CN109664503A - 用于操作添加式地制造三维物体的设备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于操作通过依次逐层地选择性照射和固化由能借助能量束(4)固化的建造材料(3)构成的层来添加式地制造三维物体(2)的设备(1)的方法，其中，基于机器实施的确定程序自动重复地确定所述设备(1)的至少一个过程参数、特别是关键性能参数，其中所确定的所述至少一个过程参数被存储并且相对于至少一个评估标准自动地被评估。

Description

用于操作添加式地制造三维物体的设备的方法

技术领域

本发明涉及一种用于操作通过依次逐层地选择性照射和固化建造材料层来添加式地制造三维物体的设备的方法，所述建造材料能通过能量束来固化。

背景技术

这样的方法在现有技术中通常是已知的，并且被用来操作添加式制造设备，使得至少一个能量束——例如激光束——被引导通过建造平面，即布置在设备的过程室中的建造材料的表面，以照射并由此固化布置在建造平面中的建造材料。通过依次照射和固化多层建造材料，可以建造三维物体。

此外，从现有技术已知，例如能量束的焦点位置或者通过能量束在建造材料中消耗的能量的过程参数必须例如以预定的时间间隔被校准。为了校准添加式制造设备，通常设施操作者测量诸如能量束的焦点位置之类的相应的过程参数，并且验证过程参数是否在限定的区间内或与限定的值匹配。根据操作者进行的验证过程的结果，操作者需要相应地调整该过程参数或者影响该过程参数的设备的其它参数，以满足添加式制造设备的正确校准状态。

因此，如关于已知的现有技术所描述的方法需要设备的操作者执行校准程序。在校准设备之后，特别地在调整至少一个过程参数之后，通过执行校准程序来重写过程参数的原始值，并且因此原始值丢失。因此，校准状态随时间的评估，特别地与重复出现的对制造过程的影响相关的校准状态随时间的评估是不可能的。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于操作添加式地制造三维物体的设备的改进方法，特别是允许对至少一个过程参数的表现/行为进行自动评估并且允许至少一个过程参数的自动校准的方法。

该目的通过根据权利要求1所述的设备被创造性地实现。本发明的有利实施例受从属权利要求的约束。

这里描述的方法是用于操作通过依次逐层地选择性照射和固化粉末状建造材料(“建造材料”)层来添加式地制造三维物体、例如技术部件的设备的方法，所述建造材料能通过能量束来固化。相应的建造材料可以是金属、陶瓷或聚合物粉末。相应的能量束可以是激光束或电子束。相应的设备可以是例如选择性激光烧结设备、选择性激光熔化设备或选择性电子束熔化设备。

相应的设备可以包括在其运行期间使用的多个功能单元。示例性功能单元是过程室、适于使用至少一个能量束选择性地照射布置在过程室中的建造材料层的照射装置、以及适于产生以给定的流动特性至少部分地流过过程室的气态流体流的流产生装置，所述流动特性例如为给定的流动轮廓、流动速度等。当流经过程室时，气态流体流能够夹带未固化的建造材料微粒、特别是在设备运行期间产生的烟雾或烟雾残留物。气态流体流通常是惰性的，即通常是惰性气体——例如氩气、氮气、二氧化碳等——的流。

本发明基于以下思想：基于由机器执行的确定程序自动重复地确定设备的至少一个过程参数，特别是关键性能参数，其中所确定的所述至少一个过程参数被存储并相对于至少一个评估标准自动地进行评估。过程参数可以特别地是“关键性能参数”，即可以从中得到添加式制造设备的当前校准状态的参数。这样的关键性能参数可以直接影响在设备上执行的制造过程。下面将给出相应的关键性能参数的示例。

因此，用于操作添加式地制造三维物体的设备的方法建议设备的至少一个过程参数是自动确定的。因此，至少一个过程参数的确定是基于机器实施的确定程序自动地且重复地执行的。因此，根据机器实施的确定程序，设备例如关于至少一个过程参数——诸如能量束的聚焦位置——自动地执行校准程序。因此，添加式制造设备的操作者不必执行或启动确定程序或校准程序。相反，设备本身自动地执行确定程序以确定所述至少一个过程参数。

