DE102022114445A1 - Calibration method and printing system set up to produce a three-dimensional workpiece - Google Patents
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Abstract
Ein Kalibrierungsverfahren für ein zur Herstellung eines dreidimensionalen Werkstücks eingerichtetes Drucksystem wird bereitgestellt. Ein erstes Bild eines ersten Abschnitts einer Kalibrierungsplatte wird erhalten, eine Position von zumindest einem Teil einer Kalibriermarker der Kalibrierungsplatte wird in dem ersten Bild erfasst, ein Bestrahlungssystem des Drucksystems bestrahlt mit einem Laserstrahl einen Punkt auf dem ersten Abschnitt der Kalibrierungsplatte, ein zweites Bild des ersten Abschnitts wird erhalten, eine Position eines durch den Laserstrahl gebildeten Lichtpunkts in dem zweiten Bild wird erfasst und das Drucksystem wird basierend auf der erfassten Position des mindestens einen Abschnitts im ersten Bild und der erfassten Position des Lichtpunkts im zweiten Bild kalibriert. Ein entsprechendes Drucksystem wird ebenfalls bereitgestellt.A calibration method for a printing system set up to produce a three-dimensional workpiece is provided. A first image of a first section of a calibration plate is obtained, a position of at least a part of a calibration marker of the calibration plate is recorded in the first image, an irradiation system of the printing system irradiates a point on the first section of the calibration plate with a laser beam, a second image of the first Section is obtained, a position of a spot of light formed by the laser beam in the second image is detected, and the printing system is calibrated based on the detected position of the at least one section in the first image and the detected position of the spot of light in the second image. A corresponding printing system is also provided.
Description
Die Erfindung betrifft ein Kalibrierungsverfahren für ein zur Herstellung eines dreidimensionalen Werkstücks eingerichtetes Drucksystem. Ferner ist die Erfindung auf ein derartiges Drucksystem gerichtet.The invention relates to a calibration method for a printing system set up to produce a three-dimensional workpiece. Furthermore, the invention is directed to such a printing system.
Pulverbettverfestigung ist ein additives Schichtverfahren, mit dem pulverförmige, insbesondere metallische und/oder keramische Rohstoffe zu dreidimensionalen Werkstücken mit komplexen Formen verarbeitet werden können. Dazu wird eine Rohstoffpulverschicht auf einen Träger aufgebracht und in Abhängigkeit von der gewünschten Geometrie des herzustellenden Werkstücks ortsselektiv mit Laserstrahlung bestrahlt. Die in die Pulverschicht eindringende Laserstrahlung bewirkt eine Erwärmung und damit ein Aufschmelzen oder Sintern der Rohstoffpulverpartikel. Auf die bereits gelaserte Schicht auf dem Träger werden dann sukzessive weitere Rohstoffpulverschichten aufgebracht, bis das Werkstück die gewünschte Form und Größe hat. Das Pulverbettschmelzen kann zur Herstellung oder Reparatur von Prototypen, Werkzeugen, Ersatzteilen, hochwertigen Bauteilen oder medizinischen Prothesen, wie z. B. Zahn- oder orthopädischen Prothesen, auf der Grundlage von CAD-Daten eingesetzt werden.Powder bed solidification is an additive layering process with which powdery, especially metallic and/or ceramic raw materials can be processed into three-dimensional workpieces with complex shapes. For this purpose, a layer of raw material powder is applied to a support and irradiated with laser radiation in a location-selective manner depending on the desired geometry of the workpiece to be produced. The laser radiation penetrating the powder layer causes heating and thus melting or sintering of the raw material powder particles. Further layers of raw material powder are then successively applied to the already lasered layer on the carrier until the workpiece has the desired shape and size. Powder bed melting can be used to produce or repair prototypes, tools, spare parts, high-quality components or medical prostheses, such as: B. dental or orthopedic prostheses, based on CAD data.
Ein Drucksystem zur Herstellung dreidimensionaler Werkstücke durch Pulverbettschmelzen, wie es z. B. in der
Geplante Positionen auf dem Rohmaterial, die von dem bzw. den Laserstrahl(en) bestrahlt werden sollen, können durch (z. B. computergestützte Design-, CAD-) Werkstückdaten, die das herzustellende Werkstück beschreiben, definiert oder daraus abgeleitet werden. Aufgrund von Fertigungstoleranzen, Temperaturschwankungen und anderen Ursachen könnte das Bestrahlungssystem einen Laserstrahl an eine Position auf dem Rohmaterial führen, die von der geplanten Position abweicht. Mit anderen Worten kann es zu einer Fehlausrichtung zwischen einer bestrahlten Position auf dem Rohmaterial und einer entsprechenden geplanten Position kommen. Eine solche Fehlausrichtung kann zu einer geringeren Steifigkeit der gedruckten Werkstücke, zu Werkstückabmessungen, die die zulässigen vordefinierten Fertigungstoleranzen überschreiten, und zu anderen Nachteilen führen. Um die Fehlausrichtung zwischen den bestrahlten Positionen auf dem Rohmaterial und den geplanten Positionen zu verringern oder zu beseitigen, kann das Drucksystem kalibriert werden.Planned positions on the raw material to be irradiated by the laser beam(s) may be defined by or derived from (e.g., computer-aided design, CAD) workpiece data describing the workpiece to be manufactured. Due to manufacturing tolerances, temperature fluctuations and other causes, the irradiation system could direct a laser beam to a position on the raw material that differs from the intended position. In other words, misalignment may occur between an irradiated position on the raw material and a corresponding planned position. Such misalignment can result in lower rigidity of the printed workpieces, workpiece dimensions that exceed allowable predefined manufacturing tolerances, and other disadvantages. To reduce or eliminate misalignment between the irradiated positions on the raw material and the planned positions, the printing system can be calibrated.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kalibrierungsverfahren für ein zur Herstellung eines dreidimensionalen Werkstücks eingerichtetes Drucksystem und ein derartiges Drucksystem bereitzustellen, die eine effiziente und exakte Kalibrierung des Drucksystems ermöglichen.It is an object of the present invention to provide a calibration method for a printing system set up to produce a three-dimensional workpiece and such a printing system, which enable efficient and precise calibration of the printing system.
Die Rohmaterial-Pulverschicht kann auf eine Oberfläche der Bauplattform mit Hilfe einer Pulverauftragsvorrichtung aufgetragen werden, die über die Bauplattform bewegt wird, um das Rohmaterialpulver zu verteilen. Bei der Bauplattform kann es sich um einen starr befestigten Träger handeln. Vorzugsweise ist die Bauplattform jedoch in vertikaler Richtung verschiebbar (z.B. höhenverstellbar) ausgeführt, so dass mit zunehmender Bauhöhe des Werkstücks, das schichtweise aus dem Rohmaterialpulver aufgebaut wird, die Bauplattform in vertikaler Richtung nach unten bewegt werden kann. Man kann sagen, dass verschiedene Höhen der Bauplattform verschiedenen vertikalen Positionen derselben entsprechen. Ferner kann die Bauplattform mit einer Kühlvorrichtung und/oder einer Heizvorrichtung versehen sein, die zum Kühlen und/oder Heizen der Bauplattform ausgelegt ist bzw. sind.The raw material powder layer may be applied to a surface of the build platform using a powder applicator that is moved across the build platform to distribute the raw material powder. The construction platform can be a rigidly attached support. Preferably, however, the building platform is designed to be displaceable in the vertical direction (e.g. height-adjustable), so that as the height of the workpiece, which is built up in layers from the raw material powder, increases, the building platform can be moved downwards in the vertical direction. It can be said that different heights of the build platform correspond to different vertical positions of the same. Furthermore, the building platform can be provided with a cooling device and/or a heating device, which is or are designed for cooling and/or heating the building platform.
Die Bauplattform und die Pulverauftragsvorrichtung können in einer Prozesskammer untergebracht sein, die gegen die Umgebungsatmosphäre abdichtbar ist. In der Prozesskammer kann eine Inertgasatmosphäre hergestellt werden, indem ein Gasstrom über einen Gaseinlass in die Prozesskammer eingeleitet wird. Nachdem der Gasstrom durch die Prozesskammer und über die auf den Träger aufgebrachte Rohmaterialpulverschicht geleitet wurde, kann er über einen Gasauslass aus der Prozesskammer abgeleitet werden. Das in der Prozesskammer auf die Bauplattform aufgebrachte Rohmaterialpulver ist vorzugsweise ein Metallpulver, insbesondere ein Metalllegierungspulver, kann aber auch ein Keramikpulver oder ein Pulver sein, das andere Materialien enthält. Das Pulver kann jede geeignete Partikelgröße oder Partikelgrößenverteilung aufweisen. Vorzugsweise werden jedoch Pulver mit Partikelgrößen < 100 µm verarbeitet.The building platform and the powder application device can be accommodated in a process chamber that can be sealed against the ambient atmosphere. An inert gas atmosphere can be created in the process chamber by introducing a gas stream into the process chamber via a gas inlet. After the gas stream has been passed through the process chamber and over the raw material powder layer applied to the carrier, it can be discharged from the process chamber via a gas outlet. The raw material powder applied to the build platform in the process chamber is preferably a metal powder, in particular a metal alloy powder, but can also be a ceramic powder or a powder containing other materials. The powder may have any suitable particle size or particle size distribution. However, powders with particle sizes <100 µm are preferably processed.
Das Bestrahlungssystem kann eine Laserstrahlquelle umfassen, die dazu eingerichtet ist, zumindest einen Laserlichtstrahl auszusenden. Insbesondere kann die Laserstrahlquelle des Bestrahlungssystems (z.B. linear polarisiertes) Laserlicht mit einer Wellenlänge von 450 nm, d.h. „blaues“ Laserlicht, oder Laserlicht mit einer Wellenlänge von 532 nm, d.h. „grünes“ Laserlicht, oder Laserlicht mit einer Wellenlänge im Bereich von 1000 nm bis 1090 nm oder im Bereich von 1530 nm bis 1610 nm, d.h. „infrarotes“ Laserlicht, emittieren. Werden ein oder mehrere Strahlteilerwürfel verwendet, um den Laserlichtstrahl in zwei oder mehrere Teilstrahlen aufzuteilen, kann nur ein Teilstrahl als Bestrahlungsstrahl verwendet werden, während die anderen Teilstrahlen verdeckt werden. Alternativ können ein oder mehrere Teilstrahlen zu unterschiedlichen Bestrahlungssystemen in einem oder mehreren Drucksystemen geführt werden.The irradiation system can include a laser beam source that is designed to emit at least one laser light beam. Into the In particular, the laser beam source of the irradiation system can (e.g. linearly polarized) laser light with a wavelength of 450 nm, ie “blue” laser light, or laser light with a wavelength of 532 nm, ie “green” laser light, or laser light with a wavelength in the range of 1000 nm up to 1090 nm or in the range from 1530 nm to 1610 nm, i.e. emit “infrared” laser light. If one or more beam splitter cubes are used to split the laser light beam into two or more partial beams, only one partial beam can be used as the irradiation beam while the other partial beams are obscured. Alternatively, one or more partial beams can be guided to different irradiation systems in one or more printing systems.
Das Bestrahlungssystem kann einen Aufbaubereich mit einem einzigen Laserstrahl bestrahlen. Es ist aber auch denkbar, dass das Bestrahlungssystem zwei oder mehr Laserstrahlen auf den Aufbaubereich einstrahlt. Die von dem Bestrahlungssystem auf den Aufbaubereich eingestrahlten mehreren Laserlichtstrahlen können von geeigneten Untereinheiten der Laserstrahlquelle emittiert werden. Der Aufbaubereich kann einem Bereich des Drucksystems entsprechen, in dem das Werkstück hergestellt werden soll, insbesondere einem Bereich auf und über der Bauplattform in vertikaler Richtung. Das Bestrahlungssystem kann von einem Prozessor gesteuert werden, insbesondere um eine (z.B. geplante) Position und/oder einen Punkt (z.B. auf der Rohmaterial-Pulverschicht) im Aufbaubereich zu bestrahlen.The irradiation system can irradiate a construction area with a single laser beam. However, it is also conceivable that the irradiation system radiates two or more laser beams onto the construction area. The multiple laser light beams irradiated from the irradiation system onto the construction area can be emitted by suitable subunits of the laser beam source. The construction area can correspond to an area of the printing system in which the workpiece is to be produced, in particular an area on and above the construction platform in the vertical direction. The irradiation system can be controlled by a processor, in particular to irradiate a (e.g. planned) position and/or a point (e.g. on the raw material powder layer) in the build-up area.
