PHILIPPI, Jochen (Heimstättenstrasse 11, Gräfelfing, 82166, DE)
| Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts,
5 bei dem das Objekt durch schichtweises Verfestigen eines Aufbau- materials mittels eines Strahls eines Gaslasers an jeweils den dem Querschnitt des Objekts in einer Schicht entsprechenden Stellen verfestigt wird, wobei die Leistung des Lasers gemessen wird und die Laserleistung in Abhängigkeit von dem gemessenen
LO Wert gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsmessung in einem Zeitfenster stattfindet, in dem eine Leistungsänderung erfolgt, und ein Steuer-Eingangssignal des Lasers in Abhängigkeit von den gemessenen Werten gesteuert wird.
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2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Leistungsänderung abrupt erfolgt .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Leistungsände- 10 rung ein Einschaltvorgang, ein Ausschaltvorgang oder ein Umschalten zwischen zwei Leistungswerten ist.
4. Verfahren nach einer der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Laserstrahl in Spuren über die Schicht geführt wird, wobei jede
!5 Spur einen Anfang aufweist und wobei der Laser zu Beginn der
Spur eingeschaltet wird und die Leistungsmessung beim Einschaltvorgang erfolgt .
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in Abhän- !0 gigkeit von den gemessenen Werten eine Einschaltrampe ermittelt wird, gemäß der das Steuer-Eingangssignal des Lasers sich beim Einschaltvorgang ändert .
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Laserstrahl in Spuren über die Schicht geführt wird und die Spur einen Anfang und ein Ende aufweist, wobei der Laser am Anfang 5 der Spur eingeschaltet wird und am Ende der Spur ausgeschaltet wird, und wobei die Steuer-Eingangssignale des Lasers einer zeitlich späteren Spur von den Messwerten der Leistung beim Einschaltvorgang einer zeitlich früheren Spur abhängen.
LO 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Regelung iterativ erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Laser ein CO 2 -Laser ist.
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9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei als Leistungsmesseinrichtung ein Sensor verwendet wird, der eine Antwortzeit von etwa lOμs oder weniger aufweist.
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Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts
5 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Aus der EP 0 758 952 Bl ist ein Verfahren zum Herstellen eines .0 dreidimensionalen Objekts mittels Lasersintern bekannt, bei dem die Position, die Leistung und/oder der Durchmesser des Laserstrahls an einer Stelle unmittelbar oberhalb der zu verfestigenden Schicht gemessen wird und wobei das Messergebnis mit vorgegebenen Referenzwerten verglichen wird und aufgrund des Verglei- L5 ches eine Fehleranzeige oder Korrektur des Strahls vorgenommen wird. Bei dem Verfahren wird vorzugsweise ein Festkörper-Laser verwendet .
Ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus -0 der EP 1 705 616 Al bekannt. Das bekannte Verfahren betrifft die Steuerung der Laserleistung bei einem Rapid Prototyping-System, wie beispielsweise einem Stereolitografiesystem oder einem Lasersintersystem. Bei derartigen Rapid Prototyping-Systemen wird das Objekt durch schichtweises Verfestigen eines im Falle der 25 Stereolitografie flüssigen Aufbaumaterials und eines im Falle des Lastersinterns pulverförmigen Aufbaumaterials mittels eines Laserstrahls in jeder Schicht an den dem Querschnitt des Objekts in der Schicht entsprechenden Stellen verfestigt. Dabei wird der Laserstrahl über ein Scannersystem derart abgelenkt, dass er in 0 Linien, wie beispielsweise Vektoren, über die Schicht geführt wird. Für jeden Bereich des herzustellenden Objekts ist eine optimale Belichtung erwünscht, die für alle Bereiche gleich oder auch von Bereich zu Bereich unterschiedlich sein kann. Bei den
bekannten Verfahren wird die Leistung des Laserstrahls mittels eines Leistungsmessgeräts gemessen und dann die Laserleistung nachgeregelt, sodass die gewünschte Belichtungsstärke und Tiefe erreicht wird. 5
Gerade bei Gaslasern, insbesondere bei CO 2 -Lasern, tritt jedoch das Problem auf, dass Kurz- und Langzeit-Schwankungen der Leistung des Lasers stark von den vorherigen Bedingungen des Laserbetriebs abhängen, die zudem ständig wechseln. Eine einfache LO "closed-loop" -Regelung, wie sie gemäß der EP 1 705 616 Al vorgenommen wird, ist jedoch nicht geeignet, eine Langzeitstabilisierung der Laserleistung zu erzielen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines L5 dreidimensionalen Objekts mittels Rapid Prototpying herzustellen, bei dem ein Gaslaser, insbesondere ein CO 2 -Laser verwendet wird und bei dem Kurz- und Langzeit-Schwankungen der Leistung des Lasers eliminiert werden, sodass die Qualität des so hergestellten Objekts verbessert wird. 20
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. 5 Das Verfahren weist insbesondere den Vorteil auf, dass durch eine automatisierte Auswertung der Laserleistung mit einer sehr geringen Verzögerung das Steuer-Eingangssignal des Lasers so an- gepasst werden kann, dass Einschalteffekte durch gezielte Einschaltrampen vermindert werden. Laserleistungsschwankungen kön- 0 nen so bis in den Bereich von lOμs kompensiert werden.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
5 Fig.l eine schematische Darstellung einer Lasersintervorrichtung;
Fig. 2 eine grafische Darstellung, die die gemessene Leistung in Abhängigkeit von der Zeit mit und ohne Einschalt-Rampe bei einer LO Spur, die der Laserstrahl auf der Schicht belichtet, zeigt;
Fig. 3 zeigt schematisch den Verlauf des Steuer-Eingangssignals für den Laser; und
L5 Fig. 4 zeigt schematisch die gemessene Leistung für zwei aufeinander folgende Spuren.
