DE102022135050A1 - TECHNIQUE FOR CALIBRATING AN IRRADIATION SYSTEM OF AN ADDITIVE MANUFACTURING DEVICE - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Kalibrierung eines Bestrahlungssystems einer Vorrichtung zur additiven Fertigung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Aufbringen einer Pulverschicht auf einen Arbeitsbereich der Vorrichtung, Messen einer Topographie von mindestens einem Abschnitt der Pulverschicht basierend auf der gemessenen Topographie, Bestimmen mindestens eines lateralen Korrekturwertes für einen Bestrahlungsstrahl des Bestrahlungssystems, und Anwenden des lateralen Korrekturwerts auf die von dem Bestrahlungssystem verwendeten Scandaten zum Scannen des Bestrahlungsstrahls über dem Arbeitsbereich. Ferner wird eine Vorrichtung zur additiven Fertigung bereitgestellt. A method for calibrating an irradiation system of an additive manufacturing device is provided. The method includes applying a powder layer to a work area of the device, measuring a topography of at least a portion of the powder layer based on the measured topography, determining at least one lateral correction value for an irradiation beam of the irradiation system, and applying the lateral correction value to the scan data used by the irradiation system to scan the irradiation beam over the work area. Furthermore, an additive manufacturing device is provided.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Kalibrierung eines Bestrahlungssystems einer Vorrichtung zur additiven Fertigung. Genauer und ohne Einschränkung kann die Vorrichtung zur additiven Fertigung eine Vorrichtung zur Pulverbettfusion sein, wie selektives Lasersintern, selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen.The present invention relates generally to the calibration of an irradiation system of an additive manufacturing apparatus. More specifically, and without limitation, the additive manufacturing apparatus may be a powder bed fusion apparatus, such as selective laser sintering, selective laser melting, or electron beam melting.
Die Pulverbettfusion ist ein additiver Schichtungsvorgang, durch den pulverförmige, insbesondere metallische und/oder keramische Rohstoffe zu dreidimensionalen Werkstücken komplexer Formen verarbeitet werden können. Hierzu wird eine Rohmaterialpulverschicht auf einen Träger aufgebracht und ortsselektiv in Abhängigkeit von der gewünschten Geometrie des herzustellenden Werkstücks mit Strahlung (z. B. Laser- oder Partikelstrahlung) beaufschlagt. Die in die Pulverschicht eindringende Strahlung bewirkt eine Erwärmung und folglich Schmelzen oder Sintern der Rohmaterialpulverteilchen. Weitere Rohmaterialpulverschichten werden dann nacheinander auf die Schicht auf dem Träger aufgebracht, der bereits einer Strahlungsbehandlung unterzogen wurde, bis das Werkstück die gewünschte Form und Größe aufweist. Pulverbettfusion kann zur Herstellung von Prototypen, Werkzeugen, Ersatzteilen, hochwertigen Komponenten oder medizinischen Prothesen, wie beispielsweise Dental- oder orthopädischen Prothesen, auf Basis von CAD-Daten verwendet werden. Beispiele für Pulverbettfusionstechniken schließen selektives Laserschmelzen, selektives Lasersintern und Elektronenstrahlschmelzen ein.Powder bed fusion is an additive layering process by which powdered, in particular metallic and/or ceramic raw materials can be processed into three-dimensional workpieces of complex shapes. For this purpose, a raw material powder layer is applied to a carrier and subjected to radiation (e.g. laser or particle radiation) in a location-selective manner depending on the desired geometry of the workpiece to be produced. The radiation penetrating the powder layer causes heating and consequently melting or sintering of the raw material powder particles. Further raw material powder layers are then applied one after the other to the layer on the carrier, which has already been subjected to radiation treatment, until the workpiece has the desired shape and size. Powder bed fusion can be used to produce prototypes, tools, spare parts, high-quality components or medical prostheses, such as dental or orthopedic prostheses, based on CAD data. Examples of powder bed fusion techniques include selective laser melting, selective laser sintering and electron beam melting.
Vorrichtungen zum Herstellen eines oder mehrerer Werkstücke gemäß der obigen Technik sind bekannt. Zum Beispiel beschreiben
Um eine Position des Bestrahlungsstrahls im Hinblick auf einen Arbeitsbereich, an dem der Bestrahlungsstrahl gestrahlt wird, präzise zu bestimmen, sind mehrere Kalibriertechniken bekannt. Insbesondere, wenn mehr als ein Bestrahlungsstrahl von einem Bestrahlungssystem einer additiven Fertigungsvorrichtung emittiert und unabhängig gescannt werden kann, ist es wichtig, dass die Bestrahlungsstrahlen relativ zueinander kalibriert sind. Mit anderen Worten ist es wichtig, um eine gewünschte Qualität des Werkstücks (ohne unerwünschte Kanten und/oder andere Unregelmäßigkeiten in einer Struktur des fertigen Werkstücks) zu erreichen, dass alle Bestrahlungsstrahlen genau auf den gleichen Punkt des Arbeitsbereichs treffen, wenn sie durch eine Steuereinheit der Vorrichtung auf den gleichen Punkt gerichtet sind.In order to precisely determine a position of the irradiation beam with respect to a work area where the irradiation beam is irradiated, several calibration techniques are known. In particular, when more than one irradiation beam can be emitted from an irradiation system of an additive manufacturing device and scanned independently, it is important that the irradiation beams are calibrated relative to each other. In other words, in order to achieve a desired quality of the workpiece (without unwanted edges and/or other irregularities in a structure of the finished workpiece), it is important that all irradiation beams hit exactly the same point of the work area when directed to the same point by a control unit of the device.
Zum Beispiel beschreibt
Ferner beschreibt
Ferner sind Verfahren zur Kalibrierung bekannt, die Kalibrierfolien verwenden, die in den Arbeitsbereich einer Vorrichtung zur additiven Fertigung gebracht werden können und in die vordefinierte Muster durch einen oder mehrere Laser gebrannt werden. Eine relative Position dieses einen oder dieser mehrerer Muster kann betrachtet werden, z. B. durch eine Kamera, und ein oder mehrere Korrekturwerte können für den/die jeweiligen Laser bestimmt werden.Furthermore, methods for calibration are known that use calibration foils that can be brought into the work area of an additive manufacturing device and into which predefined patterns are burned by one or more lasers. A relative position of this one or more patterns can be viewed, e.g. by a camera, and one or more correction values can be determined for the respective laser(s).
Anstelle der Kalibrierfolien ist es bekannt, Sensoren (insbesondere zweidimensionale Sensoren) im Arbeitsbereich oder neben dem Arbeitsbereich an einem unteren Bereich der Baukammer bereitzustellen. Diese Sensoren können CCD-Sensoren oder CMOS-Sensoren sein, die konfiguriert sind, um eine Bestrahlungsstelle eines Laserstrahls im Hinblick auf eine Oberfläche des Sensors zu bestimmen. Basierend auf der bestimmten Bestrahlungsstelle können Korrekturwerte bestimmt werden, sodass ein oder mehrere Laser der Vorrichtung auf eine gewünschte Stelle auftreffen.Instead of the calibration foils, it is known to provide sensors (in particular two-dimensional sensors) in the work area or next to the work area at a lower area of the build chamber. These sensors can be CCD sensors or CMOS sensors that are configured to determine an irradiation point of a laser beam with respect to a surface of the sensor. Based on the determined irradiation point, correction values can be determined so that one or more lasers of the device impinge on a desired point.
Die vorstehenden Techniken setzen jedoch eine ideale Situation während des Aufbauauftrags voraus, insbesondere hinsichtlich der Eigenschaften der aufgebrachten Rohmaterialschicht. In realen Szenarien können die vorstehenden Kalibrierungstechniken jedoch immer noch nicht präzise genug sein.However, the above techniques assume an ideal situation during the build application, especially regarding the properties of the deposited raw material layer. However, in real-world scenarios, the above calibration techniques may still not be precise enough.
Die Erfindung ist daher auf die Aufgabe gerichtet, eine verbesserte Technik zur Kalibrierung eines Bestrahlungssystems einer Vorrichtung zur additiven Fertigung bereitzustellen. Insbesondere und ohne Einschränkung ist es erwünscht, eine Technik bereitzustellen, die zu einer verbesserten Präzision beim Kalibrieren eines oder mehrerer Bestrahlungsstrahlen einer Vorrichtung zur additiven Fertigung führt.The invention is therefore directed to the object of providing an improved technique for calibrating an irradiation system of an additive manufacturing device. In particular and without limitation, it is desired to provide a technique that leads to improved precision in calibrating one or more irradiation beams of an additive manufacturing device.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments are specified in the dependent claims.
