JP2019137912A - ３次元の物体を付加製造する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギービームの焦点位置の決定が改善された、３次元の物体を付加製造（積層造形）する装置を提供すること。【解決手段】エネルギービーム（５）によって固化することができる造形材料（３）の層を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体（２）を付加製造（積層造形）する装置（１）が提供され、エネルギービーム（５）の焦点位置（７）及び／又は参照焦点位置からのずれに関係する少なくとも１つのパラメータを決定するように適合された決定デバイス（６）が提供され、決定は、参照角度に対するエネルギービーム（５）の少なくとも一部の角度ずれに基づいて行われる。【選択図】図４

Description

本発明は、エネルギービームによって固化することができる造形材料の層を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体を付加製造（積層造形）する装置に関する。

３次元の物体を付加製造（積層造形）する装置は、従来技術から概して知られている。そのような装置は、典型的には、通常は造形平面内に配置された造形材料の表面にわたってエネルギービームを生成及び／又は案内するように適合された照射デバイスを使用する。造形材料の選択的な照射のため、造形材料を選択的に固化することができる。造形材料を照射し、それによって固化し、交互に造形材料の新しい層を塗布することによって、物体を層ごとに造形することができる。

エネルギービームによって照射される造形材料の固化挙動は、たとえば造形材料内で消耗されるエネルギーに影響するエネルギービームのパラメータに強く依存する。言い換えれば、照射デバイスの制御がそれに基づいて行われるパラメータは、造形材料の固化挙動に影響し、それによって物体の品質、特に機械的特性に影響を与える。

主要なパラメータの１つは、エネルギービームの焦点位置であり、又は言い換えれば、エネルギービームが適切に集束されていることを確実にすることが重要である。造形材料上のエネルギービームのスポットサイズは、造形材料内でエネルギーがどれだけ消耗されるか（面積当たり）を画定し、またスポットサイズは、造形材料内で照射される構造又はパターンに影響するため、物体品質及び／又は処理品質が満たされることを確実にするために、たとえば適切なエネルギー及び／又はエネルギービームの強度が使用されることを確実にすることによって、スポットサイズを監視することが重要である。たとえば、エネルギービームの実際の焦点位置が基準焦点位置からずれている場合、所望のスポットサイズが満たされない。したがって、物体の構造的要素、たとえば線の厚さがそれらの基準値からずれているため、造形材料内で照射しなければならないパターンも基準パターンからずれる。加えて、スポットサイズ、すなわちエネルギービームのエネルギーが分散される面積もその基準値から同様にずれるため、面積当たりの強度又はエネルギーが、面積当たりの基準エネルギーからずれる。

しかし、知られている手法は、特に３次元の物体を付加製造（積層造形）するために使用される光学系の焦点距離が急速に変化する条件で、センサの応答時間によって制限されている。知られている付加製造（積層造形）装置では、急速に変化する焦点距離は、たとえば熱によって誘起された焦点移動であると誤解される可能性がる。

本発明の目的は、エネルギービームの焦点位置の決定が改善された、３次元の物体を付加製造（積層造形）する装置を提供することである。

この目的は、本発明によれば、請求項１に記載の装置によって実現される。本発明の有利な実施形態は、従属請求項に準拠する。

本明細書に記載する装置は、エネルギー源、たとえばエネルギービーム、特にレーザビーム又は電子ビームによって固化することができる粉末状の造形材料（「造形材料」）の層を連続して選択的に層ごとに固化することによって３次元の物体、たとえば技術的構成要素を付加製造（積層造形）する装置である。それぞれの造形材料は、金属、セラミック、又はポリマー粉末とすることができる。それぞれのエネルギービームは、レーザビーム又は電子ビームとすることができる。それぞれの装置は、たとえば、選択的レーザ焼結装置、選択的レーザ溶融装置とすることができる。

この装置は、その動作中に使用される複数の機能ユニットを備えることができる。例示的な機能ユニットには、処理チャンバ、処理チャンバ内に配置された造形材料層を少なくとも１つのエネルギービームによって選択的に照射するように適合された照射デバイス、及び所与の流れ特性、たとえば所与の流れプロファイル、流速などで処理チャンバを通って少なくとも部分的に流れるガス状流体流を生成するように適合された流れ生成デバイスが挙げられる。ガス状流体流は、処理チャンバを通って流れる間に、固化されていない粒子状の造形材料、特に装置の動作中に生成される煙又は煙残留物で充填することが可能である。ガス状流体流は、典型的には不活性であり、すなわち典型的には不活性ガス、たとえばアルゴン、窒素、二酸化炭素などの流れである。

