Fertigungsvorrichtung und Verfahren zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial und Verfahren zum Ermitteln einer Korrekturfunktion für eine solche Fertigungsvorrichtung oder ein solches Verfahren

Die Erfindung betrifft eine Fertigungsvorrichtung und ein Verfahren zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial, sowie ein Verfahren zum Ermitteln einer Korrekturfunktion für die drehwinkelabhängige Ansteuerung einer Scannervorrichtung in einer solchen Fertigungsvorrichtung oder für die drehwinkelabhängige Ansteuerung von Strahlpositionen in einem solchen Verfahren.

Zur additiven Fertigung von Bauteilen aus einem Pulvermaterial kann es sinnvoll sein, einen Energiestrahl zu verwenden, der ein um seine Strahlachse nicht rotationssymmetrisches Strahlprofil aufweist. Je nach Verlagerungsrichtung des Strahlprofils auf einem Arbeitsbereich einer Fertigungsvorrichtung, insbesondere also abhängig von einer Orientierung eines jeweiligen Bestrahlungsvektors, ist es dann weiter sinnvoll oder nötig, das Strahlprofil drehen und damit relativ zu dem Bestrahlungsvektor ausrichten zu können. Insbesondere kann eine längere Achse von zwei orthogonalen Achsen des Strahlprofils in Richtung des Bestrahlungsvektors ausgerichtet werden. Problematisch dabei ist, dass Fertigungstoleranzen einer Strahlerzeugungsvorrichtung zum Erzeugen des Energiestrahls sowie bereits kleine Justagefehler der Strahlachse in einer zum Drehen des Strahlprofils vorgesehenen Strahldrehvorrichtung zu einem unerwünschten Taumeln des Strahlprofils, insbesondere zu einer unerwünschten Verlagerung eines Schwerpunkts des Strahl profil s, während dessen Drehung führen. Hierdurch können sich insbesondere an Orten in dem Arbeitsbereich, an dem sich die Orientierung benachbarter Bestrahlungsvektoren ändert, Fehlstellen in dem herzustellenden Bauteil ergeben, wobei es insbesondere zu rauen Bauteiloberflächen, Maßabweichungen sowie einer lokal verringerten Bauteildichte kommen kann.

Offensichtliche Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen, wären eine extrem genaue Justage des Energiestrahls und/oder eine extrem toleranzarme Fertigung der Strahl erzeugungsvorrichtung. Beides ist aber übermäßig aufwendig und teuer und daher in der Praxis kaum darstellbar. Insbesondere müsste die Justage des Energiestrahls stets mit höchster Genauigkeit neu erfolgen, wenn die Fertigungsvorrichtung bewegt, oder in anderer Weise Erschütterungen ausgesetzt worden wäre.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Fertigungsvorrichtung und ein Verfahren zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial sowie ein Verfahren zum Ermitteln einer Korrekturfunktion für die drehwinkelabhängige Ansteuerung einer Scannervorrichtung in einer solchen Fertigungsvorrichtung oder für die drehwinkelabhängige Ansteuerung von Strahlpositionen in einem solchen Verfahren zu schaffen, wobei die genannten Nachteile zumindest reduziert sind, vorzugsweise nicht auftreten.

Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.

Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Fertigungsvorrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial geschaffen wird, die eine Strahlerzeugungsvorrichtung aufweist, wobei die Strahl erzeugungsvorrichtung eingerichtet ist um einen Energiestrahl mit einem um eine Strahlachse des Energiestrahls nicht rotationssymmetrischen Strahlprofil zu erzeugen. Die Fertigungsvorrichtung weist außerdem eine Strahl drehvorrichtung auf, die eingerichtet ist, um das Strahlprofil des Energiestrahls um die Strahlachse zu drehen. Weiterhin weist die Fertigungsvorrichtung eine Scannervorrichtung auf, die eingerichtet ist, um den Energiestrahl in einem Arbeitsbereich zu verlagern und den Arbeitsbereich lokal selektiv mit dem Energiestrahl zu bestrahlen, um mittels des Energiestrahls ein Bauteil aus dem in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterial herzustellen. Außerdem weist die Fertigungsvorrichtung eine Steuervorrichtung auf, die mit der Strahldrehvorrichtung und mit der Scannervorrichtung wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Strahl drehvorrichtung und die Scannervorrichtung anzusteuern, und um eine Ansteuerung der Scannervorrichtung in Abhängigkeit von einem momentanen Drehwinkel der Strahldrehvorrichtung zu korrigieren. Vorteilhaft kann mittels der Korrektur der Ansteuerung der Scannervorrichtung eine aufgrund einer Drehung des Strahlprofils auftretende Taumelbewegung korrigiert werden, insbesondere indem der Schwerpunkt des Strahlprofils durch geeignete drehwinkelabhängige Korrektur der Ansteuerung der Scannervorrichtung - aufgrund der Korrektur unabhängig von dem Drehwinkel - an einen vorbestimmten Zielort auf dem Arbeitsbereich verlagert wird. Insbesondere ergibt sich auf diese Weise ein definierter Anschluss zwischen Bereichen von Bestrahlungsvektoren mit einer ersten Orientierung und angrenzenden Bereichen von Bestrahlungsvektoren mit einer zweiten, abweichenden Orientierung in dem Arbeitsbereich. Somit können vorteilhaft insbesondere Fehlstellen in dem herzustellenden Bauteil, insbesondere raue Bauteiloberflächen, Maßabweichungen oder eine lokal verringerte Bauteildichte vermieden werden. Die Korrektur selbst kann einfach und kostengünstig, insbesondere softwaretechnisch, durchgeführt werden, sodass es weder einer extrem genauen Fertigung der Strahlerzeugungsvorrichtung noch einer extrem präzisen Justage des Energiestrahls bedarf.