此外，贯穿本申请所描述的方法建议，确定的所述至少一个过程参数被存储并且相对于至少一个评估标准被自动地评估。通过确定所述至少一个过程参数而产生的信息被自动存储。因此，所确定的原始过程参数不是仅仅通过校准该设备而被重写并因此丢失，而是在调整过程参数之前自动存储确定的过程参数。这允许在执行校准程序之前评估添加式制造设备的状态。特别地，对所确定的所述至少一个过程参数的评估是相对于至少一个评估标准执行的，如随后将描述的。

所述至少一个评估标准可涉及所述至少一个过程参数的长期表现和/或设备的校准状态。因此，从所述至少一个过程参数的确定值可以导出所述校准状态，其中所述添加式制造设备被控制为自动确定并存储所述校准状态。特别地，如下面将描述的那样，所确定的过程参数与对应的过程参数的限定值(例如能量束的焦点位置或各种其它关键性能参数)进行比较。根据从所确定的所述至少一个过程参数评估的校准状态，可以例如经由控制单元判定是否有必要相对于相应的确定的过程参数校准添加式制造设备，或者确定的过程参数是否在限定的区间内，例如容差区间内。

因此，设备的操作者不需要启动和执行校准程序，例如通过手动确定过程参数(诸如测量射束功率并且将确定的过程参数与预定值进行比较并且随后调整确定的过程参数，如有必要)。替代地，在其上执行根据所描述的实施例的方法的添加式制造设备被适配成基于确定的结果自动且重复地确定过程参数并评估校准状态。根据校准状态，可以相应地调整相应的过程参数。

所确定的所述至少一个过程参数的自动存储还允许评估所述至少一个过程参数的长期表现。换言之，可以评估所述至少一个过程参数是否以及如何随时间变化，尤其是长期变化。对所述至少一个过程参数的长期表现的评估允许确定环境影响的作用，所述环境影响例如是在限定的时间段(例如一个月或一年)内的温度和/或湿度变化。因此，可以考虑作用于制造设备的影响，以改善校准程序。例如，通过补偿重复发生的环境影响，可以相应地调整校准程序。

校准状态或所述至少一个过程参数的长期表现的自动评估的另一个方面在于对制造过程的影响因素可以被识别并且例如可以被适配或消除。例如，环境参数的改变——例如一年中不同时间的气候变化，特别是夏季的温度和湿度升高——会影响过程室中的环境条件，并因此影响制造过程。通过自动地和重复地确定存储且自动评估的相关的过程参数，可以识别/确定这些影响因素(如温度和/或湿度升高)对制造过程的影响。因此，可以调整校准程序，其中可以考虑环境条件的相应变化，并且因此——根据该示例——通过相应地调整过程室中或过程室周围的温度和/或湿度，可以相应地调整添加式制造设备以补偿对制造过程的影响。

可以根据至少一个启动参数来执行自动且重复的确定。因此，所述至少一个启动参数限定何时执行机器实施的确定程序。所述至少一个启动参数可以被存储在添加式制造设备的存储单元中，例如存储单元可以被分配给控制单元。此外，可以限定多个启动参数，其中如果满足所述多个启动参数中的至少一个启动参数，则执行确定程序。下面将描述所述至少一个启动参数可以包括的示例性的启动参数或参数。

可选地或附加地，可以根据所确定的所述至少一个过程参数来调整至少一个过程参数。因此，可以根据过程参数的当前确定的值来调整相应的过程参数，例如，如果所确定的过程参数不在预定的区间内或者不满足预定的值，则调整可能是需要的。当然，例如，如果所确定的过程参数依赖于另一过程参数，则间接调整该过程参数也是可能的。通过调整影响所确定的过程参数的其它过程参数，可以根据该其它过程参数来间接地调整所确定的过程参数。

