本发明涉及一种校准系统和一种方法以及校准辅助件用于校准能量束的用途。
背景技术：
1、增材制造工艺在原型的生产中并且同时在批量制造中变得越来越重要。一般而言，“增材制造工艺”可以被理解为这样的制造工艺，即：其中通常基于数字3d设计数据通过积聚材料来构造制造产品或构件。构造过程通常通过逐层施加构造材料且选择性固化来完成。作为增材制造的同义词，经常使用术语“3d打印”，用增材制造工艺生产模型、样品和原型经常被称为“快速原型”，模具生产称为“快速模具”，系列产品的生产称为“直接制造”。
2、构造材料的选择性固化通常通过以下方式来实现，即：重复地以叠置的方式施加通常为粉末状的构造材料的薄层并且借助于能量束(例如借助于光和/或热和/或粒子辐射)在制造完成后应属于要生产的制造产品的部位进行空间限制的照射。利用辐照进行加工的方法的示例有“激光粉末床熔融”或“选择性激光熔化”。在固化过程中，构造材料的粉末颗粒借助于由辐射在这些部位局部引入的能量部分或完全地熔化。在冷却后，这些粉末颗粒随后以固体的形式彼此连接。
3、在这样的生产过程中，通常需要将工艺气体引导通过加工腔，以(尤其使用风机)实现惰性化、冷却或排放目的。这意味着：增材制造过程在工艺气体气氛下进行，该工艺气体气氛的特性在必要时明显不同于正常的环境气氛。例如，工艺气体气氛可以具有比正常环境气氛更低的湿度含量。
4、有时需要校准能量束，以便尽可能最佳地调整用于制造的能量束的特性。为此，将测量仪器引入光束路径中，该测量仪器检测能量束的某些射束特性的测量值。为了为校准提供尽可能与增材制造相同的气氛，目前通常为整个加工腔填满工艺气体来进行校准。这尤其耗费时间，因为必须执行多个校准步骤和/或必须将加工腔首先恢复正常的环境气氛来安全地打开。
技术实现思路
1、本发明的目的在于，对增材制造装置的能量束的校准进行简化。
2、该目的通过根据权利要求1的校准系统、根据权利要求13的用于校准能量束的方法以及根据权利要求15的校准辅助件校准能量束的用途来实现。
3、开篇所提及的用于增材制造装置的能量束的校准系统包括增材制造装置，该增材制造装置具有用于能量束的射束入口。该校准系统还包括：用于提供适用于校准的气体的气体供应源；用于检测能量束的射束特性的测量单元；以及具有空腔和用于将气体引入空腔的流入开口的校准辅助件。在此，校准辅助件布置在增材制造装置中，使得能量束从射束入口直到测量单元被空腔包围，并且将气体送入空腔中，以进行校准。
4、能量束原则上是适用于选择性熔化或烧结用于增材制造的对应材料的任何能量束。例如，能量束借助于激光器、优选借助于co激光器来产生。例如，其还可以是co2激光、二极管激光、尤其是具有4至7μm波长的二极管激光、nd:yag激光、电子束等。
5、在运行过程中，能量束经由(至少一个)射束入口进入增材制造装置的加工腔或安装空间。射束入口可以以简单的方式设计为加工腔的开口或通孔。然而，为了使待填充工艺气体的区域的体积保持得较小，加工腔优选以气密的方式与增材制造装置的其他区域(如用于调整能量束的光学元件的光学腔)分离开。因此，射束入口例如设计为对于能量束透明的耦入窗口。
6、适用于校准的气体根据能量束、即根据能量束的类型来选择。其具有与工艺气体至少相似的光学特性。优选地，在co激光作为能量束的情况下，干燥空气或氮气适合作为校准气体。例如，借助于气瓶、借助于单独的内部气体供应源或优选借助于增材制造装置的气体供应源来提供气体。