Im Folgenden wird mit Bezug auf Fig. 1 eine Lasersintervorrichtung mit der erfindungsgemäßen Lasersteuerung beschrieben.
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Die Vorrichtung weist einen Baubehälter 1 auf, in dem ein Träger 2 zum Tragen eines zu bildenden Objekts 3 vorgesehen ist. Träger 2 ist über eine Höheneinstelleinrichtung 4 in vertikaler Richtung in dem Baubehälter verfahrbar. Die Ebene, in der aufgetra- 5 genes pulverförmiges Aufbaumaterial verfestigt wird, definiert eine Arbeitsebene 5. Zum Verfestigen des pulverförmigen Materials in der Arbeitsebene 5 ist ein Laser 6 vorgesehen, der als Gaslaser, insbesondere als CO 2 -Laser ausgebildet ist. Der Laser 6 erzeugt einen Laserstrahl 7, der über eine Ablenkeinrichtung 0 8, beispielsweise in Form eines oder mehrerer Umlenkspiegel, der bzw. die über eine nicht dargestellte Schwenkeinheit geschwenkt werden können, und eine Fokussiereinheit 9 auf die Arbeitsebene 5 fokussiert wird. Es ist eine Steuerung 10 vorgesehen, die die
Ablenkeinrichtung 8 und ggf. die Fokussiereinheit 10 derart ansteuert, dass der Laserstrahl 7 auf jede beliebige Stelle der Arbeitsebene 5 gelenkt werden kann.
5 Ferner ist eine Zufuhrvorrichtung 11 vorgesehen, mit der pulver- förmiges Aufbaumaterial für eine folgende Schicht zugeführt werden kann. Mittels eines Beschichters 12 wird das Aufbaumaterial in die Arbeitsebene 5 aufgebracht und geglättet .
LO AUS dem Laserstrahlengang wird innerhalb des Lasers oder außerhalb, wie in Fig. 1 gezeigt ist, mittels eines teiltransparenten Spiegels 13 ein Teil 7' des Laserstrahls 7 ausgekoppelt. Der teiltransparente Spiegel 13 ist so ausgebildet, dass weniger als etwa 1% der Leistung ausgekoppelt wird. Bei der beschriebenen
L5 Ausführungsform ist der teiltransparente Spiegel 13 im Strahlengang vor der Ablenkeinrichtung 8 angeordnet . Der ausgekoppelte Strahl 7' trifft auf einen Sensor 14 zur Messung der Leistung. Der Sensor 14 ist vorzugsweise als ein Atomlagen-Thermopile- Sensor (Thermosäulen-Sensor) ausgebildet. Er besitzt eine kurze
10 Antwortzeit von ungefähr lOμs. Damit ist die Auflösung einzelner Pulse des Lasers möglich. Insbesondere ist der Sensor derart ausgebildet, dass er eine Aufzeichnung des Einschaltverhaltens des Lasers parallel zum normalen Baubetrieb ermöglichen kann. 5 Im Betrieb wird der Träger 2 Schicht für Schicht abgesenkt, eine neue Pulverschicht aufgetragen und mittels des Laserstrahls 7 an den dem Objekt entsprechenden Stellen der jeweiligen Schicht in der Arbeitsebene 5 verfestigt . Dabei wird die Ablenkeinrichtung 8 derart angesteuert, dass der Laserstrahl 7 in Spuren über die O Arbeitsebene 5 geführt wird. Ein bekanntes Belichtungsmuster ist beispielsweise die Belichtung mittels einer Mehrzahl von nebeneinander liegenden parallelen Spuren. üblicherweise wird der La-
ser am Ende einer Spur ausgeschaltet und zu Beginn einer neuen Spur eingeschaltet .
Fig. 2 zeigt die vom Sensor 14 gemessene Laserleistung in Abhän- 5 gigkeit von der Zeit für eine Spur. Die Kurve 1 zeigt die gemessene Laserleistung, wenn keine erfindungsgemäße Steuerung vorgenommen wird. In diesem Fall ist das Einschalten des Lasers mit einem im linken Teil der Kurve deutlich erkennbaren überschwinger Ia verbunden, d.h. die Leistung ist zu Beginn der Spur zu LO hoch. Dies führt, wenn alle oder die meisten Spuren derartige
Leistungsschwankungen aufweisen, zu Ungenauigkeiten beim Objekt- aufbau, da die Verfestigung entlang einer Spur nicht gleichmäßig erfolgt .
