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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Bauteilfertigung, bei dem ein pulverförmiger Werkstoff für das Bauteil entsprechend der Bauteilgeometrie schichtweise durch Bestrahlung mit Laserstrahlung aufgeschmolzen wird.
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Ein Beispiel für ein derartiges generatives Fertigungsverfahren ist das sog. selektive Laserschmelzen (SLM: Selective Laser Melting), mit dem Funktionsbauteile schichtweise hergestellt werden können. Das selektive Laserschmelzen und ähnliche generative Fertigungsverfahren bieten die Möglichkeit, Bauteile mit komplexen (internen) Geometrien herzustellen, die nicht mit konventionellen Fertigungsverfahren, wie bspw. spanenden oder gießtechnischen Verfahren, herstellbar sind.
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Das selektive Laserschmelzen gehört zu den pulverbasierten generativen Fertigungsverfahren zum schichtweisen herstellen funktionaler Bauteile im Serienwerkstoff. In einem sich wiederholenden Prozess wird eine dünne Pulverschicht von typischerweise unter 100 μm mittels eines Schiebers auf einer Substratplatte oder aufgetragen und in einem nächsten Schritt selektiv entsprechend den Geometrieinformationen aus einem 3D-CAD-Modell geschmolzen. Anschließend wird die Substratplatte um eine Schichtdicke abgesenkt und eine neue Pulverschicht darüber aufgetragen und selektiv geschmolzen. Dieser Kreislaufprozess erlaubt die Herstellung dreidimensionaler Bauteile mit geringen Einschränkungen bezüglich der konstruktiven Komplexität. Das Verdichten des Bauteils beruht beim selektiven Laserschmelzen 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.
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Beim selektiven Laserschmelzen werden in der Regel Laser eingesetzt, welche im Dauerstrich- bzw. cw-Betrieb (cw: continuous wave) arbeiten. Die Laserstrahlung wird über bewegliche Spiegel in einer Galvanometer-Scannereinheit selektiv über die zu schmelzenden Bereiche geführt. Dadurch entstehen sehr große Aufheiz- und Abkühlraten von bis zu 106 K/s, welche gegenüber konventionellen Fertigungsverfahren zur Entstehung eines deutlich veränderten Mikrogefüges mit modifizierten Materialeigenschaften beitragen. Die Laserstrahlung wird dabei auf die Bearbeitungsebene fokussiert, in der der Werkstoff aufgeschmolzen werden soll. Der dadurch in der Bearbeitungsebene erzeugte Laserfleck (Laserspot) hat eine ausreichend hohe Intensität, um den Werkstoff lokal aufzuschmelzen. Aufgrund der eingebrachten Wärmeenergie und der Wärmeleitung innerhalb des Schmelzbadvolumens ist die mit dem Laserspot aufgeschmolzene Querschnittsfläche größer als die Fläche des Laserspots selbst. Durch die Bewegung des Laserspots über die Bearbeitungsebene kann dann die jeweilige Bauteilschicht entsprechend der vorgegebenen Bauteilgeometrie aufgeschmolzen werden.
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Der hohe und kurzzeitige lokale Wärmeeintrag führt beim selektiven Laserschmelzen zum Auftreten großer thermischer Gradienten. Diese resultieren in hohen Eigenspannungen im Material, welche zum Verzug der Bauteile oder beim lokalen Überschreiten der Materialfestigkeit auch zur Entstehung von Rissen führen können. Gerade nicht schweißbare rissempfindliche Werkstoffe, wie bspw. hochwarmfeste Nickelbasis-Superlegierungen (z. B. Inconel 738, MarM-247, IN 100) können so unter Einsatz der konventionellen cw-Laserstrahlquellen in Kombination mit den Galvanometer-Scannereinheiten nicht zufriedenstellend verarbeitet werden.
