用于校准加工机的方法和加工机技术

本发明专利技术涉及一种用于校准加工机的方法，所述加工机用于通过辐射粉末层来制造三维构件，其中，所述加工机具有扫描装置，用于在加工区域中定位激光束，在所述加工区域中定位高度可调节的构造平台用于涂覆粉末层。本发明专利技术还涉及一种用于制造三维构件的对应加工机。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于校准加工机的方法和加工机
本专利技术涉及一种用于校准加工机的方法，所述加工机用于通过照射粉末层来制造三维构件，其中，加工机具有扫描装置，用于在加工区域中定位激光束，用于施加粉末层的、高度可调节的构造平台定位在所述加工区域中。本专利技术还涉及相关的用于制造三维构件的加工机。
技术介绍
在前面所说明的用于制造三维构件的加工机中，将激光束聚焦到由例如呈金属粉末形式的粉末材料组成的层上，该层通常布置在加工机的加工平面中。通过激光束将粉末材料局部熔化或烧结，以便产生三维构件的一层(“激光金属熔融”，lasermetalfusion，LMF或“选择性激光烧结”，selectivelasersintering，SLS)。用于使激光束定向或者说定位的扫描装置通常具有至少一个、一般是两个可偏移的、可旋转的扫描仪镜，这些扫描仪镜的最大偏移或者说角位置限界扫描装置的加工区域。在将加工射束定向到加工区域中的不同位置上时，扫描仪镜被枢转，以便改变激光束在加工区域中的X-位置和/或Y-位置。尤其在三维构件(该三维构件不是仅由粉末材料构成，而是在该三维构件中仅构件的上部分通过照射粉末层制造，该上部分构造在预制造的下部分(预制件)上)的增材制造中存在以下问题：预制件的连接区域、尤其是预制件的轮廓必须在所有空间方向上被激光束精确地照射。如果不是这种情况，则成品构件在连接区域处具有移位部和/或不足的连接。因此，在预制件上进行构造时必须保证，轮廓照射借助为此目的而使用的照射激光器精确地遵循预制件的轮廓。对精度的一般要求在这种情况下是约+/-50μm。为了实现尽可能精确的连接，通常还要求预制件的连接区相对于加工平面仅倾斜约+/-20μm。在EP0734842A1中说明了一种用于通过依次相继地加固粉末状的、借助电磁辐射(能量束)或粒子辐射可加固的构造材料的层来制造三维物体。在用于施加材料的高度可调节的载体的上侧上，可拆卸地固定有基座(预制件)，该基座由一种材料构成，在该材料上在加固时附着有构造材料。在EP1048441A1中说明了一种用于校准这样的设备的方法，其中，使用带有参考标记的校准板，该校准板在该设备的与机器相关的坐标系中布置在已知位置处。能量束在与机器相关的坐标系中在预给定的额定位置处偏转。在使用参考标记的情况下感测能量束冲击点的实际位置与额定位置的偏差。根据所述偏差调整用于使指向的能量束偏转的控制装置并因此调整对设备的校准。
技术实现思路
本专利技术所基于的任务是，提供一种用于校准加工机的方法和一种加工机，所述加工机能够将逐层构造的三维构件精确地连接在预制件上。该任务根据本专利技术通过开头所提及类型的方法来解决，该方法的特点在于，具有以下步骤：借助激光束经过至少两个、优选至少三个尤其呈逆反射器形式的标记，所述标记安装在构造平台和/或安装在固定在构造平台上的预制件上；探测激光辐射，该激光辐射在经过至少两个标记时被反射回扫描装置中；借助探测到的激光辐射求取标记的实际位置；求取标记的实际位置与标记的(预给定的)额定位置的偏差；以及根据所求出的偏差通过校正激光束在加工区域中的定位和/或构造平台在加工机中的位置来校准加工机。为了校正激光束的定位，例如可以计算校正数据，以便校正对扫描装置预给定的、用于产生三维构件的路径数据或者额定位置。为了校正构造平台在加工机中的位置，例如可以在加工机中设置调节螺钉，可以手动或自动地，例如借助促动器对所述调节螺钉产生作用，以便校正构造平台(可能带有安装在该构造平台上的预制件)的位置。根据本专利技术提出，确定构造平台或固定在构造平台上的预制件相对于扫描装置或加工机的坐标系的实际位置或者实际定向并且在必要情况下校正激光束在加工区域中的定位，即调整构造平台或预制件的实际位置/定向。替代地或附加地，也可以校正构造平台在加工机中的位置、尤其是该构造平台相对于(水平)加工平面的定向。以这种方式确保，待构造在预制件上的构件的连接精确地遵循预制件的预给定轮廓。当然，如果在加工机中没有预制件，即如果三维构件完全通过由粉末层逐层地构造来产生，则这样的校正也可以是有意义的。在一个变型方案中，根据所求出的偏差来校正构造平台和/或预制件在加工平面内的横向移位和/或旋转。为此目的，确定(至少)两个标记的实际位置，更确切地说是扫描装置的扫描仪镜的(二维)位置坐标或与该位置坐标等效的角位置，这两个标记(位置固定地)安装在构造平台上或预制件上。在经过至少两个标记时，能够通过反推计算激光束在扫描装置的坐标系中的横向路径来确定标记的实际位置(X-坐标和Y坐标或扫描仪镜的相应的角位置)。根据两个标记的实际位置与额定位置的比较不但可以确定构造平台/预制件相对于额定位置的横向移位而且可以确定构造平台/预制件相对于额定定向在加工机的加工平面内的旋转。该旋转例如可以根据两个标记的额定位置之间的距离向量的额定定向与两个标记的实际位置之间的距离向量的实际定向的偏差来确定。除构造平台/预制件的旋转外，也可以根据各标记的相应实际位置和相应额定位置之间的差求取构造平台的横向移位并且在必要时在将激光束定位在加工区域中时进行校正。如果在加工机中设置合适的调节装置，则必要时可以校正构造平台的横向位置或该构造平台在加工平面内的旋转。在此，在理想情况下，构造平台可以运动到其在加工机中的额定位置处，使得必要时可以省去在将激光束定位在加工区域中时进行的校正。为了避免在求取偏差时由于构造平台/预制件相对于加工平面(或平行于该加工平面的平面)的倾斜而出现错误结果，这些错误结果导致这些标记的被探测到的实际位置之间的长度变化，这需要在校准之前将构造平台/预制件调平，即使构造平台/预制件处于与加工平面平行地定向的位置中，或在校准时考虑倾斜。在一个变型方案中，构造平台和/或预制件相对于加工机的加工平面的倾斜通过距离测量来求取，并且对所求出的构造平台和/或预制件相对于加工平面的倾斜进行校正。对于三角测量法例如可以使用三角测量激光器，除用于照射粉末层的工作激光器外，该三角测量激光器必要时布置在照射装置中。三角测量激光器的三角测量激光束例如可以与加工激光束同轴地耦合到扫描装置的光路中。替代地，对于三角测量法或对于三角测量激光器可以在加工机中设置另一扫描装置。然而，使用附加的三角测量激光器不是强制要求的，而是对于三角测量法也可以使用在加工机中反正已经存在的先导激光器或用于照射粉末层的工作激光器。对于三角测量法或距离测量可以使用基于摄像机的结构分析评估。然而，三角测量法通常仅当固定在构造平台上的预制件在竖直方向(Z方向)上不具有过大的延伸量时才起作用，因为在这种情况下，用于三角测量法的三角测量激光束可能被遮挡。在一个替代的变型中，求取通常布置在三角形中的至少三个标记中的各两个标记之间的相应额定间距和相应实际间距之间的偏差，并且根据所求出的偏差校正构造平台和/或预制件相对于加工平面的倾斜。在该变型方案中，根据(至少)三个标记的实际位置或者实际间距求取关于构造平台/预制件的倾斜或Z-位置的信息。在此，额定间距是相应两个标记的(二维)额定位置之间的差值向量。相应地，实际间距本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于校准加工机(1)的方法，所述加工机用于通过照射粉末层来制造三维构件，其中，所述加工机(1)具有扫描装置(11)，用于在加工区域(13)中定位激光束(6)，用于施加粉末层的、高度可调节的构造平台(2)定位在所述加工区域中，/n所述方法包括：/n-借助所述激光束(6)经过至少两个、优选至少三个尤其呈逆反射器形式的标记(19a-c)，所述标记安装在所述构造平台(2)上和/或安装在固定在所述构造平台(2)上的预制件(3)上，/n-探测激光辐射(20)，所述激光辐射在经过至少两个标记(19a-c)时被反射回所述扫描装置(11)中，/n-根据探测到的所述激光辐射(20)求取所述标记(19a-c)的实际位置(X

