ES3039883T3 - Calibration system and calibration method for calibrating a building platform system in an additive manufacturing device - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un sistema de calibración y a un método de calibración para calibrar un sistema de plataforma de construcción (1) dispuesto en el área de construcción (2) de un dispositivo de fabricación aditiva basado en láser. El sistema de calibración comprende un panel de calibración (5), fijable al sistema de plataforma de construcción (1), y un módulo óptico (4). Un patrón de calibración (6), capturado en forma de imagen por una unidad de captura óptica (4.1), se introduce en el panel de calibración (5), compuesto por un material metálico base y recubierto con un color que contrasta con el del material metálico base, para calibrar el sistema de plataforma de construcción (1). Mediante el análisis de la imagen, se determinan los valores de corrección que se utilizan para calibrar el sistema de plataforma de construcción (1) y el dispositivo de fabricación aditiva. Las áreas de uso preferidas para el sistema de calibración y el método de calibración incluyen la fabricación aditiva híbrida de nuevas piezas y la reparación de componentes (3) fabricados de forma convencional o aditiva. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de calibración y procedimiento de calibración para la calibración de un sistema de plataforma de fabricación en un dispositivo de fabricación aditiva

La invención se refiere a un sistema de calibración, así como a un procedimiento de calibración para la calibración de un sistema de plataforma de fabricación dispuesto en un espacio de fabricación de un dispositivo de fabricación aditiva basado en láser. Los ámbitos de aplicación preferidos del sistema de calibración y del procedimiento de calibración son la fabricación aditiva híbrida de piezas nuevas, así como la reparación de piezas fabricadas de manera convencional o aditiva.

Los procedimientos de fabricación aditiva, como por ejemplo la fusión selectiva por láser sobre lecho de polvo (en inglés: Laser Powder Bed Fusion, en lo sucesivo: LPBF), están concebidos principalmente para la fabricación de piezas nuevas completas próximas a la geometría final: sobre la base de un modelo virtual en 3D de la pieza, se consolida material capa por capa sobre una plataforma de fabricación del dispositivo de fabricación aditiva, hasta que se completa el cuerpo de la pieza definido por el modelo 3D. El material de partida para la fabricación de piezas metálicas de alta calidad mediante fusión selectiva por láser sobre lecho de polvo es, por regla general, un polvo metálico con especificaciones muy estrictas y, por tanto, de alto costo, del cual únicamente una fracción se funde para conformar la pieza fabricada aditivamente. Una gran parte del polvo sirve únicamente como material de relleno y soporte.

La fabricación aditiva de piezas metálicas mediante fusión selectiva por láser resulta, en muchos sectores, todavía poco rentable en comparación con los procedimientos de fabricación clásicos, debido a los largos tiempos de producción, al conocimiento insuficiente de los datos de materiales y también al elevado consumo de polvo. No obstante, la fabricación aditiva ya se ha consolidado en la producción de piezas de alto precio, geométricamente complejas o individualizadas, en particular en piezas de los ámbitos de la industria aeronáutica y de la tecnología médica.

Además de la fabricación de piezas nuevas, la fabricación aditiva ofrece también la posibilidad de realizar reparaciones próximas a la geometría final de las piezas. En la industria de motores aeronáuticos, por ejemplo, se reparan partes de álabes móviles o álabes fijos mediante la adición aditiva del material desgastado.

La fabricación aditiva, en la cual se aplica material de forma próxima a la geometría final sobre piezas o elementos de piezas ya existentes, se denomina también fabricación híbrida (aditiva). A diferencia de la fabricación completa, la fabricación híbrida requiere un posicionamiento exacto de las piezas dentro del dispositivo de fabricación, o bien un conocimiento preciso de la posición de la pieza sobre la plataforma de fabricación.

Se entiende por plataforma de fabricación, en general, el componente del dispositivo de fabricación aditiva sobre el cual se fabrican las piezas. En el contexto de la presente divulgación, se designa como sistema de plataforma de fabricación al conjunto de todos los componentes del dispositivo de fabricación aditiva que soportan las piezas a fabricar; por plataforma de fabricación en sentido estricto se entiende el elemento de dispositivo, generalmente en forma de placa, sobre el cual se fijan directamente las piezas fabricadas aditivamente. El sistema de plataforma de fabricación comprende, por lo tanto, al menos la plataforma de fabricación; en la ejecución constructiva más simple, el sistema de plataforma de fabricación se limita a la propia plataforma de fabricación.

En la fabricación aditiva híbrida de una pieza, el material se aplica de manera aditiva sobre un cuerpo base existente, denominado en lo sucesivo cuerpo base. La parte de la pieza construida aditivamente, denominada cuerpo de construcción, forma junto con el cuerpo base, una vez finalizada la fabricación aditiva, la pieza.

En relación con los procesos de fabricación aditiva basados en láser, como la fusión selectiva por láser sobre lecho de polvo, en la fabricación híbrida aditiva surge el desafío de que el láser (más concretamente, el escáner láser) se controla en un sistema de coordenadas separado, el sistema de coordenadas del láser. Los datos geométricos del sistema de plataforma de fabricación y de los cuerpos base eventualmente presentes sobre ella se transmiten a la unidad de control del láser antes del inicio del proceso aditivo, es decir, se transfieren al sistema de coordenadas del láser. Después de la transferencia de datos, el sistema de coordenadas del láser funciona de manera independiente del sistema de coordenadas que define la posición real del sistema de plataforma de construcción y la posición de los cuerpos base ya presentes encima del sistema de plataforma de construcción en el espacio de construcción. Este último sistema de coordenadas se denomina sistema de coordenadas del espacio de construcción. Si un cuerpo base se encuentra en una posición determinada en el espacio de construcción, el láser (o el punto láser) en la fabricación híbrida aditiva no siempre incide sobre el cuerpo base con suficiente precisión. Para cada posición de los objetos en el espacio de construcción, definible mediante coordenadas del espacio de construcción en el sistema de coordenadas del espacio de construcción, puede surgir una desviación, también denominada offset, entre las coordenadas del espacio de construcción en el sistema de coordenadas del sistema de plataforma de construcción y las coordenadas del láser en el sistema de coordenadas del láser.