所述至少一个启动参数可以是或包括以下参数中的至少一个参数：

-时间参数，特别地与至少一个过程参数的两次自动确定之间的时间间隔——优选地为每天或每周或每月——有关，

-事件参数，特别是取决于至少一个过程步骤，优选地在制造过程开始和/或结束时和/或在工具更换时，

-设备的当前和/或未来的工作负载，

-操作者输入。

因此，启动参数可以包括时间参数，其中，例如在自上次自动确定之后经过预定时间之后，根据时间参数设定重复过程参数的自动确定。时间参数可以特别地涉及所述至少一个过程参数的两次自动确定之间的时间间隔。换句话说，时间参数限定了两次自动确定之间的时间间隔。时间参数可以设定为每天或每周或每月执行自动确定。

此外，所述至少一个启动参数可以是或包括事件参数。因此，自动确定是根据事件或者是否发生预定的情况来执行的。特别地，事件参数可以取决于至少一个过程步骤。因此，如果添加式制造设备例如在预定的过程步骤开始之前或结束之后运行，则可以执行自动确定程序。优选地，可以使用工具更换来启动确定程序。如果某些过程步骤已经完成或者在某些过程步骤开始之前，该实施例允许至少一个相关过程参数的自动确定和/或添加式制造设备的自动校准。特别地，如上所述，在更换添加式制造设备的工具之后，自动确定相关过程参数并且校准添加式制造设备。

事件参数可以还包括设备的当前和/或未来的工作负载。这允许在低工作负载时段中执行确定程序和/或校准程序。因此，可以确定设备的当前和/或未来的工作负载，以判定当前工作负载是否太高而不能执行确定程序。因此可以评估当前的和/或将来的工作负荷，其中，搜索其中设备没有满负荷工作的用于执行确定程序的窗口。或者，可以确定至少一个过程步骤的优先级，其中，是否执行确定程序的决定可以基于所确定的优先级。根据该实施例，可以避免在高工作负载时执行确定程序，其中，替代地，只要设备不满负荷工作，例如每当设备空闲时就可以执行确定程序。特别地，确定程序可以在夜间或者在周末或者根据预定的时间表进行。当然，如上所述，设施操作者也可以限定启动参数，例如，通过限定执行确定程序的日期，确定和评估所述至少一个过程参数。

所述至少一个过程参数可以是或者至少包括以下参数中的一个参数：

-照射参数，尤其是射束参数，优选地为光斑尺寸和/或扫描速度和/或射束功率和/或波长和/或焦距和/或定位精度，

-设备的至少一个部件——特别是承载装置——的移动速度，

-定位精度，特别是承载装置的定位精度。

如上所述，添加式制造设备的工艺参数——特别是关键性能参数——是(直接)影响在添加式制造设备上制造的至少一个三维物体的制造过程的参数。使用确定程序和校准程序可以确保相关的过程参数保持在预定的区间内或接受预定的值。

过程参数例如可以是照射参数，特别是射束参数，优选地是能量束的光斑尺寸和/或扫描速度和/或射束功率和/或波长和/或焦距和/或定位精度。因此，照射参数通常是指建造材料的照射，特别地指例如可由控制单元控制的照射装置的参数。设备的相应照射装置包括用于产生能量束并将能量束引导到建造平面上的相应机构。通过控制至少一个照射参数，可以直接地影响制造过程。

过程参数还可以包括或涉及设备的至少一个部件——特别是承载装置——的移动速度。承载装置用于在制造过程期间承载未固化的建造材料和已经建造的物体。换句话说，承载装置承载在其中制造三维物体的粉末床。此外，可以自动地确定能量束或承载装置的定位精度。通过确定设备的部件的移动速度或定位精度，可以对制造过程作出结论。为了确保在制造过程期间满足物体的预定质量/品质，相关参数——特别是关键性能参数——必须满足在预定的区间内或接受预定区间内的值。

校准状态的评估可以根据所确定的所述至少一个过程参数和至少一个基准参数来执行。因此，为了评估设备的校准状态，可以比较所确定的所述至少一个过程参数和至少一个基准参数，其中可以确定所确定的过程参数与(预定的)基准参数之间的差值。如果确定的过程参数和基准参数之间确定的差值超过预定的(阈)值，则可能需要校准设备。因此，该设备的校准状态可以被称为“未校准”。而且，如果所确定的过程参数和基准参数之间确定的差值低于预定(阈)值，特别是如果所确定的过程参数与基准参数相匹配，则设备的校准可能不是必需的，其中所确定的过程参数不需要调整。该设备的相应校准状态可以被称为“已校准”。

