Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum schichtweisen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Verfestigen von Aufbaumaterial an den dem Querschnitt des herzustellenden Objektes in der jeweiligen Schicht entsprechenden Stellen durch Energieeinbringung .

Solch ein Verfahren, das unter dem Namen "Selektives Lasersintern" bekannt ist, sowie eine zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind in der DE 10 2005 024 790 AI beschrieben.

In der EP 1 296 788 Bl wird zum Erfassen der Oberflächeneigenschaften einer Oberflächenschicht in dem Pulverbett eine Kamera verwendet, die das Auftreten von Oberflächenunregelmäßigkeiten anhand von Schatten erfasst, die durch Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche gebildet werden.

In der DE 103 10 385 B4 ist die Verwendung einer Streifenprojektors mit seitlichen Lichteinfalls zum optischen Hervorheben von Furchen in der aufgebrachten Schicht beschrieben. Die dadurch entstehenden optischen Muster auf der Schicht werden von einer Kamera erfasst und ausgewertet.

In der DE 10 2011 009 624 AI wird zur Überwachung des Fertigungsprozesses das Bauteil mittels einer optischen Kamera erfasst . Mittels Überlagerung des aufgenommenen Bildes mit einem Sollbild können Abweichungen erkannt werden. Vorzugsweise wird eine 2D-Bildverarbeitung der zuletzt erzeugten Schicht zur Erkennung ihrer Umrisse durchgeführt. In der DE 10 2007 056 984 AI wird anstelle von sichtbarem Licht Infrarotlicht zur Aufnahme von Bildern verwendet. Als Beleuchtungsquellen dienen dabei die Heizstrahler, die zum Aufwärmen des Pulvers bereitgestellt sind. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch schichtweises Verfestigen von pulverförmigem Ausgangsmaterial bereitzustellen, bei denen die Qualitätsüberwachung der zuletzt aufgebrachten Schicht verbessert ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, eine Vorrichtung gemäß Anspruch und ein Computerprogramm gemäß Anspruch 12. Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.

Durch die Aufnahme mehrerer Bilder mit unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen und die Bestimmung der Oberflächenstruktur der aufgetragenen Schicht aus diesen Bildern ist es möglich, Unregelmäßigkeiten der Schichtoberfläche unabhängig davon, in wel- eher Richtung sie verlaufen, besser zu erfassen. Bei der Aufnahme einer frisch aufgetragenen Pulverschicht können dann die Unregelmäßigkeiten durch eine Wiederholung des Beschichtungsvor- gangs korrigiert werden. Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen. Fig. 1 ist eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum schichtweisen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts, die zum Durchführen der vorliegenden Erfindung geeignet ist.

Fig. 2a bis 2d sind schematische Draufsichten auf eine Arbeitsfläche der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung, die verschiedene Anordnungen von Beleuchtungseinrichtungen relativ zu einer Kamera zeigen.

Im Folgenden wird mit Bezug auf Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung beschrieben, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung ist eine Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 1. Zum Aufbauen des Objekts 2 enthält sie eine Prozesskammer 3 mit einer Kammerwand 4.

In der Prozesskammer 3 ist ein nach oben offener Behälter 5 mit einem vertikal (V) bewegbaren Träger 6 angeordnet, auf dem das Objekt 2 aufgebaut wird. In Fig. 1 ist das zu bildende Objekt 2 unterhalb einer Arbeitsebene 7 in einem Zwischenzustand dargestellt mit mehreren verfestigten Schichten, umgeben von unver- festigt gebliebenem Aufbaumaterial 8. Weiter sind in der Prozesskammer 3 ein Vorratsbehälter 10 für ein durch elektromagnetische Strahlung verfestigbares pulverförmiges Aufbaumaterial 11 und ein horizontal (H) bewegbarer Beschichter 12 zum Aufbringen des Aufbaumaterials 11 auf die Arbeitsebene 7 angeordnet.

Die Lasersintervorrichtung 1 enthält ferner einen Laser 13, der einen Laserstrahl 14 erzeugt, der über eine Umlenkvorrichtung 15 umgelenkt und durch eine Fokussiervorrichtung 16 über ein Ein- koppelfenster 17 in der Wand der Prozesskammer 3 auf einen vorbestimmten Punkt der Arbeitsebene 7 fokussiert wird.

