CN116157218A - 用于由粉末材料来增材制造构件的制造装置、用于改变能量束的射束分布的方法、以及至少一个声光偏转器的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于由粉末材料来增材制造构件的制造装置(1)，其具有：射束产生装置(3)，所述射束产生装置设置用于产生能量束(5)；扫描装置(7)，所述扫描装置设置用于在工作区域(9)内将能量束(5)移位到多个照射位置(11)，以便借助于能量束(5)由布置在工作区域(9)中的粉末材料制造构件；偏转装置(13)，所述偏转装置设置用于在射束区域(15)内在多个照射位置(11)中的一个照射位置(11)处将能量束(5)移位到多个射束位置(17)，以及控制装置(19)，所述控制装置与偏转装置(13)作用连接并且设置用于控制偏转装置(13)以及通过改变对偏转装置(13)的控制而在制造构件期间改变射束区域的射束分布。

Description

用于由粉末材料来增材制造构件的制造装置、用于改变能量 束的射束分布的方法、以及至少一个声光偏转器的应用
技术领域
本发明涉及一种用于由粉末材料来增材制造构件的制造装置、一种用于改变能量束的射束分布的方法、以及至少一个声光偏转器的应用。
背景技术
在由粉末材料来增材制造构件的过程中，能量束典型地移位到工作区域的预定照射位置、特别是沿着预定照射路径移位到工作区域的预定照射位置，以便局部地固化布置在工作区域中的粉末材料。这特别是在相继布置在工作区域中的粉末材料层中逐层重复，以便最终获得由固化的粉末材料制成的三维构件。为了提高生产率和/或将所产生的构件的材料性质设计得局部不同，期望的是，将在待制造的构件内的不同区域、特别是工作区域中的同一粉末材料层内的不同区域暴露于能量束的不同射束分布。借助于传统的射束整形、特别是通过在光学能量束情况下的折射光学元件或干涉光学元件来生成适合的、适配的射束分布经常是复杂的而且无法灵活利用。尤其已证实的是，在单独生产过程中、特别是在粉末材料层内难以或甚至几乎不可能在不同的射束分布之间进行切换。此外，传统的射束整形方法仅允许实现射束分布的有限选择，因此所述射束分布的适用性也受到限制。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种用于由粉末材料来增材制造构件的制造装置、一种用于改变这种制造装置的工作区域上的能量束的射束分布的方法、以及至少一个声光偏转器的应用，其中，至少减少、优选地避免所述缺点。
该任务通过如下方式来解决，即提供本技术教导、特别是独立权利要求的教导以及在从属权利要求和说明书中公开的实施方式的技术教导。
该任务特别是通过提供一种用于由粉末材料来增材制造构件的制造装置来解决，其具有射束产生装置，所述射束产生装置设置用于产生能量束。制造装置还具有扫描装置，所述扫描装置设置用于在工作区域内将能量束移位到多个照射位置，以便借助于能量束由布置在工作区域中的粉末材料制造构件。此外，制造装置具有偏转装置，所述偏转装置设置用于在射束区域内在多个照射位置中的一个照射位置处将能量束移位到多个射束位置。此外，制造装置具有控制装置，所述控制装置与偏转装置作用连接并且设置用于控制偏转装置以及通过改变对偏转装置的控制而在制造构件期间改变射束区域的射束分布。
以这种方式，特别是可以预定所使用的射束分布，并且在制造构件期间、特别是在加工同一粉末材料层期间容易且快速地改变所使用的射束分布，而这无需特别是专门用于产生射束分布的特定装置。特别是可以容易且快速地在不同的射束分布之间切换。因此，制造装置能够非常灵活地以适配于在各自情况下的局部主导要求和/或条件、特别是在各自情况下构件的有待制造的区域的方式来产生适合的射束分布。因此，制造装置不仅生产率高，而且还能够实现对所产生的构件的材料性质的局部改变的调整。由于这一点，特别是可以提高由在此提出的制造装置生产的构件的品质，特别是通过选择特别适合的射束分布提高品质。因为无需具体地适配于射束分布的干涉光学元件、特别是无需折射光学元件或静态干涉光学元件，因此尽管制造装置适用性的灵活程度高，但仍被设计得成本低廉，特别是关于产生不同射束分布不需要不同类型的装置的方面，所述装置引起附加的部件成本，并且在所述装置之间可能需要费力地且以耗费时间的方式进行切换。在此提出的制造装置也借助于对扫描装置和由此偏转装置也进行适当的控制来允许在最高效的、特别是也快速的构件制造与特别高品质的制造之间进行切换，特别是也对所产生的构件的材料性质进行局部改变的调整，例如在构件表面的区域中的硬度比构件内部更大。
