(57)【要約】【課題】プロセスパラメータの制御が改善された装置を提供すること。【解決手段】エネルギービーム（４）によって固化することができる造形材料層（３）を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体（２）を付加製造する装置（１）において、エネルギービーム（４）の視準部分（６）に関する情報及びエネルギービーム（４）の集束部分（７）に関する情報を生成するように構成された測定ユニット（５）が提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギービーム（４）によって固化することができる造形材料層（３）を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体（２）を付加製造する装置（１）において、前記エネルギービーム（４）の視準部分（６）に関する情報及び前記エネルギービーム（４）の集束部分（７）に関する情報を生成するように構成された少なくとも１つの測定デバイス（１４、１６）を備える測定ユニット（５）を有することを特徴とする装置。
【請求項２】
前記測定ユニット（５）は、
−視準光学系（１０）と集束光学系（１１）との間に位置する第１のビームスプリッタ（８）を備え、第１の光ビーム経路（９）が、前記視準光学系（１０）から前記集束光学系（１１）を通って造形平面（１２）上へ延び、第２の光ビーム経路（１３）が、前記視準光学系（１０）から第１の測定デバイス（１４）へ延び、第３の光ビーム経路（１５）が、前記造形平面（１２）及び／又は前記造形平面（１２）と前記集束光学系（１１）との間の表面から前記集束光学系（１１）を通って第２の測定デバイス（１６）へ延び、
−前記第１の測定デバイス（１４）は、前記エネルギービーム（４）の視準部分（６）に関する情報を生成するように構成され、
−前記第２の測定デバイス（１６）は、前記造形平面（１２）の一区間から放出される放射に関する情報及び／又は前記エネルギービーム（４）の集束部分（７）に関する情報を生成するように構成されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の測定デバイス（１４）は、前記第２の光ビーム経路（１３）を進む前記第２のエネルギービーム（４）を２つの下位区分（１８、１９）に分割するように構成された第２のビームスプリッタ（１７）を備え、且つ／又は前記第２の測定デバイス（１６）は、前記エネルギービーム（４）のうち前記第３の光ビーム経路（１５）を進む部分を２つの下位区分（１８、１９）に分割するように構成された第２のビームスプリッタ（１７）を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記第１の測定デバイス（１４）及び／又は前記第２の測定デバイス（１６）は、２つの光センサ（２０、２１）を備え、前記第１の下位区分（１８）は、前記第１の光センサ（２０）を介して測定され、前記第２の下位区分（１９）は、前記第２の光センサ（２１）を介して測定されることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
同じ測定デバイス（１４、１６）の少なくとも２つの光センサ（２０、２１）は、異なる距離をあけて配置され、且つ／又は前記第２のビームスプリッタ（１７）に対して可動であることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記第２の測定デバイス（１６）は、前記第３の光ビーム経路（１５）を進む放射を、前記造形平面（１２）の一区間から溶融プール監視ユニット（２７）へ延びる第１の下位経路と、前記集束光学系（１１）と前記造形平面（１２）との間の表面、特に前記集束光学系（１１）の保護ガラス（２３）から前記第２の測定デバイス（１６）の前記第２のビームスプリッタ（１７）へ反射される第２の下位経路とに分割するように構成された２色性ビームスプリッタ（２４）を備えることを特徴とする、請求項２〜５のいずれか一つに記載の装置。
【請求項７】
前記第１の測定デバイス（１４）によって生成される前記情報は、
−現在のビームパワー
−前記視準光学系（１０）の現在の焦点距離
を含み又はそれに関することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の装置。
【請求項８】
前記第２の測定デバイス（１６）によって生成される前記情報は、
−現在の焦点位置
−前記造形平面（１２）の前記照射領域内の温度
−前記集束光学系（１１）の光学パラメータ
を含み又はそれに関することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載の装置。
【請求項９】
前記集束光学系（１１）と前記造形平面（１２）との間に配置された保護ガラス（２３）を有し、前記保護ガラス（２３）は、前記エネルギービーム（４）の少なくとも一部分を反射するように構成されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つに記載の装置。
【請求項１０】
前記保護ガラス（２３）によって反射された前記エネルギービーム（４）の焦点位置内に位置する光学絞り（２２）を有することを特徴とする、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記測定ユニット（５）によって生成される少なくとも１つの情報は、品質管理システムへ伝達可能であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一つに記載の装置。
【請求項１２】
前記測定ユニット（５）によって生成される少なくとも１つの情報に応じて、前記エネルギービーム（４）の少なくとも１つのプロセスパラメータ、特に焦点位置を制御するように構成された制御ユニットを有すること特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一つに記載の装置。
【請求項１３】
前記測定ユニット（５）が、エネルギービーム（４）の視準部分（６）に関する情報及び前記エネルギービーム（４）の集束部分（７）に関する情報を生成するように構成された少なくとも１つの測定デバイス（１４、１６）を備えることを特徴とする、特に請求項１〜１２のいずれか一つに記載の装置向けの測定ユニット。
【請求項１４】
エネルギービーム（４）によって固化することができる造形材料層（３）を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体（２）を付加製造する装置（１）を動作させる方法において、前記エネルギービーム（４）の視準部分（６）に関する情報及び前記エネルギービーム（４）の集束部分（７）に関する情報が生成されることを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記エネルギービーム（４）は、前記視準光学系（１０）と前記集束光学系（１１）との間で、前記視準光学系（１０）から前記集束光学系（１１）を通って造形平面（１２）上へ延びる第１の光ビーム経路（９）と、前記視準光学系（１０）から第１の測定デバイス（１４）へ延びる第２の光ビーム経路（１３）と、前記造形平面（１２）及び／又は前記集束光学系（１１）と前記造形平面（１２）との間の表面から前記集束光学系（１１）を通って第２の測定デバイス（１６）へ延びる第３の光ビーム経路（１５）とに分割され、前記エネルギービーム（４）の視準部分（６）に関する情報は、第１の測定デバイス（１４）によって生成され、前記造形平面（１２）の一区間から放出される放射及び／又は前記エネルギービーム（４）の集束部分（７）に関する情報は、第２の測定デバイス（１６）によって生成されることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
請求項１〜１２のいずれか一つに記載の装置上で実行されることを特徴とする、請求項１４又は１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギービームによって固化することができる造形材料層を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体を付加製造する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
そのような装置は、従来技術からよく知られており、エネルギービームを使用して造形材料層を選択的に照射し、エネルギービームによる照射のために造形材料が固化される。一定のプロセス品質を保証又は維持するために、エネルギービームのパワーやエネルギービームを介して造形材料内で使われるエネルギーなどの異なるプロセスパラメータを監視することが必要である。
【０００３】
たとえば、エネルギービームの焦点位置のずれは、プロセス温度、たとえば装置の少なくとも１つの構成要素の温度の変動のために生じる可能性がある。そのような温度に誘起される焦点位置のずれは、補正する必要があり、そうでない場合は、焦点が外れたエネルギービームによる造形材料の照射により、物体の歪み、ずれが生じる。したがって、一定のプロセス品質を確保するように、様々なプロセスパラメータを監視及び制御することが好ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、目的は、プロセスパラメータの制御が改善された装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的は、本発明において、請求項１に記載の装置によって実現される。本発明の有利な実施形態は、従属請求項に準拠する。
【０００６】
本明細書に記載する装置は、エネルギービームによって固化することができる粉末状の造形材料（「造形材料」）の層を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体、たとえば技術的構成要素を付加製造する装置である。それぞれの造形材料は、金属、セラミック、又はポリマーの粉末とすることができる。それぞれのエネルギービームは、レーザビーム又は電子ビームとすることができる。それぞれの装置は、たとえば、選択的レーザ焼結装置、選択的レーザ溶融装置、又は選択的電子ビーム溶融装置とすることができる。
【０００７】
この装置は、その動作中に使用されるいくつかの機能ユニットを備える。例示的な機能ユニットには、プロセスチャンバ、プロセスチャンバ内に配置された造形材料層を少なくとも１つのエネルギービームで選択的に照射するように構成された照射デバイス、及び所与の流動特性、たとえば所与の流動プロファイル、流速などでプロセスチャンバを通って少なくとも部分的に流れるガス状流体流を生成するように構成された流れ生成デバイスが挙げられる。
【０００８】
本発明は、エネルギービームの視準（ｃｏｌｌｉｍａｔｅ）部分に関する情報及びエネルギービームの集束部分に関する情報を生成するように構成された少なくとも１つの測定デバイスを備える測定ユニットを提供するという概念に基づいている。したがって、エネルギービームの集束部分、たとえばエネルギービームのうち集束光学系と造形平面との間の部分に関する情報が生成されるだけでなく、エネルギービームの視準部分、たとえばエネルギービームのうち視準光学系と集束光学系との間の部分に関する情報も生成されるため、複数のプロセスパラメータを監視することができる。したがって、エネルギービームの焦点位置のずれ又は少なくとも１つの光学デバイス若しくは光学構成要素の焦点距離のずれを判定することができる。たとえばこれにより、少なくとも１つのプロセスパラメータを調整して、焦点位置のずれ又は焦点距離のずれを少なくとも部分的に補償することが可能になる。
【０００９】
したがって、本発明によって、たとえば、エネルギービームの焦点位置を一定に保持することができ、照射しなければならない造形材料内への一定のエネルギー入力が可能になるため、一定のプロセス品質が満たされることを保証することができる。
【００１０】
有利な実施形態によれば、この装置は、
−視準光学系と集束光学系との間に位置する第１のビームスプリッタを備え、第１の光ビーム経路が、視準光学系から集束光学系を通って造形平面上へ延び、第２の光ビーム経路が、視準光学系から第１の測定デバイスへ延び、第３の光ビーム経路が、造形平面及び／又は造形平面と集束光学系との間の表面から集束光学系を通って第２の測定デバイスへ延び、
−第１の測定デバイスは、エネルギービームの視準部分に関する情報を生成するように構成され、
−第２の測定デバイスは、造形平面の一区間から放出される放射に関する情報及び／又はエネルギービームの集束部分に関する情報を生成するように構成される。
【００１１】
したがって、視準光学系から出たエネルギービームを第１の光ビーム経路及び第２の光ビーム経路に分割するために、第１のビームスプリッタが使用され、第１の光ビーム経路は、視準光学系から集束光学系を通って造形平面上へ延び、造形材料を照射する。第２の光ビーム経路は、エネルギービームから分割され、視準光学系から第１の測定デバイスへ延びる。さらに、造形平面及び／又は造形平面と集束光学系との間の表面から延びる第３の光ビーム経路は、第１のビームスプリッタを介して第２の測定デバイスへ案内される。この実施形態により、エネルギービームの様々な部分の監視が可能になり、特に視準光学系と集束光学系との間のエネルギービームの視準部分及び集束光学系と造形平面との間の集束部分、並びに造形平面の少なくとも一区間から及び／又は集束光学系と造形平面との間の表面から放出される放射を、評価することができる。
【００１２】
本出願の範囲内で、「放出（ｅｍｉｓｓｉｏｎ）」又は「放出される（ｅｍｉｔｔｅｄ）」という用語は、反射される放射又は生成される放射などを指し、放射は、対応する物体又は表面から解放される。したがって、「放出（ｅｍｉｓｓｉｏｎ）」は、ビーム源からの放射の生成に制限されるものではなく、表面の放射の反射として又は定義された温度の物体によって放出される（熱）放射の反射としても理解することができる。
【００１３】
さらに有利な実施形態によれば、第１の測定デバイスは、第２の光ビーム経路を進む第２のエネルギービームを２つの下位区分に分割するように構成された第２のビームスプリッタを備え、且つ／又は第２の測定デバイスは、第３の光ビーム経路を進む第３のエネルギービームを２つの下位区分に分割するように構成された第２のビームスプリッタを備える。
【００１４】
第２の光ビーム経路を進む第２のエネルギービームを２つの下位区分に分割し且つ／又は第３の光ビーム経路を進む第３のエネルギービームを２つの下位区分に分割することによって、それぞれのエネルギービームが視準されているかどうかを判定、決定又は測定することが可能になる。言い換えれば、それぞれの測定デバイスに割り当てられた検出器に単一エネルギービームの光線が到達する角度を検出することが可能になる。したがって、エネルギービームが進むそれぞれの光ビーム経路に沿って２つの異なる位置で、それぞれのエネルギービームの直径が測定される。２つの異なる位置内で測定された２つの直径を比較することによって、エネルギービームの視準状態に関する情報を生成することができる。
【００１５】
したがって、単一の検出器又は２つの検出器を有することが可能であり、たとえば下位区分の一方を隠すように構成されたシャッタユニットを使用して、２つの下位区分が検出器上へ連続して撮像され、その結果、エネルギービームの他方の下位区分を測定することができ、逆も同様である。たとえば、単一の検出器は、少なくとも２つの測定位置間で可動とすることができ、それぞれのエネルギービームの直径が、両方の位置で測定され、後に比較され、それぞれのエネルギービームの視準状態に関する情報を生成することができる。したがって、異なる測定位置へ進む２つの下位区分の光路長を変動させることができる。
【００１６】
この装置は、第１の測定デバイス及び／又は第２の測定デバイスが２つの光センサを備え、第１の下位区分が第１の光センサを介して測定され、第２の下位区分が第２の光センサを介して測定されるという点でさらに改善することができる。
【００１７】
この実施形態によれば、２つの下位区分に分割されたエネルギービームは、異なる光センサを介して測定され、これらの光センサは、異なる位置に配置され、すなわち第２のビームスプリッタに対して異なる距離をあけて配置される。言い換えれば、それぞれのエネルギービームの下位区分は、異なる距離を進み、すなわち２つの下位区分に対するビーム長又は光路長は異なる。したがって、それぞれのエネルギービームが適切に視準されていない場合、２つの下位区分のビーム径は異なる。この構成を提供することによって、それぞれのエネルギービームの視準状態及びレンズなどの光学構成要素のパラメータ、特に視準又は集束光学系の焦点距離に関する情報を生成することが可能になる。
【００１８】
有利には、第２の測定デバイスは、第３の光ビーム経路を、造形平面の照射領域から溶融プール監視ユニットへ延びる第１の下位経路と、集束光学系と造形平面との間の表面、特に集束光学系の保護ガラスから第２の測定デバイスの第２のビームスプリッタへ反射される第２の下位経路とに分割するように構成された２色性ビームスプリッタを備える。
【００１９】
２色性ビームスプリッタは、エネルギービームを分割し、又は２色性ビームスプリッタ上に概して入射する電磁放射をこの電磁放射の波長に応じて分割するように構成される。有利には、２色性ビームスプリッタは、第３のエネルギービームのうち、たとえば固化区間（固化ゾーン）内のエネルギービームの反射に起因するか又は造形平面と集束光学系との間の表面で反射されたエネルギービームの少しの部分又は定義された量だけを分割するように構成することができる。エネルギービームの大部分は、２色性フィルタを通過して第２の測定ユニットへ進むことが可能である。
【００２０】
固化区間（固化ゾーン）の周りの隣接区間（隣接ゾーン）から放出される放射、たとえば熱接触のために固化区間に隣接する加熱区間によって間接的に生成される放射は、第３のエネルギービームから、より大量に分割される。たとえば、２色性スプリッタは、たとえば２５０ｎｍ〜３０００ｎｍの波長スペクトル内で造形平面から放出される（熱）放射を選択的に分割又は反射するように構成することができ、約１０７０ｎｍの波長の放射は、少量だけ反射される。したがって、約１０７０ｎｍの波長を有するエネルギービームが生成された場合、このエネルギービームは、主に２色性ビームスプリッタを通過することができ、このエネルギービームのうち少しの量だけが、２色性ビームスプリッタによって反射される。２５０ｎｍ〜３０００ｎｍの波長スペクトル内の造形平面、特に固化区間に隣接する区間から放出される放射は、２色性ビームスプリッタを少量だけ通過することができ、より多くの量は、２色性ビームスプリッタによって反射され、したがって溶融プール監視ユニットの方へ案内され、造形平面、すなわち固化区間に隣接する区間から放出される放射を測定又は分析することができる。
【００２１】
この装置は、第１の測定デバイスによって生成される情報が、
−現在のビームパワー
−視準光学系の現在の焦点距離
を含み又はそれに関するという点でさらに改善することができる。
【００２２】
したがって、エネルギービームのうち第２の光ビーム経路に沿って延びる部分を測定又は分析することによって、視準光学系を介して視準され、第１の測定ユニットの方へ案内されるエネルギービームの現在のビームパワーを特徴付けることが可能になる。さらに、視準光学系の現在の焦点距離を監視し又は特徴付け、温度の変動が視準光学系に与える影響を監視することが可能になる。したがって、この実施形態により、エネルギービームの視準を、又は言い換えれば、たとえば温度に誘起される歪み、ずれのために、エネルギービームの現在の焦点距離若しくは現在の焦点位置を補正する必要があるかどうかを、監視することが可能になる。
【００２３】
この装置の別の実施形態によれば、第２の測定デバイスによって生成される情報は、
−現在の焦点位置
−造形平面の照射領域内の温度
−集束光学系の光学パラメータ、特に焦点距離
を含み又はそれに関する。
【００２４】
上述した情報と同様に、第２の測定ユニットによって実行される監視により、集束光学系の現在の焦点位置又は現在の光学パラメータ、特に集束光学系の焦点距離の判定（決定）が可能になる。視準光学系の判定された焦点距離とともに、集束光学系及び視準光学系を備える光学システムの焦点距離を判定することが可能になる。さらに、造形平面の一区間の温度を判定することが可能になり、この区間は、エネルギービームが造形材料を直接照射して造形材料を固化する固化区間とすることができ、またこの区間は、固化区間との熱接触を維持し、それによってエネルギービームを介して間接的に加熱される固化区間に隣接する区間とすることができる。
【００２５】
照射領域の温度を監視することによって、造形すべき物体の品質に関して記述することができ、物体の隣接する区間同士の間の高い温度勾配又は温度差を回避するように、プロセスパラメータを監視してそれぞれを制御することによって、物体内の欠陥を回避することができる。
【００２６】
この装置の別の実施形態は、集束光学系と造形平面との間に保護ガラスが配置されることを提案し、保護ガラスは、エネルギービームの少なくとも一部分を反射するように構成される。保護ガラスは、エネルギービームを部分的に反射して第３の光ビーム経路に沿って延ばす表面を提供する。したがって、第２の測定デバイスを介してエネルギービームの反射部分を評価することができるので、保護ガラスにおけるエネルギービームの反射を使用して、プロセスパラメータを監視することができる。これにより、エネルギービームのうち視準光学系と集束光学系をすでに通過して保護ガラスで反射されるエネルギービームの部分として、エネルギービームの集束部分の特性を特徴付けることが可能になる。
【００２７】
上述した実施形態は、エネルギービームのうち保護ガラスによって反射されたエネルギービームの部分の焦点位置内に位置する光学絞りが設けられるという点で改善することができる。この実施形態によって、望ましくない光ビーム経路に沿って延びるエネルギービーム又は光線の異なる様々な部分の濾過が可能になる。反射されたエネルギービームのうち、保護ガラスによって反射された部分だけが、それに応じて調整することができる光学絞りを通過することが可能である。したがって、この絞りによって、エネルギービームのうち評価する必要のあるエネルギービームの部分から、関係のない表面又は領域から放出された放射並びに散乱放射を分離することができる。
【００２８】
この装置の別の実施形態は、有利には、測定ユニットによって生成される少なくとも１つの情報が品質管理システムへ伝達可能であることを提案する。したがって、測定ユニットによって生成される情報を品質管理システムのデータ記憶部内に記憶し、且つ／又はさらに処理して、たとえば造形すべき物体を特徴付け、且つ／又は物体の製造プロセス中にプロセスパラメータを記録することができる。これにより、物体の特徴を対応する製造プロセス又は製造プロセス中のパラメータにそれぞれ関連付けることが可能になる。
【００２９】
別の有利な実施形態によれば、測定ユニットによって生成される少なくとも１つの情報に応じて、エネルギービームの少なくとも１つのプロセスパラメータ、特に焦点位置を制御するように構成された制御ユニットが設けられる。したがって、上述したように、エネルギービームの部分を監視することによって、少なくとも１つのプロセスパラメータの（「オンライン」）評価及び制御が可能になる。物体の製造プロセス中に関係するプロセスパラメータを監視することによって、プロセスパラメータの変化、たとえば焦点位置の変化により、現在製造されている物体に歪み、ずれ（偏差）が生じる前に、プロセスパラメータを補正又は調整することが可能になる。したがって、エネルギービームをその様々な部分、たとえば集束部分、反射部分、及び視準部分ごとに評価することによって、ずれが生じる前にそれぞれの構成要素を調整し、したがってそれぞれのパラメータを補正することが可能になる。したがって、光学構成要素、たとえばレンズの位置又は相対位置を調整して、温度変動による焦点距離又は焦点位置のずれを補償することができる。
【００３０】
さらに、本発明は、エネルギービームによって固化することができる造形材料層を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体を付加製造する装置を動作させる方法に関し、エネルギービームの視準部分に関する情報及びエネルギービームの集束部分に関する情報が生成される。
【００３１】
この装置に関して記載するすべての特徴、利点、及び詳細は、この方法にも完全に移行可能であり、逆も同様であることが自明である。この方法は、好ましくは、上述した装置上で実行される。
【００３２】
この方法の一実施形態によれば、エネルギービームは、視準光学系と集束光学系との間で、視準光学系から集束光学系を通って造形平面上へ延びる第１の光ビーム経路と、視準光学系から第１の測定デバイスへ延びる第２の光ビーム経路と、造形平面及び／又は集束光学系と造形平面との間の表面から集束光学系を通って第２の測定デバイスへ延びる第３の光ビーム経路とに分割され、エネルギービームの視準部分に関する情報は、第１の測定デバイスによって生成され、造形平面の一区間から放出される放射及び／又は集束光学系と造形平面との間の表面によって放出される放射並びに／又はエネルギービームの集束部分、に関する情報は、第２の測定デバイスによって生成される。
【００３３】
したがって、視準光学系から出るエネルギービームは、集束光学系を通過する前にビームスプリッタによって分割され、第１の測定デバイスへ案内される。造形平面及び／又は集束光学系の後ろに配置された表面で反射される放射は、ビームスプリッタによって第２の測定ユニットへ案内される。これにより、関係するビーム部分、特に視準部分及び集束部分並びに造形平面の一区間及び／又は造形平面と集束光学系との間の表面から放出される放射を監視することが可能になる。
【００３４】
本発明の例示的な実施形態について、図を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の装置を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
この図は、エネルギービーム４によって固化することができる造形材料層３を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体２を付加製造する装置１を示す。装置１は、エネルギービーム４の視準部分６に関する情報及びエネルギービーム４の集束部分７に関する情報を生成するように構成された２つの測定デバイス１４、１６を備える測定ユニット５を備える。したがって、測定デバイス１４、１６は、エネルギービーム４の異なる部分６、７を同時に測定し、測定ユニット５がエネルギービーム４の異なる部分６、７に関する情報を生成することが可能になるように構成される。
【００３７】
測定ユニット５は、エネルギービーム４を分割する第１のビームスプリッタ８を備え、第１の光ビーム経路９は、視準光学系１０から第１のビームスプリッタ８及び集束光学系１１を通って造形平面１２上へ延びる。したがって、エネルギービーム４のうち第１の光ビーム経路９に沿って延びる部分は、第１のビームスプリッタ８によって反射されず、造形平面１２内で造形材料３を照射するために使用される。
【００３８】
第１のビームスプリッタ８は、エネルギービーム４から、第２の光ビーム経路１３に沿って視準光学系１０から第１の測定デバイス１４へ延びる部分を分割する。さらに、第１のビームスプリッタ８は、エネルギービーム４のうち第３の光ビーム経路１５に沿って造形平面１２又は造形平面１２と集束光学系１１との間の表面から集束光学系１１を通って第２の測定デバイス１６へ延びる反射部分を反射する。したがって、第１のビームスプリッタ８は、エネルギービーム４を分割するために使用され、第１の（エネルギー）光ビーム経路９は、第１のビームスプリッタ８を通過し、第２の（エネルギー）光ビーム経路１３は、第１のビームスプリッタ８によって第１の測定デバイス１４へ反射され、第３の（エネルギー）光ビーム経路１５は、第１のビームスプリッタ８によって第２の測定デバイス１６へ反射される。
【００３９】
第１の測定デバイス１４は、エネルギービーム４のうち第２の光ビーム経路１３に沿って延びる部分を第１の下位区分１８及び第２の下位区分１９に分割する第２のビームスプリッタ１７を備え、第１の下位区分１８は、第１の光センサ２０上に撮像され、第２の下位区分１９は、第２の光センサ２１を介して測定される。第１の光センサ２０及び第２の光センサ２１は、第２のビームスプリッタ１７に対して異なる距離をあけて配置される。したがって、エネルギービーム４のうち第２の光ビーム経路１３に沿って延びる部分の下位区分１８、１９の光路長は異なる。これにより、エネルギービーム４の視準部分６が適切に視準されているかどうか、又は視準光学系１０の焦点距離を適合させなければならないかどうかを測定することが可能になる。光センサ２０、２１を介して、エネルギービーム４のパワーなど、エネルギービーム４及び／又は視準光学系１０のさらなるパラメータを測定することもできる。
【００４０】
第２の測定デバイス１６の構成は、第１の測定デバイス１４に類似している。したがって、同じ部分には同じ数字を使用する。第２の測定デバイス１６もまた、第２のビームスプリッタ１７及び２つの光センサ２０、２１を備え、２つの光センサ２０、２１は、第２のビームスプリッタ１７に対して異なる距離をあけて配置される。第２の測定デバイス１６の第２のビームスプリッタ１７もまた、エネルギービーム４のうち第２のビームスプリッタ１７上に入射する部分を第１の下位区分１８及び第２の下位区分１９に分割する。
【００４１】
加えて、第２の測定デバイス１６は、エネルギービーム４のうち保護ガラス２３によって反射された部分の焦点位置内に配置された光学絞り２２を備える。絞り２２は、放射の濾過を可能にし、エネルギービーム４のうち保護ガラス２３によって反射された部分だけが、光学絞り２２を通過し、第２の測定デバイス１６の第２のビームスプリッタ１７を通過することが可能になる。エネルギービーム４のうち保護ガラス２３で反射された部分以外の放射は、光学絞り２２によって阻止される。
【００４２】
測定ユニット５は、第２の測定デバイス１６に割り当てられた２色性ビームスプリッタ２４をさらに備え、２色性ビームスプリッタ２４は、放射が放射の波長に応じて選択的に濾過（反射）され、又は２色性ビームスプリッタ２４を通過するように構成される。特に、エネルギービーム４のうち造形平面１２の一区間から放出され又は保護ガラス２３で反射された部分、すなわち第３の光ビーム経路１５に沿って延びる部分は、波長に応じて２色性ビームスプリッタ２４によって濾過される。これにより、エネルギービーム４の２つの異なる部分を、すなわち保護ガラス２３若しくは造形平面１２で反射された部分又は造形平面１２の一区間から放出された部分、特に熱放射を、濾過することが可能になる。したがって、造形平面１２によって、特にエネルギービーム４が造形材料３を直接照射する固化区間に隣接する区間によって放出された放射を測定することができる。
【００４３】
特に、２色性ビームスプリッタ２４は、エネルギービーム４の波長が少量だけ反射されるように設計することができ、又は言い換えれば、エネルギービーム４の波長を有する放射は、その最大部分が２色性ビームスプリッタ２４を通過することができる。したがって、エネルギービーム４のうち２色性ビームスプリッタ２４を通過する部分２５は主に、エネルギービーム４のうち、保護ガラス２３又は固化区間で反射され、集束光学系１１を通過し、第１のビームスプリッタ８で反射された部分である。エネルギービーム４の部分２５は、第２の測定デバイス１６へ案内され、この場合も光学絞り２２によって濾過され、後に第２のビームスプリッタ１７によって２つの下位区分１８、１９に分割され、光センサ２０、２１上へ撮像される。
【００４４】
さらに、部分２６（造形平面１２の一区間によって放出される熱放射）は主に、部分２６の波長が、２色性ビームスプリッタ２４が通過させるように設計された波長とは異なるため、２色性ビームスプリッタ２４によって反射される。部分２６は主に、造形平面１２によって、特に固化区間に隣接する区間によって放出される。したがって、部分２６は、造形平面１２によって放出され、保護ガラス２３及び集束光学系１１を通過する。後に部分２６は、第１のビームスプリッタ８及び２色性ビームスプリッタ２４によって反射され、溶融プール監視ユニット２７へ案内される。溶融プール監視ユニット２７は、部分２６を測定するように構成され、特に溶融プール監視ユニット２７は、たとえばその部分２６が放出された造形平面１２の区間の温度を判定（決定）するために、少なくとも１つの光センサ（図示せず）を備える。
【００４５】
この図から導出することができるように、装置１、特に測定ユニット５により、エネルギービーム４及び造形平面１２から放出される放射の様々な部分の判定（決定）が可能になる。特に、視準部分６及び集束部分７並びに造形平面１２から放出される放射の部分２６に関する情報を生成することが可能になる。これにより、たとえば温度差によるエネルギービーム４の焦点ずれを回避又は補正するために、様々なプロセスパラメータ、特に視準光学系１０及び集束光学系１１の焦点距離の定義された調整が可能になる。さらに、固化区間及び隣接区間内の温度を測定することによって、固化区間と隣接区間との間の温度勾配を判定することができる。したがって、判定された温度勾配が事前定義された値を超過する場合、それぞれのプロセスパラメータを、特にエネルギービーム４のパワーを調整することができ、特に低減させることができる。
【００４６】
上述した方法は、図に示す装置１上で実行することができることが自明である。
【符号の説明】
【００４７】
１  装置
２  ３次元の物体
３  造形材料、造形材料層
４  エネルギービーム
５  測定ユニット
６  視準部分
７  集束部分
８  第１のビームスプリッタ
９  第１の光ビーム経路
１０  視準光学系
１１  集束光学系
１２  造形平面
１３  第２の光ビーム経路
１４  第１の測定デバイス
１５  第３の光ビーム経路
１６  第２の測定デバイス
１７  第２のビームスプリッタ
１８  第１の下位区分
１９  第２の下位区分
２０  第１の光センサ
２１  第２の光センサ
２２  光学絞り
２３  保護ガラス
２４  ２色性ビームスプリッタ
２５  （エネルギービームの一つの）部分
２６  （エネルギービームの一つの）部分
２７  溶融プール監視ユニット
【図１】
2020020045.tif 000003
【手続補正書】
【提出日】令和1年9月26日(2019.9.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギービームによって固化することができる造形材料層を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体を付加製造する装置において、前記装置は測定ユニットを備え、前記測定ユニットは、
視準光学系と、集束光学系と、前記視準光学系と前記集束光学系との間に位置する第１のビームスプリッタと、
前記エネルギービームの視準部分に関する情報を生成するよう構成された第１の測定デバイスであって、前記情報は前記視準光学系の現在の焦点距離を含むか、それに関連する、第１の測定デバイスと
前記エネルギービームの集束部分に関する情報を生成するように構成された第２の測定デバイスであって、前記情報は前記集束光学系の現在の焦点位置及び前記集束光学系の光学パラメータの少なくとも一つを含むか、それに関連する、第２の測定デバイスと、を備える、装置。
【請求項２】
前記第１のビームスプリッタは、前記視準光学系を通って延びた前記エネルギービームの一部を反射して前記エネルギービームの視準部分（６）を提供するとともに、前記エネルギービームの一部を前記集束光学系を通って延ばして前記エネルギービームの集束部分を提供する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記エネルギービームの集束部分の少なくとも一部は前記集束光学系を通って造形平面上へ延びる第１の光ビーム経路を形成し、前記エネルギービームの視準部分の少なくとも一部は前記第１の測定デバイスへ延びる第２の光ビーム経路を形成し、第３の光ビーム経路が、前記造形平面及び／又は前記造形平面と前記集束光学系との間の表面から前記集束光学系を通って前記第２の測定デバイスへ延びる、請求項１又は請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第２の測定デバイスは、前記造形平面の一区間から放出される放射に関する情報を生成するように構成される、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記第１の測定デバイスは、前記第２の光ビーム経路を進む前記エネルギービームを２つの下位区分に分割するように構成された第２のビームスプリッタを備え、且つ／又は前記第２の測定デバイスは、前記エネルギービームのうち前記第３の光ビーム経路を進む部分を２つの下位区分に分割するように構成された第２のビームスプリッタを備える、請求項３又は請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記第１の測定デバイス及び／又は前記第２の測定デバイスは、２つの光センサを備え、第１の下位区分は、第１の光センサを介して測定され、第２の下位区分は、第２の光センサを介して測定される、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
同じ測定デバイスの少なくとも２つの光センサは、異なる距離をあけて配置され、且つ／又は前記第２のビームスプリッタに対して可動である、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記第２の測定デバイスは、前記第３の光ビーム経路を進む放射を、前記造形平面（の一区間から溶融プール監視ユニットへ延びる第１の下位経路と、前記集束光学系と前記造形平面との間の表面から前記第２の測定デバイスの第２のビームスプリッタへ反射される第２の下位経路と、に分割するように構成された２色性ビームスプリッタを備える、請求項３〜７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記第１の測定デバイスによって生成される前記情報は、前記視準光学系の現在のビームパワーを含み、又はそれに関する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記第２の測定デバイスによって生成される前記情報は、造形平面の照射領域内の温度を含み、又はそれに関する、請求項１〜９のいずれか一つに記載の装置。
【請求項１１】
前記集束光学系と造形平面（１２）との間に配置された保護ガラスを有し、前記保護ガラスは、前記エネルギービームの少なくとも一部分を反射するように構成される、請求項１〜１０のいずれか一つに記載の装置。
【請求項１２】
前記保護ガラスによって反射された前記エネルギービームの焦点位置内に位置する光学絞りを有する、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記測定ユニットによって生成される情報に応じて、前記エネルギービームの集束位置を制御するように構成された制御ユニットを有する、請求項１〜１２のいずれか一つに記載の装置。
【請求項１４】
測定ユニットが、エネルギービームの視準部分から前記視準光学系の現在の集束距離に関する情報と、前記エネルギービームの集束部分から前記集束光学系の現在の集束位置及び光学パラメータの少なくとも一つに関する情報と、を生成するよう構成された少なくとも一つの測定デバイスを備える、請求項１〜１３のいずれか一つに記載の装置向けの測定ユニット。
【請求項１５】
エネルギービームによって固化することができる造形材料層を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体を付加製造する装置を動作させる方法であって、前記方法は、
第１の測定デバイスによって前記エネルギービームの視準部分から視準光学系の現在の集束距離に関する情報を生成し、
第２の測定デバイスによって前記エネルギービームの集束部分から集束光学系の現在の集束位置及び光学パラメータの少なくとも一つに関する情報を生成する、方法。
【請求項１６】
請求項１〜１３のいずれか一つに記載の装置上で実行される、請求項１５に記載の方法。