CN109937099A - 用于确定激光射束的射束轮廓的方法和加工机 - Google Patents

用于确定激光射束的射束轮廓的方法和加工机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于确定激光射束(6)的射束轮廓的方法，所述激光射束借助扫描装置(11)在加工区(13)中定位，该方法包括：将至少一个逆反射器(19)布置在所述扫描装置(11)的加工区(13)中，所述加工区优选地构造在用于照射粉末层(3)的加工腔室(15)中；探测在以所述激光射束(6)扫描驶越所述逆反射器(19)时反射回到所述扫描装置(11)中的激光辐射(20)；以及根据在扫描驶越所述逆反射器(19)时探测的激光辐射(20)确定所述激光射束(6)的射束轮廓。本发明也涉及一种对应的加工机(1)，用于通过照射粉末层(3)制造三维构件(2)。

Description

用于确定激光射束的射束轮廓的方法和加工机
技术领域
本发明涉及一种用于确定激光射束的射束轮廓的方法，该激光射束借助扫描装置在加工区中定位。本发明还涉及一种用于通过照射粉末层制造三维构件的加工机。
背景技术
对于激光加工有利的是，确定或者精确识别出激光射束的射束轮廓，即激光射束的垂直于激光射束的传播方向的、与地点相关的强度分布或者说功率分布。对在加工平面上或加工平面附近的射束轮廓的认识尤其是有利的，激光射束通常为了加工而被聚焦在所述加工平面中。在加工平面中或加工平面附近，例如在激光加工机的情况下，可以布置工件，或者在用于制造三维构件的加工机的情况下，可以布置待照射的粉末层。在这样的加工机中，激光射束被聚焦到由通常呈金属粉末形式的粉末材料构成的层上，并且通过激光射束在当地熔化，以便产生三维构件的一个层(“激光金属熔合”，LMF)。
为了保证尽可能稳定的加工过程，需要：扫描装置或具有这样的扫描装置的照射装置在粉末床中或者说在借助激光射束照射的粉末层上提供尽可能限定的、可重复的射束轮廓(激光光斑)。为此目的，可以借助专门的测量器具在加工机器开始运行时或期间执行射束轮廓，所述测量器具在加工平面附近被装入到加工装置中。因为加工腔室正常情况下不能从外部进入，所以用于安装和拆卸测量器具以及用于实际测量所需的时间耗费是巨大的并且可能是几个小时。此外，因为测量器具需要很大的安装空间，所以在加工机运行期间也不能执行射束轮廓的确定。
由JP H02-038931 A已知一种用于测量激光射束强度分布的设备，该设备具有布置在激光射束的光路中的部分透射的偏转镜，用于将激光射束的辐射功率的小份额耦出到地点分辨的探测器上。优选地，为此使用本已经设置用于在光路中使射束偏转的偏转镜。
在DE 10 2015 001 421 A1中说明了一种用于确定激光射束的几何参数的设备，该设备包括射束诊断装置以及光学系统，该光学系统构造为用于将激光射束聚焦在加工区域中。反射器元件能够定位在光学系统和加工区域之间的定位区域中并且具有部分反射的第一面，其中，该第一面是弯曲的，并且其中，第一面的曲率等于被光学系统聚焦的激光射束在反射器元件的定位区域中的波前的平均曲率。可以使用具有球面的光学透镜、例如平凸透镜或同心弯月透镜作为反射器元件。射束诊断装置可以包括用于聚焦所耦出的辐射的装置和地点分辨传感器。
发明内容
本发明的任务在于，提供开头所述类型的方法和加工机，该加工机使得能够简单且快速地确定激光射束的射束轮廓。
根据本发明，该任务通过开头所述类型的方法来解决，该方法包括以下步骤：将至少一个逆反射器布置在扫描装置的加工区中，该加工区优选地构造在用于照射粉末层的加工腔室中；探测在以激光射束扫描驶越逆反射器时反射回到扫描装置中的激光辐射；以及根据在扫描驶越逆反射器时探测到的激光辐射确定激光射束的射束轮廓。