Para lograr un control altamente preciso del láser —y, por lo tanto, garantizar una alta exactitud en la fabricación híbrida aditiva— las coordenadas del espacio de construcción pueden corregirse mediante un valor de corrección, y esta información de posición corregida del sistema de plataforma de construcción y de los cuerpos base puede transferirse al sistema de coordenadas del láser.

Los valores de corrección para las coordenadas del espacio de construcción pueden determinarse mediante una calibración realizada dentro del dispositivo de fabricación aditiva. Los métodos de calibración utilizados para este fin suelen basarse en la captura fotográfica de patrones y marcas de referencia. Se conocen tales métodos de calibración —y los dispositivos de calibración o sistemas de calibración utilizados para ello—, entre otros, a partir de EP 0792481 B1, DE 199 18631 A1, US 6483596 B1, WO 2017/158327 A1 o DE 102021 105 918 A1. En WO 2017/158327 A1 se describe un procedimiento de calibración en el que un patrón de calibración se incorpora mediante el láser del dispositivo de fabricación aditiva en una placa de aluminio.

EP 4151 342 A1 revela, además, un sistema de fabricación para la fabricación aditiva de una pieza, en el que el sistema de fabricación incluye, entre otros, una plataforma de construcción y un dispositivo óptico para capturar datos de imagen de la plataforma de construcción. WO 2020/212108 A1 describe un procedimiento de calibración para una cámara destinada a supervisar un proceso de fabricación aditiva, en el que, para calibrar la cámara, se compara una pieza fabricada aditivamente con un patrón de esa pieza.

US 2020/215759 A1 revela un kit para la calibración de un sistema de cabezal de una fuente de radiación de un dispositivo de fabricación aditiva, que comprende una placa de calibración con varias marcas de referencia y un soporte de blanco constituido por al menos un material sensible a la radiación de la fuente.

Estos métodos de calibración conocidos y los dispositivos de calibración o sistemas de calibración utilizados para ello se centran habitualmente en la fabricación aditiva clásica, es decir, en la producción de piezas completamente nuevas, o requieren una intervención en el control de la máquina.

El objetivo de la invención es proporcionar un sistema de calibración y un procedimiento de calibración para calibrar un sistema de plataforma de construcción dispuesto en el espacio de construcción de un dispositivo de fabricación aditiva, que permita la deposición precisa de material en la fabricación híbrida aditiva basada en láser, sin necesidad de intervención en el control de la máquina.

Este objetivo se logra mediante un sistema de calibración con las características según la reivindicación 1 y un procedimiento de calibración según la reivindicación 8. Los desarrollos convenientes de la invención se describen en las reivindicaciones 2 a 7 y 9 a 11.

El sistema de calibración descrito a continuación y el procedimiento de calibración que se lleva a cabo con él sirven para calibrar un sistema de plataforma de construcción dispuesto en el espacio de construcción de un dispositivo de fabricación aditiva, en el que dicho dispositivo de fabricación aditiva cuenta con un láser controlable para la consolidación del material durante la fabricación aditiva sobre el sistema de plataforma de construcción. En los dispositivos de fabricación aditiva habituales, como los sistemas de fusión selectiva por láser sobre lecho de polvo, el espacio de construcción se encuentra dentro de una cámara de construcción, donde el sistema de plataforma de construcción normalmente se puede ajustar en altura.

En la fabricación aditiva de este tipo, basada en láser, de piezas sobre un sistema de plataforma de construcción de un dispositivo de fabricación aditiva, la posición del sistema de plataforma de construcción en el espacio de construcción, así como la de todos los demás objetos dentro del espacio, se define mediante coordenadas del espacio de construcción dentro de un sistema de coordenadas del espacio de construcción. En la fabricación híbrida aditiva de una pieza formada por un cuerpo base y un cuerpo construido aditivamente sobre él, la posición de los cuerpos base también se describe mediante estas coordenadas del espacio de construcción dentro del sistema de coordenadas del espacio de construcción. Antes del inicio de la fabricación aditiva, las coordenadas del espacio de construcción se transmiten a una unidad de control del dispositivo de fabricación aditiva, destinada a controlar el láser.

La calibración del sistema de plataforma de construcción descrita a continuación se basa en que a la unidad de control del dispositivo de fabricación aditiva se le transmiten las coordenadas del espacio de construcción conocidas, por ejemplo, generadas a partir de modelos por ordenador o mediciones preliminares fuera del dispositivo de fabricación, junto con un valor de corrección o factor de corrección para cada coordenada del espacio de construcción, de modo que el láser pueda incidir exactamente en la posición real prevista dentro del espacio de construcción.

Por lo tanto, la determinación de estos valores de corrección constituye el objetivo principal del procedimiento de calibración descrito a continuación y del sistema de calibración utilizado para ello.

Según la invención, el sistema de calibración propuesto comprende un módulo óptico y una placa de calibración que puede fijarse al sistema de plataforma de construcción, hecha de un material base predeterminado, preferiblemente metálico.