Die Lasersintervorrichtung 1 enthält weiter eine Kamera 18 zur Aufnahme von Bildern der in der Arbeitsebene 7 aufgebrachten Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials 11 und zum Ausgeben der aufgenommenen Bilder in Form elektrischer Signale sowie zumindest zwei Lichtquellen 19 zum Ausleuchten der Arbeitsebene 7 für die Aufnahme der Bilder.

Schließlich enthält die Lasersintervorrichtung 1 eine Steuereinheit 20, über die die einzelnen Bestandteile der Vorrichtung in koordinierter Weise zum Durchführen des Bauprozesses gesteuert werden. Die Steuereinheit enthält auch eine Vorrichtung zur Ver- arbeitung und Auswertung der von der Kamera gelieferten Bilder. Die Steuereinheit kann eine CPU enthalten, deren Betrieb durch ein Computerprogramm gesteuert wird.

Im Betrieb wird zunächst der Träger 6 um die gewünschte Schicht- dicke abgesenkt, und dann wird unter Verwendung des Beschichters 12 eine Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials 11 aufgetragen. Anschließend wird der Querschnitt des herzustellenden Objekts von dem Laserstrahl 14 abgetastet, so dass das pulverför- mige Aufbaumaterial 11 an diesen Stellen verfestigt wird. Diese Schritte werden solange wiederholt, bis das Objekt fertiggestellt ist und dem Bauraum entnommen werden kann.

Bei dem Aufbringen der Schicht des pulverförmigen Aufbaumateri- als kann es zu unterschiedlichen Störungen und damit zu Unregel- mäßigkeiten in der aufgebrachten Schicht kommen. So kann z.B. ein von dem Beschichter mitgezogener grobkörnigerer Partikel Riefen in die Pulverschicht ziehen, die in der Beschichtungs- richtung verlaufen. Insbesondere bei der Verwendung von Metall- pulver kann der Beschichter beim Überfahren vorstehender verfestigter Teile (z.B. einer beim Verfestigen der vorigen Schicht gebildeter Wulst am Bauteilrand) zu einer Vibration angeregt werden, die zu einem wellenförmigen Auftrag der Pulverschicht führt . Somit entstehen Streifen parallel zu der Beschichterklinge, also senkrecht zu der Beschichtungsrichtung . Bei einem Fehler in der Pulverzufuhr kann es vorkommen, dass in Teilbereichen der Arbeitsebene kein Schichtauftrag erfolgt. Auch bei der selektiven Verfestigung der Pulverschicht kann es zu Unregelmäßigkeiten kommen.

Um solche Unregelmäßigkeiten der Schichtoberfläche sichtbar zu machen, wird eine Beleuchtung von schräg oben verwendet. Dabei kommt es abhängig von der dreidimensionalen Struktur der

Schichtoberfläche zu einer Schattenbildung und/oder durch Reflexion des einfallenden Lichts an schrägen Strukturen abhängig von deren Richtung zu einer erhöhten oder erniedrigten Helligkeit an den entsprechenden Stellen des Bildes. Dieser letzte Effekt ist besonders ausgeprägt bei der Verwendung von Metallpulver als Aufbaumaterial .

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind mehrere Lichtquellen (zumindest zwei) so angeordnet, dass sie die Arbeitsebene aus verschiedenen Richtungen beleuchten. Es wird nicht nur ein Bild der Pulverschicht aufgenommen, sondern zumindest zwei Bilder mit voneinander verschiedenen Beleuchtungsrichtungen.

Dabei sind Strukturen (z.B. Kanten oder Wellen) besonders gut zu erkennen, die (in der Draufsicht auf die Arbeitsebene) senkrecht zu der jeweiligen Beleuchtungsrichtung (Horizontalkomponente der Richtung des einfallenden Lichts) liegen. Strukturen, die in der jeweiligen Beleuchtungsrichtung verlaufen, sind dagegen kaum zu erkennen. Da die Unregelmäßigkeiten der Schichtoberfläche aber je nach Ursache verschiedene Richtungen haben, sind bei Aufnahmen mit einer einzigen Lichtquelle möglicherweise nicht alle Strukturen zu erkennen. Die Aufnahme eines einzigen Bildes mit einer zweiten (und evtl. weiteren) Lichtquellen mit anderen Beleuchtungsrichtungen führt zwar dazu, dass auch in andere Richtungen verlaufende Unregelmäßigkeiten zu erkennen sind, allerdings wird durch die weiteren Lichtquellen der Kontrast der senkrecht zu der ersten Beleuchtungsrichtung verlaufenden Strukturen verringert, so dass diese schlechter zu detektieren sind. Die Aufnahme von zumindest zwei Bildern mit voneinander verschiedenen Beleuchtungsrichtungen führt dazu, dass in verschiedene Richtungen verlaufende Unregelmäßigkeiten zu erkennen sind, ohne den Kontrast der einzelnen Strukturen in dem Bild zu verringern .