7、校准辅助件的空腔被中空体包围。在此，中空体可以大体上由校准辅助件的对应元件形成。替代性地，中空体通过校准辅助件的元件与增材制造装置的元件(如加工腔的壁部和/或耦入窗口或射束入口)的相互作用来形成。因此，在按照预期的运行过程中，能量束同样从射束入口直到测量单元或测量仪器被围封。这意味着：能量束的射束路径或光束路径在加工腔内很大程度上被射束入口、校准辅助件和测量仪器包封。该射束路径或光束路径延伸穿过校准辅助件的空腔。因此，射束路径在校准系统中与环境气氛屏蔽开，环境气氛可能具有妨碍精确校准的特性。这改善了校准的可重复性。
8、为了校准，将气体经由流入开口送入或引入校准辅助件的空腔中。为此目的，流入开口例如借助于软管或类似物与气体供应源流体连接。
9、测量单元根据能量束的要检测的射束特性来设计。当例如借助于测量单元测量或检测能量束的功率作为射束特性时，测量单元设计为功率计。测量单元与校准辅助件相邻布置或优选紧固在其上，使得能量束射中测量单元的测量区域。
10、因此，校准辅助件优选是可容易地从增材制造装置分离的或从加工腔中取出的附加单元，该附加单元仅为了校准能量束目的而被引入加工腔。
11、相对应地，开篇提到的、用于校准(包括射束入口的)增材制造装置的能量束的方法至少具有以下步骤:在一步骤中提供校准辅助件，校准辅助件包括空腔和用于引入适用于校准的气体的流入开口。在进一步的步骤中，将校准辅助件引入增材制造装置，使得能量束在很大程度上从射束入口直到测量单元被空腔包围。在进一步的步骤中，使气体流过校准辅助件的空腔。在此期间，在后续步骤中执行射束路径的校准。在此，测量单元检测能量束的射束特性。
12、因此，该方法大体上包括上述校准系统的功能设计特征。在已经执行校准之后，将校准辅助件和测量单元优选从加工腔中除去，以便能够借助于增材制造装置来执行增材制造过程。
13、如开篇所提及，根据本发明的校准辅助件用于校准增材制造装置的能量束。在此，将校准辅助件及其空腔引入增材制造装置，使得能量束从射束入口直到测量单元被包围在空腔中。在校准射束路径期间，使适用于校准的气体流过校准辅助件的空腔并借助于测量单元检测能量束的射束特性。
14、因此，与填满整个加工腔相比，根据本发明在增材制造装置的加工腔中使用校准辅助件有利地减小了如下体积，即为了校准能量束而所使用的、适用于校准的气体所必须流过或填满的体积。这尤其减少了校准所需的时间。如果在对能量束进行新的适配调节后需要进行多个校准步骤并因此需要进行多次填满，则情况尤其如此。
15、本发明的其他特别有利的设计方案和改进方案由从属权利要求和下文的描述得出，其中一类权利要求的独立权利要求也可以类似于另一类权利要求的从属权利要求和实施例得到改进，并且尤其，不同实施例或变体的各个特征也可以组合成新的实施例或变体。
16、适用于校准的气体在下文中称为“气体”。优选地，气体被引到空腔中，使得在校准期间在空腔中相对湿度保持在5％以下、特别优选4％以下、非常优选3％以下。如开篇所描述，相对湿度例如与co激光或波长为4至7μm的二极管激光的射束特性相关。由于增材制造过程中的相对湿度类似于优选的湿度值是较低的，因此在这些条件下校准能量束也是有利的。优选地，校准期间的气体温度为至少10℃和/或至多50℃。
17、相比之下，在流过空腔期间，在增材制造装置的加工腔的其余体积中，占主导的典型相对环境湿度平均优选大于3％、进一步优选大于5％、还更优选大于10％、尤其优选大于20％。
18、在此，校准系统的空腔，即射束入口、校准辅助件与测量仪器之间的体积不必气密密封。优选地，例如在这些各个元件之间的连接部位处具有气体可借以流出的较小间隙尺寸。由此，有利地，尤其在用气体第一次填充空腔期间，将环境气氛中的气体成分从空腔中排出。