根据本发明提出，为了确定在扫描装置的加工区中的射束轮廓，使用逆反射器、即将所射的激光射束的强度的显著份额基本上与入射角度无关地反射回射束源-在当前情况下反射回扫描装置-的反射材料或反射对象。逆反射器优选地例如在约65°至约115°之间的大入射角范围上，即在与到逆反射器上的垂直入射偏离直至约+/-25°的入射角度的情况下具有至少4％、可能地至少5％的沿激光射束的入射方向的反射率。因此，逆反射器的沿入射方向的反射率明显大于在传统的反射对象或者材料的情况下的反射率，在所述传统的反射对象或者材料中，入射的辐射被镜反射，使得仅非常小份额的散射激光辐射沿激光射束的入射方向往回反射。从逆反射器反射回到扫描装置的激光辐射的增加的强度提高该激光辐射的可探测性并且因此提高在确定激光射束的射束轮廓时的精度。
照射到探测器上的反射回的激光辐射的强度例如取决于所使用的反射器材料的折射率，就像下面更详细说明的那样。该材料可以这样地与照射到逆反射器上的激光射束功率协调以及与布置在逆反射器和用于探测反射回的激光辐射的探测器之间的光学元件的透射率协调，使得最佳利用探测器的测量范围或者探测器的灵敏度。在此，用于将反射回的激光辐射由激光射束的光路耦出的耦出元件的光学特性的设计是特别重要的，所述耦出元件例如可以是部分透射的镜。
在用在用于制造三维构件的加工机中的扫描装置中，扫描装置的加工区位于一加工腔室中，粉末材料也位于该加工腔室中。聚焦装置将激光射束聚焦到构成加工区的加工平面中。在加工平面中通常有相应的粉末层，该粉末层借助激光射束在当地被照射，以便产生三维构件的层。为了确定射束轮廓，可以将逆反射器手动地装入到加工腔室中并且布置在加工区中，具体而言在加工平面上或加工平面附近。必要时，逆反射器也可以被长久地布置在加工区中，其方式例如是，所述逆反射器安装或者说固定在加工区的边缘上。
如果非地点分辨的探测器被用于探测反射回扫描装置的激光辐射，则可以给扫描装置的扫描镜的每个角度位置并从而给激光射束在逆反射器上的每个照射位置配属一个信号电平或强度值。以这种方式可以在扫描驶越逆反射器一次的情况下确定沿着扫描方向的(一维的)射束轮廓或者说强度分布，激光射束沿所述扫描方向扫描驶越逆反射器。通常，以激光射束沿着预给定的、恒定的扫描方向扫描驶越逆反射器，以便确定激光射束沿着扫描方向的射束轮廓。确定沿着唯一方向的射束轮廓可以是足够的，因为激光射束的射束轮廓通常具有绕着激光射束的中轴线基本上旋转对称的强度分布。
在一个有利的变型中，逆反射器被自动化地布置在扫描装置的加工区中。为此目的，逆反射器可以安装在可运动装置上，该可运动装置运动到加工区中，以便确定射束轮廓，并且该可运动装置又从加工区中移开，以便照射粉末层用于制造三维构件。为了自动化的运动，可以使用可移动或可运动的构件，该构件例如本就设置在加工腔室中用于自动化或类似的。该构件可以是可枢转和/或可移动的臂，该臂使逆反射器运动到加工区中和从该加工区运动离开。
在一个扩展方案中，逆反射器在用于施加粉末层的可运动装置上运动到扫描装置的加工区中或至少其附近。在加工腔室中通常有施加薄粉末层到粉末床上的装置，三维构件的已经完成的部分被埋入到所述粉末床中。该装置为了施加相应的粉末层例如以直线运动至少部分地运动到扫描装置的加工区中，以便运送粉末材料。该装置例如可以是具有推移件或滚子的臂，所述滚子将粉末材料从存储器运送到载体或运送到布置在载体上方的粉末床。臂能够例如通过沿Z方向的直线运动在高度上(Z方向)调节，使得所述臂可以在施加之后运动到粉末层上方而不接触粉末层。为此目的，臂也可以是可绕着例如水平延伸的旋转轴线转动。
以这种方式也可以利用本来存在于加工机中的、用于施加粉末层的装置用于将逆反射器布置在加工区中。通常，逆反射器在被激光射束扫描驶越时位置固定地布置在加工区中，即用于施加粉末层的装置的运动在确定射束轮廓或激光射束扫描驶越期间被停止。但是，这不是强制性需要的，即逆反射器必要时也可以在确定射束轮廓期间在加工区运动。
在逆反射器的一个扩展方案中，将逆反射器安装在用于施放粉末层的载体上。将逆反射器布置在载体、通常在载体上侧上是有利的，因为载体能够在高度上(沿Z方向)调节，使得该载体可以运动到加工区或加工平面中或其附近。通过载体的高度可调节性，逆反射器可以相应地布置在沿Z方向的不同位置处，以便测量激光射束的射束焦散。然而，因为用于制造三维构件的粉末层被施放到载体上，所以借助一个或多个施放在载体上的逆反射器确定射束轮廓通常在制造三维构件期间是不可能的。
