Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor¬ richtung zum Kalibrieren einer Steuerung zur Ablenkung eines Laserstrahls für Rapid-Prototyping-Systeme.

Bei einem unter der Bezeichnung "Rapid Prototyping" oder "formgebendes Fertigungsverfahren unter Zuhilfenahme von Lasertechnik" bekannten Verfahren wird ein dreidimensionales Objekt schichtweise durch Aufbringen und anschließendes Ver¬ festigen aufeinanderfolgender Schichten eines zunächst flüssi¬ gen oder eines pulverförmigen Materials hergestellt. Die Ver¬ festigung erfolgt dabei durch einen gebündelten Lichtstrahl in Form eines Laserstrahls, der auf dem Objekt entsprechende Stellen der Schicht gerichtet bzw. abgelenkt wird und dort die Verfestigung des Materials bewirkt. Die Ablenkung des Laser¬ strahls erfolgt über einen Scanner, der über eine Steuerung derart betrieben wird, daß der Laserstrahl auf jede gewünschte Position in einer Arbeitsebene, die durch die Ebene der obersten zu verfestigenden Schicht des Objektes definiert ist, abgelenkt werden kann. Das Rapid-Prototyping-Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind beispielsweise aus der DE 41 34 265 bekannt.

Um die Koordinaten für den Scanner in realen Koordinaten, d. h. in Positionskoordinaten des Auftreffpunktes des Laserstrahles in der Arbeitsebene angeben zu können, benötigt die Scanner¬ steuerung eine Korrekturtabelle. Die Korrekturtabelle enthält eine Zuordnung der realen Koordinaten zu Scannerkoordinaten, d.h. zu den Koordinaten von in dem Scanner enthaltenen Ablenk¬ spiegeln. Diese Korrekturtabelle kann analytisch erstellt wer¬ den, wobei eine trigonometrische Feldverzerrung und Effekte der Scanneroptik ausgeglichen werden. Scanner- und prozeßspezifi- sche Fehler können analytisch jedoch nicht korrigiert werden. Deshalb wird zur Korrektur der Scannersteuerung eine Kalibrie¬ rung durchgeführt, die über die Messung eines Fehlers zwischen Soll- und Istposition des Laserstrahls in der Arbeitsebene die Korrekturtabelle angleicht.

Bei einem bekannten Kalibrierungsverfahren wird mit einem posi- tionsempfindlichen Detektor in der Arbeitsebene des Scanners an verschiedenen Positionen die Istposition des Laserstrahls ge¬ messen. Durch Vergleich der gemessenen Istpositionen mit Soll- positionen und Interpolation der Meßpunkte wird eine Korrektur¬ tabelle erstellt. Für die Genauigkeit der Kalibrierung ist die Positioniergenauigkeit des Detektors entscheidend. Jedes der beteiligten Systeme benötigt diese Positioniergenauigkeit. Da der Prozeß für große Arbeitsfelder sehr lange dauert, zur Kali¬ brierung des Scanners für ein 600 mm x 600 mm großes Arbeits¬ feld werden etwa 6 - 8 Stunden benötigt, gehen eine mögliche Drift des Lasers und des Scanners in die Kalibrierung als sy¬ stematischer Fehler ein. Die Mechanik zur Durchführung der Ka¬ librierung, d. h. der Detektor und eine Einrichtung zum Posi¬ tionieren des Detektors, sind in dem Rapid-Prototyping-System selbst erforderlich. Eine iterative Durchführung des Verfahrens ist aufgrund der langen benötigten Kalibrierungszeitdauer nicht sinnvoll und auch nicht rentabel. Außerdem ist der Detektor nur für bestimmte Wellenlängen des Laserlichtes und bestimmte La¬ serleistungen einsetzbar, was zu einer eingeschränkten Anwend¬ barkeit des Verfahrens führt.