一方面扫描装置和另一方面偏转装置特别是允许将与所产生的构件的制造相关的时间标量和长度标量分离开。扫描装置设置用于在与偏转装置相比更长的时间标量内将能量束几乎整体地沿着多个照射位置、特别是沿着预定照射路径在整个工作区域上移位，而偏转装置设置用于在相对于扫描装置的时间标量更短的时间标量内在照射位置处几乎局部地将能量束移位到射束区域内的多个射束位置，所述照射位置由于时间标量分离而准静态地并且所述照射位置由扫描装置预定。由于时间标量分离，因此射束区域的作为几何形状并且作为强度分布的具体射束分布以这种方式几乎静止地出现在多个照射位置中的几乎每个照射位置处。以这种方式产生的射束分布特别是进而通过扫描装置沿着多个照射位置、特别是沿着照射路径移位。通过改变对偏转装置的控制，现在可以有利地几乎根据需要改变射束区域的射束分布，也就是说，特别是改变射束区域的形状和/或射束区域中的强度分布，必要时甚至可以在照射位置之间进行改变。然而通常，多个相邻的照射位置、特别在各自情况下照射路径的连续区段是由相同的射束分布扫过的。然而照射路径的不同区段优选地是由不同的射束分布扫过的。
所产生的射束分布特别是还鉴于粉末材料的熔化过程而言也是准静态的，偏转装置偏转能量束的时间标量明显短于能量束与粉末材料之间的特征相互作用时间。随时间的推移而平均，动态产生的射束分布因此与粉末材料的相互作用就像静态产生的分布那样。
增材制造构件特别是应理解为由粉末材料逐层地构建构件，特别是用于在粉末床中制造构件的基于粉末床的方法，尤其是下述制造方法，该制造方法从由下述方法的组中被选择：选择性激光烧结、激光金属熔合(LMF)、直接金属激光熔化(DMLM)、激光净成形制造(LNMS)以及激光工程净成形(LENS)。因此，制造装置设置用于特别是实施至少一个上述增材制造方法。
能量束通常理解为能够传输能量的定向辐射。一般来说，定向辐射可以是粒子辐射或波辐射。能量束特别是沿着传播方向传播通过物理空间，并且在所述过程中沿着其传播方向传输能量。特别是借助于能量束能实现能量在工作区域中的局部沉积。
在优选的设计方案中，能量束是工作光束。工作光束特别是理解为定向的、连续的或脉冲式的电磁辐射，所述电磁辐射就其波长或波长范围而言适合于由粉末材料来增材制造构件，特别是用于烧结或熔化粉末材料。工作光束特别是理解为可以连续产生或以脉冲方式产生的激光束。工作光束优选地具有可见电磁光谱内、或红外电磁光谱内、或电磁光谱的红外范围与可见范围之间的重叠范围内的波长或波长范围。
工作区域特别是理解为区域、特别是平面或表面，粉末材料被布置在所述区域、平面或表面中，并且被能量束局部地照射以局部固化粉末材料。，粉末材料特别是在工作区域中分层依次布置，并且以能量束局部地被施加，以便逐层地制造构件。
照射位置特别是理解为工作区域内的地点，在所述地点，能量借助于能量束局部地沉积到工作区域中，特别是沉积到布置在那里的粉末材料中。扫描装置优选地设置用于沿着照射路径在工作区域内移位能量束，其中，照射路径由能量束相继移动经过的照射位置的时间序列组成。在这种情况下，各个照射位置可以被布置成彼此间隔开，或者可以以其他方式重叠。照射路径可以尤其是被能量束连续扫描的路径。
射束区域特别是在此理解为在照射位置处的区域，在所述区域内产生特定强度分布。射束区域在此特别是具有面状延伸面状延伸，所述面状延伸面状延伸大于投射到工作区域上的能量束的横截面。
因此，偏转装置特别是设置用于将能量束移位到射束区域内的固定照射位置处、特别是每个照射位置处，由此将能量束照射到工作区域内的固定照射位置处、特定区域(射束区域)，所述区域大于投射到工作区域上的能量束的截面；与此相对地，扫描装置设置用于在各个照射位置之间移位能量束，由此进而使偏转装置能够使能量束移动经过新射束区域的不同地点。因此，偏转装置用于能量束在照射位置处的局部偏转，而扫描装置用于能量束在工作区域内的整体移位。
因此，扫描装置和偏转装置特别是如同已实施的那样在可能移位的长度标量方面有所不同，其中，扫描装置优选地设置用于将能量束在整个工作区域上移动，其中，偏转装置设置用于局部地在由扫描装置预定的照射位置处在射束区域内偏转能量束，相应的射束区域比工作区域小得多。特别是，射束区域优选地具有在几(即小于十)毫米到几个厘米的范围内的长度标量，优选地具有在几平方毫米到几平方厘米的范围内的面状延伸，而工作区域具有在几分米到几米的范围内的长度标量，优选地在几平方分米到几平方米的范围内的面状延伸。
