用于添加式地制造三维物体的设备的制作方法

本发明涉及用于通过依次逐层地选择性地照射和固化由可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，所述设备包括扫描单元，所述扫描单元配置为在建造平面的至少一部分上扫描能量束。

背景技术：

这类设备在现有技术中是众所周知的，其中能量束——例如激光束或电子束——用于选择性地照射和固化建造材料层的区域。从而，可通过选择性地依次照射建造材料层来制造物体。为了对相应的建造材料层的预选区域进行选择性照射，通常提供一配置为在建造平面的至少一部分上扫描能量束的扫描单元。在本申请中，建造平面是指建造材料布置于其中并且可被能量束照射与固化的平面。

为了确保能量束能够在建造平面上被扫描，并且聚焦在预定的焦点位置或者具有预定的聚焦(或离焦)程度，需要对能量束的焦点位置进行校准。典型地，承载建造材料、尤其是位于建造平面中的建造材料的承载元件可沿z方向(即向上和向下)运动。为了找出能量束的最佳焦点位置——其中能量束聚焦在建造平面中，执行校准过程，其中，利用布置在不同的对应z位置处的承载单元而借助能量束来照射多个图案。随后，将经照射的不同z方向上的图案进行比较，并且对具有最佳焦点位置的图案进行评估以确定对应的图案在其中被照射的建造平面的z位置。

技术实现要素：

本发明的目标在于提供一种用于添加式地制造三维物体的设备，其中，改进了对能量束的校准。

该目标通过根据权利要求1所述的设备来创造性地实现。有利实施例取决于从属权利要求。

本发明基于如下构思：提供一聚焦单元，该聚焦单元配置为借助聚焦单元的至少一个光学部件相对于建造平面的定位和/或聚焦单元相对于建造平面的定位来控制能量束的焦点位置。借助本发明，已意识到除了通过移动建造平面来校准能量束的焦点位置以外，或者取代通过移动建造平面来校准能量束的焦点位置，有利的是利用聚焦单元来控制能量束的焦点位置。因此，由于焦点位置的变化通过或者可通过仅聚焦单元来执行，在整个校准过程中可使建造平面保持在适当位置。所述聚焦单元包括至少一个光学部件，其中，能量束的焦点位置可借助所述至少一个光学部件相对于建造平面的定位或者借助聚焦单元本身相对于建造平面的定位来改变，其中，光学部件在聚焦单元内部的位置可保持恒定。

因此，在整个校准过程中，可利用聚焦单元或聚焦单元的光学部件在不同位置、尤其是不同的z位置处形成至少两个(或者多个)曝光点。在本申请中，作为聚焦单元的光学部件，每个光学部件可被用作、亦即被配置为改变能量束的聚散度(聚敛或发散的程度)，即，能量束是聚敛还是发散。因此，可使用任意的光学部件，例如(电磁)透镜或(可调节)反射镜等。因此，无需将建造平面移动至能量束的焦点位置，而是将能量束的焦点位置移动至建造平面中，从而使得建造平面中的建造材料可以以限定的聚焦(或离焦)程度被照射。

本文所描述的设备为一种用于借助依次逐层地选择性地照射和固化由可借助能量束固化的粉末建造材料(“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。相应的建造材料可以是金属、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。

所述设备包括可在其运行期间操作的多个功能单元。示例性的功能单元为过程室、照射装置以及流产生装置，所述照射装置配置为利用至少一个能量束来选择性地照射布置在过程室中的建造材料层，所述流产生装置适配为产生以给定的流动特性——例如，给定的流动轮廓、流速等——至少部分地流经过程室的气态流体流。所述气态流体流在流经过程室的同时能够携带/夹带未固化的建造材料微粒，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地为惰性的，即为惰性气体——例如氩气、氮气、二氧化碳等——的流。

根据所述设备的第一实施例，能量束源和/或聚焦单元与至少一个校准装置相关联，所述至少一个校准装置配置为相对于设备的建造模块的限定点——尤其是在建造室内部——改变能量束的焦点位置。因此，借助聚焦单元改变焦点位置可以结合已知的校准方法一起使用，例如借助调节螺钉对扫描单元或聚焦单元的位置进行校准。

尤其优选的是，所述聚焦单元包括至少一个光学透镜或透镜系统。借助透镜或透镜系统，可以改变能量束的焦点位置。因此，透镜或透镜系统的透镜可相对于聚焦单元、即相对于建造平面运动。通过改变来自透镜或透镜系统的透镜、距离建造平面的能量束的光程长度，可改变能量束的焦点位置。因此，由于改变的是能量束的焦点位置而非建造平面的位置，可避免在校准过程中移动建造平面。

