DE102007061549B4 - Verfahren zur Änderung des Strahldurchmessers eines Laserstrahls in einer Bearbeitungsebene sowie dafür ausgebildete Anordnung - Google Patents

Verfahren zur Änderung des Strahldurchmessers eines Laserstrahls in einer Bearbeitungsebene sowie dafür ausgebildete Anordnung Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Änderung eines Strahldurchmessers eines Laserstrahls in einer Bearbeitungsebene (8) bei der generativen Fertigung von Bauteilen, bei dem der zur Bearbeitung eingesetzte Laserstrahl über eine Lichtleitfaser (1, 2) zu einem optischen System (4, 7) geführt wird, mit dem der Laserstrahl über eine Fokussieroptik (7) auf die Bearbeitungsebene (8) gerichtet wird,
wobei mindestens zwei Lichtleitfasern (1, 2) mit unterschiedlichem Faserkerndurchmesser eingesetzt werden,
der zur Bearbeitung eingesetzte Laserstrahl zur Erzeugung eines ersten Strahldurchmessers in der Bearbeitungsebene (8) über eine erste der beiden Lichtleitfasern (1) geführt und bei Austritt aus der ersten Lichtleitfaser (1) mit einer ersten Kollimationsoptik (5) kollimiert wird, und
der zur Bearbeitung eingesetzte Laserstrahl zur Erzeugung eines zweiten Strahldurchmessers in der Bearbeitungsebene (8) über eine zweite der beiden Lichtleitfasern (2) geführt und bei Austritt aus der zweiten Lichtleitfaser (2) mit einer zweiten Kollimationsoptik (6) kollimiert wird, und
der Laserstrahl mit der ersten und der zweiten...

Description

  • Technisches Anwendungsgebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Änderung eines Strahldurchmessers eines Laserstrahls in einer Bearbeitungsebene, insbesondere bei der generativen Fertigung von Bauteilen, bei dem der Laserstrahl über eine Lichtleitfaser zu einem optischen System geführt wird, mit dem der zur Bearbeitung eingesetzte Laserstrahl über eine Fokussieroptik auf die Bearbeitungsebene gerichtet wird. Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung zur Bearbeitung eines Bauteils oder Werkstoffs mit einem Laserstrahl, die ein derartiges Verfahren ermöglicht.
  • Ein Hauptanwendungsgebiet der Erfindung ist die generative Fertigung von Bauteilen, auch unter den Begriffen Rapid Manufacturing oder Rapid Prototyping bekannt. Bei der generativen Fertigung werden Bauteile schichtweise durch Hinzufügen von Material aufgebaut. So wird beispielsweise bei den Verfahren des Selective Laser Sintering (SLS), des Selective Laser Melting (SLM) oder des Laser Cusing der hinzuzufügende Werkstoff in Pulverform verarbeitet. Der Pulverwerkstoff wird in einer dünnen Schicht von ca. 100 μm auf eine absenkbare Bauplattform aufgetragen. Die Pulverschicht wird anschließend selektiv verfestigt, indem mit einem Laserstrahl gemäß der Geometriedaten des herzustellenden Bauteils der Bereich der Pulverschicht abgescannt wird, der zu der entsprechenden Bauteilschicht gehört.
  • Durch die Einwirkung der Laserstrahlung schmilzt oder versintert der Pulverwerkstoff in diesem Bereich. Danach wird die Bauplattform um eine Schichtdicke abgesenkt. Anschließend wird eine neue Pulverschicht darüber aufgetragen und wiederum verfestigt. So wird Schicht für Schicht ein Bauteil aus dem Pulver aufgebaut.
  • Derartige generative Fertigungsverfahren werden beispielsweise zur schnellen Herstellung von Prototypen, Einzelteilen oder Kleinserien angewendet. Außerdem werden mit den generativen Verfahren Bauteile gefertigt, die aufgrund ihrer komplexen internen Geometrie nicht mit anderen Verfahren, beispielsweise spanenden oder gießtechnischen Verfahren, herstellbar sind. Ein Beispiel hierfür ist die Fertigung von Einsätzen für Spritzgießwerkzeuge mit internen konturnahen Kühlkanälen. Als Pulverwerkstoffe werden beispielsweise Metalle, Keramiken und Kunststoffe verwendet.
