CN102105291B - 校准辐照装置的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种对生产地制作三维物体的设备的辐照装置进行校准的方法和装置。校准步骤包括：将图像转换板(12)布置在设备的工作面之中或者平行于工作面，其中当辐照装置使用含能辐射照射图像转换板(12)的预定位置时，图像转换板(12)发出可测光(13)；通过辐照装置扫描图像转换板(12)；通过光探测器(15)检测可测光(13)；当检测到可测光(13)时，确定辐照装置的坐标；将所确定的坐标与预先设定的参考坐标进行比较；根据所确定的坐标与参考坐标之间的偏差校准辐照装置。

Description

校准辐照装置的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种对生产地制作三维物体的设备的辐照装置进行校准的方法和装置。
背景技术
EP-1 048 441 A1描述了一种对生产地制作三维物体的设备的辐照装置进行校准的方法，其中所述设备将粉末状的构造材料一层一层地涂覆到设备的支架上，或者涂覆到之前已涂覆的层上，其中已涂覆的层定义工作面，然后通过辐照装置利用含能(Energiehaltig)辐射在对应于物体的位置照射构造材料，从而硬化在该位置的构造材料。支架定义相对于装置而言固定的机器坐标系。当进行校准时，在支架上准备可以检测的参考特征，据此算出机器坐标系。在机器坐标系中含能辐射相对于预先设定的给定位置发生偏转，而含能辐射入射点的实际位置与给定位置的偏差利用参考特征进行检测，然后根据该偏差校准辐照装置。这里可使用光敏介质(例如热塑性薄膜)和扫描器来测定入射点的实际位置。
EP-0 792 481 B1和WO 94/15265分别描述了一种同样也使用光敏介质的校准方法。US-5,123,734A描述了一种立体光刻设备的校准方法，其中使用多个传感器进行校准。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种对生产地制作三维物体的设备的辐照装置进行校准的方法和装置，能够全自动、成本更低并且更加精确地进行校准。
采用一种对生产地制作三维物体的设备的辐照装置进行校准的方法，并且采用一种相应的装置，即可解决该任务。在本发明的对用于生产地制作三维物体的设备的辐照装置进行校准的方法中，所述设备将粉末状或液态的构造材料一层一层地涂覆到所述设备的支架上或者涂覆到之前已涂覆的层上，其中已涂覆的层限定工作面，由所述辐照装置利用激光在对应于所述物体的位置照射所述构造材料，以便硬化在这些位置的构造材料，其中所述方法包括以下步骤：将图像转换板布置在工作面中或者平行于该工作面，其中，当辐照装置利用激光照射图像转换板的预定位置时，图像转换板发出能检测的光，由辐照装置对图像转换板进行扫描；由光探测器检测所述能检测的光；当检测到能检测的光时，确定辐照装置的坐标；将所确定的坐标与预先设定的参考坐标进行比较；以及根据所确定的坐标和所述参考坐标之间的偏差对辐照装置进行校准，其中图像转换板将CO2激光或固态激光转变成可见光或者近红外光。根据本发明实施方式的装置包括：能够布置在工作面中或者与该工作面平行的图像转换板，其中当辐照装置利用激光照射所述图像转换板的预定位置时，所述图像转换板发出能检测的光；对所述图像转换板发出的能检测的光进行检测的光探测器；以及分析装置，当检测到所述能检测的光时，所述分析装置确定辐照装置的坐标，将所确定的坐标与预先设定的参考坐标进行比校，并且基于所确定的坐标与所述参考坐标之间的偏差，对所述辐照装置进行校准，其中图像转换板将CO2激光或固态激光转变成可见光或者近红外光。
以有益的方式，可以在整个工作面范围上进行全自动校准，此外既不需要光敏介质，也不需要扫描器，即可在设备之内执行全部校准操作。使用将激光转变成可测光的图像转换板，成本特别低廉，这是因为不需要使用具有很多传感器的装置。
附图说明
结合附图，通过对实施例的描述可以了解本发明的其它特征和适用性。其中：
图1示出一种制作三维物体的装置的示意图；