El módulo óptico incluye una unidad de captura óptica, un soporte para la óptica y una placa de cobertura para cubrir el espacio de construcción del dispositivo de fabricación aditiva. La placa de cobertura tiene una abertura para el paso de luz, en cuya zona la unidad de captura óptica se monta mediante el soporte de óptica, de modo que la placa de calibración situada en el espacio de construcción pueda capturarse ópticamente. La unidad de captura óptica se encuentra habitualmente en el lado de la placa de cobertura opuesto al espacio de construcción. El eje óptico de la unidad de captura óptica se orienta preferiblemente perpendicular a la placa de cobertura. La unidad de captura óptica puede ser, por ejemplo, una cámara o una unidad de proyección de franjas de luz, preferiblemente de alta resolución. En el lado del espacio de construcción están dispuestas en la placa de cobertura fuentes de luz para la iluminación del espacio de construcción, por ejemplo, en forma de diodos emisores de luz, que están preferiblemente distribuidos de manera uniforme en el lado del espacio de construcción de la placa de cobertura.

La placa de calibración tiene, en una de sus dos caras extendidas de la placa, una superficie visible que, cuando el sistema de calibración se monta según lo previsto, queda orientada hacia la unidad de captura óptica. La superficie visible de la placa de calibración está recubierta con una capa superficial que contrasta claramente con el material base predeterminado. Preferiblemente, la capa superficial es oscura, por ejemplo negra, mientras que el material base sin recubrir tiene un aspecto claro (en el caso de materiales metálicos suele ser plateado-metalizado).

El sistema de calibración puede comprender además uno o varios soportes de marca de referencia, cada uno provisto de una marca de referencia. Estos soportes de marca de referencia pueden fijarse con precisión de posición en el sistema de plataforma de construcción; sirven como puntos de referencia en el sistema de plataforma de construcción fijado en el dispositivo de fabricación aditiva. Para garantizar la visibilidad de las marcas de referencia desde la unidad de captura óptica, se pueden prever aberturas para las marcas de referencia en la placa de calibración.

El procedimiento de calibración conforme a la invención, destinado a la calibración del sistema de plataforma de construcción fijado de manera prevista en el espacio de construcción del dispositivo de fabricación aditiva basado en láser, se lleva a cabo mediante el sistema de calibración descrito anteriormente, que comprende el módulo óptico, la placa de calibración así como los soportes de marca de referencia provistos de marcas de referencia, y mediante una unidad de evaluación para la evaluación de parámetros de posición y para la determinación de los valores de corrección mencionados anteriormente.

La placa de calibración y los soportes de marca de referencia se fijan para la calibración del sistema de plataforma de construcción de tal manera que la superficie visible y las marcas de referencia sean visibles simultáneamente en vista superior de la superficie visible de la placa de calibración.

En la cara visible de la placa de calibración se genera, mediante el láser del dispositivo de fabricación aditiva, un patrón de calibración bidimensional compuesto por elementos de patrón bidimensionales en el plano de la superficie visible de la placa de calibración. La posición de los elementos de patrón individuales está definida por parámetros de posición teóricos, que están almacenados en un modelo informático y se transfieren en forma de coordenadas del espacio de construcción a la unidad de control del dispositivo de fabricación aditiva. Sobre la base de los parámetros de posición teóricos se fabrica el patrón de calibración, que a continuación se registra en forma de parámetros de posición reales. La unidad de evaluación está configurada para determinar los valores de corrección de las coordenadas del espacio de construcción sobre la base de una comparación teórico-real de los parámetros de posición teóricos predeterminados y de los parámetros de posición reales registrados, teniendo en cuenta y en relación con las marcas de referencia dispuestas en el sistema de plataforma de construcción. Los métodos matemáticos para la determinación de los valores de corrección a partir de la comparación teórico-real bidimensional del patrón son en principio conocidos y no se explican en detalle en este lugar.

Conforme a la invención, el procedimiento de calibración se lleva a cabo en los siguientes pasos de procedimiento: en un primer paso, la placa de calibración y el o los soportes de marca de referencia provistos de marcas de referencia se fijan en el sistema de plataforma de construcción dispuesto en el espacio de construcción del dispositivo de fabricación aditiva. A este efecto, el sistema de plataforma de construcción está, a su vez, instalado de manera prevista en el dispositivo de fabricación aditiva.

En el siguiente paso, se introduce, mediante la eliminación local de la capa superficial en la superficie visible de la placa de calibración utilizando el láser controlable, el patrón de calibración compuesto por los elementos de patrón. El patrón de calibración se extiende en este caso sobre toda la superficie visible de la placa de calibración. Mediante la eliminación local se genera, en la zona de los elementos de patrón, una superficie que se diferencia cromáticamente de la capa superficial circundante; se ha demostrado especialmente adecuado un elemento de patrón claro en un entorno oscuro. Preferiblemente, el láser se acciona al introducir el patrón de calibración en la placa de calibración con los parámetros típicos del proceso de fabricación aditiva en el dispositivo de fabricación aditiva.

En el paso posterior, el sistema de plataforma de construcción con la placa de calibración fijada sobre él se lleva a una posición predeterminada en el espacio de construcción, es decir, a una distancia de trabajo predeterminada de la unidad de captura óptica, por ejemplo, mediante el descenso en la cámara de construcción de la instalación de fabricación aditiva.

En el siguiente paso, el módulo óptico se monta en el espacio de construcción, de modo que la placa de cobertura del módulo óptico cubre el espacio de construcción. La placa de cobertura está dimensionada preferiblemente de tal manera que el espacio de construcción queda completamente protegido frente a la penetración de luz ambiental mediante un ligero exceso de la placa de cobertura.

En esta posición se capta ahora una imagen (preferiblemente digital) de la placa de calibración mediante la unidad de captura óptica. La imagen puede ser, por ejemplo, una fotografía o una nube de puntos. Preferiblemente, la unidad de captura óptica está alineada con su eje óptico perpendicular a la placa de calibración, con el fin de captar una imagen de la placa de calibración sin distorsión perspectívica.