易于理解，多个逆反射器可以安装在载体上或用于施加粉末层的装置上，以便在加工区的多个位置处确定射束轮廓。因为一个或多个逆反射器可能本就能够沿着安装所述逆反射器的装置的运动方向移动，所以特别有利的是：多个逆反射器横向于或垂直于该运动方向彼此并排地布置。例如可以在一能够沿X方向移动的用于施加粉末层的装置的情况下将多个逆反射器沿Y方向和/或Z方向彼此并排地布置，以便也能够在加工腔室中在多个Y或Z位置处确定射束轮廓。
在另一变型中，激光射束在呈三维对象形式的逆反射器上被反射回到扫描装置中。三维对象被理解为在所有三个空间维度中具有至少20μm、优选至少50μm、更优选至少100μm、尤其至少1mm的尺度。对象在加工区中或在加工平面中的延伸尺度可以至少与激光射束在加工场中的直径一样大，但三维对象的延伸尺度或者直径也可以比激光射束在加工场中的直径更小，激光射束在加工场中的直径通常基本上相应于例如可以在大约50μm至大约100μm之间的焦点直径。如果三维对象的延伸尺度小于激光射束的直径，则仅激光射束的射束轮廓的部分区域可以在三维对象上被反射，这通常导致在确定射束轮廓时的分辨率增加。因此原则上有利的是，三维对象具有较小的延伸尺度。因为激光射束扫描驶越逆反射器，所以在这种情况下也可以确定出激光射束的整个射束轮廓。
在一个扩展方案中，激光射束在呈透明球形式的逆反射器上被反射，该球优选具有小于5mm的直径和/或优选由石英玻璃或蓝宝石构成。在该变型中，逆反射器是(小)透明球，该透明球由透射激光射束的材料构成并且通常具有在若干微米到若干毫米数量级中的直径，通常小于10mm、优选小于5mm。透明球的直径例如可以在约0.5mm至5mm之间，其中，在球的较小直径的情况下通常可以在确定射束轮廓时实现比在球的较大直径的情况下更高的分辨率。透明球起到逆反射器的作用，因为该球将从隔得远的光源入射的光的大部分聚焦到在球后表面之后的斑点上，其中，由于在球和周围环境、通常空气之间的折射率差，球的后表面起到逆反射器的作用。
在使用非地点分辨的探测器的情况下，由该探测器必然仅探测在确定的角度范围中反射回的激光辐射，其中，所述角度范围由于探测器的布置(通常相对于激光射束的光路同轴)与激光射束到逆反射器上的入射方向和射出方向重叠。因此，在使用球作为逆反射器的情况下，在确定射束轮廓时的分辨率除了球的大小或者说直径外(参见上文)还取决于侵入到球中的激光辐射的焦点在哪里：如果焦点由于球的透明材料的折射率而直接位于球后侧面上，则激光辐射的大部分被反射回到绕激光射束入射方向的狭小的角度范围中，使得测量方法的分辨率较低。如果球的折射率比在焦点直接位于球的后侧面上的情况下的值更大或更小，使得激光射束聚焦在球后侧面之前或之后，则反射回的激光辐射略微扩宽，使得相应地仅探测到反射回的激光辐射的通常基本上居中地入射到球中的一小部分，使得能够在扫描驶越时以更高分辨率确定激光射束的射束轮廓。
在焦点大致位于球后侧面上时，折射率约为n＝2.0。优选地，球由石英玻璃(SiO2)或蓝宝石(Al2O3)构成，因为这两种材料具有较低的折射率，使得激光射束的焦点在这种情况下位于球后侧面之后。尤其是关于较大波长范围具有大致n＝1.54的较小折射率的石英玻璃经证明对于实施该方法是有利的。然而，易于理解地，也可以使用其它材料，例如其它玻璃作为球材料。此外，必要时也可以使用具有较大折射率的材料，例如n＝2.42的金刚石作为球的材料，因为在这种情况下，焦点位于球后侧面之前并且反射回的激光辐射也被扩宽。
尤其由上面所说明的材料构成的呈透明球形式的逆反射器使得能够非常精确地确定激光射束的射束轮廓，因为仅激光射束的延伸穿过球心的部分定向地被反射回扫描装置。易于理解，必要时也能够使用以其它方式构造的、例如构造为棱镜等的三维对象作为逆反射器，然而，所述三维对象相对于激光射束在逆反射器位置处的直径应当非常小，因为在这种三维对象的情况下通常不出现上面所说明的、反射回的激光辐射的角度范围的扩宽效应，该扩宽效应提高了在确定射束轮廓时的分辨率。
在该方法的变型中，为了二维确定激光射束的射束轮廓，激光射束多次扫描驶越逆反射器。为了获得激光射束的完整二维射束轮廓，激光射束可以多次以轻微的横向偏移扫描经过逆反射器。通过逆反射器的这种逐行扫描可以记录激光射束的面式的二维强度分布。