Die vorstehend erörterten Techniken berücksichtigen keine tatsächliche Topographie einer aufgebrachten Pulverschicht (z. B. eine Krümmung oder eine Neigung). Die Topographie (insbesondere falls diese nicht exakt flach oder geneigt ist) kann jedoch einen Einfluss auf die Stellen haben, an denen ein oder mehrere Bestrahlungsstrahlen auf das Rohmaterialpulver auftreffen. Die in der vorliegenden Offenbarung offenbarte Technik berücksichtigt die Topographie der Pulverschicht zum Kalibrieren eines oder mehrerer Bestrahlungsstrahlen.The techniques discussed above do not take into account an actual topography of a deposited powder layer (e.g., a curvature or a slope). However, the topography (particularly if it is not exactly flat or sloped) can have an impact on the locations where one or more irradiation beams impinge on the raw material powder. The technique disclosed in the present disclosure takes into account the topography of the powder layer to calibrate one or more irradiation beams.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Kalibrierung eines Bestrahlungssystems einer Vorrichtung zur additiven Fertigung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Aufbringen einer Pulverschicht auf einen Arbeitsbereich der Vorrichtung, Messen einer Topographie von mindestens einem Abschnitt der Pulverschicht basierend auf der gemessenen Topographie, Bestimmen mindestens eines lateralen Korrekturwertes für einen Bestrahlungsstrahl des Bestrahlungssystems, und Anwenden des lateralen Korrekturwerts auf die von dem Bestrahlungssystem verwendeten Scandaten zum Scannen des Bestrahlungsstrahls über dem Arbeitsbereich.According to a first aspect, a method for calibrating an irradiation system of an additive manufacturing device is provided. The method comprises applying a powder layer to a work area of the device, measuring a topography of at least a portion of the powder layer based on the measured topography, determining at least one lateral correction value for an irradiation beam of the irradiation system, and applying the lateral correction value to the scan data used by the irradiation system to scan the irradiation beam over the work area.
Eines oder mehrere der folgenden Merkmale des Verfahrensaspekts können auch für die Vorrichtung des nachstehend beschriebenen Vorrichtungsaspekts gelten. Wenn in der vorliegenden Offenbarung der Begriff „Werkstück“ verwendet wird, bezieht er sich immer auf das „dreidimensionale Werkstück“.One or more of the following features of the method aspect may also apply to the apparatus of the apparatus aspect described below. Whenever the term "workpiece" is used in the present disclosure, it always refers to the "three-dimensional workpiece".
Der Prozess der additiven Fertigung, über den das Werkstück erzeugt wird, kann eine additive Fertigung aus einem Pulverbett sein, wie selektives Lasersintern oder selektives Laserschmelzen oder ein beliebiger anderer additiver Fertigungsprozess, bei dem ein Werkstück aus Rohmaterialpulver durch Einstrahlen eines Bestrahlungsstrahls auf das Rohmaterialpulver und dadurch Verfestigen des Rohmaterialpulvers an gewünschten Stellen aufgebaut wird.The additive manufacturing process by which the workpiece is created may be additive manufacturing from a powder bed, such as selective laser sintering or selective laser melting, or any other additive manufacturing process in which a workpiece is built up from raw material powder by irradiating the raw material powder with an irradiation beam and thereby solidifying the raw material powder at desired locations.
Die Pulverschicht kann durch eine Pulverauftragsvorrichtung (auch als Pulverbeschichtungsvorrichtung bezeichnet) aufgebracht werden. Die Pulverauftragsvorrichtung kann einen Pulvertrichter umfassen, in dem eine gewisse Menge an Pulver aufbewahrt werden kann, z. B. mindestens so viel Pulver, wie zum Aufbringen einer vollen Pulverschicht erforderlich ist. Ferner kann die Pulverauftragsvorrichtung eine oder mehrere Walzen und eine oder mehrere Rakel umfassen. Die eine oder die mehreren Walzen können konfiguriert sein, um das Rohmaterialpulver zu komprimieren und/oder eine gleichmäßige Oberfläche zu erzeugen. Die eine oder die mehreren Rakel können konfiguriert sein, um eine glatte und gleichmäßige Oberfläche mit einer gleichmäßigen Dicke zu erzeugen. Die eine oder die mehreren Rakel können ferner konfiguriert sein, um überschüssiges Rohmaterialpulver aus dem Arbeitsbereich zu entfernen. Zum Beispiel können die eine oder die mehreren Rakel konfiguriert sein, um überschüssiges Rohmaterialpulver in einen Überlaufbehälter für überschüssiges Pulver zu drücken. Die Pulverauftragsvorrichtung kann eine längliche Form aufweisen, die sich entlang einer ersten Richtung (z. B. y-Richtung) erstreckt und konfiguriert sein kann, um sich entlang einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung (z. B. x-Richtung) zu bewegen, z. B. über eine oder mehrere Schienen geführt. Um eine Dicke der aufgebrachten Pulverschicht zu steuern, können die Pulverauftragsvorrichtung oder mindestens Teile der Pulverauftragsvorrichtung (z. B. eine Rakel) vertikal beweglich sein (d. h. entlang einer z-Richtung). Ferner kann die Dicke der Pulverschicht durch Einstellen einer vertikalen Position eines Trägers der Vorrichtung gesteuert werden, auf dem das Rohmaterialpulver in Schichten aufgebracht wird.The powder layer may be applied by a powder application device (also referred to as a powder coating device). The powder application device may include a powder hopper in which a certain amount of powder can be stored, e.g. at least as much powder as is required to apply a full layer of powder. Further, the powder application device may include one or more rollers and one or more squeegees. The one or more rollers may be configured to compress the raw material powder and/or create a uniform surface. The one or more squeegees may be configured to create a smooth and uniform surface with a uniform thickness. The one or more squeegees may further be configured to remove excess raw material powder from the work area. For example, the one or more squeegees may be configured to push excess raw material powder into an overflow container for excess powder. The powder application device may have an elongated shape extending along a first direction (e.g. y-direction) and may be configured to move along a second direction perpendicular to the first direction (e.g. x-direction), e.g. guided over one or more rails. To control a thickness of the applied powder layer, the powder application device or at least parts of the powder application device (e.g. a doctor blade) may be vertically movable (i.e. along a z-direction). Furthermore, the thickness of the powder layer may be controlled by adjusting a vertical position of a carrier of the device on which the raw material powder is applied in layers.
Der Arbeitsbereich kann als ein Bereich definiert sein, in dem das Aufbringen des Rohmaterialpulvers und die Bestrahlung des Rohmaterialpulvers ausgeführt wird. Der Arbeitsbereich kann mit einer Unterseite einer Prozesskammer der Vorrichtung bündig sein. Mit anderen Worten definiert der Arbeitsbereich einen (virtuellen) Bereich oder eine Ebene parallel zu einer Oberfläche eines Trägers und/oder einer Substratplatte der Vorrichtung. Im Idealfall wird jede neue Rohmaterialpulverschicht so aufgebracht, dass sie sich exakt in oder über den Arbeitsbereich (ohne irgendeine Krümmung und/oder Höcker oder Dellen) erstreckt.The working area may be defined as an area in which the deposition of the raw material powder and the irradiation of the raw material powder are carried out. The working area may be flush with a bottom of a process chamber of the device. In other words, the working area defines a (virtual) area or plane parallel to a surface of a carrier and/or a substrate plate of the device. Ideally, each new raw material powder layer is applied such that it extends exactly into or over the working area (without any curvature and/or bumps or dents).
In realen Situationen kann die aufgebrachte Pulverschicht jedoch eine Topographie aufweisen, die sich von einer flachen Ebene unterscheidet. Diese Topographie wird mindestens in einem Abschnitt der Pulverschicht gemessen. Der Ausdruck „Topographie“ kann synonym sein und kann daher durch „dreidimensionale Struktur“ oder „Höhenprofil“ ersetzt werden. Insbesondere kann die Messung der Topographie zu einem Höhenprofil des gemessenen Abschnitts führen, wobei eine Krümmung, ein Höcker und/oder eine Delle sowohl im Hinblick auf eine Stelle in der x-y-Ebene (d. h. im Arbeitsbereich) als auch im Hinblick auf eine Tiefe/Höhe entlang der z-Richtung identifiziert werden kann.However, in real situations, the applied powder layer may have a topography that is different from a flat plane. This topography is measured in at least one section of the powder layer. The term "topography" may be synonymous and can therefore be replaced by "three-dimensional structure" or "height profile". In particular, the measurement of the topography may result in a height profile of the measured section, where a curvature, a hump and/or a dent can be identified both with respect to a location in the x-y plane (i.e. in the work area) and with respect to a depth/height along the z-direction.