前述したように、本発明は、焦点位置を決定するように適合された装置に関し、すなわち焦点位置を監視することができる。本発明は、エネルギービームの焦点位置及び／又は基準焦点位置からのずれに関係する少なくとも１つのパラメータを決定するように適合された決定デバイスが提供され、決定は、基準角度に対するエネルギービームの少なくとも一部の角度ずれに基づいて行われるという概念に基づいている。したがって、決定デバイス、たとえばエネルギービームを部分的に決定デバイスへ案内するビームスプリッタにエネルギービームが入射する基準角度を画定することができ、エネルギービームは、エネルギービームが適切に集束されている場合、すなわち焦点位置が基準焦点位置に一致する場合、基準角度で入射する。

したがって、エネルギービームの焦点位置が基準焦点位置からずれている場合、エネルギービームが決定デバイスに入射する角度も、適切に集束されたエネルギービームに対して画定された基準角度からずれる。したがって、エネルギービームが入射する角度を決定すること、特に基準角度に対するエネルギービームの少なくとも一部の角度ずれを決定することによって、エネルギービームが適切に集束されているかどうか、又は基準焦点位置からのずれが存在するかどうかを決定することが可能である。したがって、決定された基準角度に基づいて、エネルギービームの焦点位置に関係する少なくとも１つのパラメータを決定することが可能である。言い換えれば、決定された角度ずれに基づいて、エネルギービームの焦点位置及び／又は基準焦点位置からのずれを決定することができる。

これにより、造形平面を監視し、エネルギービームが入射する造形平面の少なくとも一部を撮像する必要なく、エネルギービームの焦点位置及び／又は基準焦点位置からのずれに関係する少なくとも１つのパラメータを決定することが可能になる。したがって、造形平面上のエネルギービームの実際のスポットサイズと、基準の又は画定されたスポットサイズとを比較する必要はない。

さらに、本発明の装置は、有利には、エネルギービームが造形平面上へ案内される必要なく、焦点位置に関係する少なくとも１つのパラメータを決定することを可能にする。その代わりに、エネルギービームの焦点位置に関係する少なくとも１つのパラメータはまた、好ましくはエネルギービームが処理チャンバ内へ案内される前に、エネルギービームから分割されたエネルギービームの（わずかな）部分の決定を実行することができるため、処理チャンバ内へ案内されないエネルギービームによって決定することができる。

決定デバイスは、エネルギービームの焦点位置及び／又は基準焦点位置からのずれを角度及び／又は基準角度からの角度ずれに変換するように適合することができる。前述したように、造形平面上のエネルギービームの実際のスポットサイズを直接、たとえば造形平面に入射するエネルギービームの画像を捕捉することを介して測定する必要はない。その代わりに、焦点位置及び／又は基準焦点位置からのずれに関係する少なくとも１つのパラメータは、角度及び／又は基準角度からの角度ずれによって表すことができる。

当然ながら、多くのパラメータが、付加製造（積層造形）装置内で使用される様々な光学構成要素の焦点距離などのエネルギービームの焦点位置に影響しうるため、少なくとも１つの決定されたパラメータは、エネルギービームの焦点位置に寄与／影響するそれらの要因のいずれかを含むことができる。特に、焦点位置自体を決定することができ、又はパラメータが、基準焦点位置からのずれを表すことができる。したがって、基準焦点位置に一致していることを確実にするために、基準焦点位置からのずれを低減させることができ、特に完全に補償することができるように、焦点位置を調整することが可能である。したがって、決定されたパラメータに基づいて、閉ループ制御が実行可能である。

本発明の装置の一実施形態によれば、エネルギービームから下位部分を分割し、下位部分を決定デバイスの方へ案内するように適合されたビームスプリッタを提供することができる。したがって、前述したように、エネルギービームから下位部分を分割し、エネルギービームの残りの（ほとんどの）部分を使用して造形材料を照射することが可能である。たとえば、エネルギービームのわずかな部分だけ、たとえばエネルギービームの１％、好ましくは０．３％未満を下位部分として分割することができ、エネルギービームの残り（９９％又は９９．７％）は、付加製造（積層造形）プロセスで処理に使用することができる。好ましくは、ビームスプリッタは、エネルギービームを造形平面上へ集束するように適合された集束光学ユニットに配置される又は取り付けられる。

