EP3538350A1 - Device and method for additive manufacturing of components with a plurality of spatially separated beam guides - Google Patents

Device and method for additive manufacturing of components with a plurality of spatially separated beam guides

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EP3538350A1
EP3538350A1 EP17803829.5A EP17803829A EP3538350A1 EP 3538350 A1 EP3538350 A1 EP 3538350A1 EP 17803829 A EP17803829 A EP 17803829A EP 3538350 A1 EP3538350 A1 EP 3538350A1
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EP
European Patent Office
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laser
laser beam
spatially separated
laser beams
working plane
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17803829.5A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Reinhart Poprawe
Florian EIBL
Wilhelm Meiners
Lucas JAUER
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a device for additive component manufacturing, in particular for
  • selective laser melting or laser sintering comprising a machining head with several spatially separated
  • the invention also relates to a corresponding method for the generative component production, in which the
  • Powder layer of typically less than 100 ⁇ thickness applied with a slider on a substrate plate and selectively melted in a next step according to the geometry information from the 3D-CAD model using one or more energetic beams, in particular laser beams.
  • This recirculation process allows the production of three-dimensional components with little restrictions in terms of design complexity.
  • the compaction of the component is based on a complete melting of the SLM Powder and the previous layer. This achieves component densities of up to 100% and comparable mechanical properties with conventional production methods.
  • Exposure process in which the corresponding portions of the layer are selectively melted with the energetic radiation is interrupted by non-value-added processes such as the layer order, the Listevor ⁇ preparation and the process follow.
  • non-value-added processes such as the layer order, the
  • Scanner levels are moved, but no exposure takes place. This is the case, for example
  • WO 2015/003804 A1 shows a
  • the processing head forms by means of an optical device several individual laser beams in a fixed arrangement as laser spots next to each other or partially overlapping on the processing level from, for. B. in a line arrangement perpendicular to the direction of movement of the machining head.
  • the laser ⁇ rays are each of a separate
  • WO 2014/199149 A1 shows a similar device in which the respective beam sources direct the radiation without optical fibers directly to the working plane.
  • these devices require a separate beam source for each individual laser spot in the processing plane. In this way, although the spot arrangement on an increase in the number of
  • An exposure apparatus wherein the radiation of a single beam source is via one or more
  • Beam splitter is divided into several sub-beams. The partial beams are then each with its own deflection independent of each other on the
  • WO 00/21735 Al proposes an exposure apparatus in which the radiation of a light source is directed onto the working plane via a multiplicity of individual optical fibers which are arranged in a stationary array. Behind each fiber end, a light valve is provided which is capable of either transmitting or absorbing the radiation exiting the fiber in response to a control signal. In this way, by the movement of the fiber array and dependent on the geometry of the component control of the light valves belonging to the component areas in the working plane can be selectively exposed. When operating this device, the radiation must be used.
  • the object of the present invention is to provide a device and a method for
  • Utilization of the beam sources used allows, without being limited to certain surfaces to be exposed.
  • the task is with the device and the
  • the proposed device has a
  • Beam paths can be directed to a working plane, a laser beam source arrangement, with which the laser beam (s) are producible, and means for providing a material in the working plane.
  • the device further comprises a movement device with which a relative movement between the machining head and the machining plane
  • Movement device for generating the relative movement can be controlled.
  • the device is characterized in particular by the fact that one or more optical switching devices are provided with which the
  • Beam path of the one or more laser beams between the spatially separated beam paths can be switched.
  • the optical switching devices are preferably formed as a beam switch. These can, for example, by optoelectronic elements or by one or more tiltable mirror elements
  • the laser beam can be switched from a first beam path to a second beam path if it is no longer needed at the target position of the first beam path for exposure at least temporarily, while at a target position of the second beam path still an exposure is required. While previously two laser beam sources were required for such a situation, one of which temporarily switched off had to be, can be used by the proposed Vor ⁇ direction only one laser beam source , which is better utilized temporally by the switchover.
  • the number of spatially separated beam paths per laser beam source is not limited to two.
  • the laser beam source assembly includes a plurality of laser beam sources that produce a plurality of separate laser beams.
  • Laser beams is then assigned its own optical switching ⁇ element, which can switch the laser beams each on a plurality of spatially separated beam paths.
  • optical switching ⁇ element which can switch the laser beams each on a plurality of spatially separated beam paths.
  • Laser beam can use all available beam guides or beam paths. Another possibility is to assign each laser beam other beam paths over which the laser beam can be directed to the working plane. Preferably, in this case, adjacent beam paths under ⁇ Kunststoffaji laser beams common goal positions. Also a combination of the ones described above
  • the proposed method is
  • the generation of the relative movement can take place in the same way as described in the already cited document WO 2015/003804 AI.
  • the proposed device on the one hand on the simple scalability of build rate and space size achieved by using a larger number of laser beam sources, a higher productivity.
  • the proposed device provides the possibility of achieving these advantages with the smallest possible number of individual beam sources.
  • these beam sources are operated virtually uninterrupted in the proposed device. This results in the operation of
  • the device and the method can be used for any powder bed-based laser beam melting process deploy. Especially the use of such
  • FIG. 2 shows a comparison of the exposure unit of a device according to FIG.
  • Fig. 3 is a schematic representation of a
  • Contraption shows a comparison of the exposure sequence in a device according to the prior art and in an embodiment of the proposed device.
  • Fig. 5 is a schematic representation of a
  • the value-adding exposure process is interrupted by non-value adding processes such as coating, process preparation and postprocessing.
  • This process chain is shown schematically in FIG. 1, which shows the processes of the process preparation 12, the coating application 13, the exposure 14 and the process after- treatment 15 in the specified sequence.
  • the processes of the layer application 13 and the exposure 14 repeat themselves layer by layer until the three-dimensional component is finished.
  • the proposed method and the associated device thereby enable an optimization of the exposure ⁇ process.
  • Laser beam strikes a target position in the processing plane 8 on a fixed beam path. This can be generated in the processing plane 8, an array of laser spots 3, whose spot number of
  • FIG. 2 shows in the upper portion of a device according to the present invention, in which in this example, only one laser beam source 1 is used, which via an optical fiber 6 or another
  • Light-guiding device is connected to an optical switching element 4, by which the laser radiation can be directed in each case to one of a plurality of beam paths and thus to one of a plurality of target positions 5 in the processing plane 8.
  • Each laser beam source 1 or each laser beam is then associated with one of the optical switching elements 4, which can switch the laser beam corresponding to several beam paths or target positions.
  • the optical switching elements 4 are in each case integrated in the machining head 7.
  • the laser beam sources 1 can also in the
  • Processing head 7 integrated or arranged outside the machining head 7 and be connected for example via optical fibers to the machining head 7.
  • the processing head 7 is at a
  • the beam sources 1 are in this example at the
  • Linear axis 10 arranged. They can also be arranged in other places.
  • the optical elements 4 are arranged such that at least one, but preferably a plurality of target positions of the respectively adjacent optical elements 4 can be exposed with an optical element. These Target positions are shown in FIG. 3 as laser spots 3 in the working plane. Preferably, the individual target positions lie in a row, as is indicated schematically in the figure. Thus, for example, a laser line can be realized in the working plane.
  • To build a component of the machining head 7 is moved, for example, meandering over the working plane and the optical
  • Switching elements 4 are controlled so that in each case the target positions are exposed, which belong within the current exposure field of the machining head 7 to the component geometry to be generated.
  • a further exemplary realization is based on the figure 4 compared to the use of a
  • Target positions or laser spots and thus a larger exposure width is achieved.