在另一变型中，所述方法附加地包括：改变逆反射器和扫描装置之间的间距和/或沿激光射束的传播方向改变激光射束的焦点位置，以及通过探测在以激光射束扫描驶越逆反射器时反射回到扫描装置中的激光辐射来重新确定激光射束的射束轮廓。通常，一维或二维地在加工平面中或加工平面附近确定激光射束的射束轮廓，该加工平面通常相应于聚焦平面。附加地，可以以与加工平面的至少一个另外的间距确定射束轮廓，以便确定射束焦散、即射束轮廓沿激光射束的传播方向的改变。在逆反射器和扫描装置之间的间距改变的情况下例如可以检查：在相对于加工平面多大的间距中，射束轮廓的直径是最小的。扫描装置的位置或者说间距——在所述间距处，激光射束的射束轮廓具有最小直径——相应于激光射束的焦点位置。为了测量射束焦散，替代地或附加地，可以沿激光射束的传播方向借助聚焦装置来改变焦点位置，由此在逆反射器位置处的射束轮廓改变或者沿传播方向移动。以这种方式，也可以确定或测量射束轮廓在激光射束的传播方向上的改变。
本发明的另一方面涉及一种开头所述类型的加工机，包括：照射装置，具有用于将激光射束在加工区中定位的扫描装置；加工腔室，在该加工腔室中形成加工区并且该加工腔室具有用于施放粉末层的载体；至少一个逆反射器，该逆反射器能够布置在扫描装置的加工区中；探测器，用于探测在以激光射束扫描驶越逆反射器时被该逆反射器反射回到扫描装置中的激光辐射；以及分析评估装置，用于根据探测到的激光辐射确定激光射束的射束轮廓。
如上面所说明地，加工机用于在当地熔化粉末床或通常布置在扫描装置的加工区中的粉末层，以便通过所谓的“激光金属融合”(LMF)产生三维构件的层。除了扫描装置外，照射装置通常还具有聚焦装置，该聚焦装置用于将激光射束聚焦在加工平面中或加工平面附近。加工区受扫描装置的扫描镜的最大偏转限制。聚焦装置可以适配地构造，以沿激光射束的传播方向改变焦点位置。附加地，照射装置也具有激光源，其例如呈光纤激光器或其它激光器的形式。借助逆反射器确定射束轮廓，这不但可以针对激光源的用于熔化粉末层的加工激光射束而且可以针对领航激光源的领航激光射束执行，所述领航激光射束通常具有比加工激光射束明显更低的功率(并且通常具有不同的波长)。
在一个实施方式中，加工机包括运动装置，该运动装置用于将所述至少一个逆反射器运动到扫描装置的加工区中(和从该加工区运动离开)。该运动装置使得能够将逆反射器自动地引入到扫描装置的加工区中。以这种方式，如果需要的话，可以在制造三维构件期间执行激光射束的射束轮廓的确定，其中，为此目的，加工被短暂地中断。以这种方式可以在粉末床上侧上在加工平面中或加工平面附近成本低地、全自动地确定激光光斑的射束轮廓。如上面所说明地，必要时还可以确定射束焦散以及激光射束的聚焦位置或者说焦平面的位置。除了逆反射器外，为确定射束轮廓所需的所有零件都布置在加工腔室外，即这些组件远离实际的测量位置。
探测器优选相对于激光射束的光路同轴地布置在照射装置中，其中，反射回到扫描装置的激光辐射通过分束器、例如部分透射的偏转镜从激光射束的光路耦出。分束器例如可以具有高反射介电涂层，在该介电涂层上，激光辐射的强度的仅小的份额透射到探测器(或可能反射)。反射回的激光辐射通常通过成像装置、例如通过透镜聚焦在探测器上或成像到该探测器上。分束器的介电涂层针对加工激光射束的波长和领航激光射束的波长可以具有不同的反射率或透射性，以便保证反射回的激光辐射照射到探测器上的对应强度处于探测器的测量范围的数量级中。例如，所述介电涂层对于加工激光射束的波长可以具有99.9％的反射率，并且对于领航激光射束的波长可以具有较低的例如50％反射率。相应地，加工激光射束的反射回的激光辐射的强度的约0.1％透射到探测器，而领航激光射束的反射回的激光辐射的强度的约50％透射到探测器，该领航激光射束通常具有比加工激光射束明显更低的功率。
在一个扩展方案中，用于将所述至少一个逆反射器运动到扫描装置的加工区中的运动装置构造为用于施加粉末层的装置。该装置例如可以是一个臂，在该臂上安装有推移件，以便将粉末材料输送到载体并且将粉末材料分布在载体表面上或粉末床上。
