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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Objekte, wie beispielsweise dreidimensionale (3D-)Objekte, beispielsweise in Röntgenbildgebungsvorrichtungen eingesetzte Kollimatoren, können unter Verwendung der Technologie der laserbasierten schnellen Fertigung oder sog. Laser Rapid Manufacturing (oder Freiformherstellung) hergestellt werden. Eine laserbasierte schnelle Fertigungsmethode verwendet einen Laserstrahl, um über ein Monomer zu scannen und dieses gezielt zu polymerisieren (d.h. einen flüssigen Kunststoff zu verfestigen), um schichtweise und linienweise aus einem vorbestimmten Modell eines 3D-Objektes einen Prototypen aufzubauen. Insbesondere wird der Laserstrahl auf einen Abschnitt eines Bades mit flüssigem Harz fokussiert, was die Flüssigkeit veranlasst, dort zu polymerisieren (oder sich zu verfestigen), wo der Brennpunkt des Laserstrahls die Flüssigkeit berührt (d.h. auf diese trifft). Diese Methode ermöglicht einem 3D-Objekt, das ansonsten zur Herstellung durch einen Gießprozess eine lange Zeitdauer benötigen würde, schnell erzeugt zu werden.
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Laserstrahlen werden bei der laserbasierten schnellen Fertigungstechnologie dazu verwendet, ein selektives Lasersintern/-schmelzen eines Pulvers durchzuführen. Lasersintern/-schmelzen ist ein Prozess, in dem die Temperatur eines pulverförmigen Materials durch thermische Erhitzung mit einem Laserstrahl bis auf dessen Erweichungspunkt erhöht wird, wodurch die Partikel des Pulvers veranlasst werden, in dem erhitzten Bereich miteinander zu verschmelzen.
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In dem Lasersinterungs-/-schmelzprozess trifft ein abgelenkter Laserstrahl mit einem im Wesentlichen konstanten Leistungsniveau auf ein Fertigungssystem, und eine seitliche Schicht eines Objektes wird durch wiederholtes Scannen des Laserstrahls in aufeinanderfolgenden Linien über einer Pulverschicht, bis die gesamte Schicht gescannt worden ist, gefertigt. Der Laser wird an Stellen, an denen das Pulver gesintert/aufgeschmolzen werden soll, eingeschaltet bzw. aktiviert; ansonsten ist der Laser ausgeschaltet bzw. deaktiviert. Wenn eine Schicht fertiggestellt ist, wird die Oberfläche des Fertigungssystems abgesenkt, eine weitere Pulverschicht über die vorherige, nun gesinterte/geschmolzene Schicht verteilt, und die nächste Schicht gescannt. Dieser Prozess wird wiederholt, bis das 3D-Objekt fertig ist. Die laserbasierte schnelle Fertigungstechnologie verwendet einen einzigen Laserstrahl, um Objekte herzustellen, und ist hinsichtlich der Effizienz beschränkt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ein Multistrahl-Laserscannsystem enthält einen Laser, einen Strahlteiler, eine erste Scanneinheit, eine zweite Scanneinheit und eine Steuereinheit. Der Laser wird zur Erzeugung eines anfänglichen Laserstrahls (Anfangslaserstrahls) verwendet. Der Strahlteiler wird verwendet, um den Anfangslaserstrahl in einen ersten Laserstrahl und einen zweiten Laserstrahl aufzuteilen. Die erste Scanneinheit wird zur Ablenkung des ersten Laserstrahls in einer gewünschten Richtung verwendet. Die zweite Scanneinheit wird zur Ablenkung des zweiten Laserstrahls in einer gewünschten Richtung verwendet. Die Steuereinheit ist mit der ersten und der zweiten Scanneinheit verbunden und eingerichtet, um Steuersignale zu der ersten und der zweiten Scanneinheit auszugeben, um ein Objekt herzustellen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und weitere Merkmale und Aspekte von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen überall in den Zeichnungen gleiche Teile bezeichnen, worin:
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Mehrstrahl-Laserscannsystems gemäß einer Ausführungsform bei Anwendung in einer laserbasierten schnellen Fertigungsvorrichtung.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Mehrstrahl-Laserscannsystems gemäß einer weiteren Ausführungsform gemeinsam mit einem Pulverbett für die Herstellung:
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Objektes bei der Röntgendiagnostik unter Verwendung einer herkömmlichen medizinischen Bildgebungsvorrichtung, die einen Kollimator enthält.