  • the illustrated component geometry 11 of a layer can be exposed with less crossings of the machining head than with the device of the prior art. This is achieved in the present example in that during a single crossing not required radiation can be directed by the optical switching elements in other component areas, which can be achieved in the device of the prior art only by a second crossing.
  • the solid arrows represent thereby distances with exposure, the dashed arrows distances without exposure.
  • the laser beam sources used are better exploited in the proposed device, as it in this example nearly at ⁇ imperforate for melting the component layer to be operated. Of course that is
  • the proposed device can also be designed so that the target positions not in one but in several consecutive
  • Target positions also in a second dimension can be seen by way of example in the schematic representation of FIG. Here is a second row
  • Target positions generated by further optical switching elements 4 and associated laser beam sources 1 are generated by further optical switching elements 4 and associated laser beam sources 1.
  • Beam sources 1 are also arranged on the linear axis 10 in this example. They can also be arranged in other places. Of course, the proposed device is not on the illustrated arrangements of the target positions
  • Switching element and the number of optical switching ⁇ elements per machining head depend in addition to the technological limits, especially in terms of dimensions and resilience of the components of the optical switching element, in particular from the spot size, the space dimensions and the desired system productivity.
  • An essential design criterion is that the beam sources used can be operated virtually uninterrupted in the average application, so that the highest possible proportion of installed laser power in the exposure process can be converted into remelted component volume.
  • the device can be used particularly advantageously if a pulsed or modulated process control is used instead of a continuous wave (cw) operation.
  • the optical switching element requires a certain switching time to switch the laser radiation to another beam path and thus to redirect from one target position to the next. Is this switching time in a favorable relationship to the duty cycle used, i. Pulse duration and pulse pause, it can be exposed at a relative to the component geometry relative speed between machining head and working plane an entire spot line with significantly fewer beam sources as spot or target positions
  • the target positions may also be arranged so that the laser spot in the working plane over ⁇ overlap.
  • the processing head is formed with the optical switching elements so that each target position can be irradiated by a plurality of laser beam sources. The exposure of a component layer takes place in such a way that during the crossing of the
  • the individual optical switching ⁇ elements are controlled so that all lying within the field of the available target positions component areas are exposed, while the associated beam sources emit radiation as possible interruption-free to melt the component layer.
  • the emitted power can be varied in the proposed device preferably via a control ⁇ device depending on the component geometry and the switching position of the associated optical switching element in their amount.

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Abstract

The present invention relates to a device and a method for the additive manufacturing of components, in particular for selective laser melting or laser sintering. The device comprises a processing head (7) having a plurality of spatially separated beam guides, via which one or more laser beams can be directed onto a processing plane (8) along spatially separated beam paths, and one or more optical switching devices (4) by means of which the beam path of each laser beam can be switched between the spatially separated beam paths. The device allows one laser beam source (1) to be used for different beam paths or target positions using such a processing head (7), resulting in better utilization of the beam sources and making it possible to irradiate the processing plane (8) corresponding to a desired component geometry using a smaller number of laser beam sources (1).

Description

Vorrichtung und Verfahren zur generativen  Device and method for generative
Bauteilfertigung mit mehreren räumlich getrennten  Component production with several spatially separated
Strahltührungen  radiates tours of the farm
Technisches Anwendungsgebiet Technical application
Die vorliegende betrifft eine Vorrichtung zur generativen Bauteilfertigung, insbesondere zum  The present invention relates to a device for additive component manufacturing, in particular for
selektiven Laserschmelzen oder Lasersintern, die einen Bearbeitungskopf mit mehreren räumlich getrennten selective laser melting or laser sintering, comprising a machining head with several spatially separated
Strahlführungen aufweist, über die ein oder mehrere Laserstrahlen auf räumlich getrennten Strahlwegen auf eine Bearbeitungsebene gerichtet werden können. Die Erfindung betrifft auch ein entsprechendes Verfahren zur generativen Bauteilfertigung, bei dem die Beam guides, over which one or more laser beams can be directed on spatially separated beam paths on a working plane. The invention also relates to a corresponding method for the generative component production, in which the
vorgeschlagene Vorrichtung einsetzbar ist. proposed device can be used.
Bei pulverbettbasierten Strahlschmelzverfahren, wie z. B. dem selektiven Laserschmelzen (SLM: Selective Laser Melting) werden dreidimensionale Bauteile In powder bed-based beam melting, such. B. selective laser melting (SLM: Selective Laser Melting) are three-dimensional components
generativ direkt aus 3D-CAD Modellen gefertigt. In einem sich wiederholenden Prozess wird eine dünne generatively manufactured directly from 3D-CAD models. In a repetitive process becomes a thin one
Pulverschicht von typischerweise unter 100 μιη Dicke mit einem Schieber auf einer Substratplatte aufgetragen und in einem nächsten Schritt selektiv entsprechend den Geometrieinformationen aus dem 3D-CAD Modell mit Hilfe eines oder mehrerer energetischer Strahlen, insbesondere Laserstrahlen, geschmolzen. Dieser Kreislauf- prozess erlaubt die Herstellung dreidimensionaler Bauteile mit geringen Einschränkungen bezüglich der konstruktiven Komplexität. Das Verdichten des Bauteils beruht beim SLM auf einem vollständigen Schmelzen des Pulvers und der vorangegangenen Schicht. Dadurch werden Bauteildichten von bis zu 100% und mit konventionellen Fertigungsverfahren vergleichbare mechanische Eigenschaften erreicht. Powder layer of typically less than 100 μιη thickness applied with a slider on a substrate plate and selectively melted in a next step according to the geometry information from the 3D-CAD model using one or more energetic beams, in particular laser beams. This recirculation process allows the production of three-dimensional components with little restrictions in terms of design complexity. The compaction of the component is based on a complete melting of the SLM Powder and the previous layer. This achieves component densities of up to 100% and comparable mechanical properties with conventional production methods.
Die Prozesskette läuft bei einem derartigen The process chain runs with such
Verfahren innerhalb der Fertigungsanlage bezogen auf eine Bauplattform sequentiell ab, wie dies in der Figur 1 schematisch dargestellt ist. Der wertschöpfende Method within the manufacturing plant based on a construction platform sequentially, as shown schematically in Figure 1. The value-adding
Belichtungsprozess , bei dem die entsprechenden Bereiche der Schicht mit der energetischen Strahlung selektiv aufgeschmolzen werden, wird durch nicht wertschöpfende Prozesse wie dem Schichtauftrag, der Prozessvor¬ bereitung und der Prozessnachbereitung unterbrochen. Je nach verwendeter Anlagentechnik, bspw. bei Verwendung von Galvanometerscannern zur Strahlablenkung, kommt es innerhalb des wertschöpfenden Belichtungsprozesses zusätzlich zu technisch bedingten Belichtungstotzeiten, in denen zwar die zur Strahlablenkung benötigten Exposure process, in which the corresponding portions of the layer are selectively melted with the energetic radiation is interrupted by non-value-added processes such as the layer order, the Prozessvor ¬ preparation and the process follow. Depending on the equipment used, for example. When using galvanometer scanners for beam deflection, it comes within the value-adding exposure process in addition to technically induced exposure dead times, although those required for beam deflection
Scannerspiegel bewegt werden, aber keine Belichtung erfolgt. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn Scanner levels are moved, but no exposure takes place. This is the case, for example
nacheinander zu belichtende Scanvektoren geometrisch nicht direkt aneinander anschließen. Zusätzliche nicht¬ produktive Zeiten treten in den Beschleunigungs- und Abbremsphasen der Scannerspiegel auf. Die Strahlquelle wird somit nicht zu 100% zur Belichtung genutzt. geometrically not directly adjoin each other scan vectors to be exposed sequentially. Additional non ¬ productive times occur in the acceleration and deceleration of the scanning mirror. The beam source is thus not used 100% for the exposure.