L5 Bei dem Verfahren nach einer bevorzugten Ausführungsform wird die Laserleistung mittels des Sensors 14 über einen Zeitraum in Echtzeit gemessen, der dem Zeitraum für den Einschaltvorgang einschließlich des überschwingers entspricht. Dieser Zeitraum ist in Fig. 2 durch δti gezeigt .
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Aus den gemessenen Leistungswerten wird für das Steuer- Eingangssignal des Lasers eine Einschaltrampe bestimmt, die die Abhängigkeit des Steuer-Eingangssignals von der Zeit für den Einschaltvorgang δti angibt und die so gewählt wird, dass
15 der in Fig. 2 gezeigte überschwinger Ia in Kurve 1 ausgeglichen ist. Die in Fig. 2 gezeigte Kurve 2 zeigt die gemessene Leistung für den Fall, dass das Steuer-Eingangssignal gemäß der gewählten Einschaltrampe beim Einschaltvorgang geändert wird.
SO Fig. 3 zeigt schematisch den Wert des Steuer-Eingangssignals in Abhängigkeit von der Zeit. Wenn keine Einschaltrampe verwendet wird, ändert sich das Steuer-Eingangssignal abrupt von 0 auf den vorbestimmten Wert. Dies führt zu dem in Fig. 2 gezeigten über-
schwinger. Bei Verwendung der Einschaltrampe wächst der Wert des Steuer-Eingangssignals entsprechend einer vorgegebenen Funktion an. Fig 3. zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform dieser Funktion mit einem Startimpuls und einer anschließenden temporären 5 Dämpfung des Ansteuersignals, wodurch ein schnelles Erreichen der Sollleistung des Lasers bei gleichzeitiger Verhinderung eines überschwingers entsprechend Fig. 2 verhindert wird.
Die Einschaltrampe ist die über die Zeit aufgetragene Ansteuer- LO leistung. Diese Rampe ist eine Funktion verschiedener Parameter und hängt insbesondere von der gewünschten Laserleistung, von der Pause vor dem Einschalten des Lasers sowie von der Summe der vorherigen Schaltzustände ab. Sie kann beispielsweise empirisch ermittelt werden und die Parameter können als Tabelle hinterlegt L5 werden oder es kann eine zu berechnende Funktion definiert werden.
Wie in Fig. 4 ersichtlich ist, folgen mehrere Spuren aufeinander, beispielsweise Spur n und Spur n+1, mit denen der Laser die
>0 Schicht überstreicht. Die aus der EchtZeitmessung der Laserleistung beim Einschalten in Spur n zum Eliminieren des über- schwingers ermittelte Einschaltrampe wird bereits bei der nächsten Spur n+1 berücksichtigt. Die in Spur n+1 beim Einschaltvorgang gemessene Leistung kann wiederum zur Korrektur der Ein-
!5 schaltrampe für die nachfolgende Spur verwendet werden. Das Verfahren ist somit iterativ.
Mit dem beschriebenen Verfahren können Laserleistungsschwankungen bis in den Bereich der zeitlichen Auflösung des Sensors 14, 10 d.h. bis in den Bereich von etwa lOμs kompensiert werden. Damit erfolgt eine Langzeitstabilisierung der Laserleistung, da die Stabilisierung nicht mehr von der ständig wechselnden Vorgeschichte des Laserbetriebs abhängt.
In einer abgewandelten Ausführungsform wird der Betrieb des Lasers über einen längeren Zeitraum ohne eine Stabilisierung mit dem Sensor überwacht und anhand der gemessenen Leistungskurven 5 eine Klassifizierung bestimmter Betriebsweisen oder bestimmter Belichtungsmuster vorgenommen und daraus geeignete Einschaltrampen berechnet. Die Steuerung der Laserleistung wird dann basierend auf den vordefinierten Einschaltrampen mittels des oben beschriebenen iterativen Prozesses an den jeweili- .0 gen Laser angepasst.
Ferner ist es möglich, die Laserleistung zu protokollieren und über einen Protokollierungszeitraum den verwendeten Spuren zuzuordnen . .5
In einer weiteren Abwandlung kann das Einschaltverhalten an das Beschleunigungsverhalten innerhalb einer zu belichtenden Spur angepasst werden.
!0 Die Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Ausführungs- beispiel beschränkt. Sie kann für alle Rapid Prototyping- Verfahren verwendet werden, bei denen ein Gaslaser verwendet wird.
5 Die Erfindung ist ferner nicht darauf beschränkt, dass die
Steuerung der Laserleistung nur anhand des Einschaltverhaltens erfolgt, sondern es können alle Vorgänge gemessen und gesteuert werden, in denen eine änderung der Laserleistung erfolgt, wie z.B. der Ausschaltvorgang oder Vorgänge mit änderung von kleine-
0 rer zu größerer Laserleistung oder umgekehrt.
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