根据所述设备的优选实施例，提供一控制单元，所述控制单元配置为控制聚焦单元和/或扫描单元，其中，所述控制单元配置为接收至少一个焦点确定单元的校准信息。根据该实施例，能量束的焦点或焦点位置可借助焦点确定单元——例如借助光学传感器、尤其是记录建造平面的曝光图案的相机——来确定。取决于由焦点确定单元确定且由控制单元接收的信息，可以控制能量束的焦点位置。

此外，可将焦点位移传送给控制单元，所述焦点位移限定焦点位置或焦距的偏移。因此，可限定焦点位移，以允许向能量束的焦点位置或聚焦单元的至少一个光学部件的焦距添加一偏移量。这允许以限定的离焦程度选择性地照射建造材料层，从而能够实现限定的能量进入建造材料层的经照射的区域。

此外，本发明涉及用于校准通过依次逐层地选择性地照射和固化可借助能量束固化的建造材料层来添加式地制造三维物体的设备的方法，其中，控制能量束的焦点位置。与现有技术中已知的校准方法不同的是，控制能量束的焦点位置，而非在保持能量束的焦点位置恒定的同时改变建造平面的位置，即，承载元件的位置。

不言而喻，与设备有关的所有细节、特征和优点均可转换到创造性的方法上，反之亦然。创造性的方法优选可用于校准上文所述的创造性设备。

尤其优选的是，用于校准用于添加式地制造三维物体的设备的方法包括如下步骤：

·确定能量束的当前焦点位置，

·确定目标焦点位置，

·确定相对于目标焦点位置的当前离焦程度，

·控制至少一个光学部件的参数，尤其是所述部件到建造平面的距离，以从当前焦点位置转换至目标焦点位置。

根据该实施例，首先确定能量束的当前焦点位置。所述焦点位置例如可以借助焦点位置确定单元、尤其是光传感器——例如相机——测量。随后，确定目标焦点位置，所述目标焦点位置取决于当前的建造工作，尤其是层的当前要被照射的区域。

随着当前焦点位置和目标焦点位置的确定，估计相对于目标焦点位置的当前离焦程度。随后，控制至少一个光学部件的参数以将当前焦点位置转移至目标焦点位置。所述参数可以是例如部件与建造平面的距离，其中，通过改变光学有源元件与建造平面的距离来改变能量束的焦点位置。还可能的是，改变至少一个光学部件的焦距，例如可调节反射镜的焦距。

附图说明

参考附图描述本发明的示例性实施例，其中，单幅图(图1)示出了根据示例性实施例的用于添加式制造三维物体的设备的原理图。

具体实施方式

单幅图(图1)示出了用于通过依次逐层地选择性地照射和固化由可借助能量束4、5固化的建造材料3构成的层来添加式地制造三维物体2的设备1，其中，所述设备1包括扫描单元6，所述扫描单元6配置为在建造平面7上扫描能量束4、5。建造平面7为由设备1的建造模块9内的承载元件8承载的建造材料3的上表面。在由建造材料3构成的层已被能量束4、5照射之后，可借助施加单元10——例如覆层器——将新的建造材料3从计量模块11传送至建造平面7。设备1还包括溢流模块12，所述溢流模块12接收借助施加单元10传送的多余建造材料3。

此外，附图描绘了能量束4、5，其中，实施由附图标记4示出的能量束的第一校准，从而使焦点位置13位于建造平面7中。能量束4因此聚焦在建造平面7上。附图还描绘了由附图标记5示出的未校准的能量束，其中能量束5的焦点位置14位于建造平面7下方，从而使得能量束5相对于建造平面7离焦。

为了校准能量束5，提供一聚焦单元5，所述聚焦单元5配置为控制能量束5的焦点位置14，以将焦点位置14转换至焦点位置13，从而形成经校准的能量束4。此外，还可以添加限定的离焦程度，并且由此使能量束4、5的焦点位置13、14移位至限定的偏移位置。

设备1还包括焦点确定单元16，所述焦点确定单元16配置为产生与能量束4、5的聚焦或离焦程度和/或能量束4、5的焦点位置13、14有关的校准信息。所述校准信息可被相应地发送至控制单元17或者由控制单元17接收，所述控制单元17配置为控制聚焦单元15和扫描单元6，以控制能量束4、5，尤其是能量束4、5在建造平面7上的位置和焦点位置13、14。

可以如下经由聚焦单元15来控制焦点位置13、14，即，聚焦单元15的光学部件(未示出)相对于建造平面7定位和/或聚焦单元15相对于建造平面7定位。