CN107408789B - 用于用于增材制造的设备的照射系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于设备(1)的照射系统(3)，所述设备用于基于激光的增材制造，所述照射系统具有第一激光射束(13A)的第一射束源(13)和第二激光射束(15A)的第二射束源(15)，其中，第二激光射束(15A)的射束品质高于第一激光射束(13A)。照射系统(3)还具有用于在设备(1)的制造空间(5)内部聚焦第一激光射束(13A)和第二激光射束(13B)的共同的扫描仪光学器件(21)以及射束导引系统，所述射束导引系统具有用于将第一激光射束(13A)从第一射束源(13)导引至扫描仪光学器件(21)的第一射束路径(13A′)并且具有用于将第二激光射束(15A)从第二射束源(15)导引至扫描仪光学器件(21)的第二射束路经(15A′)，其中，射束导引系统具有用于将第一射束路径(13A′)的射束路径与第二射束路经(15A′)的射束路径叠加的射束组合装置(19)。

Description

用于用于增材制造的设备的照射系统
技术领域
本发明涉及一种用于用于基于激光的增材制造的设备的(光学的)照射系统，并且尤其涉及一种用于提供多个用于增材制造的激光射束配置的构思。本发明还涉及一种用于调节经空间匹配的照射的方法，所述照射用于在基于激光的增材制造设备中对工件进行增材制造。
背景技术
(尤其金属的或陶瓷的)工件的基于激光的增材制造基于通过借助激光照射的例如以粉末形式存在的原始材料的固化。所述构思——也称为选择性激光熔化(SLM)或粉末床熔融(Pulverbettfusion)——主要在用于(金属的)3D打印的机器中使用。在SismaS.p.A的欧洲专利申请EP2 732 890 A2中公开了一种用于制造三维产品的示例性的机器。一般地，增材制造的优点是可简单地制造复杂的和可个体化制造的零件。在此，尤其可以实现内部空间中的定义的结构和/或力流优化的(kraftflussoptimiert)结构。
在基于激光的增材制造中已知，将工件分割为壳体(壳体区)和核心(核心区)(所谓的壳体-核心策略(Hülle-Kern-Strategie))。在此，借助相应地经匹配的射束形式来照射壳体和核心。德国专利申请DE 10 2007 061 549 A1例如公开了一种用于在加工平面中改变射束直径的方法。在德国专利申请DE 10 2010 003 750 A1中，在壳体-核心策略的范围中，公开了一种用于在使用多重包层光纤(Mehrfachclad-Faser)的情况下改变激光射束的射束特性特征的方法。
欧洲专利申请EP 1 568 472 A1还公开了一种多重照射方法(Mehrfachbestrahlungsverfahren)，其中，首先将粉末床逐步地加热到低于粉末的熔化温度的一个温度，随后才将粉末有针对性地加热到高于粉末的熔化温度的一个温度。一般地，多重照射方法可以通过扫描仪的速度在其过程速度方面限制。
WO 2011/066989 A1还公开了一种光学照射单元，所述光学照射单元包括：用于导引并且聚焦第一激光射束的射束路径的光学部件以及用于将第一激光射束分离成至少两个部分激光射束的和/或用于将具有与第一激光射束的波长不同的波长的第二激光射束耦合输入到第一激光射束的射束路经中的光学的分离单元或耦合单元。此外，WO 2011/066989 A1涉及一种用于通过用激光射束照射原料粉末的粉末层来制造工件的设备以及一种所属的方法。
发明内容
以下任务基于本发明的一方面：说明一种用于增材制造设备的光学的照射系统，所述照射系统允许在增材制造的情况下的借助不同射束特性的照射。以下任务基于本发明的另一方面：尤其在壳体-核心策略范畴内提高基于激光的增材方法中的建造率和工艺效率。以下任务基于本发明的另一方面：通过扫描仪的(采样)速度来克服增材制造的限制。
所述任务中的至少一个通过根据权利要求1或2所述的用于增材制造的照射系统以及通过根据权利要求10或11所述的用于调节匹配空间的照射的方法来解决。扩展方案在从属权利要求中说明。
在一方面中，用于一用于基于激光的增材制造的设备的照射系统具有第一激光射束的第一射束源和第二激光射束的第二射束源，其中，第二激光射束的射束品质高于第一激光射束的射束品质(射束质量)。所述照射系统还具有：用于在制造空间内部聚焦第一射束和第二射束的共同的扫描仪光学器件和射束导引系统，所述射束导引系统具有用于将第一激光射束从第一射束源导引至扫描仪光学器件的第一射束路径并且具有用于将第二激光射束从第二射束源导引至扫描仪光学器件的第二射束路径。在此，所述射束导引系统具有用于叠加第一射束路径与第二射束路径的射束组合装置。
在另一方面中，用于调节经空间匹配的照射的方法具有以下步骤，所述照射用于在基于激光的增材制造设备中对工件进行增材制造，所述增材制造设备具有扫描仪光学器件和尤其可以提供金属粉末的粉末床。提供第一激光射束和第二激光射束，其中，用于粉末床的精细照射的第二激光射束的射束品质高于第一激光射束的射束品质(射束质量)。还在扫描单元中调节第一激光射束和第二激光射束在第一激光射束与第二激光射束的经叠加的射束路径中的能量输入，并且横越(über)粉末床扫描第一激光射束和第二激光射束，用于以第一激光射束和第二激光射束交替地或同时地照射粉末床。
在一些实施方式中，在增材制造设备中，包括一个或多个泵浦激光器(例如二极管激光器)以及一个所属的激光谐振器的激光系统配备有一个或多个射束分离装置(Strahlweiche)，使得泵浦激光器中的一个或多个要么可以用于泵浦激光谐振器的激光介质(所述激光介质例如构造为盘或纤维)，要么可以耦合输出用于粉末床的直接照射。一般地，相比来自激光谐振器的激光射束，可以更高能效地产生泵浦激光射束。然而，因为相比来自激光谐振器的激光射束，泵浦激光射束通常具有更差的射束特性，所以泵浦激光射束不能像从激光谐振器出射的射束那样聚焦到如此小的直径上。因此，泵浦激光射束通常不适用于壳体区域中的粉末床的照射。然而，替代地，泵浦激光器可以用于核心区域的高能效的照射。