Im Schritt des Messens kann entweder die gesamte Pulverschicht gemessen werden oder nur ein vordefinierter Abschnitt davon. Zum Beispiel kann die Topographie nur in einem Abschnitt der Pulverschicht gemessen werden, wobei sich zwei oder mehr Bestrahlungsbereiche von entsprechenden zwei oder mehr Bestrahlungsstrahlen überlappen (d. h. in einem Überlappungsbereich von zwei oder mehr Bestrahlungsstrahlen).In the measuring step, either the entire powder layer can be measured or only a predefined portion thereof. For example, the topography can be measured only in a portion of the powder layer where two or more irradiation areas of corresponding two or more irradiation beams overlap (i.e. in an overlap area of two or more irradiation beams).
Der laterale Korrekturwert kann so bestimmt werden, dass eine Position des Bestrahlungsstrahls korrigiert wird und dass der Bestrahlungsstrahl an einer lateralen Position (in der x-y-Ebene) dort auf die Rohmaterialschicht trifft, wo er auftreffen würde, wenn die Pulverschicht vollständig flach und parallel zur x-y-Ebene wäre.The lateral correction value can be determined such that a position of the irradiation beam is corrected and the irradiation beam hits the raw material layer at a lateral position (in the x-y plane) where it would hit if the powder layer were completely flat and parallel to the x-y plane.
Der laterale Korrekturwert kann im Hinblick auf die Scandaten auf unterschiedliche (logische) Positionen angewendet werden. Zum Beispiel können die „ursprünglichen“ Scandaten unverändert bleiben und der Korrekturwert kann zu den Scandaten addiert werden, bevor er dem Bestrahlungssystem zugeführt wird. Ferner können die Scandaten durch Addieren des Korrekturwerts modifiziert werden und die modifizierten Scandaten können in das Bestrahlungssystem eingespeist werden.The lateral correction value can be applied to different (logical) positions with respect to the scan data. For example, the "original" scan data can remain unchanged and the correction value can be added to the scan data before it is fed to the irradiation system. Furthermore, the scan data can be modified by adding the correction value and the modified scan data can be fed to the irradiation system.
Der mindestens eine laterale Korrekturwert kann ein Korrekturwert für die gesamte Pulverschicht sein. Es kann jedoch wünschenswert sein, eine Mehrzahl von Korrekturwerten bereitzustellen, insbesondere einen Korrekturwert für jede laterale Position (x-y-Position) der Pulverschicht. Auf diese Weise können lokale Unregelmäßigkeiten in der Pulverschicht kompensiert werden. Zum Beispiel können in einem Fall, in dem in einem bestimmten Bereich der Pulverschicht eine Höcker vorhanden ist, Korrekturwerte (ungleich Null) nur für diesen bestimmten Bereich bereitgestellt werden.The at least one lateral correction value may be a correction value for the entire powder layer. However, it may be desirable to provide a plurality of correction values, in particular one correction value for each lateral position (x-y position) of the powder layer. In this way, local irregularities in the powder layer can be compensated. For example, in a case where a hump is present in a certain region of the powder layer, correction values (non-zero) may only be provided for that certain region.
Der laterale Korrekturwert kann einen Versatz in der x-y-Ebene angeben (z. B. in mm oder pm angegeben) oder er kann einen Winkelversatz im Hinblick auf einen Bestrahlungswinkel des Bestrahlungsstrahls (z. B. in Grad angegeben) angeben. The lateral correction value may specify an offset in the x-y plane (e.g. specified in mm or pm) or it may specify an angular offset with respect to an irradiation angle of the irradiation beam (e.g. specified in degrees).
Das Verfahren kann ferner das Bestrahlen der Pulverschicht mit dem Bestrahlungsstrahl gemäß den Scandaten umfassen, auf die der laterale Korrekturwert angewendet wurde.The method may further comprise irradiating the powder layer with the irradiation beam according to the scan data to which the lateral correction value has been applied.
Im Schritt des Bestrahlens der Pulverschicht kann der Bestrahlungsstrahl an gewünschten Stellen der Pulverschicht ein Schmelzbad erzeugen, sodass das Pulver an den gewünschten Stellen schmilzt und erstarrt, um eine Geometrie einer Werkstückschicht des herzustellenden Werkstücks vordefiniert zu bilden.In the step of irradiating the powder layer, the irradiation beam can create a melt pool at desired locations on the powder layer so that the powder melts and solidifies at the desired locations to predefinedly form a geometry of a workpiece layer of the workpiece to be produced.
Das Verfahren kann ferner das Kalibrieren einer lateralen Position des Bestrahlungsstrahls im Hinblick auf eine horizontale Ebene im Arbeitsbereich umfassen.The method may further comprise calibrating a lateral position of the irradiation beam with respect to a horizontal plane in the work area.
In diesem Schritt des Kalibrierens wird der Bestrahlungsstrahl im Hinblick auf eine ideale flache Ebene kalibriert, die sich in dem Arbeitsbereich erstreckt. Zum Beispiel kann ein Verfahren zur Kalibrierung, wie in
Somit kann für das hierin beschriebene Verfahren vorausgesetzt werden, dass eine Kalibrierung (erster Ordnung) bereits im Hinblick auf eine horizontale Ebene im Arbeitsbereich ausgeführt wurde. Die Bestrahlungsstrahlen sind daher bereits in einem gewissen Grad kalibriert und das Verfahren der vorliegenden Offenbarung stellt eine Verfeinerung dieser Kalibrierung (erster Ordnung) bereit. Ferner kann der Schritt des Kalibrierens für alle N Schichten ausgeführt werden (N kann zum Beispiel 1, 2, 3, 4 oder 5 sein) und das Verfahren des ersten Aspekts kann für jede Schicht aus Rohmaterialpulver ausgeführt werden, das auf den Arbeitsbereich aufgebracht wird. Somit kann zum Beispiel ein Drift, der z. B. durch thermische Auswirkungen verursacht wird, durch die Kalibrierung im Hinblick auf die horizontale Ebene kompensiert werden, und Unregelmäßigkeiten in der Pulverschicht können durch das Verfahren des ersten Aspekts kompensiert werden.Thus, for the method described herein, it can be assumed that a calibration (first order) has already been carried out with respect to a horizontal plane in the work area. The irradiation beams are therefore already calibrated to a certain degree and the method of the present disclosure provides a refinement of this calibration (first order). Furthermore, the step of calibrating can be carried out for all N layers (N can be e.g. 1, 2, 3, 4 or 5) and the method of the first aspect can be carried out for each layer of raw material powder applied to the work area. Thus, for example, a drift caused e.g. by thermal effects can be compensated by the calibration with respect to the horizontal plane and irregularities in the powder layer can be compensated by the method of the first aspect.
Die Topographie kann über ein Streifenlichtprojektionsverfahren gemessen werden.The topography can be measured using a stripe projection method.
Ein Streifenlichtmuster kann auf die Pulverschicht projiziert werden und kann von einer oder mehreren Kameras, insbesondere aus unterschiedlichen Winkeln, betrachtet werden. Diese Technik kann auch als 3D-Scannen bezeichnet werden. Insbesondere kann ein Projektor ein Streifenlichtmuster auf die Pulverschicht projizieren, und zwei Kameras können das resultierende Muster aus unterschiedlichen Winkeln betrachten. Basierend auf den erzeugten Kamerabildern kann die Topographie der Werkstückschicht berechnet werden. Diese Technik ist dem Fachmann bekannt. Die zum Messen der Topographie verwendete Vorrichtung kann auch als Strukturlicht-3D-Scanner bezeichnet werden.A stripe light pattern can be projected onto the powder layer and can be viewed by one or more cameras, in particular from different angles. This technique can also be referred to as 3D scanning. In particular, a projector can project a stripe light pattern onto the powder layer and two cameras can view the resulting pattern from different angles. Based on the camera images generated, the topography of the workpiece layer can be calculated. This technique is known to those skilled in the art. The device used to measure the topography can also be referred to as a structured light 3D scanner.
Weitere Verfahren zum Messen der Topographie der Pulverschicht, die in dem Verfahren der vorliegenden Offenbarung angewendet werden können, können mindestens eines von Linienscannen, optischer Kohärenztomographie und Lasertriangulation umfassen. Diese Verfahren sind dem Fachmann bekannt.Other methods for measuring the topography of the powder layer that may be used in the method of the present disclosure may include at least one of line scanning, optical coherence tomography, and laser triangulation. These methods are known to those skilled in the art.