在另一实施方式中，逆反射器安装在用于施放粉末层的载体上。如上面所说明地，载体通常能够在高度方向上、即沿Z方向移动，使得逆反射器可以通过移动载体而布置在沿Z方向的各不同位置上，以便测量激光射束的射束焦散。
在另一实施方式中，逆反射器构造为三维对象，优选地构造为透明球。如上面所说明地，使用透明球作为逆反射器是有利的，因为该透明球通常将反射回的激光辐射稍微扩宽，这对于在确定射束轮廓时的分辨率产生有利的作用。
在另一扩展方案中，透明球由石英玻璃或蓝宝石制成。易于理解地，球也可以由具有合适的折射率的其它材料制成，使得反射回的激光辐射扩宽到一角度范围，使得能够以更高分辨率探测射束轮廓。
在另一扩展方案中，透明球具有小于5mm的直径。如上面所说明地，透明球可以具有在若干微米、例如20μm直至若干毫米通常小于10mm、优选小于5mm的数量级中的直径。
在另一实施方式中，探测器构造为(光电)二极管，即该探测器不是地点分辨的探测器。借助非地点分辨探测器探测反射回到扫描装置的激光辐射的强度是足够的，因为激光射束在加工区中的位置可以借助扫描装置被改变。呈二极管形式的探测器可以已经存在于加工机中用于在制造三维构件时进行过程观察，使得该探测器可以以有利的方式附加地被用于确定激光射束的射束轮廓。(光电)二极管通常具有用于所射的(激光)辐射的功率的测量范围，该测量范围在mW范围中，其中，增强的测量二极管也可以测量所射的(激光)辐射的在μW范围中的功率。如上面所说明地，例如可以将用于耦出反射回的激光辐射的分束器的特性匹配于二极管的测量范围，以便最佳利用所述二极管的灵敏度。
附图说明
由说明书和附图得到本发明的其它优点。同样地，上述特征和还进一步列举的特征可以单独使用或以多个成任意组合使用。所示出和说明的实施方式不应被理解为最终的穷举，而是具有用于描述本发明的示例性的特征。
附图示出了：
图1用于制造三维构件的加工机的一个实施例的示意图，该加工机具有呈透明球形式的逆反射器，用于确定激光射束的射束轮廓，
图2a,b礼帽形射束轮廓和高斯形射束轮廓以及激光辐射的对应强度分布的图示，所述激光辐射在以激光射束扫描驶越图1的逆反射器时已被反射回到扫描装置中，
图3二维高斯形射束轮廓的等高线的图示以及两个沿着两个彼此垂直的方向记录的一维高斯形强度分布。
在下面的附图说明中，对于相同或者功能相同的构件使用相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出用于通过照射粉末层3制造三维构件2的加工机1的示例性结构，所述粉末层在图1所示的示例中上下重叠地布置并且形成粉末床，所述三维构件2被埋入到所述粉末床中。加工机1具有照射装置4，该照射装置具有呈光纤激光器形式的、用于产生激光射束6的激光源5，该激光射束通过光导线缆7和准直装置8被引导到偏转镜9上。在所示的示例中，激光射束6是具有高功率的加工激光射束，该加工激光射束被用于照射或者说在当地熔化粉末层3。替代地，激光射束6可以是领航激光射束，该领航激光射束也由呈光纤激光器形式的激光源5产生。在所示的示例中，加工激光射束6具有与领航激光射束不同的波长。在图1所示的示例1中，偏转镜9具有施加到板状石英玻璃基底上的介电涂层，该介电涂层具有对于加工激光射束6的波长大于约99.9％的反射率和对于领航激光射束的波长约30％至约80％的反射率，使得加工激光射束6在偏转镜9上基本上完全偏转到照射装置4的聚焦装置10。
在聚焦装置10之后，激光射束6通过扫描装置11，该扫描装置具有两个呈检流计扫描镜形式的扫描镜12a，12b。扫描装置10用于将激光射束6在扫描装置10的加工区13中定位，加工区的延伸范围在图1所示的示例中基本上相应于粉末床或者说粉末层3的横向延伸尺度。加工区13由两个扫描镜12a，12b的最大偏转限制出。加工区13在呈XYZ坐标系的XY平面形式的加工平面中或该加工平面附近形成，粉末层3中的最上面的粉末层或者说粉末床的上侧面位于该加工平面中。聚焦装置10用于将激光射束6聚焦在加工平面中。
如在图1中也可看到，粉末层3被施放在呈可沿Z方向移动的基板形式的载体14上。载体14布置在具有窗口16的加工腔室15中，激光射束6通过该窗口射入加工腔室15中。因为扫描装置11的加工区13(粉末材料在该加工区中熔化)在制造三维构件2时保持相对于扫描装置11的恒定间距，所以将载体14降低一个粉末层3的厚度，用于施放新的粉末层3，如在图1中通过箭头所示的那样。