ビームスプリッタは、決定デバイスの共焦点の構成をさらに可能にし、下位部分をエネルギービームから分割して決定デバイスの方へ案内することができる。さらに、造形材料を同時に照射すること、すなわち付加製造（積層造形）プロセスを実行し、且つ焦点位置及び／又は実際の焦点位置と基準焦点位置との間のずれに関係する少なくとも１つのパラメータを決定することが可能である。したがって、付加製造（積層造形）プロセス全体にわたってエネルギービームの焦点位置を決定することができ、特に、エネルギービーム全体を決定プロセスに使用する必要はない。その代わりに、決定プロセスと付加製造（積層造形）プロセスの両方を並行して実行することができる。これにより、付加製造（積層造形）プロセスを実行しながら、エネルギービームの挙動、特にエネルギービームの焦点位置を監視することが可能になる。したがって、付加製造（積層造形）プロセス中に生じる基準焦点位置からのずれは、エネルギービームの対応する調整及び／又は較正を介して即時補正することができる。言い換えれば、閉ループ制御を実行することができる。

ビームスプリッタは、好ましくは、カバーガラス、特に傾斜したカバーガラスとして構築することができ、このカバーガラスを通ってエネルギービームを装置の処理チャンバ内へ案内することができる。カバーガラスは、好ましくは、装置の集束光学ユニットと、ビーム案内ユニット、たとえば１つ又は複数の可動鏡などのスキャナとの間に配置することができる。ビーム案内ユニットは、造形平面内でエネルギービームを案内するために使用される。したがって、エネルギービームは、集束光学ユニットを介して集束され、その後ビームスプリッタ（カバーガラス）に入射する。エネルギービームのうちカバーガラスを通過する部分は、好ましくは、ビーム案内ユニットへ案内され（入射する）、処理チャンバ内及び造形板上へ案内される。ビーム案内ユニットと造形平面との間に配置される別の保護ガラスを提供することができ、この保護ガラスは、処理チャンバの範囲を定め、ビーム案内ユニットを処理中に生成される残留物から保護する。したがって、保護ガラスは、処理チャンバの範囲を定め、エネルギービームを処理チャンバ内へ結合するために使用される。カバーガラス（ビームスプリッタ）及び保護ガラスはどちらも、装置の（光学）構成要素を付加製造（積層造形）プロセス中に生成される残留物から保護する。

エネルギービームのわずかな部分、たとえば０．３％がカバーガラス（ビームスプリッタ）で反射されるため、カバーガラスは、前述したように、ビームスプリッタとして使用することができる。カバーガラスは、好ましくは０°／９０°からずれた、エネルギービームに対する角度を囲むように、さらに傾斜させることができる。したがって、カバーガラスは、カバーガラスに入射するエネルギービームに対してたとえば５°〜８５°、好ましくは４５°の角度で配置することができる。エネルギービームがカバーガラスに入射するとき、エネルギービームの（ほとんどの）部分は、カバーガラスを通って伝送され、（わずかな）下位部分がカバーガラスで反射され、決定デバイスの方へ案内される。

有利には、カバーガラスをビームスプリッタとして使用することによって、別の光学要素を含む必要がなくなり、さらにカバーガラスにおけるエネルギービームの反射を使用することができ、この反射は装置の光学系内で無駄にされない。

さらに、エネルギービームの下位部分を案内し、エネルギービームの下位部分の角度ずれを増大するように適合された屈折要素、特にウェッジ板を提供することができる。したがって、エネルギービームから分割された下位部分は、屈折要素を通って伝送することができ、角度ずれを増大させて作用を増大し、基準角度からの角度ずれの改善された決定を可能にすることができる。したがって、決定プロセスを改善するために、既存の角度ずれを増幅させることができる。

本発明の装置の別の実施形態によれば、決定デバイスは、下位部分を検出器上へ撮像するように適合された集束要素を備えることができる。エネルギービームから分割された下位部分は、たとえば屈折レンズを介して、検出器上へ集束させることができる。この文脈で、「集束」という用語は、下位部分の焦点が検出器平面内に位置することを必要とするものではない。この用語は、集束ユニットに入射する視準された又は発散する下位部分が集束され、集束要素を通って伝送される下位部分は検出器の方へさらに伝播するという点で理解されたい。したがって、下位部分の焦点面は、集束要素と検出器との間に位置することができる。