Das Verfahren kann ferner das Bestimmen einer vordefinierten lateralen Position umfassen, in der der Bestrahlungsstrahl auf die Pulverschicht auftreffen soll. Der laterale Korrekturwert kann so bestimmt werden, dass der Bestrahlungsstrahl an der vordefinierten lateralen Position auf die Pulverschicht trifft.The method may further comprise determining a predefined lateral position at which the irradiation beam is to impinge on the powder layer. The lateral correction value may be determined such that the irradiation beam impinges on the powder layer at the predefined lateral position.
Die vordefinierte laterale Position kann über x- und y-Koordinaten im Arbeitsbereich angegeben werden. Aufgrund einer Topographie der Pulverschicht trifft der Bestrahlungsstrahl nicht auf die vordefinierte laterale Position auf, wenn er dorthin gerichtet ist, selbst wenn eine Kalibrierung im Hinblick auf eine ideale horizontale Ebene ausgeführt wurde. Zum Beispiel muss in dem Fall, dass eine Dicke der Rohmaterialpulverschicht größer als erwartet ist (aufgrund der Kalibrierung im Hinblick auf die horizontale Ebene), ein Ablenkwinkel (d. h. eine Ablenkung von der senkrechten Strahlung) des Laserstrahls erhöht werden, um auf die gewünschte x-y-Stelle zu treffen. In dem Fall, dass eine Dicke der Rohmaterialpulverschicht kleiner als erwartet ist (aufgrund der Kalibrierung im Hinblick auf die horizontale Ebene), ein Ablenkwinkel (d. h. eine Ablenkung von der senkrechten Strahlung) des Laserstrahls verringert werden, um auf die gewünschte x-y-Stelle zu treffen. Diese Berechnungen können von einer Steuereinheit der Vorrichtung zur additiven Fertigung ausgeführt werden. Es handelt sich um standardmäßige geometrische Berechnungen, die dem Fachmann bekannt sind und daher hierin nicht im Detail beschrieben werden.The predefined lateral position may be specified via x and y coordinates in the workspace. Due to a topography of the powder layer, the irradiation beam does not hit the predefined lateral position when directed there, even if a calibration has been performed with respect to an ideal horizontal plane. For example, in case a thickness of the raw material powder layer is larger than expected (due to the calibration with respect to the horizontal plane), a deflection angle (i.e., a deflection from the perpendicular radiation) of the laser beam needs to be increased to hit the desired x-y location. In case a thickness of the raw material powder layer is smaller than expected (due to the calibration with respect to the horizontal plane), a deflection angle (i.e., a deflection from the perpendicular radiation) of the laser beam needs to be decreased to hit the desired x-y location. These calculations may be performed by a control unit of the additive manufacturing apparatus. These are standard geometric calculations known to those skilled in the art and are therefore not described in detail here.
Der laterale Korrekturwert kann so bestimmt werden, dass der Bestrahlungsstrahl an einer lateralen Position, die einer lateralen Position eines Schnittpunkts des Bestrahlungsstrahls ohne den lateralen Korrekturwert und einer horizontalen Ebene im Arbeitsbereich entspricht, auf die Pulverschicht auftrifft.The lateral correction value can be determined such that the irradiation beam strikes the powder layer at a lateral position corresponding to a lateral position of an intersection point of the irradiation beam without the lateral correction value and a horizontal plane in the working area.
Somit kann ein imaginärer Schnittpunkt (in x-y-Richtung) der horizontalen Ebene mit dem Bestrahlungsstrahl berücksichtigt werden. Dieser Schnittpunkt kann x-y-Bestrahlungsdaten entsprechen, die in Bestrahlungsdaten für das jeweilige Werkstück angegeben sind. Der laterale Korrekturwert kann so berechnet werden, dass der tatsächliche Bestrahlungsstrahl (d. h. der Bestrahlungsstrahl, auf den der Korrekturwert angewendet wird) auf die (reale) Pulverschicht exakt in dieser (gewünschten) lateralen Position auftrifft.Thus, an imaginary intersection point (in x-y direction) of the horizontal plane with the irradiation beam can be taken into account. This intersection point can correspond to x-y irradiation data specified in irradiation data for the respective workpiece. The lateral correction value can be calculated so that the actual irradiation beam (i.e. the irradiation beam to which the correction value is applied) hits the (real) powder layer exactly in this (desired) lateral position.
Das Verfahren kann ferner basierend auf der gemessenen Topographie mindestens einen weiteren lateralen Korrekturwert für einen weiteren Bestrahlungsstrahl des Bestrahlungssystems bestimmen und den weiteren lateralen Korrekturwert auf weitere Scandaten anwenden, die von dem Bestrahlungssystem zum Scannen des weiteren Bestrahlungsstrahls über den Arbeitsbereich verwendet werden.The method may further determine, based on the measured topography, at least one further lateral correction value for a further Determine the irradiation beam of the irradiation system and apply the additional lateral correction value to additional scan data used by the irradiation system to scan the additional irradiation beam across the work area.
Alle vorstehend im Hinblick auf das Bestimmen des lateralen Korrekturwerts für den Bestrahlungsstrahl beschriebenen Details und Aspekte können entsprechend des Bestimmens des weiteren lateralen Korrekturwerts für den weiteren Bestrahlungsstrahl gelten.All details and aspects described above with regard to determining the lateral correction value for the irradiation beam can apply accordingly to determining the further lateral correction value for the further irradiation beam.
Der laterale Korrekturwert und der weitere laterale Korrekturwert können so bestimmt werden, dass der Bestrahlungsstrahl und der weitere Bestrahlungsstrahl den gleichen Punkt auf der Pulverschicht bestrahlen, wenn der Bestrahlungsstrahl ohne den lateralen Korrekturwert und der weitere Bestrahlungsstrahl ohne den weiteren lateralen Korrekturwert den gleichen Punkt auf einer horizontalen Ebene im Arbeitsbereich bestrahlen würden.The lateral correction value and the further lateral correction value can be determined such that the irradiation beam and the further irradiation beam irradiate the same point on the powder layer if the irradiation beam without the lateral correction value and the further irradiation beam without the further lateral correction value would irradiate the same point on a horizontal plane in the working area.
Das Verfahren kann ferner das Bestrahlen einer ersten Struktur in die Pulverschicht unter Verwendung des Bestrahlungsstrahls umfassen, wobei eine zweite Struktur unter Verwendung des weiteren Bestrahlungsstrahls in die Pulverschicht gestrahlt wird, wobei eine laterale Position der ersten Struktur und eine laterale Position der zweiten Struktur bestimmt werden, und basierend auf der gemessenen Topographie der lateralen Position der ersten Struktur und der lateralen Position der zweiten Struktur mindestens einer des mindestens einen lateralen Korrekturwerts und des mindestens einen weiteren Korrekturwerts bestimmt werden.The method may further comprise irradiating a first structure into the powder layer using the irradiation beam, wherein a second structure is irradiated into the powder layer using the further irradiation beam, wherein a lateral position of the first structure and a lateral position of the second structure are determined, and based on the measured topography of the lateral position of the first structure and the lateral position of the second structure, at least one of the at least one lateral correction value and the at least one further correction value is determined.
Auf diese Weise kann sowohl eine Kalibrierung im Hinblick auf den Arbeitsbereich als auch eine Kalibrierung im Hinblick auf die Topographie der Pulverschicht ausgeführt werden, z. B. im Wesentlichen zur gleichen Zeit. Die erste und die zweite Struktur bestehen nicht notwendigerweise aus einem Schmelzbad an den bestrahlten Abschnitten. Es kann ausreichend sein, dass die Strukturen entweder während der Bestrahlung oder kurz danach sichtbar sind, z. B. mit einer Kamera.In this way, both a calibration with respect to the working area and a calibration with respect to the topography of the powder layer can be carried out, e.g. essentially at the same time. The first and the second structure do not necessarily consist of a melt pool at the irradiated sections. It may be sufficient that the structures are visible either during irradiation or shortly thereafter, e.g. with a camera.