La imagen de la placa de calibración captada se evalúa finalmente en la unidad de evaluación, es decir, se determinan los parámetros de posición reales de cada elemento de patrón del patrón de calibración. Sobre esta base, se determinan entonces los valores de corrección de las coordenadas del espacio de construcción — también mediante la unidad de evaluación.

Una de las ventajas del sistema de calibración, así como del procedimiento de calibración conforme a la invención es el uso de la placa de calibración con la capa superficial que se elimina localmente mediante el láser para la introducción del patrón de calibración. Esta eliminación requiere un ajuste de parámetros del láser, por ejemplo, de la potencia del láser, que se asemejan relativamente a los parámetros empleados en la fabricación aditiva de piezas.

Mediante esta forma de fabricación del patrón de calibración, todas las desviaciones derivadas del dispositivo quedan representadas de manera exacta en la imagen captada del patrón de calibración. Pueden determinarse valores de corrección muy precisos, con resolución espacial, para cada posición del sistema de plataforma de construcción. Dado que las coordenadas del espacio de construcción, junto con los valores de corrección, se transmiten a la unidad de control para el mando del láser, no es necesaria intervención alguna en el control, es decir, no se efectúa ninguna modificación en el control de la máquina de la instalación de fabricación aditiva. Esto resulta especialmente relevante cuando el dispositivo de fabricación aditiva está sujeta a requisitos de certificación. Debido a que en la aplicación del procedimiento de calibración aquí descrito no se requiere ninguna intervención en el control de la máquina del dispositivo de fabricación aditiva, las certificaciones de la instalación se mantienen vigentes.

Otra ventaja de la configuración compacta del módulo óptico con la placa de cobertura consiste en que no penetra luz parásita en el espacio de construcción durante la toma de imágenes. La placa de calibración es iluminada de manera constante por las fuentes de luz dispuestas en el lado del espacio de construcción sobre la placa de soporte, durante la captura de la imagen.

La calibración del sistema de plataforma de construcción en un dispositivo de fabricación aditiva mediante el procedimiento de calibración anteriormente descrito puede realizarse de forma rápida y sencilla; normalmente, el proceso de calibración dura solo unos pocos minutos.

El sistema de calibración y el procedimiento de calibración son adecuados —gracias a la mayor precisión de fabricación durante la fabricación aditiva obtenida mediante la calibración— en particular para la reducción de costes en la producción híbrida aditiva de piezas nuevas, en la reparación de piezas diseñadas de forma aditiva, en la reparación de piezas fabricadas de manera convencional, o en la reparación de piezas fabricadas aditivamente tras denominados “failed build jobs”, es decir, para la corrección de una construcción aditiva defectuosa.

El sistema de plataforma de construcción está configurado preferentemente de la manera descrita en la solicitud de patente alemana DE 102022 129035.2 o en la solicitud internacional de patente con el número de solicitud PCT/DE2023/150027. A este respecto, se hace referencia a la solicitud de patente alemana con el número de solicitud DE 10 2022 129 035.2 y a la solicitud internacional de patente con el número de solicitud PCT/DE2023/150027, cuyos contenidos se incorporan por la presente en la presente solicitud de patente.

Según una forma de realización del sistema de calibración, como material base del que se compone la placa de calibración se selecciona un material que corresponda al de las piezas que se van a fabricar aditivamente o que sea particularmente similar a este en relación con los parámetros de fabricación. Por regla general, se trata de un material base metálico. Se ha comprobado, por ejemplo, que los aceros pueden emplearse de manera relativamente universal en este contexto; en general, se prefieren como material base de la placa de calibración materiales metálicos con una densidad en el intervalo de 4 gcm -3 a 10 gcm -3.

Para mejorar el contraste, la capa superficial en la superficie visible de la placa de calibración presenta preferiblemente un aspecto mate. La capa superficial puede ser una capa de recubrimiento o una capa de transformación, es decir, una capa superficial generada mediante transformación superficial del material base. Preferentemente, la capa superficial es una capa de conversión óxida a partir del material base —en particular metálico— de la placa de calibración, por ejemplo, una capa de bruñido cuando el material base es un acero, o una capa de anodizado cuando el material base es material de titanio o aluminio. Las capas de conversión óxida ofrecen una adherencia muy buena, es decir, son resistentes al desgaste, presentan generalmente un aspecto mate y, en caso de no ser ya de color oscuro, pueden teñirse de forma adecuada.

Además de los materiales metálicos, también pueden emplearse, por ejemplo, materiales vitreos como material base de la placa de calibración.

Según otra forma de realización, el módulo óptico del sistema de calibración presenta uno o varios sensores. Tal sensor puede ser, por ejemplo, un sensor de distancia para la detección de la separación entre la placa de calibración fijada sobre el sistema de plataforma de construcción y la unidad de detección óptica dispuesta en el espacio de construcción; entre los sensores de distancia adecuados se encuentran, entre otros, sensores de distancia inductivos o sensores de distancia basados en láser. El sensor de distancia permite ajustar o reajustar con precisión la distancia de trabajo predeterminada de la unidad de detección óptica.

Asimismo, el módulo óptico puede incluir un sensor de inclinación para determinar la orientación de la unidad de detección óptica y/o para supervisar la alineación perpendicular de la unidad de detección óptica. Mediante el sensor de inclinación se asegura que la unidad de detección óptica en el módulo óptico esté alineada sin inclinación (en posición perpendicular). La placa de calibración y/o el sistema de plataforma de construcción situado debajo pueden estar igualmente equipados con un sensor de inclinación, a fin de comprobar o asegurar la alineación perpendicular del eje óptico de la unidad de detección óptica con respecto a la placa de calibración. En caso de detectarse una inclinación, esta puede compensarse o corregirse matemáticamente en el marco de la evaluación posterior.