さらに、本発明の装置、特に決定デバイスは、画定された焦点位置が基準焦点位置からずれている下位部分の少なくとも一部をフィルタリングするように適合された光学フィルタリング要素、特に開口を備えることができる。基準焦点位置からのずれの結果、下位部分の角度ずれが生じ、好ましくは、屈折要素、特にウェッジ板を介して、この角度ずれを増大させることができる。その後、下位部分は集束要素に入射し、集束要素は下位部分を集束する。たとえば、下位部分の焦点位置は、下位部分が光学フィルタリングユニットを通過することを可能にする光学フィルタリングユニットの平面内に位置することができる。下位部分の焦点位置が光学フィルタリングユニットの前又は後に位置する場合、下位部分の一部分が、光学フィルタリングユニットを介して吸収されることでフィルタリングされる。光学フィルタリングユニットを通過した後、下位部分は検出器に入射する。

好ましくは、決定デバイスは、検出器上のエネルギービームの下位部分のスポットサイズの決定、特に下位部分のスポットサイズと参照スポットサイズとの比較に基づいて、焦点位置及び／又は基準焦点位置からのずれに関係する少なくとも１つのパラメータの決定を実行するように適合することができる。この実施形態によれば、決定デバイスは、検出器上のエネルギービームの下位部分のスポットサイズを決定することによって、焦点位置及び／又は基準焦点位置からのずれに関係する少なくとも１つのパラメータを決定するように適合することができる。前述したように、下位部分は、ビームスプリッタを介して、特にカバーガラスを介して、エネルギービームから分割することができ、下位部分は、検出器の方へ案内される。下位部分は、やはり前述したように、角度ずれを増大するために、ウェッジ板などの屈折要素を通過することができる。ビームスプリッタと検出器との間には、発散する下位部分を集束する集束要素が配置される。

下位部分の焦点位置が集束ユニットと検出器との間に位置するとき、下位部分は、焦点がずれて検出器平面に当たる。それによって、下位部分のスポットのサイズは、下位部分がビームスプリッタで反射される角度に関係する。したがって、基準焦点位置からのずれによって引き起こされる角度ずれは、検出器上へ撮像される下位部分のスポットのサイズに（直接）関係する。特に、基準焦点位置からのずれが大きければ大きいほど、角度ずれも大きくなり、検出器上のスポットのサイズも大きくなる。したがって、検出器上の下位部分のスポットサイズから、エネルギービームの実際の焦点距離及び実際の焦点位置を導出することができる。

言い換えれば、下位部分の中心部分、たとえばエネルギービームのうちエネルギービームの光軸上に位置する部分を、参照ビームとして使用することができる。さらに、決定デバイスは、角度ずれと下位部分がビームスプリッタで反射される角度との間の依存度を使用させることができる。エネルギービームを造形平面上に集束するために使用される光学系、特に集束光学ユニットの焦点距離が、エネルギービームがビームスプリッタに入射する角度を直接画定するため、焦点距離は入射角に関係する。集束光学ユニットの焦点距離が大きければ大きいほど、ビームスプリッタ上の入射角は小さくなり、入射角は、エネルギービームの縁部ビームとビームスプリッタの表面との間に画定される。したがって、基準角度を画定することができ、基準焦点距離で集束され、すなわち基準焦点位置を有するエネルギービームは、基準角度でビームスプリッタに入射する。

したがって、下位部分がビームスプリッタで反射されるとき、入射角は角度ずれに変換される。したがって、比較的大きい焦点距離を有する集束光学ユニットを通過するエネルギービームは、比較的小さい入射角でビームスプリッタに入射する（適切に集束されたエネルギービームと比較）。これにより、対応する反射角が生成される。したがって、この反射角は、適切に集束されたエネルギービームが反射される反射角からずれる。集束要素を通過するため、反射角が小さければ小さいほど、検出器上に引き起こされるスポットがより大きくなる。比較として、比較的小さい焦点距離で、すなわち基準焦点距離より小さい焦点距離で集束光学ユニットを通過するエネルギービームは、比較的大きい反射角でビームスプリッタに反射され、検出器上に比較的小さいスポットをもたらす。

したがって、検出器上のスポットサイズを計算に入れることによって、集束光学ユニットの焦点距離を導出することができる。さらに、基準焦点距離を画定することができ、下位部分のスポットサイズの決定のため、実際の焦点距離が基準焦点距離に一致しているかどうかを検証及び／又は監視することができる。それによって、エネルギービームの焦点位置が基準焦点位置に一致しているかどうかを決定することが可能になる。