图2示出根据本发明的一种实施例对辐照装置进行校准的一种方法和装置的示意图；以及
图3根据本发明的实施例的一种图像转换板的示意图。
具体实施方式
图1所示为制作三维物体3的设备的示意图，在本实施例中该设备被构造为激光烧结设备。
激光烧结设备具有一个向上开口的框架1，其中有一个可以在垂直方向运动的支架5，用来支撑将要制作的三维物体3。支架5定义激光烧结设备的构造平面。框架1和支架5在内部定义构造空间。或者框架1和支架5可以构造一个可以更换的、能够从激光烧结设备中将其取出的更换框架。支架5与升降机构4相连，该升降机构在垂直方向移动支架，使得物体3相应的待硬化层处在工作面6之中。
此外设置用来涂覆粉末状构造材料11的层的涂覆器10。所有能够激光烧结的粉末都可以被用作粉末状构造材料11，例如可以激光烧结的塑料，如聚酰胺、聚苯乙烯，尤其是高温塑料，如聚醚醚酮(PEEK)，金属，陶瓷，型砂以及复合材料。可以使用任意金属及其合金以及含金属成分或者含非金属成分的混合物作为含金属的粉末状构造材料11。首先从涂覆器10的储料器中将粉末状构造材料11输送给框架1，然后使涂覆器10在框架1的上边缘2之上以预先规定的高度在工作面6中运动，使得粉末状构造材料11的层以定义的高度位于最后硬化的层之上。激光烧结设备还具有一个产生含能辐射8′的辐射源7。在本实施例中，辐射源7是激光器7。激光器7产生激光束8、8′形式的含能辐射8、8′，通过偏转装置9将激光束聚焦到工作面6中的任意点。偏转装置9是可以转动的反光镜，通过调整装置-例如步进电机-可以至少围绕两个轴线转动该反光镜，从而可以扫描整个工作面6。这样激光束8、8′就能在对应于待制作物体3横断面的所需位置，有选择地硬化粉末状构造材料11。激光器7和偏转装置9一起构成辐照装置。根据待硬化的构造材料的不同，可以使用CO2激光器、固体激活器-例如Nd:YAG激光器-作为激光器。
框架1、支架5、升降机构4和涂覆器10均布置在工艺室100之中。工艺室100的上部区域具有用于引入激光束8、8′的开口。此外设置控制单元40，通过该控制单元协调地控制激光烧结设备以执行构造过程和校准方法。
当激光烧结设备工作时，第一步首先通过升降机构4将支架5向下移动，直至其顶边位于工作面6下方一个层厚的位置。然后利用涂覆器10将第一层粉末状构造材料11涂覆到支架5上并且将其整平。接着控制单元40控制偏转装置9，使得偏转后的激光束8、8′有选择地射向需要硬化的粉末状构造材料11的涂层位置。这样就能在这些位置将粉末状构造材料11硬化或烧结，从而在这里形成三维物体3。
下一步通过升降机构4使支架5下降下一层的厚度。利用涂覆器10涂覆第二层粉末状构造材料11，并将其整平，然后利用激光束8、8′有选择地将其硬化。反复执行这些步骤，直至制作出所需的物体3。
图2所示为根据本发明一个实施例对激光烧结设备的辐照装置7、9进行校准的方法和装置的示意图；图3所示为根据本发明一个实施例的图像转换板12的示意图。
所述装置具有图像转换板12，该图像转换板布置在工作面6之中或者与其平行，当辐照装置7、9利用含能辐射8′照射图像转换板12的预定位置时，就会发出可测光13。图像转换板12优选由基底18-例如玻璃基底18构成。在玻璃基底18的上表面涂覆图像转换材料19，例如薄薄一层SiO2。薄层SiO2能够将CO2激光8′几乎完全转变成可见光或近红外光作为可测光13。也可以使用Nd:YAG激光器和光纤激光器作为激光器7。布置于图像转换材料19下面的基底18可以透过可测光13。图像转换板12并非局限于这种实施方式，因为它也可以由其它材料构成。图像转换板12在其上表面优选设有孔眼掩模16，其中的孔17的位置对应于图像转换板12的预定位置。优选地，这些孔17分布在整个图像转换板12内，这样就可以在整个工作面6内校准辐照装置7、9。本实施例中孔眼掩模16被设计为在其中钻出了若干孔17的平板，例如钢板。平板形式的孔眼掩模16还能对玻璃基底18起到机械加固的作用。孔17优选指向含能辐射8′的入射方向。图3中所示的孔眼掩模16、玻璃基底18和图像转换材料19的厚度并非真实比例，而仅是作为示意性的展示。