一方面扫描装置和另一方面偏转装置优选地也在能量束的偏转发生的时间标量方面有所不同：能量束特别是在射束区域内通过偏转装置的偏转优选地在比通过扫描装置在工作区域内的偏转，即比从一个照射位置到下一个照射位置的改变更短的时间标量上、特别是短得多的时间标量上进行。以这种方式，有利地借助于偏转装置使能量束在射束区域内适当地移位到由扫描装置的瞬时设置预定的每个照射位置处，可以准静态地产生特定射束分布。偏转装置可以偏转能量束的时间标量优选地比扫描装置偏转能量束的时间标量小了10倍至1000倍、优选地20倍至200倍、优选地40倍至100倍或更多倍。
控制装置优选地从包括以下项的组被选择：计算机、特别是个人计算机(PC)、插卡或控制卡、以及FPGA板。在优选的设计方案中，控制装置是SCANLAB GmbH(施肯拉有限公司)的RTC6控制卡、特别是在本产权的优先权日可获得的当前配置的控制卡。
控制装置优选地设置用于借助于数字RF合成器使扫描装置与偏转装置同步，其中，RF合成器经由可编程FPGA板来控制。另外，优选地，借助于分频器将扫描装置的相对缓慢的运动和偏转装置的快速运动分开。优选地，计算射束分布的位置值和预定的值，随后将所述值在FPGA板中转换为RF合成器的时间同步的频率指标。在这样做之前，需要将射束分布空间分配到相应粉末材料层中的照射位置，这优选地已经在构建处理器中实施。构建处理器将对应的数据写入文件，所述文件然后优选地由控制装置使用。替换地或附加地，优选地可以从预定的射束分布中进行选择。
本发明的一个进一步方案提出，偏转装置设置用于将能量束跳跃式地移位到多个射束位置，其中，多个射束位置是离散的射束位置。相邻的射束位置特别是可以彼此分隔开。然而相邻的射束位置也可以至少区域性地彼此重叠。能量束通过偏转装置有利地并非连续地在射束位置之间移位，而是特别是以离散的步长移位。在不损失通用性并且不希望束缚于理论的情况下，对于所有实际的应用目的，可以假设，在从第一射束位置到第二射束位置的骤然或离散的移位的情况下，能量束在第一射束位置几乎消失并且在第二射束位置出现，而特别是没有扫过中间区域。以这种方式，能量束可以在射束区域内非常快速地移位，并且可以优选地避免以其他方式基于能量束的连续移位的材料运输过程，这提高了所产生的构件的品质。
本发明的一个进一步方案提出，控制装置设置用于在制造构件期间改变作为射束分布的、射束区域的形状。射束区域的形状在此特别是应理解为射束区域的外部边界的几何形状，或等效地能量束在射束区域内准静态地扫过的表面的形状。这相应于能量辐射的准静态截面分布，利用所述能量辐射照射工作区域的相应的照射位置。
替换地或附加地，控制装置优选地设置用于在制造构件期间改变作为射束分布的射束区域中的强度分布。强度分布在此特别是应理解为能量束的表面功率密度分布情况。
通过改变射束分布、特别是射束区域的形状和/或强度分布，有利地可以在制造构件期间容易且快速地根据要求来适配射束分布。
本发明的一个进一步方案提出，控制装置设置用于根据在待制造的构件内、特别是在同一粉末材料层内的瞬时照射位置来预定射束分布、特别是射束区域的形状。控制装置特别是设置用于预定不同照射位置处的不同射束分布。以这种方式，射束分布可以有利地灵活地且局部地适配于不同条件或要求。
例如可以对于所产生的构件的外部围封区域、即特别是为构件的表面选择与在构件的外部围封区域内的内部区域不同的射束分布。
替换地或附加地，对于粉末材料层内的有待固化的区域或固化区域的轮廓、即边缘或外部边界核心可以选择与所谓的核心、即粉末材料层中的轮廓内的区域不同的射束分布。
附加地或替换地，对于悬垂区域可以选择又一个另外的射束分布，其中，悬垂区域是在粉末材料层内的区域，在该区域下方、即在其下面的粉末材料层中存在未固化的粉末材料。所述悬垂也被称为“down skin(下表皮)”。此术语还表示包括固化的粉末材料的最下面的粉末材料层，也就是说构件的底表面。
附加地或替换地，对于覆盖层区域可以使用又一个另外的射束分布，其中，覆盖层区域是在粉末材料层内的区域，在该区域上方，即在其上面的粉末材料层中存在未固化的粉末材料。这种覆盖层区域也被称为“up skin(上表皮)”。此术语还表示仍包括固化的粉末材料的最上面的粉末材料层，也就是说构件的顶部表面或最上面的表面。
特别是可以对于所产生的构件的主体区域、即在粉末材料层内的下述区域选择又一个另外的射束分布，该区域在完整的构件中在所有侧、特别是在所述粉末材料层内、然而也在刚刚已加工的粉末材料层上方和下方由固化粉末材料包围。这种区域也被称为“inskin(表皮中)”区域。
对于例如处于射束区域的量级的构件的精细结构，以及对于更粗糙的结构、更大的结构、特别是二维结构，也可以使用不同的射束分布。可选地，也可以仅通过控制偏转装置和在固定的照射位置处无需控制扫描装置来产生局部射束分布而生产精细结构、特别是独立的结构区段，尤其是凭借通过适当控制偏转装置而产生要形成的结构区段形式的射束分布。