本発明の装置の別の実施形態によれば、検出器は、高繰返し率検出器として構築することができ、又はそれを備えることができる。したがって、たとえば約１００ｋＨｚ叉はそれ以上の周波数によって駆動することができる高い応答時間及び／又は高い局所分解能を有するセンサを使用することができる。これにより、付加製造（積層造形）プロセス中の急速に変化する条件下で、焦点位置（又は基準焦点位置からのずれ）を決定することが可能になる。したがって、エネルギービームの焦点位置が急速に変化する場合でも、高繰返し率センサの使用を介して、焦点位置の変化を決定することが可能になる。検出器は特に、少なくとも２つのＰＳＤセンサ（位置検出素子、英語：ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｄｅｖｉｃｅ）、好ましくはＰＳＤセンサ及び／又は少なくとも１つのラインセンサの配置として構築することができ、又はそれを備えることができる。各ＰＳＤセンサは、エネルギービームがＰＳＤセンサに入射した場合、信号を生じさせることができる。複数のＰＳＤセンサを画定された空間関係で、たとえば１列に配置することによって、スポットのサイズの決定又はサイズの変更が可能になる。したがって、エネルギービームによって照射されたときに信号を生成するＰＳＤセンサの数は、エネルギービームのスポットのサイズに関係し、したがって角度ずれ及び焦点位置又は基準焦点位置からのずれに関係する。

好ましくは、決定デバイスは、エネルギービームの出力測定を実行するようにさらに適合することができる。たとえば、下位部分とエネルギービーム全体との間の比を知ることができ、下位部分の出力測定は、全体的なエネルギービームの出力に関して結論を提供することができる。エネルギービーム、特にエネルギービームの下位部分の出力／強度は、検出器を介して決定することができる。

本発明の装置の別の実施形態によれば、装置は、エネルギービームを制御するように適合された制御ユニット、特に照射デバイスを備えることができ、決定デバイスは、エネルギービームを制御するため、特にエネルギービームの焦点位置を較正及び／又は調整するための較正データを生成するように適合することができる。したがって、エネルギービームの焦点位置及び／又は基準焦点位置からのずれに関係する少なくとも１つのパラメータに応じて、決定デバイスは、エネルギービームを制御するために使用することができる較正データを生成することができる。制御ユニット、特に照射デバイスは、この較正データに基づいて、エネルギービームを調整することができる。たとえば、基準焦点位置からのずれが生じた場合、決定デバイスは、ずれを検出し、較正データを生成することができる。その後、この較正データに基づいて、検出されたずれを低減又は補償することができるように、エネルギービームの制御を実行することができる。

特に、装置は、エネルギービームを閉ループ内で制御するように適合することができる。したがって、エネルギービームの焦点位置及び／又は基準焦点位置からのずれに関係する少なくとも１つのパラメータを連続して決定することが可能であり、生成された較正データは、それぞれフィードバックループ又は閉ループ内で使用することができる。したがって、基準焦点位置からのずれが生じた場合、付加製造（積層造形）プロセスに対する負の影響を回避するために、エネルギービームを即時補正することができる。

さらに、本発明は、３次元の物体を付加製造（積層造形）する装置、特に前述した本発明の装置向けの決定デバイスに関し、装置は、エネルギービームを生成するように適合され、決定デバイスは、エネルギービームの焦点位置及び／又は基準焦点位置からのずれに関係する少なくとも１つのパラメータを決定するように適合され、決定は、基準角度に対するエネルギービームの少なくとも一部の角度ずれに基づいて行われる。

さらに、本発明は、エネルギービームによって固化することができる造形材料の層を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体を付加製造（積層造形）する少なくとも１つの装置、特に前述した本発明の装置を動作させる方法に関することができ、エネルギービームの焦点位置及び／又は基準焦点位置からのずれに関係する少なくとも１つのパラメータが、決定デバイス、特に前述した本発明の決定デバイスを介して決定され、決定は、基準角度に対するエネルギービームの少なくとも一部の角度ずれに基づいて行われる。

本発明の装置に関して記載されているすべての詳細、特徴、及び利点は、本発明の決定デバイス及び本発明の方法に完全に移行可能であることが自明である。特に、本発明の方法は、本発明の装置上で、好ましくは本発明の決定デバイスを使用して実行することができる。

本発明の例示的な実施形態について、図を参照して説明する。これらの図は概略図である。

本発明の装置を示す図である。 図１の詳細ＩＩを示す図である。 異なる焦点距離を有するエネルギービームに対する図１の詳細ＩＩＩを示す図である。 図１に示す本発明の装置１の決定デバイスの詳細を示す図である。