Alternativamente, la inclinación puede comprobarse también mediante varios de los sensores de distancia que determinan, por ejemplo, en tres o cuatro posiciones, la separación entre el módulo óptico y la placa de calibración.

Además, en el módulo óptico puede instalarse un sensor de temperatura. Mediante el sensor de temperatura puede comprobarse si para la unidad de detección óptica y la placa de calibración se mantiene una temperatura de medición predeterminada o un intervalo de temperatura de medición predeterminado.

El módulo óptico puede comprender además un transpondedor RFID para el almacenamiento de datos y la consulta de datos de identificación de forma inalámbrica. El acrónimo RFID (del inglés: radio-frequency identificaron) describe una tecnología conocida para la identificación y localización automática y sin contacto de objetos mediante ondas de radio; un sistema RFID comprende habitualmente un transpondedor RFID y un dispositivo lector. Mediante el transpondedor RFID del módulo óptico puede controlarse el acceso al sistema de calibración, por ejemplo, mediante una autorización de liberación del sistema de calibración por parte del operador.

En instalaciones de fabricación aditiva de gran tamaño, por ejemplo, aquellas que disponen de varios láseres, es decir, en los denominados sistemas multiláser, puede preverse que el módulo óptico comprenda varias unidades de detección óptica, estando asociada cada una de dichas unidades de detección óptica a uno de los láseres. De este modo, la calibración puede realizarse de manera simultánea para el respectivo campo de trabajo de cada láser específico. Según otra realización del módulo óptico, este puede comprender una unidad de detección óptica desplazable, por ejemplo, regulable en posición. A tal efecto, la unidad de detección óptica se desplaza a posiciones definidas con el fin de registrar sucesivamente imágenes del respectivo campo de trabajo de cada láser específico.

Los soportes de marcas de referencia del sistema de calibración pueden estar configurados de diferentes maneras, por ejemplo, como pasadores de ajuste que pueden introducirse en posiciones fijas en el sistema de plataforma de construcción. Para evitar errores de perspectiva en la captura de imágenes, los soportes de marcas de referencia se fijan preferentemente en el sistema de plataforma de construcción de tal modo que su marca de referencia se encuentre en el mismo plano que la superficie visible de la placa de calibración.

Preferentemente se dispone una pluralidad de soportes de marcas de referencia o de marcas de referencia distribuidas uniformemente en el sistema de plataforma de construcción, por ejemplo, cuatro en las esquinas y una marca de referencia colocada en el centro de un rectángulo. A través de las marcas de referencia puede compensarse matemáticamente una posible inclinación de la unidad de detección óptica con respecto a la placa de calibración. Para ello, se determina una matriz de homografía a partir de las marcas de referencia definidas y conocidas. Sobre esta base puede calcularse una imagen “no inclinada”, multiplicando cada punto de la imagen por la matriz de homografía.

Como alternativa a pasadores de ajuste puede utilizarse cualquier otra forma de soporte de marca de referencia que pueda fijarse de manera definida en el sistema de plataforma de construcción, como por ejemplo semiesferas magnéticas.

La fijación de la placa de calibración al sistema de plataforma de construcción puede realizarse, por ejemplo, mediante uniones atornilladas. Alternativamente también pueden emplearse soportes magnéticos, cuyo beneficio consiste en particular en que no se produce pérdida de superficie en la superficie visible debido a los elementos de fijación, es decir, queda más espacio disponible para los elementos del patrón de calibración.

Según una realización, el sistema de calibración puede comprender una plataforma de calibración para fijar la placa de calibración al sistema de plataforma de construcción, estando la placa de calibración sujeta a la plataforma de calibración. La unidad formada por la placa de calibración y la plataforma de calibración se instala en el sistema de plataforma de construcción para llevar a cabo la calibración. En este caso, los soportes de marcas de referencia están instalados de forma precisa y fija en la plataforma de calibración. Para calibrar el sistema de plataforma de construcción, tanto la placa de calibración como los soportes de marcas de referencia quedan fijados o se pueden fijar al sistema de plataforma de construcción a través de la plataforma de calibración, es decir, de manera indirecta.

Según una realización del procedimiento de calibración, el patrón de calibración introducido mediante el láser en la capa superficial de la superficie visible de la placa de calibración está constituido por una pluralidad de elementos individuales de patrón que poseen cada uno una geometría bidimensional idéntica. Los elementos de patrón están dispuestos separados entre sí en filas y columnas sobre la superficie visible de la placa de calibración. Preferentemente, los elementos de patrón se disponen de manera que cada elemento de patrón guarde respecto a cada uno de sus elementos adyacentes en la misma fila o columna una distancia mínima mayor o igual que la extensión o dimensión del propio elemento de patrón.

Cada uno de los elementos de patrón presenta preferentemente una simetría rotacional cuádruple, al menos dos segmentos de línea perpendiculares entre sí y un único elemento circular o puntual. Un ejemplo de este diseño del elemento de patrón es una cruz formada por dos segmentos de línea perpendiculares que se cruzan en el centro, siendo dicho punto de intersección al mismo tiempo el elemento puntual único. Otro diseño del elemento de patrón es un cuadrado con un elemento circular inscrito. Debido a la simetría rotacional cuádruple, el elemento circular o puntual individual se encuentra necesariamente siempre en el centro del elemento de patrón. A partir del elemento circular o puntual se determinan, como parte de los parámetros de posición de los elementos de patrón, sus coordenadas de localización o su posición en el plano; a partir de los segmentos de línea se determina una rotación angular como parte de los parámetros de posición. En el caso de parámetros de posición teóricos predeterminados para un elemento de patrón específico del patrón de calibración, definidos por ejemplo en forma de una coordenada teórica X, una coordenada teórica Y y una orientación angular teórica, resulta, tras la evaluación de la imagen del patrón de calibración, una coordenada real X, una coordenada real Y y una orientación angular real para dicho elemento de patrón. A partir de las diferencias, es decir, mediante la comparación teórica-real de los parámetros de posición, la unidad de evaluación determina los valores de corrección para cada una de las coordenadas del espacio de construcción en el sistema de coordenadas del espacio de construcción.