评估的校准状态可以在限定的时间段内、特别是在一个月和/或一年内被存储和评估，其中可以评估在该限定的时间段内所述至少一个过程参数和/或校准状态的改变。根据该实施例，可以在限定的时间间隔内监测校准状态的改变和/或至少一个过程参数的改变。因此，校准状态被存储在例如分配给添加式制造设备的存储单元中。因此，可以在限定的时间段内——特别是在一个月和/或一年内——评估添加式制造设备就校准状态而言、例如关于限定的过程参数的表现。

校准状态随时间的变化——特别是所述至少一个过程参数与相应的基准参数有多少偏差——表明添加式制造过程或添加式制造设备相应地是多稳定的并且可以用于限定确定程序必须重复的时间间隔或日期。

此外，比较在所述时间段的相应部分中评估的、特别是在该时间段的同一周或同一月中评估的至少两个校准状态和/或在该时间段的相应部分中确定的、特别是在该时间段的同一周或同一月中确定的至少两个过程参数，其中产生变化信息。因此，例如可以在对应时间段的开始和结束时评估所述两个校准状态和/或确定所述两个过程参数。当然，也可以限定其中评估至少两个校准状态或者确定过程参数的时间段的其它部分。

通过比较相同时间段内的至少两个校准状态或者在同一时间段内确定的至少两个过程参数，可以产生变化信息。变化信息可以涉及添加式制造设备的表现或在限定的时间段内的添加式制造设备的至少一个过程参数的表现。因此，变化信息包含或者可以从变化信息导出设备是否运行稳定，或者是否发生校准状态和/或至少一个过程参数的如下变化，该变化使得过程参数的调整、特别是设备的校准是必要的。

该方法可以进一步被改进成可以设置至少一个预设值，该预设值限定了要确定的至少一个过程参数和/或要调整的至少一个过程参数和/或至少一个启动参数。根据该实施例，该预设值限定了确定程序和/或校准程序的若干个参数，其中经由所述预设值限定哪些过程参数被确定。

此外，例如通过限定容差值或者通过限定所确定的过程参数与相应的基准参数之间的差值(超过所述容差值或差值，过程参数的调整或设备的校准被认为是必要的)，预设值可以限定是否必须调整所确定的过程参数。

附加地或替代地，预设值可以限定或者包含与所述至少一个启动参数有关的信息。因此，启动参数可以通过预设值来设定。优选地，设置多个预设值，其中对于——特别是用于制造不同物体的——不同的制造设备或不同的制造过程，可以选择不同的预设值。

预设值可以进一步限定用于所述至少一个过程参数的至少一个容限，特别是用于不同过程参数的不同容限。因此，所确定的过程参数与相应的基准参数之间的差值必须接受低于限定的容限的值。如果差值超过用于所述至少一个过程参数的容限，则必须执行校准程序。优选地，预设值包含由标准或规范限定的信息，其中，特别地容限可以基于在标准内定义的某些值(例如容限)在确定程序和校准程序中实施。

根据所述方法的另一个实施例，提供了多个预设值，其中可以根据制造过程——特别是根据要被制造的物体——来选择预设值。因此，为了制造不同的物体，可以应用不同的标准，例如用于不同的过程参数的不同的容限。因此，可以根据必须在添加式制造设备上制造的物体来选择过程，以确保相应地调整限定的过程参数，即，满足设备的限定的校准状态以确保遵从被建造物体的某些质量要求。

该方法优选地包括以下步骤：

-基于启动参数启动校准程序，

-自动将设备设置为校准模式，

-确定至少一个过程参数，

-存储所确定的所述至少一个过程参数，

-评估校准状态，

-根据校准状态调整至少一个过程参数。

因此，确定程序和/或校准程序基于启动参数而被启动。如前所述，可以定义和监视各种启动参数。例如，启动参数可以包括限定的时间间隔或者基于事件而被触发。

在启动参数被触发之后，用于添加式地制造三维物体的设备被自动设置为确定模式。在该确定模式中，首先自动确定至少一个过程参数，特别是关键性能参数。所确定的过程参数被存储在例如添加式制造设备的存储单元中。