Eine andere bekannte Möglichkeit eines Kalibrierungsverfahrens besteht darin, daß der Laserstrahl über einen Spiegel direkt in

eine Videokamera abgelenkt nα. Dab _ werden jeweils die ein¬ zelnen Auftreffpunkte des Laserstrahles in der Kamera digitali¬ siert, nicht jedoch ein Bild des gesamten Arbeitsfeldes. Durch Interpolieren verschiedener Istpositionen des Laserstrahls wird eine Korrekturtabelle erstellt. Dieses Verfahren kann iterativ eingesetzt werden, da es sehr schnell ist. Das Auflösungsvermö¬ gen der Kamera geht jedoch direkt in die Genauigkeit ein. Je größer das Arbeitsfeld ist, desto schlechter ist die Auflosung.

In einem weiteren bekannten Verfahren vard der Laserstrahl auf verschiedene Positionen auf einer brennbaren Unterlage gelenkt, um darauf vorgedruckte Rahmen, die Sollpositionen des Laser¬ strahles darstellen, zu markieren. Mit einem Pixelscanner wird sodann die Abweichung zwischen den Istpositionen und den Soll¬ positionen des Laserstrahls aul der Unterlage gemessen und eine Korrekturtabelle erstellt. Die Genauigkeit dieses Verfahrens ist abhangig von der Auflösung des Scanners, mit dem die Unter¬ lage ausgewertet wird. Durch eine Lrnohung der Meßpunktanzahl kann die Genauigkeit verbessert werden, die Große des Arbeits¬ feldes ist jedoch aui den Arbeitsbereich des Scanners begrenzt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Kalibrierungsverfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, das bzw. mit der eine Kali¬ brierung und eine Beurteilung einer bereits durchgeführten Kalibrierung mit hoher Genauigkeit und hoher Geschwindigkeit ohne auflosungsbedingte Beschrankung der Große des Arbeits¬ felds erlaubt bzw. möglich ist.

Die Aufgabe wird gelost durch ein Verfahren nach dem Patentan¬ spruch 1 und eine Vorrichtung nach Patentanspruch 15. Weiter¬ bildungen des Verfahrens sind in den Unteranspruchen gegeben.

Das Veriahren hat αen Vorteil, daß das Testbild in sehr kurzer Zeit erzeugt werden kann beispielsweise in 30 Sekunden. In die¬ sem Zeitraum auftretende Laser- und Scannerdriften gegen nur unwesentlich in die Kalibrierung ein. Dadurch wird ein statio¬ närer Zustand kalibriert. Falls Driften von einer durchgeführ¬ ten zur nächsten Kalibrierung auftreten, fuhren diese nicht zu einer Verzerrung αei Kalibrierung, sondern ver ndern bzw. ver- cchι_bt_n d,i . αtsani ^* ι 'Icst ld nut u ι πnen Oilsei. Die gesamte

Kalibrierung ist wesentlich schneller durchzuführen als bei dem Verfahren, bei dem ein positionsempfindlicher Detektor verwen¬ det wird. Das Verfahren hat daher den Vorteil, daß es iterativ durchzuführen ist und damit zu einer hohen Genauigkeit führt.

Die Auswertung des Testbildes kann in einer anderen Vorrichtung durchgeführt werden, als die Erzeugung des Testbildes. Das hat den Vorteil, daß die Vorrichtung zur Auswertung des Testbildes für die Kalibrierung von Lasersteuerungen verschiedener Rapid- Prototyping Systeme genutzt werden kann und die Kalibrierung an einer zentralen Stelle durchgeführt werden kann. Somit redu¬ ziert sich der Zeit- und Arbeitsaufwand für einen Benutzer ei¬ nes Rapid-Prototyping-Systemes erheblich.

Das Testbild kann zur Digitalisierung in Einzelbilder zerlegt werden, wobei Koordinaten von Merkmalen der Einzelbilder nach der Digitalisierung für die Auswertung zusammengesetzt werden. Die Digitalisierung kann beispielsweise mit einer Videokamera oder einem Pixelscanner mit entsprechender Auflösung und Graustufenerkennung erfolgen. Insbesondere die Verwendung eines Pixelscanners stellt eine wirtschaftliche Lösung einer Bildauf¬ nahme dar.