19、优选地，借助增材制造装置的气体供应源提供气体。这是有利的，因为直接使用了与制造过程相同的气体，并且因此与工艺气体气氛大体上相同的光学条件占主导。
20、空腔中的气体引入优选经由加工腔中的单独接口或入口来完成。这意味着，在加工腔中优选布置有用于校准的附加的气体接口或气体入口。因此，通往加工腔的一个或多个现有的气体入口优选不用于校准，这些气体入口用于实现相对大体积的惰性化和/或用于清洁加工腔体积中的工艺气体的杂质。因此，用于制造过程的入口不必调整。此外，用于校准的单独接口优选能够独立于其他入口被控制或调节。由于能够以此方式调节用于校准的气体的体积流量，还例如可以在空腔中实现上述相对湿度值。
21、根据替代性的优选设计方案，加工腔中的多个现有的气体入口用于提供适用于校准的气体。为此，特别优选地，气体借助于分配给多个射束入口的流送设备被提供给增材制造装置。在常规的制造过程中，流送设备或清吹设备(freiblasungseinrichtung)用于至少一个射束入口或激光窗口或耦入窗口的定向流送。为了执行校准，流送设备被单独激活和控制或操控，而用于使工艺气体/惰性气体整体填满/流过加工腔的其他设备可以在此期间停用。因此，流送设备为校准辅助件的流入开口供应适用于校准的气体，以进行校准。
22、例如，校准辅助件的空腔可以在预期位置对接至流送设备的加工腔侧的开口(气体入口)，并且在校准期间将气体引导到射束入口或耦入窗口与测量单元之间的区域中。相对气密性可以例如通过校准辅助件的与顶壁的几何形状局部互补的设计方案来实现。这意味着，校准辅助件凭借其赋形(例如通过对应的定位精度和制造精度和/或借助于附加的密封件)大体上气密地连接至加工腔的壁部或顶壁。
23、优选地，在预期位置，校准辅助件在与增材制造装置的加工腔壁共同作用的情况下形成空腔。在此，校准辅助件的流入开口特别优选地贴靠流送设备的气体排出口且与之流体连接。
24、因此，空腔用作气体管或气体通道，并且可以例如通过凹部或通过设计校准辅助件来实现，校准辅助件在预期位置局部地包括与加工腔壁间隔开的表面。在与流送设备和/或加工腔顶板和/或加工腔壁的预期对接状态下，根据本发明的校准辅助件可以与测量单元一起形成空腔或因此形成畅通的间隙或通道。这样形成的空腔可以具有流出开口，该流出开口在按照预期的运行过程中作为校准辅助件的唯一开口允许流入的气体流到加工腔的内部。
25、在此设计方式中，通过以下方式实现有利的协同效应，即：这样的流送设备通常布置在加工腔的顶壁上且布置在现有的多个射束入口或耦入窗口的附近。因此，在本发明的方法或校准系统的范围内使用流送设备是为了实现制造过程之外的另一目的，使得有利地节省了可能在必要时额外需要的接口、阀门和/或管线。
26、优选地，空腔具有可变的高度。换言之，借助于空腔、尤其借助于形成中空体的元件，能够调整或调节射束入口与测量单元之间的距离。由此，例如可以在制造平面或构造场的不同高度位置处校准能量束的射束特性。下面描述详细设计方式。
27、为了改变高度，空腔优选被设计成可伸展的。为此，空腔(即尤其是中空体)可以特别优选地由弹性材料制成，尤其制造为软管。替代性地或附加地，其可以特别优选地设计为波纹管或类似的可伸展元件。至少，中空体优选具有对应可伸展的区域。通过此设计方案，一方面可以改变测量单元的高度位置，而且还可以改变制造平面内垂直于高度的位置。
28、此外，空腔或中空体可以特别优选地设计为弹性的篷罩件或波纹管形式的篷罩件。在此，篷罩件例如具有金字塔形或锥形。不同于中空体的大体上线性或管状的设计方案，篷罩状、金字塔形或锥状设计方案可以实现在整个构造场上进行校准测量，而无需对校准辅助件进行重新定位。