根据瞬时照射位置预定射束分布也使得可以经由强度分布来影响所产生的构件的微结构。例如在改变后的温度梯度和固化条件下照射时，所产生的构件的晶粒结构会发生改变。以这种方式，特别是也可以影响、特别是局部改变局部强度值或表面硬度。
特别是可以通过在直接布置在其下方或上方的多个粉末材料层中的上表皮区域或下表皮区域中产生更大硬度的固化的粉末材料来硬化所述构件的外表面。相应地，也可以在各个粉末材料层中在更宽的范围内将轮廓线固化成具有更大的硬度。
与此相对地，外部围封区域特别是是粉末材料层内的区域，所述区域具有相对于所述粉末材料层内的未固化粉末材料的至少一个交界线。这种围封区域可以同时是悬垂部，但在完成的构件中，围封区域也可以被当前生产的粉末材料层上方和下方的固化粉末材料包围。
本发明的一个进一步方案提出，控制装置设置用于将射束区域的形状预定为下述形状，该形状从包括以下形状的组中被选择：旋转对称的形状、特别是三重旋转对称的或更高重旋转对称的形状、特别是C3旋转对称的形状、圆形形状、环形形状、环面形状或圆环形状、多边形、矩形、优选地具有倒圆的角的长形形状、线形形状、不规则形状、以及点状形状。具有更大的面状延伸的更大的形状优选地用于快速地制造构件的内部的表皮中区域和/或核心区域和/或内部区域，因此生产率高，其中，更加精细的、更小的形状优选地用于加工特别是精细或细致的围封区域或悬垂部。
控制装置优选地设置用于在射束区域的至少两个不同的形状之间切换或变换。
本发明的一个进一步方案提出，控制装置设置用于将强度分布产生为高斯强度分布。这也可以特别是沿着工作区域内的某一方向伸长的高斯分布，其中，在优选配置中高斯分布的最长范围轴线可以垂直于照射路径延伸，也就是说，能量束在工作区域中的特别是局部移位方向，或者替代性地沿着能量束的照射路径，即在移位方向上延伸。然而高斯分布的最长范围轴线当然也可以相对于照射路径倾斜地延伸。
替换地，控制装置优选地设置用于将强度分布产生为非高斯强度分布。
替换地或附加地，控制装置设置用于将强度分布产生为特别是根据平顶射束的类型的恒定的强度分布。
替换地或附加地，控制装置设置用于将强度分布产生为非对称的强度分布或畸变的强度分布。因此，控制装置优选地能够产生多种不同的强度分布，特别是任何所需的强度分布，并且在它们之间进行切换。
本发明的一个进一步方案提出，控制装置设置用于根据在待制造的构件内、特别是在同一粉末材料层内的瞬时照射位置来预定射束分布、特别是射束区域的形状，以使得投射在工作区域上的射束分布相应于预定的投射的射束分布。
这解决了在非垂直地入射在工作区域中的粉末材料上的情况下射束分布畸变的问题。就这一点而言，例如以与工作区域中的粉末材料的表面法线成某一角度入射在粉末材料上的圆形的射束分布畸变为椭圆形。相应地，可以为射束分布预定椭圆形，其方式为投射在粉末材料上的射束分布同样是圆形的。
在一个优选的进一步方案中，控制装置设置用于使预定的射束分布畸变，以使得投射的射束分布相应于在前面的进一步方案中所述的射束分布中的一个射束分布。
根据本发明的一个进一步方案设置，偏转装置沿能量束的传播方向布置在扫描装置的上游。在这种情况下，能量束的传播方向特别是能量辐射在空间中的传播方向。术语“上游”是指在能量束沿着传播方向传播期间，能量束首先到达偏转装置，之后能量束到达扫描装置。偏转装置沿传播方向布置在扫描装置的上游构成了用于灵活产生射束分布的特别适合的配置。
根据本发明的一个进一步方案设置，偏转装置包括至少一个声光偏转器。
声光偏转器在此特别是应理解为具有实心本体的元件，所述实心本体对于能量束是透明的，并且声波、特别是超声波可以施加到所述实心本体，能量束在通过透明的实心本体时以取决于施加到透明的实心本体的声波的频率的方式被偏转。在这一过程中，声波在透明的实心本体内特别是产生光栅。有利地，这种声光偏转器能够非常快速地将能量束在一个角度范围偏转，所述角度范围由透明的实心本体内产生的声波的频率预定。特别是在所述过程中可以获得最高达1MHz的切换速度。这种声光偏转器的切换时间特别是明显快于传统的扫描器光学单元、特别是检流计扫描器的典型切换时间，所述扫描器光学单元、特别是检流计扫描器通常用于在这里讨论的类型的制造装置的工作区域内移位能量束。因此，这种声光偏转器可以特别是适合用于在射束区域内产生准静态射束分布。
现代的声光偏转器将能量束偏转到一阶衍射的预定角度范围内的效率是至少90％，因此所述声光偏转器非常适合作为在此提出的制造装置用的偏转装置。特别是所采用的对能量束透明的材料和输入耦合的超声波的适合的高强度对于高效率是关键的。