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4 zeigt eine schematische Darstellung des Kollimators nach 3.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Lasersinterprozesses zur Herstellung des Kollimators nach 4.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen der Erfindung betreffen ein Mehrstrahl-Laserscannsystem zur Durchführung einer schnellen Fertigung (sog. Rapid Manufacturing) von Objekten, wie beispielsweise von 3D-Objekten. Das Mehrstrahl-Laserscannsystem enthält einen Laser, einen Strahlteiler, eine erste Scanneinheit, eine zweite Scanneinheit und eine Steuereinheit. Der Laser wird verwendet, um einen anfänglichen Laserstrahl zu erzeugen. Der Strahlteiler wird verwendet, um den anfänglichen Laserstrahl in einen ersten Laserstrahl und einen zweiten Laserstrahl aufzuteilen. Die erste Scanneinheit wird verwendet, um den ersten Laserstrahl in eine gewünschte Richtung abzulenken. Die zweite Scanneinheit wird verwendet, um den zweiten Laserstrahl in eine gewünschte Richtung abzulenken. Die Steuereinheit ist mit der ersten und der zweiten Scanneinheit gekoppelt und eingerichtet, um Steuersignale zu der ersten und der zweiten Scanneinheit auszugeben, um ein Objekt herzustellen.
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Sofern sie nicht anders definiert sind, haben die hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie von einem gewöhnlichen Fachmann verstanden wird. Die Begriffe „erste“, „zweite“ und dergleichen, wie sie hierin verwendet werden, sollen keine Reihenfolge, Menge oder Wichtigkeit kennzeichnen, sondern werden eher dazu verwendet, ein Element von einem anderen zu unterscheiden. Ferner bezeichnen die Begriffe „ein“ und „eine“ keine Mengenbeschränkung, sondern bezeichnen eher die Gegenwart wenigstens eines der in Bezug genommenen Elemente, und Begriffe wie „vorne“, „hinten“, „unten“ und/oder „oben“ werden, sofern nichts anderes angegeben ist, lediglich für die Einfachheit und Zweckdienlichkeit der Beschreibung verwendet und sollen nicht auf irgendeine Position oder räumliche Anordnung bzw. Ausrichtung begrenzt sein. Außerdem sollen die Begriffe „gekoppelt“ und „verbunden“ nicht dazu bestimmt sein, zwischen einer direkten oder einer indirekten Kopplung/Verbindung zwischen zwei Komponenten zu unterscheiden. Vielmehr können derartigen Komponenten direkt oder indirekt miteinander gekoppelt/verbunden sein, sofern nichts anderes angegeben ist.
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Bezugnehmend auf 1 ist ein beispielhaftes Mehrstrahl-Laserscannsystem 20 bei Anwendung in einer laserbasierten schnellen Fertigungsvorrichtung 10 zur schnellen Fertigung von Objekten, wie beispielsweise 3D-Objekten, veranschaulicht. Das Mehrstrahl-Scannlasersystem 20 kann in jeder beliebigen mit Laser arbeitenden schnellen Fertigungsvorrichtung, wie beispielsweise einer selektiven Lasersinter-/-schmelzvorrichtung, wie in 1 veranschaulicht, verwendet werden. Allgemein kann das Mehrstrahl-Laserscannsystem 20 gleichzeitig mehrere Laserstrahlen durch den Einsatz lediglich eines einzigen Lasers ausgeben. In anderen Worten können die mehrere Laserstrahlen gleichzeitig jeweils unterschiedliche Teile eines 3D-Objektes fertigen, was die Effizienz steigern kann.