Insbesondere ist ein Koordinatensystem in dem Arbeitsbereich aufgespannt durch zwei kartesische Koordinaten, insbesondere eine x-Koordinate und eine y-Koordinate, wobei die winkelabhängige Korrektur einen ersten Korrekturbeitrag für die x-Koordinate und einen zweiten Korrekturbeitrag für die y-Koordinate umfasst. Die Ansteuerung der Scannervorrichtung wird also insbesondere drehwinkelabhängig in x-Richtung und y-Richtung des Arbeitsbereichs korrigiert. Insbesondere wird eine drehwinkelabhängige Abweichung einer Ist-Profilposition zu einer Soll-Profilposition des Strahlprofils in x-Richtung und y-Richtung korrigiert.

Unter einem Schwerpunkt des Strahlprofils wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere ein Punkt verstanden, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einem Schwerpunkt einer Intensitätsverteilung des Strahlprofils auf dem Arbeitsbereich, insbesondere einem mit den lokalen Intensitäten gewichteten Mittelpunkt des Strahlprofils, einem Ort eines Maximums der Intensitätsverteilung, und einem geometrischen Mittelpunkt des Strahlprofils.

In einer Ausführungsform wird die Ansteuerung der Scannervorrichtung zusätzlich in Abhängigkeit der momentanen Ansteuerung selbst korrigiert. Dies bedeutet insbesondere, dass die drehwinkelabhängige Korrektur ihrerseits abhängig ist von dem momentanen Ort des Strahlprofils auf dem Arbeitsbereich. Auf diese Weise können vorteilhaft insbesondere Verzeichnungen, insbesondere in von einem Mittelpunkt des Arbeitsbereichs entfernten Randbereichen, reduziert, vorzugsweise vermieden werden.

Unter einem additiven oder generativen Fertigen oder Herstellen eines Bauteils wird insbesondere ein Pulverbett-basiertes Verfahren zum Herstellen eines Bauteils verstanden, insbesondere ein Fertigungsverfahren, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem selektiven Lasersintern, einem Laser-Metall-Fusionieren (Laser Metal Fusion - LMF), einem direkten Metall-Laser-Schmelzen (Direct Metal Laser Melting - DMLM), einem Laser Net Shaping Manufacturing (LNSM), einem selektiven Elektronenstrahlschmelzen ((Selective) Electron Beam Melting - (S)EBM), und einem Laser Engineered Net Shaping (LENS). Die Fertigungsvorrichtung ist demnach insbesondere eingerichtet zur Durchführung von wenigstens einem der zuvor genannten additiven oder generativen Fertigungsverfahren.

Der Energiestrahl ist insbesondere ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem elektromagnetischen Strahl, insbesondere einem optischen Arbeitsstrahl, insbesondere einem Laserstrahl, und einem Teilchenstrahl, insbesondere einem Elektronenstrahl. Der Energiestrahl kann kontinuierlich oder gepulst sein, insbesondere kontinuierliche Laserstrahlung oder gepulste Laserstrahlung.

Bei einer Ausführungsform ist die Strahl erzeugungsvorrichtung eingerichtet, um eine Mehrzahl an Energiestrahlen zu erzeugen, und/oder die Fertigungsvorrichtung weist eine Mehrzahl an Strahlerzeugungsvorrichtungen zur Erzeugung einer Mehrzahl an Energiestrahlen auf. Es ist möglich, dass für die Mehrzahl an Energiestrahlen eine Mehrzahl an Scannervorrichtungen vorgesehen sind. Es ist aber auch möglich, dass die Scannervorrichtung eingerichtet ist, um eine Mehrzahl an Energiestrahlen - insbesondere unabhängig voneinander - auf dem Arbeitsbereich zu verlagern. Insbesondere kann die Scannervorrichtung hierfür eine Mehrzahl an separat ansteuerbaren Scannern, insbesondere Scannerspiegeln, aufweisen.

Insbesondere ist die Steuervorrichtung eingerichtet, um die Ansteuerung der Scannervorrichtung, insbesondere die Ansteuerung des jeweils zugeordneten Scanners, für jeden Energiestrahl der Mehrzahl an Energiestrahlen in Abhängigkeit von dem jeweiligen Drehwinkel zu korrigieren. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuervorrichtung eingerichtet, um die Ansteuerung der Scannervorrichtung für die Mehrzahl an Energiestrahlen, insbesondere für jeden Energiestrahl der Mehrzahl an Energiestrahlen, derart abzustimmen oder zusätzlich zu korrigieren, dass identische Punkte auf dem Arbeitsbereich mit jedem der Energie strahl en angesteuert werden können, insbesondere ist die Steuervorrichtung somit eingerichtet, um die Ansteuerung der Scannervorrichtung für die Mehrzahl an Energiestrahlen relativ zueinander zu registrieren oder kalibrieren. In einer Ausführungsform erfolgt dies nach der drehwinkelabhängigen Korrektur der Ansteuerung, sodass die drehwinkelabhängig korrigierten Strahlpositionen relativ zueinander registriert oder kalibriert werden. In einer anderen Ausführungsform ist aber auch eine andere Reihenfolge möglich. Die Scannervorrichtung weist bevorzugt mindestens einen Scanner, insbesondere einen Galvanometer-Scanner, Piezoscanner, Polygonscanner, MEMS-Scanner, und/oder einen relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbaren Arbeitskopf oder Bearbeitungskopf auf. Die hier vorgeschlagenen Scannervorrichtungen sind in besonderer Weise geeignet, den Energiestrahl innerhalb des Arbeitsbereichs zwischen einer Mehrzahl an Strahlpositionen zu verlagern.