在一些实施方式中，在由到激光介质/激光谐振器的射束路径耦合输出后，立即将泵浦激光射束耦合输入到传输光纤中，并且通过所述传输光纤导引至增材制造设备(例如SLS/SLM机器)的光学器件。所述光学器件例如可以包括射束组合装置和扫描仪光学器件。由于泵浦激光射束较差的射束质量，所述传输光纤可以具有大直径，以便可以将泵浦激光射束完全耦合输入到传输光纤中。然而，随后又从光纤中出射的泵浦激光射束可能对于壳体区域来说也不能足够小地聚焦，使得从传输光纤出射的(高能效的)射束仅仅适用于对核心区域的加工。同样地，可以将来自激光谐振器的激光射束耦合输入到传输光纤中，然而，由于更好的射束质量，可以将所述激光谐振器的激光射束耦合输入到具有小直径的光纤中。所述传输光纤将高射束质量的激光射束导引至增材制造设备的光学器件。所述从小的光纤直径出射的射束可以聚焦到小直径，并且因此适用于对壳体区域的加工。
在一些实施方式中，可以将经分离的激光射束或两种不同的激光射束耦合输入到唯一的传输光纤中。例如可以将泵浦激光射束耦合输入到环状的光纤套层中，并且将来自激光谐振器的以更好的射束特性出射的激光射束耦合输入到传输光纤的光纤核心中。通过所述传输光纤将由泵浦激光射束和谐振器激光射束部分组成的激光导引直至增材制造设备的光学器件，并且借助扫描仪光学器件使所述激光运动通过粉末层的待熔化的区域。相比来自光纤核心的射束，来自环状光纤套层的射束具有更大的聚焦直径，并且因此可以在围绕来自光纤核心的射束的焦点的更大的范围中加热粉末。可以在接近熔化温度的一个温度下进行所述范围中的加热。还可以将扫描速度和/或泵浦激光射束的耦合输入到光纤套层中的部分调节到相应的能量输入。一般地，可以使从光纤核心出射的与从光纤套层出射的激光射束功率的比值如此彼此匹配，使得通过来自光纤套层的激光射束在低于熔化温度的范围内可靠地对存在于加工位置周围的粉末进行加热，并且因此，来自光纤核心的激光射束仅还须携带少量的能量用于熔化所述粉末。由此可以借助具有两个射束部分的激光射束的仅一个单个的、快速的运动在加工位置上来实现照射。
在一些实施方式中，例如借助红外摄像机尤其在激光射束的运动方向上检测粉末床的粉末温度，并且将两个激光射束的功率和/或扫描速度调节到与之匹配的能量输入。
在一些实施方式中，附加地可以实现，停止光纤核心的激光射束，使得仅将通过光纤套层的激光辐射导引至粉末床并且在那里进行能量输入。这例如可以在壳体-核心策略的范畴内用于熔化核心。
在此所述的系统、设备和方法的一些实施方式通过在充分利用射束源的情况下的更高效率可以允许工件(例如SLM构件)的快速构建并且可以允许更有利的制造。在一些实施方式中，还可以更好地利用射束源的不同类型的优点，例如将光纤激光器片状激光器(Scheibenlaser)用于高细节分辨率、将二极管直接激光器(Diodendirektlaser)用于大面积的快速照明。
在此所述的构思尤其涉及以下构件的制造：在所述构件中，开始所提及的分部分(Untergliederung)在不同的几何区域(例如在壳体(壳体区域)和核心(核心区域))中进行。
附图说明
在此公开的构思用于实现：改善背景技术中的至少部分方面。尤其由借助附图对实施方式的以下描述中得出其他特征及所述其他特征的目的。附图示出：
图1示出具有照射系统的第一实施方式的示例性的增材制造设备的示意图；
图2示出具有照射系统的第二实施方式的示例性的增材制造设备的示意图；
图3示出用于表明用于调节经空间匹配的照射的方法的示例性的流程图，所述照射用于在基于激光的增材制造设备中对工件进行增材制造；
具体实施方式
一般地，在基于激光的增材制造中确定处于熔化空间范围(Ausmaβ)的时刻的结构和通过激光射束的能量输入的变化过程。在此，能量输入在空间上的相应的确定允许三维高复杂度的构件的产生，所述构件例如可以具有背切(Hinterschneidung)和多样的内部结构。
在此所述的方面部分地基于以下认知：将具有不同射束品质的激光射束选择性地或同时地(及可能加权地)耦合输入到扫描单元的共同射束路径中可以实现对特别定义的能量输入的确定。由此，可以以经匹配的工艺效率对工件的不同几何区域进行照明。在此，尤其可以将射束品质理解为激光射束在可聚焦性方面的质量。
此外，已经看到，在用于增材制造的设备的照射系统中使用经二极管激光泵浦的谐振器例如允许：使用谐振器中产生的具有高射束品质的激光射束并且附加地使用二极管激光器的泵浦射束用于增材制造。由此，(交替地或同时地)将两种具有不同射束品质的激光射束提供给制造过程，其中，借助二极管激光器高效地产生具有较低射束品质的射束。所述构思一方面可以实现，提供对于大体积来说足够的能量输入。因此，尤其可以在壳体-核心策略的情况下使用所述构思用于快速地且高能效地产生核心。另一方面，在所述构思的情况下，可以使用具有较低射束品质的射束来准备具有高射束品质的射束的熔化和/或用于在熔化之后影响冷却性能。
还已经看到，可以借助传输光纤将具有不同射束品质的射束灵活地导引至(共同的)扫描仪光学器件。
以下参照图1和图2阐述用于提供两种具有不同射束品质的用于增材制造设备的激光射束的照射系统的示例性的实施方式。在此，示例性地，在图1中表明借助激光射束的交替照射并且在图2中表明借助激光射束的同时照射。接下来参照图3描述增材制造的示例性的流程。
增材制造设备1具有照射系统3和制造空间5。通常，制造空间5位于填充惰性气体的室中。所述制造空间5具有例如填充有金属或陶瓷粉末7的粉末床9。所述照射系统3构造用于产生激光，所述激光对工件11的材料层上的粉末7进行熔化。
为了产生激光，所述照射系统3具有第一射束源13和第二射束源15。在根据图1的实施方式中，第一射束源13是泵浦激光器(例如二极管激光器)。第二射束源15是激光谐振器(例如光纤激光器或片状激光器)，借助第一射束源13泵浦所述激光谐振器的激光介质。
第一射束源13产生配属于第一射束路径13A′的第一激光射束13A。第二射束源15产生配属于第二射束路径15A′的第二激光射束15A。通过射束导引系统提供第一射束路径13A′和第二射束路径15A′，该射束导引系统例如包括一个或多个用于构造射束路径的传输光纤、镜和透镜(未示出)。
为了泵浦第二射束源15的激光介质，将第一激光射束13A或该第一激光射束的一部分耦合输入到激光谐振器中，使得可以相应地从激光谐振器中耦合输出第二激光射束15A。