29、替代性地或附加地，为了改变高度，空腔或中空体优选设计为可伸缩的。即，空腔或中空体至少具有可伸缩的部分或伸出部。在此，空腔或中空体还可以具有刚性部件。伸出部例如是可伸缩伸出部。
30、优选地，校准辅助件在中空体的至少一端、特别优选地在每一端具有活节。例如，简单的转动活节或多个活节的组合可以用作活节。例如，活节还可以设计为波纹管状。然而，特别优选地，活节设计为球节。借助于活节，尤其在结合空腔或中空体的可变高度的情况下，测量单元可以在制造平面的高度任意调整的情况下有利地定位在制造平面上的不同位置，尤其是校准所需的不同位置。在此，射束路径保持被中空体包围或被包封在其空腔中，使得能量束在校准期间延伸穿过适用于校准的气体。
31、校准辅助件优选设计为自固位的(selbsthaltend)。这意味着：校准辅助件优选设计为使其保持一旦调整的高度和/或调整的活节位置。因此，特别优选地，校准辅助件设计为自固位的，使得校准辅助件在增材制造装置中保持位置固定/尺寸固定。
32、这例如通过以下方式来实现，即在这些可单独调整的元件之间产生摩擦阻力。在此，摩擦阻力可以通过元件的相对较小的间隙和/或对应的表面特性、尤其适合的表面粗糙度产生。摩擦阻力优选可以在手动调节时简单被克服，但其足以使各个元件在没有外部影响的情况下保持其相对位置或布置。
33、优选地，校准系统具有用于将校准辅助件安装至增材制造装置的紧固器件。紧固器件例如布置在校准辅助件或增材制造装置上。紧固器件优选设计为形状配合和/或摩擦配合的互补元件。例如，校准辅助件可以借助于夹紧螺钉或卡扣、尤其借助于可手动释放的形状配合的卡锁凸耳、另外的形状配合元件和/或类似物来实现。在此，校准辅助件优选紧固在加工腔中的射束入口或针对能量束的耦入窗口的区域中。
34、优选地，校准辅助件在增材制造装置中延伸过制造平面或构造场与增材制造装置的射束入口之间的部分或完整距离。这意味着：校准辅助件例如如上所述紧固在耦入窗口上，从该处开始延伸，但不是完全延伸至制造平面，而是将测量单元几乎浮动地保持在制造平面与射束入口之间的位置。
35、自能量束穿过射束入口或耦入窗口起，校准辅助件的中空体优选完全包围能量束，直到能量束射中测量单元。在此，由中空体包围的体积(即空腔)优选小于加工腔的体积，尤其小于加工腔的体积的三分之一、进一步优选小于四分之一、还更优选小于十分之一、特别优选小于五十分之一、更尤其优选小于百分之一。随着安装空间的尺寸的增大，该比率和所产生的节省效果得以改善。相对应地，根据本发明用于填满校准所用体积所需的时间同样有利地更短。
36、校准辅助件和/或测量单元优选可从加工腔中除去并且在增材制造过程之前从加工腔中移除。这意味着，在调试增材制造装置之前或在前一增材制造过程之后，优选执行根据本发明的方法进行校准，随后优选从加工腔中移除校准辅助件和/或测量单元，进一步地，执行新的后续增材制造过程。
37、这意味着，增材制造过程优选不在校准期间进行。因此，在用根据本发明的校准系统进行校准期间，特别优选地停用加工腔的通流，这种通流可以例如通过用于供给和返回工艺气体的循环系统(在必要时，在过滤被污染的工艺气体的情况下)被提供。这有利地节省了工艺气体或工艺气体循环所需的能量。
38、优选地，为了校准而检测的能量束的特性包括能量束的射束功率、强度分布、焦点位置、焦点几何形状和/或响应行为。替代性地或附加地，还可以测量能量束偏转设备(例如检流计式扫描器)的特性，例如，一个或多个偏转设备相对于彼此的位置精度。