Unter einem relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbaren Arbeitskopf oder Bearbeitungskopf wird hier insbesondere ein integriertes Bauteil der Fertigungsvorrichtung verstanden, welches mindestens einen Strahlungsauslass für mindestens einen Energiestrahl aufweist, wobei das integrierte Bauteil, das heißt der Arbeitskopf, als Ganzes entlang zumindest einer Verlagerungsrichtung, vorzugsweise entlang zweier senkrecht aufeinander stehenden Verlagerungsrichtungen, relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbar ist. Ein solcher Arbeitskopf kann insbesondere in Portalbauweise ausgebildet sein oder von einem Roboter geführt werden. Insbesondere kann der Arbeitskopf als Roboterhand eines Roboters ausgebildet sein.

Die Steuervorrichtung ist vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Computer, insbesondere Personal Computer (PC), einer Einschubkarte oder Ansteuerkarte, und einem FPGA-Board.

Bevorzugt weist die Strahlerzeugungsvorrichtung einen Laser auf. Der Energiestrahl wird somit vorteilhaft als intensiver Strahl kohärenter elektromagnetischer Strahlung, insbesondere kohärenten Lichts, erzeugt. Bestrahlung bedeutet insoweit bevorzugt Belichtung.

Die Strahlerzeugungsvorrichtung kann zur Erzeugung des nicht rotationssymmetrischen Strahlprofils insbesondere Prismen aufweisen, vorzugsweise insbesondere mindestens ein anamorphotisches Prisma, insbesondere ein anamorphotisches Prismenpaar, und/oder ein Dove- Prisma, oder ein Prismenpaar aus einem anamorphotischen Prisma und einem anamorphotischen Dove-Prisma. Die Strahldrehvorrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, um zumindest ein Prisma der Strahlerzeugungsvorrichtung, vorzugsweise das anamorphotische Prismenpaar, oder das Dove-Prisma, oder das Prismenpaar aus dem anamorphotischen Prisma und dem anamorphotischen Dove-Prisma, um die Strahlachse zu drehen. Alternativ oder zusätzlich kann die Strahlerzeugungsvorrichtung zur Erzeugung des nicht rotationssymmetrischen Strahlprofils mindestens ein diffraktives optisches Element (DOE), insbesondere eine Mehrzahl diffraktiver optischer Elemente aufweisen. Die Strahldrehvorrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, um zumindest ein diffraktives optisches Element der Strahlerzeugungsvorrichtung um die Strahlachse zu drehen.

Die Fertigungsvorrichtung ist vorzugsweise eingerichtet zum selektiven Lasersintern. Alternativ oder zusätzlich ist die Fertigungsvorrichtung eingerichtet zum selektiven Laserschmelzen. Diese Ausgestaltungen der Fertigungsvorrichtung haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen.

Unter einem Bestrahlungsvektor wird insbesondere eine kontinuierliche, vorzugsweise lineare Verlagerung des Energiestrahls über eine bestimmte Strecke mit bestimmter Verlagerungsrichtung verstanden. Der Bestrahlungsvektor schließt insbesondere die Richtung oder Orientierung der Verlagerung, das heißt die Vektorausrichtung, ein. Der Bestrahlungsvektor muss keinesfalls als Geradenab schnitt ausgebildet sein, vielmehr kann ein Bestrahlungsvektor auch einer zumindest bereichsweise gekrümmten Linie oder Kurve folgen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuervorrichtung eingerichtet ist, um für die Korrektur der Ansteuerung der Scannervorrichtung eine von dem Drehwinkel der Strahldrehvorrichtung abhängige Korrekturfunktion zu verwenden. Dies stellt eine ebenso einfache wie funktionale und genaue Möglichkeit der Korrektur der Ansteuerung dar.

In einer Ausführungsform ist die Korrekturfunktion eine Korrekturkurve in Form von Stützstellen, insbesondere einschließlich einer Interpolation zwischen den Stützstellen. In einer anderen Ausführungsform ist die Korrekturfunktion eine analytische Funktion. In einer anderen Ausführungsform ist die Korrekturfunktion eine Tabelle oder Zuordnung, insbesondere eine Lookup-Tabelle oder Umsetzungstabelle, die Korrekturwerte für die Ansteuerung in Abhängigkeit von dem momentanen Drehwinkel umfasst.

In einer Ausführungsform hängt die Korrekturfunktion zusätzlich von der Ansteuerung der Scannervorrichtung selbst ab. Insbesondere auf diese Weise können vorteilhaft Verzeichnungen, insbesondere in von einem Mittelpunkt des Arbeitsbereichs entfernten Randbereichen, reduziert, vorzugsweise vermieden werden.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als die Korrekturfunktion eine Funktion verwendet wird, die zusätzlich von einer Historie der Ansteuerung der Strahldrehvorrichtung abhängt. Vorteilhaft kann auf diese Weise insbesondere eine - beispielsweise durch die Mechanik der Strahldrehvorrichtung, insbesondere durch Spiel in der Mechanik bedingte - Hysterese in dem drehwinkelabhängigen Taumel verhalten des Strahlprofils ausgeglichen werden.