Das Bestrahlungssystem kann auch zumindest ein optisches Scansystem zum Aufteilen, Führen und/oder Verarbeiten des mindestens einen von der Laserstrahlquelle emittierten Laserstrahls umfassen. Das optische Scansystem kann ein oder mehrere optische Elemente wie eine Objektivlinse und eine Scaneinheit umfassen, wobei die Scaneinheit vorzugsweise ein beugendes optisches Element und/oder einen Umlenkspiegel umfasst. Das zumindest eine optische Scansystem kann dazu eingerichtet sein, einen Laserstrahl zum Aufbaubereich zu lenken. Das Bestrahlungssystem kann mehrere optische Scansysteme umfassen, von denen jedes dazu eingerichtet ist, einen anderen der Laserstrahlen zum Aufbaubereich zu lenken. In einem Beispiel ist der Aufbaubereich in mehrere (z.B. nicht überlappende) Sektionen unterteilt, wobei jedes der optischen Scansysteme dazu eingerichtet ist, den jeweiligen Laserstrahl auf eine andere Gruppe von Sektionen zu lenken. Die verschiedenen Gruppen von Sektionen können sich in Form, Größe und/oder Position voneinander unterscheiden und können sich überlappen.The irradiation system can also include at least one optical scanning system for dividing, guiding and/or processing the at least one laser beam emitted by the laser beam source. The optical scanning system may comprise one or more optical elements such as an objective lens and a scanning unit, wherein the scanning unit preferably comprises a diffractive optical element and/or a deflection mirror. The at least one optical scanning system can be set up to direct a laser beam to the construction area. The irradiation system may include multiple optical scanning systems, each configured to direct a different one of the laser beams to the build area. In one example, the construction area is divided into several (e.g. non-overlapping) sections, with each of the optical scanning systems being set up to direct the respective laser beam to a different group of sections. The various groups of sections may differ from one another in shape, size and/or position and may overlap.
Das Drucksystem kann ein Anpassungssystem mit einer Vielzahl von Konfigurationen umfassen, wobei jede Konfiguration eine andere Größe und/oder Form eines mit dem bzw. den Laserstrahl(en) bestrahlten Punktes ergibt. Das Anpassungssystem kann dazu eingerichtet sein, den Durchmesser des Laserstrahls, die Form des Querschnitts des Laserstrahls und/oder den Fokus des Laserstrahls zu verändern. Das Anpassungssystem kann ein oder mehrere optische Elemente wie eine Linse, eine Blende und/oder einen Spiegel umfassen. Das Anpassungssystem kann Teil des Bestrahlungssystems sein, insbesondere Teil des optischen Scansystems. Alternativ dazu kann das Anpassungssystem von dem optischen Scansystem getrennt sein. Für verschiedene Laserstrahlen können unterschiedliche Anpassungssysteme vorgesehen sein.The printing system may include an adjustment system having a variety of configurations, each configuration resulting in a different size and/or shape of a spot irradiated with the laser beam(s). The adjustment system can be set up to change the diameter of the laser beam, the shape of the cross section of the laser beam and/or the focus of the laser beam. The adjustment system may include one or more optical elements such as a lens, a diaphragm and/or a mirror. The adjustment system can be part of the irradiation system, in particular part of the optical scanning system. Alternatively, the adjustment system may be separate from the optical scanning system. Different adaptation systems can be provided for different laser beams.
Es kann eine Kalibrierungsplatte vorgesehen werden, die dazu eingerichtet ist, im Aufbaubereich angeordnet zu werden. Die Kalibrierungsplatte kann beispielsweise auf der Bauplattform, auf dem Boden der Prozesskammer oder auf einer Pulverauftragsvorrichtung angeordnet sein, oder kann in einen Raum innerhalb der Prozesskammer in oder über dem Aufbaubereich bewegbar ausgelegt sein. Die Kalibrierungsplatte kann mindestens einen Kalibriermarker tragen (z.B. auf einer Oberfläche der Kalibrierungsplatte). Die Kalibrierungsplatte kann eine Vielzahl von Kalibriermarkern tragen, die beispielsweise in einem symmetrischen Muster angeordnet sind. Eine oder mehrere Kalibriermarker können einen kreisförmigen Umriss haben. Jeder Kalibriermarker kann ein höheres Lichtreflexionsvermögen aufweisen als ein Teil der Kalibrierungsplatte, der an den jeweiligen Kalibriermarker angrenzt oder ihn umgibt. Die Kalibrierungsplatte kann eine anodisierte Aluminiumplatte sein. Jeder Kalibriermarker kann durch einen Teil der Aluminiumplatte gebildet werden, an dem die durch die Anodisierung gebildete Oberflächenschicht entfernt wurde (z.B. durch Fräsen, Kratzen oder Laserverdampfen).A calibration plate may be provided which is designed to be placed in the assembly area. The calibration plate can be arranged, for example, on the build platform, on the floor of the process chamber or on a powder application device, or can be designed to be movable into a space within the process chamber in or above the build area. The calibration plate can carry at least one calibration marker (e.g. on a surface of the calibration plate). The calibration plate can carry a plurality of calibration markers, for example arranged in a symmetrical pattern. One or more calibration markers can have a circular outline. Each calibration marker may have a higher light reflectance than a portion of the calibration plate adjacent or surrounding the respective calibration marker. The calibration plate can be an anodized aluminum plate. Each calibration marker can be formed by a part of the aluminum plate from which the surface layer formed by anodization has been removed (e.g. by milling, scratching or laser evaporation).
Das Drucksystem kann ein Abbildungssystem umfassen. Das Abbildungssystem kann so angeordnet und konfiguriert sein, dass es Bilder von mindestens einem Teil des Aufbaubereichs erfasst, insbesondere von einem Segment des Aufbaubereichs, in welchem Segment die Kalibrierungsplatte angeordnet ist oder angeordnet werden kann. Das Abbildungssystem kann einen Bildsensor, wie z. B. eine Kamera, umfassen. Das Abbildungssystem kann so konfiguriert sein, dass es ein Bild unter Verwendung eines vordefinierten elektromagnetischen Spektrums aufnimmt. Anders ausgedrückt, kann das Abbildungssystem nur für Licht mit einer Wellenlänge empfindlich sein, die in das vordefinierte elektromagnetische Spektrum fällt. Beispielsweise kann das Abbildungssystem einen oder mehrere Wellenlängenfilter umfassen, die so angeordnet sind, dass das gesamte Licht, das von dem Aufbaubereich (z.B. von einer Oberfläche der in dem Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte) ausgeht und auf den Bildsensor fällt, in das vordefinierte elektromagnetische Spektrum fällt. Das vordefinierte elektromagnetische Spektrum kann sich von der Wellenlänge des Laserstrahls bzw. der Laserstrahlen unterscheiden. Das heißt, das Abbildungssystem kann so konfiguriert sein, dass es für Licht mit der Wellenlänge des Laserstrahls bzw. der Laserstrahlen unempfindlich ist. Die Wellenlänge(n) des Laserstrahls bzw. der Laserstrahlen kann bzw. können außerhalb des vordefinierten elektromagnetischen Spektrums liegen. Das Abbildungssystem kann eine oder mehrere optische Komponenten wie Spiegel, Linsen und Blenden enthalten, wobei die eine oder die mehreren optischen Komponenten so angeordnet und konfiguriert sind, dass sie Licht von dem Aufbaubereich zum Bildsensor führen. Das Abbildungssystem kann sich mindestens eine der optischen Komponenten mit dem Bestrahlungssystem teilen. So kann der Bildsensor beispielsweise so angeordnet und konfiguriert sein, dass er ein Bild über ein optisches Scansystem des Bestrahlungssystems aufnimmt.The printing system may include an imaging system. The imaging system may be arranged and configured to capture images of at least a portion of the build area, in particular of a segment of the build area in which segment the calibration plate is or can be located. The imaging system may include an image sensor, such as. B. include a camera. The imaging system may be configured to capture an image using a predefined electromagnetic spectrum. In other words, the imaging system can only be sensitive to light with a wavelength that falls within the predefined electromagnetic spectrum. For example, the imaging system may include one or more wavelength filters arranged so that the entire light that emanates from the construction area (eg from a surface of the calibration plate arranged in the construction area) and falls on the image sensor falls into the predefined electromagnetic spectrum. The predefined electromagnetic spectrum may differ from the wavelength of the laser beam(s). That is, the imaging system may be configured to be insensitive to light having the wavelength of the laser beam(s). The wavelength(s) of the laser beam or beams can lie outside the predefined electromagnetic spectrum. The imaging system may include one or more optical components such as mirrors, lenses, and shutters, where the one or more optical components are arranged and configured to direct light from the build region to the image sensor. The imaging system can share at least one of the optical components with the irradiation system. For example, the image sensor can be arranged and configured so that it records an image via an optical scanning system of the irradiation system.
Das Drucksystem kann eine Beleuchtungseinheit umfassen. Die Beleuchtungseinheit kann ein oder mehrere lichtemittierende Elemente, zum Beispiel eine oder mehrere Leuchtdioden, umfassen. Die Beleuchtungseinheit kann so angeordnet und konfiguriert sein, dass sie zumindest einen Abschnitt der Kalibrierungsplatte beleuchtet, wenn die Kalibrierungsplatte in dem Aufbaubereich angeordnet ist. Die Beleuchtungseinheit kann so konfiguriert sein, dass sie zumindest den Aufbaubereich beleuchtet. Die Beleuchtungseinheit kann so konfiguriert sein, dass sie Licht mit einem vordefinierten Wellenlängenspektrum emittiert (z.B. zur Beleuchtung zumindest eines Abschnitts der Kalibrierungsplatte). Das vordefinierte Wellenlängenspektrum kann dem vordefinierten elektromagnetischen Spektrum entsprechen, in dieses fallen oder sich mit diesem überschneiden. Mit anderen Worten: Das Abbildungssystem kann sensitiv sein für Licht, das von der Beleuchtungseinheit ausgestrahlt (und z.B. von einem Kalibriermarker der Kalibrierungsplatte reflektiert) wird. der Kalibriermarker kann eine höhere Reflexion von Licht des vordefinierten Wellenlängenspektrums aufweisen als der Teil der Kalibrierungsplatte, der an den jeweiligen Kalibriermarker angrenzt oder ihn umgibt.The printing system can include a lighting unit. The lighting unit can include one or more light-emitting elements, for example one or more light-emitting diodes. The illumination unit may be arranged and configured to illuminate at least a portion of the calibration plate when the calibration plate is disposed in the assembly area. The lighting unit can be configured to illuminate at least the construction area. The illumination unit may be configured to emit light with a predefined wavelength spectrum (e.g. to illuminate at least a portion of the calibration plate). The predefined wavelength spectrum may correspond to, fall within, or overlap with the predefined electromagnetic spectrum. In other words: The imaging system can be sensitive to light that is emitted by the illumination unit (and reflected, for example, by a calibration marker on the calibration plate). the calibration marker can have a higher reflection of light of the predefined wavelength spectrum than the part of the calibration plate that adjoins or surrounds the respective calibration marker.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird ein Kalibrierungsverfahren für ein Drucksystem (z.B. das) bereitgestellt, wobei das Drucksystem zur Herstellung eines dreidimensionalen Werkstücks eingerichtet ist. Das Verfahren wird von einem (z.B. dem) Prozessor durchgeführt und umfasst einen Schritt (a) des Erhaltens eines ersten von einem (z.B. dem) Abbildungssystem des Drucksystems aufgenommenen Bildes von einem ersten Abschnitt einer (z.B. der) in einem (z.B. dem) Aufbaubereich des Drucksystems angeordneten Kalibrierungsplatte, wobei der erste Abschnitt zumindest einen Teil zumindest eines Kalibriermarkers umfasst, der von der Kalibrierungsplatte getragen wird. Das Verfahren kann einen Schritt des Auslösens des Abbildungssystems zur Aufnahme des ersten Bildes umfassen. Alternativ kann das erste Bild vorher aufgenommen und dann aus einer Datenbank abgerufen werden.According to the present disclosure, a calibration method for a printing system (e.g., the printing system) is provided, the printing system being configured to produce a three-dimensional workpiece. The method is performed by a (e.g., the) processor and includes a step (a) of obtaining a first image captured by a (e.g., the) imaging system of the printing system of a first portion of a (e.g., the) in a (e.g., the) build area of the Printing system arranged calibration plate, wherein the first section comprises at least a part of at least one calibration marker which is carried by the calibration plate. The method may include a step of triggering the imaging system to capture the first image. Alternatively, the first image can be taken beforehand and then retrieved from a database.
Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt (b) der Erfassung (z.B. nur) einer Position des mindestens einen Teils im ersten Bild. Die Position kann in einem Rahmenkoordinatensystem (FCS) des Abbildungssystems erfasst werden. Das FCS kann dem ersten Bild zugeordnet sein. Die Position basierend auf dem ersten Bild unter Verwendung von Merkmalsextraktion, Merkmalserkennung, Vorlagenabgleich und maschinellem Sehen erfasst werden, beispielsweise auf der Grundlage einer oder mehrerer vordefinierter (z.B. geometrischer und/oder optischer) Eigenschaften des zumindest einen Kalibriermarkers. Der (z.B. zumindest eine Teil des) zumindest eine(n) Kalibriermarker(s) kann einen solchen Umriss oder eine solche Form haben, dass dessen Orientierung basierend auf dem ersten Bild nicht (z.B. nicht eindeutig) erfasst und/oder bestimmt werden kann. Da nur die Position des zumindest einen Teils im ersten Bild erfasst werden muss, kann das Verfahren auch bei kreisförmigen Kalibriermarkern eine zuverlässige Kalibrierung ermöglichen.The method further comprises a step (b) of detecting (e.g. only) a position of the at least one part in the first image. The position can be recorded in a frame coordinate system (FCS) of the imaging system. The FCS can be assigned to the first image. The position is captured based on the first image using feature extraction, feature recognition, template matching and machine vision, for example based on one or more predefined (e.g. geometric and / or optical) properties of the at least one calibration marker. The (e.g. at least a part of) the at least one calibration marker(s) may have such an outline or shape that its orientation cannot (e.g. not clearly) be detected and/or determined based on the first image. Since only the position of at least one part in the first image needs to be recorded, the method can also enable reliable calibration with circular calibration markers.
Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt (c) der Steuerung eines (z.B., des) Bestrahlungssystems des Drucksystems, um mit einem Laserstrahl einen Punkt auf dem ersten Abschnitt der in dem Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte zu bestrahlen, einen Schritt (d) des Erhaltens eines von dem Abbildungssystem aufgenommenen zweiten Bildes von dem ersten Abschnitt der in dem Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte, wobei das zweite Bild einen Lichtpunkt umfasst, der durch den Laserstrahl gebildet wird, der den Punkt auf dem ersten Abschnitt der in dem Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte bestrahlt, und einen Schritt (e) des Erfassens (z.B. nur) einer Position des Lichtpunktes in dem zweiten Bild. Das Verfahren kann einen Schritt des Auslösens des Abbildungssystems zur Aufnahme des zweiten Bildes umfassen. Die Position des Lichtpunkts kann in dem FCS erfasst werden, das dem zweiten Bild zugeordnet sein kann. Die Position des Lichtpunktes kann auf basierend auf dem zweiten Bild unter Verwendung von Merkmalsextraktion, Merkmalserkennung, Vorlagenabgleich und maschinellem Sehen erkannt werden, beispielsweise auf der Grundlage einer oder mehrerer vordefinierter (z.B. geometrischer und/oder optischer) Eigenschaften des zumindest einen Lichtpunktes. Der Lichtpunkt kann einen solchen Umriss oder eine solche Form haben, dass seine Orientierung basierend auf dem zweiten Bild nicht (z.B. nicht eindeutig) erfasst und/oder bestimmt werden kann. Da nur die Position des Lichtpunkts im zweiten Bild erfasst werden muss, kann das Verfahren auch bei kreisförmigen Lichtpunkten eine zuverlässige Kalibrierung ermöglichen.The method further comprises a step (c) of controlling an (eg, the) irradiation system of the printing system to irradiate a point on the first portion of the calibration plate arranged in the build region with a laser beam, a step (d) of obtaining one of the Imaging system captured second image of the first portion of the calibration plate disposed in the build area, the second image comprising a light spot formed by the laser beam irradiating the spot on the first portion of the calibration plate disposed in the build area, and a step (e ) of detecting (eg only) a position of the light point in the second image. The method may include a step of triggering the imaging system to capture the second image. The position of the light spot can be detected in the FCS, which can be associated with the second image. The position of the light spot may be recognized based on the second image using feature extraction, feature recognition, template matching and computer vision, for example based on one or more predefined (e.g. geometric and/or optical) shear) properties of the at least one point of light. The light spot may have such an outline or shape that its orientation cannot be detected and/or determined (eg, not clearly) based on the second image. Since only the position of the light spot in the second image needs to be recorded, the method can enable reliable calibration even with circular light spots.
Das Verfahren umfasst einen Schritt (f) der Kalibrierung des Drucksystems basierend auf der erfassten Position des zumindest einen Teils im ersten Bild und der erfassten Position des Lichtpunkts im zweiten Bild. Das Drucksystem kann basierend auf einem Vergleich der erfassten Position des zumindest einen Teils im ersten Bild und der erfassten Position des Lichtpunkts im zweiten Bild kalibriert werden. Das erste Bild und das zweite Bild können dasselbe Sichtfeld und/oder identische Regionen abdecken. Alternativ oder zusätzlich kann eine Ausrichtung des ersten Abschnitts im ersten Bild mit einer Ausrichtung des ersten Teils im zweiten Bild identisch sein. Die Kalibrierungsplatte kann während der Aufnahme des ersten Bildes und der Aufnahme des zweiten Bildes die gleiche Orientierung im Aufbaubereich haben. Das Drucksystem kann basierend auf einem Vergleich der erfassten Position des zumindest einen Teils im FCS und der erfassten Position des Lichtpunkts im FCS kalibriert werden. Zum Beispiel kann das Bestrahlungssystem oder ein optisches Scansystem (z.B. das optische Scansystem), das in dem Bestrahlungssystem enthalten ist (z.B. um den Laserstrahl zu dem Punkt auf der Kalibrierungsplatte zu führen), kalibriert werden, um das Drucksystem zu kalibrieren. Zur Kalibrierung des Drucksystems können die Koordinatensysteme des optischen Scansystems, des Abbildungssystems und/oder anderer Komponenten des Drucksystems (z.B. relativ zueinander) eingestellt angepasst werden. Die Kalibrierung des Drucksystems kann die Bestimmung einer oder mehrerer Transformationen zwischen diesen Koordinatensystemen umfassen.The method includes a step (f) of calibrating the printing system based on the detected position of the at least one part in the first image and the detected position of the light spot in the second image. The printing system may be calibrated based on a comparison of the detected position of the at least one part in the first image and the detected position of the light spot in the second image. The first image and the second image may cover the same field of view and/or identical regions. Alternatively or additionally, an orientation of the first section in the first image can be identical to an orientation of the first part in the second image. The calibration plate can have the same orientation in the construction area during the recording of the first image and the recording of the second image. The printing system can be calibrated based on a comparison of the detected position of the at least one part in the FCS and the detected position of the light spot in the FCS. For example, the irradiation system or an optical scanning system (e.g., the optical scanning system) included in the irradiation system (e.g., to guide the laser beam to the point on the calibration plate) may be calibrated to calibrate the printing system. To calibrate the printing system, the coordinate systems of the optical scanning system, the imaging system and/or other components of the printing system can be adjusted (e.g. relative to one another). Calibration of the printing system may include determining one or more transformations between these coordinate systems.
Das Kalibrierverfahren verwendet also zwei verschiedene Bilder, wobei das erste Bild zur Erfassung der Position zumindest eines Teils eines von der Kalibrierungsplatte getragenen Kalibriermarkers und das zweite Bild zur Erfassung der Position eines Lichtpunkts verwendet wird, der durch einen Laserstrahl gebildet wird, welcher einen Punkt auf der Kalibrierungsplatte bestrahlt. Die Bilder können mit Bildgebungsparametern (z.B. einer Beleuchtungseinstellung, einer Fokuseinstellung, einer Belichtungszeiteinstellung und/oder einer Kontrasteinstellung) aufgenommen werden, die zur Optimierung der jeweiligen Erfassung geeignet sind, und werden vorzugsweise zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen. Beispielsweise kann eine (z.B. die) Beleuchtungseinheit dazu eingerichtet sein, zumindest den ersten Abschnitt der Kalibrierungsplatte zu beleuchten, wenn die Kalibrierungsplatte in dem Aufbaubereich angeordnet ist. Das erste Bild kann während der Beleuchtung des ersten Abschnitts aufgenommen werden, wohingegen das zweite Bild aufgenommen werden kann, während die Beleuchtungseinheit ausgeschaltet ist. Der (z.B. zumindest eine Teil des) zumindest einen Kalibriermarker(s) kann im zweiten Bild nicht sichtbar und/oder nicht erfassbar sein.The calibration method therefore uses two different images, the first image being used to capture the position of at least part of a calibration marker carried by the calibration plate and the second image being used to capture the position of a light spot formed by a laser beam which has a point on the Calibration plate irradiated. The images can be recorded with imaging parameters (e.g. an illumination setting, a focus setting, an exposure time setting and/or a contrast setting) that are suitable for optimizing the respective acquisition and are preferably recorded at different times. For example, one (e.g. the) lighting unit can be set up to illuminate at least the first section of the calibration plate when the calibration plate is arranged in the assembly area. The first image can be captured while the first section is illuminated, whereas the second image can be captured while the illumination unit is turned off. The (e.g. at least part of) the at least one calibration marker(s) may not be visible and/or not detectable in the second image.
Das Verfahren kann ein Erhalten eines Ausrichtungsbildsatzes umfassen, der ein oder mehrere von dem Abbildungssystem aufgenommene Bilder von zumindest einem Abschnitt der in dem Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte umfasst. Eine Orientierung der Kalibrierungsplatte kann (z.B. relativ zum FCS) basierend au dem Ausrichtungsbildsatzes bestimmt werden. Das Drucksystem kann basierend auf der bestimmten Orientierung der Kalibrierungsplatte (z. B. weiter) kalibriert werden.The method may include obtaining an alignment image set that includes one or more images captured by the imaging system of at least a portion of the calibration plate disposed in the build area. An orientation of the calibration plate can be determined (e.g. relative to the FCS) based on the alignment image set. The printing system may be calibrated based on the particular orientation of the calibration plate (e.g. further).
Das Verfahren kann ein Erfassen eines geometrischen Elements auf der Kalibrierungsplatte in zumindest einem der Bilder des Ausrichtungsbildsatzes und ein Bestimmen einer Orientierung des erfassten geometrischen Elements in dem zumindest einen Bild umfassen. Die Orientierung der Kalibrierungsplatte kann dann basierend auf der bestimmten Orientierung des erfassten geometrischen Elements bestimmt werden. Die Orientierung eines einzelnen geometrischen Elements, das in einem einzigen Bild erfasst wurde, kann ausreichen, um die Orientierung der Kalibrierungsplatte zu bestimmen.The method may include detecting a geometric element on the calibration plate in at least one of the images of the alignment image set and determining an orientation of the detected geometric element in the at least one image. The orientation of the calibration plate can then be determined based on the particular orientation of the detected geometric element. The orientation of a single geometric element captured in a single image may be sufficient to determine the orientation of the calibration plate.