In dieser Hinsicht kann sich der Begriff Struktur auch auf Bestrahlung beziehen, die während oder innerhalb eines Zeitraums nach der Exposition durch den Bestrahlungsstrahl erfasst werden kann, was jedoch nicht zu permanenten Veränderungen des freiliegenden Materials führt. Mit anderen Worten kann die Struktur eine rein „optische“ Struktur sein, die aufgrund von Streulicht während der Bestrahlung sichtbar ist, aber nach der Bestrahlung unsichtbar ist. In dem Fall, dass es ausreichend ist, dass die zwei Bestrahlungsstrahlen zueinander kalibriert sind (d. h. nur relativ und nicht absolut), kann es ausreichend sein, nur einen des lateralen Korrekturwerts und des weiteren lateralen Korrekturwerts zu bestimmen. Im Fall, dass eine absolute Kalibrierung (d. h. im Hinblick auf das Koordinatensystem der Vorrichtung, mit anderen Worten, im Hinblick auf den Arbeitsbereich) gewünscht wird, können sowohl der laterale Korrekturwert als auch der weitere laterale Korrekturwert bestimmt werden.In this respect, the term structure may also refer to irradiation that can be detected during or within a period of time after exposure to the irradiation beam, but which does not result in permanent changes to the exposed material. In other words, the structure may be a purely "optical" structure that is visible due to scattered light during irradiation, but is invisible after irradiation. In case it is sufficient that the two irradiation beams are calibrated to each other (i.e. only relatively and not absolutely), it may be sufficient to determine only one of the lateral correction value and the further lateral correction value. In case an absolute calibration (i.e. with respect to the coordinate system of the device, in other words with respect to the working area) is desired, both the lateral correction value and the further lateral correction value may be determined.
Das Verfahren kann für eine Mehrzahl aufeinanderfolgender Pulverschichten ausgeführt werden.The process can be carried out for a plurality of successive powder layers.
Insbesondere kann das Verfahren für jede Pulverschicht ausgeführt werden, die für das zu erzeugende Werkstück (d. h. jede Pulverschicht des Aufbauauftrags) aufgebracht und bestrahlt wird. Das Verfahren kann jedoch auch für jede M-Schicht ausgeführt werden, wobei M zum Beispiel 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 sein kann.In particular, the method can be carried out for each powder layer that is applied and irradiated for the workpiece to be produced (i.e. each powder layer of the build-up application). However, the method can also be carried out for each M layer, where M can be, for example, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10.
Der mindestens eine laterale Korrekturwert kann basierend auf der gemessenen Topographie der aufgebrachten Pulverschicht und basierend auf einer gemessenen Topographie einer zuvor aufgebrachten Pulverschicht bestimmt werden.The at least one lateral correction value can be determined based on the measured topography of the applied powder layer and based on a measured topography of a previously applied powder layer.
Somit kann nicht nur die Topographie der aktuellen Schicht, sondern auch eine Topographie einer darunterliegenden Schicht berücksichtigt werden, da die Topographie der darunterliegenden Schicht Einfluss auf eine Höhe der erstarrten Strukturen der aktuellen Schicht haben kann.Thus, not only the topography of the current layer, but also a topography of an underlying layer can be taken into account, since the topography of the underlying layer can influence a height of the solidified structures of the current layer.
Das Verfahren kann ferner basierend auf der gemessenen Topographie mindestens einen vertikalen Korrekturwert für den Bestrahlungsstrahl des Bestrahlungssystems bestimmen und den vertikalen Korrekturwert auf eine Fokussieroptik des Bestrahlungssystems anwenden.The method may further determine at least one vertical correction value for the irradiation beam of the irradiation system based on the measured topography and apply the vertical correction value to a focusing optics of the irradiation system.
Mit anderen Worten kann nicht nur eine laterale Position korrigiert werden, sondern auch eine Fokusposition des Bestrahlungsstrahls. Zum Beispiel kann eine Fokuslänge reduziert werden, falls das topologische Profil höher ist und/oder eine tatsächliche Pulverschicht wie erwartet dicker ist, z. B. nur an lateralen Positionen, wo dies der Fall ist (Höcker). In ähnlicher Weise kann eine Fokuslänge an lateralen Positionen erhöht werden, wenn die Topographie Dellen umfasst.In other words, not only a lateral position can be corrected, but also a focus position of the irradiation beam. For example, a focus length can be reduced if the topological profile is higher and/or an actual powder layer is thicker as expected, e.g. only at lateral positions where this is the case (humps). Similarly, a focus length can be increased at lateral positions if the topography includes dents.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Vorrichtung zur additiven Fertigung bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst ein Bestrahlungssystem, das konfiguriert ist, um mindestens einen Bestrahlungsstrahl auf einen Arbeitsbereich der Vorrichtung einzustrahlen, eine Pulverauftragsvorrichtung, die für eine Pulverschicht auf dem Arbeitsbereich der Vorrichtung konfiguriert ist, eine Topographiemessvorrichtung, die konfiguriert ist, um eine Topographie mindestens eines Abschnitts der Pulverschicht zu messen, und eine Steuereinheit. Die Steuereinheit ist konfiguriert, um, basierend auf der gemessenen Topographie, mindestens einen weiteren lateralen Korrekturwert für einen weiteren Bestrahlungsstrahl des Bestrahlungssystems zu bestimmen und den weiteren lateralen Korrekturwert auf Scandaten anzuwenden, die von dem Bestrahlungssystem zum Scannen des Bestrahlungsstrahls über den Arbeitsbereich verwendet werden.According to a second aspect, a device for additive manufacturing is provided. The device comprises an irradiation system configured to irradiate at least one irradiation beam onto a working area of the device, a powder application device configured to apply a powder layer onto the working area of the device, and a direction, a topography measuring device configured to measure a topography of at least a portion of the powder layer, and a control unit. The control unit is configured to determine, based on the measured topography, at least one further lateral correction value for a further irradiation beam of the irradiation system and to apply the further lateral correction value to scan data used by the irradiation system to scan the irradiation beam across the work area.
Alle vorstehenden Aspekte und Details, die im Hinblick auf den Verfahrensaspekt (erster Aspekt) erörtert wurden, können auf den Vorrichtungsaspekt angewendet werden. Insbesondere kann die Vorrichtung des zweiten Aspekts konfiguriert sein, um das Verfahren des ersten Aspekts durchzuführen, wobei eines oder mehrere der vorstehend im Hinblick auf den Verfahrensaspekt erörterten Details implementiert sind.All of the above aspects and details discussed with respect to the method aspect (first aspect) may be applied to the apparatus aspect. In particular, the apparatus of the second aspect may be configured to perform the method of the first aspect, implementing one or more of the details discussed above with respect to the method aspect.
Die Steuereinheit kann konfiguriert sein, um eine laterale Position des Bestrahlungsstrahls im Hinblick auf eine horizontale Ebene im Arbeitsbereich zu kalibrieren.The control unit may be configured to calibrate a lateral position of the irradiation beam with respect to a horizontal plane in the work area.
Die Topographiemessvorrichtung kann konfiguriert sein, um die Topographie über ein Streifenlichtprojektionsverfahren zu messen.The topography measuring device may be configured to measure the topography via a strip light projection method.
Die Steuereinheit kann konfiguriert sein, um eine vordefinierte laterale Position zu bestimmen, in der der Bestrahlungsstrahl auf die Pulverschicht auftreffen soll. Die Steuereinheit kann konfiguriert sein, um den lateralen Korrekturwert so zu bestimmen, dass der Bestrahlungsstrahl an der vordefinierten lateralen Position auf die Pulverschicht trifft.The control unit can be configured to determine a predefined lateral position at which the irradiation beam is to impinge on the powder layer. The control unit can be configured to determine the lateral correction value such that the irradiation beam impinges on the powder layer at the predefined lateral position.
Die Steuereinheit kann konfiguriert sein, um den lateralen Korrekturwert derart zu bestimmen, dass der Bestrahlungsstrahl an einer lateralen Position, die einer lateralen Position eines Schnittpunkts des Bestrahlungsstrahls ohne den lateralen Korrekturwert und einer horizontalen Ebene im Arbeitsbereich entspricht, auf die Pulverschicht auftrifft.The control unit may be configured to determine the lateral correction value such that the irradiation beam impinges on the powder layer at a lateral position corresponding to a lateral position of an intersection point of the irradiation beam without the lateral correction value and a horizontal plane in the working area.
Die Steuereinheit kann ferner konfiguriert sein, um, basierend auf der gemessenen Topographie, mindestens einen weiteren lateralen Korrekturwert für einen weiteren Bestrahlungsstrahl des Bestrahlungssystems zu bestimmen und den weiteren lateralen Korrekturwert auf weitere Scandaten anzuwenden, die von dem Bestrahlungssystem zum Scannen des weiteren Bestrahlungsstrahls über den Arbeitsbereich verwendet werden.The control unit may be further configured to determine, based on the measured topography, at least one further lateral correction value for a further irradiation beam of the irradiation system and to apply the further lateral correction value to further scan data used by the irradiation system to scan the further irradiation beam across the work area.