Die Größe der Einzelbilder kann durch ein zu wählendes Objektiv der Kamera verändert werden, wodurch sich die Genauigkeit stei¬ gern läßt. Dadurch ist das Verfahren unabhängig vom Auflösungs¬ vermögen einer elektronischen Schaltung der der Videokamera. Das Zusammensetzen der Einzelbilder erlaubt Arbeitsfeldgrößen, die nur durch die Positionierbarkeit der Kamera begrenzt wer¬ den.

Die Verwendung eines für die jeweilige Wellenlänge des Laser¬ lichtes und für die jeweilige Laserleistung geeigneten Filmes zum Erzeugen eines Testbildes erlaubt die Anwendung des Verfah¬ rens bei Rapid-Prototyping-Systemen mit unterschiedlichsten La¬ sern.

Es folgt die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren.

Von den Figuren zeigen:

Fig. la eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Testbildes zur Durchführung des er¬ findungsgemäßen Verfahrens;

Fig. lb eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Auswertung des Testbildes zur Durchführung des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine sche atische Darstellung des Verfahrensablaufs der Kalibrierung.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah¬ rens weist eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Testbildes und eine Vorrichtung zum Auswerten des Testbildes auf, die räumlich voneinander getrennt sind. Die Vorrichtung zum Erzeugen eines Testbildes ist ein Teil eines Rapid-Prototyping-Systems.

Wie aus Fig. la ersichtlich ist, weist die Vorrichtung zum Er¬ zeugen eines Testbildes einen Laser 1, der einen gerichteten Laserstrahl 2 abgibt, sowie einen XY-Scanner 3 in Form eines Galvanometerscanners, zum Ablenken des Laserstrahls 2 auf. Auch ein piezoelektrisch gesteuerter Scanner ist möglich. Zum Steu¬ ern des Scanners 3 ist eine Steuerung 4 vorgesehen, die die für die Ansteuerung des Scanners erforderlichen Daten, beispiels¬ weise Spannungsverläufe, erzeugt. In der Strahlrichtung des durch den Scanner 3 abgelenkten Laserstrahles 2 ist ein für eine Wellenlänge des Laserlichtes und/oder eine bestimmte La- serleistung empfindlicher Film 5 zum Erzeugen eines Testbildes vorgesehen, auf den der abgelenkte Laserstrahl 2 auftrifft. Als lichtempfindlicher Film 5 ist beispielsweise Thermopapier oder UV-empfindliches Fotopapier geeignet. Der Film 5 definiert eine Arbeitsebene des Scanners 3.

Zum Tragen des lichtempfindlichen Films S ist ein ebener Träge 6, beispielsweise in Form einer Plexiglasplatte, vorgesehen, auf deren dem Laserstrahl zugewandten Seite 6a der lichtemp findliche Film 5 angeordnet ist. Der Träger 6 weist an seine dem Film 5 bzw. dem Laserstrahl 2 abgewandten Seite höhenver stellbare Füße 7, beispielsweise in Form von Verstellschrauben, auf, mittels derer der Träger 6 auf der Oberseite 8a einer Trä gerplattform 8 eines Objektträgers 9 in dem Rapid-Prototyping System anbringbar ist. Der Träger 6 ist derart höhenverstell bar, daß er einen definierten Abstand h parallel zur Oberseit 8a der Trägerplattform 8 aufweist, so daß er auch parallel zu einer sich über dem Objektträger erstreckenden Oberfläche eine Bades aus verfestigbaren Material in dem Rapid-Prototyping-Sy stem, die eine Bildebene für den Laserstrahl definiert, ist. Der Träger 6 ist zusammen mit dem darauf befindlichen Film von dem Objektträger 9 abnehmbar, so daß er abgenommen und i die Vorrichtung zur Auswertung des Testbildes eingebracht wer den kann.

Wie aus Fig. lb ersichtlich ist, umfaßt die Vorrichtung zu Auswerten des Testbildes eine mittels einer Computersteuerun positionierbare Videokamera 10 und einen mit der Videokamera 1 verbundenen Computer 11. Die Vorrichtung umfaßt ferner eine nicht gezeigten höhenverstellbaren Halter zum Halten des Trä gers 6 mit dem darauf angeordneten Film 5, so daß der Film einen Abstand d zum Objektiv der Videokamera aufweist. Die Vi deokamera 10 ist über dem in die Vorrichtung eingebrachten Fil 5 derart positionierbar, daß mit der Kamera das gesamte Ar beitsfeld zum Erzeugen von Bildausschnitten eines auf dem Fil 5 erzeugten Testbildes abgefahren werden kann.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird anstelle der posi tionierbaren Videokamera 10 ein Pixelscanner verwendet.