  • Stand der Technik
  • Bei dem Aufbau eines Bauteils mit einem generativen Fertigungsverfahren wird ein fokussierter Laserstrahl zeilenweise gemäß der Geometrie der aufzubauenden Schicht mit einem Scanner über die Pulverschicht geführt. Die Verfahrensparameter, insbesondere Schichtdicke, Laserleistung, Strahldurchmesser und Scan-Geschwindigkeit, werden dabei so gewählt, dass eine möglichst gute Bauteilqualität bezüglich der Oberflächenqualität, der Detailauflösung und der Dichte erreicht wird. Diese Parameter führen im Allgemeinen zu einer relativ geringen Aufbaurate.
  • Dadurch ist der Fertigungsprozess für viele Anwendungen unwirtschaftlich.
  • Zur Beschleunigung des Aufbauprozesses ist es bekannt, die so genannte Hülle-Kern-Strategie einzusetzen. Dabei wird das Bauteil virtuell in einen Hüllbereich und einen Kernbereich aufgeteilt. Der Hüllbereich umfasst das Bauteilvolumen, das sich bis zu einem bestimmten Abstand von der Oberfläche des Bauteils erstreckt. Der Kernbereich umfasst das restliche Bauteilvolumen, das sich weiter im Innern des Bauteils befindet. Beim Bauprozess wird bei jeder Schicht zunächst der Hüllbereich mit den Verfahrensparametern aufgebaut, die eine gute Bauteilqualität bezüglich der Oberflächenqualität, der Detailauflösung und der Dichte ergeben, jedoch eine geringe Aufbaurate aufweisen. Dies wird hauptsächlich durch Einstellung eines relativ kleinen Durchmessers des Laserstrahls in der Bearbeitungsebene (z. B. 100 μm) in Kombination mit einer geringen Laserleistung (z. B. 100 W) erreicht. Anschließend wird der Kernbereich der Schicht mit Verfahrensparametern aufgebaut, die eine geringere Bauteilqualität ergeben, jedoch eine hohe Aufbaurate aufweisen. Dies wird hauptsächlich durch die Einstellung eines relativ großen Durchmessers des Laserstrahls in der Bearbeitungsebene (z. B. 0,3 mm) in Kombination mit höherer Laserleistung (z. B. 200 W) erreicht. Durch Einstellung eines größeren Laserstrahldurchmessers verringert sich die Anzahl der einzelnen Bahnen, die mit dem Laserstrahl abgefahren werden müssen, um die Kernfläche zu füllen. Damit kann der Bauprozess insgesamt beschleunigt werden.
  • Die Einstellung des Strahldurchmessers in der Bearbeitungsebene erfolgt bisher üblicherweise mit einem so genannten Zoom-Objektiv. Mit diesem Objektiv kann der Durchmesser des Laserstrahls vor der Fokussierlinse, im Folgenden als Rohstrahl bezeichnet, verkleinert werden, wodurch sich eine Vergrößerung des Strahldurchmessers im Fokus ergibt. Alternativ kann mit einem geeigneten Objektiv die Divergenz des Laserstrahls verändert werden, wodurch sich die Fokuslage aus der Bearbeitungsebene heraus verschiebt. Dadurch wird ebenfalls ein größerer Strahldurchmesser in der Bearbeitungsebene erreicht. Für den Aufbauprozess gilt im Allgemeinen, dass mit größerem Strahldurchmesser in der Bearbeitungsebene zum einen die Aufbaurate zunimmt und zum anderen eine höhere Laserleistung erforderlich ist, um das Pulver vollständig zu schmelzen.
