700nm至1100nm的可见的和红外线的波长范围内的光，尤其是发射800nm和900nm之间的波长的光。在此，涉及一种波长或波长范围，这种波长或波长范围也由被加热的构建材料输出。通过在理想条件下，尤其是鉴于视为恒定的温度时模拟构建材料的辐射可以实现，在示出一个或多个位置标记的图像数据组的图像区域的图示中与另一个图像区域的偏差仅仅会归因于图像拍摄设备的和位置相关的测量不精确性，由此可对其进行修正。

基本上不重要的是，是利用唯一的位置标记还是利用多个位置标记实现在底部或底板的区域上均匀的光输出。然而优选设置多个位置标记。这样做的优点是，在位置标记失效时，仍然始终能够校准图像拍摄设备。则优选位置标记分别具有尤其是平行的、预定的光发射角。图像拍摄设备描摹平行的光辐射，由此可以特别简单地确定和修正和位置相关的测量不精确性。

在使用多个位置标记时，位置标记形成了支撑位置。可以对位于其间的区域进行插值处理。

也就是说使用了描摹至少一个位置标记的图像数据组，以便获得至少一个校准信息或者校准数据。这在构建过程之前发生。借助于校准数据则在构建过程期间对描摹构建室中的构建平面的图像数据组进行修正，从而清除由此导出的数据、如温度数据中的和位置相关的测量不精确性。

用于制造三维物体的装置优选是激光熔融或者激光烧结装置。

图像拍摄装置优选设计为照相机或摄像机。即它们可以拍摄单个的图像或图像数据组或者连续的图像数据组。图像拍摄装置优选设计用于在可见光的范围内或者在红外线范围内进行拍摄。

此外，本发明还涉及一种用于通过生长式构建方法制造三维构件的方法，其中通过由辐射源向可固化的构建材料施加影响来相继地固化单个层的固定的区域从而完成构件，其中所述区域在彼此间隔开的单个部段中固化，以及其中图像拍摄装置设置用于拍摄容纳了构建材料的构建室的至少一个图像数据组。该方法的特征在于，借助于发射光的至少一个位置标记利用图像拍摄设备拍摄至少一个图像数据组作为参考图像数据组，根据至少一个参考图像数据组进行对在构建过程期间拍摄的图像数据组的修正。

附图说明

下面根据附图和实施例得到本发明的其它优点、特征和细节。其中：

图1示出用于制造三维物体的装置；

图2以剖面图示出构建室的底部区域中的结构；

图3示出第一设计方案的位置标记；

图4示出第二设计方案的位置标记；

图5示出第三设计方案的位置标记；

图6示出校准数据组；以及

图7示出用于执行校准的流程图。

具体实施方式

图1示出用于通过相继地固化可固化的粉末状构建材料的层来制造三维物体的装置1。在此，所有对本发明来说不重要的元件，例如像用于输入惰性气体的、始终应该设置的气体输入装置在附图中未具体示出。示出具有计量室3、构建室4以及溢出室5的构建模块2。通过计量室3和构建室4可移动施加装置6以用于把构建材料7从计量室3输送至构建室4。构建材料涉及金属或者塑料制的粉末状可固化的材料。

支承装置8位于构建室4中。借助于支承装置8可在高度上调节三维物体9。构建室4中的相应最上层构建材料7形成构建平面10。构建平面10中的构建材料7借助于激光束在相应的位置处固化。一旦具有构建材料7的层在构建室4中固化在期望的位置处，则降低支承装置8，并利用施加装置6把构建材料7的新的层从计量室3输送至构建室4。为了在计量室3中提升构建材料7，该计量室同样具有支承装置11。

在构建模块上方存在镜装置12，利用该镜装置可偏转由激光束装置13输出的激光束14，从而对构建平面10的相应期望的区域进行辐射。在激光束14的光路中还存在透镜装置15以及分光镜16。利用透镜装置15聚焦激光束14，而分光镜16一方面可被激光束14穿透，且另一方面把光朝向作为图像拍摄设备的摄像机17偏转。因此摄像机17可以拍摄构建平面10。

摄像机17与控制设备18连接。在此，该控制设备可以涉及配属于摄像机17的控制设备18，其也可以涉及装置1的控制设备18，该控制设备执行多个控制任务，例如控制激光束装置13和/或镜装置12。

镜装置12和透镜装置15可以分别包括一个或多个反射镜或透镜。

在形成构建室4的底部的构建室4支承装置8上存在底板19。在底板19中存在凹部，在凹部中布置有led灯20作为位置标记。在底板19上还有玻璃陶瓷板21作为用于led灯20的热保护件。在构建第一层时，通过激光束14把大量的热量朝着led灯20输出。通过玻璃陶瓷板21使led灯20免受热伤害。

图2示出构建室2的底部上的结构的横剖面。在该横剖面中示出了支承装置8的支架22、具有在其中布置的led灯20的底板19以及玻璃陶瓷板21。未示出led灯20的电连接件。该电连接件例如可以延伸经过支架22。