Alternativ oder zusätzlich wird als die Korrekturfunktion eine Funktion verwendet, die zusätzlich von einer Drehrichtung der Strahl drehvorrichtung abhängt. Dies stellt eine besonders geeignete Möglichkeit dar, die Hysterese im drehwinkelabhängigen Taumelverhalten des Strahlprofils auszugleichen.

Alternativ wird als die Korrekturfunktion eine über beide Drehrichtungen der Strahldrehvorrichtung gemittelte Funktion verwendet. Dies stellt eine besonders einfache und wenig rechenintensive Möglichkeit dar, die Hysterese im drehwinkelabhängigen Taumelverhalten des Strahlprofils zumindest näherungsweise auszugleichen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strahldrehvorrichtung eingerichtet ist, um das Strahlprofil nur in genau einer vorbestimmten Drehrichtung zu drehen. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine Hysterese im drehwinkelabhängigen Taumelverhalten des Strahlprofils vermieden, sodass es keines Ausgleichs bedarf. Daher ist diese Ausgestaltung besonders einfach. Insbesondere ist in diesem Fall allerdings die Strahl drehvorrichtung eingerichtet, um eine Endlosdrehung oder unbegrenzte Drehung des Strahlprofils - insbesondere ohne Anschlag - in die vorbestimmte Drehrichtung zu bewirken, sodass insbesondere zu jedem Zeitpunkt beliebige Drehwinkel erreichbar sind.

Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein auch als Fertigungsverfahren bezeichnetes Verfahren zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial geschaffen wird, wobei ein Drehwinkel eines um eine Strahlachse eines Energiestrahls nicht rotationssymmetrischen Strahlprofils um die Strahlachse eingestellt wird, wobei der Energiestrahl in einem Arbeitsbereich an eine Mehrzahl an Strahlpositionen verlagert wird, so dass der Arbeitsbereich lokal selektiv an den Strahlpositionen mit dem Energiestrahl bestrahlt wird, um mittels des Energiestrahls ein Bauteil aus dem in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterial herzustellen, und wobei eine Korrektur der Ansteuerung der Strahlpositionen in Abhängigkeit des eingestellten Drehwinkels erfolgt. In Zusammenhang mit dem Fertigungsverfahren ergeben sich insbesondere diejenigen Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Fertigungsvorrichtung beschrieben wurden.

Dass der Drehwinkel des Strahlprofils eingestellt wird, bedeutet insbesondere, dass der Drehwinkel - während des Fertigungsverfahrens - verändert wird Als Energiestrahl wird vorzugsweise ein Laserstrahl oder ein Elektronenstrahl verwendet.

Vorzugsweise wird das Bauteil mittels selektiven Lasersinterns und/oder selektiven Laserschmelzens gefertigt.

Als Pulvermaterial kann in bevorzugter Weise insbesondere ein metallisches oder keramisches Pulver verwendet werden.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass den Strahlpositionen in Abhängigkeit von dem eingestellten Drehwinkel ein Korrekturvektor zugeordnet wird.

In einer Ausführungsform wird jeder Strahlposition in Abhängigkeit von dem eingestellten Drehwinkel derselbe drehwinkelabhängige Korrekturvektor zugeordnet. In einer anderen Ausführungsform ist der Korrekturvektor zusätzlich zu der Abhängigkeit von dem Drehwinkel auch abhängig von der Strahlposition. Insbesondere können auf diese Weise Verzeichnungen, insbesondere in Randbereichen des Arbeitsbereichs, reduziert, vorzugsweise vermieden werden.

Insbesondere wird der Korrekturvektor den Strahlpositionen in Abhängigkeit von dem eingestellten Drehwinkel anhand einer Korrekturfünktion zugeordnet. In einer Ausführungsform ist die Korrekturfunktion eine Korrekturkurve in Form von Stützstellen, insbesondere einschließlich einer Interpolation zwischen den Stützstellen. In einer anderen Ausführungsform ist die Korrekturfunktion eine analytische Funktion. In einer anderen Ausführungsform ist die Korrekturfunktion eine Tabelle oder Zuordnung, die Korrekturwerte für die Ansteuerung in Abhängigkeit von dem momentanen Drehwinkel umfasst.

Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem ein auch als Ermittlungsverfahren bezeichnetes Verfahren zum Ermitteln einer Korrekturfunktion für die drehwinkelabhängige Ansteuerung einer Scannervorrichtung in einer erfindungsgemäßen Fertigungsvorrichtung oder einer Fertigungsvorrichtung nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen, oder für die drehwinkelabhängige Ansteuerung von Strahlpositionen in einem erfmdungsgemäßen Verfahren oder einem Fertigungsverfahren nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen geschaffen wird, wobei eine von einem Drehwinkel einer zur Drehung eines um eine Strahlachse eines Energiestrahls nicht rotationssymmetrischen Strahlprofils des Energiestrahls um die Strahlachse eingerichteten Strahl drehvorrichtung abhängige Abweichung einer Ist-Profilposition, insbesondere des Schwerpunkts, des Strahlprofils von einer Soll- Profilposition, insbesondere Schwerpunkts, des Strahlprofils auf dem Arbeitsbereich bestimmt wird, und wobei die Korrekturfunktion anhand der bestimmten drehwinkelabhängigen Abweichung ermittelt wird. In Zusammenhang mit dem Ermittlungsverfahren ergeben sich insbesondere diejenigen Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Fertigungsvorrichtung oder dem Fertigungsverfahren beschrieben wurden.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass für eine Scannervorrichtung einer Fertigungsvorrichtung eine festgehaltene Strahlposition für den Energiestrahl vorgegeben wird, die die Soll-Profilposition des Strahlprofils auf dem Arbeitsbereich bestimmt, wobei das Strahlprofil an der festgehaltenen Strahlposition mittels der Strahldrehvorrichtung um die Strahlachse gedreht wird, und wobei die Ist-Profilposition des Strahlprofils auf dem Arbeitsbereich in Abhängigkeit von dem Drehwinkel der Strahldrehvorrichtung bestimmt wird.