  • Ein Nachteil dieser bekannten Verfahren zur Änderung des Strahldurchmessers liegt darin, dass bei Verkleinerung des Durchmessers des Rohstrahls zur Vergrößerung des Fokusdurchmessers die maximal zulässige Intensität der optischen Komponenten, beispielsweise der Scannerspiegel, bereits bei geringerer Laserleistung erreicht wird, als dies bei unverändertem Rohstrahldurchmesser der Fall wäre. Eine Überschreitung der maximal zulässigen Intensität führt zur Zerstörung der optischen Komponenten. Daher ist entweder der minimal einstellbare Rohstrahldurchmesser – und damit der maximal einstellbare Fokusdurchmesser – oder die maximal verwendbare Laserleistung begrenzt. Eine Vergrößerung des Strahldurchmessers durch Verschiebung der Fokuslage weist den Nachteil auf, dass bei Verwendung einer Lichtleitfaser für den Transport der Laserstrahlung von der Strahlquelle zum optischen System die Intensitätsverteilung der Laserstrahlung außerhalb der Fokuslage stark von einer idealen Intensitätsverteilung im Fokus abweicht, die ein so genanntes Top Hat Profil aufweist.
  • Die DE 199 53 000 A1 zeigt ein Verfahren und eine Einrichtung zur generativen Fertigung von Körpern nach dem Hülle-Kern-Verfahren. Die Kontur des Körpers wird mit einer ersten, einen kleinen Fokus aufweisenden, Strahlungsquelle verschweißt oder versintert. Der Kern wird mit einer zweiten, einen größeren Fokus aufweisenden, Strahlungsquelle verschweißt bzw. versintert wird.
  • Aus dem technischen Gebiet der Abtragung von elektrisch leitenden Indium-Zinn-Oxid-(ITO)-Film von Substraten ist durch die JP 2003-211 279 A ein Lasersystem bekannt, mit dem der ITO-Film von unterschiedlichen Substraten, einem ITO-beschichteten Glas bzw. einem ITO-beschichteten Film, abgetragen wird. Für die unterschiedlichen Substrate sind hierzu in der Bearbeitungsebene unterschiedliche Energiedichten erforderlich. Diese werden erzeugt, in dem der Laserstrahl wahlweise in eine von zwei Lichtleitfasern eingekoppelt wird, die einen unterschiedlichen Faserkerndurchmesser aufweisen.
  • Aus dem technischen Gebiet des Laserschweißens ist durch die EP 1 714 729 A2 eine Anordnung und ein Verfahren bekannt, bei denen gepulstes Laserlicht aus zwei Laserquellen jeweils in eine Lichtleitfaser eingespeist und mit jeweils einer Kollimationsoptik zur Erzielung eines optimalen Schweißergebnisses auf unterschiedliche Strahldurchmesser kollimiert wird. Die kollimierten Laserstrahlen werden überlagert und anschließend auf einen Bearbeitungspunkt fokussiert.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Anordnung anzugeben, mit denen der Strahldurchmesser in der Bearbeitungsebene ohne die obigen Nachteile verändert werden kann.
  • Darstellung der Erfindung
  • Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Anordnung gemäß den Patentansprüchen 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Anordnung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
  • Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Änderung des Strahldurchmessers eines Laserstrahls in einer Bearbeitungsebene bei der generativen Fertigung von Bauteilen wird der zur Bearbeitung eingesetzte Laserstrahl über eine Lichtleitfaser zu einem optischen System geführt, mit dem der Laserstrahl über eine Fokussieroptik auf die Bearbeitungsebene gerichtet wird. Das optische System kann hierbei beispielsweise in einem Bearbeitungskopf untergebracht sein. Bei diesem optischen System handelt es sich vorzugsweise um ein Scannersystem mit einer geeigneten Fokussieroptik. Derartige Scannersysteme bestehen aus einem oder mehreren kipp- oder drehbaren Reflektoren, beispielsweise Scanner-Spiegeln, die mit ihrer Bewegung eine ein- oder zweidimensionale Abtastbewegung des Laserstrahls in der Bearbeitungsebene erzeugen können. Das vorgeschlagene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens zwei Lichtleitfasern mit unterschiedlichem Faserkerndurchmesser zwischen ein oder mehreren Laserquellen und dem optischen System eingesetzt werden. Der zur Bearbeitung eingesetzte Laserstrahl wird zur Erzeugung eines ersten Strahldurchmessers in der Bearbeitungsebene über eine der beiden Lichtleitfasern geführt und bei Austritt aus dieser Lichtleitfaser mit einer dieser Faser zugeordneten Kollimationsoptik auf einen Rohstrahldurchmesser kollimiert, um dann mit dem optischen System auf die Bearbeitungsebene gerichtet zu werden. Zur Änderung des Strahldurchmessers, d. h. zur Erzeugung eines zweiten Strahldurchmessers in der Bearbeitungsebene, wird der zur Bearbeitung eingesetzte Laserstrahl über die andere Lichtleitfaser geführt und bei Austritt aus dieser Lichtleitfaser mit einer dieser Faser zugeordneten Kollimationsoptik auf den gleichen Rohstrahldurchmesser kollimiert, um dann ebenfalls mit dem optischen System auf die Bearbeitungsebene gerichtet zu werden.