Das geometrische Element kann ein nicht-rotationssymmetrisches Element sein. Das geometrische Element kann einen nicht-kreisförmigen Umriss oder eine nichtkreisförmige Form haben. Das geometrische Element kann eine endliche Anzahl von Symmetrieachsen haben. Das geometrische Element kann mindestens zwei Linien umfassen oder aus ihnen bestehen. Zwei oder mehr der Linien können nicht parallel zueinander verlaufen und/oder sich gegenseitig schneiden. Beispiele für solche geometrische Elemente beinhalten ein L-förmiges Linienpaar, ein kreuzförmiges oder ein plusförmiges Linienpaar, vier Linien, die ein Rechteck oder ein Quadrat bilden, und Anordnungen von Kreisen in L- oder Quadratform. Alternativ kann das geometrische Element auch ein nicht symmetrisches zweidimensionales Muster wie einen (z.B. computerlesbaren) zweidimensionalen Code, z.B. einen Quick-Response-Code (QR-Code), umfassen oder aus einem solchen bestehen. Das geometrische Element kann auf der Kalibrierungsplatte neben einem Kalibriermarker oder so angeordnet sein, dass es einen Kalibriermarker umgibt. In einem Beispiel ist das geometrische Element mit einem Kalibriermarker verbunden (z.B. geht es in diesen über). Das geometrische Element kann eine höhere Reflexion von Licht des vordefinierten Wellenlängenspektrums aufweisen als der Teil der Kalibrierungsplatte, der an den jeweiligen Kalibriermarker angrenzt oder ihn umgibt.The geometric element can be a non-rotationally symmetrical element. The geometric element may have a non-circular outline or shape. The geometric element can have a finite number of symmetry axes. The geometric element can include or consist of at least two lines. Two or more of the lines cannot be parallel to each other and/or intersect each other. Examples of such geometric elements include an L-shaped pair of lines, a cross-shaped or plus-shaped pair of lines, four lines forming a rectangle or a square, and arrangements of circles in an L or square shape. Alternatively, the geometric element can also include or consist of a non-symmetrical two-dimensional pattern such as a (for example computer-readable) two-dimensional code, for example a quick response code (QR code). The geometric element can be arranged on the calibration plate next to a calibration marker or so that it surrounds a calibration marker. In one example is the geometric element is connected to a calibration marker (e.g. it merges into this). The geometric element can have a higher reflection of light of the predefined wavelength spectrum than the part of the calibration plate that adjoins or surrounds the respective calibration marker.
Das Verfahren kann ein Erfassen einer Vielzahl von Referenzelementen der Kalibrierungsplatte basierend auf dem Ausrichtungsbildsatzes umfassen. Die Vielzahl von Referenzelementen kann in einem Bild des Ausrichtungsbildsatzes erfasst werden, oder verschiedene Referenzelemente der Vielzahl von Referenzelementen können in verschiedenen Bildern des Ausrichtungsbildsatzes erfasst werden. Basierend auf dem Ausrichtungsbildsatz kann eine Position jedes erfassten Referenzelements bestimmt werden. Beispielsweise können die Positionen aller Referenzelemente in dem einen Bild des Ausrichtungsbildsatzes bestimmt werden, oder es kann die Position der jeweils unterschiedlichen Referenzelemente in den unterschiedlichen Bildern erfasst werden. Das Verfahren kann ein Bestimmen der Orientierung der Kalibrierungsplatte basierend auf den bestimmten Positionen der erfassten Referenzelemente umfassen. Das heißt, die Positionen der mehreren Referenzelemente, die in einem einzelnen Bild oder in mehreren Bildern des Ausrichtungsbildsatzes erfasst wurden, können zur Bestimmung der Orientierung der Kalibrierungsplatte verwendet werden. Die Orientierungen der einzelnen Referenzelemente müssen nicht unbedingt erfasst werden. Dies ermöglicht die Verwendung von Referenzelementen, deren individuelle Orientierung nicht (z.B. nicht eindeutig) in dem Bilde bzw. den Bildern des Ausrichtungsbildsatzes erfasst werden kann. Daraus folgt, dass ein Referenzelement im Sinne der vorliegenden Offenbarung eine kreisförmige Form oder einen kreisförmigen Umriss haben kann. Ein Beispiel für ein Referenzelement ist der Kalibriermarker. Das heißt, die Referenzelemente können den Kalibriermarkern entsprechen, die von der Kalibrierungsplatte getragen werden. In einem Beispiel können das Referenzelement und die Kalibriermarke unterschiedliche Durchmesser haben. Das Referenzelement kann eine höhere Reflexion von Licht des vordefinierten Wellenlängenspektrums aufweisen als der Teil der Kalibrierungsplatte, der an den jeweiligen Kalibriermarker angrenzt oder diesen umgibt.The method may include acquiring a plurality of reference elements of the calibration plate based on the alignment image set. The plurality of reference elements may be captured in one image of the alignment image set, or different reference elements of the plurality of reference elements may be captured in different images of the alignment image set. Based on the alignment image set, a position of each captured reference element can be determined. For example, the positions of all reference elements in one image of the alignment image set can be determined, or the position of the different reference elements in the different images can be detected. The method may include determining the orientation of the calibration plate based on the determined positions of the detected reference elements. That is, the positions of the multiple reference elements captured in a single image or multiple images of the alignment image set can be used to determine the orientation of the calibration plate. The orientations of the individual reference elements do not necessarily have to be recorded. This enables the use of reference elements whose individual orientation cannot be captured (e.g. not clearly) in the image or images of the alignment image set. It follows that a reference element in the sense of the present disclosure can have a circular shape or a circular outline. An example of a reference element is the calibration marker. That is, the reference elements may correspond to the calibration markers carried by the calibration plate. In one example, the reference element and the calibration mark may have different diameters. The reference element can have a higher reflection of light of the predefined wavelength spectrum than the part of the calibration plate that adjoins or surrounds the respective calibration marker.
Der Ausrichtungsbildsatze kann eines oder mehrere der folgenden Bilder umfassen oder daraus bestehen: (i) das erste Bild, (ii) ein drittes Bild eines zweiten Abschnitts der im Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte, wobei sich der zweite Abschnitt vom ersten Abschnitt unterscheidet, (iii) eine Vielzahl von Bildern verschiedener Abschnitte der im Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte.The alignment image set may include or consist of one or more of the following images: (i) the first image, (ii) a third image of a second portion of the calibration plate disposed in the build area, the second portion being different from the first portion, (iii) a Variety of images of different sections of the calibration plate arranged in the construction area.
Die Kalibrierung kann durchgeführt und/oder wiederholt werden (i) für verschiedene Laserstrahlen des Bestrahlungssystems, (ii) für verschiedene optische Scansysteme des Bestrahlungssystems, die jeweils dazu eingerichtet sind, einen anderen Laserstrahl zum Aufbaubereich zu führen, (iii) für verschiedene Größen des mit dem Laserstrahl auf der Kalibrierungsplatte bestrahlten Punktes, (iv) für verschiedene Formen des mit dem Laserstrahl (14a, 14b) auf der Kalibrierungsplatte (116) bestrahlten Punktes, (v) für verschiedene Konfigurationen eines (z.B. des) Anpassungssystems des Bestrahlungssystems, wobei jede Konfiguration eine andere Größe und/oder Form des mit dem Laserstrahl bestrahlten Punktes ergibt, (vi) für verschiedene erste Abschnitte, und/oder (vii) für unterschiedliche Höhen der im Aufbaubereich angeordneten und die Kalibrierungsplatte tragenden Bauplattform.The calibration can be carried out and/or repeated (i) for different laser beams of the irradiation system, (ii) for different optical scanning systems of the irradiation system, each of which is set up to guide a different laser beam to the build area, (iii) for different sizes of the with the point irradiated with the laser beam on the calibration plate, (iv) for different shapes of the point irradiated with the laser beam (14a, 14b) on the calibration plate (116), (v) for different configurations of an (e.g. the) adjustment system of the irradiation system, each configuration a different size and/or shape of the point irradiated with the laser beam results, (vi) for different first sections, and/or (vii) for different heights of the construction platform arranged in the construction area and carrying the calibration plate.
Umfasst das Bestrahlungssystem mehrere optische Scansysteme, von denen jedes dazu eingerichtet ist, einen anderen Laserstrahl zum Aufbaubereich zu führen, kann mindestens eines (z.B. alle) der mehreren optischen Scansysteme bei der Kalibrierung des Drucksystems kalibriert werden. Es werden nun zwei Varianten für dieses Verfahren beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die folgenden Varianten nicht auf eine Kalibrierung des zumindest einen optischen Scansystems beschränkt sind, sondern auch für eine Kalibrierung des gesamten Drucksystems oder anderer Komponenten desselben gelten.If the irradiation system includes multiple optical scanning systems, each of which is set up to guide a different laser beam to the build area, at least one (e.g. all) of the multiple optical scanning systems can be calibrated when calibrating the printing system. Two variants of this procedure will now be described. It should be noted that the following variants are not limited to a calibration of the at least one optical scanning system, but also apply to a calibration of the entire printing system or other components thereof.
In einer ersten Variante können die Schritte (c) bis (e) für mindestens einen weiteren Laserstrahl durchgeführt werden, und das Drucksystem kann auf der Grundlage der erfassten Position des mindestens einen Teils im ersten Bild und der erfassten Positionen der jeweiligen Lichtpunkte in den zweiten Bildern kalibriert werden. Mit anderen Worten: Ein einziges erstes Bild kann zur Erfassung der Position des mindestens einen Teils verwendet werden, während mehrere zweite Bilder zur Erfassung eines jeweiligen Lichtpunkts eines anderen Laserstrahls verwendet werden können.In a first variant, steps (c) to (e) can be carried out for at least one further laser beam, and the printing system can be based on the detected position of the at least one part in the first image and the detected positions of the respective light points in the second images be calibrated. In other words, a single first image can be used to capture the position of the at least one part, while multiple second images can be used to capture a respective point of light from a different laser beam.
In einer zweiten Variante kann das Verfahren einen Schritt (c') umfassen, in dem das Bestrahlungssystem so gesteuert wird, dass es mit mindestens einem weiteren Laserstrahl einen anderen Punkt auf dem ersten Abschnitt der in dem Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte. In Schritt (d) wird das von dem Abbildungssystem aufgenommene zweite Bild des ersten Abschnitts der in dem Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte erhalten. Das zweite Bild umfasst in dieser Variante den Lichtpunkt, der durch den Laserstrahl gebildet wird, der den Punkt auf dem ersten Abschnitt der in dem Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte bestrahlt, und umfasst außerdem mindestens einen weiteren Lichtpunkt, der durch den mindestens einen weiteren Laserstrahl gebildet wird, der den anderen Punkt auf dem ersten Abschnitt der in dem Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte bestrahlt. Das Verfahren kann ferner einen Schritt (e') des Erfassens einer Position des mindestens einen weiteren Lichtpunkts in dem zweiten Bild umfassen. Das Drucksystem kann dann basierend auf der erfassten Position des mindestens einen Teils im ersten Bild und der erfassten Positionen der Lichtpunkte im zweiten Bild kalibriert werden. Mit anderen Worten, ein einziges erstes Bild kann zur Erfassung der Position des mindestens einen Teils verwendet werden, und ein einziges zweites Bild kann zur Erfassung einer Vielzahl von Lichtpunkten verschiedener Laserstrahlen verwendet werden. Die Lichtpunkte können auf der Grundlage ihrer (z.B. geometrischen und/oder optischen) Eigenschaften unterschieden werden. Diese Eigenschaften können eine oder mehrere der folgenden beinhalten: eine Lichtintensität, eine Lichtfarbe, ein Lichtspektrum, eine Lichtwellenlänge, eine Form, eine Kontur, ein Strahlprofil (z.B. Gauß, Top Hat oder Donut). Die Eigenschaften der Lichtpunkte können den jeweiligen Laserstrahlen zugeordnet werden, z.B. anhand einer bekannten Beziehung zwischen den Eigenschaften und den Laserstrahlen. Dies kann es ermöglichen, optische Scansysteme verschiedener Laserstrahlen individuell zu kalibrieren, indem ein einziges zweites Bild verwendet wird, das eine Vielzahl von Lichtpunkten enthält, die von den verschiedenen Laserstrahlen erzeugt werden, die verschiedene Punkte auf der Kalibrierungsplatte bestrahlen.In a second variant, the method can include a step (c') in which the irradiation system is controlled so that it hits another point on the first section of the calibration plate arranged in the setup area with at least one further laser beam. In step (d), the second image of the first section of the calibration plate arranged in the build area, recorded by the imaging system, is obtained. In this variant, the second image includes the light spot formed by the laser beam which irradiates the point on the first section of the calibration plate arranged in the construction region, and further comprises at least one further light spot which is formed by the at least one further laser beam which irradiates the other point on the first section of the calibration plate arranged in the construction region . The method may further comprise a step (e') of detecting a position of the at least one further point of light in the second image. The printing system can then be calibrated based on the detected position of the at least one part in the first image and the detected positions of the light spots in the second image. In other words, a single first image may be used to capture the position of the at least one part, and a single second image may be used to capture a plurality of light spots of different laser beams. The light points can be distinguished based on their properties (e.g. geometric and/or optical). These properties may include one or more of the following: a light intensity, a light color, a light spectrum, a light wavelength, a shape, a contour, a beam profile (e.g. Gaussian, Top Hat or Donut). The properties of the light spots can be assigned to the respective laser beams, for example based on a known relationship between the properties and the laser beams. This may allow optical scanning systems of different laser beams to be individually calibrated using a single second image containing a plurality of light spots produced by the different laser beams irradiating different points on the calibration plate.