在优选的设计方案中，偏转装置具有两个彼此不平行地定向的、优选地彼此垂直地定向的声光偏转器。因此有利地可以将能量束偏转到彼此不平行的两个方向、尤其是彼此垂直的方向。彼此不平行的声光偏转器优选地沿能量束的传播方向一个布置在另一个的下游。
在此“下游”特别是指在能量束沿着传播方向传播时，在另外的元件之后到达布置在所述另外的元件下游的元件，类似于上面给出的“上游”的定义。
本发明的一个进一步方案提出，制造装置具有沿能量束的传播方向位于偏转装置下游且位于扫描装置上游的分离镜，以便将能量束的零阶分束与一阶分束分离开。尤其如果偏转装置具有声光偏转器，则所述声光偏转器由于其类似于光栅的配置而产生非衍射的零阶分束和衍射的或偏转的一阶分束。只有一阶分束旨在用于照射工作区域。借助于分离镜，然后有利地可以将不同阶的分束彼此分离，并且这样做时仅将一阶分束传输到工作区域、特别是传输到扫描装置。零阶分束优选地被分离镜转向至射束阱。
这一说明对于使用正好一个声光偏转器是正确的。如果在优选的设计方案中使用两个彼此不平行地定向的、优选彼此垂直地定向的声光偏转器，则对应的衍射阶也应该被累积考虑：作为有用射束，最终意图是使用分束，所述分束最初作为第一声光偏转器的一阶分束撞击在第二声光偏转器上，并且作为一阶分束随后被第二声光偏转器再衍射一次。在这种情况下，作为“一阶分束”的有用射束可以说是第一一阶分束。然而为了使说明简洁，下文仅提及一阶。
特别是，分离镜优选地在对于能量束是反射性的表面中包括通孔，一阶分束通过所述通孔穿过分离镜朝向工作区域、特别是朝向扫描装置。与此相对地，零阶分束以及优选还有不期望的比一阶高的分束撞击在反射表面上并且被分离镜转向到射束阱中。
优选地，分离镜被布置在望远镜的中间焦点附近。这使得不同阶的分束能够被特别清晰地分离。
优选地，分离镜没有精确地布置在望远镜的中间焦点处，特别是以便避免由于能量束的功率密度过高而损坏分离镜。
优选地，分离镜布置为沿着传播方向相对于中间焦点偏移望远镜的焦距的五分之一的距离，优选地沿传播方向位于中间焦点的上游。这同时确保，一方面不同阶的不同分束的清晰分离，另一方面能量束在分离镜上的功率密度足够低，以避免能量束对分离镜造成损坏。
望远镜优选为1:1望远镜，即特别是既不具有缩小射束的特性，也不具有放大射束的特性。望远镜特别是实现两个任务，即，除了分离出不同阶的不同分束之外，还优选地将射束旋转点(也称为枢轴点)成像到沿传播方向在望远镜的下游的点上，成像的射束旋转点优选地位于下游扫描装置的枢轴点上或者位于最小孔径的点上。
严格地说，这种考虑也仅适用于单个声光偏转器的使用。如果使用彼此不平行地定向、优选彼此垂直地定向的两个声光偏转器，则出现两个射束旋转点，即在每个声光偏转器中有一个射束旋转点。然而如果两个声光偏转器沿传播方向一个在另一个的下游尽可能靠近地布置，则可以非常近似假定单个假想的共用射束旋转点，然后将其布置在声光偏转器之间。
根究本发明的一个进一步方案设置，偏转装置包括至少一个电光偏转器、优选地两个彼此不平行、特别是彼此垂直地定向的电光偏转器。电光偏转器(EOD)的偏转基于在通过光学透明材料时的折射。在使用一个或两个EOD的情况下，可以通过在各自情况下用EOD替换声光偏转器中的一个或两个声光偏转器来更改前述具有声光偏转器的实施例。
根据本发明的一个进一步方案设置，扫描装置包括至少一个扫描仪、特别是检流计扫描器、压电扫描器、多边形扫描器、MEMS扫描器、和/或相对于工作区域能移位的工作头或加工头。这里提出的扫描装置尤其适合用于在工作区域内的多个照射位置之间移位能量束。
在此，相对于工作区域能移位的工作头或加工头特别是理解为制造装置的集成构件，所述集成构件包括用于至少一个能量束的至少一个辐射出口，集成构件、即工作头作为整体可相对于工作区域沿着至少一个移位方向移位，优选沿着两个相互垂直的移位方向移位。这种工作头特别是可以用龙门设计来实施，或者由机器人来引导。工作头特别是可以设计为机器人的机械手。
根据本发明的一个进一步方案设置，射束产生装置设计为激光器。能量束因此有利地产生为相干电磁辐射的强束，特别是相干光的强束。
根据本发明的一个进一步方案设置，制造装置设置用于选择性激光烧结。替换地或附加地，制造装置设置用于选择性激光熔化。制造装置的所述设计方案被证明是特别有利的。
该任务还通过提供一种用于在由粉末材料来增材制造构件期间改变制造装置的工作区域上的能量束的射束分布的方法来解决，其中，在工作区域内将能量束移位到多个照射位置，以便通过能量束由布置在工作区域中的粉末材料制造构件。在射束区域内在多个照射位置中的至少一个照射位置处将能量束移位到多个射束位置。通过改变能量束在射束区域中的移位来改变射束分布。特别是结合所述方法提供了已经结合制造装置说明的优点。