泵浦激光器参数的示例为：在具有例如为8的射束质量的和例如在30mm mrad至50mm mrad的范围内的射束参数积(Strahlparameterprodukt)的泵浦二极管激光器的情况下例如900nm至1000nm范围内的波长。激光谐振器的参数的示例为：对于光纤激光器的例如1030nm范围内的波长、以及例如在射束参数积在例如4mm mrad至25mm mrad范围内的情况下对于片状激光器(DiskLaser)的例如1064nm范围内的波长。激光器还可以构造为连续激光器(CW-Laser)或脉冲激光器，用于确定的几何区域、尤其悬垂部或具有更高的表面质量的区域。一般地，第二激光射束15A(谐振器激光射束)的射束质量高于第一激光射束(泵浦激光射束)。相应地，前者可以聚焦到更小的聚焦区域中。在附图中，为了说明，通过双线示出第一激光射束并且通过窄的虚线示出第二激光射束。
照射系统3还具有作为射束导引系统的一部分的射束分离装置17。射束分离装置17布置在第一射束源13与第二射束源15之间的射束路径中，并且允许将第一激光射束13A(部分地或全部地)提供给激光谐振器(沿着泵浦射束路径13B′)或第一射束路径13A′。以下将第一激光射束13A视为第一射束源13的辐射沿着第一射束路径13A′传播的部分，其中，在借助第一激光射束与第二激光射束同时照射时，将第一射束源13的辐射的一定的泵浦部分提供给第二射束源15。
射束导引系统的配置允许，可以将第一射束源13的辐射(即第一激光射束13A)的至少一部分与用于增材制造的泵浦部分分开地使用。射束分离装置17例如可以允许第一射束路径13A′与泵浦射束路径13B′之间的分立切换。替代地或附加地，可以使第一射束源13的辐射逐渐地或逐步地分布到第一射束路径13A′和泵浦射束路径13B′上——作为可调节的射束分离装置17的示例。射束分离装置的示例包括具有不同透射率/反射率的不同的半透镜(所述半透镜可以连接到射束路径中)以及包括具有在外围(Umfang)上逐渐变化的分离率的可旋转的、半透的涂层盘，或包括光学调制器(例如布拉格或普克尔单元)。
照射系统3还具有射束组合装置19和扫描仪光学器件21。射束组合装置19将第一激光射束13A的第一射束路径13A′与第二激光射束15A的第二射束路径15A′叠加。所述叠加例如在扫描仪光学器件21的经叠加的射束路径21′上进行。射束组合装置例如包括二向色镜(dichroitische spiegel)以及衍射光栅，所述二向色镜使一个激光器的波长透射并且反射另一激光器的波长。
相应地，扫描仪光学器件21可以将第一激光射束13A和/或第二激光射束15A沿着可调节的扫描路径23在粉末床9中的粉末7上导引。
在图1中，为了阐述——例如构造为分立的射束分离装置的——射束分离装置17，第一激光射束13A的偏转指向工件11的(核心)区段25。区段25相应于工件11的以下几何区域：所述几何区域例如在壳体-核心策略中配属于核心(例如核心区域25A)。在图1中还示出第二激光射束15A偏转到工件11的(壳体)区段27上。所述区段27例如在壳体-核心策略中相应于配属于壳体(例如壳体区域27A)的几何区域。在分立的射束分离装置中，区段式顺序地熔化核心区域25A和壳体区域27A。
照射系统3还具有监控设备29(例如红外摄像机)。监控设备29探测关于激光射束与粉末7的相互作用区域的信息。监控设备29例如检测空间的和/或时间的温度变化过程、或扫描仪光学器件21的聚焦区域中(即激光射束在粉末床上的焦点中)的温度值。
照射系统3还具有控制设备31。控制设备31构造用于控制照射过程、尤其用于如通过第一激光射束13A和第二激光射束15A调节所属的能量贡献那样来调节照射。控制设备31例如通过控制连接部31A与第一射束源13、第二射束源15、射束分离装置17、射束组合装置19、扫描仪光学器件21和/或监控设备29连接。
通过控制连接部31A，控制设备31可以接收运行参数和/或测量信息、相应地处理所述运行参数和/或测量信息、并且通过控制连接部31A将由此推导出的控制命令提供给相应的部件。一般地，通过以下过程实现相应的待使用的激光射束的分配：所述过程例如正如关于图3所描述的那样并且可以设置到用于构件制造的过程软件中。
在一种示例性的在图1中表明的实施方式中，第一射束源13可以具有多个二极管激光器单元33。相应地，射束分离装置17可以对具有所有二极管激光器单元33的贡献的经组合的激光射束起作用。替代地或补充地，射束分析装置17可以对单个二极管激光器单元的或二极管激光器单元的分组的单个射束部件起作用。在后者的情况下，例如可以将一定数量的二极管激光器单元33设置为二极管激光器单元33的第一分组并且用于泵浦第二射束源15的激光介质。二极管激光器单元33A的第二分组可以主要设置用于产生第一激光射束13A。相应地，二极管激光器单元可以仅仅(在图1中，例如二极管激光器单元33A通过射束路径33A′)设置用于将激光耦合输入到第一射束路径13A′中。
在一些实施方式中，可以通过操控二极管激光器单元33的个体化通电——例如可以连续或逐步地调节——来修改第一射束源13的相应的输出功率。
图2表明增材制造设备1的其他的实施方式，其中，尽可能为了简化而保留图1的附图标记。相同标记的部件基本上可以视为相似的部件。然而，由于(稍微)不同的功能可能会存在细节上的差异。
根据图2的实施方式的区别在于，共同的传输光纤41在用于第一激光射束13A的和用于第二激光射束15A的射束导引系统中的使用。所述传输光纤41可以提供准共同的射束路径的一部分。相应地，射束导引系统包括射束组合装置43，所述射束组合装置可以实现将不同的射束耦合输入到传输光纤41中。例如首先将第一激光射束13A与第二激光射束15A(即第一射束路径13A′与第二射束路径15A′)彼此重叠地放置，并且随后共同地借助聚焦光学器件(未示出)耦合输入到传输光纤41中。替代地，例如可以实现分开地耦合输入到传输光纤41中。