  • Die Änderung des Strahldurchmessers von einem ersten in einen zweiten Strahldurchmesser wird beim vorliegenden Verfahren damit dadurch gelöst, dass der Laserstrahl zur Erzeugung unterschiedlicher Strahldurchmesser in Lichtleitfasern mit unterschiedlichem Faserkerndurchmesser zum optischen System geführt wird. Zur Umschaltung zwischen den zumindest zwei Strahldurchmessern wird vorzugsweise eine eingangsseitige Umschalteinrichtung zwischen dem Laser und den Lichtleitfasern eingesetzt, über die der Laserstrahl zwischen einer Einkopplung in die eine Lichtleitfaser und einer Einkopplung in die andere Lichtleitfaser umgelenkt bzw. umgeschaltet werden kann. Bei einer derartigen Umschalteinrichtung kann es sich beispielsweise um ein klappbares oder verschiebbares Spiegelelement handeln. Auf Seite des optischen Systems ist ebenfalls ein entsprechendes Element vorgesehen, über das der aus der jeweiligen Lichtleitfaser austretende Laserstrahl nach der Kollimierung in das optische System eingekoppelt wird, so dass der Laserstrahl unabhängig von der Lichtleitfaser, auf der er zum optischen System geführt würde, stets auf dem gleichen Pfad durch das optische System geführt wird. In einer alternativen Ausgestaltung kann auch auf die eingangsseitige Umschalteinrichtung verzichtet werden, indem Laserstrahlung gleichzeitig in beide Lichtleitfasern eingekoppelt wird. Dies kann bspw. über zwei getrennte Laser oder eine Aufspaltung des Laserstrahls eines Lasers erfolgen. In dieser alternativen Ausgestaltung ist eine ausgangsseitige Umschalteinrichtung am optischen System erforderlich, mit der wahlweise der aus der einen oder der aus der anderen Lichtleitfaser austretende Laserstrahl über das optische System in die Bearbeitungsebene geführt werden kann.
  • Durch geeignete Ausbildung der Kollimationsoptiken für die unterschiedlichen Lichtleitfasern wird der kollimierte Laserstrahl für alle eingesetzten Licht leitfasern jeweils auf den gleichen Rohstrahldurchmesser gebracht. Aufgrund der unterschiedlichen Faserkerndurchmesser ergeben sich dabei für die unterschiedlichen Lichtleitfasern dennoch unterschiedliche Fokusdurchmesser in der Bearbeitungsebene, da die Kombination aus Kollimationsoptik und Fokussierlinse die Austrittsfläche der jeweiligen Lichtleitfaser in die Fokusebene und somit in die Bearbeitungsebene abbildet. Der Durchmesser des Rohstrahls kann über die Brennweite der Kollimationsoptik, bspw. eine Kollimationslinse, so groß gewählt werden, dass auch bei hoher Laserleistung von beispielsweise 1 kW die Intensität auf den optischen Komponenten des optischen Systems unterhalb der Zerstörschwelle bleibt. Dadurch können bei Einstellung eines großen Strahldurchmessers in der Bearbeitungsebene höhere Laserleistungen für die Bearbeitung verwendet werden, als dies bei Vergrößerung des Strahldurchmessers mittels Zoom-Objektiv durch Verkleinerung des Rohstrahldurchmessers möglich ist. Außerdem ergibt sich beim vorgeschlagenen Verfahren bei der Umschaltung zwischen den unterschiedlichen Strahldurchmessern keine Fokusverschiebung, so dass bei entsprechender Einstellung der Fokussierlinse oder des Abstands zur Bearbeitungsebene die Bearbeitung immer im Fokus erfolgen kann, d. h. mit einer vorteilhaften Top Hat Intensitätsverteilung. Die Strahldurchmesser lassen sich auch hierbei einfach durch Umschaltung der Laserstrahlung zwischen den Lichtleitfasern mit unterschiedlichem Faserkerndurchmesser ändern.