借助用于施加(新)粉末层3的装置17从同样布置在加工腔室15中的粉末储存器18取出新的粉末材料。在图1所示的示例中，用于施加新粉末层3的装置17构造为可移动臂的形式，在该臂的下侧上安装或保持有推移件17a，以便将粉末材料从粉末储存器18移动到粉末层3的区域中或者说移动到粉末床的上侧面上，所述粉末床在围绕载体14的构造缸中位于载体14上方。
在图1所示的示例中，在构造为可移动臂的、用于施加粉末层3的装置17的上侧上在略微倾斜的面上安装有呈三维对象、更确切地说由石英玻璃制成的透明球形式的逆反射器19，所述可移动臂在所示的示例中沿Y方向、即垂直于制图平面延伸。易于理解地，逆反射器19也可以安装或固定在臂上的其它部位处。替代地，逆反射器球19也可以由其他透明材料、例如由其他玻璃、蓝宝石或金刚石构成。在所示的示例中，逆反射器球19具有大约2mm的直径D并且将具有激光射束6的强度的约4-5％份额的激光辐射20反射回到扫描装置11中。逆反射器球19的显著超过5％的更大的反射率可能是不利的，因为这可能导致逆反射球19或可能扫描装置11的不希望的变热。逆反射器球19的直径D不必强制在几毫米的范围内，而是可以例如为在0.5mm至5mm之间，其中，直径D必要时也可以更小并且例如可以在微米范围内，通常为20μm或更大。
在图1所示的示例中，激光射束6基本上垂直于XY平面照射到逆反射器19上，相应的粉末层3也在所述XY平面中延伸，然而易于理解地，即使在激光射束6的与垂直入射偏离的入射方向情况下，在逆反射器19上也有激光射束6的通常大于约4％的明显辐射份额被反射回到扫描装置11。反射回的激光辐射20的强度在图1所示的结构中基本上与入射角无关，所述入射角在整个加工区13上与垂直入射例如偏离约+/-25°，其中，与垂直入射的最大偏离出现在加工区13的边缘上。
反射回的激光辐射20沿与激光射束6相反的方向通过扫描装置11以及聚焦装置10并且照射到偏转镜9上。反射回的激光辐射20的约0.1％的小份额在偏转镜9上透射并且借助在图1所示的示例中构造为透镜的成像装置21成像或者聚焦到呈光电二极管形式的探测器22上。探测器22或者说光电二极管与激光射束6的光路同轴地或者在激光射束6的光路的延长部中布置。在所示的示例中，(加工)激光射束6具有约50W的相对低的功率，其中约5％、即约1W在逆反射器19上被反射回。反射回的激光辐射20的约0.1％的功率份额、即约1mW在偏转镜9上透射并且射到探测器22上。在mW范围内的功率大致相应于光电二极管的测量范围。领航激光射束具有明显更低的功率，但其中约50％的较大份额在偏转镜9上透射，使得在这种情况下，由探测器22探测的功率也在mW范围内并且因此在光电二极管的测量范围内。
在图1所示的示例中，激光射束6沿着与X方向一致的扫描方向运动经过逆反射器19，即激光射束6以沿X方向的扫描运动驶越逆反射器19。探测器22探测在此被逆反射器球19反射回到扫描装置11中的激光辐射20的强度I。
图2a示出激光射束6的沿X方向的、在扫描驶越逆反射器球19的情况下已经由与探测器22处于连接中的分析评估装置23确定或记录的射束轮廓24。如在图2a中可看到的那样，借助探测器22确定的射束轮廓24基本上相应于激光射束6的在加工平面的区域中的在图2a中以实线示出的强度分布，该强度分布已借助计算或数字模拟被确定。
图2b示出类似于图2a的示图，在该示图中，已经以具有高斯形射束轮廓的激光射束6扫描驶越逆反射器球19。如在图2b中可看到的那样，借助探测器22或借助分析评估装置23确定出高斯形射束轮廓24a，该射束轮廓与同样在图2b中所示的、激光射束6在加工平面中的强度分布近似成比例。
如根据图2a,b可看到的那样，激光射束6的已经借助反射回的激光辐射20确定的相应射束轮廓24、24a非常精确地相应于在激光源5中所调设或者说预给定的礼帽形、高斯形的射束轮廓。因此，激光射束6的射束轮廓24,24a可以借助逆反射器球19以高精度确定。