図１は、エネルギービーム５によって固化することができる造形材料３の層を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体２を付加製造（積層造形）する装置１を示す。装置１は、エネルギービーム５の焦点位置７及び／又は基準焦点位置からのずれに関係する少なくとも１つのパラメータを決定するように適合された決定デバイス６を備え、決定は、基準角度に対するエネルギービーム５の少なくとも一部の角度ずれに基づいて行われる。

図１からさらに導出することができるように、エネルギービーム５を生成及び案内するように適合された照射デバイスが提供される。照射デバイスは、とりわけ、エネルギービーム５を造形平面９上へ集束するように適合された集束光学ユニット８を備え、造形平面９内に造形材料３が配置され、造形材料３を選択的に照射して造形材料３を固化し、それによって３次元の物体２を造形することができる。エネルギービーム５は、ビームスプリッタ１２として使用される傾斜したカバーガラス１１に入射する。エネルギービーム５のうちカバーガラス１１を通過する部分は、スキャナなどのビーム案内ユニット２６へ案内される。エネルギービーム５は、保護ガラス（図示せず）を介して装置１の処理チャンバ１０内へ結合される。カバーガラス１１におけるエネルギービーム５の分割について、図２に関して説明する。

図２は、図１の詳細ＩＩを示し、エネルギービーム５は、ビームスプリッタ１２として使用されるカバーガラス１１に入射する。エネルギービーム５は、画定された（ほとんどの）部分、たとえば９９％超、特に９９．７％まで、カバーガラス１１を通って伝送される。言い換えれば、下位部分１３がエネルギービーム５から分割され、決定デバイス６の検出器１４の方へ案内される。図２からさらに導出することができるように、エネルギービーム５の中心部分１５は、ビームスプリッタ１２で反射され、検出器１４の方へ案内され、図３、４を参照して詳細に説明することができるように、中心部分１５は、参照ビームとして使用することができる。詳細には、エネルギービーム５の第１の部分１６（たとえば、エネルギービーム５の右半分）は、検出器１４から離れる方へ反射され、第２の部分１７（たとえば、エネルギービーム５の左半分）は、検出器１４の方へ反射される。

図２に示す状況で、エネルギービーム５の第２の部分１７及び第１の部分１６の境界を表す縁部ビーム１８が示されており、他方の縁部は、中心部分１５によって範囲が定められている。当然ながら、第１の部分１６及び第２の部分１７のほとんどの部分はまた、カバーガラス１１を通って処理チャンバ１０内へ結合されて造形平面９上へ集束されるため、ビームスプリッタ１２を通って伝送される。したがって、エネルギービーム５の反射部分に対処する場合、エネルギービーム５の（わずかな）部分のみがビームスプリッタ１２で反射されることが理解されよう。

図２は、第２の部分１７の縁部ビーム１８及び中心部分１５が、検出器１４の方へ案内される下位部分１３を表し又はその範囲を定めることを示す。言い換えれば、エネルギービーム５の第２の部分１７は、ビームスプリッタ１２で部分的に反射され、下位部分１３として検出器１４の方へ案内される。図２から導出することができるように、縁部ビーム１８がビームスプリッタ１２に入射する入射角１９に応じて、縁部ビーム１８は、反射角２０でビームスプリッタ１２に反射される。縁部ビーム１８がビームスプリッタ１２に入射する入射角１９は、エネルギービーム５を造形平面９上に集束させる集束光学ユニット８の焦点距離に直接依存するため、焦点位置及び／又は焦点距離及び／又は基準焦点位置からのずれを角度ずれに変換することができる。特に、エネルギービーム５が造形平面９上へ集束される焦点距離とは無関係に同じままである中心部分１５に対して、参照角度２１を画定することができる。

図３は、異なる焦点距離で集束され、したがって異なる焦点位置を含む異なるエネルギービーム５による詳細ＩＩＩを示し、異なる縁部ビーム１８、１８’、及び１８”が示されている。入射角１９、１９’、及び１９”は、エネルギービーム５を集束するために使用される集束光学ユニット８の焦点距離に依存するため、それらの焦点距離は、異なる縁部ビーム１８、１８’、及び１８”がビームスプリッタ１２で反射される異なる反射角２０、２０’、及び２０”に変換される。当然ながら、中心部分１５に対する角度２１は、中心部分１５がすべての焦点距離に対して同じであるため、常に同じままである。前述したように、ビームスプリッタ１２は、図４に関して説明するように、反射された下位部分１３を検出器１４へ案内する。