所述装置还具有检测图像转换板12发出的可测光13的光探测器15，。由于在这种情况下可测光13是可见光，因此可以将光探测器15设计成CCD芯片的形式。在图像转换板12和光探测器15之间设置光学聚焦装置14，将可测光13聚焦到光探测器15。优选地，将图像转换板12、光探测器15和光学聚焦装置1构造成一个单元，例如通过设置框架可外壳，将图像转换板12、光探测器15和光学聚焦装置14整体安置于其中。
光探测器15与分析装置40相连，该分析装置在所示的实施例中整合在控制单元40之中。分析装置40也与偏转装置9相连，接收用于调整偏转装置9的反光镜的执行电机的角度坐标，这些坐标反映反光镜的实际位置或方向。
本装置的运行方式如下：
第一步首先将光探测器15和光学聚焦装置14布置在工作面6下方的设备构造空间之中。例如可以将光探测器15和光学聚焦装置14布置在之前已经移动到所需高度的支架5上。接着在工作面6中或者平行于工作面将图像转换板12放入到设备之中。可以使用图中没有绘出的定位装置-例如定位销或者夹紧装置-来调整图像转换板12在设备中的准确位置和高度。如果图像转换板12、光探测器15和光学聚焦装置14被构造成一个单元，就可以在一个步骤中布置这些元件12、14、15。优选地，可以通过例如设备的加热装置对图像转换板12进行加热，使其温度例如大约为150℃，该温度下可以预期实现比较好的图像转换效果。
下一步通过辐照装置7、9对图像转换板12进行扫描。一旦激光束8′掠过孔眼掩模16中的孔17，激光束8′就会射向涂布在玻璃基底18上表面的SiO2层，并且被转变为可见光13。可见光13穿透玻璃基底18然后透过光学聚焦装置14，并被聚焦到光探测器15上。
光探测器15检测可测光13，并且将检测到的可测光13的相应强度信号发送给分析装置40。
当激光束8′掠过孔眼掩模16中的孔17时，分析装置40识别所检测的可测光13强度信号的上升沿和下降沿。分析装置40可以根据上升沿和下降沿推导出激光束8′何时刚好掠过孔17的中心，以及此时利用什么实际坐标对偏转装置9进行了控制。分析装置40从辐照装置7、9获得偏转装置9的反光镜的实际坐标，并且据此确定激光束8′精确地掠过孔17中心时的实际坐标。
此外在分析装置40中还保存了例如对应于相应孔17的中心的参考坐标。这些参考坐标均为已知，因为图像转换板12被布置在设备中的固定位置之中，并且图像转换板12内的孔17的位置同样均为已知。
下一步分析装置40将所测定的实际坐标与预先设定的参考坐标进行比较。根据所测定的实际坐标与参考坐标之间的偏差，分析装置40对辐照装置7、9进行校准，例如按照现有技术条件下充分公知的方式和方法进行校准。例如根据修正表对用于调整偏转装置9的反光镜的执行电机的调节变量进行修正。孔17的直径越小并且图像转换板12的厚度越小，则校准精度越大。
激光束8′自动扫描整个图像转换板12，分析装置40随后进行校准，这样就能全自动地校准辐照装置7、9。
保护范围并不限于所示的实施例，而是也包括其它变更和变型方案，只要这些变更和变型方案不脱离所附权利要求定义的范围。
辐照装置7、9并非一定要扫描整个图像转换板12，因为只是局部地扫描图像转换板12，可能也就足够了。
所示实施例中的图像转换板12具有孔眼掩模16，而图像转换板12的一种变型方案则可以具有能透过辐射的玻璃基底18，在该基底上仅在图像转换板12的预定位置处涂覆图像转换材料19。在这种情况下，可以省略孔眼掩模16。
所示实施例中的孔眼掩模16被设计为钢板，也可以采用涂层方法将孔眼掩模16涂覆到玻璃基底18上。
所示实施例中的光探测器15是CCD芯片，也可取而代之使用光电二极管、摄像机或者锗或硅基探测器。在所示实施例中仅使用一个光探测器15，而在一种变型方案中也可以使用多个光探测器15。
所示实施例中的分析装置整合在控制单元40之中，也可以独立于控制单元40并且也独立于设备本身来设置分析装置。
可以在激光烧结设备之内或者之外校准辐照装置。