基于存储的所确定的过程参数，评估添加式制造设备(或者添加式制造设备的至少一个部件，例如照射装置)的校准状态。如有必要，根据校准状态调整至少一个过程参数。因此，可以确保相应的过程参数接受预定值或在预定区间中的值。

此外，本发明涉及一种用于通过依次逐层地选择性照射和固化建造材料层来制造三维物体的设备，所述建造材料能借助能量束固化，其中设置有控制单元，该控制单元适于根据至少一个启动参数自动确定所述设备的至少一个过程参数，特别是关键性能参数，其中所述控制单元适于将所确定的所述至少一个过程参数存储在存储单元中和/或所述控制单元适于根据所确定的所述至少一个过程参数来调整至少一个过程参数。

当然，关于本发明的方法描述的所有细节、优点和特征都可以完全转移到本发明的设备中。特别地，可以在本发明的设备上执行本发明的方法。

附图说明

参考附图描述了本发明的示例性实施例。该附图(图1)是示出了本发明的添加式制造设备的示意图。

具体实施方式

唯一的图(图1)示出了用于通过依次逐层地选择性照射和固化由能借助能量束4固化的建造材料3构成的层来添加式地制造三维物体2的设备1。能量束4是由照射装置5产生，该照射装置5适于产生能量束4并将能量束4引导到建造平面6上。换句话说，能量束4可以在建造平面6上被引导，使得布置在建造平面6中的建造材料3能经由能量束4被直接照射。在图中描绘的在制造过程中已经建造的物体2以及还没有固化或者在建造平面6中新鲜施加的建造材料3由承载装置7——例如建造板——承载。承载装置7相对于建造平面6是可移动的，使得在物体2被依次地和逐层地建造的同时，承载装置7可以被连续地降低以允许新鲜的建造材料3的层被施加到建造平面6。

照射装置5经由控制单元8进行控制，该控制单元8适于根据机器实施的确定程序自动且重复地确定添加式制造设备1的各种过程参数，特别地，控制单元8适于确定与照射装置5相关的过程参数。过程参数例如可以是关键性能参数，例如能量束4的能量、能量束4在建造平面6上的光斑尺寸、能量束4的定位精度、能量束4的焦点位置和承载装置7的定位精度。当然，各个过程参数仅是示例性的，并且可以使用由控制单元8控制的影响由设备1执行的添加式制造过程的任何任意过程参数。

控制单元8还自动地将所确定的过程参数存储在(数据)存储单元9中。可以进一步相对于评估标准来评估经由控制单元8确定的过程参数。在唯一的附图描绘的实施例中，第一评估标准是设备1的校准状态。为了评估设备1的校准状态，将所确定的过程参数与所定义的、并且例如存储在存储单元9中的基准过程参数进行比较。如果所确定的过程参数与基准过程参数之间比较的差值超出了预定的(阈)值，特别是如果该差高于容限，则设备1的校准是必要的并且过程参数被自动地存储，例如存储在存储单元9中。因此，可以执行至少与对应的过程参数有关的校准。校准状态也可以随后被存储到存储单元9。

为了校准设备1，相应的过程参数被调整，使得对应的过程参数接受容限内的值。特别地，过程参数可以被设置为对应的基准参数。

另外，所确定的过程参数可以相对于长期表现进行评估。因此，可以评估确定的过程参数是否随时间变化或者变化多少。因此，可以定义一个时间段，在该时间段内过程参数将被自动地重复确定并存储在存储单元9中。预定时间段可以是一周或一个月或一年，其中可以评估在限定的时间段内至少一个过程参数的改变和/或校准状态的改变。特别地，可以通过比较在相同的时间段内确定的多个确定的过程参数来生成变化信息。还可以通过比较相同时间段的多个确定的校准状态来生成校准状态的变化信息。因此，可以评估、例如统计评估过程参数和校准状态随时间的表现。进一步可能获得在该时间段内变化的例如环境参数对制造过程的某些影响。