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Außer dem Mehrstrahl-Laserscannsystem 20 kann die selektive Lasersinter-/-schmelzvorrichtung 10 ferner ein Fertigungspulverbett 12 und eine Steuereinheit 14 enthalten. Das Fertigungspulverbett 12 kann ein Fertigungssystem 16 und ein Pulverzuführsystem 18 enthalten. Das Fertigungssystem 16 ist an einem Fertigungskolben 162 angeordnet. Das Pulverzuführsystem 18 enthält einen Pulverzuführkolben 182, auf dem Pulverzuführkolben 182 angeordnetes Pulver 184 und eine Rolle oder Walze 186, die verwendet wird, um durch Steuerung des Pulverzuführkolbens 182 und des Fertigungskolbens 162 in der veranschaulichten Pfeilrichtung gemäß Steuersignalen von der Steuereinheit 14 das Pulver 184 auf den Fertigungskolben 162 zu schieben. Die Steuereinheit 14 kann z.B. ein Computer oder eine Mikrosteuerungseinheit sein.
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Das Mehrstrahl-Laserscannsystem 20 enthält einen Laser 22, einen Strahlteiler 24, einen reflektierenden Spiegel 25, eine erste Scanneinheit 26 und eine zweite Scanneinheit 27. In einer Ausführungsform kann jede Scanneinheit von der ersten Scanneinheit 26 und der zweiten Scanneinheit 27 ein Paar von (nicht bezeichneten) Scannspiegeln enthalten.
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Der Laser 22 wird verwendet, um einen anfänglichen Laserstrahl oder Anfangslaserstrahl 222 gemäß einem Steuersignal von der Steuereinheit 14 zu erzeugen. Der Strahlteiler 24 wird verwendet, um den Anfangslaserstrahl 222 in einen ersten Laserstrahl 223 und einen zweiten Laserstrahl 224 aufzuteilen, wobei einer 223 durch den Strahlteiler 24 hindurchtritt, während der andere 224 durch den Strahlteiler 24 reflektiert wird. In einer Ausführungsform haben der erste und der zweite Laserstrahl 223 und 224 die gleiche Laserleistung und Strahlqualität. In anderen Ausführungsformen kann der Anfangslaserstrahl 222 in zwei Laserstrahlen mit unterschiedlicher Laserleistung oder Strahlqualität je nach Anforderungen für die Laserstrahlen aufgeteilt werden.
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Nach dem Aufteilen des Laserstrahls 222 wird der zweite Laserstrahl 224 ferner von dem reflektierenden Spiegel 25 reflektiert um sicherzustellen, dass der zweite Laserstrahl 224 die gleiche Ausbreitungsrichtung wie der erste Laserstrahl 223 aufweist. In anderen Ausführungsformen kann der zweite Laserstrahl 224 auch eine andere Ausbreitungsrichtung als der erste Laserstrahl 223 je nach Anforderungen für die Laserstrahlen aufweisen, und der reflektierende Spiegel 25 kann in einigen Ausführungsformen weggelassen werden. Anschließend breiten sich der erste Laserstrahl 223 und der parallele zweite Laserstrahl 224 jeweils zu der ersten Scanneinheit 26 bzw. der zweiten Scanneinheit 27 aus. Die erste Scanneinheit 26 wird verwendet, um den ersten Laserstrahl 223 gemäß Steuersignalen von der Steuereinheit 14 in eine gewünschte Richtung abzulenken, und die zweite Scanneinheit 27 wird verwendet, um den zweiten Laserstrahl 24 in eine gewünschte Richtung gemäß Steuersignalen von der Steuereinheit 14 abzulenken. Dadurch kann das Mehrstrahl-Laserscannsystem 20 unter Verwendung lediglich eines einzigen Lasers 22 gleichzeitig zwei Laserstrahlen 223, 224 ausgeben, was die Effizienz steigert.