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180411 DE 102018205403.71.一种用于校准加工机(1)的方法，所述加工机用于通过照射粉末层来制造三维构件，其中，所述加工机(1)具有扫描装置(11)，用于在加工区域(13)中定位激光束(6)，用于施加粉末层的、高度可调节的构造平台(2)定位在所述加工区域中，
所述方法包括：
-借助所述激光束(6)经过至少两个、优选至少三个尤其呈逆反射器形式的标记(19a-c)，所述标记安装在所述构造平台(2)上和/或安装在固定在所述构造平台(2)上的预制件(3)上，
-探测激光辐射(20)，所述激光辐射在经过至少两个标记(19a-c)时被反射回所述扫描装置(11)中，
-根据探测到的所述激光辐射(20)求取所述标记(19a-c)的实际位置(XP1、YP1，XP2、YP2，XP3、YP3)，
-求取所述标记(19a-c)的实际位置(XP1、YP1，XP2、YP2，XP3、YP3)与所述标记(19a-c)的额定位置(XS1、YS1，XS2、YS2，XS3、YS3)的偏差，以及
-根据所求出的偏差，通过校正所述激光束(6)在所述加工区域(13)中的定位和/或所述构造平台(2)在所述加工机(1)中的位置来校准所述加工机(1)。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，根据所求出的偏差来校正所述构造平台(2)和/或所述预制件(3)在所述加工机(1)的加工平面(14)内的横向移位和/或旋转。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述构造平台(2)和/或所述预制件(3)相对于所述加工机(1)的加工平面(14)的倾斜通过间距测量来求取，并且
其中，对所求出的所述构造平台(2)和/或所述预制件(3)相对于加工平面(14)的倾斜进行校正。