39、为了确定激光功率，例如，如上所述使用典型的功率计。在此，优选不在焦点或聚焦点中测量激光功率，而是在聚焦点之外测量，因为聚焦点中的强度在某些点可能过高。如果焦点例如位于制造平面中，则将功率计简单地放置在制造平面或构造平台上。所产生的与焦点的偏移足以进行功率测量，因为功率计仍可以以此方式测量完整功率，而强度不会在某个点过高。
40、焦点位置指示聚焦点在三维空间中相对于增材制造装置的方位，即尤其是制造平面上方的高度或距射束入口的距离以及在平行于制造平面的平面中的二维位置。在此，焦点几何形状指示聚焦点(尤其在标明主轴线的情况下)是圆形的、椭圆形的还是以其他方式构造。例如，可以借助于焦点监测器(fokusmonitor)作为测量单元来确定焦点位置和焦点几何形状。其可以例如以简单的方式借助于具有前置针孔(点状针孔光阑)的功率计来实现。
41、在此，能量束的响应行为描述接通、断开或功率要求改变时的反应延迟或功率曲线。作为针对响应行为的测量单元，例如可以使用热敏纸。在此基础上，可以在校准测量之后测定关于响应行为的对应特性。
1.一种用于增材制造装置(1)的能量束(22)的校准系统(100、100'、100”)，所述校准系统包括：
2.根据权利要求1所述的校准系统，其中所述气体被引到所述空腔(54、74、94)中，使得在所述校准期间，在所述空腔(54、74、94)中，相对湿度保持在5％以下、优选4％以下、特别优选3％以下。
3.根据前述权利要求之一所述的校准系统，其中借助所述增材制造装置(1)的所述气体供应源(31)提供所述气体。
4.根据前述权利要求之一所述的校准系统，其中所述空腔(54、74、94)具有可变的高度。
5.根据前述权利要求之一所述的校准系统，其中所述空腔(54、74)是可伸缩的，以改变高度。
6.根据权利要求5所述的校准系统，其中所述校准辅助件(60)在所述空腔(74)的至少一端、优选在每一端具有活节(68、69、70、71、72、73)，所述活节优选设计为球节(68、69、70、71、72、73)。
7.根据前述权利要求之一所述的校准系统，其中所述气体借助于分配给多个射束入口(25)的流送设备被提供给所述增材制造装置(1)。
8.根据前述权利要求之一所述的校准系统，其中在预期位置，所述校准辅助件(80)在与所述增材制造装置(1)的加工腔壁共同作用的情况下形成所述空腔(94)，其中所述校准辅助件(80)的所述流入开口(81)优选贴靠所述流送设备的气体排出口。
9.根据前述权利要求之一所述的校准系统，其中所述校准辅助件(40、60、80)设计为自固位的。
10.根据前述权利要求之一所述的校准系统，其中所述校准辅助件(40、60、80)设计为自固位的，使得所述校准辅助件在所述增材制造装置(1)中保持位置固定/尺寸固定。
11.根据前述权利要求之一所述的校准系统，所述校准系统具有用于将所述校准辅助件(80)安装至所述增材制造装置(1)的紧固器件(82、83、84)。
12.根据前述权利要求之一所述的校准系统，其中所述校准辅助件(40、60、80)在所述增材制造装置(1)中延伸过制造平面(7)与所述增材制造装置(1)的射束入口(25)之间的部分或完整距离。
13.一种用于校准增材制造装置(1)的能量束(22)的方法，所述增材制造装置包括射束入口(25)，所述方法至少具有以下步骤:
14.根据权利要求13所述的方法，其中为了实现所述校准，检测所述能量束的射束功率、强度分布、焦点位置、焦点几何形状和/或响应行为作为所述能量束(22)的射束特性。
15.校准辅助件(40、60、80)用于校准增材制造装置(1)的能量束(22)的用途，其中