为了确定或记录激光射束6的整个二维高斯形射束轮廓24a，激光射束6可以沿X方向多次地扫描驶越逆反射器19，其中，激光射束6在每次扫描过程中分别沿X方向横向偏移相同量值，使得逆反射器球沿X方向被逐行地扫描。为了控制激光射束6在加工区13上的运动，在照射装置4中设置控制装置25。该控制装置25用于控制两个扫描镜12a，b的角度位态，以便将激光射束6定位在加工区13中或加工平面中的希望位置处。
如在图3中可看到的那样，通过扫描逆反射器球19确定在XY方向上的二维强度分布或二维射束轮廓24a，所述射束轮廓的等高线在图3中以同心圆的形式示出。根据二维射束轮廓24a，逆反射球19的中心位置Xz,Yz可以被辨识为同心圆的中心并且因此可以确定激光射束6的射束轴线的位置。根据图3所示的二维射束轮廓24a，也可以在XY平面中确定沿任一方向的一维射束轮廓、例如沿X方向以及沿Y方向延伸通过中心位置Xz,Yz的一维射束轮廓。
在图1所示的示例中，通过借助用于施加粉末层3的装置17使逆反射球19沿Z方向运动，改变扫描装置11和逆反射器球19之间的间距A或者说逆反射器球19的Z位置ZR。因此，激光射束6的射束轮廓24,24a能够以上面所说明的方式在沿Z方向的多个位置处被确定，使得能够确定射束焦散，即激光射束6的射束轮廓24,24a沿Z方向的变化。通过比较在沿Z方向的不同平面XY上的多个射束轮廓24,24a的大小或者说直径，可以确定激光射束6沿Z方向的焦点位置。在此，激光射束6沿Z方向的焦点位置相应于具有最小直径的射束轮廓24,24a。也可以测量激光射束6的射束轮廓24,24a沿Z方向的变化，其方式是：沿激光射束6的传播方向(在所示的示例中沿Z方向)借助聚焦装置10改变激光射束6的焦点位置ZF。
有利的是，可以在加工区13中的多个位置处确定激光射束6的射束轮廓24,24a。为此目的，逆反射器19可以在加工区13中运动、尤其移动，以便改变逆反射器球19的XY位置XR,YR。替代地或附加地，可以在用于施加粉末层3的装置17上安装呈三维对象形式、例如呈透明球形式的多个逆反射器19，在这些逆反射器上可以分别进行射束轮廓24,24a的确定。
在图1所示的示例中，用于运送粉末材料的装置17的运动轴线沿X方向延伸，使得可以无问题地改变逆反射球19沿X方向的位置XR。为了记录在加工区13中沿Y方向的多个不同位置处的射束轮廓24,24a，可以沿Y方向彼此间隔开地沿着用于施加粉末层3的装置17布置呈三维对象形式、例如呈透明球形式的多个逆反射器19，同样可能的是，在用于施加粉末层3的装置17上在沿Z方向的不同位置处安装有多个逆反射球19，以便使得能够在沿Z方向的不同位置处测量射束轮廓24,24a。
附加或替代于将一个或多个逆反射器19安装在用于施加粉末层3的装置17上，所述逆反射器也可以安装在加工腔室15中的其它位置处，例如安装在载体14上、更确切地说安装在载体14的上侧上、通常在加工区13的外边缘上。在这种情况下，通过载体14沿Z方向的运动，同样可以在沿Z方向的不同位置处确定激光射束6的射束轮廓24,24a。通过将多个逆反射器19布置在载体14上，同样可以在沿X方向或者Y方向的多个不同位置处确定射束轮廓24,24a。
总之，在上面所说明的加工机1中，尤其通过将逆反射器19安装在用于施加粉末层3的装置17上即以最小的构造技术耗费进行激光射束6的射束轮廓24,24a的自动确定。射束轮廓24,24a的以上面所说明的方式实现的确定可以在无装调时间的情况下在几秒钟内执行，并且因此也合适在制造三维构件2时在施加新的粉末层3之前、期间或之后执行。必要时可以在用于施加粉末层3的装置17运动到加工区13中期间或者在装置17从加工区13运动离开期间执行射束轮廓24,24a的确定。根据以上面所说明的方式确定的射束轮廓24,24a尤其可以推断出在照射装置4中所使用的光学器件的状态。控制装置25尤其可以作用于激光源5或必要时作用于照射装置4的(未示出的)起射束成形作用的光学元件，以便在必要时校正入射到加工区13上的激光射束6的射束轮廓24,24a或者以便将该射束轮廓适配成所希望的射束轮廓。

Claims (17)