Die Steuereinheit kann konfiguriert sein, um den lateralen Korrekturwert und den weiteren lateralen Korrekturwert so zu bestimmen, dass der Bestrahlungsstrahl und der weitere Bestrahlungsstrahl den gleichen Punkt auf der Pulverschicht bestrahlen, wenn der Bestrahlungsstrahl ohne den lateralen Korrekturwert und der weitere Bestrahlungsstrahl ohne den weiteren lateralen Korrekturwert den gleichen Punkt auf einer horizontalen Ebene im Arbeitsbereich bestrahlen würden.The control unit can be configured to determine the lateral correction value and the further lateral correction value such that the irradiation beam and the further irradiation beam irradiate the same point on the powder layer if the irradiation beam without the lateral correction value and the further irradiation beam without the further lateral correction value would irradiate the same point on a horizontal plane in the work area.
Die Steuereinheit kann ferner konfiguriert sein, um das Bestrahlungssystem zu steuern, um eine erste Struktur in die Pulverschicht unter Verwendung des Bestrahlungsstrahls einzustrahlen, um das Bestrahlungssystem zu steuern, um eine zweite Struktur unter Verwendung des weiteren Bestrahlungsstrahls in die Pulverschicht einzustrahlen, eine laterale Position der ersten Struktur und eine laterale Position der zweiten Struktur zu bestimmen, und, basierend auf der gemessenen Topographie, der lateralen Position der ersten Struktur und der lateralen Position der zweiten Struktur mindestens eines des mindestens einen lateralen Korrekturwerts und des mindestens einen weiteren Korrekturwerts zu bestimmen.The control unit may be further configured to control the irradiation system to irradiate a first structure into the powder layer using the irradiation beam, to control the irradiation system to irradiate a second structure into the powder layer using the further irradiation beam, to determine a lateral position of the first structure and a lateral position of the second structure, and, based on the measured topography, the lateral position of the first structure and the lateral position of the second structure, to determine at least one of the at least one lateral correction value and the at least one further correction value.
Die Steuereinheit kann konfiguriert sein, um den mindestens einen lateralen Korrekturwert basierend auf der gemessenen Topographie der aufgebrachten Pulverschicht und basierend auf einer gemessenen Topographie einer zuvor aufgebrachten Pulverschicht zu bestimmen.The control unit may be configured to determine the at least one lateral correction value based on the measured topography of the applied powder layer and based on a measured topography of a previously applied powder layer.
Die Steuereinheit kann konfiguriert sein, um, basierend auf der gemessenen Topographie, mindestens einen vertikalen Korrekturwert für den Bestrahlungsstrahl des Bestrahlungssystems zu bestimmen und den vertikalen Korrekturwert auf eine Fokussieroptik des Bestrahlungssystems anzuwenden.The control unit may be configured to determine, based on the measured topography, at least one vertical correction value for the irradiation beam of the irradiation system and to apply the vertical correction value to a focusing optics of the irradiation system.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen ausführlicher beschrieben, wobei
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1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur additiven Fertigung mit einem Bestrahlungssystem zeigt, das konfiguriert ist, um einen Laserstrahl gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zu emittieren; -
2 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur additiven Fertigung mit einem Bestrahlungssystem zeigt, das konfiguriert ist, um zwei Laserstrahlen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zu emittieren; -
3 eine schematische Darstellung einer Pulverschichttopographie, basierend darauf, welche Ausführungsform des Verfahrens zur Kalibrierung gemäß der vorliegenden Offenbarung erläutert wird, zeigt; -
4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt; und -
5 eine Steuereinheit der Vorrichtung mit Modulen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
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1 shows a schematic side view of an additive manufacturing apparatus with an irradiation system configured to emit a laser beam according to an embodiment of the present disclosure; -
2 shows a schematic side view of an additive manufacturing apparatus with an irradiation system configured to emit two laser beams according to an embodiment of the present disclosure; -
3 a schematic representation of a powder layer topography, based on which embodiment of the method for calibration ization according to the present disclosure; -
4 shows a flowchart of a method according to an embodiment of the present disclosure; and -
5 shows a control unit of the device with modules according to an embodiment of the present disclosure.
Die Prinzipien der Vorrichtung 10 sind dem Fachmann auf dem Gebiet der additiven Fertigung gut bekannt und werden nur kurz beschrieben. Zum Beispiel kann eine solche Vorrichtung 10 eine Vorrichtung zum selektiven Laserschmelzen oder eine Vorrichtung zum selektiven Lasersintern sein, wobei ein oder mehrere Laserstrahlen 14 zum selektiven Bestrahlen und Verfestigen nachfolgender Schichten aus Rohmaterialpulver verwendet werden können.The principles of the
Die Vorrichtung 10 zum Durchführen eines Prozesses des selektiven Laserschmelzens, wie nachstehend beschrieben, kann als Beispiel dienen. Typische Merkmale der Pulverbettfusion sind, dass ein Rohmaterialpulver schichtweise aufgebracht wird und jede Schicht selektiv bestrahlt und verfestigt wird, um eine Schicht eines herzustellenden Werkstücks 12 zu erzeugen. Nach dem Entfernen von überschüssigem Pulver und nach optionalen Schritten der Nachverarbeitung (z. B. Entfernen einer oder mehrerer Stützstrukturen) wird das endgültige Werkstück 12 erhalten.The
Eine Pulverauftragsvorrichtung 18, die in der Prozesskammer 16 angeordnet ist, dient zum Aufbringen eines Rohmaterialpulvers auf einen Träger 20. Zu diesem Zweck kann die Pulverauftragsvorrichtung 18 eine Walze und/oder eine Rakel und/oder einen Rohmaterialtrichter umfassen. Die Pulverauftragsvorrichtung 18 ist konfiguriert, um eine im Wesentlichen gleichmäßige Schicht aus Rohmaterial auf eine zuvor aufgebrachte und bestrahlte Schicht aus Rohmaterial aufzubringen. In diesem Zusammenhang bedeutet gleichmäßig, dass die Schicht eine gleichmäßige Dicke aufweisen sollte. Wie nachstehend erörtert, kann dies in realen Situationen, insbesondere im Hinblick auf kleine lokale Variationen der Dicke der Schicht, jedoch nicht gewährleistet werden. Die Schichtdicke kann z. B. durch vertikale Positionierung der Pulverauftragsvorrichtung 18 und/oder des Trägers 20 gewählt werden.A
Ein Arbeitsbereich 21 ist durch eine Größe der Grundfläche des Trägers 20 definiert. Der Arbeitsbereich 21 ist bündig mit dem unteren Bereich der Prozesskammer 16 und ist definiert als der Bereich, in dem der Pulverauftrag mit der Pulverauftragsvorrichtung 18 ausgeführt wird und in dem eine oberste Rohmaterialschicht mit einem oder mehreren Laserstrahlen 14 bestrahlt wird.A working
Die Pulverauftragsvorrichtung 18 erstreckt sich in y-Richtung mindestens über den gesamten Arbeitsbereich 21, so dass sie Schichten aus Rohmaterialpulver „in einem Durchgang“ beschichten kann. Hierzu ist eine Horizontalbewegungsvorrichtung vorgesehen, die konfiguriert ist, um die Pulverauftragsvorrichtung 18 in einer horizontalen Richtung, d. h. in x-Richtung gemäß
Eine Vertikalbewegungseinheit 22 ist vorgesehen, sodass der Träger 20 in einer vertikalen Richtung verschoben werden kann, sodass mit zunehmender Aufbauhöhe des Werkstücks 12, wenn es in Schichten aus dem Rohmaterialpulver auf dem Träger 20 aufgebaut wird, der Träger 20 in vertikaler Richtung nach unten bewegt werden kann.A
Da die Beweglichkeit des Trägers 20 mittels der Vertikalbewegungseinheit 22 im Bereich des selektiven Laserschmelzens gut bekannt ist, wird sie hierin nicht näher erläutert. Alternativ zu dem beweglichen Träger 20 kann der Träger 20 als stationärer (oder fester) Träger (insbesondere in Bezug auf die vertikale z-Richtung) bereitgestellt werden, wobei die Bestrahlungsvorrichtung 24 (siehe unten) und die Prozesskammer 16 konfiguriert sind, um während des Aufbauprozesses nach oben bewegt zu werden (d. h., mit zunehmender Aufbauhöhe des Werkstücks 12). Ferner können sowohl der Träger 20 als auch die Bestrahlungsvorrichtung 24 entlang der z-Richtung einzeln beweglich sein.Since the mobility of the
Eine Trägeroberfläche des Trägers 20 definiert eine horizontale Ebene (eine x-y-Ebene), wobei eine Richtung senkrecht zu der Ebene als eine vertikale Richtung oder Aufbaurichtung (z-Richtung) definiert ist. Somit erstrecken sich jede oberste Schicht aus Rohmaterialpulver und jede Schicht des Werkstücks 12 in einer Ebene parallel zu der vorstehend definierten horizontalen Ebene (x-y-Ebene). Wie vorstehend definiert, erstreckt sich auch der Arbeitsbereich 21 in einer Ebene parallel zur horizontalen Ebene (x-y-Ebene).A support surface of the