La invención se explica a continuación más detalladamente con ejemplos de realización y con referencia a los dibujos esquemáticos, en los que las mismas o similares características se identifican con las mismas referencias, mostrando:

Fig. 1: un sistema de plataforma de construcción equipado con piezas en vista perspectiva;

Fig. 2: el sistema de calibración instalado en un dispositivo de fabricación aditiva según una primera variante de realización, en vista perspectiva;

Fig. 3: el sistema de calibración según la primera variante de realización antes de la creación del patrón de calibración, en vista perspectiva;

Fig. 4: el sistema de calibración según la primera variante de realización después de la creación del patrón de calibración, en vista perspectiva;

Fig. 5: la placa de calibración con el patrón de calibración, en vista superior;

Fig. 6: una comparación teórica-real de los parámetros de posición basada en un elemento del patrón;

Fig. 7: el sistema de calibración según una segunda variante de realización, en vista perspectiva;

Fig. 8: el sistema de calibración según la segunda variante de realización, en vista perspectiva;

Fig. 9: detalles del sistema de calibración según la segunda variante de realización, en vista perspectiva, y

Fig. 10: detalles del sistema de calibración según la segunda variante de realización, en vista explosionada.

Según un ejemplo de realización —véase Fig. 1— el sistema de plataforma de construcción 1 que debe calibrarse está formado por una unidad de interfaz de máquina 1.1 y una plataforma de construcción 1.2 fijable con ajuste exacto a esta, que a su vez soporta las piezas 3. En la Fig. 1 se muestran 48 piezas 3 producidas mediante fabricación aditiva híbrida, ejemplificadas como álabes de turbina para motores de avión. Sobre los cuerpos base 3.1 de las piezas 3 se construye aditivamente, en el marco de la fabricación aditiva híbrida, el cuerpo de construcción 3.2, aquí ejemplificado como la punta del álabe de turbina, de modo que del cuerpo base 3.1 y del cuerpo de construcción 3.2 surge nuevamente una pieza completa 3. Dado que antes de iniciar la fabricación los cuerpos base 3.1 están fijados en posición sobre la plataforma de construcción 1.2, y esta a su vez está fijada en posición sobre la unidad de interfaz de máquina 1.1, para este sistema de plataforma de construcción 1 únicamente es necesario calibrar la unidad de interfaz de máquina 1.1.

Con respecto al sistema de plataforma de construcción 1 representado en el ejemplo de realización, especialmente su estructura específica, se hace referencia además a la solicitud de patente PCT/DE2023/150027, cuyo contenido se considera parte de la presente divulgación.

El dispositivo de fabricación aditiva mostrada en la Fig. 2 posee una cámara de construcción cuyo interior constituye el espacio de construcción 2. En el espacio de construcción 2 se introduce el sistema de plataforma de construcción 1 en forma de la unidad de interfaz de máquina 1.1 con la placa de calibración 5 fijada sobre ella.

Sobre la cámara de construcción se instala el módulo óptico 4; la placa de cobertura 4.3 se asienta cubriendo las paredes de la cámara de construcción, de modo que no entra luz ambiental en el espacio de construcción 2 durante la captura de la imagen (por ejemplo, una fotografía) de la placa de calibración 5. La unidad de detección óptica 4.1 utilizada para la captura de la imagen, aquí una cámara, está fijada mediante el soporte óptico 4.2 a la placa de cobertura 4.3 de manera que el eje óptico o la dirección de visión de la unidad de detección óptica 4.1 se encuentra perpendicular a la placa de cobertura 4.3; con la instalación conforme a lo previsto del módulo óptico 4, el eje óptico de la unidad de detección óptica 4.1 está por tanto orientado verticalmente hacia el espacio de construcción 2 del dispositivo de fabricación aditiva y perpendicularmente a la placa de calibración 5.

En la Fig. 3 se representa una primera variante de realización del sistema de calibración para calibrar el sistema de plataforma de construcción 1 en forma de la unidad de interfaz de máquina 1.1 en su estructura detallada. La placa de cobertura 4.3 posee en su lado inferior (no visible) diodos luminosos para iluminar la placa de calibración 5. La unidad de detección óptica 4.1 del módulo óptico 4 está fijada sobre la abertura para el paso de luz (no etiquetada) de la placa de soporte 4.3 mediante el soporte óptico 4.2.

La placa de calibración 5 fijada sobre la unidad de interfaz de máquina 1.1 —en la Fig. 3 antes de la creación del patrón de calibración 6— posee cinco aberturas para marcas de referencia 5.1 que permiten la visión desde la unidad de detección óptica 4.1 sobre las marcas de referencia 8 colocadas en el centro de las caras frontales de los soportes de marcas de referencia 7. Los soportes de marcas de referencia 7 están configurados, según el ejemplo de realización, como pasadores guía de calibración 7.1 ajustables en la unidad de interfaz de máquina 1.1 o como un elemento semiesférico 7.2 fijable magnéticamente en la unidad de interfaz de máquina 1.1.

La placa de calibración 5 está fijada a la unidad de interfaz de máquina 1.1 mediante tornillos 9, insertando separadores 10 entre la placa de calibración 5 y la unidad de interfaz de máquina 1.1, que aseguran que las marcas de referencia 8 se encuentran en el mismo plano que la superficie visible de la placa de calibración 5.