Für den Fall, dass das Bestrahlungssystem das Anpassungssystem mit einer Vielzahl von Konfigurationen umfasst, wobei jede Konfiguration eine andere Größe und/oder Form des mit dem Laserstrahl bestrahlten Punktes auf dem in dem Aufbaubereich angeordneten Kalibrierelement ergibt, kann das Verfahren die Durchführung der Schritte (c) bis (e) für jede der Vielzahl von Konfigurationen des Anpassungssystems umfassen. Das Drucksystem kann dann basierend auf der erfassten Position des zumindest einen Teils im ersten Bild und der erfassten Positionen der jeweiligen Lichtpunkte in den zweiten Bildern kalibriert werden.In the event that the irradiation system includes the adjustment system with a plurality of configurations, each configuration resulting in a different size and / or shape of the point irradiated with the laser beam on the calibration element arranged in the construction area, the method can include carrying out the steps (c ) to (e) for each of the plurality of configurations of the adjustment system. The printing system can then be calibrated based on the detected position of the at least one part in the first image and the detected positions of the respective points of light in the second images.
Das Verfahren kann die Durchführung der Schritte (a) bis (e) für jeden einer Vielzahl verschiedener erster Abschnitte umfassen, wobei das Drucksystem basierend auf den erfassten Positionen des jeweiligen zumindest einen Teils in den ersten Bildern und der erfassten Position der jeweiligen Lichtpunkte in den zweiten Bildern kalibriert wird.The method may include carrying out steps (a) to (e) for each of a plurality of different first sections, the printing system based on the detected positions of the respective at least one part in the first images and the detected position of the respective light points in the second images is calibrated.
Wie oben erwähnt kann das Drucksystem eine Bauplattform umfassen, die in dem Aufbaubereich angeordnet und dazu eingerichtet ist, die Kalibrierungsplatte zu tragen. Das Verfahren kann die Durchführung der Schritte (a) bis (e) für jede einer Vielzahl von Höhen der Bauplattform umfassen, wenn diese die Kalibrierungsplatte trägt, wobei das Drucksystem basierend auf den erfassten Positionen des jeweiligen zumindest einen Teils in den ersten Bildern und der erfassten Position der jeweiligen Lichtpunkte in den zweiten Bildern kalibriert wird.As mentioned above, the printing system may include a build platform disposed in the build area and configured to support the calibration plate. The method may include performing steps (a) through (e) for each of a plurality of heights of the build platform when supporting the calibration plate, wherein the printing system based on the captured positions of the respective at least one part in the first images and the captured Position of the respective light points in the second images is calibrated.
Das Verfahren kann ein Erhalten von Korrekturdaten umfassen, die mit einem externen Messsystem gemessene geometrische Parameter der Kalibrierungsplatte anzeigen, wobei das Drucksystem basierend auf den Korrekturdaten kalibriert wird.The method may include obtaining correction data indicative of geometric parameters of the calibration plate measured with an external measurement system, calibrating the printing system based on the correction data.
Das Verfahren kann ein Bestimmen einer Transformation zwischen (i) einem Koordinatensystem eines (z.B. des) optischen Scansystems des Bestrahlungssystems, wobei das optische Scansystem dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl zum Aufbaubereich zu führen, und (ii) einem Koordinatensystem des Abbildungssystems (z.B. dem Koordinatensystem FCS) umfassen, wobei das Drucksystem basierend auf der bestimmten Transformation kalibriert wird. Das Koordinatensystem des optischen Scansystems kann als Scankoordinatensystem (SCS) bezeichnet werden.The method may include determining a transformation between (i) a coordinate system of (e.g. the) optical scanning system of the irradiation system, the optical scanning system being set up to guide the laser beam to the build area, and (ii) a coordinate system of the imaging system (e.g. the coordinate system FCS), where the printing system is calibrated based on the determined transformation. The coordinate system of the optical scanning system can be called the scanning coordinate system (SCS).
Das Verfahren kann ein Steuern des Abbildungssystems umfassen, um das erste Bild aufzunehmen, während zumindest der erste Abschnitt der in dem Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte von der Beleuchtungseinheit beleuchtet wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Abbildungssystems gesteuert werden, um das zweite Bild bzw. die zweiten Bilder aufzunehmen, während zumindest der erste Abschnitt der im Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte nicht von der Beleuchtungseinheit beleuchtet wird. Das Abbildungssystems kann gesteuert werden, alle Bilder mit Ausnahme des zweiten Bildes bzw. der zweiten Bilder aufzunehmen, während zumindest der erste Abschnitt der in dem Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte von der Beleuchtungseinheit beleuchtet wird.The method may include controlling the imaging system to capture the first image while at least the first portion of the calibration plate disposed in the build area is illuminated by the illumination unit. Alternatively or additionally, the imaging system can be controlled to record the second image or images while at least the first section of the calibration plate arranged in the setup area is not illuminated by the lighting unit. The imaging system can be controlled to capture all images except the second image(s) while at least the first portion of the calibration plate disposed in the setup area is illuminated by the illumination unit.
Die Beleuchtungseinheit kann gesteuert werden (z.B. durch den Prozessor oder einen Benutzer), um die Beleuchtung zu aktivieren, wenn das erste Bild aufgenommen wird. Die Beleuchtungseinheit kann gesteuert werden (z.B. durch den Prozessor oder einen Benutzer), um die Beleuchtung zu aktivieren, wenn das andere Bild außer dem zweiten Bild aufgenommen wird bzw. die anderen Bilder außer dem zweiten Bild aufgenommen werden. Die Beleuchtungseinheit kann gesteuert werden (z.B. durch den Prozessor oder einen Benutzer), um die Beleuchtung zu deaktivieren, wenn das zweite Bild aufgenommen wird bzw. die zweiten Bilder aufgenommen werden.The lighting unit can be controlled (e.g. by the processor or a user) to activate the lighting when the first image is captured. The lighting unit can be controlled (eg by the processor or a user) to activate the lighting when the other image other than the second image is captured or the other images other than the second image are captured. The lighting unit can be controlled (e.g. by the processor or a user) to deactivate the lighting when the second image is taken or the second pictures are taken.
Die Abbildungseinheit kann dazu eingerichtet sein, das erste Bild nur dann aufzunehmen, wenn die Beleuchtungseinheit zumindest den ersten Abschnitt der im Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte beleuchtet. Die Abbildungseinheit kann dazu eingerichtet sein, alle Bilder mit Ausnahme des zweiten Bildes bzw. der zweiten Bilder nur dann aufzunehmen, wenn die Beleuchtungseinheit zumindest den ersten Abschnitt der in dem Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte beleuchtet. Die Abbildungseinheit kann dazu eingerichtet sein, das zweite Bild bzw. die zweiten Bilder nur dann aufzunehmen, wenn die Beleuchtungseinheit die im Aufbaubereich angeordnete Kalibrierungsplatte nicht beleuchtet. Zu diesem Zweck kann die Abbildungseinheit mit der Beleuchtungseinheit gekoppelt sein oder einen Lichtsensor umfassen, der dazu eingerichtet sein, von der Beleuchtungseinheit emittiertes Licht zu erfassen.The imaging unit can be set up to record the first image only when the illumination unit illuminates at least the first section of the calibration plate arranged in the construction area. The imaging unit can be set up to record all images with the exception of the second image or images only when the illumination unit illuminates at least the first section of the calibration plate arranged in the construction area. The imaging unit can be set up to record the second image or images only when the lighting unit does not illuminate the calibration plate arranged in the construction area. For this purpose, the imaging unit can be coupled to the lighting unit or can include a light sensor that is set up to detect light emitted by the lighting unit.
Das Abbildungssystem kann so angeordnet sein, dass es zumindest das erste Bild und das zweite Bild über ein (z.B. das) optische(s) Scansystem erfasst, das in dem Bestrahlungssystem enthalten ist, wobei das optische Scansystem dazu eingerichtet sein, den Laserstrahl zum Aufbaubereich zu führen. In diesem Fall kann das Abbildungssystem eine Achsenkamera (engl. „on-axis camera“) umfassen.The imaging system may be arranged to capture at least the first image and the second image via an optical scanning system included in the irradiation system, the optical scanning system being configured to direct the laser beam to the build area lead. In this case, the imaging system can include an on-axis camera.
Eine oder mehrere Positionsmarkierungen können in der Nähe der im Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte vorgesehen sein. Die eine oder mehreren Positionsmarkierungen können in einem Bereich vorgesehen sein, der bei der Bildung einer neuen Pulverschicht durch die Pulverauftragsvorrichtung nicht mit Pulvermaterial bedeckt wird. Eine oder mehrere zusätzliche Positionsmarkierungen können von der Kalibrierungsplatte getragen werden. Das Verfahren kann einen Schritt umfassen, bei dem das Abbildungssystem ein viertes Bild von zumindest einer der Positionsmarkierungen, die neben der Kalibrierungsplatte vorgesehen sind, und von zumindest einer der Positionsmarkierungen, die von der Kalibrierungsplatte getragen werden, aufnimmt. Basierend auf dem aufgenommenen vierten Bild kann eine Position und/oder Orientierung jeder Positionsmarke bestimmt werden. Die Position(en) und/oder die Orientierung(en) können verglichen werden, um einen Versatz der Kalibrierungsplatte von einer vordefinierten Kalibrierungspose der Kalibrierungsplatte relativ zum Aufbaubereich zu bestimmen. Die Position und/oder Orientierung der Kalibrierungsplatte kann dann angepasst werden (z.B. mechanisch und/oder manuell), um den Versatz zu minimieren oder zu kompensieren. Das Verfahren kann dann mit den Schritten (a) bis (f) fortgesetzt werden.One or more position markers may be provided near the calibration plate located in the setup area. The one or more position markers may be provided in an area that is not covered with powder material when a new powder layer is formed by the powder applicator. One or more additional position markers may be carried by the calibration plate. The method may include a step in which the imaging system captures a fourth image of at least one of the position markers provided adjacent the calibration plate and at least one of the position markers carried by the calibration plate. Based on the recorded fourth image, a position and/or orientation of each position mark can be determined. The position(s) and/or orientation(s) may be compared to determine an offset of the calibration plate from a predefined calibration pose of the calibration plate relative to the build area. The position and/or orientation of the calibration plate can then be adjusted (e.g. mechanically and/or manually) to minimize or compensate for the offset. The process can then continue with steps (a) to (f).