Stand der Technik State of the art
Neben den bisher hauptsächlich verwendeten Strahlablenksystemen auf Basis von Galvanometerscannern mit vor- oder nachgelagerter Fokussieroptik sind auch alternative Belichtungskonzepte bekannt. Dabei handelt es sich mehrheitlich um weniger komplexe Optiksysteme, welche mittels einer Bewegungsvorrichtung über die zu belichtende Fläche geführt werden. Dies bietet den Vorteil einer möglichen Skalierung von Bauraumgröße und/oder Schmelzleistung, ohne den grundlegenden In addition to the previously mainly used beam deflection systems based on galvanometer scanners with upstream or downstream focusing optics, alternative exposure concepts are also known. It acts It is mostly about less complex optical systems, which are guided by means of a movement device over the surface to be exposed. This offers the advantage of a possible scaling of installation space size and / or melting performance, without the basic
Anlagenaufbau verändern zu müssen. To change the system structure.
So zeigt bspw. die WO 2015/003804 AI eine For example, WO 2015/003804 A1 shows a
Vorrichtung, bei der mit Hilfe eines Achssystems ein Belichtungs- oder Bearbeitungskopf über ein Pulverbett bewegt wird. Der Bearbeitungskopf bildet mittels einer optischen Vorrichtung mehrere einzelne Laserstrahlen in einer feststehenden Anordnung als Laserspots nebeneinander oder teilweise überlappend auf die Bearbeitungs- ebene ab, z. B. in einer Linienanordnung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bearbeitungskopfes. Die Laser¬ strahlen werden dabei jeweils von einer separaten Device in which an exposure or processing head is moved over a powder bed with the aid of an axis system. The processing head forms by means of an optical device several individual laser beams in a fixed arrangement as laser spots next to each other or partially overlapping on the processing level from, for. B. in a line arrangement perpendicular to the direction of movement of the machining head. The laser ¬ rays are each of a separate
Strahlquelle erzeugt, mittels Lichtleitfasern zum Beam source generated by means of optical fibers for
Bearbeitungskopf geführt und simultan zur Bewegung des Bearbeitungskopfes entsprechend der zu erzeugendenMachined head and simultaneously to the movement of the machining head according to the produced
Bauteilgeometrie moduliert bzw. ein- und ausgeschaltet. Die WO 2014/199149 AI zeigt eine ähnliche Vorrichtung, bei der die jeweiligen Strahlquellen die Strahlung ohne Lichtleitfasern direkt auf die Bearbeitungsebene richten. Diese Vorrichtungen benötigen jedoch für jeden einzelnen Laserspot in der Bearbeitungsebene eine separate Strahlquelle. Auf diese Weise kann zwar die Spotanordnung über eine Erhöhung der Anzahl der Component geometry modulated or switched on and off. WO 2014/199149 A1 shows a similar device in which the respective beam sources direct the radiation without optical fibers directly to the working plane. However, these devices require a separate beam source for each individual laser spot in the processing plane. In this way, although the spot arrangement on an increase in the number of
Strahlquellen nahezu beliebig verbreitert werden. Dies ist allerdings mit einer linearen Erhöhung der Kosten verbunden. Zusätzlich wird der notwendige konstruktive Aufwand entsprechend erhöht. Die US 2014/0198365 AI beschreibt eine Beam sources are widened almost arbitrarily. However, this is associated with a linear increase in costs. In addition, the necessary design effort is increased accordingly. The US 2014/0198365 AI describes a
Belichtungsvorrichtung, bei der die Strahlung einer einzelnen Strahlquelle über einen oder mehrere An exposure apparatus wherein the radiation of a single beam source is via one or more
Strahlteiler in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt wird. Die Teilstrahlen werden dann jeweils mit einer eigenen Ablenkeinheit unabhängig voneinander auf die Beam splitter is divided into several sub-beams. The partial beams are then each with its own deflection independent of each other on the
Bearbeitungsebene gerichtet. Bei dieser Anordnung muss aufgrund der konstanten Aufteilung der Laserleistung auf die einzelnen Teilstrahlen allerdings dafür Sorge getragen werden, dass die von den jeweiligen Strahlablenkvorrichtungen zu belichtende Fläche identisch ist . Directed processing level. In this arrangement, however, due to the constant distribution of the laser power to the individual partial beams, care must be taken to ensure that the area to be exposed by the respective beam deflecting devices is identical.
Die WO 00/21735 AI schlägt eine Belichtungs- Vorrichtung vor, bei der die Strahlung einer Lichtquelle über eine Vielzahl von einzelnen Lichtleitfasern, die in einem feststehenden Array angeordnet sind, auf die Bearbeitungsebene gerichtet wird. Hinter jedem Faserende wird ein Lichtventil (Light Valve) angebracht, welches in der Lage ist, die aus der Faser austretende Strahlung abhängig von einem Steuersignal entweder zu transmittieren oder zu absorbieren. Auf diese Weise können durch die Bewegung des Faserarrays und die von der Bauteilgeometrie abhängige Steuerung der Lichtventile zum Bauteil gehörige Bereiche in der Bearbeitungsebene selektiv belichtet werden. Beim Betrieb dieser Vorrichtung muss die Strahlung WO 00/21735 Al proposes an exposure apparatus in which the radiation of a light source is directed onto the working plane via a multiplicity of individual optical fibers which are arranged in a stationary array. Behind each fiber end, a light valve is provided which is capable of either transmitting or absorbing the radiation exiting the fiber in response to a control signal. In this way, by the movement of the fiber array and dependent on the geometry of the component control of the light valves belonging to the component areas in the working plane can be selectively exposed. When operating this device, the radiation must
bestimmter bestrahlter Bereiche, die nicht zum certain irradiated areas not intended for
Bauteilaufbau benötigt werden, in den zugehörigen Lichtventilen absorbiert werden. Dies führt im Component structure needed to be absorbed in the associated light valves. This leads in
praktischen Einsatz allerdings zu einem sehr niedrigen Verhältnis aus eingesetzter und tatsächlich genutzter Laserleistung. Dies gilt auch für einige der bereits genannten Vorrichtungen. Practical use, however, to a very low ratio of used and actually used Laser power. This also applies to some of the devices already mentioned.
Die oben beschriebenen Nachteile der bekannten Vorrichtungen erschweren eine wirtschaftliche Anwendung pulverbettbasierter Strahlschmelzverfahren, bspw. in der Serienproduktion metallischer Bauteile. The above-described disadvantages of the known devices make an economical use of powder-bed-based jet melting processes, for example in the mass production of metallic components, difficult.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur The object of the present invention is to provide a device and a method for
generativen Bauteilfertigung durch schichtweises Generative component production by layer by layer
Aufschmelzen eines pulverförmigen Werkstoffes mit Melting a powdery material with
Laserstrahlung anzugeben, das eine verbesserte To specify laser radiation that improved
Ausnutzung der eingesetzten Strahlquellen ermöglicht, ohne hierbei auf bestimmte zu belichtende Flächen eingeschränkt zu sein. Utilization of the beam sources used allows, without being limited to certain surfaces to be exposed.