在一些实施方式中，传输光纤41可以具有(例如在光纤核心区域中)具有小的延展的用于传输第二激光射束15的第一传输区域。第二激光射束15A由于在激光谐振器中产生而具有高的射束品质，与泵浦激光射束相比，该第二激光射束可以相应小地被聚焦并且因此允许聚焦和耦合输入到传输光纤41的小的光纤核心区域中。在从传输光纤41出射后，第二激光射束15A相应更强地发散，然而，却保留高的射束品质，使得借助扫描仪光学器件21可以实现到小的聚焦区域上的聚焦，所述小的聚焦区域具有优选小于200μm的、尤其几十μm的直径。所述聚焦区域例如位于图2中表明的相互作用区域45的中心，所述相互作用区域具有在100μm至5mm的范围中的、然而至少大于聚焦区域的直径的直径，尤其具有0.3mm到1mm的直径。
第一射束源13的第一激光射束13A具有更低的射束品质，使得可以将所述第一激光射束耦合输入到传输光纤41的更大的空间范围中，例如可以耦合输入到光纤核心周围的环状核心中或光纤套层(Faserhülle)中。相应地，从光纤出射的射束的发散更小，并且相应地，相互作用区域45中的对于第一激光射束13A的焦点的大小更大。
视耦合输入方法而定，传输光纤41可以通过中间包层结构将用于第一激光射束13A的和用于第二激光射束15A的区域分隔开或彼此合并。示例性的传输光纤在开始提及的德国专利申请DE 10 2010 003 750 A1中公开。使用无中间包层的传输光纤可以使第一激光射束的耦合输入变得容易。
替代光纤核心和环状核心，也可以使用光纤束结构。因此，可以将例如在DE 102012 209 628 A1中所描述的光纤耦合器作为射束组合装置43使用，其中，光纤束结构的至少一个光纤核心具有小的延展，以便在耦合输入后传输第二激光射束15A，而不显著降低其高的射束品质。
光纤束结构的多个另外的光纤具有更大的延展，并且因此适合用于耦合输入第一激光射束13A′。所述另外的光纤尤其可以环状地围绕具有小延展的至少一个——传输第二激光射束15A——光纤核心布置。
优选地，射束分离装置17包括多个分立射束分离装置的组合和/或用于逐渐地或逐步地分配第一激光射束13A的射束分离装置，使得所述第一激光射束可以耦合输入到具有更大的截面的(尤其具有预先确定的能量分配的)若干个或所有的光纤核心中。由此，在将第一激光射束13A′平均地耦合输入到具有更大的延展的光纤核心中的情况下，实现类似于传输光纤41的射束特性的射束特性。通过将能量不同地分立地或逐渐地、或逐步地划分成具有更大的延展的光纤核心，也可以实现不平均分配的射束特性，所述射束特性例如可以实现粉末床的以下照射：在所述照射中，不同强度地在之前或在之后加热粉末。
图2还表明一种在产生工件11的情况下(同时地)使用具有不同射束品质的激光射束的构思。
为此，在图2中示出核心区域25A，仅仅借助第一激光射束13A的能量输入已经产生了所述核心区域。然而，只要不再通过相互作用区域45中的第一激光射束13A的大的聚焦区域进行粉末7的重铸，就可以降低通过第一激光射束13A的能量输入。通过第二激光射束15A的附加的、尤其同时的入射，可以在第二激光射束15A的聚焦区域的小范围中进行附加的能量输入，所述能量输入允许(壳体)区段27中的精细结构的构造。
因此，使用在此公开的提供多个具有不同质量的射束的构思可以实现，通过通过例如两个具有不同射束品质的射束的能量输入中的灵活性来快速地、高能效地实施例如壳体区域与核心区域的成形。
图2还示出另一射束源47，所述射束源要么对于第一射束源13补充地提供具有低射束品质的激光，要么可以作为唯一的第一射束源用于具有更低的射束品质的第一激光射束13A。在后者的情况下，第一激光射束13A和第二激光射束15A起源于独立的射束源。前面所述的使用第二射束源15的泵浦激光器作为第一射束源13，与使用第一射束源相比具有照射系统3的更小的复杂度。
图3示出用于阐述用于在基于激光的增材制造设备中对工件进行增材制造的情况下调节经空间匹配的照射的不同的方法的流程图，所述设备正如其在图1和2中示出的那样。
增材制造的起点是规划阶段51。在所述规划阶段中，定义待产生的工件的几何形状和结构。在接下来的配置阶段53中，相应于所需要的照射(例如能量输入、射束位置、扫描速度等)调节制造设备。该配置阶段53一方面包括在制造开始之前进行的步骤，并且另一方面包括可以连续地在制造过程期间实现的步骤。在制造阶段55中进行工件的制造，在所述制造阶段中，以相应的经调整的照射参数(例如经调节的能量输入和位置)执行扫描过程55A。
规划阶段51例如包括对工件几何形状的定义，尤其包括对如壳体区域和核心区域那样的几何区域的定义。在规划阶段51中，尤其通过确定例如扫描速度、焦点大小和分别所基于的射束种类还定义扫描过程(定义步骤51A)，并且将相应的能量输入配属给射束类型(配属阶段51B)。规划阶段51可以包括另外的步骤：例如过程有利地布置多个工件，用于同时地在共同的制造阶段55中产生相同的工件。
配置阶段53例如包括：提供第一激光射束和第二激光射束(提供步骤53A)。在此，用于粉末床的精细照射的第二激光射束具有比第一激光射束更高的射束品质。配置阶段53还包括：通过经叠加的射束路径中的第一激光射束和第二激光射束调节能量输入(能量输入调节步骤53B)。配置阶段还可以包括：在进入到激光谐振器之前调节泵浦激光射束的一部分的耦合输出(耦合输出调节步骤53C)。一般地，配置步骤53可以具有交替地或同时地将激光射束耦合输入到扫描仪光学器件的经叠加的射束路径中。配置阶段的提供步骤(53A)还可以包括：将第一激光射束和/或第二激光射束耦合输入到传输光纤中。
在监控步骤57中，可以监控制造阶段55，其中，可以获得补充的信息并且可以将其引入到配置阶段53中。
在一些实施方式中，使用二极管直接激光器或将二极管直接激光器与光纤激光器组合使用。通过快速的射束分向，将所属的激光射束耦合输入到扫描仪光学器件中，以便以不同的激光射束依次地或也同时地照明不同的几何区域。为此，通常可以在不同的部分区域(壳体/核心/过渡区域)中进行已经存在的几何分解，以便将这些区域分配给相应的激光。因此，可以在制造位态中，将具有高射束质量的激光射束用于不同的细丝结构(filigrane Strukturen)和轮廓区域，而在更高的电光效率(elektrisch-optischeWirkungsgrad)的情况下，将具有明显较差的射束质量的激光射束用于面照明。