此外，例如在控制单元8或存储单元9中可以定义和存储多个预设值，所述预设值包括关于如何执行确定程序和/或校准程序的指令。特别地，可以通过所述预设值来设置何时应当执行确定程序和校准程序。预设值可以包含启动参数，该启动参数限定了启动确定程序和校准程序的日期或事件。每个预设值还可以包括或设置相应过程参数的容限。

取决于要建造的物体2，特别是在制造设备1中当前建造哪个物体2，可以通过操作者和/或通过控制单元8自动地选择不同的预设值。因此，当制造不同的物体2时应用不同的预设值。

Claims (15)

1.一种用于操作通过依次逐层地选择性照射和固化由能借助能量束(4)固化的建造材料(3)构成的层来添加式地制造三维物体(2)的设备(1)的方法，其特征在于，基于由机器执行的确定程序自动重复地确定所述设备(1)的至少一个过程参数、特别是关键性能参数，其中所确定的所述至少一个过程参数被存储并且相对于至少一个评估标准自动地被评估。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个评估标准涉及所述至少一个过程参数的长期表现和/或涉及所述设备(1)的校准状态。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据至少一个启动参数来执行所述自动重复的确定，和/或根据所确定的所述至少一个过程参数来调整至少一个过程参数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述至少一个启动参数包括以下参数中的至少一个：

-时间参数，特别地涉及所述至少一个过程参数的两次自动确定之间的时间间隔，优选为每天或每周或每月，

-事件参数，特别地依赖于至少一个过程步骤，优选地在制造过程的开始和/或结束时以及/或者在工具更换时的至少一个过程步骤，

-设备(1)的当前和/或未来的工作负载，

-操作者输入。

5.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述过程参数包括以下参数中的至少一个：

-照射参数，特别地是射束参数，优选为光斑尺寸和/或扫描速度和/或射束功率和/或波长和/或焦距和/或定位精度，

-设备(1)的至少一个部件——特别是承载装置(7)——的移动速度，

-定位精度，特别是承载装置(7)的定位精度。

6.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，根据所确定的所述至少一个过程参数和至少一个基准参数来评估所述设备(1)的校准状态。

7.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述至少一个过程参数和/或被评估的所述至少一个校准状态被存储在存储单元(9)中。

8.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在限定的时间段——特别是在一个月和/或一年——内存储和评估所述校准状态，其中评估在该限定的时间段内所述至少一个过程参数和/或校准状态的变化。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，比较在所述时间段的相应部分中评估的、特别是在所述时间段的同一周或同一月中评估的至少两个校准状态和/或在所述时间段的相应部分中确定的、特别是在所述时间段的同一周或同一月中确定的至少两个过程参数，其中，生成变化信息。

10.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，设置至少一个预设值，所述预设值限定所述至少一个启动参数和/或要被确定的所述至少一个过程参数和/或要被调整的所述至少一个过程参数。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述预设值限定了用于所述至少一个过程参数的至少一个容限。

12.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，设置多个预设值，其中一个预设值能根据制造过程来选择，特别是根据要制造的物体(2)来选择。

13.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于包括以下步骤：

-基于启动参数启动确定程序和/或校准程序，

-将设备(1)自动设定在确定模式中，

-确定至少一个过程参数，

-存储所确定的所述至少一个过程参数，

-评估校准状态，

-根据校准状态调整至少一个过程参数。

14.一种用于通过依次逐层地选择性照射和固化由能借助能量束(4)固化的建造材料(3)构成的层来添加式地制造三维物体(2)的设备(1)，其特征在于，包括适于根据至少一个启动参数自动确定所述设备(1)的至少一个过程参数、特别是关键性能参数的控制单元，其中，所述控制单元适于在数据存储器中存储所确定的所述至少一个过程参数和/或所述控制单元适于根据所确定的所述至少一个过程参数来调整至少一个过程参数。

15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述设备(1)适于执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法。