Darstellung der Erfindung Presentation of the invention
Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung und dem  The task is with the device and the
Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sowie des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patent¬ ansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Process according to claims 1 and 10 solved. Advantageous embodiments of the device and the method are the subject of the dependent patent claims ¬ or can be the following
Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen. Description and the exemplary embodiments.
Die vorgeschlagene Vorrichtung weist einen The proposed device has a
Bearbeitungskopf mit mehreren räumlich getrennten Processing head with several spatially separated
Strahlführungen mit entsprechenden Strahlführungs- und/oder Strahlablenkelementen auf, über die ein oder mehrere Laserstrahlen auf räumlich getrennten Beam guides with corresponding Strahlführungs- and / or Strahlablenkelementen on the one or more laser beams on spatially separated
Strahlwegen auf eine Bearbeitungsebene gerichtet werden können, eine Laserstrahlquellenanordnung, mit welcher der oder die Laserstrahlen erzeugbar sind, und eine Einrichtung zum Bereitstellen eines Werkstoffes in der Bearbeitungsebene. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Bewegungseinrichtung, mit der eine Relativbewegung zwischen Bearbeitungskopf und Bearbeitungsebene Beam paths can be directed to a working plane, a laser beam source arrangement, with which the laser beam (s) are producible, and means for providing a material in the working plane. The device further comprises a movement device with which a relative movement between the machining head and the machining plane
vorzugsweise in zueinander parallelen Ebenen erzeugbar ist und eine Steuereinrichtung, mit der die preferably in mutually parallel planes can be generated and a control device with which the
Bewegungseinrichtung zur Erzeugung der Relativbewegung ansteuerbar ist. Die Vorrichtung zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass eine oder mehrere optische Schalteinrichtungen vorhanden sind, mit denen der Movement device for generating the relative movement can be controlled. The device is characterized in particular by the fact that one or more optical switching devices are provided with which the
Strahlweg des einen oder der mehreren Laserstrahlen zwischen den räumlich getrennten Strahlwegen geschaltet werden kann. Die optischen Schalteinrichtungen werden dabei vorzugsweise als Strahlweichen ausgebildet. Diese können bspw. durch optoelektronische Elemente oder durch ein oder mehrere kippbare Spiegelelemente Beam path of the one or more laser beams between the spatially separated beam paths can be switched. The optical switching devices are preferably formed as a beam switch. These can, for example, by optoelectronic elements or by one or more tiltable mirror elements
gebildet sein. Durch diese Ausgestaltung der vorgeschlagenenbe formed. By this embodiment of the proposed
Vorrichtung besteht die Möglichkeit einer besseren Ausnutzung der für die Erzeugung des jeweiligen Device is the possibility of better utilization of the generation of the respective
Laserstrahls eingesetzten Laserstrahlquelle. So kann bei einem pulverbettbasierten Strahlschmelzverfahren der Laserstrahl von einem ersten Strahlweg auf einen zweiten Strahlweg umgeschaltet werden, wenn er an der Zielposition des ersten Strahlweges zumindest zeitweise nicht mehr zur Belichtung benötigt wird, während an einer Zielposition des zweiten Strahlweges noch eine Belichtung erforderlich ist. Während bisher für eine derartige Situation zwei Laserstrahlquellen benötigt wurden, von denen jeweils eine zeitweise abgeschaltet werden musste, kann durch die vorgeschlagene Vor¬ richtung nur eine Laserstrahlquelle zum Einsatz kommen, die durch die Umschaltmöglichkeit zeitlich besser ausgenutzt wird. Die Anzahl der räumlich getrennten Strahlwege je Laserstrahlquelle ist selbstverständlich nicht auf zwei begrenzt. Laser beam used laser beam source. Thus, in a powder bed-based beam melting method, the laser beam can be switched from a first beam path to a second beam path if it is no longer needed at the target position of the first beam path for exposure at least temporarily, while at a target position of the second beam path still an exposure is required. While previously two laser beam sources were required for such a situation, one of which temporarily switched off had to be, can be used by the proposed Vor ¬ direction only one laser beam source , which is better utilized temporally by the switchover. Of course, the number of spatially separated beam paths per laser beam source is not limited to two.
Eine weitere Möglichkeit eines möglichst Another way of one possible
unterbrechungsfreien Betriebes der Laserstrahlquelle besteht darin, die Laserstrahlquelle gepulst zu uninterrupted operation of the laser beam source is pulsed to the laser beam source
betreiben und die Umschaltvorgänge zwischen den operate and the switching between the
Strahlwegen möglichst in Pulspausen durchzuführen. If possible, carry out beam paths in pulse pauses.
Durch geeignete Steuerung der Relativgeschwindig- keit zwischen dem Bearbeitungskopf und der Bearbei¬ tungsebene lässt sich bei entsprechender linienförmiger Anordnung der Zielpositionen der einzelnen Strahlwege eine Laserlinie auf der Bearbeitungsebene belichten, indem der gepulste oder CW Laserstrahl (CW: continuous wave) der Reihenfolge nach über alle Strahlwege By suitable control of the relative speed between the processing head and the machining ¬ tung flat can with a corresponding line-shaped arrangement of the target positions of the individual beam paths, a laser line on the working plane exposed by the pulsed or CW laser beam (CW: Continuous Wave) in sequence over all beam paths
geschaltet wird. is switched.
Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, nicht die volle Leistung eines Laserstrahls auf einen Basically there is also the possibility not the full power of a laser beam on one
einzelnen Strahlweg zu schalten, sondern diese Leistung auf mehrere Strahlwege gleichzeitig aufzuteilen. Die Gesamtzahl der möglichen Zielpositionen, das heißt der Endpositionen der einzelnen Strahlwege in der single beam path to switch, but to divide this power on multiple beam paths simultaneously. The total number of possible target positions, that is, the end positions of the individual beam paths in the
Bearbeitungsebene, ist bei der vorgeschlagenen Working level, is at the proposed
Vorrichtung größer als die maximal mögliche Anzahl gleichzeitig zu belichtender Positionen, im Folgenden auch als Bearbeitungspositionen bezeichnet. In der bevorzugten Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung umfasst die Laserstrahlquellenanordnung mehrere Laserstrahlquellen, die mehrere getrennte Laserstrahlen erzeugen. Jedem dieser Device greater than the maximum possible number of positions to be exposed simultaneously, hereinafter also referred to as processing positions. In the preferred embodiment of the proposed device, the laser beam source assembly includes a plurality of laser beam sources that produce a plurality of separate laser beams. Each of these
Laserstrahlen ist dann ein eigenes optisches Schalt¬ element zugeordnet, das die Laserstrahlen jeweils auf mehrere räumlich getrennte Strahlwege schalten kann. Hierbei besteht die Möglichkeit, die optischen Laser beams is then assigned its own optical switching ¬ element, which can switch the laser beams each on a plurality of spatially separated beam paths. There is the possibility of the optical
Schalteinrichtungen so auszugestalten, dass jeder To design switchgear so that everyone
Laserstrahl alle zur Verfügung stehenden Strahlführungen bzw. Strahlwege nutzen kann. Eine andere Möglichkeit besteht darin, jedem Laserstrahl andere Strahlwege zuzuordnen, über die der Laserstrahl auf die Bearbeitungsebene gerichtet werden kann. Vorzugsweise weisen in diesem Fall benachbarte Strahlwege unter¬ schiedlicher Laserstrahlen gemeinsame Zielpositionen auf. Auch eine Kombination der oben beschriebenen Laser beam can use all available beam guides or beam paths. Another possibility is to assign each laser beam other beam paths over which the laser beam can be directed to the working plane. Preferably, in this case, adjacent beam paths under ¬ schiedlicher laser beams common goal positions. Also a combination of the ones described above