根据本发明的方法并非只能用于激光烧结，而是也可应用于所有使用通过含能辐射将其硬化的粉末状或液态材料的生产方法。含能辐射并非一定是激光束8′，例如也可以是电子束。

Claims (10)

1.一种对用于生产地制作三维物体(3)的设备的辐照装置(7，9)进行校准的方法，其中所述设备将粉末状或液态的构造材料(11)一层一层地涂覆到所述设备的支架(5)上或者涂覆到之前已涂覆的层上，其中已涂覆的层限定工作面(6)，由所述辐照装置(7，9)利用激光(8′)在对应于所述物体的位置照射所述构造材料(11)，以便硬化在这些位置的构造材料(11)，其中所述方法包括以下步骤：
将图像转换板(12)布置在工作面(6)中或者平行于该工作面，其中，当辐照装置(7，9)利用激光(8′)照射图像转换板(12)的预定位置时，图像转换板(12)发出可测光(13)，
由辐照装置(7，9)对图像转换板(12)进行扫描；
由光探测器(15)检测所述可测光(13)；
当检测到可测光(13)时，确定辐照装置(7，9)的坐标；
将所确定的坐标与预先设定的参考坐标进行比较；以及
根据所确定的坐标和所述参考坐标之间的偏差对辐照装置(7，9)进行校准，其中图像转换板(12)将CO2激光(8′)或固体激光(8′)转变成可见光或者近红外光。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，图像转换板(12)具有基底(18)和孔眼掩模(16)，其中图像转换材料(19)设置在该基底(18)上，孔(17)对应于图像转换板(12)的所述预定位置地位于所述孔眼掩模(16)中，其中所述可测光(13)能穿透所述基底(18)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述孔(17)对准所述激光(8′)的入射方向。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述图像转换板具有基底，在该基底上仅在图像转换板的所述预定位置处涂覆图像转换材料，其中可测光能穿透所述基底。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中光探测器(15)被布置在图像转换板(12)的下方。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，所述光探测器(15)是CCD芯片、光电二极管或者摄像机。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中将所述可测光(13)聚焦到光探测器(15)的光学聚焦装置(14)被布置在图像转换板(12)和光探测器(15)之间。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述辐照装置(7，9)具有辐射源(7)和将所述辐射源(7)发射的激光(8′)偏转到工作面(6)内任意位置的偏转装置(9)，并且所述偏转装置(9)基于所确定的坐标和参考坐标之间的偏差而被校准。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中固体激光(8’)是Nd：YAG激光器的激光或光纤激光器的激光。
10.一种用于执行上述权利要求中任一项所述方法的装置，包括：
能够布置在工作面(6)中或者与该工作面平行的图像转换板(12)，其中当辐照装置(7，9)利用激光(8′)照射所述图像转换板(12)的预定位置时，所述图像转换板(12)发出可测光(13)；
对所述图像转换板(12)发出的可测光(13)进行检测的光探测器(15)；以及
分析装置(40)，当检测到所述可测光(13)时，所述分析装置确定辐照装置(7，9)的坐标，将所确定的坐标与预先设定的参考坐标进行比较，并且基于所确定的坐标与所述参考坐标之间的偏差，对所述辐照装置(7，9)进行校准，其中图像转换板(12)将CO2激光(8′)或固体激光(8′)转变成可见光或者近红外光。
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