如在此所述的那样，可以借助过程控制实现操控两种激光，在所述过程控制中，不同的部分区域(壳体/核心或细丝照明/面照明)的几何信息单独存在，并且所述过程控制将所述几何信息相应地分配给激光。因此，在所述控制中，进行射束分离装置的接通并且因此进行射束路径的操控，以便视部分区域而定将分别需要的激光器接通到扫描仪光学器件上。例如通过准直器将激光功率导引到扫描仪中，以便在那里通过光学器件投影到粉末床/待构造的构件上。
一般地，射束导引系统可以具有如镜和透镜那样的射束成形元件和射束导引元件。增材制造设备的其他部件例如包括粉末提供部件和气体导引系统等。
用于增材批量制造金属件或陶瓷件的稳健的生产机器例如可以在医疗技术和牙科技术(例如用于制造配合精准的植入物)、航空工业(例如用于制造涡轮叶片)、汽车行业(例如用于制造马达支承)的应用领域中使用。
明确强调的是，出于原始公开的目的，同样出于限定所要求保护的发明的目的，所有在说明书中和/或权利要求书中公开的特征应视为相互分开和独立的，与在实施方式中和/或在权利要求中的特征组合无关。明确坚持的是，出于原始公开的目的，同样出于限定所要求保护的发明的目的，所有范围说明或单位组的说明公开任意可能的中间值或单位子组，尤其也公开范围说明的界限。

Claims (42)

1.一种照射系统(3)，所述照射系统用于一用于基于激光的增材制造的设备(1)，所述照射系统具有：
第一激光射束(13A)的第一射束源(13)和第二激光射束(15A)的第二射束源(15)，其中，所述第二激光射束(15A)的射束品质高于所述第一激光射束(13A)的射束品质；
共同的扫描仪光学器件(21)，所述共同的扫描仪光学器件用于在所述设备(1)的制造空间(5)内部聚焦所述第一激光射束(13A)和所述第二激光射束(13B)；
射束导引系统，所述射束导引系统具有用于将所述第一激光射束(13A)从所述第一射束源(13)导引至所述扫描仪光学器件(21)的第一射束路径(13A′)并且具有用于将所述第二激光射束(15A)从所述第二射束源(15)导引至所述扫描仪光学器件(21)的第二射束路径(15A′)，其特征在于，
所述射束导引系统具有用于将所述第一射束路径(13A′)与所述第二射束路径(15A′)叠加的射束组合装置(19)，并且
所述第一射束源(13)构造为泵浦激光器，所述第二射束源(15)构造为借助所述泵浦激光器泵浦的激光谐振器，并且所述射束导引系统还具有射束分离装置(17)，所述射束分离装置(17)布置在所述泵浦激光器与所述激光谐振器之间并且构造用于将所述第一激光射束(13A)提供给在所述射束分离装置(17)与所述激光谐振器之间延伸的泵浦激光射束路径(13B′)和/或所述第一射束路径(13A′)。
2.根据权利要求1所述的照射系统(3)，其中，
所述射束导引系统还具有传输光纤(41)，所述传输光纤具有为了导引具有高射束品质的射束而设置的中心区域以及为了导引具有低射束品质的射束而设置的、在所述中心区域周围的包层区域，其中，借助所述射束组合装置(19)，所述第一激光射束(13A)能够耦合输入到所述传输光纤(41)的中心区域中并且所述第二激光射束(15A)能够耦合输入到所述中心区域周围的区域中，使得在所述激光从所述传输光纤(41)出射的情况下，来源于所述第一激光射束(13A)的射束或射束部分的射束品质低于来源于所述第二激光射束(15A)的射束或射束部分的射束品质。
3.根据权利要求1所述的照射系统(3)，其中，
所述射束导引系统还具有光纤束结构，所述光纤束结构具有为了导引具有高射束品质的射束而设置的具有小的延展的至少一个光纤核心以及为了导引具有低射束品质的射束而设置的具有更大的延展的其他光纤核心，其中，借助所述射束组合装置(19)，所述第一激光射束(13A)能够耦合输入到所述具有小的延展的至少一个光纤核心中并且所述第二激光射束(15A)能够耦合输入到所述具有更大的延展的其他光纤核心中，使得在所述激光从所述光纤束结构出射的情况下，来源于所述第一激光射束(13A)的射束或射束部分的射束品质低于来源于所述第二激光射束(15A)的射束或射束部分的射束品质。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的照射系统(3)，其中，所述射束组合装置(19)光学地布置在所述第一射束源(13)与所述扫描仪光学器件(21)之间，并且布置在所述第二射束源(15)与所述扫描仪光学器件(21)之间，并且构造用于为了耦合输入到所述扫描仪光学器件(21)的共同的射束路径(21′)中而将所述第一射束路径(13A′)与所述第二射束路径(15A′)叠加。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的照射系统(3)，
其中，所述射束组合装置(19)构造为二向色镜。
6.根据权利要求1所述的照射系统(3)，其中，所述射束组合装置(19)光学地布置在所述射束分离装置(17)与所述扫描仪光学器件(21)之间，并且布置在所述第二射束源(15)与所述扫描仪光学器件(21)之间，并且构造用于为了耦合输入到所述扫描仪光学器件(21)的共同的射束路径(21′)中而将所述第一射束路径(13A′)与所述第二射束路径(15A′)叠加。
7.根据权利要求2所述的照射系统(3)，其中，所述射束组合装置(19)布置在所述传输光纤(41)的射束上游，或
其中，所述射束组合装置(19)具有所述传输光纤(41)。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的照射系统(3)，所述照射系统还具有如下监控设备(29)：所述监控设备用于监控借助所述第一激光射束(13A)的能量输入和/或借助所述第二激光射束(15A)的能量输入，或