同样未示出支承装置8的丝杠传动装置，该丝杠传动装置使支架22提升和降低。

图3以俯视图示出底板19，以用于说明led灯20的可能的分布。这种分布和在图4和5中示出的分布不仅适用于led灯20，而且还适用于所有类型的位置标记。

图3示出led灯20的栅格结构。在示出的实施方案中，led灯20(其中为了清晰仅示例性为其中三个设置了附图标记)的中点分别具有相同的间距，此外栅格的连接线是直角的。然而可选地，也可以使用其它栅格结构、例如菱形图案。

图4示出led灯20的另外可选的装置。其在此布置在同心的圆23上。该圆23以虚线示出且仅设想用于定向。led灯20(同样仅示例性为其中若干个设置了附图标记)通过具有封闭的线的圆表示。

圆的间距在此还根据led灯的大小、每面积单位待达到的数量、led灯20之间的底板19的所需的壁强度等确定。

led灯20可以像示出的那样像在轮辐上排列的那样设置，其中轮辐的数量随着圆直径的增大同样增大。然而led灯20也可以相对地任意地布置在圆23上。

在校准中，如上所述，可以考虑一任意值作为标准值。在此可以涉及通过摄像机17拍摄的图像数据组的图像中心中led灯20的强度值。可选地，可以涉及在整个图像中或者可预定的图像区域中普遍的位置标记的或者led灯20的最明亮的或最暗淡的强度值。标准值的选择取决于框架条件，且可以与建议的设计方案不同。

图5示出位置标记作为平面的照明装置24的另一个设计方案。照明装置24的光输出优选在整个面上是均匀的，然而最终如果已知光输出的分布就足够了。在校准摄像机17时也应该考虑这一点。

照明装置24例如可以由此得到，在像图3中的结构中在led灯20上方存在分光板。该分光板优选用在玻璃陶瓷板21下方。

led灯20或照明装置24的光输出在构建开始之前以及通过摄像机17在至少一个图像数据组中检测。从该图像数据组出发且与位置标记的设计方案无关地获得至少一个校准数据，其中此处数据理解为“数据”的单数，即尤其是形式为号码或数字的信息。

优选通过从图像元素——也称为像素——或者从图像区域通过对多个图像元素取平均值获得标准值的方式，从对位置标记的、尤其是led灯20的或者照明装置24的光输出进行拍摄的图像数据组中确定校准数据组25。然后所有其它的图像点除以该标准值，并由此取倒数。这以图像元素方式或者以像素方式进行。在图6中示出校准数据组25。

因为这些值被噪声“污染”，所以能够在校准数据组25中找出区域26、27、28、29、30和31，所述区域仅通过噪声区分。在这些区域26、27、28、29、30和31中分别可以形成一平均值，以便抑制或减小噪声。

在形成校准数据组25之后，将该校准数据组简单地以像素方式与在三维物体9的构建期间拍摄的图像数据组相乘，以便消除和位置相关的测量不精确性。

由图6还得知，测量不精确性不一定围绕图像中心对称地出现。利用所述装置和所述方法还可以消除任意的测量不精确性。

图7示出用于执行对图像拍摄装置、即摄像机17的校准的流程图。

在步骤s1中，在构建室4中在支架22上定位具有led灯20的底板19以及建立至led灯的电连接。优选在支架22上存在相应的触头，因此简单的安置就足够了。

在步骤s2中，支架8在高度上如此移动，使得灯位于与随后构建平面10所处的高度相同的高度上且输出光。

在随后的步骤s3中，借助于摄像机17拍摄图像数据组。在步骤s4中由该图像数据组确定校准数据组25。在此可以使用所有常用的和所述的过程步骤，像考虑led灯20或照明装置24的光输出的分布、平均值形成、标准值的选择等。将控制设备18考虑用于计算。

随后作为步骤s5，将校准数据组25存储在未示出的存储设备中。

校准数据组25的这种校准和完成可以在每个构建过程之前进行。然而其也可以进行一次以用于使摄像机17运行。尤其可以使用具有不同的波长输出的led灯20，以便为构建材料7分别产生所属的校准数据组。具有不同的波长输出的led灯也可以布置在底板19上且被分开地操纵。可选地，对每个预定的波长或者每个波长范围来说，也可以设置自己的底板19或者自己的底部。在此，led灯20的分布以及校准数据或校准数据组的产生可以彼此无关。

附图标记列表：

1装置

2构建模块

3计量室

4构建室

5溢出室

6施加装置

7构建材料

8支承装置

9三维物体

10构建平面

11支承装置

12镜装置

13激光束装置

14激光束

15透镜装置

16分光镜

17摄像机

18控制设备

19底板

20led灯

21玻璃陶瓷板

22支架

23圆

24照明装置

25校准数据组

26区域

27区域

28区域

29区域

30区域

31区域