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Stand der Technik
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Zur Verringerung der thermischen Gradienten und der dadurch verursachten Eigenspannungen ist es bekannt, das Pulverbett bei der Bearbeitung geeignet vorzuwärmen. Diese Vorwärmung verringert den Temperaturgradienten zwischen der Schmelzzone und um- und darunterliegenden Pulver- oder Bauteilbereichen. Die Vorwärmung kann durch eine Beheizung der Substratplatte, auf der das Bauteil aufgebaut wird, erfolgen. Durch dieses Vorgehen lassen sich thermisch induzierte Spannungen reduzieren, wie dies bspw. in D. Buchbinder et al., „Untersuchung zur Reduzierung des Verzugs durch Vorwärmung bei der Herstellung von Aluminiumbauteilen mittels SLM", in: RTejournal – Forum für Rapid Technologie (2011) 8. Aachen: 2011, beschrieben ist.
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Die
DE 10 2010 050 531 A1 beschreibt ein Verfahren zur generativen Fertigung durch selektives Laserschmelzen, bei der einerseits der Werkstoff mit einer Heizeinrichtung vorgewärmt wird und andererseits eine dem erzeugten Schmelzbad nachgelagerte Zone mittels eines zweiten Laserstrahls nachgewärmt wird, um die Temperaturgradienten bei der Abkühlung zu verringern.
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Neben dieser Vorwärmung und Nachheizung sind weitere Ansätze zur Reduzierung der thermisch induzierten Spannungen bei derartigen generativen Fertigungsverfahren bekannt. So kann die Temperaturverteilung in der Bearbeitungsebene durch unterschiedliche Scanstrategien beeinflusst werden. Unter Scanstrategie wird die Ausprägung der Verfahrbewegung des Laserstrahls auf dem zu schmelzenden Bauteilquerschnitt verstanden. So lassen sich die Temperaturgradienten durch eine Verkürzung der einzelnen Scanvektoren verringern, da auf diese Weise der zeitliche Abstand zwischen der Belichtung gegenüber liegender Punkte zweier benachbarter Scanlinien und somit die Abkühlung des zuerst belichteten Scanvektors bis zum Zeitpunkt der Belichtung des nächsten Scanvektors verringert wird. Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung von thermisch induzierten Spannungen bietet die sog. stochastische Pulsverteilung. Hierbei wird der Laserstrahl nicht mit konstanter Geschwindigkeit entlang eines Scanvektors bewegt, sondern es werden einzelne Punkte innerhalb des Vektors in zufälliger Reihenfolge durch einzelne Laserpulse belichtet. Auf diese Weise erfolgt innerhalb des Scanvektors zunächst an mehreren Punkten eine Anbindung an die vorangehend hergestellte Schicht, woran sich die Herstellung von Querverbindungen zwischen diesen Anbindungsstellen anschließt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur pulverbasierten generativen Bauteilfertigung mit Laserstrahlung anzugeben, bei dem sich thermisch induzierte Spannungen bei der Bauteilfertigung flexibel in einfacher Weise reduzieren lassen.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur generativen Bauteilfertigung wird in bekannter Weise ein pulverförmiger Werkstoff für das Bauteil entsprechend der Bauteilgeometrie schichtweise durch Bestrahlung des Werkstoffes in einer Bearbeitungsebene mit Laserstrahlung aufgeschmolzen. Für jede neu zu bearbeitende bzw. aufzuschmelzende Schicht wird die Bauteilplattform, auf der das Bauteil aufgebaut wird, um eine Schichtdicke abgesenkt und jeweils eine neue Schicht des Werkstoffes in der Bearbeitungsebene, d. h. über der bereits bearbeiteten Schicht, verteilt. Der Werkstoff wird mit einer Intensitätsverteilung der Laserstrahlung in der Bearbeitungsebene bestrahlt, durch die jeweils eine zu schmelzende Querschnittsfläche des Werkstoffes in der Bearbeitungsebene aufschmilzt, wobei die Intensitätsverteilung für die Bearbeitung der jeweiligen Schicht über die Bearbeitungsebene bewegt wird. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird die Intensitätsverteilung so erzeugt bzw. gewählt, dass sie innerhalb der von ihr in der Bearbeitungsebene eingenommenen Fläche örtlich und/oder zeitlich veränderbar ist. Hierzu weist sie in der Bearbeitungsebene mindestens einen ersten Bereich auf, in dem die Intensität so eingestellt ist, dass die unter Berücksichtigung der Ausgangstemperatur des Werkstoffes und der Bewegungsgeschwindigkeit der Intensitätsverteilung durch die Laserstrahlung im ersten Bereich in ein stationäres Werkstoffvolumen eingebrachte Energiemenge zum Erreichen und/oder Überschreiten der Schmelztemperatur des Werkstoffes ausreicht. Weiterhin weist die Intensitätsverteilung auch mehrere, d. h. mindestens zwei, außerhalb des ersten Bereiches liegende zweite Bereiche geringerer Intensität auf, die unabhängig voneinander und unabhängig vom ersten Bereich in der Intensität einstellbar sind. Die Intensität in den zweiten Bereichen genügt dabei nicht der obigen Bedingung der Intensität im ersten Bereich. Eine derartige Intensitätsverteilung nimmt in der Bearbeitungsebene eine größere Fläche als die jeweils zu schmelzende Querschnittsfläche des Werkstoffes ein. Durch diese gegenüber der bisherigen Bearbeitung mit einem Laserspot in der Fläche vergrößerte Intensitätsverteilung wird der Werkstoff in den zweiten Bereichen um die zu schmelzende Querschnittsfläche durch die in diesem Bereich gleichzeitig auftreffende Laserintensität erwärmt ohne zu schmelzen. Durch die Erwärmung umliegender oder angrenzender Bereiche werden die lokalen thermischen Gradienten und in Folge auch die thermisch induzierten Spannungen im gefertigten Bauteilmaterial verringert, so dass auch die daraus resultierenden Eigenspannungen deutlich reduziert werden. Mit dem Verfahren lassen sich dadurch Bauteile mit geringerem Verzug oder auch ohne jeglichen Verzug herstellen. Auch die Entstehungsgefahr von Rissen, insbesondere bei der Herstellung von Bauteilen aus nicht schweißbaren rissempfindlichen Werkstoffen, wird deutlich reduziert.
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Bei der bisher eingesetzten Technik können die Temperatur-Zeit-Verläufe in der Strahl-Werkstoff-Wechselwirkungszone über den Laserstrahl nur sehr begrenzt beeinflusst werden, da der Energieeintrag auf das kleine, kreisförmige Gebiet des Laserspots (Durchmesser des Strahlfokus) beschränkt ist oder im Falle der Nachwärmung mit einem zweiten Laserstrahl nicht ortsaufgelöst variiert werden kann. Durch die vorliegend gewählte größere Fläche der Intensitätsverteilung und die unabhängige örtliche und zeitliche Einstellbarkeit der Intensität in den mehreren zweiten Bereichen kann der Temperatur-Zeit-Verlauf in der Strahl-Werkstoff-Wechselwirkungszone wesentlich besser beeinflusst werden. Mit der vorliegenden Erfindung kann die Intensitätsverteilung innerhalb der von ihr in der Bearbeitungsebene eingenommenen Fläche während der Bearbeitung gezielt örtlich und/oder zeitlich variiert werden. Je höher die Anzahl der unabhängig voneinander in der Intensität einstellbaren Teilbereiche der Intensitätsverteilung gewählt wird, desto feiner kann die Intensitätsverteilung jeweils an die Bauteilgeometrie angepasst werden. Gerade die Intensitätsverteilung außerhalb des zu schmelzenden Querschnitts bzw. des ersten Bereiches kann somit gezielt zur Vorwärmung des Werkstoffes eingesetzt werden, wenn wenigstens ein zweiter Bereich in Bewegungsrichtung vor dem Bereich der Intensitätsverteilung liegt, der das Aufschmelzen des Werkstoffes bewirkt. Weiterhin