所述照射系统还具有如下监控设备(29)：所述监控设备构造用于监控所述设备(1)的粉末床(9)中的或至少部分地产生的工件(11)中的温度分布，所述监控设备选择性地构造为红外摄像机。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的照射系统(3)，所述照射系统还具有控制设备(31)，所述控制设备用于调节基于所述第一激光射束(13A)或基于所述第二激光射束(15A)的能量输入，其中，所述控制设备(31)构造用于操控所述第一射束源(13)以用来调节所述第一射束源(13)的输出功率，和/或用于操控所述射束分离装置(17)以用来调节所述第一激光射束(13A)的提供给所述第一射束路径(13A′)的部分的大小。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的照射系统(3)，其中，所述第一射束源(13)具有多个二极管激光器单元(33)，所述二极管激光器单元在其输出功率方面能够调节，或
其中，所述第一射束源(13)具有多个二极管激光器单元(33)，所述二极管激光器单元的输出光线能够选择性地提供给所述射束导引系统。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的照射系统(3)，其中，所述第一射束源(13)具有二极管激光器并且所述第二射束源(15)具有光纤激光器或片状激光器。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的照射系统(3)，
其中，所述第一射束源(13)构造用于产生具有在30mm mrad到50mmmrad范围内的射束参数积的第一激光射束(13A)，并且所述第二射束源(15)构造用于产生具有在4mm mrad到25mm mrad的范围内的射束参数积的第二激光射束(15A)。
13.根据权利要求1至3中任一项所述的照射系统(3)，其中，所述射束分离装置(17)具有用于所述第一激光射束(13A)的可切换的转向镜、或多个用于所述第一激光射束(13A)的部分射束的具有不同分离率的可接通的半透的转向镜。
14.一种照射系统(3)，所述照射系统用于一用于基于激光的增材制造的设备(1)，所述照射系统具有：
第一激光射束(13A)的第一射束源(13)和第二激光射束(15A)的第二射束源(15)，其中，所述第二激光射束(15A)的射束品质高于所述第一激光射束(13A)的射束品质；
共同的扫描仪光学器件(21)，所述共同的扫描仪光学器件用于在所述设备(1)的制造空间(5)内部聚焦所述第一激光射束(13A)和所述第二激光射束(13B)；
射束导引系统，所述射束导引系统具有用于将所述第一激光射束(13A)从所述第一射束源(13)导引至所述扫描仪光学器件(21)的第一射束路径(13A′)并且具有用于将所述第二激光射束(15A)从所述第二射束源(15)导引至所述扫描仪光学器件(21)的第二射束路径(15A′)，其特征在于，
所述射束导引系统具有用于将所述第一射束路径(13A′)与所述第二射束路径(15A′)叠加的射束组合装置(19)以及传输光纤(41)，所述传输光纤具有为了导引具有高射束品质的射束而设置的中心区域，以及具有为了导引具有低射束品质的射束而设置的、在所述中心区域周围的包层区域，其中，借助所述射束组合装置(19)，所述第一激光射束(13A)能够耦合输入到所述传输光纤(41)的中心区域中并且所述第二激光射束(15A)能够耦合输入到所述中心区域周围的区域中，使得在激光从所述传输光纤(41)出射的情况下，来源于所述第一激光射束(13A)的射束或射束部分的射束品质低于来源于所述第二激光射束(15A)的射束或射束部分的射束品质。
15.根据权利要求14所述的照射系统(3)，其中，所述射束组合装置(19)光学地布置在所述第一射束源(13)与所述扫描仪光学器件(21)之间，并且布置在所述第二射束源(15)与所述扫描仪光学器件(21)之间，并且构造用于为了耦合输入到所述扫描仪光学器件(21)的共同的射束路径(21′)中而将所述第一射束路径(13A′)与所述第二射束路径(15A′)叠加。
16.根据权利要求14所述的照射系统(3)，
其中，所述射束组合装置(19)构造为二向色镜。
17.根据权利要求14所述的照射系统(3)，其中，所述射束组合装置(19)布置在所述传输光纤(41)的射束上游，或
其中，所述射束组合装置(19)具有所述传输光纤(41)。
18.根据权利要求14所述的照射系统(3)，所述照射系统还具有如下监控设备(29)：所述监控设备用于监控借助所述第一激光射束(13A)的能量输入和/或借助所述第二激光射束(15A)的能量输入，或
所述照射系统还具有如下监控设备(29)：所述监控设备构造用于监控所述设备(1)的粉末床(9)中的或至少部分地产生的工件(11)中的温度分布，所述监控设备选择性地构造为红外摄像机。
19.根据权利要求14所述的照射系统(3)，所述照射系统还具有控制设备(31)，所述控制设备用于调节基于所述第一激光射束(13A)或基于所述第二激光射束(15A)的能量输入，其中，所述控制设备(31)构造用于操控所述第一射束源(13)以用来调节所述第一射束源(13)的输出功率，和/或用于操控所述射束分离装置(17)以用来调节所述第一激光射束(13A)的提供给所述第一射束路径(13A′)的部分的大小。
20.根据权利要求14所述的照射系统(3)，其中，所述第一射束源(13)具有多个二极管激光器单元(33)，所述二极管激光器单元在其输出功率方面能够调节，或
其中，所述第一射束源(13)具有多个二极管激光器单元(33)，所述二极管激光器单元的输出光线能够选择性地提供给所述射束导引系统。
21.根据权利要求14所述的照射系统(3)，其中，所述第一射束源(13)具有二极管激光器并且所述第二射束源(15)具有光纤激光器或片状激光器。
22.根据权利要求14所述的照射系统(3)，
其中，所述第一射束源(13)构造用于产生具有在30mm mrad到50mmmrad范围内的射束参数积的第一激光射束(13A)，并且所述第二射束源(15)构造用于产生具有在4mm mrad到25mm mrad的范围内的射束参数积的第二激光射束(15A)。
23.一种照射系统(3)，所述照射系统用于一用于基于激光的增材制造的设备(1)，所述照射系统具有：
第一激光射束(13A)的第一射束源(13)和第二激光射束(15A)的第二射束源(15)，其中，所述第二激光射束(15A)的射束品质高于所述第一激光射束(13A)的射束品质；