Nach Durchführung der Kalibrierung kann das Verfahren zur Validierung wiederholt und/oder von dem Drucksystem ein dreidimensionales Werkstück hergestellt werden.After the calibration has been carried out, the validation procedure can be repeated and/or a three-dimensional workpiece can be produced by the printing system.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird ein Drucksystem zur Herstellung eines dreidimensionalen Werkstücks, bereitgestellt, welches ein Bestrahlungssystem, das dazu eingerichtet ist, einen Aufbaubereich selektiv mit einem oder mehreren Laserstrahlen zu bestrahlen, ein Abbildungssystem, das dazu eingerichtet ist, ein Bild von mindestens einem Abschnitt einer Kalibrierungsplatte aufzunehmen, wenn die Kalibrierungsplatte in dem Aufbaubereich angeordnet ist, und einen Prozessor umfasst. Der Prozessor ist dazu eingerichtet (a) ein erstes von dem Abbildungssystem des Drucksystems aufgenommenes Bild von dem ersten Abschnitt der in dem Aufbaubereich des Drucksystems angeordneten Kalibrierungsplatte zu erhalten, wobei der erste Abschnitt zumindest einen Teil zumindest eines Kalibriermarkers umfasst, der von der Kalibrierungsplatte getragen wird, (b) eine Position des zumindest einen Teils in dem ersten Bild zu erfassen, (c) das Bestrahlungssystem des Drucksystems zu steuern, um mit einem der einen oder mehreren Laserstrahlen einen Punkt auf dem ersten Abschnitt der in dem Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte zu bestrahlen, (d) ein zweites von dem Abbildungssystem aufgenommenes Bild von dem ersten Abschnitt der in dem Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte zu erhalten, wobei das zweite Bild einen Lichtpunkt umfasst, der von dem Laserstrahl gebildet wird, welcher den Punkt auf dem ersten Abschnitt der in dem Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte bestrahlt, (e) eine Position des Lichtpunkts in dem zweiten Bild zu erfassen, und (f) das Drucksystems basierend auf der erfassten Position des zumindest einen Teils in dem ersten Bild und der erfassten Position des Lichtpunkts in dem zweiten Bild zu kalibrieren.According to the present disclosure, there is provided a printing system for producing a three-dimensional workpiece, which includes an irradiation system configured to selectively irradiate a build area with one or more laser beams, an imaging system configured to produce an image of at least a portion of a To accommodate calibration plate when the calibration plate is arranged in the assembly area, and comprises a processor. The processor is set up to (a) obtain a first image recorded by the imaging system of the printing system of the first section of the calibration plate arranged in the construction area of the printing system, the first section comprising at least a part of at least one calibration marker which is carried by the calibration plate , (b) detect a position of the at least one part in the first image, (c) control the irradiation system of the printing system in order to irradiate a point on the first section of the calibration plate arranged in the build area with one of the one or more laser beams, (d) obtaining a second image, captured by the imaging system, of the first portion of the calibration plate disposed in the build region, the second image comprising a spot of light formed by the laser beam that locates the spot on the first portion of the calibration plate disposed in the build region Calibration plate irradiated, (e) to detect a position of the light spot in the second image, and (f) to calibrate the printing system based on the detected position of the at least a part in the first image and the detected position of the light spot in the second image.
Das Drucksystem, insbesondere der Prozessor, kann dazu eingerichtet sein, das oben beschriebene Verfahren auszuführen. Das Drucksystem kann eines oder mehrere der folgenden umfassen: (i) ein oder mehrere (z.B. das bzw. die) optische(n) Scansystem(e), die jeweils dazu eingerichtet sind, einen anderen der Laserstrahlen zum Aufbaubereich zu führen, (ii) ein (z.B. das) Anpassungssystem mit einer Vielzahl von Konfigurationen, wobei jede Konfiguration eine andere Größe und/oder Form des mit dem Laserstrahl bestrahlten Punktes ergibt, (iii) eine (z.B. die) in dem Aufbaubereich angeordnete Bauplattform, die dazu eingerichtet ist, die Kalibrierungsplatte zu tragen, (iv) eine (z.B. die) Beleuchtungseinheit, die dazu eingerichtet ist, zumindest den ersten Abschnitt der Kalibrierungsplatte zu beleuchten, wenn die Kalibrierungsplatte in dem Aufbaubereich angeordnet ist, (v) eine (z.B. die) Achsenkamera, (vi) die Kalibrierungsplatte.The printing system, in particular the processor, can be set up to carry out the method described above. The printing system may include one or more of the following: (i) one or more (e.g., the) optical scanning system(s), each configured to guide a different one of the laser beams to the build area, (ii) a (e.g. the) adjustment system with a variety of configurations, each configuration resulting in a different size and/or shape of the point irradiated with the laser beam, (iii) a (e.g. the) build platform arranged in the build area and which is designed to: Calibration plate to carry, (iv) a (eg the) lighting unit that is set up to do so, at least the first Section of the calibration plate to illuminate when the calibration plate is arranged in the setup area, (v) an (e.g. the) axis camera, (vi) the calibration plate.
Der Prozessor kann dazu eingerichtet sein, das Drucksystem basierend auf einem (z.B. dem) Vergleich der erfassten Position des zumindest einen Teils im ersten Bild und der erfassten Position des Lichtpunkts im zweiten Bild zu kalibrieren.The processor may be configured to calibrate the printing system based on (e.g. the) comparison of the detected position of the at least one part in the first image and the detected position of the light spot in the second image.
Der Prozessor kann dazu eingerichtet sein, das Abbildungssystem so zu steuern, dass das erste Bild und das zweite Bild so aufgenommen werden, dass das erste Bild und das zweite Bild dasselbe Sichtfeld abdecken und/oder eine Ausrichtung des ersten Abschnitts im ersten Bild identisch mit einer Ausrichtung des ersten Abschnitts im zweiten Bild ist.The processor may be configured to control the imaging system such that the first image and the second image are captured such that the first image and the second image cover the same field of view and/or an orientation of the first portion in the first image is identical to one Orientation of the first section in the second image is.
Der Prozessor kann dazu eingerichtet sein, das Bestrahlungssystem zu kalibrieren, um das Drucksystem zu kalibrieren.The processor may be configured to calibrate the irradiation system to calibrate the printing system.
Der Prozessor kann dazu eingerichtet sein, einen (z.B. den) Ausrichtungsbildsatzes zu erhalten, der eine oder mehrere von dem Abbildungssystem aufgenommene Bilder von zumindest einem Abschnitt der in dem Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte umfasst. Der Prozessor dazu eingerichtet sein, eine Orientierung der Kalibrierungsplatte basierend auf dem Ausrichtungsbildsatzes zu bestimmen und das Drucksystem basierend auf der bestimmten Orientierung der Kalibrierungsplatte zu kalibrieren.The processor may be configured to obtain an alignment image set that includes one or more images captured by the imaging system of at least a portion of the calibration plate located in the build area. The processor may be configured to determine an orientation of the calibration plate based on the alignment image set and to calibrate the printing system based on the determined orientation of the calibration plate.
Der Prozessor kann dazu eingerichtet sein, in zumindest einem der Bilder des Ausrichtungsbildsatzes ein (z.B. das) geometrische Element auf der Kalibrierungsplatte zu erfassen, eine Orientierung des erfassten geometrischen Elements in dem zumindest einen Bild zu bestimmen und die Orientierung der Kalibrierungsplatte basierend auf der bestimmten Orientierung des erfassten geometrischen Elements zu bestimmen.The processor may be configured to capture a (e.g., the) geometric element on the calibration plate in at least one of the images of the alignment image set, to determine an orientation of the captured geometric element in the at least one image, and to determine the orientation of the calibration plate based on the determined orientation of the detected geometric element.
Der Prozessor kann dazu eingerichtet sein, basierend auf dem Ausrichtungsbildsatz mehrere Referenzelemente der Kalibrierungsplatte zu erfassen, basierend auf dem Ausrichtungsbildsatz eine Position jedes erkannten Referenzelements zu bestimmen und basierend auf den bestimmten Positionen der erfassten Referenzelemente die Orientierung der Kalibrierungsplatte zu bestimmen. Die Bestimmung der Orientierung der Kalibrierungsplatte kann auch schrittweise durch Auswertung jedes Bildes des Ausrichtungsbildsatzes direkt nach der Aufnahme erfolgen, wobei die berechnete Orientierung mit jedem weiteren Bild überprüft und korrigiert wird.The processor may be configured to detect a plurality of reference elements of the calibration plate based on the alignment image set, to determine a position of each detected reference element based on the alignment image set, and to determine the orientation of the calibration plate based on the determined positions of the detected reference elements. The orientation of the calibration plate can also be determined step by step by evaluating each image of the alignment image set directly after recording, with the calculated orientation being checked and corrected with each additional image.
Der Ausrichtungsbildsatzes kann eines oder mehrere der folgenden Bilder umfassen oder daraus bestehen: (i) das erste Bild; (ii) ein (z B. das) dritte(s) Bild eines zweiten Abschnitts der in dem Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte, wobei sich der zweite Abschnitt von dem ersten Abschnitt unterscheidet; (iii) eine (z.B. die) Vielzahl von Bildern verschiedener Abschnitte der in dem Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte.The alignment image set may include or consist of one or more of the following images: (i) the first image; (ii) a (e.g., the) third image of a second portion of the calibration plate disposed in the build area, the second portion different from the first portion; (iii) a (e.g., the) plurality of images of various portions of the calibration plate disposed in the build area.
Der Prozessor dazu eingerichtet sein, die Kalibrierung durchzuführen (i) für verschiedene Laserstrahlen des Bestrahlungssystems, (ii) für verschiedene optische Scansysteme des Bestrahlungssystems, die jeweils dazu eingerichtet sind, einen anderen Laserstrahl zum Aufbaubereich zu führen, (iii) für verschiedene Größen des mit dem Laserstrahl auf der Kalibrierungsplatte bestrahlten Punktes, (iv) für verschiedene Formen des mit dem Laserstrahl auf der Kalibrierungsplatte bestrahlten Punktes, (v) für verschiedene Konfigurationen eines (z.B. des) Anpassungssystems des Bestrahlungssystems, wobei jede Konfiguration eine andere Größe und/oder Form des mit dem Laserstrahl bestrahlten Punktes ergibt, (vi) für verschiedene erste Abschnitte, und/oder (vii) für unterschiedliche Höhen einer im Aufbaubereich angeordneten und die Kalibrierungsplatte tragenden Bauplattform.The processor may be set up to carry out the calibration (i) for different laser beams of the irradiation system, (ii) for different optical scanning systems of the irradiation system, each of which is set up to guide a different laser beam to the build area, (iii) for different sizes of the with the point irradiated with the laser beam on the calibration plate, (iv) for different shapes of the point irradiated with the laser beam on the calibration plate, (v) for different configurations of an (e.g. the) adjustment system of the irradiation system, each configuration having a different size and/or shape of the point irradiated with the laser beam results in (vi) for different first sections, and / or (vii) for different heights of a construction platform arranged in the construction area and carrying the calibration plate.
Das Bestrahlungssystem kann eine (z.B. die) Vielzahl optischer Scansysteme umfassen, von denen jedes dazu eingerichtet ist, einen anderen der Laserstrahlen zum Aufbaubereich zu lenken. Der Prozessor kann dazu eingerichtet sein, beim Kalibrieren des Drucksystems zumindest eines der Vielzahl optischer Scansysteme zu kalibrieren.The irradiation system may include a plurality of optical scanning systems, each configured to direct a different one of the laser beams to the build area. The processor can be set up to calibrate at least one of the plurality of optical scanning systems when calibrating the printing system.
Der Prozessor kann dazu eingerichtet sein, die Schritte (c) bis (e) für mindestens einen weiteren Laserstrahl der Laserstrahlen, insbesondere jeden anderen der Laserstrahlen, durchzuführen und das Drucksystem basierend auf der erfassten Position des zumindest einen Teils im ersten Bild und der erfassten Positionen der jeweiligen Lichtpunkte in den zweiten Bildern zu kalibrieren.The processor can be set up to carry out steps (c) to (e) for at least one further laser beam of the laser beams, in particular each other of the laser beams, and to carry out the printing system based on the detected position of the at least one part in the first image and the detected positions to calibrate the respective light points in the second images.