  • Die vorgeschlagene Anordnung zur Bearbeitung eines Bauteils oder Werkstoffs mit einem Laserstrahl weist ein optisches System mit zumindest einer Scannereinheit und einer Fokussieroptik auf, mit denen der zur Bearbeitung eingesetzte Laserstrahl in eine Bearbeitungsebene fokussierbar ist. Zwischen einer oder mehreren Laserquellen und dem optischen System sind mindestens zwei Lichtleitfasern angeordnet, über die der zur Bearbeitung eingesetzte Laserstrahl zum optischen System geführt werden kann. Am Faserausgang der Lichtleitfasern ist jeweils eine Kollimationsoptik zur Kollimierung des aus der jeweiligen Lichtleitfaser austretenden Laserstrahls angeordnet, wobei die Kollimationsoptiken jeweils so ausgebildet sind, dass der Laserstrahl für beide Lichtleitfasern auf den gleichen Durchmesser vor der Fokussieroptik eingestellt wird. Die Anordnung weist weiterhin eine Umschalteinrichtung auf, über die zwischen einer Führung des zur Bearbeitung eingesetzten Laserstrahls über eine erste der beiden Lichtleitfasern und das optische System in die Bearbeitungsebene und einer Führung des zur Bearbeitung eingesetzten Laserstrahls über eine zweite der beiden Lichtleitfasern und das optische System in die Bearbeitungsebene umgeschaltet werden kann. Die mindestens zwei Lichtleitfasern haben bei der vorgeschlagenen Anordnung einen unterschiedlichen Faserkerndurchmesser.
  • Die Umschalteinrichtung kann eine eingangsseitige Umschalteinheit an einem Fasereingang der beiden Lichtleitfasern umfassen, über die der von einem Laser emittierte Laserstrahl zwischen einer Einkopplung in die erste Lichtleitfaser und einer Einkopplung in die zweite Lichtleitfaser umgeschaltet werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Umschalteinrichtung auch eine ausgangsseitige Umschalteinheit am optischen System umfassen, mit der zwischen einer Führung des aus der ersten Lichtleitfaser austretenden Laserstrahls über das optische System in die Bearbeitungsebene und einer Führung des aus der zweiten Lichtleitfaser austretenden Laserstrahls über das optische System in die Bearbeitungsebene umschaltbar ist.
  • Vorzugsweise sind die Kollimationsoptiken jeweils so ausgebildet, dass der Laserstrahl die Fokussieroptik für beide Lichtleitfasern mit dem gleichen Rohstrahldurchmesser durchläuft.
  • Die Anordnung setzt somit ein fasergekoppeltes Lasersystem mit mindestens zwei Faserausgängen und mindestens zwei Lichtleitfasern mit unterschiedlichen Faserkerndurchmessern ein. Die Laserstrahlung wird laserseitig in eine ausgewählte Faser eingekoppelt. Am Austrittsende der Faser wird die Laserstrahlung kollimiert. Über einen beweglichen Spiegel oder ein anderes geeignetes optisches Element wird der kollimierte Strahl der ausgewählten Faser in das Scannersystem eingekoppelt. Nach dem Scannersystem wird der kollimierte Strahl mit einer Fokussieroptik, bspw. einer Linse, fokussiert. Diese Fokussieroptik könnte sich auch vor dem Scannersystem befinden oder in das Scannersystem integriert sein. Durch die Verwendung der unterschiedlichen Faserkerndurchmesser und sonst gleichen optischen Komponenten des optischen Systems ist die Fokuslage der Strahlengänge aller Fasern gleich, es ergeben sich jedoch unterschiedliche Fokusdurchmesser in der Bearbeitungsebene oder deren Umgebung.
  • Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der vorgeschlagenen Anordnung können bei laserbasierten generativen Fertigungsverfahren während des Aufbauprozesses unterschiedliche Laserstrahldurchmesser für den Hüllbereich und den Kernbereich eingestellt werden. Hierbei kann die Bearbeitung für die unterschiedlichen Strahldurchmesser im Fokus erfolgen, so dass eine Bearbeitung mit der gewünschten Top Hat Intensitätsverteilung erreicht wird. So kann beispielsweise für den Hüllbereich ein Strahldurchmesser von ca. 200 μm eingestellt werden, während für den Kernbereich der Strahldurchmesser beispielsweise auf ca. 1,2 mm vergrößert werden und gleichzeitig eine Laserstrahlleistung im Kilowattbereich verwendet werden kann. Dadurch kann die generative Fertigung von Bauteilen erheblich beschleunigt werden, beispielsweise bei Bauteilen mit massiver Geometrie, wie z. B. Formeinsätze für Spritzgießwerkzeuge. Die Faserkerndurchmesser der beiden eingesetzten Lichtleitfasern unterscheiden sich dabei vorzugsweise um mindestens den Faktor 4. Selbstverständlich können jedoch, je nach gewünschter Änderung des Strahldurchmessers, auch größere oder kleinere Abstufungen im Faserkerndurchmesser zwischen den eingesetzten Lichtleitfasern genutzt werden. Auch die Verwendung von mehr als zwei Lichtleitfasern, die sich jeweils im Faserkerndurchmesser unterscheiden, ist beim vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung selbstverständlich möglich. Weiterhin ist die Anwendung des Verfahrens und der Anordnung nicht auf das bevorzugte Anwendungsgebiet der generativen Fertigungsverfahren beschränkt. Vielmehr lässt sich diese Technik bei allen laserbasierten Verfahren einsetzen, bei denen in einer Bearbeitungs- oder Messebene zwischen unterschiedlichen Strahldurchmessern umgeschaltet werden muss.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Anordnung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des durch die Patentansprüche vorgegebenen Schutzbereichs nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
  • 1 das Prinzip des optischen Strahlengangs bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung in schematischer Darstellung;
  • 2 ein Beispiel für einen Teil des optischen Aufbaus beim vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung.
  • Wege zur Ausführung der Erfindung
  • In diesem Beispiel werden das Verfahren und die Anordnung am Beispiel eines generativen Fertigungsverfahrens mit Anwendung der Hülle-Kern-Strategie erläutert. In 1 ist schematisch das Prinzip des optischen Strahlengangs des vorgeschlagenen Verfahrens sowie der vorgeschlagenen Anordnung für den Fall von zwei Lichtleitfasern mit unterschiedlichem Faserkerndurchmesser dargestellt. Die erste Faser 1 weist hierbei den Faserkerndurchmesser D1 auf, der kleiner als der Faserkerndurchmesser D2 der zweiten Faser 2 ist. Die beiden Fasern kommen vom eingesetzten Laser, dessen emittierter Laserstrahl je nach beabsichtigtem Strahldurchmesser entweder in die erste Faser 1 oder in die zweite Faser 2 eingekoppelt wird. Die hierfür erforderliche Umschalteinrichtung für die Umschaltung der Einkopplung zwischen der ersten Faser 1 und der zweiten Faser 2 ist in der Figur nicht dargestellt. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein System mit einem beweglichen Umlenkspiegel 3 handeln, wie er im Nachfolgenden für die Einkopplung der Laserstrahlung in das Scannersystem des optischen Systems beschrieben wird.
  • Für die Bearbeitung der Hülle jeder Schicht wird die Laserstrahlung am Laser in die erste Faser 1 eingekoppelt. Am Austrittsende dieser Faser 1 wird die austretende Laserstrahlung in der Kollimationsoptik 5 mit der Brennweite fK1 kollimiert. Ein beweglicher Umlenkspiegel 3 wird so positioniert, dass die kollimierte Laserstrahlung der Faser 1 in den Scanner 4 geführt wird. Am Austritt aus dem Scanner 4 wird die Strahlung mit einer Fokussierlinse 7 der Brennweite f auf die Bearbeitungsebene 8 fokussiert. Durch Verwendung der ersten Faser 1 mit dem Faserkerndurchmesser D1 ergibt sich der Fokusdurchmesser dF1 = (f·D1)/fK1 in der Bearbeitungsebene 8.