In einer Ausführungsform wird dies an genau einer festgehaltenen Strahlposition durchgeführt - insbesondere mittig oder zentral auf dem Arbeitsbereich -, wobei die anhand der an der festgehaltenen Strahlposition ermittelten drehwinkelabhängigen Abweichungen der Ist- Profilpositionen von der Soll-Profilposition erhaltene Korrekturfunktion für alle Strahlpositionen auf dem Arbeitsbereich verwendet wird. In einer anderen Ausführungsform wird das Ermittlungsverfahren an einer Mehrzahl an festgehaltenen Strahlpositionen auf dem Arbeitsbereich durchgeführt, wobei die Korrekturfunktion zusätzlich in Abhängigkeit von der jeweiligen Strahlposition erhalten wird, oder wobei verschiedene Korrekturfunktionen für verschiedene Strahlpositionen erhalten werden.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ist-Profilposition des Strahlprofils mittels einer in dem Arbeitsbereich angeordneten Sensorvorrichtung bestimmt wird. Dies stellt eine besonders genaue und zugleich einfache Ausgestaltung des Ermittlungsverfahrens dar, insbesondere da die jeweilige Ist-Profilposition unmittelbar durch die in dem Arbeitsbereich angeordneten Sensorvorrichtung bestimmt werden kann. Insbesondere ist die jeweilige Ist- Profilposition unmittelbar identisch mit der jeweiligen Position des Strahlprofils auf der Sensorvorrichtung.

In einer anderen Ausgestaltung ist es auch möglich, dass die Ist-Profilposition auf dem Arbeitsbereich durch eine außerhalb des Arbeitsbereichs angeordnete, auf den Arbeitsbereich ausgerichtete Sensorvorrichtung, beispielsweise eine Pulverbettkamera, erfasst wird. In einer Ausführungsform ist die Sensorvorrichtung als Kamera ausgebildet. In einer anderen Ausführungsform kann die Sensorvorrichtung als in dem Arbeitsbereich anordenbare Substratplatte mit einer Mehrzahl an auf oder an der Substratplatte angeordneten oder in die Substratplatte integrierten, lichtempfindlichen Zellen, insbesondere Photodioden, ausgebildet sein.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass vor einer ersten Bestimmung der Ist-Profilposition eine Relativlage zwischen einem durch die Scannervorrichtung vorgegebenen Maschinenkoordinatensystem der Fertigungsvorrichtung und einem Sensorkoordinatensystem der - insbesondere in dem Arbeitsbereich angeordneten - Sensorvorrichtung ermittelt wird. Vorteilhaft kann auf diese Weise insbesondere die Ist-Profilposition durch die Sensorvorrichtung unmittelbar in dem Maschinenkoordinatensystem erfasst werden, oder es kann in einfacher Weise aus der in dem Sensorkoordinatensystem erfassten Ist-Profilposition auf die Ist-Profilposition in dem Maschinenkoordinatensystem zurückgerechnet werden. Jedenfalls ist auf diese Weise eine hochgenaue Korrektur der drehwinkelabhängigen Abweichung der Ist-Profilposition von der Soll- Profilposition möglich.

Insbesondere wird in einer Ausführungsform eine Transformation zwischen dem Sensorkoordinatensystem und dem Maschinenkoordinatensystem bestimmt, und die Transformation wird bei der Bestimmung der Ist-Profilposition berücksichtigt oder angewendet, sodass die Ist-Profilposition direkt in dem Maschinenkoordinatensystem bestimmt wird oder auf deren Lage in dem Maschinenkoordinatensystem zurückgerechnet werden kann.

Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Relativlage zwischen dem Maschinenkoordinatensystem und dem Sensorkoordinatensystem korrigiert wird, insbesondere indem die Sensorvorrichtung geeignet relativ zu der Fertigungsvorrichtung ausgerichtet wird. Auf diese Weise kann im optimalen Fall das Sensorkoordinatensystem mit dem Maschinenkoordinatensystem in Übereinstimmung gebracht werden, oder zumindest kann eine Abweichung zwischen dem Sensorkoordinatensystem und dem Maschinenkoordinatensystem minimiert werden.

In einer Ausführungsform des Ermittlungsverfahrens wird zunächst mittels der Sensorvorrichtung die Ist-Profilposition über eine vorbestimmte Messzeit an der festgehaltenen Strahlposition aufgezeichnet, ohne dass das Strahlprofil gedreht wird. Insbesondere wird auf diese Weise ein Messrauschen der Sensorvorrichtung ermittelt. Vorzugsweise wird anhand des ermittelten Messrauschens ein Filter generiert, mit dem die nachfolgend erfassten Signale der Sensorvorrichtung gefiltert werden. Dadurch kann vorteilhaft ein sehr rauscharmes Signal erhalten werden.