図４は、検出器１４に向かう下位部分１３のビーム経路を詳細に示す。当然ながら、異なる縁部ビーム１８、１８’、及び１８”を有する３つの異なるエネルギービーム５が示されているが、１つのエネルギービーム５だけが同時に存在し、他の縁部ビーム１８’及び１８”は、他のエネルギービーム、又は焦点距離の変化、又はエネルギービーム５間の焦点位置の変化のみを示す。まず、下位部分１３は、屈折要素２２（任意選択）を通って案内され、屈折要素２２は、縁部ビーム１８、１８’、及び１８”を介して示すように、下位部分１３の角度ずれを増大する。その後、下位部分１３は、集束要素２３、たとえば屈折レンズを通って伝送され、集束要素２３は下位部分１３を集束させ、開口として構築される光学フィルタリングユニット２５の平面内に、下位部分１３の焦点位置２４が配置される。

したがって、入射角１９、１９’、及び１９”に応じて、異なる縁部ビーム１８、１８’、及び１８”が、異なる反射角２０、２０’、及び２０”で反射される。したがって、検出器１４上の下位部分１３のスポットサイズは、前述したように、入射角１９、１９’、及び１９”とともに変動する。したがって、異なる縁部ビーム１８、１８’、及び１８”を有するエネルギービーム５の異なる下位部分１３に割り当てられたスポットサイズｄ、ｄ’、及びｄ”に応じて、照射デバイスの集束光学ユニット８の焦点距離を導出することができる。したがって、基準焦点距離及び／又は基準焦点位置と、決定デバイス６を介して決定される実際の焦点位置との間を比較することができる。したがって当然ながら、基準焦点位置からのずれを識別及び補償することができる。

基準焦点位置からの現在のずれを補償するために、決定デバイス６は、較正データを生成することができ、この較正データに基づいて照射デバイスを制御し、集束光学ユニット８の焦点距離を調整し、したがってエネルギービーム５の焦点位置を調整することができる。言い換えれば、決定デバイス６は、基準角度に対するエネルギービーム５の少なくとも一部の角度ずれに基づいて、少なくとも１つのパラメータ、たとえばエネルギービーム５の焦点位置、及び／又は集束光学ユニット８の焦点距離、及び／又は基準焦点位置からのずれを決定することができる。どの焦点距離及び／又は焦点位置がそれぞれ基準焦点位置又は基準焦点距離として所望及び画定されるかに応じて、縁部ビーム１８を画定することができる。したがって、実際の縁部ビーム１８、１８’、又は１８”と画定された縁部ビーム１８とを比較することが可能である。実際の縁部ビーム１８、１８’、又は１８”と画定された縁部ビーム１８との間の角度ずれに応じて、焦点位置及び／又は焦点距離に関係するパラメータを決定することができる。

スポットサイズｄ、ｄ’、及びｄ”は、エネルギービーム５を集束し、したがって縁部ビーム１８、１８’、及び１８”を生成するために使用される対応する焦点距離ｆ、ｆ’、及びｆ”に直接関係するため、検出器１４上のスポットサイズｄ、ｄ’、及びｄ”に影響する角度ずれに応じて、焦点位置及び／又は焦点距離の直接制御を実行することができる。したがって、検出器１４上のスポットサイズｄ、ｄ’、及びｄ”は、エネルギービーム５の焦点距離、したがって焦点位置に直接関係する。したがって、検出器１４を介して生成された信号に応じて、付加製造（積層造形）プロセス中に焦点距離及び／又は焦点位置を制御することができる。

検出器１４は、高繰返し率検出器、たとえばＰＳＤセンサ（位置検出素子）及び／又はラインセンサとして構築され、又はそれを備える。エネルギービーム５を閉ループ内で制御するために、装置１は、好ましくは、決定デバイス６を介して生成される較正データに基づいてエネルギービーム５を制御するように適合された、特に照射デバイス内へ一体化された制御ユニット（図示せず）を備える。

当然ながら、本発明の方法は、本発明の装置１上で実行することができる。

１ 装置
２ ３次元の物体
３ 造形材料
５ エネルギービーム
６ 決定デバイス
７ 焦点位置
８ 集束光学ユニット
９ 造形平面
１０ 処理チャンバ
１１ カバーガラス
１２ ビームスプリッタ
１３ 下位部分
１４ 検出器
１５ 中心部分
１６ 第１の部分
１７ 第２の部分
１８、１８’、１８” 縁部ビーム
１９、１９’、１９” 入射角
２０、２０’、２０” 反射角
２１ 参照角度
２２ 屈折要素
２３ 集束要素
２４ 焦点位置
２５ 光学フィルタリングユニット
ｄ、ｄ’、ｄ” スポットサイズ