El sistema de calibración según la Fig. 4 corresponde al de la Fig. 3, pero además muestra el patrón de calibración 6 introducido en la cara visible de la placa de calibración 5 mediante el láser del dispositivo de fabricación aditiva, compuesto por los elementos de patrón 6.1 individuales dispuestos periódicamente en filas y columnas.

En la Fig. 5 se muestra la cara visible de la placa de calibración 5 de la Fig. 4 en vista superior. La imagen creada durante el procedimiento de calibración corresponde a la representación de la Fig. 5. A partir de esta imagen se registran los parámetros de posición reales para cada uno de los elementos de patrón bidimensionales 6.1 y se procesan mediante la unidad de evaluación.

La comparación teórica-real de los parámetros de posición teóricos y los parámetros de posición reales en el sistema de coordenadas, a partir de uno de los elementos de patrón 6.1, se ilustra en la Fig. 6. Los parámetros de posición teóricos del elemento de patrón bidimensional 6.1 son las dos coordenadas de posición teóricas predefinidas X, Y y la posición angular teórica en el plano bidimensional, en donde el elemento de patrón 6.1, según lo previsto, no presenta ninguna rotación, es decir, siempre tiene una posición angular teórica de 0°. Los parámetros de posición reales determinados fotográficamente son las dos coordenadas de posición medidas X', Y' y la desviación angular medida R' del elemento de patrón 6.1.

En las Fig. 7 a 10 se representa una segunda forma de realización del sistema de calibración para la calibración del sistema de plataforma de construcción 1.

En la unidad de interfaz de máquina 1.1 —véase la Fig. 7— está dispuesta, para su calibración, la plataforma de calibración 1.3 con la placa de calibración 5 fijada sobre ella. El módulo óptico 4, situado por encima, comprende la unidad de detección óptica 4.1, nuevamente una cámara (cuyo objetivo es visible en la Fig. 7), el soporte óptico 4.2 así como una cubierta en forma de placa. Dicha cubierta es una estructura sándwich formada por la placa de cobertura 4.3 que forma el cierre inferior, paneles LED y placas difusoras. La Fig. 8 muestra, en una representación correspondiente a la Fig. 7, una carcasa 4.4 del módulo óptico 4, mediante la cual la unidad de detección óptica 4.1, el soporte óptico 4.2 así como la cubierta en forma de placa están alojados y protegidos.

La representación detallada de la unidad de interfaz de máquina 1.1, de la plataforma de calibración 1.3 y de la placa de calibración 5 fijada sobre ella según la segunda forma de realización del sistema de calibración se desprende de las Fig. 9 y 10.

El patrón de calibración 6, introducido en la superficie visible de la placa de calibración 5 mediante el láser del dispositivo de fabricación aditiva, compuesto por elementos de patrón 6.1 dispuestos periódicamente en filas y columnas según la Fig. 9, se diferencia en cuanto a la configuración de los elementos de patrón 6.1 respecto de la primera forma de realización del sistema de calibración conforme a la Fig. 4.

La placa de calibración 5, fijada a la plataforma de calibración 1.3 mediante los tomillos de fijación 9, presenta cinco aberturas para marcas de referencia 5.1 que liberan la visión desde la unidad de detección óptica 4.1 hacia las marcas de referencia 8 dispuestas en el centro de las caras frontales de los soportes de referencia 7. Los soportes de referencia 7 están configurados, conforme a la segunda forma de realización, como pasadores de calibración 7.3 que —véase la Fig. 10— están instalados de manera fija en la plataforma de calibración 1.3. La placa de calibración 5 presenta un grosor que corresponde a la altura de los pasadores de calibración 7.3, de modo que las marcas de referencia 8 se encuentran en un mismo plano con la superficie visible de la placa de calibración 5.

La plataforma de calibración 1.3 se puede fija r—tal como se desprende además de la Fig. 10— de manera posicional en la unidad de interfaz de máquina 1.1 mediante un sistema de sujeción de punto cero, guiado por pasadores de ajuste.

Lista de referencias

1 Sistema de plataforma de construcción

1.1 Unidad de interfaz de máquina

1.2 Plataforma de construcción

1.3 Plataforma de calibración

2 Espacio de construcción

3 Pieza

3.1 Cuerpo base

3.2 Cuerpo de construcción

4 Módulo óptico

4.1 Unidad de captura óptica

4.2 Soporte óptico

4.3 Placa de cobertura

4.4 Carcasa protectora

5 Placa de calibración

5.1 Aberturas para marcas de referencia

6 Patrón de calibración

6.1 Elemento del patrón

7 Soporte de marca de referencia

7.1 Pasador guía de calibración

7.2 Elemento semiesférico

7.3 Pasador de calibración

8 Marca de referencia

9 Tornillos de fijación

10 Separadores

X, Y Coordenadas de posición de referencia predeterminadas

X', Y' Coordenadas de posición medidas

R' Desviación angular medida

Claims (11)

REIVINDICACIONES

1. Sistema de calibración para la calibración de un sistema de plataforma de construcción (1) dispuesto en un espacio de construcción (2) de un dispositivo de fabricación aditiva, en el que el dispositivo de fabricación aditiva comprende un láser controlable para la consolidación de material durante la fabricación aditiva sobre el sistema de plataforma de construcción (1), y en el que el sistema de calibración comprende una placa de calibración (5) fijable sobre el sistema de plataforma de construcción (1) y un módulo óptico (4), caracterizado por que

- la placa de calibración (5) está formada por un material base predeterminado, presentando la placa de calibración (5) una superficie visible en una de sus dos caras planas y extendidas; y

- el módulo óptico (4) comprende una unidad de captura óptica (4.1) y un soporte óptico (4.2),

y por que

- la superficie visible de la placa de calibración (5) está provista de una capa superficial que contrasta en color con el material base; y

- el módulo óptico (4) comprende además una placa de cobertura (4.3) para cubrir el espacio de construcción (2) del dispositivo de fabricación aditiva, en la que la unidad de captura óptica (4.1), mediante el soporte óptico (4.2), está fijada en la placa de cobertura (4.3) en la zona de una abertura para el paso de luz en la placa de cobertura (4.3) para la captura óptica de la imagen de la placa de calibración (5) fijada en el sistema de plataforma de construcción (1), y en la que en la placa de cobertura (4.3) están dispuestos, en el lado del espacio de construcción, fuentes de luz para iluminar el espacio de construcción (2).