Der Prozessor kann dazu eingerichtet sein, (c') das Bestrahlungssystem zu steuern, um mit zumindest einem (z.B. dem) weiteren Laserstrahl der Laserstrahlen, insbesondere mit jedem anderen der Laserstrahlen, einen (z.B. den) anderen Punkt auf dem ersten Abschnitt der in dem Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte zu bestrahlen. Der Prozessor kann dazu eingerichtet sein, in Schritt (d) das von dem Abbildungssystem aufgenommene zweite Bild des ersten Abschnitts der in dem Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte zu erhalten, wobei das zweite Bild den Lichtpunkt umfasst, der von dem einen der ein oder mehreren Laserstrahlen gebildet wird, der den Punkt auf dem ersten Abschnitt der in dem Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte, bestrahlt, wobei das zweite Bild ferner (z.B. den) zumindest einen weiteren Lichtpunkt umfasst, der von dem zumindest einen weiteren Laserstrahl gebildet wird, der den anderen Punkt auf dem ersten Abschnitt der in dem Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte bestrahlt. Der Prozessor kann so konfiguriert sein, dass er (e') eine Position des zumindest einen weiteren Lichtpunkts in dem zweiten Bild erfasst und das Drucksystem auf der Grundlage der erfassten Position des zumindest einen Teils in dem ersten Bild und der erfassten Positionen der Lichtpunkte in dem zweiten Bild kalibriert.The processor can be set up to (c') control the irradiation system in order to use at least one (for example the) further laser beam of the laser beams, in particular with each other of the laser beams, to reach a (for example the) other point on the first section of the laser beam in the To irradiate the calibration plate arranged in the construction area. The processor may be configured to obtain, in step (d), the second image captured by the imaging system of the first portion of the calibration plate disposed in the build region, the second image comprising the spot of light formed by the one of the one or more laser beams , which makes the point at first Section of the calibration plate arranged in the construction area is irradiated, wherein the second image further comprises (eg the) at least one further light point which is formed by the at least one further laser beam which irradiates the other point on the first section of the calibration plate arranged in the construction area . The processor may be configured to (e') detect a position of the at least one further light spot in the second image and the printing system based on the detected position of the at least one part in the first image and the detected positions of the light spots in the calibrated second image.
Das Bestrahlungssystem kann ein (z.B. das) Anpassungssystem mit einer Vielzahl von Konfigurationen umfassen, wobei jede Konfiguration eine andere Größe und/oder Form des mit dem Laserstrahl bestrahlten Punktes auf dem im Aufbaubereich angeordneten Kalibrierelement ergibt. Der Prozessor kann dazu eingerichtet sein, die Schritte (c) bis (e) für jede der mehreren Konfigurationen des Anpassungssystems durchzuführen und das Drucksystem auf der Grundlage der erfassten Position des zumindest einen Teils im ersten Bild und der erfassten Positionen der jeweiligen Lichtpunkte in den zweiten Bildern zu kalibrieren.The irradiation system may include an adjustment system with a variety of configurations, each configuration resulting in a different size and/or shape of the point irradiated with the laser beam on the calibration element arranged in the build region. The processor may be configured to perform steps (c) through (e) for each of the multiple configurations of the adjustment system and to control the printing system based on the detected position of the at least one part in the first image and the detected positions of the respective light spots in the second Calibrate images.
Der Prozessor kann dazu eingerichtet sein, die Schritte (a) bis (e) für jede einer (z.B. der) Vielzahl verschiedener erster Abschnitte durchzuführen und das Drucksystem basierend auf den erfassten Positionen des jeweiligen zumindest einen Teils in den ersten Bildern und der erfassten Position der jeweiligen Lichtpunkte in den zweiten Bildern zu kalibrieren.The processor can be set up to carry out steps (a) to (e) for each of (e.g. the) plurality of different first sections and to control the printing system based on the detected positions of the respective at least one part in the first images and the detected position of the to calibrate the respective light points in the second images.
Das Drucksystem kann eine (z.B. die) Bauplattform umfassen, die im Aufbaubereich angeordnet und dazu eingerichtet ist, die Kalibrierungsplatte zu tragen. In diesem Fall kann der Prozessor dazu eingerichtet sein, die Schritte (a) bis (e) für jede einer (z.B. der) Vielzahl von Höhen der Bauplattform durchzuführen, wenn diese die Kalibrierungsplatte trägt, und das Drucksystem auf der Grundlage der erfassten Positionen des jeweiligen zumindest einen Teils in den ersten Bildern und der erfassten Position der jeweiligen Lichtpunkte in den zweiten Bildern zu kalibrieren.The printing system may include a (e.g., the) build platform located in the build area and configured to support the calibration plate. In this case, the processor may be configured to perform steps (a) through (e) for each of (e.g., the) plurality of heights of the build platform as it supports the calibration plate, and the printing system based on the detected positions of the respective one to calibrate at least a part in the first images and the captured position of the respective light points in the second images.
Der Prozessor kann dazu eingerichtet sein, Korrekturdaten zu erhalten, welche (z.B. die) mit einem externen Messsystem gemessene(n) geometrische(n) Parameter der Kalibrierungsplatte anzeigen, und das Drucksystem basierend auf den Korrekturdaten zu kalibrieren.The processor may be configured to receive correction data indicating (e.g.) the geometric parameters of the calibration plate measured with an external measurement system, and to calibrate the printing system based on the correction data.
Der Prozessor kann dazu eingerichtet sein, eine Transformation zwischen (i) einem (z.B. dem) Koordinatensystem eines optischen Scansystems des Bestrahlungssystems, wobei das optische Scansystem dazu eingerichtet ist, den einen von dem einen oder den mehreren Laserstrahlen zum Aufbaubereich zu lenken, und (ii) einem (z.B. dem) Koordinatensystem des Abbildungssystems zu bestimmen. Der Prozessor kann dazu eingerichtet sein, das Drucksystem basierend auf der bestimmten Transformation zu kalibrieren.The processor may be configured to perform a transformation between (i) a (e.g., the) coordinate system of an optical scanning system of the irradiation system, the optical scanning system being configured to direct one of the one or more laser beams to the build area, and (ii ) to determine a (e.g. the) coordinate system of the imaging system. The processor may be configured to calibrate the printing system based on the determined transformation.
Das Drucksystem kann ferner eine (z.B. die) Beleuchtungseinheit umfassen, die dazu eingerichtet ist, zumindest den ersten Abschnitt der Kalibrierungsplatte zu beleuchten, wenn die Kalibrierungsplatte im Aufbaubereich angeordnet ist. Der Prozessor kann dazu eingerichtet sein, das Abbildungssystem zu steuern, das erste Bild aufzunehmen, während zumindest der erste Abschnitt der im Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte von der Beleuchtungseinheit beleuchtet wird, und/oder das Abbildungssystem zu steuern, das zweite Bild bzw. die zweiten Bilder aufzunehmen, während zumindest der erste Abschnitt der im Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte nicht von der Beleuchtungseinheit beleuchtet wird, und/oder das Abbildungssystem zu steuern, alle Bilder außer dem bzw. den zweiten Bild(ern) aufzunehmen, während zumindest der erste Abschnitt der im Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte von der Beleuchtungseinheit beleuchtet wird.The printing system may further comprise a (e.g. the) lighting unit that is configured to illuminate at least the first portion of the calibration plate when the calibration plate is arranged in the construction area. The processor can be configured to control the imaging system to capture the first image while at least the first portion of the calibration plate arranged in the setup area is illuminated by the illumination unit, and/or to control the imaging system to capture the second image or images , while at least the first section of the calibration plate arranged in the construction area is not illuminated by the lighting unit, and / or to control the imaging system to record all images except the second image (s) while at least the first section of the calibration plate arranged in the construction area is illuminated by the lighting unit.
Das Abbildungssystem kann so angeordnet sein, dass es zumindest das erste Bild und das zweite Bild über ein optisches Scansystem erfasst, das in dem Bestrahlungssystem enthalten ist, wobei das optische Scansystem dazu eingerichtet ist, zumindest einen der ein oder mehreren Laserstrahlen zum Aufbaubereich zu führen.The imaging system may be arranged to capture at least the first image and the second image via an optical scanning system included in the irradiation system, the optical scanning system configured to guide at least one of the one or more laser beams to the build area.
Das Drucksystem kann ferner die Kalibrierungsplatte umfassen, die optional im Druckbereich angeordnet sein kann.The printing system may further include the calibration plate, which may optionally be arranged in the printing area.
Es kann ein Computerprogrammprodukt bereitgestellt werden, das Anweisungen speichert, die, wenn sie vom Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor veranlassen, das hier beschriebene Verfahren auszuführen. Das Computerprogramm kann auf einem oder mehreren computerlesbaren Medien gespeichert sein oder durch einen Datenstrom übertragen werden.A computer program product may be provided that stores instructions that, when executed by the processor, cause the processor to perform the method described herein. The computer program may be stored on one or more computer-readable media or transmitted through a data stream.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen näher beschrieben, in denen
-
1 eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Werkstücks durch Bestrahlung von Rohmaterialpulverschichten mit Laserstrahlung zeigt; -
2 eine weitere Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Werkstücks durch Bestrahlung von Rohmaterialpulverschichten mit Laserstrahlung zeigt; -
3 zeigt ein Flussdiagramm eines Kalibrierungsverfahrens zeigt; -
4 zeigt eine Kalibrierungsplatte zeigt; -
5a-5 eine beispielhaftes erstes Bild der Kalibrierungsplatte darstellen; -
6a-6d ein beispielhaftes zweites Bild der Kalibrierungsplatte darstellen; -
7a-7f Details der Kalibrierungsplatte zeigen; -
8a-8b eine Methode zur Bestimmung einer Orientierung der Kalibrierungsplatte darstellen; -
9a-9b eine Methode zur Bestimmung einer Registrierung zwischen zwei Koordinatensystemen darstellen; -
10 zeigt ein detailliertes Flussdiagramm einer ersten Variante des Kalibrierungsverfahrens darstellt; und -
11 zeigt ein detailliertes Flussdiagramm einer zweiten Variante des Kalibrierungsverfahrens darstellt.
-
1 shows a device for producing a three-dimensional workpiece by irradiating raw material powder layers with laser radiation; -
2 shows a further device for producing a three-dimensional workpiece by irradiating raw material powder layers with laser radiation; -
3 shows a flowchart of a calibration procedure; -
4 shows a calibration plate; -
5a-5 depict an exemplary first image of the calibration plate; -
6a-6d depict an exemplary second image of the calibration plate; -
7a-7f Show details of calibration plate; -
8a-8b illustrate a method for determining an orientation of the calibration plate; -
9a-9b represent a method for determining registration between two coordinate systems; -
10 shows a detailed flowchart of a first variant of the calibration method; and -
11 shows a detailed flowchart of a second variant of the calibration method.