4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，求取至少三个优选布置在三角形中的标记(19a-c)中的各两个之间的相应额定间距(AAB，S、ABC，S、AAC，S)与相应实际距离(AAB,I、ABC，I、AAC，I)之间的偏差，并且
其中，根据所求出的偏差校正所述构造平台(2)和/或预制件(3)相对于所述加工机(1)的加工平面(14)的倾斜。


5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在事先进行的步骤中测量所述构造平台(2)和/或预制件(3)，用于确定所述标记(19a-c)的额定位置(XS1、YS1，XS2、YS2，XS3、YS3)。


6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述激光束(6)在呈三维物体、尤其是球体(19a-c)形式的逆反射器上被反射回所述扫描装置(11)中，其中，所述逆反射器的实际位置(XP1、YP1，XP2、YP2，XP3、YP3)优选根据探测到的反射回的激光辐射(20)的强度分布(I(X，Y))来求取。


7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述球体(19a-c)被接收在托座(30)中，所述托座在校准之前固定、优选拧紧在所述构造平台(2)或所述预制件(3)上。


8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，为了通过高度可调节的构造平台(2)的运动执行校准，所述标记(19a-c)布置在所述加工机(1)的加工平面(14)内或该加工平面附近。


9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过三角测量法确定所述标记(19a-c)中的至少一个标记与用于将所述激光束(6)以一角度(α、α'，β、β')定向到所述至少一个标记(19a-c)上的所述扫描装置(11)、优选所述扫描装置(11)的旋转点(D1)之间在高度方向(Z)上的间距(h)。


10.根据权利要求9所述的方法，其中，为了确定所述间距(h)，将所述高度可调节的构造平台(2)在高度方向(Z)上移动，并且
通过三角测量法根据所述构造平台(2)在高度方向(Z)上的第一高度位置(H1)和第二高度位置(H2)之间的移动路程(△)以及优选根据一角度(α、α'，β、β')来确定所述间距(h)，所述激光束(6)在相应高度位置(H1、H2)处以所述角度定向到所述至少一个标记(19a-c)上。


11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，为了确定所述间距(h)，将另一扫描装置(11a)的另一激光束(6a)定向到所述至少一个标记(19a-c)上，并且
通过三角测量法根据所述扫描装置(11)相对于所述另一扫描装置(11a)的距离，优选根据所述扫描装置(11)的旋转点(D1)相对于所述另一扫描装置(11a)的旋转点(D2)的距离(AD1D2)以及根据一相应的角度(α、γ；β、δ)确定所述间距(h)，所述激光束(6)和所述另一激光束(6a)以所述角度定向到所述至少一个标记(19a-c)上。


12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，先导激光束(6)被用作用于校准所述加工机(1)的激光束。


13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括：通过借助所述激光束(6)在所述加工区域(13)中扫描至少一个根据所述逆反射器(19a)的额定位置(XS1、YS1)预给定的搜索区域(25)来探测在所述加工区域(13)中...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·皮格，F·沙尔，M·阿伦贝里拉贝，V·布利克勒，M·格龙勒，
申请(专利权)人：通快激光与系统工程有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE