(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元の加工物を層状に形成する装置（１０）であって、
前記装置内の最大提供可能な空間を画定する構築室（３０）であって、該構築室（３０）の中で原料粉末層を選択的に硬化させることによって加工物を形成することができる、構築室（３０）と、
前記構築室（３０）内の原料粉末層を少なくとも１つの加工ビームの送出によって選択的に硬化させるように構成されている、照射システム（２０）と、
少なくとも１つの較正構造（３６）と、
前記照射システム（２０）によって送出された放射の前記較正構造（３６）における後方反射を検出するように構成されている、センサ機器（２５）と、
該センサ機器の検出情報に基づいて前記照射システム（２０）を較正するように構成されている、制御ユニット（２６）と、を有し、
前記較正構造（３６）が前記構築室（３０）の外部に配置され、
前記較正構造（３６）は少なくとも１つの凹部及び／又は隆起部を有し、前記照射システム（２０）は、較正プロセスの過程において前記凹部及び／又は前記隆起部の領域内で前記較正構造（３６）に照射するように構成されている、３次元の加工物を層状に形成する装置。
【請求項２】
前記較正構造（３６）は装置（１０）のプロセスチャンバ（１２）の内部に、少なくとも部分的にプロセスチャンバ（１２）の内壁領域と前記構築室（３０）の間に延びるように配置されている、請求項１に記載の装置（１０）。
【請求項３】
前記構築室（３０）が、前記構築室（３０）の底表面を形成する構築面（２８）を有し、前記較正構造（３６）が、矩形状を有する前記構築面（２８）の少なくとも１つの側（４０、４２）に沿って延びている、請求項１又は２に記載の装置（１０）。
【請求項４】
前記較正構造（３６）は少なくとも２つの較正セクション（３７）を有し、該較正セクションは前記構築面（２８）の異なる側（４０、４２）に沿って延びており、前記構築面（２８）の異なる側（４０、４２）が互いに対して角度をもって延びている、請求項３に記載の装置（１０）。
【請求項５】
装置（１０）はさらに底領域（３４）を有し、該底領域は前記構築面（２８）を少なくとも部分的に包囲し、かつ前記較正構造（３６）は前記底領域（３４）内に、又は前記底領域（３４）に対して平行に配置されている、請求項３又は４に記載の装置（１０）。
【請求項６】
前記較正構造（３６）は少なくとも部分的に、プロセスチャンバ（１２）の側壁領域内に、又はそれに対して平行に配置されている、請求項２〜５の何れか一項に記載の装置（１０）。
【請求項７】
前記較正構造（３６）は少なくとも部分的に１つの材料を有し、前記照射システム（２０）の照射に関する前記材料の吸収挙動は、前記較正構造（３）の周囲における吸収挙動とは異なる、請求項１〜６の何れか一項に記載の装置（１０）。
【請求項８】
吸収挙動を調節するための前記材料は、前記凹部及び／又は隆起部と前記較正構造（３６）の周囲との間の移行領域近傍に、又はその中に配置されている、請求項７に記載の装置（１０）。
【請求項９】
前記凹部は、上方の端縁に、及び／又は前記較正構造（３６）への移行領域内に、少なくとも１つのエッジ（４５）を有している、請求項１〜８の何れか一項に記載の装置（１０）。
【請求項１０】
前記凹部及び／又は前記隆起部がメインセクション（３８）を有し、該メインセクションが前記構築面（２８）に沿って延びており、かつ前記凹部及び／又は前記隆起部が少なくとも１つのサブセクション（４４）を有し、該サブセクションが前記メインセクション（３８）に対して角度をもって延びている、請求項３に記載の装置（１０）。
【請求項１１】
複数のサブセクション（４４）が設けられており、それらが前記メインセクション（３８）に沿って規則的な間隔で配置されている、請求項１０に記載の装置（１０）。
【請求項１２】
前記センサ機器（２５）は、加工ビームの前記凹部への進入もしくはそこからの離脱を検出するように構成されており、及び／又は前記センサ機器（２５）は、前記隆起部への到達及び／又はそこからの離脱を検出するように構成されている、請求項１〜６の何れか一項に記載の装置（１０）。
【請求項１３】
前記制御ユニット（２６）は前記照射システム（２０）を制御するように構成され、該照射システム（２０）は少なくとも較正プロセスの間、硬化に有効でない出力を有する加工ビームを送出する、請求項１〜１２の何れか一項に記載の装置（１０）。
【請求項１４】
３次元の加工物を層状に形成するための装置（１０）の照射システム（２０）を較正する方法であって、
前記装置（１０）が請求項１〜１３の何れか一項に従って構成されており、
構築室（３０）の外部の較正構造（３６）を照射するステップであって、照射が前記照射システム（２０）によって行われ、かつ前記構築室内で原料粉末層の選択的な硬化によって加工物が形成可能である、ステップと、
前記照射システム（２０）によって送出された放射の、前記較正構造（３６）における後方反射を検出するステップと、
前記照射システム（２０）によって送出された放射の、前記較正構造（３６）において検出された後方反射に基づいて前記照射システム（２０）を較正するステップと、
有し、
前記較正構造（３６）は少なくとも１つの凹部及び／又は隆起部を有し、前記照射システム（２０）は、較正プロセスの過程において前記凹部及び／又は前記隆起部の領域内で前記較正構造（３６）に照射するように構成されている、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照射システムを較正する装置と方法に関するものであって、照射システムは３次元の加工物を形成するために使用され、かつ装置に含まれている。
３次元の加工物を形成するための付加（積層）方法において、そして特に付加層構築方法において、最初は形状のない、又は形状中立（ニュートラル）な成形材料（たとえば原料粉末）を位置特定の照射によって固めて、それによって所望の形状にすることが知られている。照射は、たとえばレーザ放射の形式の、電磁放射によって行うことができる。初期状態において成形材料は、まず細粒として、粉末として又は液状の成形材料として存在することができ、照射の結果として選択的に、又は言い換えると、特定位置で固められる。成形材料は、たとえばセラミック材料、金属材料又はプラスチック材料、そして又それらの材料混合物を含むことができる。付加層構築方法の一変形例は、いわゆる粉末床溶融に関するものであり、それにおいて特に金属及び／又はセラミックの原料粉末材料が３次元の加工物を形成するために固められる。
【背景技術】
【０００２】
個々の加工物を形成するために、さらに、原料粉末材料を原料粉末層の形状で支持体上に塗布し、選択的かつ実際に形成すべき加工物層の幾何学配置に従って照射することが、知られている。レーザビームが原料粉末材料内へ進入して、たとえば加熱の結果として、それを固め、それが溶融又は焼結をもたらす。１つの加工物が固められる場合に、未加工の原料粉末材料の新しい層がすでに形成されている加工物層上へ塗布される。そのために、既知の積層配置又は粉末塗布装置を使用することができる。次に、一番上のまだ加工されていない原料粉末層のあらたな照射が行われる。したがって、加工物には層が順次構築され、各層は加工物の横断面及び／又は輪郭を定める。これに関連して、さらに、加工物を実質的に自動で製造するために、ＣＡＤデータ又は比較可能な加工物データを利用することが知られている。
【０００３】
この種の装置の例は特許文献１に見出される。この装置はプロセスチャンバを有し、そのプロセスチャンバが形成すべき加工物用の多数の支持体を有している。粉末塗布装置が粉末リザーバホルダを有しており、それが支持体の上方で往復移動することができ、それによって支持体上に照射すべき原料粉末層が塗布される。プロセスチャンバは保護ガス循環と接続されており、その保護ガス循環が供給導管を有しており、それを介して保護ガスがプロセスチャンバ内へ導入可能であり、それによってその中に保護ガス雰囲気が調節される。
【０００４】
例えば、原料粉末材料の照射によって３次元の加工物を形成する装置内で使用可能な、照射システムが、特許文献２に記述される。この照射システムは、ビーム源、特にレーザ源と光学ユニットとを有している。ビーム源から送出された加工ビームを提供される光学ユニットは、ビーム拡大ユニットとスキャナユニットの形式の偏向装置とを有している。スキャナユニットの内部において、偏向ミラーの前に回折光学素子が設けられており、回折光学素子は、加工ビームを多数の加工部分ビームに分割するために、光路内へ移動可能である。偏向ミラーは加工部分ビームを偏向させるために用いられる。
【０００５】
なお、この発明の範囲内において、上述した視点のすべてを設けることができる。
【０００６】
この種の照射システム及び特に、原料粉末材料の照射によって３次元の加工物を層状に形成するための装置内で使用される、この種の光学ユニットを較正するために、しばしば支持体上でいわゆるバーンオフフィルム（burn-off films）が使用される。この支持体上に、装置のノーマルな駆動の間、照射すべき原料粉末層が塗布される。バーンオフフィルムは、所定のパターンに従って照射されるので、フィルム上に照射パターンのバーンオフ画像が生じる。バーンオフ画像がデジタル化されて、照射パターンのデジタルの参照画像と比較される。デジタル化されたバーンオフ画像と参照画像との比較の結果に基づいて、実際のバーンオフ画像と参照画像の間の偏差を補償するために、照射ユニットが較正される。
【０００７】
バーンオフフィルムは、隣接する照射面の間の重なりゾーン内に提供される、多数の加工ビーム、特にレーザビームの光路を較正するためにも使用される。この種の照射面及びその間に形成される重なりゾーンは、しばしば複数の照ユニットを有する照射システムとの関連において、たとえば特許文献３及び４に開示されている。
【０００８】
原理において、フィルムを照射する際に発生する、バーンオフフィルム内に形成されたバーンオフパスの厚みは、加工ビームのピンボケを測定するために、インジケータとして使用することもできる。しかしこの測定の精度と信頼性は、それを加工ビームの合焦を較正するために使用するには、通常低すぎる。その代わりにそのために、典型的に付加的な焦面測定が実施される。さらに、３次元の加工物を層状に形成する装置内で使用される、照射システムを較正するために知られた解決において、各較正プロセスの前に、装置の構築面上又はそれに対して平行に較正プレート又は他の特別に装備される較正部材が配置される。これらの較正プレートは、照射システムによって照射されて、その際に生じた反射が検出されて、それによって生じる目標−実際−偏差が推定される。それに基づいてその後、照射システムを較正することができる。その例が、特許文献５及び６に開示されている。しかしこれらの解決は、較正プレートを配置する際の手動の高い正確性を必要とし、かつ比較的時間がかかる。発明者は、これらの解決においては、較正は単なる一時的な中断の元では、又は製造プロセスに対して並列には実施することはできない、という他の欠点が生じることを、認識した。その代わりにこれらの解決においては、較正プレートを配置するために、組み込み空間が自由に提供可能でなければならない。したがって組み込み空間は、少なくとも部分的に形成されている加工物によって占領されてはならず、かつ製造プロセスの実施と較正プロセスの実施は、厳しく区別されなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】欧州特許第１７９３９７９（Ｂ１）号明細書
【特許文献２】欧州特許第２３３５８４８（Ｂ１）号明細書
【特許文献３】欧州特許第２８７５８９７（Ｂ１）号明細書
【特許文献４】欧州特許出願公開第２８６２６５１（Ａ１）号明細書
【特許文献５】欧州特許出願公開第１０４８４４１（Ａ１）号明細書
【特許文献６】独国特許出願公開第１０２００９０１６５８５（Ａ１）号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって本発明の課題は、３次元の加工物を層状に形成するために使用可能である、照射システムを較正する解決を提供することであり、この解決は、簡単で、しかも正確な較正プロセスを可能にする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この課題は、請求項１の特徴を有する装置及び請求項１４の特徴を有する方法によって、解決される。
【００１２】
したがって、本発明は加工物を層状に形成する装置に関する。この装置は、選択的なレーザ焼結の形式に従って３次元の加工物を製造するために形成することができる。装置は、構築室を有しており、その中で原料粉末層を層状に選択的に硬化させることにより加工物が形成可能である。構築室は、３次元の仮想空間とすることができ、その中で原料粉末層が一般的に知られたやり方で配置可能かつ選択的に、又は言い換えると特定位置で硬化可能である。この構築室は、筒状及び／又は矩形かつ一般的に多角形とすることができる。
【００１３】
一般的に、構築室は装置内の最大提供可能な空間を定め、その中で加工物が形成可能であり、又は言い換えると、装置の内部で形成が行われた後に加工物が占めることができる空間である。加工物が中実のブロックとして形成される、理論的な場合において、このブロックがたとえば構築室を完全に満たす。後述するように、構築室は構築面を有することができ、その構築面が特に構築室の底面を形成することができる。構築面は、装置の支持体によって定めることができ、その上に原料粉末層を既知の粉末塗布装置によって塗布することができる。構築面は、最大提供可能な面を定めることができ、その上で加工物が形成可能であり、かつ特に最大形成可能な加工物平面図を定めることができる。さらに構築面は、後述する照射システムと対向することができる。したがって全体として、加工物を層状に構築するために、原料粉末層の塗布、選択的硬化及び他の原料粉末層のあらたな塗布からなる既知のサイクリックなシーケンスを実現することができる。
【００１４】
詳細においては、装置のプロセスチャンバ内に装置の選択的な支持体を準備することができる。それは、一般的な固定の支持体であり、又は変位可能な支持体であって、それは特に垂直方向に変位可能である。ある変形例によれば、支持体は、形成された加工物層の数の増加に伴って、かつ好ましくはこの数に従って、垂直方向に下降する。プロセスチャンバは、周囲雰囲気に対して密閉可能であって、それによってその中に管理された雰囲気、特に不活性雰囲気が調節される。原料粉末層は、上述した原料粉末材料のすべて及び特に金属合金からなる粉末を含むことができる。粉末は、各適切な粒子大きさ又は粒子大きさ分布を有することができる。好ましくは粉末の粒子大きさは、１００μｍ未満である。
【００１５】
説明したように、支持体上及び／又はその上に配置されてすでに照射されている原料粉末層上に原料粉末層を塗布することは、既知の複数のコーティングユニット又は複数の粉末塗布装置を介して行うことができる。その例が、欧州特許出願公開第２８１８３０５（Ａ１）号明細書に見出される。
【００１６】
装置はさらに、照射システムを有しており、それは、構築室内の原料粉末層を少なくとも１つの加工ビームを送出することによって選択的に硬化させるように構成されている。照射システムは、たとえばレーザビームの形式の電磁的な加工ビームを送出する（もしくは放射する）ように、形成することができる。そのために照射システムは、適切な加工光学系（又は一般的に適切な光学ユニット）及び／又はビーム源を有することができ、又はこの種のユニットに接続可能とすることができる。加工光学系は、加工ビームを案内し、及び／又はそれと所望のやり方で相互作用することができる。そのために対物レンズ、特にｆシータ（ｆθ）レンズを有することができる。
【００１７】
照射システムは、さらに、少なくとも１つの偏向装置を有することができ、それによって放射された加工ビームを構築室の内部のあらかじめ定められた領域へ、そしてそれに伴って照射すべき原料粉末層のあらかじめ定められた領域へ向けることができる。偏向装置は、少なくとも１つのいわゆるスキャンユニットを有することができ、そのスキャンユニットは好ましくは少なくとも２つの軸線を中心に変位可能である。
【００１８】
照射システムは、複数の照射ユニットを有することもでき、それらにはそれぞれ構築室の内部のあらかじめ定められた照射領域を対応づけることができる。これらの照射ユニットは、既知のようにそれぞれ専用のビーム源、加工光学系及び／又は偏向装置を有することができる。代替的に、それらの照射ユニットはたとえば共通のビーム源に接続可能であって、そのビーム源の放出された加工ビームが分割されて、個々の照射ユニットへ提供される。
【００１９】
本発明によれば、装置はさらに、少なくとも１つの較正構造を有している。それは、照射システムの照射ビームとあらかじめ定められたやり方で相互作用するように構成された構造とすることができき、その相互作用は後述するセンサ機器によって検出可能である。相互作用は、特に加工ビームの反射及び／又は吸収を含むことができる。
【００２０】
装置はさらに、センサ機器を有しており、それは、照射システムによる較正構造の照射を検出するように構成されている。そのためにセンサ機器は、少なくとも１つの光学的な検出ユニット、たとえばカメラ又はイメージセンサを有することができる。具体的な例として、さらにフォトセンサ、フォトチップ、フォトダイオード、ＣＣＤセンサ及びＣＭＯＳセンサが挙げられる。変形例によればセンサ機器は、加工物形成の間に使用される、既知の溶融液槽監視システムの構成要素を形成する。言い換えると、溶融液槽監視システムは、較正プロセスを実施する間、少なくとも一時的に、その代わりに較正構造の照射を検出するために、使用することができる。
【００２１】
一般的に、加工ビームと較正構造の間の上述した相互作用は、センサ機器によって検出することができる。これは、加工ビームが較正構造へ向けられ、又はそれを走査する場合に、そのバック反射（及び特に時間的推移）の検出に関する。したがってセンサ機器は、照射システムから送出された照射のバック反射を検出することによって、較正構造の照射をいわば間接的に検出するように、形成することができる。そのためにセンサ機器の検出領域は、較正構造及び／又は構築室へ向けることができ、又は選択的にそれへ向けることができる。同様にセンサ機器は、構築室の場合によっては設けられる構築面に対向することができる。
【００２２】
センサ機器は、一般的に、周囲から反射された放射と特に較正構造から反射された放射を検出し、それに基づいて信号を生成するように構成されることができる。これらの信号は、装置の制御ユニットによってさらに処理することができる。したがってセンサ機器は、一般的に、照射システムから送出された加工ビームの波長領域内の照射の強度を検出するように、形成することができる。さらに、センサ機器の検出領域は、一般的に、それが較正構造の少なくとも１つの照射可能な割合をカバーするように、選択することができる。
【００２３】
したがってセンサ機器は、主として、較正構造の領域内の反射挙動及び／又は吸収挙動を検出するように形成することができる。それに加えて、又はその代わりに、間隔測定を行うこともできる。較正構造は領域として、その中で間隔測定値が少なくとも局所的に周囲とは異なる、したがってたとえば局所的に増大し、又は減少する領域として、検出可能である。原理的にセンサ機器はセンサを備えることができ、それを用いて較正構造の表面特性及び特にこの表面特性と照射システムによる照射との相互作用が検出可能である。
【００２４】
センサ機器の検出信号は、直接検出された状態において、及び／又はさらに処理された状態において、センサ機器の検出情報を形成することができる。この検出情報は、装置の制御ユニットへ、特に照射システムを較正する目的で、提供することができる。