Möglichkeiten kann realisiert werden. Die vorangehend erläuterten Ausgestaltungen, bei denen mehrere Laserstrahlquellen mit den jeweils zugeordneten optischen Schaltelementen eingesetzt werden, ermöglichen durch die Umschaltung zwischen den einzelnen Strahlwegen eine bessere Ausnutzung der Possibilities can be realized. The above-explained embodiments, in which a plurality of laser beam sources are used with the respective associated optical switching elements, allow better use of the. By switching between the individual beam paths
Laserstrahlquellen und auch - je nach zu belichtender Geometrie - eine Verringerung der Anzahl der Überfahrten mit dem Bearbeitungskopf über die Bearbeitungs¬ ebene. Dies wird dadurch erreicht, dass die während einer einzelnen Überfahrt für eine bestimmte Fläche nicht benötigte Strahlung durch die optischen Schalt¬ elemente in andere Bauteilbereiche gerichtet werden kann, die ansonsten nur durch eine weitere Überfahrt erreicht werden könnten. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird Laser beam sources and also - depending on the geometry to be exposed - a reduction in the number of crossings with the machining head on the processing ¬ level. This is achieved in that the radiation is not needed during a single passage for a given area may be directed through the optical switching elements ¬ in other device areas, which might otherwise be achieved through a further crossing. In the proposed method is
entsprechend ein pulverförmiger Werkstoff für das Bauteil schichtweise durch Bestrahlung mit Laser¬ strahlung in einer Bearbeitungsebene aufgeschmolzen. Die Laserstrahlen für die Bestrahlung des Werkstoffes werden dabei über die Bearbeitungsebene geführt und so zwischen den Strahlwegen umgeschaltet, dass jeweils eine Schicht des Werkstoffes entsprechend der according to a powdered material for the component layer by layer by irradiation with laser ¬ radiation melted in a working plane. The laser beams for the irradiation of the material are guided over the working plane and switched so between the beam paths, that in each case one layer of the material according to the
gewünschten Bauteilgeometrie aufgeschmolzen und die von den Laserstrahlquellen erzeugte Laserleistung durch die Umschaltung maximal ausgenutzt wird. desired component geometry is melted and the laser power generated by the laser beam sources is maximally utilized by the switching.
Die Erzeugung der Relativbewegung kann dabei in gleicher Weise erfolgen, wie dies in der bereits angeführten Druckschrift WO 2015/003804 AI beschrieben ist . The generation of the relative movement can take place in the same way as described in the already cited document WO 2015/003804 AI.
Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung wird zum einen über die einfache Skalierbarkeit von Aufbaurate und Bauraumgröße durch Nutzung einer größeren Anzahl von Laserstrahlquellen eine höhere Produktivität erreicht. Zum anderen wird mit der vorgeschlagenen Vorrichtung die Möglichkeit geschaffen, diese Vorteile mit einer möglichst geringen Anzahl an Einzelstrahlquellen zu erzielen. Zusätzlich werden diese Strahlquellen bei der vorgeschlagenen Vorrichtung nahezu unterbrechungsfrei betrieben. Damit ergibt sich bei dem Betrieb der The proposed device on the one hand on the simple scalability of build rate and space size achieved by using a larger number of laser beam sources, a higher productivity. On the other hand, the proposed device provides the possibility of achieving these advantages with the smallest possible number of individual beam sources. In addition, these beam sources are operated virtually uninterrupted in the proposed device. This results in the operation of
Vorrichtung ein maximaler Wirkungsgrad - definiert durch das Verhältnis aus zum Aufschmelzen verwendeter zu insgesamt installierter Laserleistung. Die Device maximum efficiency - defined by the ratio of used to melting to total installed laser power. The
Vorrichtung und das Verfahren lassen sich für jedes pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzverfahren einsetzen. Vor allem der Einsatz einer derartigen The device and the method can be used for any powder bed-based laser beam melting process deploy. Especially the use of such
Vorrichtung innerhalb industrieller Fertigungsumgebungen weist ein großes Potential auf. Die Device within industrial manufacturing environments has great potential. The
Vorrichtung ermöglicht die generative Fertigung von Bauteilen mit maximierter Wertschöpfung. Daraus resultieren eine deutliche Steigerung der Produktivität der entsprechenden Fertigungseinrichtung und somit auch deutliche wirtschaftliche Vorteile, die den Einsatz von pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzverfahren im Rahmen der industriellen Serienfertigung stark Device enables the generative production of components with maximized added value. This results in a significant increase in the productivity of the corresponding manufacturing facility and thus also significant economic benefits, the use of powder bed-based laser beam melting in the context of industrial mass production strong
begünstigen . favor.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorge¬ schlagene Verfahren werden nachfolgend anhand von The proposed apparatus and methods are provided ¬ troubled below with reference to
Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung der Embodiments in conjunction with the drawings explained in more detail. 1 is a schematic representation of the
Prozesskette beim selektiven Laserschmelzen;  Process chain during selective laser melting;
Fig. 2 eine Gegenüberstellung der Belichtungs- einheit einer Vorrichtung gemäß demFIG. 2 shows a comparison of the exposure unit of a device according to FIG
Stand der Technik und der Belichtungs¬ einheit einer Ausgestaltung der State of the art and the exposure ¬ unit of an embodiment of
vorgeschlagenen Vorrichtung in stark schematisierter Darstellung;  proposed device in a highly schematic representation;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Fig. 3 is a schematic representation of a
Ausgestaltung der vorgeschlagenen  Design of the proposed
Vorrichtung; Fig. 4 ein Vergleich des Belichtungsablaufs bei einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik und bei einer Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung; und Contraption; 4 shows a comparison of the exposure sequence in a device according to the prior art and in an embodiment of the proposed device; and
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Fig. 5 is a schematic representation of a
weiteren Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung.  further embodiment of the proposed device.
Wege zur Ausführung der Erfindung Ways to carry out the invention
Bei pulverbettbasierten Strahlschmelzverfahren wie dem selektiven Laserschmelzen wird der wertschöpfende Belichtungsprozess durch nicht wertschöpfende Prozesse wie den Schichtauftrag, die Prozessvorbereitung und die Prozessnachbereitung unterbrochen. Diese Prozesskette ist schematisch in der Figur 1 dargestellt, die die Prozesse der Prozessvorbereitung 12, des Schicht- auftrags 13, der Belichtung 14 sowie der Prozess¬ nachbereitung 15 in der festgelegten Abfolge zeigt. Die Prozesse des Schichtauftrags 13 sowie der Belichtung 14 wiederholen sich dabei Schicht für Schicht bis das dreidimensionale Bauteil fertig aufgebaut ist. Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung ermöglichen dabei eine Optimierung des Belichtungs¬ prozesses . In the case of powder bed-based beam melting processes such as selective laser melting, the value-adding exposure process is interrupted by non-value adding processes such as coating, process preparation and postprocessing. This process chain is shown schematically in FIG. 1, which shows the processes of the process preparation 12, the coating application 13, the exposure 14 and the process after- treatment 15 in the specified sequence. The processes of the layer application 13 and the exposure 14 repeat themselves layer by layer until the three-dimensional component is finished. The proposed method and the associated device thereby enable an optimization of the exposure ¬ process.
Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung kann die With the proposed device, the
Auslastung der Laserstrahlquellen gegenüber einer  Utilization of the laser beam sources with respect to one
Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik erhöht werden, wie sie beispielsweise in der WO 2015/003804 AI beschrieben ist. Bei dieser Vorrichtung des Standes der Technik werden mehrere Laserstrahlquellen 1 eingesetzt, die über Lichtleitfasern 6 mit einem Bearbeitungskopf verbunden sind. Der Bearbeitungskopf weist für jede Laserstrahlquelle 1 eine Strahlführung mit einer Increase apparatus according to the prior art, as described for example in WO 2015/003804 AI. In this device of the prior Technique several laser beam sources 1 are used, which are connected via optical fibers 6 with a machining head. The machining head has a beam guide for each laser beam source 1
Fokussieroptik 2 auf, über die der jeweilige Focusing optics 2 on which the respective
Laserstrahl auf einem festgelegten Strahlweg auf eine Zielposition in der Bearbeitungsebene 8 trifft. Damit kann in der Bearbeitungsebene 8 eine Anordnung von Laserspots 3 erzeugt werden, deren Spotanzahl der  Laser beam strikes a target position in the processing plane 8 on a fixed beam path. This can be generated in the processing plane 8, an array of laser spots 3, whose spot number of
Anzahl der installierten Laserstrahlquellen entspricht. Dies ist im linken Teil der Figur 2 schematisch Number of installed laser sources corresponds. This is schematic in the left part of FIG
dargestellt . shown.
Im Vergleich dazu zeigt der rechte Teil der Figur 2 im oberen Teilabschnitt eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der in diesem Beispiel lediglich eine Laserstrahlquelle 1 eingesetzt wird, die über eine Lichtleitfaser 6 oder eine andere In comparison, the right part of Figure 2 shows in the upper portion of a device according to the present invention, in which in this example, only one laser beam source 1 is used, which via an optical fiber 6 or another
Lichtleitvorrichtung mit einem optischen Schaltelement 4 verbunden ist, durch das die Laserstrahlung jeweils auf einen von mehreren Strahlwegen und damit auf eine von mehreren Zielpositionen 5 in der Bearbeitungsebene 8 gelenkt werden kann. Die hier ebenfalls Light-guiding device is connected to an optical switching element 4, by which the laser radiation can be directed in each case to one of a plurality of beam paths and thus to one of a plurality of target positions 5 in the processing plane 8. These too
erforderlichen getrennten Strahlführungen mit required separate beam guides with
Fokussieroptiken sind in der Figur nicht dargestellt.Focusing optics are not shown in the figure.
Im unteren Teil der Figur ist eine Draufsicht auf diese Anordnung zu erkennen. Für die schematisch dargestellten fünf Strahlwege ist daher nur eine Laserstrahlquelle 1 erforderlich, deren Laserstrahl über das optische Schaltelement 4 nach Bedarf auf die In the lower part of the figure is a plan view of this arrangement can be seen. For the schematically illustrated five beam paths, therefore, only one laser beam source 1 is required, the laser beam via the optical switching element 4 as needed on the
unterschiedlichen Strahlwege geschaltet werden kann. Für eine gleichzeitige Belichtung mehrerer different beam paths can be switched. For a simultaneous exposure of several
Zielpositionen werden bei der vorgeschlagenen Target positions are proposed at the
Vorrichtung mehrere Laserstrahlquellen 1 und mehrere optische Schaltelemente 4 eingesetzt, wie dies in Figur 3 exemplarisch dargestellt ist. Jeder Laserstrahlquelle 1 bzw. jedem Laserstrahl ist dann eines der optischen Schaltelemente 4 zugeordnet, das den Laserstrahl entsprechend auf mehrere Strahlwege bzw. Zielpositionen schalten kann. Die optischen Schaltelemente 4 sind dabei jeweils in dem Bearbeitungskopf 7 integriert. Die Laserstrahlquellen 1 können ebenfalls in den Device multiple laser beam sources 1 and a plurality of optical switching elements 4 used, as shown in Figure 3 by way of example. Each laser beam source 1 or each laser beam is then associated with one of the optical switching elements 4, which can switch the laser beam corresponding to several beam paths or target positions. The optical switching elements 4 are in each case integrated in the machining head 7. The laser beam sources 1 can also in the
Bearbeitungskopf 7 integriert oder auch außerhalb des Bearbeitungskopfes 7 angeordnet und beispielsweise über Lichtleitfasern mit dem Bearbeitungskopf 7 verbunden sein. Processing head 7 integrated or arranged outside the machining head 7 and be connected for example via optical fibers to the machining head 7.
Bei dem Beispiel der Figur 3 befinden sich In the example of Figure 3 are
innerhalb des Bearbeitungskopfes 7 vier optische within the processing head 7 four optical
Schaltelemente 4, die jeweils mit einer Strahlquelle 1 verbunden sind. Der Bearbeitungskopf 7 ist an einerSwitching elements 4, which are each connected to a beam source 1. The processing head 7 is at a
Linearachse 10 befestigt, welche wiederum auf zwei dazu senkrecht stehende Linearachsen 9 montiert ist. Fixed linear axis 10, which in turn is mounted on two perpendicular to linear axes 9.
Selbstverständlich könnte auch nur eine Antriebsachse in Verbindung mit einer zusätzlichen Führung hierzu vorgesehen sein. Somit lässt sich der Bearbeitungskopf 7 über die gesamte Bearbeitungsebene 8 bewegen. Die Strahlquellen 1 sind in diesem Beispiel an der Of course, only one drive axle in conjunction with an additional guide could be provided for this purpose. Thus, the machining head 7 can be moved over the entire machining plane 8. The beam sources 1 are in this example at the
Linearachse 10 angeordnet. Die können auch an anderen Stellen angeordnet sein. Linear axis 10 arranged. They can also be arranged in other places.
Die optischen Elemente 4 sind so angeordnet, dass mit einem optischen Element mindestens eine, bevorzugt jedoch mehrere Zielpositionen der jeweils benachbarten optischen Elemente 4 belichtet werden können. Diese Zielpositionen sind in Figur 3 als Laserspots 3 in der Bearbeitungsebene dargestellt. Bevorzugt liegen die einzelnen Zielpositionen dabei in einer Reihe, wie dies in der Figur schematisch angedeutet ist. Damit kann beispielsweise eine Laserlinie in der Bearbeitungsebene realisiert werden. Zum Aufbau eines Bauteiles wird der Bearbeitungskopf 7 beispielsweise mäanderförmig über die Bearbeitungsebene bewegt und die optischen The optical elements 4 are arranged such that at least one, but preferably a plurality of target positions of the respectively adjacent optical elements 4 can be exposed with an optical element. These Target positions are shown in FIG. 3 as laser spots 3 in the working plane. Preferably, the individual target positions lie in a row, as is indicated schematically in the figure. Thus, for example, a laser line can be realized in the working plane. To build a component of the machining head 7 is moved, for example, meandering over the working plane and the optical
Schaltelemente 4 dabei so angesteuert, dass jeweils die Zielpositionen belichtet werden, die innerhalb des aktuellen Belichtungsfeldes des Bearbeitungskopfes 7 zu der zu erzeugenden Bauteilgeometrie gehören. Switching elements 4 are controlled so that in each case the target positions are exposed, which belong within the current exposure field of the machining head 7 to the component geometry to be generated.