Anschließend wird bevorzugt die Relativlage zwischen dem Maschinenkoordinatensystem und dem Sensorkoordinatensystem ermittelt, insbesondere indem der Energiestrahl auf dem Arbeitsbereich in positive und negative x-Richtung und außerdem in positive und negative y- Richtung ausgelenkt wird, insbesondere derart, dass in der Sensorvorrichtung ein Achskreuz abgebildet wird. Hieraus kann dann insbesondere eine Verschiebung (Translation) und Verdrehung (Rotation) zwischen dem Maschinenkoordinatensystem und dem Sensorkoordinatensystem berechnet und insbesondere kompensiert werden.

Sodann wird vorzugsweise das Strahlprofil mittels der Strahl drehvorrichtung kontinuierlich, insbesondere mit konstanter Drehgeschwindigkeit gedreht, wobei insbesondere die Ist- Profilposition des Strahlprofils mit vorbestimmter, konstanter Messfrequenz erfasst wird. Dabei ist die Anzahl der erfassten Messpunkte umso höher, je geringer die Drehgeschwindigkeit oder je höher die Messfrequenz ist. Alternativ ist es möglich, dass einzelne Drehwinkel gezielt angefahren werden, wobei die jeweilige Ist-Profilposition stationär erfasst wird.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Korrekturfunktion durch Interpolation der drehwinkelabhängigen Abweichung erhalten wird. Insbesondere wird die Korrekturfunktion auf diese Weise als Korrekturkurve in Form von Stützstellen einschließlich der Interpolation zwischen den Stützstellen erhalten. Dies stellt eine besonders einfache und vorzugsweise zugleich genaue Ausgestaltung des Verfahrens dar, insbesondere wenn hinreichend viele Stützstellen verwendet werden. Insbesondere ermöglicht diese Ausgestaltung des Verfahrens - abhängig von der verwendeten Interpolation - eine einfache Berechnung der Korrekturfunktion.

Alternativ ist vorgesehen, dass die Korrekturfunktion durch Anpassung einer analytischen Funktion an die drehwinkelabhängige Abweichung erhalten wird, wobei die Korrekturfunktion als die angepasste analytische Funktion erhalten wird. Vorteilhaft kann auf diese Weise für jeden beliebigen Drehwinkel eine analytische Korrektur berechnet werden, die insbesondere umso genauer ist, je komplexer die analytische Funktion ist. Weiter ist vorteilhaft bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens der Speicherbedarf gering, da anstelle von Stützstellen nur eine Formel abgespeichert wird. Alternativ ist vorgesehen, dass als die Korrekturfunktion die drehwinkelabhängige Abweichung selbst erhalten wird. Insbesondere wird auf diese Weise die Korrekturfunktion als eine Tabelle oder Zuordnung, die Korrekturwerte für die Ansteuerung in Abhängigkeit von dem momentanen Drehwinkel umfasst, erhalten. Dies stellt eine besonders einfache und wenig rechenaufwändige Ausgestaltung des Verfahrens dar.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass für jede Drehrichtung der Strahldrehvorrichtung eine separate drehwinkelabhängige Abweichung ermittelt wird. Insbesondere kann auf diese Weise eine Hysterese im Taumelverhalten des Strahlprofils ausgeglichen werden.

Alternativ ist vorgesehen, dass die Strahldrehvorrichtung zur Ermittlung der drehwinkelabhängigen Abweichung ausschließlich in eine bestimmte Drehrichtung gedreht wird. Insbesondere wird auf diese Weise eine Hysterese im Taumelverhalten des Strahlprofils vermieden, sodass es keines Ausgleichs der Hysterese bedarf.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass für eine erste Drehrichtung der Strahl drehvorrichtung eine erste drehwinkelabhängige Abweichung ermittelt wird, wobei für eine zweite, von der ersten Drehrichtung verschiedene Drehrichtung der Strahldrehvorrichtung eine zweite drehwinkelabhängige Abweichung ermittelt wird, und wobei die Korrekturfunktion durch Mittelung der ersten drehwinkelabhängigen Abweichung und der zweiten drehwinkelabhängigen Abweichung erhalten wird. Dies stellt eine vergleichsweise einfache Möglichkeit des Hytereseausgleichs dar.

Alternativ wird als die Korrekturfunktion eine erste, der ersten Drehrichtung zugeordnete Korrekturfunktion anhand der ersten drehwinkelabhängigen Abweichung, und eine zweite, der zweiten Drehrichtung zugeordnete Korrekturfunktion anhand der zweiten drehwinkelabhängigen Abweichung erhalten. Dies stellt eine besonders genaue Möglichkeit des Hytereseausgleichs dar.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer

Fertigungsvorrichtung, und Figur 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Ermitteln einer Korrekturfunktion für die drehwinkelabhängige Ansteuerung einer Scannervorrichtung der Fertigungsvorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Fertigungsvorrichtung 1 zum additiven Fertigen von Bauteilen 3 aus einem Pulvermaterial.