根据本发明的一个进一步方案设置，根据在待制造的构件内、特别是在同一粉末材料层内的瞬时照射位置来改变射束分布、特别是射束区域的形状，其中，特别是在不同的照射位置处产生不同的射束分布。
根据本发明的一个进一步方案设置，根据待制造的构件内、特别是在同一粉末材料层内的瞬时照射位置来改变射束分布、特别是射束区域的形状，以使得投射在工作区域上的射束分布相应于预定的投射的射束分布。结合本方法获得已经结合制造装置说明的相同优点。
最后，该任务还通过给出至少一个声光偏转器的应用来解决，其中，声光偏转器用于在由粉末材料来增材制造构件期间改变制造装置的工作区域上的、特别是在同一粉末材料层内的能量束的射束分布。特别是结合声光偏转器的应用获得已经结合制造装置和方法说明的那些优点。
在优选的设计方案中，声光偏转器在根据本发明的用于改变能量束的射束分布的方法中被使用，或者在这种方法的前述的优选实施方式之一中被使用。
优选地，声光偏转器在根据本发明的制造装置中被使用，或者在根据这种制造装置的前述实施例之一的制造装置中被使用。
根据本发明的一个进一步方案设置，使用两个特别是彼此不平行地定向的、优选彼此垂直地定向的声光偏转器，以便改变能量束的射束分布。因此可以特别容易且快速地在两个优选彼此不平行地定向的、优选特别是彼此垂直地定向的方向上改变射束分布。
附图说明
下面借助附图具体地阐述本发明。附图中：
图1示出了用于由粉末材料来增材制造构件的制造装置的一个实施例的视图，
图2示出了射束区域的多个不同形状的示意图，以及
图3示出了用于阐述在增材制造时电光偏转的简图。
具体实施方式
图1示出了制造装置1的一个实施例的示意图，所述制造装置设置用于由粉末材料来增材制造构件。制造装置1包括射束产生装置3，所述射束产生装置设置用于产生能量束5。制造装置1还具有扫描装置7，所述扫描装置设置用于在工作区域9内将能量束5移位到多个照射位置11，以便借助于能量束5由布置在工作区域9中的粉末材料制造构件。
制造装置1包括偏转装置13，所述偏转装置设置用于在射束区域15内在多个照射位置11中的一个照射位置11处将能量束5移位到多个射束位置17。
制造装置1包括控制装置19，所述控制装置与偏转装置13作用连接并且设置用于控制偏转装置13以及通过改变对偏转装置13的控制而在制造构件期间改变射束区域15的射束分布。
以这种方式，可以容易且极其灵活地预定所使用的射束分布，并且在制造构件期间、特别是在加工同一粉末材料层期间容易且快速地改变所使用的射束分布，而这无需特别是专门用于产生射束分布的特定装置。特别是可以容易且快速地在不同的射束分布之间切换。
偏转装置13特别是设置用于跳跃式地将能量束5移位到多个射束位置17，射束位置17是离散的射束位置17。
控制装置19特别是设置用于在制造构件期间改变作为射束分布的、射束区域15的形状和/或射束区域15中的强度分布。
控制装置19特别是设置用于根据待制造的构件内的瞬时照射位置11来预定射束分布、特别是射束区域15的形状。在优选的设计方案中，控制装置19设置用于预定不同的照射位置11处的不同的射束分布。这特别是可以在同一粉末材料层内实施，例如以便将粉末材料层的不同区域、尤其是一方面围封区域、另一方面内部区域暴露于不同的射束分布。替换地或附加地，尤其可以根据是否处理正在生产中的构件的分布、核心、悬垂区域、覆盖层区域或块体区域来选择射束分布。
优选地，控制装置19设置用于射束区域15的形状预定为下述形状，该形状从包括以下形状的组中被选择：旋转对称的形状、特别是三重旋转对称的或更高重旋转对称的形状、圆形形状、环形形状、环面形状或圆环形状、多边形、矩形、优选地具有倒圆的角的长形形状、线形形状、不规则形状、以及点状形状。控制装置19特别是设置用于在射束区域15的不同的形状之间切换或改变。
控制装置19特别是设置用于产生作为高斯强度分布、非高斯强度分布、恒定强度分布、不对称或畸变的强度分布的强度分布。
偏转装置13特别是沿能量束5的传播方向布置在扫描装置7的上游。
偏转装置13特别是具有至少一个声光偏转器21、在此特别是两个彼此不平行地、特别是彼此垂直地定向的声光偏转器21，即第一声光偏转器21.1和第二声光偏转器21.2。彼此垂直地定向的声光偏转器21允许能量束5在两个相互垂直的方向上偏转，并因此特别的允许对射束区域15进行二维扫描。