2. Sistema de calibración según la reivindicación 1, caracterizado por que la capa superficial en el lado visible de la placa de calibración (5) es una capa de conversión óxida del material base de la placa de calibración (5).

3. Sistema de calibración según la reivindicación 2, caracterizado por que la placa de calibración (5) está hecha de un material de acero, y la capa superficial en el lado visible de la placa de calibración (5) es una capa de bruñido.

4. Sistema de calibración según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que las fuentes de luz dispuestas en el lado del espacio de construcción de la placa de cobertura (4.3) son diodos emisores de luz distribuidos uniformemente.

5. Sistema de calibración según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que el módulo óptico (4) comprende uno o más sensores, siendo al menos uno de los sensores un sensor de distancia para detectar la distancia de la placa de calibración (5) fijada en el sistema de plataforma de construcción (1) a la unidad de captura óptica (4.1) dispuesta en el espacio de construcción (2).

6. Sistema de calibración según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que comprende uno o más soportes de marcas de referencia (7), cada uno con una marca de referencia (8), en los que los soportes de marcas de referencia (7) son fijables con precisión de posición en el sistema de plataforma de construcción (1), y la placa de calibración (5) presenta aberturas para marcas de referencia (5.1) que, con la placa de calibración (5) fijada en el sistema de plataforma de construcción (1), permiten, desde la unidad de captura óptica (4.1), la visión de las marcas de referencia (8) de los soportes de marcas de referencia (7) fijados en el sistema de plataforma de construcción (1).

7. Sistema de calibración según la reivindicación 6, caracterizado por que el sistema de calibración comprende una plataforma de calibración (1.3) para fijar la placa de calibración (5) en el sistema de plataforma de construcción (1), en la que los soportes de marcas de referencia (7) están instalados de manera fija y con precisión de posición en la plataforma de calibración (1.3).

8. Procedimiento de calibración para calibrar un sistema de plataforma de construcción (1) dispuesto en un espacio de construcción (2) de un dispositivo de fabricación aditiva, en el que el dispositivo de fabricación aditiva comprende un láser controlable para la consolidación de material durante la fabricación aditiva sobre el sistema de plataforma de construcción (1), y en el que:

- la posición del sistema de plataforma de construcción (1) y de los objetos fijados sobre él en el espacio de construcción (2) está definida mediante coordenadas de espacio de construcción dentro de un sistema de coordenadas del espacio de construcción, y

- mediante una unidad de evaluación se determinan valores de corrección para las coordenadas del espacio de construcción basándose en una comparación teórica-real entre valores de posición teóricos predeterminados y valores de posición reales registrados de elementos de patrón bidimensionales (6.1) de un patrón de calibración (6) generado mediante el láser, en relación con una o más marcas de referencia (8) dispuestas en el sistema de plataforma de construcción (1), caracterizado por que el procedimiento de calibración se realiza mediante la unidad de evaluación y un sistema de calibración según la reivindicación 6 mediante los siguientes pasos:

- fijar la placa de calibración (5) y el o los soportes de marcas de referencia (7) que presentan marcas de referencia (8) en el sistema de plataforma de construcción (1) dispuesto en el espacio de construcción (2) del dispositivo de fabricación aditiva;

- introducir en la placa de calibración (5) un patrón de calibración (6) que se extienda sobre la superficie visible de la placa de calibración (5) mediante el láser controlable del dispositivo de fabricación aditiva, retirando localmente la capa superficial de la placa de calibración (5);

- posicionar el sistema de plataforma de construcción (1) con la placa de calibración (5) a una distancia de trabajo predeterminada de la unidad de captura óptica (4.1) en el espacio de construcción (2); - colocar el módulo óptico (4) en el espacio de construcción (2) y cubrir el espacio de construcción (2) mediante la placa de cobertura (4.3) del módulo óptico (4);

- capturar una imagen de la placa de calibración (5) mediante la unidad de captura óptica (4.1), y - evaluar la imagen de la placa de calibración (5) y determinar los valores de corrección de las coordenadas del espacio de construcción mediante la unidad de evaluación.

9. Procedimiento de calibración según la reivindicación 8, caracterizado por que el patrón de calibración (6) introducido en la capa superficial de la placa de calibración (5) mediante el láser comprende una pluralidad de elementos de patrón (6.1) con geometría bidimensional idéntica, estando dispuestos los elementos de patrón (6.1) separados entre sí en filas y columnas sobre la superficie visible de la placa de calibración (5), y en donde cada elemento de patrón (6.1) presenta respectivamente

- una simetría rotacional cuádruple,

- al menos dos segmentos rectos perpendiculares entre sí, y

- un único elemento circular o puntual.

10. Procedimiento de calibración según la reivindicación 9, caracterizado por que cada elemento de patrón (6.1) tiene respecto a cada elemento de patrón (6.1) vecino en la misma fila o columna una distancia mínima mayor o igual a la extensión del elemento de patrón (6.1).

11. Procedimiento de calibración según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado por que el láser se opera con parámetros de proceso típicos para la fabricación aditiva en el dispositivo de fabricación aditiva al introducir el patrón de calibración (6) en la placa de calibración (5).