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Während des nachfolgenden Fertigungsprozesses treffen die beiden Laserstrahlen 223, 224 mit einer im Wesentlichen konstanten Leistung gleichzeitig auf das Fertigungssystem 16, und es wird eine seitliche Schicht eines Objektes 19 gefertigt, indem die Laserstrahlen 223, 224 entlang aufeinanderfolgenden Linien über eine Pulverschicht gescannt bzw. geführt werden, bis die gesamte Schicht gescannt worden ist. Der Laser 22 wird an Stellen, an denen das Pulver gesintert/aufgeschmolzen werden soll, eingeschaltet bzw. aktiviert; ansonsten ist der Laser 22 ausgeschaltet bzw. deaktiviert. Wenn eine Schicht fertiggestellt ist, wird die Oberfläche des Fertigungssystems 16 abgesenkt, wonach eine weitere Pulverschicht über der vorherigen, nun gesinterten/geschmolzenen Schicht verbreitet oder verteilt wird und die nächste Schicht gescannt wird. Dieser Prozess wird wiederholt, bis das 3D-Objekt 19 fertiggestellt ist. In einigen Ausführungsformen können die Ausbreitungspfade der Laserstrahlen 223, 224 Schaltelemente enthalten, die verwendet werden, um die Ausbreitung der Laserstrahlen 223, 224 gemäß Steuersignalen von der Steuereinheit 14 ein-/auszuschalten.
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Bezugnehmend auf 2 ist ein beispielhaftes Mehrstrahl-Laserscannsystem 30 zur schnellen Fertigung von 3D-Objekten gemeinsam mit einem Fertigungspulverbett 12 veranschaulicht. Das Mehrstrahl-Laserscannsystem 30 enthält einen Laser 32, einen ersten Strahlteiler 33, einen zweiten Strahlteiler 34, einen dritten Strahlteiler 35, einen ersten reflektierenden Spiegel 36, einen zweiten reflektierenden Spiegel 37, eine erste Scanneinheit 38, eine zweite Scanneinheit 39, eine dritte Scanneinheit 40 und eine vierte Scanneinheit 41.
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In 2 wird der Laser 32 verwendet, um einen anfänglichen Laserstrahl bzw. Anfangslaserstrahl 322 zu erzeugen. Der erste Strahlteiler 33 wird verwendet, um den Anfangslaserstrahl 322 in einen ersten Laserstrahl 323 und einen zweiten Laserstrahl 324 aufzuteilen, wobei einer 323 durch den Strahlteiler 33 hindurchtritt, während der andere 324 durch den Strahlteiler 33 reflektiert wird. Andererseits wird der erste Laserstrahl 323 durch den zweiten Strahlteiler 34 ferner in einen dritten Laserstrahl 325 und einen vierten Laserstrahl 326 aufgeteilt. Der vierte Laserstrahl 326 wird ferner durch den ersten reflektierenden Spiegel 36 reflektiert, um sicherzustellen, dass der vierte Laserstrahl 326 die gleiche Ausbreitungsrichtung wie der dritte Laserstrahl 325 aufweist. Andererseits wird der zweite Laserstrahl 324 durch den dritten Strahlteiler 35 weiter in einen fünften Laserstrahl 327 und einen sechsten Laserstrahl 328 aufgeteilt. Der sechste Laserstrahl 328 wird ferner durch den zweiten reflektierenden Spiegel 37 reflektiert, um sicherzustellen, dass der sechste Laserstrahl 328 die gleiche Ausbreitungsrichtung wie der fünfte Laserstrahl 327 aufweist.