kann durch die gewählte Intensitätsverteilung auch die Abkühlgeschwindigkeit des aufgeschmolzenen Materials durch zweite Bereiche der Intensitätsverteilung beeinflusst, insbesondere verzögert werden, die hintereinander und in Bewegungsrichtung hinter dem ersten Bereich der Intensitätsverteilung liegt, der das Aufschmelzen des Werkstoffes bewirkt. Die Anordnung mehrerer zweiter Bereiche hinter dem ersten Bereich ermöglicht dabei die Einstellung eines gezielten Temperatur-Zeit-Verlaufs bei der Erstarrung, durch den Erstarrungsrisse verhindert werden können. Durch die dadurch kontrollierte verzögerte Erstarrung der Schmelze kann auch das Mikrogefüge des erstarrten Werkstoffes und damit des gefertigten Bauteils gezielt beeinflusst werden.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden somit die durch die Laserbestrahlung thermisch induzierten Spannungen durch Wahl einer entsprechend größeren Fläche der Intensitätsverteilung, im Folgenden auch als Belichtungsfeld bezeichnet, in Verbindung mit einer örtlichen und zeitlichen Variabilität der Intensität innerhalb des Belichtungsfeldes verringert. Die Ausdehnung dieses Belichtungsfeldes und die örtliche Verteilung der Intensität innerhalb des Belichtungsfeldes werden in Abhängigkeit von der gewünschten Beeinflussung des örtlichen und zeitlichen Temperaturverlaufes, insbesondere in Abhängigkeit von der zu erzeugenden Bauteilgeometrie und dem eingesetzten Werkstoff gewählt. Das Belichtungsfeld kann dabei Abmessungen aufweisen, die ein Vielfaches der derzeit verwendeten Fokusdurchmesser bei der generativen Fertigung betragen. Das Belichtungsfeld kann den aufzuschmelzenden Querschnitt bzw. den ersten Bereich je nach beabsichtigtem Effekt auf allen Seiten überragen oder auch nur an einer oder mehreren Stellen. Das Belichtungsfeld ist in mehrere Teilbereiche unterteilt, für die die Intensität, insbesondere die Leistung, der eingebrachten Laserstrahlung unabhängig voneinander einstellbar ist. Dadurch kann die Intensitätsverteilung im Belichtungsfeld jederzeit gezielt an den jeweiligen Werkstoff oder die Bauteilgeometrie angepasst werden. Auch während der Bearbeitung kann dadurch die Intensitätsverteilung, bspw. in Abhängigkeit von der momentanen Bauteilgeometrie, gezielt variiert werden. Mit einer derartigen räumlich und zeitlich frei konfigurierbaren Intensitätsverteilung kann die Bauteilfertigung zur Vermeidung thermisch induzierter Spannungen optimal an die jeweilige Bauteilgeometrie und das jeweilige Bauteilmaterial angepasst werden.
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Die Intensitätsverteilung wird vorzugsweise aus mehreren getrennt in der Intensität modulierbaren Laserstrahlen erzeugt, die nebeneinander und/oder teilweise überlappend auf die Bearbeitungsebene gerichtet werden. Die Laserstrahlen können dabei mit unterschiedlichen Laserstrahlquellen erzeugt werden, so dass sie durch geeignete Lasersteuerung unabhängig voneinander in der Leistung und somit auch Intensität modulierbar sind. Es besteht auch die Möglichkeit, den Laserstrahl einer einzelnen Laserstrahlquelle in mehrere Teilstrahlen aufzuspalten, die dann entsprechend nebeneinander und/oder teilweise überlappend in die Bearbeitungsebene gerichtet werden. Für eine unabhängige Modulierbarkeit der Intensität der einzelnen Laser- bzw. Teilstrahlen können hier zusätzliche Modulationselemente im Strahlengang dieser Teilstrahlen eingesetzt werden. Die Laserstrahlen können dabei bspw. über einen oder mehrere Galvanometer-Scanner oder auch über einen Bearbeitungskopf auf die Bearbeitungsebene gerichtet werden, der mittels Linearachsen oder mittels eines Roboterarms über die Bearbeitungsebene geführt wird.