Eine weitere beispielhafte Realisierung wird anhand der Figur 4 im Vergleich zur Nutzung einer A further exemplary realization is based on the figure 4 compared to the use of a
Vorrichtung des Standes der Technik wie der aus der WO 2015/003804 AI dargestellt. Im oberen Teil der Figur ist hierbei der Belichtungsprozess mit der Vorrichtung des Standes der Technik, im unteren Teil der  Apparatus of the prior art as shown in WO 2015/003804 AI. In the upper part of the figure here is the exposure process with the device of the prior art, in the lower part of the
Belichtungsprozess mit der vorgeschlagenen Vorrichtung veranschaulicht. Bei diesem Vergleich wird angenommen, dass beide Vorrichtungen die gleiche Anzahl an Laserstrahlquellen 1 aufweisen, wobei jedoch bei der vorgeschlagenen Vorrichtung aufgrund der Schaltmöglich- keiten eine höhere Anzahl an nebeneinanderliegendenExposure process illustrated with the proposed device. In this comparison, it is assumed that both devices have the same number of laser beam sources 1, but in the case of the proposed device, due to the switching possibilities, a higher number of adjacent ones
Zielpositionen bzw. Laserspots und damit eine größere Belichtungsbreite erreicht wird. Aus der Figur 4 ist ersichtlich, dass mit der vorgeschlagenen Vorrichtung die dargestellte Bauteilgeometrie 11 einer Schicht mit weniger Überfahrten des Bearbeitungskopfes belichtet werden kann als mit der Vorrichtung des Standes der Technik. Dies wird im vorliegenden Beispiel dadurch erreicht, dass während einer einzelnen Überfahrt nicht benötigte Strahlung durch die optischen Schaltelemente in andere Bauteilbereiche gerichtet werden kann, die bei der Vorrichtung des Standes der Technik nur durch eine zweite Überfahrt erreicht werden können. Die durchgezogenen Pfeile stellen dabei Wegstrecken mit Belichtung, die gestrichelten Pfeile Wegstrecken ohne Belichtung dar. Aus dem Vergleich der Figur 4 ist auch ersichtlich, dass bei der vorgeschlagenen Vorrichtung die eingesetzten Laserstrahlquellen besser ausgenutzt werden, da sie in diesem Beispiel nahezu unter¬ brechungsfrei zum Aufschmelzen der Bauteilschicht betrieben werden. Selbstverständlich ist der Target positions or laser spots and thus a larger exposure width is achieved. From the figure 4 it can be seen that with the proposed device, the illustrated component geometry 11 of a layer can be exposed with less crossings of the machining head than with the device of the prior art. This is achieved in the present example in that during a single crossing not required radiation can be directed by the optical switching elements in other component areas, which can be achieved in the device of the prior art only by a second crossing. The solid arrows represent thereby distances with exposure, the dashed arrows distances without exposure. From the comparison of Figure 4 is also seen that the laser beam sources used are better exploited in the proposed device, as it in this example nearly at ¬ imperforate for melting the component layer to be operated. Of course that is
Effektivitätsgewinn der vorgeschlagenen Vorrichtung gegenüber der Vorrichtung des Standes der Technik jeweils von der zu erzeugenden Bauteilgeometrie Increased effectiveness of the proposed device over the prior art device in each case of the component geometry to be generated
abhängig . dependent .
Die vorgeschlagene Vorrichtung kann auch so ausgebildet sein, dass die Zielpositionen nicht in einer sondern in mehreren hintereinanderliegenden The proposed device can also be designed so that the target positions not in one but in several consecutive
Reihen liegen. Diese Erweiterung des Feldes der Rows lie. This extension of the field of
Zielpositionen auch in einer zweiten Dimension ist beispielhaft in der schematischen Darstellung der Figur 5 zu erkennen. Hier wird eine zweite Reihe an Target positions also in a second dimension can be seen by way of example in the schematic representation of FIG. Here is a second row
Zielpositionen durch weitere optische Schaltelemente 4 und zugehörige Laserstrahlquellen 1 erzeugt. Die Target positions generated by further optical switching elements 4 and associated laser beam sources 1. The
Strahlquellen 1 sind in diesem Beispiel ebenfalls an der Linearachse 10 angeordnet. Die können auch an anderen Stellen angeordnet sein. Selbstverständlich ist die vorgeschlagene Vorrichtung dabei auch nicht auf die dargestellten Anordnungen der Zielpositionen Beam sources 1 are also arranged on the linear axis 10 in this example. They can also be arranged in other places. Of course, the proposed device is not on the illustrated arrangements of the target positions
beschränkt. Diese können vielmehr auch in anderer Weise verteilt angeordnet sein. Die Anzahl der Zielpositionen je optischem limited. These can rather be distributed in other ways. The number of target positions per optical
Schaltelement und die Anzahl der optischen Schalt¬ elemente je Bearbeitungskopf hängen dabei neben den technologischen Grenzen, insbesondere hinsichtlich Abmessungen und Belastbarkeit der Komponenten des optischen Schaltelementes, in besonderem Maße von der Spotgröße, den Bauraumabmessungen und der gewünschten Anlagenproduktivität ab. Ein wesentliches Auslegungs- kriterium ist dabei, dass die verwendeten Strahlquellen im durchschnittlichen Anwendungsfall nahezu unterbrechungsfrei betrieben werden können, so dass ein möglichst hoher Anteil installierter Laserleistung im Belichtungsprozess in umgeschmolzenes Bauteilvolumen umgesetzt werden kann. Switching element and the number of optical switching ¬ elements per machining head depend in addition to the technological limits, especially in terms of dimensions and resilience of the components of the optical switching element, in particular from the spot size, the space dimensions and the desired system productivity. An essential design criterion is that the beam sources used can be operated virtually uninterrupted in the average application, so that the highest possible proportion of installed laser power in the exposure process can be converted into remelted component volume.
Besonders vorteilhaft kann die Vorrichtung genutzt werden, wenn anstelle eines Dauerstrich (cw) -Betriebes eine gepulste bzw. modulierte Prozessführung verwendet wird. Das optische Schaltelement benötigt eine gewisse Umschaltzeit, um die Laserstrahlung auf einen anderen Strahlweg umzuschalten und damit von einer Zielposition zur nächsten umzulenken. Steht diese Umschaltzeit in einem günstigen Verhältnis zum verwendeten Duty-Cycle, d.h. Pulsdauer und Pulspause, so kann bei einer auf die Bauteilgeometrie angepassten Relativgeschwindigkeit zwischen Bearbeitungskopf und Bearbeitungsebene eine gesamte Spotlinie mit wesentlich weniger Strahlquellen belichtet werden als Spot- bzw. Zielpositionen The device can be used particularly advantageously if a pulsed or modulated process control is used instead of a continuous wave (cw) operation. The optical switching element requires a certain switching time to switch the laser radiation to another beam path and thus to redirect from one target position to the next. Is this switching time in a favorable relationship to the duty cycle used, i. Pulse duration and pulse pause, it can be exposed at a relative to the component geometry relative speed between machining head and working plane an entire spot line with significantly fewer beam sources as spot or target positions
vorhanden sind. Die Zielpositionen können auch so angeordnet sein, dass die Laserspots in der Bearbeitungsebene über¬ lappen. Vorzugsweise wird der Bearbeitungskopf mit den optischen Schaltelementen so ausgebildet, dass jede Zielposition von mehreren Laserstrahlquellen bestrahlt werden kann. Die Belichtung einer Bauteilschicht erfolgt dabei derart, dass bei der Überfahrt des available. The target positions may also be arranged so that the laser spot in the working plane over ¬ overlap. Preferably, the processing head is formed with the optical switching elements so that each target position can be irradiated by a plurality of laser beam sources. The exposure of a component layer takes place in such a way that during the crossing of the
Bearbeitungskopfes die einzelnen optischen Schalt¬ elemente so gesteuert werden, dass sämtliche innerhalb des Feldes der zur Verfügung stehenden Zielpositionen liegende Bauteilbereiche belichtet werden, während die zugehörigen Strahlquellen möglichst unterbrechungsfrei Strahlung zum Aufschmelzen der Bauteilschicht abgeben. Die emittierte Leistung kann bei der vorgeschlagenen Vorrichtung vorzugsweise über eine Steuerungs¬ einrichtung in Abhängigkeit der Bauteilgeometrie und der Schaltstellung des zugehörigen optischen Schaltelementes in ihrem Betrag variiert werden. Processing head the individual optical switching ¬ elements are controlled so that all lying within the field of the available target positions component areas are exposed, while the associated beam sources emit radiation as possible interruption-free to melt the component layer. The emitted power can be varied in the proposed device preferably via a control ¬ device depending on the component geometry and the switching position of the associated optical switching element in their amount.