制造装置1还具有沿能量束5的传播方向位于偏转装置13的下游且位于扫描装置7的上游的分离镜23，所述分离镜设置用于将能量束5的零阶分束与一阶分束分离开。为此，分离镜23包括通孔25，所述通孔特别是设置在分离镜23的表面27中，所述表面对于能量束5是反射性的，并且所述通孔完全穿透分离镜23。在这种情况下，旨在以期望的方式传输到扫描装置7的一阶分束被引导穿过通孔25，并因此最终到达扫描装置7。与此相对地，不期望的零阶分束和可选地还有不期望的更高阶分束撞击在反射表面27上并且被转向到射束阱29。
分离镜23特别是布置在望远镜33的中间焦点31附近，特别是没有精确地在中间焦点31的平面内，特别优选地被布置成沿着传播方向偏移望远镜33的五分之一焦距的距离，特别是在中间焦点31的上游偏移。有利地，这防止能量束5的过高功率密度射到反射表面27上。
望远镜33优选地包括第一透镜35和第二透镜37。望远镜优选地被设计为1:1望远镜。优选地，望远镜33具有500mm的焦距。
望远镜33的功能优选是双重的：首先，望远镜33使得由偏转装置13偏转的不同阶的能量束5能够特别有利和清晰地分离开，尤其是在这里选择的分离镜23的布置的情况下亦如此；其次，望远镜33优选地将偏转装置13的假想的、共用射束旋转点39有利地成像到扫描装置7的枢轴点41上。
替换地，望远镜33优选地将射束旋转点39成像到最小孔径的点上。
为了便于制造装置1的紧凑布置，能量束5优选地通过转向镜43被多次转向。
扫描装置7优选地包括至少一个扫描仪，特别是检流计扫描仪、压电扫描仪、多边形扫描仪、MEMS扫描仪和/或工作头。
射束产生装置3优选地设计为激光器。
制造装置1优选地设置用于选择性激光烧结和/或用于选择性激光熔化。
在用于在由粉末材料来增材制造构件期间改变制造装置1的工作区域9上的能量束5的射束分布的方法的框架内，优选地在工作区域9内将能量束5移位到多个照射位置11，以便通过能量束5由布置在工作区域9中的粉末材料制造构件。在射束区域15内在多个照射位置11中的至少一个照射位置11处将能量束5移位到多个射束位置17。通过改变能量束5在射束区域15中的移位来改变射束分布。
优选地，根据待制造的构件内、特别是在同一粉末材料层内的瞬时照射位置11来改变射束分布、特别是射束区域15的形状，其中，特别是在不同的照射位置11处产生不同的射束分布。
在使用至少一个声光偏转器21的框架内下，所述至少一个声光偏转器用于在由粉末材料来增材制造构件期间改变制造装置1的工作区域9上的能量束5的射束分布。
优选地，在这种情况下，使用特别是彼此不平行地、特别是彼此垂直地定向的两个声光偏转器21.1、21.2。
图2示出了射束区域15的多种形状的示意性视图。
在此，a)图示出射束区域15的圆形的第一形状51。
b)图示出射束区域15的多边形、在此特别是六边形的第二形状53。
c)图示出射束区域15的矩形的第三形状55。
d)图示出射束区域15的具有倒圆的端部的长形的第四形状57。
最后，e)图示出射束区域15的环形、环面形或圆环形的第五形状59。
图3示意性地示出了使用EOD 131对能量束5的可调整的偏转，其中EOD 131的光学透明材料的折射率或折射率梯度通过施加电压是可调整的。激光束133的偏转根据所施加的电压而改变，所述激光束优选地再次以布儒斯特(Brewster)角入射到EOD 131上，并且以对应可调整的偏转角从所述EOD出射。偏转的激光射束133A因此可以被馈送到图1的布置中的扫描装置7。电压源135能够精确地调整电压，所述电压例如被施加在形成图3中的EOD131的棱柱形晶体的上侧与下侧之间。折射率或折射率梯度以及因此能量束5的偏转可以根据设置电压来设置。关于在EOD处出现的折射行为，补充参考“Electro-optic andacousto-optic laser beam scanners”；
Figure BDA0004113635220000181
G.R.B.E.等，Physics Procedia 56(2014)29-39。/>

Claims (18)

1.一种用于由粉末材料来增材制造构件的制造装置(1)，其具有：
-射束产生装置(3)，所述射束产生装置设置用于产生能量束(5)，
-扫描装置(7)，所述扫描装置设置用于在工作区域(9)内将所述能量束(5)移位到多个照射位置(11)，以便借助于所述能量束(5)由布置在所述工作区域(9)中的粉末材料制造构件，
-偏转装置(13)，所述偏转装置设置用于在射束区域(15)内在所述多个照射位置(11)中的一个照射位置(11)处将所述能量束(5)移位到多个射束位置(17)，以及
-控制装置(19)，所述控制装置与所述偏转装置(13)作用连接并且设置用于控制所述偏转装置(13)以及通过改变对所述偏转装置(13)的控制而在制造构件期间改变所述射束区域的射束分布。