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Anschließend werden die parallelen dritten-sechsten Laserstrahlen 325, 326, 327, 328 jeweils zu der ersten-vierten Scanneinheit 38, 39, 40 bzw. 41 übertragen, bzw. sie breiten sich zu diesen aus. Die erste-vierte Scanneinheit 38, 39, 40, 41 wird dazu verwendet, den dritten-sechsten Laserstrahl 325, 326, 327, 328 jeweils in einer gewünschten Richtung gemäß Steuersignalen von der (in 2 nicht veranschaulichten) Steuereinheit 14 abzulenken. Dadurch kann das Mehrstrahl-Laserscannsystem 30 gleichzeitig vier Laserstrahlen 325, 326, 327, 328 unter Verwendung lediglich eines einzigen Lasers 32 ausgeben, was die Effizienz steigern kann. Die beiden Ausführungsformen nach 1 und 2 sind Beispiele zur Erläuterung des Prinzips des Mehrstrahl-Laserscannsystems, wobei die Anzahl der ausgegebenen Laserstrahlen auch erhöht werden kann, indem eine geeignete Anzahl von Strahlteilen, reflektierenden Spiegeln, Scanneinheiten und weiteren geeigneten optischen Elementen hinzugefügt wird.
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In einer Ausführungsform können die Mehrstrahl-Laserscannsysteme 20 und 30 als ein Beispiel einen Kollimator herstellen, der in einer medizinischen Bildgebungsvorrichtung verwendet wird. Die Situation beim Aufzeichnen eines Röntgenbildes eines Objektes 3 in der Röntgendiagnostik ist schematisch mit Hilfe von 3 dargestellt. Das Objekt 3 liegt zwischen dem Röhrenbrennpunkt 1 einer Röntgenröhre, die als eine näherungsweise punktförmige Röntgenquelle angesehen werden kann, und einer Detektorfläche 7. Die von dem Brennpunkt 1 der Röntgenquelle emittierten Röntgenstrahlen 2 breiten sich auf einer geraden Linie in Richtung des Röntgendetektors 7 aus, und dabei durchdringen sie das Objekt 3. Die auf die Detektoroberfläche 7 auftreffenden Primärstrahlen 2a, die auf einer geraden Linie beginnend von dem Röntgenbrennpunkt 3 durch das Objekt 3 hindurchtreten, bewirken auf der Detektoroberfläche 7 eine positionsabhängig aufgelöste Abschwächungswerteverteilung für das Objekt 3. Einige der von dem Röntgenbrennpunkt 1 emittierten Röntgenstrahlen 2 werden in dem Objekt 3 gestreut. Die Streustrahlen 2b, die in diesem Fall erzeugt werden, tragen nicht zu der gewünschten Bildinformation bei, und wenn diese auf den Detektor 7 auftreffen, beeinträchtigen sie deutlich das Signal-Rausch-Verhältnis. Um die Bildqualität zu verbessern, wird folglich ein Kollimator (oder eine Kollimatoranordnung oder ein 2D-Kollimator) 4 vor dem Detektor 7 angeordnet.
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Unter Bezugnahme auf 4 enthält der Kollimator 4 Transmissions- oder Durchlasskanäle 5 und Absorptionsbereiche 6, die eine Raster- oder Gitteranordnung bilden. Die Durchlasskanäle 5 sind in der Richtung des Röhrenbrennpunkts 1 ausgerichtet, so dass sie der eintreffenden Primärstrahlung 2a auf einem geradlinigen Weg ermöglichen, auf die Detektoroberfläche aufzutreten. Strahlen, die nicht in dieser Richtung einfallen, insbesondere die Streustrahlen 2b, werden durch die Absorptionsbereiche 6 blockiert oder deutlich abgeschwächt. Gemäß der obigen Offenbarung kann das Mehrstrahl-Laserscannsystem (20, 30) in einer laserbasierten schnellen Fertigungstechnologie dazu verwendet werden, den Kollimator mit einer höheren Effizienz zu fertigen.