共同的扫描仪光学器件(21)，所述共同的扫描仪光学器件用于在所述设备(1)的制造空间(5)内部聚焦所述第一激光射束(13A)和所述第二激光射束(13B)；
射束导引系统，所述射束导引系统具有用于将所述第一激光射束(13A)从所述第一射束源(13)导引至所述扫描仪光学器件(21)的第一射束路径(13A′)并且具有用于将所述第二激光射束(15A)从所述第二射束源(15)导引至所述扫描仪光学器件(21)的第二射束路径(15A′)，其特征在于，
所述射束导引系统具有用于将所述第一射束路径(13A′)与所述第二射束路径(15A′)叠加的射束组合装置(19)并且具有光纤束结构，所述光纤束结构具有为了导引具有高射束品质的射束而设置的具有小的延展的至少一个光纤核心以及为了导引具有低射束品质的射束而设置的具有更大的延展的其他光纤核心，其中，借助所述射束组合装置(19)，所述第一激光射束(13A)能够耦合输入到所述具有小的延展的至少一个光纤核心中并且所述第二激光射束(15A)能够耦合输入到所述具有更大的延展的其他光纤核心中，使得在所述激光从所述光纤束结构出射的情况下，来源于所述第一激光射束(13A)的射束或射束部分的射束品质低于来源于所述第二激光射束(15A)的射束或射束部分的射束品质。
24.根据权利要求23所述的照射系统(3)，其中，所述射束组合装置(19)光学地布置在所述第一射束源(13)与所述扫描仪光学器件(21)之间，并且布置在所述第二射束源(15)与所述扫描仪光学器件(21)之间，并且构造用于为了耦合输入到所述扫描仪光学器件(21)的共同的射束路径(21′)中而将所述第一射束路径(13A′)与所述第二射束路径(15A′)叠加。
25.根据权利要求23所述的照射系统(3)，
其中，所述射束组合装置(19)构造为二向色镜。
26.根据权利要求23所述的照射系统(3)，所述照射系统还具有如下监控设备(29)：所述监控设备用于监控借助所述第一激光射束(13A)的能量输入和/或借助所述第二激光射束(15A)的能量输入，或
所述照射系统还具有如下监控设备(29)：所述监控设备构造用于监控所述设备(1)的粉末床(9)中的或至少部分地产生的工件(11)中的温度分布，所述监控设备选择性地构造为红外摄像机。
27.根据权利要求23所述的照射系统(3)，所述照射系统还具有控制设备(31)，所述控制设备用于调节基于所述第一激光射束(13A)或基于所述第二激光射束(15A)的能量输入，其中，所述控制设备(31)构造用于操控所述第一射束源(13)以用来调节所述第一射束源(13)的输出功率，和/或用于操控所述射束分离装置(17)以用来调节所述第一激光射束(13A)的提供给所述第一射束路径(13A′)的部分的大小。
28.根据权利要求23所述的照射系统(3)，其中，所述第一射束源(13)具有多个二极管激光器单元(33)，所述二极管激光器单元在其输出功率方面能够调节，或
其中，所述第一射束源(13)具有多个二极管激光器单元(33)，所述二极管激光器单元的输出光线能够选择性地提供给所述射束导引系统。
29.根据权利要求23所述的照射系统(3)，其中，所述第一射束源(13)具有二极管激光器并且所述第二射束源(15)具有光纤激光器或片状激光器。
30.根据权利要求23所述的照射系统(3)，
其中，所述第一射束源(13)构造用于产生具有在30mm mrad到50mmmrad范围内的射束参数积的第一激光射束(13A)，并且所述第二射束源(15)构造用于产生具有在4mm mrad到25mm mrad的范围内的射束参数积的第二激光射束(15A)。
31.一种用于对工件(11)进行增材制造的制造设备(1)，所述制造设备(1)具有
制造空间(5)；
在所述制造空间(5)中布置的粉末床(9)；
根据权利要求1至3中任一项或14或23所述的用于在所述粉末床(9)中聚焦激光射束的照射系统(3)。
32.一种用于调节经空间匹配的照射的方法，所述照射用于在基于激光的增材制造设备(1)中对工件(11)进行增材制造，所述增材制造设备具有扫描仪光学器件(21)和具有提供粉末(7)的粉末床(9)，所述方法具有以下步骤：
提供(步骤53A)第一激光射束(13A)和第二激光射束(15A)，其中，用于粉末床(9)的精细照射的所述第二激光射束(15A)的射束品质高于所述第一激光射束(13A)的射束品质；
调节(步骤53B)所述第一激光射束(13A)的和所述第二激光射束(15A)的到所述扫描仪光学器件(21)中的经叠加的射束路径(21′)中的能量输入；
在借助所述第一激光射束(13A)和所述第二激光射束(15A)交替地或同时地照射所述粉末床(9)的情况下横越所述粉末床(9)扫描(步骤55A)所述第一激光射束(13A)和所述第二激光射束(15A)；
其中，基于激光的所述增材制造设备(1)还具有二极管泵浦激光器(13)、激光谐振器(15)和照射系统(3)，所述照射系统包括扫描仪光学器件(21)，其中
提供的步骤(步骤53A)具有借助所述二极管泵浦激光器(13)的泵浦激光射束来泵浦所述激光谐振器(15)，用于产生用于精细照射的所述第二激光射束(15A)，并且
调节的步骤(步骤53B)包括：为了提供所述第一激光射束(13A)，在进入到所述激光谐振器(15)之前耦合输出所述泵浦激光射束的一部分并且将所述第一激光射束(13A)和所述第二激光射束(15A)交替地或同时地耦合输入到所述扫描仪光学器件(21)的经叠加的射束路径(21′)中。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，
提供的步骤(53A)还包括将所述第一激光射束(13A)和所述第二激光射束(15A)耦合输入到传输光纤(41)中，其中，将所述第二激光射束(15A)耦合输入到所述传输光纤(41)的中心区域中并且将所述第一激光射束(13A)耦合输入到所述传输光纤(41)的包层区域中，使得在激光从所述传输光纤(41)出射的情况下，来源于所述第二激光射束(15A)的射束/射束部分的射束品质高于来源于所述第一激光射束(13A)的射束/射束部分的射束品质。