Claims (15)

1. エネルギービーム（５）によって固化することができる造形材料（３）の層を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体（２）を付加製造（積層造形）する装置（１）において、前記エネルギービーム（５）の焦点位置（７）及び／又は基準焦点位置からのずれに関係する少なくとも１つのパラメータを決定するように適合された決定デバイス（６）を備え、前記決定が、基準角度に対する前記エネルギービーム（５）の少なくとも一部の角度ずれに基づいて行われることを特徴とする装置。
2. 前記決定デバイス（６）は、前記エネルギービーム（５）の焦点位置（７）及び／又は基準焦点位置からのずれを角度及び／又は基準角度からの角度ずれに変換するように適合されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記エネルギービーム（５）から下位部分（１３）を分割し、前記下位部分（１３）を前記決定デバイス（６）、特に検出器（１４）の方へ案内するように適合されたビームスプリッタ（１２）を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記ビームスプリッタ（１２）は、カバーガラス（１１）、特に傾斜したカバーガラス（１１）として構築され、前記カバーガラス（１１）を通って前記エネルギービーム（５）が前記装置（１）の処理チャンバ（１０）内へ案内されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の装置。
5. 前記エネルギービーム（５）の前記下位部分（１３）を案内し、前記エネルギービーム（５）の前記下位部分（１３）の角度ずれを増大するように適合された屈折要素（２２）、特にウェッジ板を備えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載の装置。
6. 前記下位部分（１３）を検出器（１４）上へ撮像するように適合された集束要素（２３）を備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載の装置。
7. 前記下位部分（１３）の少なくとも一部をフィルタリングするように適合された光学フィルタリング要素（２５）、特に開口を備えることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の装置。
8. 前記決定デバイス（６）は、前記検出器（１４）上の前記エネルギービーム（５）の前記下位部分（１３）のスポットサイズ（ｄ、ｄ’、ｄ”）の決定、特に前記下位部分（１３）の前記スポットサイズ（ｄ、ｄ’、ｄ”）と参照スポットサイズとの比に基づいて、前記焦点位置（７）及び／又は基準焦点位置からの前記ずれに関係する前記少なくとも１つのパラメータの前記決定を実行するように適合されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載の装置。
9. 前記検出器（１４）は、高繰返し率検出器として構築され、又はそれを備えることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つに記載の装置。
10. 前記検出器（１４）は、少なくとも２つのＰＳＤセンサ、好ましくは複数のＰＳＤセンサ及び／又はラインセンサの配置として構築することができ、又はそれを備えることができることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一つに記載の装置。
11. 前記決定デバイス（６）は、前記エネルギービーム（５）の出力測定を実行するように適合されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一つに記載の装置。
12. 前記装置（１）は、前記エネルギービーム（５）を制御するように適合された制御ユニット、特に照射デバイスを備え、前記決定デバイス（６）は、前記エネルギービーム（５）を制御するため、特に前記エネルギービーム（５）の前記焦点位置（７）を較正するための較正データを生成するように適合されることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一つに記載の装置。
13. 前記装置（１）は、前記エネルギービーム（５）を閉ループ内で制御するように適合されることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一つに記載の装置。
14. ３次元の物体（２）を付加製造（積層造形）する装置（１）、特に請求項１〜１３のいずれか一つに記載の装置（１）向けの決定デバイス（６）であって、前記装置（１）は、エネルギービーム（５）を生成するように適合された、決定デバイスにおいて、前記決定デバイス（６）は、前記エネルギービーム（５）の焦点位置（７）及び／又は基準焦点位置からのずれに関係する少なくとも１つのパラメータを決定するように適合され、前記決定は、基準角度に対する前記エネルギービーム（５）の少なくとも一部の角度ずれに基づいて行われることを特徴とする決定デバイス。
15. エネルギービーム（５）によって固化することができる造形材料（３）の層を連続して層ごとに選択的に照射及び固化することによって３次元の物体（２）を付加製造（積層造形）する少なくとも１つの装置（１）を動作させる方法であって、前記エネルギービーム（５）の焦点位置（７）及び／又は基準焦点位置からのずれに関係する少なくとも１つのパラメータが、決定デバイス（６）を介して決定され、前記決定は、基準角度に対する前記エネルギービーム（５）の少なくとも一部の角度ずれに基づいて行われることを特徴とする方法。

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