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Mit unabhängig voneinander in der Intensität oder Leistung modulierbaren Laserstrahlen lässt sich ein Belichtungsfeld bzw. eine Intensitätsverteilung in der Bearbeitungsebene erzeugen, die über die Modulation der einzelnen Laserstrahlen örtlich und zeitlich während der Bearbeitung variiert werden kann. Die Einstellung der Intensitätsverteilung innerhalb des Belichtungsfeldes erfolgt dabei jeweils in Abhängigkeit von den Eigenschaften des zu verarbeitenden Werkstoffes, insbesondere in Abhängigkeit von dessen Wärmeleitungseigenschaften sowie des zu erreichenden Mikrogefüges. Zusätzlich werden die Intensitätsverteilung und die Größe des Belichtungsfeldes vorzugsweise auch in Abhängigkeit von den Geometrieinformationen des Bauteils in der jeweiligen Bauteilschicht gewählt. Hierbei wird berücksichtigt, dass in Bereichen mit einer filigranen Bauteilstruktur geringere Wärmeleitungsverluste auftreten als in Bereichen mit einer massiven Bauteilstruktur.
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Die eine oder die mehreren Laserstrahlquellen können dabei wahlweise im Dauerstrichbetrieb, moduliert oder gepulst betrieben werden. Die Betriebsweise hängt von der Art des zu bearbeitenden Werkstoffes, den Bauteilabmessungen, den minimalen Strukturgrößen und der zu erzielenden Oberflächenqualität ab.
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Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich vor allem im Bereich aller Pulverbett-basierten generativen Fertigungsverfahren einsetzen, bspw. für das selektive Laserschmelzen oder das selektive Lasersintern. Zu den Anwendungsgebieten zählen insbesondere die Produktion von Metall-, Keramik- oder Polymerbauteilen für die Luftfahrt-, Automobil- und Energieindustrie sowie die Medizintechnik und der Werkzeugbau.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
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1 ein Beispiel für ein Belichtungsfeld und die darin gewählte Intensitätsverteilung beim vorgeschlagenen Verfahren; und
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2 ein Beispiel für eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Belichtungsfeldes gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Ein Beispiel eines bei dem Verfahren erzeugten Belichtungsfeldes beim selektiven Laserschmelzen ist in 1 dargestellt. Diese Figur zeigt eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Pulverbettes 1 in der Bearbeitungsebene, über das das bei dem Verfahren im vorliegenden Beispiel erzeugte Belichtungsfeld 2 in Pfeilrichtung bewegt wird. Die Intensitätsverteilung des in diesem Fall eingesetzten Belichtungsfeldes 2 in Bewegungsrichtung sowie senkrecht zur Bewegungsrichtung ist jeweils am Rand der Figur angedeutet.