【００２５】
具体的には、装置はさらに制御ユニットを有しており、その制御ユニットは、センサ機器の検出情報に基づいて照射システムを較正するように構成されている。較正は、実際に検出された検出情報と理論的に予測される検出情報との調整を、又は言い換えると、検出情報の間の目標−実際−比較を、含むことができる。偏差が確認された場合に、特にこの偏差があらかじめ定められた許容誤差値を上回った場合に、較正構造の照射が所望のように行われていないと推定することができる。特に制御ユニットは、検出情報から、たとえばあらかじめ定められた時点で定められた較正構造上の照射位置と、検出情報によって示される実際にとられた照射位置との間の望ましくない相対変位を推定するように、形成することができる。この相対変位、言い換えるとこの目標−実際−偏差は、既知のように、照射システムを較正するために、使用することができる。たとえば確認された目標−実際−偏差は、照射システムを連続的に再調整するため、及び／又は照射システムのための目標値の計算を前もって適切に適合させるために（たとえば適切な補正ファクタを取り入れることによって）、使用することができる。
【００２６】
一般的に、検出情報は検出された照射の時間的推移を含むことができ、かつ特に検出信号のあらかじめ定められた特徴的変化の時点の推理を可能にする。この変化は、信号飛躍を含むことができる。たとえば較正構造の照射のために、目標推移、特にまた所定の時点における検出信号の目標変化を前もって定めることができる。それに対して実際の検出情報は、検出信号の実際推移及び特に実際変化の推理を可能にする。それに基づいて制御ユニットは、その後、照射システムを較正するために、上述した目標−実際−比較を実施することができる。
【００２７】
装置はさらに、較正構造が構築室の外部に配置されていることを特徴としている。一例として、構築室の隣に較正構造を配置することが挙げられる。したがって、加工物の形成プロセスの間、較正構造は加工物と直接相互作用せず、したがってたとえば加工物と直接接触できないようにすることができる。特に較正構造は、装置から取り外す必要なしに、加工物の並列（同時）形成を可能にすることができる。較正構造は、さらに、一般的に、移動しないように、及び／又は装置の内部に永続的に配置することができる。たとえば較正構造は、少なくとも１０の加工物の形成プロセスにわたって装置内部の変化しない位置に残留するように構成されることができる。
【００２８】
本発明者は、これまで知られている較正解決策及び特に付加的な較正プレートの使用は、複雑な手動の介入を必要とし、それは本来の加工物製造の長期の中断を意味し、かつエラーを生じやすいことを認識した。それに対して較正構造を構築室の外部に準備することは、較正構造を固定して、かつ装置内部に永続的に配置することができ、かつ較正プロセスを実施するために選択的に照射するだけですむことを可能にすることができる。言い換えると、較正構造を装置の提供の前に、又は規則的な間隔で装置内部のその実際の位置に関して測定し、及び／又は補正すれば充分であるので、較正構造は装置の内部に確実な参照を形成する。次に、較正するためにそれ以上の手動の介入は不要とすることができる。その代わりに較正構造は、加工物製造とは関係なく装置の内部に残留することができ、かつ単に選択的に照射することができる。これが、１つの同じ加工物の製造プロセスの間に、たとえばあらかじめ定められた数の加工物層が形成された後に、較正プロセスの実施を可能にする。
【００２９】
較正構造は、装置のプロセスチャンバの内部に配置することができる。プロセスチャンバは、既知のように、構築室及び場合によっては設けられる、装置の粉末塗布装置も収容することができる。同様にプロセスチャンバ内に、上述した保護ガス雰囲気又は不活性ガス雰囲気が調節可能とすることができる。照射システム及び／又はセンサ機器は、さらに、プロセスチャンバの天井領域内に、又はそれに対して平行に配置することができる。それに対して場合によっては設けられる構築面は、プロセスチャンバの底に、又はその近傍に配置することができ、かつ天井領域に対向することができる。プロセスチャンバの内部の較正構造の配置は、特に、較正構造が少なくとも部分的にプロセスチャンバの内壁領域と構築室との間に延びるように、行うことができる。内壁領域は、プロセスチャンバの側壁を含むことができ、及び／又は一般的に構築室に向けることができる。全体として、この変形例によって、較正するために構築室のすぐ近傍のみにおいて較正構造の照射を実施すればすむようにすることができる。したがって照射システムは、著しく大きい偏向スペクトルをもって形成する必要はなく、装置の構造は全体としてコンパクトにすることができる。
【００３０】
本発明の展開において、構築室は構築面を有しており、較正構造は構築面の少なくとも１つの側に沿って延びる。この構築面は、上述した変形例のいずれかに従って形成することができ、かつたとえば装置の支持体の、照射システムへ向いた上面によって形成することができる。構築面は、好ましくは矩形又は円形に形成されている。一般的に、較正構造は構築面の少なくとも１つの側に対して平行に延びることができ、この側は実質的に直線的又は湾曲して延びることができる。上位において、較正構造はさらに、実質的に長く延びるように、形成することができ、たとえば５ｃｍを越える、１０ｃｍを越える、又は２０ｃｍを越える長さを有することができ、この長さは特に構築面のしかるべき側に沿って測定することができる。
【００３１】
したがって、全体として、較正プロセスを実施するために、照射システムが構築面をわずかに離れるだけで済むことを、可能にすることができる。したがって装置の構造は、コンパクトにすることができ、照射システムの必要な偏向スペクトルを小さく抑えることができる。同様に、較正の品質も改良することができる。これは、較正が、照射システムの本来の作業領域に対してすぐ近傍で実施することができ、したがって検出信号は本来の加工のために高い説得力を有することができるからである。
【００３２】
較正構造は、少なくとも２つの較正セクションを有することができ、それらは構築面の異なる側に沿って延びており、特に構築面の異なる側が互いに対して角度をもって延びている。これらの側は、構築面の対向する側、たとえば対向する外周側又は輪郭セクションとすることができる。しかしまた、それらの側は、実質的に矩形の構築面の対向する側又は互いに移行する（たとえば角部を介して延びる）側とすることができる。較正構造の較正セクションは、たとえば互いに移行し合い、及び／又は互いに対して約９０°の角度で配置することができる。２つの較正セクションは、さらに、一般的に長く延びるように形成することができ、及び／又は５ｃｍを越える、１０ｃｍを越える、又は２０ｃｍを越える長さを有することができる。したがって、照射システムの較正は、少なくとも２つのあらかじめ定められた軸線に沿って行うことができ、これらの軸線は、たとえば較正構造の２つの較正セクションと一致し、又はそれに対して平行に延びることができる。
【００３３】
展開において、装置はさらに底領域を有しており、その底領域が構築面を少なくとも部分的に包囲しており、かつ較正構造は、底領域内に、又はそれに対して平行に配置されている。底領域は、プロセスチャンバ底を含むことができ、又はそれによって形成することができる。同様に底領域は、プロセスチャンバ底を有する、仮想の３次元空間を定めることができ、底領域は、好ましくは平坦に形成されている（すなわちプロセスチャンバ底に対して垂直にわずかな延びを有する）。プロセスチャンバ底は、プロセスチャンバの通常の底領域とすることができ、それは装置の機械フレームの固定の底部分であり、又はそれと結合されている。さらに底領域は、構築面を完全に包囲することができ、及び／又は一般的にそれに対して平行に配置することができる。構築面は、装置の場合によっては設けられる支持体が上述したように下降することによって、底領域の内部もしくは底領域に対して下降することができるので、構築面は底領域の上面から離れる。主として、底領域は構築面のフレーム構造を形成することができ、かつ選択的に、照射システムに対向することができる。
【００３４】
底領域内に較正構造を配置することは、一般的に、底領域上又はその内部に配置することと考えることができる。したがって較正領域は、底領域の内部に挿入することができ、及び／又は形成することができる。同様に較正配置は、底領域によって含まれるプロセスチャンバ底上に配置することができ、かつたとえば機械的にそれに固定することができる。これは、本発明によれば、較正構造を底領域内に配置することと考えることもできる。
【００３５】
同様に、較正構造は少なくとも部分的に、プロセスチャンバの側壁領域内に、又はそれに対して平行に配置することもできる。側壁領域は、平坦な仮想空間として定めることができ、その空間は３次元であって、かつプロセスチャンバの側壁を有している。側壁領域は、底領域に対して角度をもって、たとえばそれに対して実質的に直交して、延びることができる。それによって、底領域からの較正構造の所望の離隔を得ることができるが、較正構造は相変わらず適切なやり方でセンサ機器及び照射システムに対して位置決め可能である。底領域に対する間隔は、構築空間内で粉末材料によって較正構造が著しく汚れる確率が少なくなることを意味し、それがまた較正品質に効果的に作用することができる。
【００３６】
他の変形例において、較正構造は少なくとも部分的に、照射システムの照射に関して、較正構造の周囲における吸収挙動とは異なる吸収挙動を有する材料を有する。言い換えると、較正領域内の吸収挙動は局所的に増大又は局所的に減少することができるので、照射システムから送出された照射のより強い、又はより弱い反射がもたらされる。これも、センサ機器によって検出することができる。
【００３７】
一般的に、吸収挙動は、照射システムから送出された放射の波長領域内の光及び／又は電磁放射に関する。好ましくはこの材料は、周囲に対してより増大された吸収挙動を有するので、較正構造の領域内の照射のバック反射は、その直接的な周囲の領域内におけるよりも小さくなる。周囲は、装置の上述した底領域によって準備することができ、この種の材料を有していない。一般的にこの材料は、少なくとも部分的に較正構造上へ塗布されるコーティングとして形成することができる。
【００３８】
一般的に、較正構造は適切な表面構造を有し、又は形成することができ、その表面構造は周囲から異なるものとして検出可能である。例によれば、較正構造は少なくとも１つの隆起部を有し、照射システムは、較正プロセスの枠内において隆起部の領域内で較正構造に照射するように構成されている。隆起部は、較正構造の周囲に比較して高くなったセクション、たとえばローカルな突出部とすることができる。
【００３９】
それに加えて、又はその代わりに、較正構造がさらに凹部を有することができ、照射システムは、較正プロセスの枠内において凹部の領域内で較正構造に照射するように構成されている。装置の底領域内に配置する場合には、較正構造はその底領域内の凹部として形成することができる。凹部は、一般的に、切り欠き、開口部、溝又は穴を有することができ、それらはたとえば切削形成することができる。したがって照射システムが較正構造を走査する場合に、凹部の領域内で表面状況が変化することに基づいて、照射システムから送出された放射の反射挙動に変化が生じることができる。これも、センサ機器によって検出することができる。
【００４０】
好ましくは吸収挙動を調節するための材料は、凹部及び／又は隆起部と較正構造の周囲との間の移行領域の近傍に、又はその中に配置されている。それによって、凹部及び／又は隆起部に達したことを特に正確に検出することができる。というのは、そこでは照射システムによる照射との相互作用が特に包括的に、したがって容易に検出できるように変化するからである。
【００４１】
凹部及び／又は隆起部は、さらに、好ましくは上方の端縁及び／又は較正構造の周囲への移行部に、少なくとも１つのエッジを有することができる。このエッジは、凹部及び／又は隆起部の鋭いエッジの領域に含まれ、又はその領域を形成することができる。それは、周囲と凹部及び／又は隆起部との間の移行部とすることができ、それは鋭いエッジで、又はわずかに面取りしただけで形成されている。したがってエッジは、たとえば底領域表面の形式の、周囲の表面によって、かつその表面から屈曲した凹部の内壁及び／又は隆起部の外壁によって、画成することができる。この内壁もしくは外壁は、上述した表面に対して実質的に直交して延びることができる。したがって凹部及び／又は隆起部は、一般的に、実質的に階段形状に形成することができる。この種のエッジを用意することによって、同様に照射と較正構造の間の相互作用の包括的な変化を可能にし、それは、センサ機器によって検出するために効果的である。
【００４２】
展開によれば、凹部及び／又は隆起部は、実質的に構築面に沿って延びるメインセクションを有し、凹部及び／又は隆起部は、さらに少なくとも１つのサブセクションを有しており、それは、メインセクションに対して角度をもって延びている。メインセクションは、上述したように、構築面の１つの側に沿って、たとえば矩形の構築面の１つの側に沿って、延びることができる。メインセクションは、屈曲した推移を有することもでき、したがってたとえば構築面の角部領域に沿って延びて、それを少なくとも部分的に包囲することができる。さらにメインセクションは、一般的に、長く延びるように形成することができ、たとえば５ｃｍを越える、１０ｃｍを越える、又は２０ｃｍを越える長さを有することができる。それに対してサブセクションは、メインセクションに比較して短い長さ、たとえば１０ｃｍ未満、あるは５ｃｍ未満の長さを有することができる。さらにサブセクションは軸線に沿って延びることができ、その軸線はメインセクションの長手軸に対して角度をもって、たとえば４５°より多い角度で、特に長手軸に対して実質的に直交して延びている。したがってサブセクションとメインセクションは、実質的にクロス形状を定めることができる。
【００４３】
この種のメインセクションとサブセクションとを有する凹部及び／又は隆起部を形成することの利点は、より包括的な較正が可能になることである。すなわち照射がそれに沿って実施される第１のメイン照射軸線は、メインセクションに対して平行に延びることができる。それに対して、第１のメイン照射軸線に対して角度をもって、好ましくはそれに対して直交して延びる、第２のメイン放射軸線は、サブセクションに対して平行に延びることができる。したがって特にサブセクションが多数である場合に、第１のメイン放射軸線の種々の位置に沿って、第２のメイン放射軸線に沿った較正をしかるべきサブセクションをなぞって移動することによって実施することができる。それによって全体として較正の強靱性と説得力を高めることができる。
【００４４】
これに関連してさらに、複数のサブセクションを設けることができ、それらは好ましくはメインセクションに沿って規則的な間隔で配置されている。たとえばメインセクションに沿って２つより多い、４つより多い、６より多い、又は８より多いサブセクションを設けることができ、それらはたとえばメインセクションの長手軸線に沿って約２ｃｍから約１０ｃｍだけ互いに離隔している。
【００４５】
展開において、センサ機器は、加工ビームの凹部内への進入及び／又はそこからの離脱を検出するように形成されており、及び／又はセンサ機器は、隆起部に達し、及び／又はそれを離脱したことを検出するように構成されている。これは、放射が凹部もしくは隆起部を走査する際にその反射挙動の上述した変化を介して定めることができる。たとえばセンサ機器は、放射が較正プロセスの枠内で凹部又は隆起部の領域内へ向けられ、かつ好ましくはこの領域の内部であらかじめ定められた移動を実施する場合に、反射された放射の一時的な減少及び／又は一時的な増加を検出するように構成されることができる。反射された放射の減少（及び／又は増大された間隔値の認識）は、凹部内への進入を指摘し、それに対して反射された放射の増大（及び／又はより小さい間隔値の認識）は、凹部からの離脱を指摘することができる。同じ主旨において、反射された放射の増大（及び／又はより小さい間隔値の認識）は、隆起部に達したことを指摘することができ、それに対して反射された照射の減少（及び／又は増大した間隔値の認識）は、隆起部を離脱したことを指摘することができる。
【００４６】
照射システムは、さらに、少なくとも較正プロセスの間、硬化に有効でない出力を有する加工ビームを送出するように構成されることができる。言い換えると、較正プロセスの間、加工ビームの出力及び／又は強度は、原料粉末層から加工物を形成するために使用される出力に対して減少させることができる。較正プロセスの間の加工ビームの出力は、硬化に有効な出力の１０％未満、５％未満又は１％未満とすることができる。それによって較正構造の望ましくない損傷を回避することができる。さらにセンサ機器の検出領域は、特にこの出力スペクトル及び／又はそれに伴って生じる、較正構造からのバック反射の強度スペクトルに適合させることができるので、較正プロセスの間の誤検出のリスクが減少される。
【００４７】
加工ビームの出力を減少させるために、いわゆるビームラッチ又はビームスプリッタを選択的に加工ビームのビーム推移内に配置することができる。これらは、たとえば、加工ビームを意図的に弱めるために、グレイフィルタを有することができる。それに加えて、又はその代わりに、ビーム源の出力を適合させ、又は較正目的に対して余分に準備される、別のビーム源を使用することが可能である。
【００４８】
本発明は、さらに、３次元の加工物を層状に形成する装置の照射システムを較正する方法に関するものであって、特に装置は上述したように特定され、方法は以下のステップ、すなわち、
構築室の外部の較正構造を照射するステップであって、照射は照射システムによって行われ、かつ構築室内で原料粉末層を選択的に硬化させることによって加工物を形成可能であるステップと、
較正構造の照射を検出するステップと、
検出された較正構造の照射に基づいて照射システムを較正するステップと、
を有する。
【００４９】
方法は、さらに、上述又は後述するすべての効果と相互作用を提供するために、各他のステップ及び特徴を有することができる。特に方法は、上述し又は後述する変形例に基づいて、構築面に対して較正構造を配置するステップを有することができる。同様に、方法は、あらかじめ定められたパスに沿って照射システムの加工ビームを案内することにより較正構造を照射するステップを有することができる。
【００５０】
方法は、さらに、獲得した検出情報を評価するステップを有することができ、評価は、あらかじめ定められた変化を求めるために、上述し又は後述する変形例の各々を有することができる。較正構造の照射を検出するステップは、その際に生じるバック反射を検出し、特にその時間的な推移を検出するステップを有することができる。評価は、この時間的推移におけるあらかじめ定められた変化を求めることに関することができ、それによって、たとえばそこから較正構造に達したこと、及び／又はそれを離脱したことを求めることができる。そして較正のステップは、上述したように、目標−実際−比較の実施を有することができる。
【００５１】
以下、添付の図面を用いて本発明を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係る方法を実施する、本発明に係る装置を示す図である。
【図２】図１に示す装置のプロセスチャンバを示す斜視図である。
【図３ａ】図１に示す装置における検出信号の検出プロセスを示す図である。
【図３ｂ】図１に示す装置における検出信号の時間的推移を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