  • Zur Bearbeitung des Kerns jeder Schicht wird am Laser die Laserstrahlung in die zweite Faser 2 mit dem größeren Faserkerndurchmesser D2 eingekoppelt. Gleichzeitig wird der bewegliche Umlenkspiegel 3 aus dem Strahlengang entfernt. Die zweite Faser 2 ist so angeordnet, dass die mittels der Kollimationsoptik 6 mit der Brennweite fK2 kollimierte Laserstrahlung in den Scanner 4 geführt wird. Der Fokusdurchmesser beträgt mit dieser Einstellung dF2 = (f·D2)/fK2. Daraus ergibt sich, dass das Verhältnis der Fokusdurchmesser für den Hüll- und Kernbereich gegeben ist durch: dF2/dF1 = (D2·fK1)/(D1·fK2);und falls fK1 = fK2 durch: dF2/dF1 = D2/D1.
  • Damit lassen sich durch Nutzung der beiden Fasern 1, 2 mit unterschiedlichem Faserkerndurchmesser D1, D2 durch einfaches Umschalten zwischen den beiden Fasern unterschiedliche Strahldurchmesser in der Bearbeitungsebene einstellen. Da für beide Lichtleitfasern der gleiche Strahlengang im Scanner 4 und durch die Fokussierlinse 7 genutzt wird, ist die Fokuslage in der Bearbeitungsebene jeweils gleich, so dass für die unterschiedlichen Strahldurchmesser jeweils eine Top Hat Intensitätsverteilung erreicht werden kann. Durch Einstellung annähernd gleicher Durchmesser der kollimierten Laserstrahlen nach dem Austritt aus den Fasern können deutlich höhere Laserleistungen für die Erzeugung des größeren Strahldurchmessers in der Bearbeitungsebene eingesetzt werden, als dies mit den eingangs genannten Verfahren des Standes der Technik bei Nutzung von Zoom-Objektiven der Fall ist.
  • 2 zeigt schließlich ein Beispiel für einen Aufbau zur Einkopplung der über die Lichtleitfasern eintreffenden Laserstrahlung in eine Bearbeitungskopf 11, in dem sich der Scanner und die Fokussierlinse befinden. Die beiden Lichtleitfasern 1, 2 sind hierbei am Bearbeitungskopf 11 fixiert. 2a zeigt einen Zustand, bei dem die Laserstrahlung über die obere Lichtleitfaser 1 geführt wird. Über entsprechende Umlenkspiegel 10 wird diese Laserstrahlung durch die Scannereintrittsöffnung 9 in den Bearbeitungskopf eingekoppelt. Der bewegliche Umlenkspiegel 3 ist hierbei aus dem Strahlengang entfernt.
  • 2b zeigt einen Zustand, bei dem auf die untere Lichtleitfaser 2 umgeschaltet wurde. In diesem Falle wird der Umlenkspiegel 3 in den Strahlengang eingebracht, um die aus dieser Faser 2 austretende und kollimierte Laserstrahlung auch hier in die Scannereintrittsöffnung 9 des Bearbeitungskopfes einzukoppeln. Die Kollimationsoptiken sind hierbei jeweils am Austritt der beiden Lichtleitfasern angeordnet und in den Figuren nur andeutungsweise zu erkennen.