In Fig. 2a bis 2d sind beispielhaft (aber nicht einschränkend) vier verschiedene Anordnungen von Lichtquellen 19 relativ zu einer Kamera 18 in der Draufsicht dargestellt. Andere Teile der Lasersintervorrichtung sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.

Eine erste Variante ist in Fig. 2a gezeigt. Darin sind zwei Lichtquellen dargestellt, die (in der Draufsicht auf die Arbeitsebene) in einem Winkel von α = 90° zueinander angeordnet sind. Beide Lichtquellen sind einzeln ansteuerbar.

Es werden zwei Bilder der Pulverschicht aufgenommen, einmal nur mit der einen Lichtquelle und einmal nur mit der anderen Lichtquelle als Beleuchtung. Die Beleuchtungsrichtungen der beiden Bilder unterscheiden sich demnach ebenfalls um 90°. Für jede der Lichtquellen kann im Voraus ein Referenzbild aufgenommen worden sein, um eine eventuelle Änderung der Beleuchtungsstärke der jeweiligen Lichtquelle über das Bildfeld der Kamera hinweg zu er- fassen. Durch Verknüpfung der aufgenommenen Bilder der Pulverschicht mit den entsprechenden Referenzbildern kann diese unterschiedliche Beleuchtungsstärke kompensiert werden.

Die weitere Verarbeitung der Bilder erfolgt mit bekannten Verfahren der Bildverarbeitung. So können z.B. mit Gradienten-, Kanten- und ähnlichen Bildfiltern die Strukturen der Oberfläche aus den aufgenommenen Bildern extrahiert werden, oder es kann ein unter dem Namen "Shape from Shading" bekanntes Verfahren zur Gewinnung der Oberflächenstruktur aus der Helligkeitsverteilung verwendet werden .

Dabei kann auf zweierlei Weise vorgegangen werden: Bei einer ersten Alternative werden die beiden Bilder getrennt voneinander ausgewertet. Die aus den einzelnen Bildern gewonnenen Ergebnisse (Einzelstrukturen) werden dann im Nachhinein miteinander kombiniert. Bei einer zweiten Alternative werden die Einzelbilder nach dem oben beschriebenen und evtl. weiteren Vorverarbeitungs- schritten zu einem Gesamtbild addiert, und die Extraktion der Strukturen erfolgt aus dem Gesamtbild.

Auch wenn ein Winkel von 90° zwischen den beiden Lichtquellen gute Ergebnisse liefert, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf eingeschränkt. Fig. 2b zeigt eine weitere Anordnung, bei der zwei einzeln steuerbare Lichtquellen in einem Winkel von α = 120° zueinander angeordnet sind. Aber auch beliebige andere Winkel sind möglich. Während bei einem Winkel von α = 180° zwar keine zusätzlichen Strukturen erfassbar sind, kann es dennoch sein, dass sich die Erkennbarkeit bei einem Lichteinfall von der entgegengesetzten Seite verbessert ist. Vorteilhaft ist ein Winkel in einem Bereich von 45° < < 135°. Die Anzahl der Lichtquellen ist nicht auf zwei eingeschränkt. So zeigt Fig. 2c eine Anordnung, bei der vier einzeln steuerbare Lichtquellen in einem Winkel von = 90° zueinander angeordnet sind, und Fig. 2d zeigt eine Anordnung, bei der sechs einzeln steuerbare Lichtquellen in einem Winkel von α = 60° zueinander angeordnet sind. Es sind jedoch eine beliebige Anzahl von Lichtquellen und beliebige Winkel zwischen ihnen möglich, und die Winkel zwischen den Lichtquellen müssen auch nicht untereinander gleich sein.