34.根据权利要求32或33所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
定义(步骤51A)待产生的工件(11)的几何区域；
配属(步骤51B)能量输入，所述能量输入分别通过所述第一激光射束(13A)且通过所述第二激光射束(15A)对于一个几何区域实现，其中，取决于粉末的种类、扫描速度的种类或几何区域的种类来确定所述能量输入，其中，
调节(步骤53B)所述第一激光射束(13A)的或所述第二激光射束(15A)的能量输入，用于根据所配属的能量输入照射所述粉末床(9)。
35.根据权利要求32或33所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
定义(步骤51A)待产生的工件(11)的几何区域，所述几何区域包括一个或多个壳体区域(27A)以及一个或多个核心区域(25A)；
配属(步骤51B)能量输入，所述能量输入分别通过所述第一激光射束(13A)且通过所述第二激光射束(15A)对于所述几何区域中的一个实现，其中，取决于粉末的种类、扫描速度的种类或几何区域的种类来确定所述能量输入，其中，
调节(步骤53B)所述第一激光射束(13A)的或所述第二激光射束(15A)的能量输入包括调节所述二极管泵浦激光器的泵浦功率或所述泵浦激光射束的为了提供所述第一激光射束(13A)在进入到所述激光谐振器(15)之前耦合输出的部分的大小，用于根据所配属的能量输入照射所述粉末床(9)。
36.根据权利要求32或33所述的方法，所述方法还具有以下步骤：
在通过所述第一激光射束(13A)和/或所述第二激光射束(15A)进行的能量输入方面监控(步骤57)相互作用区域(45)；
调节所述第一激光射束(13A)的或所述第二激光射束(15A)的能量，用于取决于所述监控使所进行的能量输入与所定义的能量输入匹配。
37.根据权利要求32或33所述的方法，所述方法还具有以下步骤：
通过测量空间上的温度分布在通过所述第一激光射束(13A)和/或所述第二激光射束(15A)进行的能量输入方面监控(步骤57)相互作用区域(45)；
调节所述二极管泵浦激光器的泵浦功率或所述泵浦激光射束的为了提供所述第一激光射束(13A)在进入到所述激光谐振器(15)之前耦合输出的部分的大小，用于取决于所述监控使所进行的能量输入与所定义的能量输入匹配。
38.一种用于调节经空间匹配的照射的方法，所述照射用于在基于激光的增材制造设备(1)中对工件(11)进行增材制造，所述增材制造设备具有扫描仪光学器件(21)和具有提供粉末(7)的粉末床(9)，所述方法具有以下步骤：
提供(步骤53A)第一激光射束(13A)和第二激光射束(15A)，其中，用于粉末床(9)的精细照射的所述第二激光射束(15A)的射束品质高于所述第一激光射束(13A)的射束品质；
调节(步骤53B)所述第一激光射束(13A)的和所述第二激光射束(15A)的到所述扫描仪光学器件(21)中的经叠加的射束路径(21′)中的能量输入；
在借助所述第一激光射束(13A)和所述第二激光射束(15A)交替地或同时地照射所述粉末床(9)的情况下在横越所述粉末床(9)扫描(步骤55A)第一激光射束(13A)和第二激光射束(15A)；
其中，所述提供的步骤(53A)还包括：将所述第一激光射束(13A)和所述第二激光射束(15A)耦合输入到传输光纤(41)中，其中，将所述第二激光射束(15A)耦合输入到所述传输光纤(41)的中心区域中并且将所述第一激光射束(13A)耦合输入到所述传输光纤(41)的包层区域中，使得在激光从所述传输光纤(41)出射的情况下，来源于所述第二激光射束(15A)的射束/射束部分的射束品质高于来源于所述第一激光射束(13A)的射束/射束部分的射束品质。
39.根据权利要求38所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
定义(步骤51A)待产生的工件(11)的几何区域；
配属(步骤51B)能量输入，所述能量输入分别通过所述第一激光射束(13A)且通过所述第二激光射束(15A)对于一个几何区域实现，其中，取决于粉末的种类、扫描速度的种类或几何区域的种类来确定所述能量输入，其中，
调节(步骤53B)所述第一激光射束(13A)的或所述第二激光射束(15A)的能量输入，用于根据所配属的能量输入照射所述粉末床(9)。
40.根据权利要求38所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
定义(步骤51A)待产生的工件(11)的几何区域，所述几何区域包括一个或多个壳体区域(27A)以及一个或多个核心区域(25A)；
配属(步骤51B)能量输入，所述能量输入分别通过所述第一激光射束(13A)且通过所述第二激光射束(15A)对于所述几何区域中的一个实现，其中，取决于粉末的种类、扫描速度的种类或几何区域的种类来确定所述能量输入，其中，
调节(步骤53B)所述第一激光射束(13A)的或所述第二激光射束(15A)的能量输入包括调节二极管泵浦激光器的泵浦功率或所述泵浦激光射束的耦合输入到所述传输光纤(41)的包层区域中的部分的大小，用于根据所配属的能量输入照射所述粉末床(9)。
41.根据权利要求38所述的方法，所述方法还具有以下步骤：
在通过所述第一激光射束(13A)和/或所述第二激光射束(15A)进行的能量输入方面监控(步骤57)相互作用区域(45)；
调节所述第一激光射束(13A)的或所述第二激光射束(15A)的能量，用于取决于所述监控使所进行的能量输入与所定义的能量输入匹配。
42.根据权利要求38所述的方法，所述方法还具有以下步骤：
通过测量空间上的温度分布在通过所述第一激光射束(13A)和/或所述第二激光射束(15A)进行的能量输入方面监控(步骤57)相互作用区域(45)；
调节二极管泵浦激光器的泵浦功率或所述泵浦激光射束的耦合输入到所述传输光纤(41)的包层区域中的部分的大小，用于取决于所述监控使所进行的能量输入与所定义的能量输入匹配。
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