図１には、金属の粉末床から３次元の加工物を付加的に形成するための本発明に係る方法を実施するために用いられる、装置１０が示されている。さらに正確に言うと、この方法は、いわゆる選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）の形式に基づく製造プロセスに関する。装置１０は、プロセスチャンバ１２を有している。プロセスチャンバ１２は、周囲雰囲気に対して密閉可能であるので、その中で不活性ガス雰囲気を調節することができる。プロセスチャンバ１２内に配置されている、粉末塗布装置１４は、支持体１６上に原料粉末層を塗布する。図１に矢印Ａで示すように、支持体１６は垂直方向に変位されるように構成されている。したがって支持体１６は、加工物が選択的に硬化された原料粉末層から層状に構築される場合に、その組み立て高さが増大した場合に垂直方向へ下降することができる。
【００５４】
装置１０は、さらに、支持体１６上の原料粉末層上へ選択的及び場所固有に複数のレーザビーム２４ａ，２４ｂを向けるために、照射システム２０を有している。さらに正確に言うと、原料粉末材料は照射システム２０によって、形成すべき加工物層の幾何学配置に従ってレーザ照射を受けることができ、したがって局所的に溶融されて、硬化することができる。照射システム２０による原料粉末層の照射は、制御ユニット２６によって制御される。
【００５５】
図示される実施例において、照射システムは２つの照射ユニット２２ａ，２２ｂを有しており、それらが一緒になって原料粉末材料を照射することができる。しかしまた、この種の照射ユニット２２ａ，２２ｂを１つだけ、又は、たとえばマトリクス形状に配置された多数の照射ユニット２２ａ，２２ｂを設けることも、同様に考えることができる。
【００５６】
図示される照射ユニット２２ａ，２２ｂの各々は、共通のレーザビーム源に結合されている。このレーザビーム源から放出されたレーザビームは、レーザビームを個々の照射ユニット２２ａ，２２ｂへ案内するために、たとえばビームスプリッタ及び／又はミラーのような、適切な手段によって分割し、及び／又は偏向させることができる。その代わりに、照射ユニット２２ａ，２２ｂの各々に専用のレーザビーム源を対応づけることが、考えられる。適切なレーザビーム源は、たとえば、約１０７０から１０８０ｎｍの波長を有するダイオードポンピングされるイッテルビウムファイバーレーザの形式で用意することができる。
【００５７】
照射ユニット２２ａ，２２ｂの各々は、さらに、用意されるレーザビームと相互作用するために、加工ビーム光学系を有している。加工光学系はそれぞれ、スキャナユニットの形式の偏向装置を有しており、それが、支持体１６の方向へ放出されたレーザビーム２４ａ，２４ｂの焦点を、支持体１６に対して平行に延びる照射平面の内部でフレキシブルに位置決めすることができる。
【００５８】
支持体１６の、照射システム２０を向いた表面が構築面２８を形成し、その構築面が最大可能なベース面、言い換えると加工物の最大形成可能な横断面を定める。構築面２８は、一般的に矩形に形成されている。さらに、プロセスチャンバ１２の内部の構築面２８の位置は、支持体１６の下降に従って変化可能である。構築面２８は、さらに、装置１０の３次元の仮想の構築室３０の底面を形成し、その構築室内で加工物を形成することができる。構築面２８の上述した移動に基づいて、構築室３０は、一般的にしかるべき矩形の底面をもって筒状に形成されている。構築室３０の延びが、図１と２において、さらに破線で示唆されている。
【００５９】
そして図１には、センサ機器２５が図式的に示唆されており、そのセンサ機器は構築面２８と周囲からのレーザビーム２４ａ，２４ｂのバック反射を検出することができる。センサ機器２５は、同様に装置１０の制御ユニット２６と接続されている。注意すべきであるが、センサ機器２５の図示される位置は、単なる例でしかない。特にセンサ機器２５が既存の溶融液槽監視システムの構成要素として形成されている場合に、このセンサ機器はむしろ照射システム２０の光路内へ統合することができ、又は少なくとも直接それと相互作用することができる。それによってバック反射された放射のいわゆる「インライン」測定を行うことができる。
【００６０】
図２には、プロセスチャンバ１２が斜視図で示されているが、粉末塗布装置１４は省かれている。あらたに、構築面２８を形成する支持体１６が見られる。構築室３０は、ここでも矩形の底面を備えた筒として定められている。照射システム２０は、図２においては単に図式的な矩形として示唆されており、かつ一般的に、構築面２８の内部で原料粉末材料層を選択的に照射するために形成されている。図２においては付加的にガス出口３２が示されており、それは、プロセスチャンバ１２の内部に保護ガス雰囲気を調節するために、装置１０の図示されないプロセスガス循環の既知の構成要素を形成する。
【００６１】
プロセスチャンバ１２は底領域３４を有していることが認識される。これは、一般的に平坦に形成されており、構築面２８に対して平行に延びている。底領域３４は、装置１０の従来の底プレートによって形成されており、その底プレートは図示されない機械フレームと結合されており、かつ一般的に照射システム２０と対向している。図示される、支持体１６とそれに伴って構築面２８がまだ下降していない初期状態において、さらに、底領域３４の上面は構築面２８と整合している。底領域３４は、全体として構築面２８を中心とするフレーム構造を形成する。
【００６２】
底領域３４の内部には、２つの較正セクション３７を有する較正構造３６が設けられている。これらの較正セクションは、底領域３４の内部の凹部として、もっと正確には、切削形成された縦長の切り欠きとして形成されている。このことは、１つの較正セクション３７の終端セクションを示す、図２の拡大された部分表示Ｂから明らかにされる。また、この種の１つの較正セクション３７のみを有する較正構造３６を設けることも考えられる。
【００６３】
較正セクション３７はそれぞれ、長手軸Ｌ１，Ｌ２に沿って延びるメインセクション３８を有している。較正セクション３７、言い換えるとそのメインセクション３８は、さらに互いに対して実質的に直交して配置されている。図２において、メインセクション３８が矩形の構築面２８の異なる側領域に沿って、かつそれに対して平行に延びていることが、具体的に認識される。これは、矩形の構築面２８の互いに直交して延びる第１の側４０と第２の側４２に関する。したがってイメージとして述べると、較正セクション３７は構築面２８に関して「角部を介して」延びている。図２はさらに、較正セクション３７の位置に関して、これらがプロセスチャンバ１２の構築面２８を向いた内側の側壁領域と構築面２８との間に配置されていることを示している。それらは、構築面２８に対して数センチメートルのわずかな間隔を有している。