Die Fertigungsvorrichtung 1 weist eine Strahlerzeugungsvorrichtung 5 auf, die eingerichtet ist, um einen Energiestrahl 7 zu erzeugen, der ein um eine Strahlachse A des Energiestrahls 7 nicht rotationssymmetrisches Strahlprofil 8 aufweist, insbesondere mit einer ersten, größeren Breite Bl entlang einer y-Richtung auf einem Arbeitsbereich 11 der Fertigungsvorrichtung 1 und mit einer zweiten, kleineren Breite B2 entlang einer x-Richtung auf dem Arbeitsbereich 11. Die Fertigungsvorrichtung 1 weist außerdem eine Strahldrehvorrichtung 15 auf, die eingerichtet ist, um das Strahlprofil 8 des Energiestrahls 7 um die Strahlachse A zu drehen. Hierzu weist Strahldrehvorrichtung 15 vorzugsweise eine in einem Drehlager 21 drehbar gelagerte Optik 17 auf, die beispielsweise ein Dove-Prisma oder ein anamorphotisches Dove-Prisma umfassen kann. Weiterhin weist die Fertigungsvorrichtung 1 eine Scannervorrichtung 9 auf, die eingerichtet ist, um den Energiestrahl 7 - insbesondere mittels eines Scanners 13 - in dem Arbeitsbereich 11 zu verlagern und den Arbeitsbereich 11 lokal selektiv mit dem Energiestrahl 7 zu bestrahlen, um mittels des Energiestrahls 7 das Bauteil 3 aus dem in dem Arbeitsbereich 11 angeordneten Pulvermaterial herzustellen. Insbesondere ist hier mit einem Pfeil P ein Bestrahlungsvektor angedeutet, in dessen Richtung das Strahlprofil 8 mittels der Scannervorrichtung 9 verlagert wird. Der Arbeitsbereich 11 wird im Rahmen der Herstellung des Bauteils 3 mit einer Mehrzahl solcher Bestrahlungsvektoren beaufschlagt, wobei die Bestrahlungsvektoren insbesondere verschiedene Orientierungen aufweisen. Die Strahldrehvorrichtung 15 dient insbesondere dazu, das Strahlprofil 8 relativ zu einer j eweiligen Orientierung des jeweiligen Bestrahlungsvektors auszurichten. Die Fertigungsvorrichtung 1 weist auch Steuervorrichtung 19 auf, die mit der Strahldrehvorrichtung 15 und mit der Scannervorrichtung 9 wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Strahldrehvorrichtung 15 und die Scannervorrichtung 9 anzusteuem, wobei die Steuervorrichtung 19 eingerichtet ist, um eine Ansteuerung der Scannervorrichtung 9 in Abhängigkeit von einem momentanen Drehwinkel der Strahl drehvorrichtung 15 zu korrigieren.

Insbesondere wenn die Strahlachse A nicht vollkommen exakt relativ zu einer Drehachse der Strahldrehvorrichtung 15 ausgerichtet ist, ergibt sich bei einer Drehung des Strahlprofils 8 eine Verlagerung des Strahlprofils auf dem Scanner 13 und damit in der Folge eine unerwünschte Taumelbewegung eines Schwerpunkts des Strahlprofils 8 auf dem Arbeitsbereich 11. Diese Taumelbewegung kann vorteilhaft durch die drehwinkelabhängige Korrektur der Ansteuerung der Scannervorrichtung 9 zumindest weitgehend, vorzuweisen vollständig ausgeglichen werden. Hierzu wird vorzugsweise die Ansteuerung der Scannervorrichtung 9 sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung derart korrigiert, dass der Schwerpunkt des Strahlprofils 8 - bei festgehaltener unkorrigierter Ansteuerung der Scannervorrichtung 9 - aufgrund der Korrektur stets unabhängig von dem Drehwinkel auf demselben, durch die unkorrigierte Ansteuerung der Scannervorrichtung 9 vorgegebenen Punkt auf dem Arbeitsbereich 11 zu liegen kommt.

Die Steuervorrichtung 19 ist vorzugsweise eingerichtet, um für die Korrektur der Ansteuerung der Scannervorrichtung 9 eine von dem Drehwinkel der Strahl drehvorrichtung 15 abhängige Korrekturfunktion zu verwenden.

Insbesondere wird als die Korrekturfunktion eine Funktion verwendet wird, die zusätzlich von einer Historie der Ansteuerung der Strahl drehvorrichtung 15 und/oder von einer Drehrichtung der Strahl drehvorrichtung 15 abhängt. Alternativ wird als die Korrekturfunktion eine über beide Drehrichtungen der Strahl drehvorrichtung 15 gemittelte Funktion verwendet.

Alternativ ist die Strahldrehvorrichtung 15 eingerichtet, um das Strahlprofil 8 nur in einer vorbestimmten Drehrichtung zu drehen, wobei insbesondere eine Endlosdrehung in die vorbestimmte Drehrichtung möglich ist.

Im Rahmen eines auch als Fertigungsverfahren bezeichneten Verfahrens zum additiven Fertigen eines Bauteils 3 aus dem Pulvermaterial wird insbesondere ein Drehwinkel des Strahlprofils 8 um die Strahlachse A eingestellt, insbesondere verändert, wobei der Energiestrahl 7 in dem Arbeitsbereich 11 an eine Mehrzahl an Strahlpositionen verlagert wird, so dass der Arbeitsbereich 11 lokal selektiv an den Strahlpositionen mit dem Energiestrahl 7 bestrahlt wird, um mittels des Energiestrahls 7 das Bauteil 3 aus dem in dem Arbeitsbereich 11 angeordneten Pulvermaterial herzustellen. Dabei wird eine Korrektur der Ansteuerung der Strahlpositionen in Abhängigkeit des eingestellten Drehwinkels vorgenommen.