1.一种用于确定激光射束(6)的射束轮廓(24,24a)的方法，所述激光射束借助扫描装置(11)在加工区(13)中定位，该方法包括：
-将至少一个逆反射器(19)布置在所述扫描装置(11)的加工区(13)中，所述加工区优选地构造在用于照射粉末层(3)的加工腔室(15)中，
-探测在以所述激光射束(6)扫描驶越所述逆反射器(19)时反射回到所述扫描装置(11)中的激光辐射(20)，以及
-根据在扫描驶越所述逆反射器(19)时探测的激光辐射(20)确定所述激光射束(6)的射束轮廓(24,24a)。
2.按照权利要求1所述的方法，在该方法中，所述逆反射器(19)被自动化地布置在所述扫描装置(11)的加工区(13)中。
3.按照权利要求2所述的方法，在该方法中，所述逆反射器(19)在用于施加所述粉末层(3)的可运动装置(17)上运动到所述扫描装置(11)的加工区(13)中。
4.按照前述权利要求中任一项所述的方法，在该方法中，将所述逆反射器(19)安装在用于施放所述粉末层(3)的载体(14)上。
5.按照前述权利要求中任一项所述的方法，在该方法中，所述激光射束(6)在呈三维对象(19)形式的逆反射器上被反射回到所述扫描装置(11)中。
6.按照权利要求5所述的方法，在该方法中，所述激光射束(6)在呈透明球(19)形式的逆反射器上被反射回到所述扫描装置(11)中，所述透明球优选由石英玻璃或蓝宝石构成和/或所述透明球优选具有小于5mm的直径(D)。
7.按照前述权利要求中任一项所述的方法，在该方法中，为了确定所述激光射束(6)的二维射束轮廓(24a)，所述激光射束(6)多次扫描驶越所述逆反射器(19)。
8.按照前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括：改变所述逆反射器(19)和所述扫描装置(11)之间的间距(A)和/或沿所述激光射束(6)的传播方向改变焦点位置(ZF)，以及通过探测在以所述激光射束(6)扫描驶越所述逆反射器(19)时反射回到所述扫描装置(11)中的激光辐射(20)来重新确定所述激光射束(6)的射束轮廓(24,24a)。
9.一种加工机(1)，尤其用于通过照射粉末层(3)制造三维构件(2)，该加工机包括：
-照射装置(4)，其具有用于将激光射束(6)在加工区(13)中定位的扫描装置(11)；
-加工腔室(15)，在所述加工腔室中形成所述加工区(13)并且所述加工腔室具有用于施放所述粉末层(3)的载体(14)；
-至少一个逆反射器(19)，所述逆反射器能够布置在所述扫描装置(11)的加工区(13)中；
-探测器(22)，用于探测在以所述激光射束(6)扫描驶越所述逆反射器(19)时被该逆反射器(19)反射回到所述扫描装置(11)中的激光辐射(20)，以及
-分析评估装置(23)，用于根据探测的激光辐射(20)确定所述激光射束(6)的射束轮廓(24,24a)。
10.按照权利要求9所述的加工机，还包括：
-运动装置(17)，该运动装置用于将所述至少一个逆反射器(19)运动到所述扫描装置(11)的加工区(13)中。
11.按照权利要求10所述的加工机，在该加工机中，用于将所述至少一个逆反射器(19)运动到所述扫描装置(11)的加工区(13)中的运动装置构造为用于施加所述粉末层(3)的装置(17)。
12.按照权利要求9至11中任一项所述的加工机，在该加工机中，所述逆反射器(19)安装在用于施放所述粉末层(3)的载体(14)上。
13.按照权利要求9至12中任一项所述的加工机，在该加工机中，所述逆反射器以三维对象(19)的形式构造。
14.按照权利要求13所述的加工机，在该加工机中，所述逆反射器以透明球(19)的形式构造。
15.按照权利要求14所述的加工机，在该加工机中，所述透明球(19)由石英玻璃或蓝宝石制成。
16.按照权利要求13至15中任一项所述的加工机，在该加工机中，所述透明球(19)具有小于5mm的直径(D)。
17.按照权利要求9至16中任一项所述的加工机，在该加工机中，所述探测器构造为二极管(22)。
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