高温检测装置、其校准方法及用于生产三维工件的设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及高温检测装置及其校准方法。本发明进一步涉及用于生产三维工件的设备。
【背景技术】
[0002]粉末床熔化是附加的成层过程，通过该过程，粉状原材料，尤其是金属和/或陶瓷原材料可被处理成复杂形状的三维工件。为此目的，原材料粉末层被施加于载体上，并依据要生产的工件的期望几何形状以位置可选的方式经受激光辐射。穿透到粉末层中的激光辐射导致对原材料粉末粒子进行加热并最终熔融或烧结。然后将另外的原材料粉末层相继施加于载体上的已经经受激光辐射的层，直至工件具有期望的形状和尺寸。粉末床熔化可特别用于基于CAD数据来生产原型、工具、替换部件或医学假体，诸如例如牙科或整形外科假体。诸如电子辐射之类的其它电磁或粒子辐射可代替激光辐射用于原材料粉末粒子的熔融或烧结。
[0003]为了获得具有期望的物理特性的工件，可通过监测装置在生产过程中监测辐射斑处的熔融或烧结状况。
【发明内容】
[0004]本发明致力于提供高温检测装置及其校准方法的目的，允许精确地监测通过使用电磁辐射或粒子辐射对原材料粉末层进行辐射而生成三维工件的建立过程。本发明还致力于提供用于生产三维工件的设备的目的。
[0005]以上目的通过如权利要求1中限定的高温检测装置、如权利要求10中限定的用于生产三维工件的设备、如权利要求14中限定的用于对高温检测装置进行校准的方法来实现。
[0006]根据第一方面，在用于生产三维工件的设备中使用的高温检测装置包括:高温检测单元，被配置为接收检测平面的不同点处在检测方向上发出的热辐射；以及校准装置，包括基板和多个光导，每个光导具有用于将光耦合到光导中的第一端和用于从光导发出光的第二端，第二端被固定到基板。基板适于，在高温检测装置的校准状态下，以使得多个光导的第二端设置在检测平面中并在检测方向上发射光的方式，相对于高温检测单元可移除地设置。
[0007]高温检测单元可包括对熔融或烧结斑的激光器发射的热辐射对应的波长区域中的电磁辐射灵敏的光学检测器。具体而言，高温检测单元可包括用于检测两个不同波长范围处的热辐射的至少两个光学检测器，其中可使用光学滤波器(例如，高通、低通或带通滤波器)或波长相关分束器将期望波长范围中的热辐射的进入光束导向相应的检测器。热辐射可处于红外波长范围，并且光学检测器可对红外辐射范围中的热辐射灵敏。高温检测单元的光学检测器可依据各个检测器处的特定波长范围中的热辐射的辐射强度输出电信号。可提供估算单元用于基于电信号(例如，基于来自检测不同波长范围处的热辐射的两个检测器的两个电信号的比)计算温度值。
[0008]校准装置的多个光导可为借助内部全反射将(例如，可见或红外波长范围中的)光从第一端导向其第二端的光导。多个光导的第二端可固定至基板，以便第二端相对于基板的定向不随时间改变。
[0009]基板适于，通过将基板手动设置在期望位置，或通过使用马达或机器人手臂将基板移动到期望的位置，相对于高温检测单元可移除地设置。在校准状态下，多个光导的第二端设置在检测平面中。第二端可为多个光导的发光端，并且可基本设置在关于基板的平面中。在校准状态下，该平面对应于高温检测单元的检测平面。光导适于在高温检测单元的检测方向上发光，以便在校准状态下，从多个光导发出的光可被高温检测单元检测。高温检测装置的校准状态可为对高温检测单元进行校准以补偿高温检测单元关于检测平面中的不同点(即，不同位置)处发出的辐射的相关性。
[0010]基板可为板状，并且多个光导的第二端可设置在与板状的基板的上侧对应的平面中。基板可为例如金属板。具体而言，基板可为黑色阳极化处理的铝板。
[0011]光导中的每一个可被引导通过基板中的通孔。例如，多个光导中的每一个可被引导通过独立的通孔。多个光导可借助通孔和/或使用紧固设备(例如，胶粘物或橡胶)被固定至基板。通孔中的至少一个可关于基板的表面以一倾斜角提供，以便被引导通过该通孔的光导的主发光方向为相对于基板的表面的倾斜方向。
[0012]在校准状态下，多个光导的第二端可固定至基板，以便每个光导的主发光方向对应于高温检测单元的检测方向。主发光方向可对应于从相应光导发出的光的最高强度的方向。换言之，在校准状态下，多个光导中的每一个的第二端可被定向为使得来自光导中的每一个的发出光强度的最大值在高温检测单元的检测方向上定向。