Die Vorrichtung 10 umfasst ferner einen Gaseinlass 26 zum Zuführen eines Inertgases (z. B. Argon) in die Prozesskammer 16. Ferner kann ein Gasauslass (nicht gezeigt) derart bereitgestellt sein, dass ein kontinuierlicher Strom von Gas durch die Prozesskammer 16 durch Implementierung eines Gaskreislaufs erzeugt werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform wird über die oberste Rohmaterialpulverschicht entlang der x-Richtung ein unidirektionaler laminarer Strom erzeugt.The
Die Vorrichtung 10 umfasst ferner eine Bestrahlungsvorrichtung 24 (auch als Bestrahlungseinheit oder optische Einheit bezeichnet) zum selektiven Ausstrahlen des Laserstrahls 14 auf die oberste Schicht aus Rohmaterialpulver, die auf den Träger 20 aufgebracht wird. Mittels der Bestrahlungsvorrichtung 24 kann das auf den Träger 20 aufgebrachte Rohmaterialpulver ortsselektiv in Abhängigkeit von der gewünschten Geometrie des herzustellenden Werkstücks 12 einer Laserstrahlung ausgesetzt werden.The
In der vorliegenden Ausführungsform kann ein Bestrahlungssystem aus der einen Bestrahlungsvorrichtung 24 bestehend definiert sein, die konfiguriert ist, um einen Laserstrahl 14 zu emittieren. Wie z. B. in
Die Bestrahlungsvorrichtung 24 der Vorrichtung 10 von
Die Bestrahlungsvorrichtung 24 wird mit Laserstrahlung von einer Laserstrahlquelle 32 versorgt. Die Laserstrahlquelle 32 kann innerhalb der Bestrahlungsvorrichtung 24 oder außerhalb der Bestrahlungsvorrichtung 24 bereitgestellt werden, wie in
Von der Laserstrahlquelle 32 ist der Laserstrahl auf die Scaneinheit 30 gerichtet. Die Laserstrahlquelle 32 kann zum Beispiel einen diodengepumpten Ytterbium-Faserlaser umfassen, der Laserlicht bei einer Wellenlänge von etwa 1070 bis 1080 nm (d. h., im Infrarotwellenlängenbereich) emittiert.The laser beam is directed from the
Die Bestrahlungsvorrichtung 24 umfasst ferner zwei Linsen 36 und 38, die konfiguriert sind, um den Laserstrahl 14 entlang der z-Achse auf eine gewünschte Fokusposition zu fokussieren. In der in
Die Steuereinheit 40 umfasst einen Prozessor und einen Speicher, wobei auf dem Speicher Anweisungen zum Steuern der einzelnen Komponenten der Vorrichtung 10 gespeichert sind. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 40 konfiguriert sein, um eine oder mehrere der Vertikalbewegungseinheit 22, der Pulverauftragsvorrichtung 18, eines von dem Gaseinlass 26 zugeführten Gasstroms und der Bestrahlungsvorrichtung 24 des Bestrahlungssystems zu steuern. Eine Benutzereingabe- und -ausgabeschnittstelle kann bereitgestellt und mit der Steuervorrichtung 40 verbunden oder verbindbar sein. Ferner weist die Steuereinheit 40 eine Schnittstelle zum Empfangen von Werkstückdaten auf, die für eine dreidimensionale Form des herzustellenden Werkstücks 12 repräsentativ sind.The
Die in den Figuren (
Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen eher gemeinsamen Elementen einer Vorrichtung zur additiven Fertigung umfasst die Vorrichtung 10 der vorliegenden Ausführungsform die folgenden Elemente.In addition to the more common elements of an additive manufacturing apparatus described above, the
Es wird eine dreidimensionale Scanvorrichtung 28a, 28b, 29 bereitgestellt, die einen Projektor 29 und zwei Kameras 28a und 28b umfasst. In alternativen Ausführungsformen kann die Anzahl der Projektoren und/oder Kameras variieren, z. B. können mehr als ein Projektor und mehr als zwei Kameras bereitgestellt werden. Ferner kann mindestens eines von der Kamera 28a, der Kamera 28b und dem Projektor beweglich sein. Ferner kann jede andere geeignete Vorrichtung zum Bestimmen einer Topographie einer Pulverschicht verwendet werden.A three-
Die dreidimensionale Scanvorrichtung arbeitet als ein Strukturlicht-3D-Scanner, dessen Betrieb dem Fachmann allgemein bekannt ist und der daher hierin nicht im Detail beschrieben wird. Der Projektor 29 ist konfiguriert, um ein Streifenmuster auf die Pulverschicht in dem Arbeitsbereich 21 zu projizieren, und die Kameras 28a und 28b erhalten ein Bild des Streifenmusters aus zwei unterschiedlichen Winkeln. Es ist zu beachten, dass die zwei unterschiedlichen Winkel nicht nur voneinander verschieden sind, sondern auch von einer optischen Achse des Projektors 29 verschieden sind. Basierend auf den zwei Bildern kann eine Topographie (auch als Höhenprofil bezeichnet) berechnet werden, zum Beispiel durch eine Steuereinheit der dreidimensionalen Scanvorrichtung (nicht gezeigt) oder durch die Steuereinheit 40 der Vorrichtung 10. Die gemessene Topographie kann in einem Speicher der Steuereinheit 40 gespeichert sein. Zum Beispiel kann die Topographie einen Höhenwert (Höhe entlang der z-Richtung) jedem x-y-Wert des Arbeitsbereichs 21 zuweisen, wobei die Anzahl der x-y-Werte durch eine Auflösung der dreidimensionalen Scanvorrichtung bestimmt werden kann.The three-dimensional scanning device operates as a structured light 3D scanner, the operation of which is well known to those skilled in the art and is therefore not described in detail herein. The
Ferner umfasst die Vorrichtung 10 Kalibrierungssensoren 42, die in einem unteren Bereich der Prozesskammer 16 angeordnet sind, neben der obersten Schicht aus Rohmaterialpulver, d. h. neben dem Arbeitsbereich 21. Alternativ können nur ein Kalibrierungssensor 42 oder mehr als zwei Kalibrierungssensoren 42 bereitgestellt werden. Die Kalibrierungssensoren 42 können verwendet werden, um eine (absolute) Kalibrierung des Laserstrahls 14 im Hinblick auf ein Koordinatensystem der Vorrichtung 10 auszuführen. Hierzu wird der Laserstrahl 14 auf mindestens einen der Kalibrierungssensoren 42 gerichtet, wo er ein vordefiniertes Muster ausstrahlt. Eine Stelle des vordefinierten Musters wird durch den jeweiligen Kalibrierungssensor 42 erfasst und die Steuereinheit 40 berechnet einen geeigneten Korrekturwert für den Laserstrahl 14. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass der Laserstrahl im Hinblick auf das Koordinatensystem der Vorrichtung 10 auf eine exakt gewünschte Stelle gerichtet wird.Furthermore, the
Die Kalibrierungssensoren 42 sind optional. Sie können z. B. durch mindestens einen erfassbaren Bereich ersetzt werden. Dies sind vordefinierte Bereiche, die vom Laserstrahl 14 erreicht und bestrahlt werden können. Gemäß einigen Ausführungsformen hinterlässt der Laserstrahl keine permanenten Markierungen in dem erfassbaren Bereich, sondern eine auf den erfassbaren Bereich gestrahlte Struktur wird während der Bestrahlung über eine Kamera (z. B. Kamera 28a oder 28b) beobachtet. Mit anderen Worten wird von der Kamera Streulicht und/oder Wärmestrahlung erfasst. Basierend auf einer Position der erfassten Struktur kann eine Kalibrierung ausgeführt werden.The
In anderen Ausführungsformen kann eine jeweilige Kalibrierung (d. h. Kalibrierung im Hinblick auf eine horizontale Ebene im Arbeitsbereich 21) ausgeführt werden, indem ein oder mehrere Muster direkt in das Rohmaterial einer aufgebrachten Rohmaterialschicht gestrahlt werden. Während dieser Bestrahlung kann das Muster das Pulver schmelzen oder das Pulver nicht schmelzen (insbesondere kann es keine permanenten Veränderungen des bestrahlten Materials verursachen). Eine Kamera, die den Arbeitsbereich (z. B. eine der Kameras 28a und 28b) beobachtet, nimmt ein Bild des Musters oder beobachtet das Muster während der Bestrahlung (siehe oben), und die Steuereinheit 40 bestimmt einen geeigneten Korrekturwert für den Laserstrahl 14, sodass er im Hinblick auf das Koordinatensystem der Vorrichtung 10 an eine gewünschte Stelle gerichtet werden kann.In other embodiments, a respective calibration (i.e. calibration with respect to a horizontal plane in the work area 21) may be performed by irradiating one or more patterns directly into the raw material of a deposited raw material layer. During this irradiation, the pattern may melt the powder or may not melt the powder (in particular, it may not cause permanent changes in the irradiated material). A camera observing the work area (e.g. one of the
Im Folgenden bezieht sich die Verwendung eines Bezugszeichens ohne Suffix (a oder b) auch auf die jeweiligen Elemente mit den Suffixen a und b, falls nicht explizit anders angegeben. Wenn zum Beispiel auf die „Scaneinheit 30“ Bezug genommen wird, wird dadurch auch auf die Scaneinheiten 30a und 30b Bezug genommen.In the following, the use of a reference symbol without a suffix (a or b) also refers to the respective elements with the suffixes a and b, unless explicitly stated otherwise. For example, when reference is made to the "scanning
Die Vorrichtung 10 von
Zur Herstellung des dreidimensionalen Werkstücks 12 können beide Laserstrahlen 14a und 14b gleichzeitig unterschiedliche Abschnitte derselben Pulverschicht bestrahlen, wobei jeder Laserstrahl 14a und 14b einen Abschnitt des Werkstücks 12 in seinem entsprechenden Scanfeld bestrahlt. Auf diese Weise kann das Werkstück 12 schneller aufgebaut werden als in einem Fall, in dem nur ein Laserstrahl 14 verwendet wird (siehe z. B.