Bei der in Fig. 2c gezeigten Anordnung können vier Bilder aufgenommen werden, jedes mit einer anderen der vier Lichtquellen. Es kann aber auch ein erstes Bild mit zwei senkrecht zueinander angeordneten Lichtquellen aufgenommen werden und ein zweites Bild mit den zwei anderen Lichtquellen. Ähnliches gilt für die in Fig. 2d gezeigte und weitere mögliche Anordnungen. Wesentlich ist, dass zumindest zwei Bilder aufgenommen werden, die sich in der Beleuchtungsrichtung voneinander unterscheiden. Wenn die gemäß dem oben beschriebenen Verfahren erfassten Unregelmäßigkeiten der Pulveroberfläche größer sind als eine vorgegebene Toleranzschwelle oder auf Teilbereichen der Arbeitsebene, in denen das Objekt gebildet werden soll, kein Pulverauftrag erfolgte, kann ohne Höhenverstellung des Trägers ein erneuter Be- schichtungsvorgang zur Korrektur der Unregelmäßigkeiten durchgeführt werden. Unregelmäßigkeiten außerhalb der Bereiche, in denen das Objekt gebildet werden soll, können dagegen ignoriert werden. Statt oder zusätzlich zu einer Überprüfung der frisch aufgetragenen Schicht kann das oben beschriebene Verfahren auch nach dem Einbringen der Energie erfolgen, um zu prüfen, ob überhaupt Energie eingebracht und dadurch Pulver verfestigt wurde, oder ob die Abmaße und Positionen der verfestigten Bereiche mit den vorgegebenen Sollquerschnitten übereinstimmen. Ausserdem kann die Oberflächenqualität der verfestigten Flächen ausgewertet werden, indem über geeignete Klassifikatoren z.B. Rauhigkeits- oder Wel- ligkeitswerte oder Texturinformationen ermittelt werden. Diese Informationen lassen Rückschlüsse auf die Qualität der Prozessführung zu und können bei Verwendung von Metallpulvern auch mit der Lage der einzelnen Schweißraupen oder den Überlappzonen einzelner Füllbereiche abgeglichen werden.

Als Lichtquelle für die Beleuchtung der Arbeitsebene werden vorzugsweise optische Lichtquellen verwendet. Wegen der auch im nahen Infrarotbereich bestehenden Sensitivität der gängigen

Bildsensoren können jedoch auch Quellen für Nahinfrarotlicht verwendet werden. Bei den in einer Lasersintervorrichtung normalerweise herrschenden Temperaturen sind vor allem Halogenstrahler gut als Lichtquellen geeignet. Die Beleuchtung kann auch eine LED-Beleuchtung oder eine Beleuchtung über Glasfasern sein. Weiter kann die Beleuchtung auf die Aufnahme getriggert sein, z.B. als Blitzlicht. Sie kann auch in gedimmtem Betrieb als Ma- schineninnenbeleuchtung dienen und bei Bildaufnahme kurzzeitig auf höhere Leuchtkraft angesteuert werden.

Auch wenn die vorliegende Erfindung anhand einer Lasersinter- bzw. Laserschmelzvorrichtung beschrieben wurde, ist sie nicht auf das Lasersintern oder Laserschmelzen eingeschränkt. Sie kann auf beliebige Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines pulverförmigen Aufbaumaterials durch Einwirkung von Energie angewendet werden. Der Laser kann beispielsweise eine

Laserdiode oder ein Laserdiodenarray sein. Anstelle eines Lasers können beispielsweise eine Leuchtdiode (LED) , ein LED-Array, ein Elektronenstrahl oder jede andere Energie- bzw. Strahlenquelle, die geeignet ist, das pulverförmige Auf aumaterial zu verfestigen, verwendet werden. Auch auf das selektive Maskensintern, bei dem anstelle eines Laserstrahls eine Maske und eine ausgedehnte Lichtquelle verwendet werden, oder auf das Absorbtions- bzw. In- hibitionssintern kann die Erfindung angewendet werden. Insbesondere bezieht sich die Erfindung allgemein auf das Herstellen eines gesamten Objekts allein mittels schichtweisen Auftragens und selektiven Verfestigens eines pulverförmigen Aufbaumaterials . Als Aufbaumaterial können verschiedene Arten von Pulver verwendet werden, wie sie für das Lasersintern bzw. Laserschmelzen üblich sind, insbesondere Metall- oder Kunststoffpulver oder gefüllte oder gemischte Pulver. Besonders vorteilhaft lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren für Metallpulver einsetzen.