Bei dem Verfahren zur Kalibrierung der Scannersteuerung 4 wir zuerst der Träger 6 mittels der höhenverstellbaren Füße 7 mi Hilfe einer Wasserwaage so horizontal einjustiert, daß der Trä ger 6 parallel zu der Trägerplattform 8 bzw. parallel zu de Badoberfläche ist.

Auf der dem Laserstrahl 2 zugewandten Oberfläche des Trägers 6 wird sodann der lichtempfindlicher Film 5 aufgelegt bzw. befe¬ stigt. Anschließend wird der lichtempfindliche Film 5, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, durch Ablenken des Laserstrahls 2 über den Scanner 3 an vorgegebene Positionen auf dem Film 5 zum Er¬ zeugen eines Testbildes 20 bestrahlt. Die Ablenkung des Laser¬ strahls 2 mit dem Scanner 3 erfolgt dabei zu Beginn der Itera¬ tion auf der Grundlage einer analytisch erzeugten Korrekturta¬ belle, welche die Zuordnung zwischen Koordinaten von in dem Scanner angeordneten Ablenkspiegeln und den Istkoordinaten, d. h. den Auftreffpunkten des Laserstrahls 2 auf dem Arbeitsfeld angibt. Bevorzugt erfolgt die Bestrahlung des lichempfindlichen Films in der Form eines Testgitters, welches ein Koordinaten¬ raster von Istkoordinaten darstellt. Der Mittelpunkt des licht¬ empfindlichen Films 5 und damit der Mittelpunkt des Arbeits¬ felds wird zur Erzeugung einer Mittelpunktskodierung gesondert markiert.

Bei der Verwendung eines Pixelscanners zur Bildaufnahme werden entsprechend der Größe des Pixelscanners Markierungen zur Teil¬ bilderkennung vorgesehen.

Die Erzeugung des Testbilds erfolgt in sehr kurzer Zeit etwa in 30 Sekunden oder weniger. In dieser Zeit ist die Wahrschein¬ lichkeit für eine erhebliche Laser- bzw. Scannerdrift sehr ge¬ ring. Daher wird ein stationärer Zustand des Lasers und des Scanners in dem Testbild 20 festgehalten.

Das erzeugte Testbild 20 wird als nächstes ausschnittsweise un¬ tersucht bzw. abgetastet. Dazu wird die Videokamera 10 sukzes¬ sive über dem erzeugten Testbild 20 verfahren, so daß jeweils Bildausschnitte 21 des Testbildes 20 mit der Kamera erzeugt werden. Die Größe der Bildausschnitte 21 kann durch Wahl des Objektivs der Videokamera 10 bestimmt werden.

Die Verwendung einer Videokamera 10 bietet den Vorteil, daß durch Wahl eines geeigneten Objektivs die Genauigkeit stark verbessert werden kann, da die Auflösung bei einer Digitalisie-

rung dadurch wesentlich erhöht wird. Bei der Verwendung eines wirtschaftlichen und mobilen Pixelscanners wird jeder Bildaus¬ schnitt 21 einzeln eingescannt.

Jeder Bildausschnitt 21 wird in dem Computer 11 mit einem ent¬ sprechenden Bildverarbeitungsprogramm analysiert. Dabei werden in dem Bildausschnitt 21 befindliche Gitterkreuzungen des Test¬ gitters auf der Grundlage einer Grauwertanalyse digitalisiert und als Bildkoordinaten gespeichert. Die Grauwertanalyse stei¬ gert die Auflösung beträchtlich im Vergleich zu einer bloßen Schwarz-Weiß-Analyse. Die Analyse erlaubt das Erkennen von Testbildern unterschiedlichsten Kontrastes, Ausleuchtung und Formats. Die Bildkoordinaten können durch die Abbildungseigen¬ schaften der Videokamera 10 von den realen Koordinaten, die durch die Auftreffpunkte des Laserstrahles auf dem Arbeitsfeld definiert sind, abweichen.