Bezugs zeichenliste Reference sign list
1 Laserstrahlquelle 1 laser beam source
2 Fokussieroptik  2 focusing optics
3 Laserspot  3 laser spot
4 Optisches Schaltelement  4 Optical switching element
5 Zielposition  5 target position
6 Lichtleitfaser  6 optical fiber
7 Bearbeitungskopf  7 machining head
8 Bearbeitungsebene  8 processing level
9 Linearachsen  9 linear axes
10 Linearachse  10 linear axis
11 Bauteilgeometrie  11 Component geometry
12 Prozess orbereitung  12 process preparation
13 Schichtauftrag  13 shift order
14 Belichtung  14 exposure
15 Prozessnachbereitung  15 process follow-up

Claims

Patentansprüche claims
Vorrichtung zur generativen Bauteilfertigung, insbesondere zum selektiven Laserschmelzen oder Lasersintern, mit Device for additive component production, in particular for selective laser melting or laser sintering, with
- einem Bearbeitungskopf (7), der mehrere räumlich getrennte Strahlführungen aufweist, über die ein oder mehrere Laserstrahlen auf räumlich getrennten Strahlwegen auf eine Bearbeitungsebene (8) gerichtet werden können,  - A processing head (7) having a plurality of spatially separated beam guides over which one or more laser beams can be directed on spatially separated beam paths on a working plane (8),
- einer Laserstrahlquellenanordnung zur Erzeugung des einen oder der mehreren Laserstrahlen,  a laser beam source arrangement for generating the one or more laser beams,
- einer Einrichtung zum Bereitstellen eines Werkstoffes in der Bearbeitungsebene (8),  a device for providing a material in the working plane (8),
- einer Bewegungseinrichtung (9, 10), mit der eine Relativbewegung zwischen Bearbeitungskopf (7) und Bearbeitungsebene (8) erzeugbar ist, und  - A movement device (9, 10) with which a relative movement between the machining head (7) and machining plane (8) can be generated, and
- einer Steuereinrichtung, mit der die Bewegungseinrichtung (9, 10) zur Erzeugung der Relativbewegung ansteuerbar ist,  a control device with which the movement device (9, 10) can be activated to generate the relative movement,
wobei eine oder mehrere optische Schaltein¬ richtungen (4) vorhanden sind, mit denen der Strahlweg des einen oder der mehreren Laserstrahlen zwischen den räumlich getrennten wherein one or more optical Schaltein ¬ directions (4) are present, with which the beam path of the one or more laser beams between the spatially separated
Strahlwegen geschaltet werden kann. Beam paths can be switched.
Vorrichtung nach Anspruch 1, Device according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Laserstrahlquellenanordnung mehrere the laser beam source arrangement has several
Laserstrahlquellen (1) zur Erzeugung mehrerer Laserstrahlen aufweist, wobei für jeden Laserstrahl eine eigene optische Schalteinrichtung (4) vorhanden ist. Laser beam sources (1) for generating a plurality of laser beams, wherein for each Laser beam own optical switching device (4) is present.
Vorrichtung nach Anspruch 2, Device according to claim 2,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass jeder Strahlweg in einer Zielposition (5) in der Bearbeitungsebene (8) endet, wobei sich wenigstens einige der Zielpositionen (5) der Strahlwege unterschiedlicher Laserstrahlen that each beam path terminates in a target position (5) in the processing plane (8), wherein at least some of the target positions (5) of the beam paths of different laser beams
unterscheiden . distinguish.
Vorrichtung nach Anspruch 3, Device according to claim 3,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass benachbarte Strahlwege unterschiedlicher Laserstrahlen gemeinsame Zielpositionen (5) aufweisen . in that adjacent beam paths of different laser beams have common target positions (5).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, Device according to one of claims 1 to 4, characterized
dass die Steuereinrichtung so ausgebildet ist, dass sie die eine oder die mehrere optischen that the control device is designed such that it has the one or more optical
Schalteinrichtungen (4) so ansteuert, dass jeweils für eine zu belichtende Bauteilgeometrie die von den Laserstrahlquellen (1) erzeugte Switching devices (4) controls so that in each case for a component geometry to be exposed by the laser beam sources (1) generated
Laserleistung maximal ausgenutzt wird. Maximum laser power is utilized.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, Device according to one of claims 1 to 5, characterized
dass die Anzahl der räumlich getrennten Strahlwege die Anzahl der Laserstrahlquellen (1) um that the number of spatially separated beam paths the number of laser beam sources (1) to
wenigstens den Faktor 2 übersteigt. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, exceeds at least the factor 2. Device according to one of claims 1 to 6, characterized
dass der Bearbeitungskopf (7) mehrere Fokussier- optiken (2) aufweist, durch die die Laserstrahlen in Richtung der Bearbeitungsebene (8) fokussiert werden können. the processing head (7) has a plurality of focusing optics (2) through which the laser beams can be focused in the direction of the working plane (8).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, Device according to one of claims 1 to 7, characterized
dass die optischen Schalteinrichtungen (4) durch elektrooptische Elemente gebildet sind. in that the optical switching devices (4) are formed by electro-optical elements.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, Device according to one of claims 1 to 8, characterized
dass die Bewegungseinrichtung (9, 10) eine in that the movement device (9, 10) has a
Translationsachse oder zwei zueinander senkrechte Translationsachsen aufweist, über die der Translationsachse or two mutually perpendicular translation axes over which the
Bearbeitungskopf (7) in einer Ebene parallel zur Bearbeitungsebene (8) bewegbar ist. Processing head (7) in a plane parallel to the working plane (8) is movable.
Verfahren zur generativen Bauteilfertigung mit einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein pulverförmiger Werkstoff für das Bauteil schichtweise durch Bestrahlung mit Laserstrahlung einer oder mehrerer Laserstrahlquellen (1) in einer Bearbeitungsebene (8) aufgeschmolzen wird, A method for generating generative components using a device according to one of the preceding claims, in which a powdery material for the component is melted in layers by irradiation with laser radiation of one or more laser beam sources (1) in a working plane (8),
wobei für die Bestrahlung des Werkstoffes die Laserstrahlen über die Bearbeitungsebene (8) geführt werden und so zwischen den Strahlwegen umgeschaltet wird, dass jeweils eine Schicht des Werkstoffes entsprechend der gewünschten wherein for the irradiation of the material, the laser beams are guided over the working plane (8) and so switched between the beam paths, that in each case one layer of the material according to the desired
Bauteilgeometrie aufgeschmolzen und die von den Laserstrahlquellen (1) erzeugte Laserleistung maximal ausgenutzt wird. Part geometry melted and that of the Laser beam sources (1) generated laser power is utilized to the maximum.
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