2.根据权利要求1所述的制造装置(1)，其中，所述偏转装置(13)设置用于将所述能量束(5)跳跃式地移位到离散的多个射束位置(17)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的制造装置(1)，其中，所述控制装置(19)设置用于在制造所述构件期间改变作为射束分布的、所述射束区域(15)的形状和/或所述射束区域(15)中的强度分布。
4.根据前述权利要求中任一项所述的制造装置(1)，其中，所述控制装置(19)设置用于根据在待制造的构件内、特别是在同一粉末材料层内的瞬时照射位置(11)来预定所述射束分布、特别是所述射束区域(15)的形状，特别是在不同的照射位置(11)处预定不同的射束分布。
5.根据前述权利要求中任一项所述的制造装置(1)，其中，所述控制装置(19)设置用于将所述射束区域(15)的形状预定为下述形状，该形状从包括以下形状的组中被选择：旋转对称的形状、特别是三重旋转对称的或更高重旋转对称的形状、圆形形状、环形形状、环面形状或圆环形状、多边形、矩形、优选地具有倒圆的角的长形形状、线形形状、不规则形状、以及点状形状。
6.根据前述权利要求中任一项所述的制造装置(1)，其中，所述控制装置(19)设置用于将所述强度分布产生为高斯强度分布、非高斯强度分布、恒定的强度分布、非对称的强度分布或畸变的强度分布。
7.根据前述权利要求中任一项所述的制造装置(1)，其中，所述控制装置(19)设置用于根据在所述待制造的构件内、特别是在同一粉末材料层内的瞬时照射位置(11)来预定所述射束分布、特别是所述射束区域(15)的形状，以使得投射在所述工作区域(9)上的射束分布相应于预定的投射的射束分布。
8.根据前述权利要求中任一项所述的制造装置(1)，其中，所述偏转装置(13)沿所述能量束(5)的传播方向布置在所述扫描装置(7)的上游。
9.根据前述权利要求中任一项所述的制造装置(1)，其中，所述偏转装置(13)具有至少一个声光偏转器(21)、优选地两个彼此不平行地、特别是彼此垂直地定向的声光偏转器(21)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的制造装置(1)，其中，所述偏转装置(13)具有至少一个电光偏转器(21)、优选地两个彼此不平行地、特别是彼此垂直地定向的电光偏转器(21)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的制造装置(1)，其中，所述扫描装置(7)具有至少一个扫描器、特别是检流计扫描器、压电扫描器、多边形扫描器、MEMS扫描器、和/或相对于所述工作区域(9)能移位的工作头。
12.根据前述权利要求中任一项所述的制造装置(1)，其中，所述射束产生装置(3)设计为激光器。
13.根据前述权利要求中任一项所述的制造装置(1)，其中，所述制造装置(1)设置用于选择性激光烧结和/或用于选择性激光熔化。
14.一种用于在由粉末材料来增材制造构件期间改变制造装置(1)的工作区域(9)上的能量束(5)的射束分布的方法，其中，在所述工作区域(9)内将所述能量束(5)移位到多个照射位置(11)，以便借助于所述能量束(5)由布置在所述工作区域(9)中的粉末材料产生所述构件，其中，在射束区域(15)内在所述多个照射位置(11)中的至少一个照射位置(11)处将所述能量束(5)移位到多个射束位置(17)，其中，通过改变所述能量束(5)在所述射束区域(15)中的移位来改变所述射束分布。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，根据在待制造的构件内、特别是在同一粉末材料层内的瞬时照射位置(11)来改变所述射束分布、特别是所述射束区域(15)的形状，其中，特别是在不同的照射位置(11)处产生不同的射束分布。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，根据在待制造的构件内、特别是在同一粉末材料层内的瞬时照射位置(11)来改变所述射束分布、特别是所述射束区域(15)的形状，以使得投射在所述工作区域(9)上的射束分布相应于预定的投射的射束分布。
17.一种将至少一个声光偏转器(21)用于在由粉末材料来增材制造构件期间改变制造装置(1)的工作区域(9)上的能量束(5)的射束分布的应用。
18.根据权利要求17所述的应用，其中，使用两个彼此不平行地、特别是彼此垂直地定向的声光偏转器(21.1，21.2)。
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