Die Vorrichtung 100 umfasst ferner ein Bestrahlungssystem 10 zur selektiven Bestrahlung der auf dem Träger 102 aufgebrachten Rohmaterial-Pulverschicht 11 mit Laserstrahlung. In der in
In der Prozesskammer 106 wird eine kontrollierte Gasatmosphäre, vorzugsweise eine Inertgasatmosphäre, hergestellt, indem der Prozesskammer 106 über einen Prozessgaseinlass 112 ein Schutzgas zugeführt wird. Nachdem das Gas durch die Prozesskammer 106 und über die auf den Träger 102 aufgebrachte Rohmaterial-Pulverschicht 11 geleitet wurde, wird es über einen Prozessgasauslass 114 aus der Prozesskammer 106 abgeleitet. Das Prozessgas kann vom Prozessgasauslass 114 zum Prozessgaseinlass 112 rezirkuliert und daraufhin gekühlt oder erwärmt werden.A controlled gas atmosphere, preferably an inert gas atmosphere, is produced in the
Während des Betriebs der Vorrichtung 100 zur Herstellung eines dreidimensionalen Werkstücks wird mittels der Pulverauftragsvorrichtung 104 eine Schicht aus Rohmaterialpulver auf den Träger 102 aufgetragen. Um die Rohmaterialpulverschicht 11 aufzutragen, wird die Pulverauftragsvorrichtung 104 unter der Kontrolle der Steuereinheit 18 über den Träger 102 bewegt. Anschließend wird, ebenfalls gesteuert durch die Steuereinheit 18, die Schicht aus Rohmaterialpulver selektiv mit Laserstrahlung entsprechend einer Geometrie einer entsprechenden Schicht des mittels der Bestrahlungsvorrichtung 10 herzustellenden Werkstücks 110 bestrahlt. Die Schritte des Auftragens einer Schicht aus Rohmaterialpulver auf den Träger 102 und des selektiven Bestrahlens der Schicht aus Rohmaterialpulver mit Laserstrahlung entsprechend einer Geometrie einer entsprechenden Schicht des herzustellenden Werkstücks 110 werden so lange wiederholt, bis das Werkstück 110 die gewünschte Form und Größe erreicht hat.During operation of the
Vor und/oder nach der Herstellung des dreidimensionalen Werkstücks kann das Drucksystem 100 kalibriert werden. Zu diesem Zweck kann eine Kalibrierungsplatte 116 auf der Bauplattform 102 angeordnet werden. Die Bauplattform 102 kann so positioniert werden, dass eine obere Fläche der Kalibrierungsplatte 116 in einer Ebene liegt, die der Oberfläche der Pulverschicht während der Herstellung eines Werkstücks entspricht. Die Kalibrierungsplatte 116 ist so geformt und dimensioniert, dass sie in dem durch die Innenwandflächen des Zylinders 108 definierten Aufbaubereich positioniert werden kann. Das Drucksystem 100 umfasst ein Abbildungssystem 118, das dazu eingerichtet ist, ein Bild von mindestens einem ersten Abschnitt der Kalibrierungsplatte 116 zu erfassen, wenn die Kalibrierungsplatte 116 in dem Aufbaubereich angeordnet ist.The
Im Beispiel von
Das Drucksystem 100 umfasst ferner eine Beleuchtungseinheit 126 mit einem Set lichtemittierender Elemente 128a, 128b, die dazu eingerichtet sind, Licht mit einem vordefinierten Spektrum zu emittieren, so dass die Kalibrierungsplatte 116 beleuchtet wird. Das vordefinierte Spektrum kann in Übereinstimmung mit einer Sensitivität des Abbildungssystems 118 gewählt werden oder umgekehrt. Mit anderen Worten, die Beleuchtungseinheit 126 kann so konfiguriert sein, dass sie eine Beleuchtung für eine Bilderfassung der Kalibrierungsplatte 116 durch die Abbildungseinheit 118 bereitstellt. Das Abbildungssystems 118 kann unempfindlich gegenüber einfallendem Licht mit einer Wellenlänge sein, die einer Wellenlänge der Laserstrahlquelle(n) 12a, 12b entspricht. Zum Beispiel kann das Abbildungssystem 118 so konfiguriert sein, dass es ein Bild mit für das menschliche Auge sichtbarem Licht aufnimmt, und die Laserlichtquellen 14a, 14b können so konfiguriert sein, dass sie infrarotes Laserlicht aussenden. Eine solche Konfiguration kann die Kamera 120 vor reflektiertem Laserlicht mit hoher Intensität schützen.The
In einem Schritt (b) wird eine Position des zumindest einen Teils im ersten Bild erfasst, zum Beispiel mit Hilfe von Merkmalserkennungsverfahren. Die Beleuchtung der Kalibrierungsplatte 116 während der Aufnahme des ersten Bildes kann ein Bild ergeben, in dem ein hoher optischer Kontrast zwischen dem Kalibriermarker und den übrigen Teilen der Kalibrierungsplatte 116 besteht. Dies kann die Genauigkeit der erfassten Position des zumindest einen Teils des Kalibriermarkers verbessern.In a step (b), a position of the at least one part in the first image is recorded, for example using feature recognition methods. The illumination of the
In Schritt (c) wird das Bestrahlungssystem 10 des Drucksystems 100 so gesteuert, dass es mit einem der Laserstrahlen einen Punkt auf dem ersten Abschnitt der in dem Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte 116 bestrahlt. Gleichzeitig kann die Beleuchtungseinheit 126 deaktiviert werden, so dass die Kalibrierungsplatte 116 nur mit Licht von der Laserquelle 12a oder 12b bestrahlt wird.In step (c), the
In Schritt (d) wird ein zweites Bild des ersten Abschnitts der im Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte 116 durch das Abbildungssystem 118 aufgenommen, wobei das zweite Bild einen Lichtpunkt umfasst, der durch den einen oder die Laserstrahlen gebildet wird, die den Punkt auf dem ersten Abschnitt der in dem Aufbaubereich angeordneten Kalibrierungsplatte 116 bestrahlen. Der Lichtpunkt kann im zweiten Bild aufgrund der Deaktivierung der Beleuchtungseinheit während der Erfassung des zweiten Bildes gut sichtbar sein.In step (d), a second image of the first portion of the
In Schritt (e) wird die Position des Lichtpunkts im zweiten Bild erfasst. Die Genauigkeit der erfassten Position kann verbessert werden, wenn ein zweites Bild verwendet wird, das während einer Aus-Periode der Beleuchtungseinheit 126 aufgenommen wurde.In step (e), the position of the light spot in the second image is captured. The accuracy of the detected position can be improved if a second image captured during an off period of the
In Schritt (f) wird das Drucksystem 100, insbesondere das optische Scansystem 16a oder 16b, das den Laserstrahl zu dem Punkt auf dem ersten Abschnitt der Kalibrierungsplatte 116 geführt hat, auf der Grundlage der erfassten Position des zumindest einen Teils im ersten Bild und der erfassten Position des Lichtpunkts im zweiten Bild kalibriert. Die Verwendung separater Bilder kann die jeweils erfassten Positionen verbessern und somit eine genauere Kalibrierung ermöglichen. Die Kalibrierung des/der optischen Scansysteme(s) 16a, 16b kann die Anpassung eines Koordinatensystems des jeweiligen optischen Scansystems umfassen, beispielsweise relativ zu einem zweiten Koordinatensystem, wie einem Koordinatensystem des Abbildungssystems 118 oder einem zentralen Koordinatensystem des Drucksystems 100. Druckdaten (z.B. Bestrahlungsanweisungen), die vom Drucksystem 100 zur Erzeugung eines dreidimensionalen Objekts verwendet werden, können in Bezug auf das zentrale Koordinatensystem definiert sein. Durch die Kalibrierung des/der optischen Scansysteme(s) 16a, 16b entsprechen alle anschließend bestrahlten Positionen den beabsichtigten Positionen, die (z.B. auf der Grundlage der Druckdaten) bestrahlt werden sollen.In step (f), the
Da die Kalibriermarker 130 ein höheres optisches Reflexionsvermögen haben (z.B. mehr als das 2-, 5-, 10- oder 100-fache) als die umgebenden Teile der Kalibrierungsplatte 116, kann der zumindest eine Teil des mindestens einen Kalibriermarkers 130 im ersten Bild leicht erkannt werden, insbesondere wenn die Beleuchtungseinheit 126 die Kalibrierungsplatte 116 während der Aufnahme des ersten Bildes beleuchtet. Kreisförmige Kalibriermarker sind im Vergleich zu komplexeren geometrischen Formen leichter im ersten Bild zu erkennen. Ein Mittelpunkt eines kreisförmigen Kalibriermarkers 130 kann basierend auf dem ersten Bild erfasst oder bestimmt werden, selbst wenn nur ein Teil des kreisförmigen Kalibriermarkers 130 im ersten Bild sichtbar ist.Because the
Die
Ein Mittelpunkt 138 des kreisförmigen Umrisses 136 kann dann als Position des Kalibriermarkers 130 im FCS bestimmt werden, wie in
Die
Die Position des Lichtpunkts 142 kann im FCS bestimmt werden (siehe
Ein Offset zwischen der Position des im ersten Bild 133 erfassten Kalibriermarkers 130, z.B. dem Mittelpunkt 138 des Kalibriermarkers 130 im FCS, und der Position des im zweiten Bild 140, z.B. im FCS, erfassten Lichtpunkts 142 kann bestimmt werden, wie in den
Der bzw. die Offset(s) kann bzw. können dann zur Kalibrierung des Scansystems 16a oder 16b verwendet werden, mit dem der Punkt auf der Kalibrierungsplatte 116 während der Aufnahme des zweiten Bildes 140 bestrahlt wurde. Anders ausgedrückt: Die erfasste Position 138 kann mit der erfassten Position des Lichtpunkts 142 verglichen werden, um das Drucksystem 100, insbesondere das optische Scansystem 16a, 16b des Bestrahlungssystems 10, zu kalibrieren, das bei der Aufnahme des zweiten Bildes 140 zur Bestrahlung des Lichtpunkts auf der Kalibrierungsplatte 116 verwendet wurde. Die Kalibrierung kann die Korrektur jeder künftigen Position, die vom Laserstrahl über das kalibrierte Scansystem 16a, 16b bestrahlt werden soll, durch den Offset bzw. durch die Offsets umfassen.The offset(s) can then be used to calibrate the
Eine Orientierung der Kalibrierungsplatte 116 kann auf der Grundlage eines Ausrichtungsbildsatzes bestimmt werden, der ein oder mehrere von der Kamera 120 aufgenommene Bilder umfasst. Die Kalibrierung kann dann auch auf der Grundlage der Orientierung der Kalibrierungsplatte 116 durchgeführt werden, insbesondere auf der Grundlage einer Transformation zwischen dem FCS und dem PCS. Im Folgenden werden zwei Hauptvarianten für die Bestimmung der Orientierung der Kalibrierungsplatte 116 relativ zum FCS beschrieben, eine erste Variante unter Bezugnahme auf die
Die
Im Beispiel von
Im Beispiel von
In dem Beispiel von
Im Beispiel von
Im Beispiel von
Im Beispiel von
Die
Die Kalibrierung kann ferner auf der Grundlage einer Transformation zwischen den Koordinatensystemen FCS und SCS durchgeführt werden. Die
Bei dem Verfahren nach
Bei dem Verfahren nach
Die MCF beschreibt geometrische Parameter der Kalibrierungsplatte 116, die mit einem externen Messsystem gemessen wurden. Beispielsweise kann die MCF Abweichungen zwischen den theoretischen geometrischen Eigenschaften der Kalibrierungsplatte 116 (z.B. den Positionen der Kalibriermarker 130, der geometrischen Elemente 144 und anderer Merkmale der Kalibrierungsplatte 116) und den tatsächlichen geometrischen Eigenschaften der Kalibrierungsplatte 116, wie sie mit dem externen Messsystem gemessen wurden, beschreiben. Die MCF 116 kann somit als „Goldstandard“ für die Positionen der jeweiligen Marken, Elemente und Merkmale der Kalibrierungsplatte 116 betrachtet werden (z.B. in Bezug auf das PCS, welches durch einen oder mehrere Referenzpunkte oder Positionsmarker auf der Kalibrierungsplatte 116 definiert ist).The MCF describes geometric parameters of the
Die Vergrößerungs-Offset-Daten jedes Scanners entsprechen den Kalibrierungsparametern, die zur Kalibrierung des jeweiligen Scanners für verschiedene Konfigurationen des Anpassungssystems des jeweiligen Scanners verwendet werden. Im Beispiel von
Wie aus
Das Verfahren kann nach Durchführung der Kalibrierung wiederholt werden, wobei in Schritt (f) eine Differenz zwischen den erfassten Positionen mit einem vordefinierten Offset-Schwellenwert verglichen werden kann, um zu überprüfen, ob die zuvor durchgeführte Kalibrierung ausreichend war oder nicht. Je nach dem Ergebnis des Vergleichs mit dem Offset-Schwellenwert kann eine weitere Kalibrierung wie hier beschrieben durchgeführt werden. Sobald die Validierung ergibt, dass die Differenz zwischen den erfassten Positionen geringer ist als der vordefinierte Offset-Schwellenwert, kann ein dreidimensionales Werkstück hergestellt werden, vorzugsweise nachdem die Kalibrierungsplatte 116 von der Bauplattform 102 entfernt wurde. Das so hergestellte dreidimensionale Werkstück kann geringere Fertigungstoleranzen, eine höhere Steifigkeit und andere vorteilhafte physikalische Eigenschaften im Vergleich zu einem Werkstück aufweisen, das mit dem Drucksystem 100 hergestellt wurde, bevor die Kalibrierung durchgeführt wurde.The method can be repeated after the calibration has been carried out, wherein in step (f) a difference between the detected positions can be compared with a predefined offset threshold in order to check whether the previously carried out calibration was sufficient or not. Depending on the result of the comparison with the offset threshold, further calibration can be performed as described here. Once validation shows that the difference between the detected positions is less than the predefined offset threshold, a three-dimensional workpiece can be produced, preferably after the
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- WO 2019/141381 A1 [0003]WO 2019/141381 A1 [0003]
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| US20220250328A1 (en) | 2019-07-26 | 2022-08-11 | Velo3D, Inc. | Quality assurance in formation of three-dimensional objects |
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2022
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