[0013]在校准状态下，多个光导的第二端可固定至基板，以便多个光导的第二端在高温检测单元的检测方向上定向。换言之，主发光方向可对应于光导被定向的方向，即相应光导的第二端被定向的方向。
[0014]多个光导的第二端可以矩阵的形式设置在基板上。例如，可以矩阵的形式设置多个通孔，光导被引导通过多个通孔。矩阵可以为例如具有η行和m列的η乘以m矩阵，其中行被彼此平行设置，并且列被彼此平行设置。行和列可以90度的角度彼此交叉。在每个交叉处，可设置多个光导中的一个的第二端。该矩阵可为具有相同量的行和列的η乘以η矩阵。每对相邻列之间的距离可以相同，且每对相邻行之间的距离可以相同。另外，相邻列之间的距离可与相邻行之间的距离相同。
[0015]高温检测装置还可包括光源，其适于经由多个光导的第一端将光耦合进多个光导中的每一个，其中耦合进多个光导中的每一个中的光的强度基本相同。光源可将光束引导至多个第一端中的每一个，以便相同量(相同强度)的光耦合进光导的每一个中。例如，可将具有顶冒束剖面的气体放电灯或激光器用作光源。在使用激光器的情况下，激光器可发射具有与高温检测单元检测的热辐射的波长不同的波长的光。
[0016]光导可为玻璃纤维，且多个光导的第一端可以捆的形式彼此邻近设置。该捆可借助捆套保持在一起。捆可设置为使得多个第一端中的每一个以相同的方向定向。可提供光源用于照射该捆，以便基本相同强度的光被耦合进多个光导中的每一个中。
[0017]光导中的每一个可具有相同的长度。另外，光导中的每一个可具有相同的光学特性。耦合出多个光导中的每一个的第二端的光的强度可相同。
[0018]根据第二方面，用于生产三维工件的设备包括:载体；粉末施加装置，用于将原材料粉末施加到载体上；以及辐射装置，用于选择性地将电磁或粒子辐射辐射到施加于载体的表面上的原材料粉末上。该设备还包括本文的高温检测装置，其中高温检测装置的检测平面对应于载体上限定的辐射平面。
[0019]该设备可为用于粉末床熔化的设备。高温检测装置的高温检测单元可安装在该设备上，并且校准装置的基板可适于相对于该设备可移除地设置。在校准状态下，多个光导的第二端可设置在该设备的辐射平面中。辐射平面可在载体上限定，以便辐射平面为与载体的表面平面平行的平面。在设备的操作期间，当写入三维工件的第一层时，辐射平面可基本对应于载体的表面平面。
[0020]在校准状态下，基板、多个光导和光源可设置在该设备的处理室内部。该处理室可为适于封闭密封的室。处理器可在启动设备的操作状态之前被抽真空。另外，在操作状态期间，该室可充满预定气体，特别是惰性气体。
[0021]辐射装置可包括配置为发射激光束的激光源，以及配置为将激光束导向辐射平面的预定点处的光学单元。激光源可适于发射用于熔融或烧结原材料粉末的激光束。光学单元可包括可旋转镜子。可旋转镜子可关于至少两个旋转轴旋转，以便激光束可在辐射平面的两个维度上被导向预定点。另外，光学单元可包括其它光学元件，例如至少一个透镜。可提供一个透镜或多个透镜用于将激光束聚焦到辐射平面上。另外，可提供可移动透镜用于使辐射平面中的辐射斑变窄或变宽。
[0022]光学单元可被配置为将检测平面的不同点处发出的热辐射导向高温检测单元，并且检测平面的每个点处的检测方向可与激光束的入射方向相反。检测平面的点处的热辐射可由检测平面的那个点处的原材料粉末的激光熔融引起，其中检测平面对应于设备的辐射平面。另外，在校准状态下，光学单元可配置为将从激光源进来的激光导向辐射平面(对应于检测平面)。激光束的光学路径与由高温检测单元检测的热辐射的光学路径可至少部分地彼此对应。
[0023]根据第三方面，用于对在生产三维工件的设备中使用的高温检测装置进行校准的方法包括:相对于被配置为接收检测平面的不同点处在检测方向上发出的热辐射的高温检测单元可移除地设置校准装置。校准装置包括基板和多个光导，每个光导具有用于将光耦合进光导中的第一端和用于从光导发出光的第二端，第二端固定至基板，其中多个光导的第二端设置在检测平面中。该方法还包括经由第一端将光耦合进多个光导中的每一个中；借助高温检测单元在检测方向上独立地测量从多个光导的第二端中的每一个发出的光的强度；以及基于强度测量的结果校准高温检测单元。
[0024]可将强度测量的结果保存在设备的存储器中。校准的步骤可由计算机执行。该方法的另外的步骤也可通过设备的控制器自动执行。