    • 1
    Erste Lichtleitfaser
    2
    Zweite Lichtleitfaser
    3
    Beweglicher Umlenkspiegel
    4
    Scanner
    5
    Erste Kollimationsoptik
    6
    Zweite Kollimationsoptik
    7
    Fokussierlinse
    8
    Bearbeitungsebene
    9
    Scannereintrittsöffnung
    10
    Umlenkspiegel
    11
    Bearbeitungskopf

Claims (8)

  1. Verfahren zur Änderung eines Strahldurchmessers eines Laserstrahls in einer Bearbeitungsebene (8) bei der generativen Fertigung von Bauteilen, bei dem der zur Bearbeitung eingesetzte Laserstrahl über eine Lichtleitfaser (1, 2) zu einem optischen System (4, 7) geführt wird, mit dem der Laserstrahl über eine Fokussieroptik (7) auf die Bearbeitungsebene (8) gerichtet wird, wobei mindestens zwei Lichtleitfasern (1, 2) mit unterschiedlichem Faserkerndurchmesser eingesetzt werden, der zur Bearbeitung eingesetzte Laserstrahl zur Erzeugung eines ersten Strahldurchmessers in der Bearbeitungsebene (8) über eine erste der beiden Lichtleitfasern (1) geführt und bei Austritt aus der ersten Lichtleitfaser (1) mit einer ersten Kollimationsoptik (5) kollimiert wird, und der zur Bearbeitung eingesetzte Laserstrahl zur Erzeugung eines zweiten Strahldurchmessers in der Bearbeitungsebene (8) über eine zweite der beiden Lichtleitfasern (2) geführt und bei Austritt aus der zweiten Lichtleitfaser (2) mit einer zweiten Kollimationsoptik (6) kollimiert wird, und der Laserstrahl mit der ersten und der zweiten Kollimationsoptik (5, 6) jeweils auf den gleichen Durchmesser vor der Fokussieroptik (7) kollimiert und mit der Fokussieroptik (7) in die Bearbeitungsebene (8) fokussiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (4, 7) mindestens ein Scannerelement (4) umfasst, mit dem die kollimierte Laserstrahlung auf die Bearbeitungsebene (8) gerichtet wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserkerndurchmesser der beiden Lichtleitfasern (1, 2) so gewählt werden, dass sich die beiden Strahldurchmesser in der Bearbeitungsebene (8) um mindestens einen Faktor 4 unterscheiden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschalteinrichtung eingesetzt wird, mit der der Laserstrahl zur Änderung des Strahldurchmessers zwischen einer Einkopplung in die erste Lichtleitfaser (1) und einer Einkopplung in die zweite Lichtleitfaser (2) umgeschaltet wird.
  5. Anordnung zur Bearbeitung eines Bauteils oder Werkstoffs mit einem Laserstrahl, die – ein optisches System (4, 7) mit zumindest einer Scannereinheit (4) und einer Fokussieroptik (7), mit denen der zur Bearbeitung eingesetzte Laserstrahl in eine Bearbeitungsebene (8) fokussierbar ist, – mindestens zwei Lichtleitfasern (1, 2), über die der zur Bearbeitung eingesetzte Laserstrahl zum optischen System (4, 7) geführt wird, und – eine Umschalteinrichtung aufweist, über die zwischen einer Führung des zur Bearbeitung eingesetzten Laserstrahls über eine erste der beiden Lichtleitfasern (1) und das optische System (4, 7) in die Bearbeitungsebene (8) und einer Führung des zur Bearbeitung eingesetzten Laserstrahls über eine zweite der beiden Lichtleitfasern (2) und das optische System (4, 7) in die Bearbeitungsebene (8) umgeschaltet werden kann, wobei die zwei Lichtleitfasern (1, 2) einen unterschiedlichen Faserkerndurchmesser aufweisen und an einem Faserausgang jeweils eine Kollimationsoptik (5, 6) zur Kollimierung des aus der Lichtleitfaser (1, 2) austretenden Laserstrahls angeordnet ist, wobei die Kollimationsoptiken (5, 6) jeweils so ausgebildet sind, dass der Laserstrahl für beide Lichtleitfasern (1, 2) auf den gleichen Durchmesser vor der Fokussieroptik (7) eingestellt wird.
  6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalteinrichtung eine eingangsseitige Umschalteinheit an einem Fasereingang der beiden Lichtleitfasern (1, 2) aufweist, über die der von einem Laser emittierte Laserstrahl zwischen einer Einkopplung in die erste Lichtleitfaser (1) und einer Einkopplung in die zweite Lichtleitfaser (2) umgeschaltet werden kann.
  7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalteinrichtung eine ausgangsseitige Umschalteinheit (3) am optischen System aufweist, mit der zwischen einer Führung des aus der ersten Lichtleitfaser (1) austretenden Laserstrahls über das optische System (4, 7) in die Bearbeitungsebene (8) und einer Führung des aus der zweiten Lichtleitfaser (2) austretenden Laserstrahls über das optische System (4, 7) in die Bearbeitungsebene (8) umschaltbar ist.
  8. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Faserkerndurchmesser der beiden Lichtleitfasern (1, 2) um mindestens einen Faktor 4 unterscheiden.
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