【００６４】
図２においてさらに、較正セクション３７の各々が複数のサブセクション４４を有しており、それらがメインセクション３８に沿って等間隔で分配されていることが、認識される。図２の例において、各較正セクション３７は６より多いこの種のサブセクション４４を有している。表示上の理由から、サブセクション４４のすべてには参照符号は設けられてはいない。さらに図２の詳細表示Ｂから明らかなように、サブセクション４４は同様に凹部の形式で形成されて、メインセクション３８に対して直交して延びており、サブセクション４４は、メインセクションのそれぞれの長手軸Ｌ１、Ｌ２によって中央で分割されている。
【００６５】
したがって、サブセクション４４は、メインセクション３８に対して横方向に延びる凹部セクションを形成するので、較正セクション３７はそれぞれその長手軸Ｌ１、Ｌ２に沿った個々のクロス形状の凹部領域から構成されている。
【００６６】
較正プロセスを実施するために、制御ユニット２６に促されて、照射システム２０が図１に示す１つのレーザビーム２４ａ，２４ｂの形式の加工ビームをあらかじめ定められた移動路に沿って較正セクション３７の少なくとも１つへ向ける。特に較正の間、意図的に低下された、硬化に有効でない出力をもって準備される加工ビームを、まず底領域３４の、較正構造３６を包囲する上面へ向けることができ、その後較正セクション３７の１つのものの方向へ移動させることができる。それに対して並列（同時）にセンサ機器２５が底領域３４及び／又は較正構造３６からのビームのバック反射を検出することができる。
【００６７】
加工ビームが底領域３４の上面から初めて較正領域３７の１つ及びそれによって形成される凹部内へ達した場合に、センサ機器によって検出されるバック反射の強度が変化する。このことは、ここにおいてさらに、較正セクション３７の側壁と底壁がそれぞれレーザ放射を少なくとも部分的に吸収する材料によってコーティングされていることにより、支援される。この材料によるレーザ放射の吸収は、さらに、較正セクション３７を包囲する底領域３４の上面において生じる吸収よりも強い。
【００６８】
センサ機器２５によって検出された信号の時間的推移が、図３ａ，３ｂに示されている。図３ａにおいては、照射システム２０から送出されたレーザビーム２４ａ，２４ｂが初めて較正セクション３７の１つのもののサブセクション４４の１つ内へ達した状況が示されている。これを発生させる移動パスＰが、図２に同様に示唆されている。さらに図３ａにおいては、較正セクション３７が底領域３４の内部に階段形状の凹部を形成し、したがってエッジ４５の形式の鋭いエッジの移行部を有することが認識される。それによって、上述した吸収する材料と同様に、較正セクション３７内へ進入する際に反射挙動の特にはっきりとした交代がもたらされ、それがセンサ装置２５によって特に確実に検出可能である。
【００６９】
図３ｂには、このプロセスの間のセンサ機器２５のセンサ信号の時間的推移が示されており、センサ信号は、たとえばセンサ電圧Ｖとして示されている。時点ｔ１まで、レーザビーム２４ａ，２４ｂは底領域３４の平坦な上面に沿って移動されるので、そのバック反射は変化しない。したがって、センサ機器２５のセンサ信号は、期間ｔ０からｔ１において実質的に一定である。時点ｔ１においてレーザビーム２４ａ，２４ｂが凹部を形成するサブセクション４４内へ進入するので、そのバック反射挙動が飛躍的に変化し、図示される例において飛躍的に減少する。これが、この時点におけるセンサ信号の変化に同様に表れる。同じ主旨において、レーザビーム２４ａ，２４ｂが時点ｔ２において再びサブセクション４４から出た場合に、センサ信号の逆の変化が行われる。時点ｔ１とｔ２の間及び時点ｔ２からは、電圧水準は異なるが、センサ信号は実質的に一定である。
【００７０】
したがって要約すると、制御ユニット２６はセンサ機器２５のセンサ信号から、較正構造３６の走査される領域（ここでは、サブセクション４４）への進入時点ｔ１も、出る時点ｔ２も定めることができきることが認識される。同様にこの時点における照射システム２０のパラメータ、たとえばそれぞれの時点における加工ビームの実際の偏向位置を求めることができる。装置１０の内部における較正構造３６及び特にその個々の較正セクション３７の位置と広がりは、わかっており、かつ一般的に不変であるので、したがって求められた時点ｔ１，ｔ２が、あらかじめ定められた所定の照射パラメータのための目標時点に相当するかを検査することができる。
【００７１】
相当しない場合には、これは、照射システム２０が較正構造３６を予測されるように照射しておらず、したがってたとえば偏向が少なすぎることに基づいて予測される時点において較正セクション３７に達していないことの印である。それを受けて制御ユニット２６は、あらかじめ定められた照射挙動と実際に確認された操作挙動との間の目標−実際−比較を実施して、それに基づいて、場合によっては確認された目標−実際−偏差を補償するために、照射システム２０を較正することができる。
【００７２】
たとえば較正セクション３７内への遅すぎる進入又はそこからの遅すぎる離脱を示唆する、この種の偏差は、加工ビームの偏向が所望のように行われないこと、及び／又は照射システム２０と較正構造３６の間の相対変位が考慮されていないことを、推定させることができる。この種の相対変位は、照射システム２０と構築面２８の間の相対偏差にも関する。というのは、構築面２８と較正構造３６の相対位置は充分な精度でわかっており、一定であることを前提とすることができるからである。この変位は、照射システム２０の較正によって、たとえば加工ビームの偏向を適合するように再調整することによって、及び／又は照射システム２０のためにしかるべく適合された制御信号を前もって計算することによって、補償することができる。
【００７３】
したがって構築面２８の２つの直交する側に沿って（たとえば従来の軸線定義に基づく構築面２８のＸ−Ｙ軸に素って）較正セクション３７を配置することによって、照射システム２０を構築面２８に対して確実に較正することができる。多数のサブセクション４４が、構築面２８の適切な側に沿ってあらかじめ定められた複数の位置における較正を可能にする。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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