Bei der Verwendung eines Pixelscanners werden der Größe des Pi¬ xelscanners entsprechende Teilbilder überlappend digitalisiert.

Als nächstes werden die mit dem Bildverarbeitungsprogramm er¬ zeugten Bildkoordinaten der Gitterpunkte der digitalisierten Einzelbilder sowie deren Mittelpunktskodierungen an ein Auswer¬ teprogramm übergeben. Mittels dieses Auswerteprogramms werden die digitalisierten Einzelbilder zu einem Gesamtbild zusammen¬ gesetzt, wobei das Auswerteprogramm die Mittelpunktskodierung des Testbildes erkennt. Bei Verwendung eines Pixelscanners wer¬ den zusätzlich erzeugte Positionsmarken zur Auswertung und zum Zusammensetzen der Einzelbilder verwendet.

Zur Kamerakalibrierung werden die Bildkoordinaten des erzeugten Gesamtbildes mit den digitalisierten Koordinaten, eines photo¬ mechanisch gefertigten Referenzgitters verglichen, wobei eine durch die Abbildung der Kamera verursachte Abweichung zwischen Bildkoordinaten und realen Koordinaten in der Arbeitsebene er¬ kannt wird und korrigiert wird, so daß die Istpositionen des Laserstrahls in dem Gesamtbild in realen Koordinaten vorliegen. Die Mittelpunktskodierung des Testbilds kann dabei zur Trans-

formation verwendet werden. Die Bewertung des Gesamtbilds wird in einem Protokoll gespeichert.

Auf der Grundlage des Vergleichs der gemessenen Istpositionen des Laserstrahls 2 auf dem Testbild 20 mit vorgegebenen Sollpo¬ sitionen wird die Korrekturtabelle modifiziert.

Das Auswerteprogramm verfügt über eine graphische Benutzerober¬ fläche und ist somit leicht zu bedienen. Das Programm erlaubt die analytische Erstellung der unmodifizierten Korrekturtabelle mit und ohne Planfeldkorrektur. Ferner kann das Programm gemes¬ sene Punkte darstellen, die Punktekoordinaten des gesamten Testbildes unabhängig von der Gitterkonstante zusammensetzen und darstellen, ein Bewertungsprotokoll ausgeben, die Korrek¬ turtabelle unter Anwendung der Meßdaten modifizieren und Kor¬ rekturtabellen anzeigen sowie für die Scannersteuerung 4 ver¬ wendbar abspeichern. Das Auswerteprogramm ist außerdem in der Lage, die gemessenen Höhe h des Abstands des Trägers 6 zur Oberseite der Trägerplattform 8 zur Erzeugung einer Höhenkor¬ rektur für die Korrekturtabelle zu verarbeiten. Die Höhenkor¬ rektur dient zur Steuerung des Scanners für den Fall, daß die Kalibrierung in einem Rapid-Prototyping-System durchgeführt wird, bei dem der Träger 6 des Films 5 nicht exakt in der Ebene der Oberfläche des bades aus verfestigbaren Material positio¬ niert werden kann, da z.B. das Prozeßmedium bzw. das verfestig¬ bare Material nicht von dort entfernt werden kann.

Die mit dem Auswerteprogramm modifizierte Korrekturtabelle wird anschließend an die Scannersteuerung 4 übergeben. Ein neues Testbild kann damit erstellt, vermessen und ausgewertet werden. Diese Auswertung kann wieder zur Modifikation der Korrekturta¬ belle herangezogen werden. Der Vorgang führt nach ein bis zwei Iterationen zu einem Scannersystem mit realen Koordinaten.

Die Auswertung von Testbildern aus verschiedenen Rapid-Prototy- ping-Systemen kann nacheinander durchgeführt werden und die so erzeugten Korrekturtabellen können auf die Systeme mittels ge¬ eigneter Datenübertragung übertragen werden.