Um eine hohe Qualität des erzeugten Werkstücks 12 zu erreichen, ist es wichtig, dass die zwei Laser 14a und 14b im Hinblick aufeinander kalibriert sind. Mit anderen Worten ist es wichtig, dass eine relative Position des ersten Laserstrahls 14a im Hinblick auf den zweiten Laserstrahl 14b bekannt ist. Wenn zum Beispiel beide Laserstrahlen 14a und 14b den gleichen Punkt bestrahlen sollen (oder ein Laserstrahl weiterhin eine Linie bestrahlen soll, die durch den anderen Laserstrahl gestartet wird), wird eine ordnungsgemäße relative Kalibrierung benötigt.In order to achieve a high quality of the produced
Ferner kann es auch für den Fall nur einer Bestrahlungsvorrichtung 24 (siehe
Sowohl eine absolute als auch relative Kalibrierung können mindestens in erster Ordnung durch Verwenden der Kalibrierungssensoren 42 erreicht werden, wie im Hinblick auf
Ferner kann, wie vorstehend erörtert, ein Muster in die Rohmaterialpulverschicht gestrahlt und von einer Kamera beobachtet werden. Siehe hierzu auch den in
Der eine Laserstrahl 14 von
Die Pulverschicht 50 wurde von der Pulverauftragsvorrichtung 18 (siehe
Wie in
Somit ist eine mögliche Erklärung für den in
Ferner sind in
Die Bestrahlungsvorrichtungen 24a und 24b (siehe
Um auf die gleiche gewünschte Position 66 zu treffen, falls der Höcker 54 in der Pulverschicht 50 vorhanden ist, muss ein lateraler Korrekturwert auf beide Laserstrahlen 14a und 14b angewendet werden. Wie in
Es ist zu beachten, dass die lateralen Korrekturwerte in Form eines Abstands (wie in
Ferner können laterale Korrekturwerte nicht nur für die x-Richtung berechnet und bereitgestellt werden, sondern auch für die y-Richtung.Furthermore, lateral correction values can be calculated and provided not only for the x-direction, but also for the y-direction.
Aus dem in
Für jede x-y-Position des Arbeitsbereichs 21 kann ein geeigneter Korrekturwert bestimmt werden. Ferner kann ein Korrekturwert für den gesamten Arbeitsbereich 21 bereitgestellt werden, obwohl dies nicht ausreichend sein kann, um lokale Unregelmäßigkeiten in der Topographie zu kompensieren. Ferner können ein oder mehrere Korrekturwerte nur für Bereiche bereitgestellt werden, in denen sich die Topographie der Pulverschicht 50 von einer Ebene (d. h. in der ein Höcker oder eine Delle vorhanden sind) unterscheidet.For each x-y position of the working
Die Topographie der Pulverschicht 50 wird durch die vorstehend erörterte dreidimensionale Scanvorrichtung 28a, 28b, 29 gemessen und ist z. B. in
Ferner ist zu beachten, dass, obwohl zwei Laserstrahlen 14a und 14b in
Ferner können Korrekturwerte nicht nur für die x-y-Richtungen bestimmt werden, sondern auch für eine Fokusposition der Laserstrahlen 14a und 14b. Wie in
Das Verfahren wird durch eine Vorrichtung für additive Fertigung (wie die Vorrichtung 10, die im Hinblick auf die Figur und 2 gezeigt und erörtert ist) während eines Aufbauprozesses eines dreidimensionalen Werkstücks 12 ausgeführt.The method is performed by an additive manufacturing apparatus (such as the
Das Verfahren startet mit einem Schritt des Aufbringens 70 einer Pulverschicht auf einen Arbeitsbereich der Vorrichtung. Dieser Schritt wird mit der Pulverauftragsvorrichtung 18 der Vorrichtung 10 unter der Steuerung der Steuereinheit 40 ausgeführt.The method starts with a step of applying 70 a powder layer to a working area of the device. This step is carried out with the
Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt des Messens 72 einer Topographie mindestens eines Abschnitts der Pulverschicht. Dieser Schritt wird durch die dreidimensionale Scanvorrichtung 28a, 28b, 29 der Vorrichtung 10 unter der Steuerung der Steuereinheit 40 ausgeführt.The method further comprises a step of measuring 72 a topography of at least a portion of the powder layer. This step is carried out by the three-
Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt des Bestimmens 74, basierend auf der gemessenen Topographie, mindestens eines lateralen Korrekturwerts für einen Bestrahlungsstrahl des Bestrahlungssystems. Dieser Schritt wird von der Steuereinheit 40 der Vorrichtung 10 ausgeführt.The method further comprises a step of determining 74, based on the measured topography, at least one lateral correction value for an irradiation beam of the irradiation system. This step is carried out by the
Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt des Anwendens 76 des lateralen Korrekturwerts auf Scandaten, die von dem Bestrahlungssystem verwendet werden, um den Bestrahlungsstrahl über den Arbeitsbereich zu scannen. Dieser Schritt wird von der Steuereinheit 40 der Vorrichtung 10 ausgeführt.The method further comprises a step of applying 76 the lateral correction value to scan data used by the irradiation system to scan the irradiation beam over the work area. This step is carried out by the
Im Einzelnen sind diese Module:In detail, these modules are:
Bestimmungsmodul 80 zum Bestimmen, basierend auf der gemessenen Topographie, mindestens eines lateralen Korrekturwerts für den Bestrahlungsstrahl des Bestrahlungssystems.
Anwendungsmodul 82 zum Anwenden des lateralen Korrekturwerts auf Scandaten, die von dem Bestrahlungssystem zum Scannen des Bestrahlungsstrahls über den Arbeitsbereich verwendet werden.
Die anderen Elemente der Vorrichtung 10 (d. h. die Elemente abgesehen von den „logischen“ Elementen der Steuereinheit 40) sind vorstehend unter Bezugnahme auf
Eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Technik können mindestens einen der folgenden Vorteile aufweisen. Durch Ausführen der hierin beschriebenen Kalibrierung kann eine Topographie einer aufgebrachten Rohmaterialschicht berücksichtigt und kompensiert werden. Ohne die hierin beschriebene Technik kann der Laserspot nicht auf die gewünschte Position der Werkstückschicht gerichtet werden. Die vorliegende Technik sorgt dafür, dass eine gewünschte Position bestrahlt werden kann, selbst wenn in der bestrahlten Pulverschicht Unregelmäßigkeiten vorhanden sind.One or more embodiments of the present technique may have at least one of the following advantages. By performing the calibration described herein, a topography of a deposited raw material layer can be taken into account and compensated. Without the technique described herein, the laser spot cannot be directed to the desired position of the workpiece layer. The present technique provides that a desired position can be irradiated even if irregularities are present in the irradiated powder layer.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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