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Lediglich im Teilbereich der hohen Intensität, in der vorliegenden Beschreibung als erster Bereich 3 bezeichnet und in der Figur gestrichelt angedeutet, wird das Pulver mit dieser Intensitätsverteilung im zu schmelzenden Querschnitt jeweils aufgeschmolzen. Die Bereiche der Intensitätsverteilung außerhalb des ersten Bereiches 3, in der vorliegenden Beschreibung als zweite Bereiche bezeichnet, dienen der Reduzierung der bei der Bearbeitung auftretenden Temperaturgradienten, der Vorwärmung (Bereich in Bewegungsrichtung vor dem zu schmelzenden Querschnittsbereich) und der Verzögerung der Abkühlung der erzeugten Schmelze (Bereich in Bewegungsrichtung hinter dem zu schmelzenden Querschnittsbereich). Die in der Figur schraffierte Fläche deutet das geschmolzene (im vorderen Bereich) bzw. bereits wieder erstarrte und dadurch verfestigte Material (im hinteren Bereich) an. Mit einer derartigen Intensitätsverteilung bzw. einem derartigen Belichtungsfeld 2 lässt sich bspw. ein metallischer Werkstoff mittels selektivem Laserschmelzen zur Herstellung eines metallischen Bauteils bearbeiten, ohne starke temperaturinduzierte Spannungsgradienten in dem Bauteil zu erzeugen.
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Das Belichtungsfeld 2 ist in diesem Beispiel als Gitterraster dargestellt. Dadurch soll verdeutlicht werden, dass jeder einzelne Teilbereich 4 des Belichtungsfeldes 2 in diesem Beispiel unabhängig von den anderen Teilbereichen in der Intensität steuerbar sein kann. Der erste Bereich 3 ist in diesem Beispiel auch in entsprechende, unabhängig voneinander in der Intensität steuerbare Teilbereiche 4 unterteilt. Die Teilbereiche 4 außerhalb des ersten Bereiches stellen die zweiten Bereiche der Intensitätsverteilung dar. Die Anzahl der in der Intensität steuerbaren Teilbereiche hängt dabei von der Anzahl der für die Erzeugung des Belichtungsfeldes genutzten, unabhängig voneinander in der Intensität oder Leistung steuerbaren Laserstrahlen ab.
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Eine mögliche technische Realisierung des Belichtungsfeldes stellt die Verwendung eines optischen Systems dar, das mehrere von gleichartigen oder unterschiedlichen Laserstrahlquellen erzeugte Laserstrahlen in ein zweidimensionales Feld aus einzelnen fokussierten Spots in der Bearbeitungsebene abbildet. 2 zeigt hierzu ein Beispiel für einen Bearbeitungskopf 5, der ein zweidimensionales Belichtungsfeld 2 aus 15 getrennten Laserstrahlen erzeugt. Die Laserstrahlen werden von entsprechenden Laserstrahlquellen, bspw. Laserdioden, über optische Fasern 6 zum Bearbeitungskopf 5 geführt, durch den die Laserstrahlen in die Bearbeitungsebene fokussiert und dort entsprechend zur Erzeugung des zweidimensionalen Belichtungsfeldes 2 aneinandergesetzt. Dieser Bearbeitungskopf 5 wird dann mittels zweier senkrecht zueinander stehender Translationsachsen über die Bearbeitungsebene bewegt, um den Werkstoff entsprechend der gewünschten Bauteilgeometrie in der jeweiligen Schicht aufzuschmelzen. Grundsätzlich kann das vorgeschlagene Belichtungsfeld 2 auch mit anderen Techniken, bspw. mittels einem oder mehreren Galvanometer-Scannern aus mehreren Laserstrahlquellen bzw. mehreren Laserstrahlen erzeugt werden. Jedem Teilbereich des Belichtungsfeldes 2 ist dabei mindestens ein Laserstrahl zugeordnet, wobei die Laserstrahlen aus einer oder aus mehreren Laserstrahlquellen stammen können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pulverbett
- 2
- Belichtungsfeld
- 3
- erster Bereich
- 4
- Teilbereich des Belichtungsfeldes
- 5
- Bearbeitungskopf
- 6
- optische Faser
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010050531 A1 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- D. Buchbinder et al., „Untersuchung zur Reduzierung des Verzugs durch Vorwärmung bei der Herstellung von Aluminiumbauteilen mittels SLM”, in: RTejournal – Forum für Rapid Technologie (2011) 8. Aachen: 2011 [0006]