Insbesondere wird den Strahlpositionen in Abhängigkeit von dem eingestellten Drehwinkel ein Korrekturvektor, insbesondere anhand einer Korrekturfunktion, zugeordnet. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines auch als Ermittlungsverfahren bezeichneten Verfahrens zum Ermitteln einer Korrekturfunktion f für die drehwinkelabhängige Ansteuerung der Scannervorrichtung 9 der Fertigungsvorrichtung 1.

Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern jeweils auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.

Im Rahmen des Ermittlungsverfahrens wird eine von dem Drehwinkel des Strahlprofils 8 um die Strahlachse A abhängige Abweichung einer Ist-Profilposition 23 insbesondere eines Schwerpunkts des Strahlprofils 8 von einer Soll-Profilposition 25 des Schwerpunkts des Strahlprofils 8 auf dem Arbeitsbereich 11 bestimmt, wobei die Korrekturfunktion f anhand der bestimmten drehwinkelabhängigen Abweichung ermittelt wird. Der besseren Übersichtlichkeit wegen ist in Figur 2 jeweils nur eine Ist-Profilposition 23 mit dem entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet. Insbesondere wird die Abweichung als Abweichungsvektor mit einer ersten Abweichungskomponente Ax entlang der x-Koordinate und einen zweiten Abweichungskomponente Ay entlang der y-Koordinate auf dem Arbeitsbereich 11 ermittelt.

Insbesondere wird für die Scannervorrichtung 9 eine festgehaltene Strahlposition für den Energiestrahl 7 vorgegeben, die die Soll-Profilposition 25 des Strahlprofils 8 auf dem Arbeitsbereich 11 - hier im Ursprung des dargestellten Maschinenkoordinatensystems bei x = 0 und y = 0 - bestimmt. Das Strahlprofil 8 wird an der festgehaltenen Strahlposition mittels der Strahldrehvorrichtung 15 um die Strahlachse A gedreht, wobei die Ist-Profilposition 23 des Strahlprofils 8 auf dem Arbeitsbereich 11 in Abhängigkeit von dem Drehwinkel der Strahldrehvorrichtung 9 ermittelt wird.

Insbesondere wird die Ist-Profilposition 23 des Strahlprofils 8 mittels einer in dem Arbeitsbereich 11 angeordneten und in Figur 1 schematisch angedeuteten Sensorvorrichtung 21 bestimmt.

Bevorzugt wird vor einer ersten Bestimmung der Ist-Profilposition 23 eine Relativlage zwischen einem durch die Scannervorrichtung 9 vorgegebenen Maschinenkoordinatensystem der Fertigungsvorrichtung 1 und einem Sensorkoordinatensystem der Sensorvorrichtung 21 ermittelt, sodass die Ermittlung der Ist-Profilposition 23 dann direkt in dem Maschinenkoordinatensystem erfolgen kann. Bei a) ist eine erste Ausgestaltung des Ermittlungsverfahrens dargestellt, bei der die Korrekturfunktion f durch Interpolation der drehwinkelabhängigen Abweichungen erhalten wird.

Zugleich ist bei der bei a) dargestellten Ausgestaltung vorgesehen, dass - insbesondere zum Zweck eines Hytereseausgleichs - für jede Drehrichtung der Strahl drehvorrichtung 15 eine separate drehwinkelabhängige Abweichung ermittelt wird, wobei insbesondere für eine erste Drehrichtung der Strahl drehvorrichtung 15 - insbesondere ausgehend von dem mit S gekennzeichneten Punkt um volle 360° gegen den Uhrzeigersinn bis zu dem mit E gekennzeichneten Punkt - eine erste drehwinkelabhängige Abweichung ermittelt wird, wobei für eine zweite, von der ersten Drehrichtung verschiedene Drehrichtung der Strahl drehvorrichtung 15 - insbesondere zurück, ausgehend von dem mit E gekennzeichneten Punkt um volle 360° entgegen dem Uhrzeigersinn bis zu dem mit S gekennzeichneten Punkt - eine zweite drehwinkelabhängige Abweichung ermittelt wird, und wobei als die Korrekturfunktion f eine erste, der ersten Drehrichtung zugeordnete Korrekturfunktion fl anhand der ersten drehwinkelabhängigen Abweichung, und eine zweite, der zweiten Drehrichtung zugeordnete Korrekturfunktion f2 anhand der zweiten drehwinkelabhängigen Abweichung erhalten wird.

Alternativ ist es möglich, dass die Strahl drehvorrichtung 15 zur Ermittlung der drehwinkelabhängigen Abweichung ausschließlich in eine bestimmte Drehrichtung gedreht wird, so dass nur eine Korrekturfunktion f erhalten und kein Hystereseausgleich benötigt wird.

Bei b) ist eine zweite Ausgestaltung des Ermittlungsverfahrens dargestellt, bei der die Korrekturfunktion f durch Anpassung einer analytischen Funktion, hier einer Ellipse, an die drehwinkelabhängige Abweichung, erhalten wird, wobei die Korrekturfunktion f insbesondere als die angepasste analytische Funktion erhalten wird.

Zugleich ist bei der bei b) dargestellten Ausgestaltung vorgesehen, dass zur Ermittlung der Korrekturfunktion f eine Mittelung der ersten drehwinkelabhängigen Abweichung und der zweiten drehwinkelabhängigen Abweichung verwendet wird. Insbesondere ist bei b) eine gemittelte Kurve aus den bei a) dargestellten ersten und zweiten drehwinkelabhängigen Abweichungen dargestellt.