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Bezugnehmend auf 5 ist eine schematische Darstellung eines Lasersinterprozesses zur Fertigung des Kollimators 4 nach 4 veranschaulicht. Darin werden Teilchen eines strahlungsabsorbierenden Materials zur Fertigung des Kollimators 4 auf einem Fertigungskolben 162 platziert. Der Fertigungskolben 162 ist in einem Fertigungspulverbett 12 positioniert und kann in der y-Richtung bewegt werden. Unter Verwendung des Mehrstrahl-Laserscannsystems 30 werden die gesonderten dritten-sechsten Laserstrahlen 325, 326, 327, 328 in einer derart kontrollierten Weise erzeugt, dass die Orte der Brennpunkte der dritten-sechsten Laserstrahlen 325, 326, 327, 328 in der x-Richtung und der z-Richtung über die Oberfläche des Substrats gemäß einem 3D-Kollimatormodell 13 geführt bzw. gescannt werden, das in einer Steuereinheit 14 gespeichert ist, die sowohl mit dem Mehrstrahl-Laserscannsystem 30 als auch mit dem Fertigungspulverbett 12 verbunden ist. Nach dem Anreißen einer ersten Schicht 15 von gesinterten Teilchen wird der Fertigungskolben 162 angesteuert, um abwärts bewegt zu werden, wobei die Teilchen erneut gleichmäßig über der Oberfläche der bereits existierenden gesinterten Struktur verteilt werden können und eine zweite Schicht 17 von gesinterten Teilchen unter Verwendung des dritten-sechsten Laserstrahls 325, 326, 327, 328 erzeugt werden kann. Demgemäß kann das in der Steuereinheit 14 gespeicherte 3D-Kollimatormodell 13 durch Sintern von Teilchen Schicht um Schicht aufgrund der gleichzeitigen Verwendung von vier Laserstrahlen mit sehr hoher Geschwindigkeit reproduziert werden. Außerdem werden die vier Laserstrahlen von lediglich einem einzigen Laser und nicht von vier Lasern aus erzeugt, was auch Kosten einsparen kann.
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Der vorstehend erwähnte Kollimator (oder auch als Gitter bezeichnet) 4 stellt lediglich ein Beispiel zur Erläuterung dessen dar, was das Mehrstrahl-Laserscannsystem 20, 30 geeignet und genau herstellen kann, und er soll die Nutzbarkeit des Mehrstrahl-Laserscannsystems 20, 30 nicht beschränken. Z.B. kann das Mehrstrahl-Laserscannsystem 20, 30 auch großvolumige 3D-Objekte mit hoher geometrischer Genauigkeit, insbesondere für großvolumige 3D-Objekte mit kleinen Merkmalen, herstellen. Durch Anwendung des Mehrstrahl-Laserdruckprozesses deckt jeder Laserstrahl einen kleinen Scannbereich (wie beispielsweise eine Mitte oder eine Ecke) ab, so dass für den gesamten Scannbereich eine höhere und konsistentere Auflösung leicht und mit höherer Genauigkeit erreicht werden kann. Außerdem kann der Mehrstrahl-Laserdruckprozess das Problem der Strahlschwebung oder -gleitung der Einzel-Laserstrahltechnologie für einen großen Scannbereich lösen. Das Strahlschwebeproblem betrifft die Repositioniergenauigkeit des Scannsystems, die gewöhnlich für größere Scannbereiche gravierender ist. So kann durch Anwendung des Mehrstrahl-Laserscannverfahrens das Strahlschwebeproblem vermindert werden.
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Während beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung hierin beschrieben worden sind, wird von Fachleuten auf dem Gebiet verstanden, dass verschiedene Veränderungen vorgenommen werden können und Elemente durch ihre Äquivalente ersetzt werden können, ohne dass von dem Umfang der Erfindung abgewichen wird. Außerdem können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Umfang abzuweichen. Folglich besteht die Absicht, dass die Erfindung nicht auf die speziellen Ausführungsformen beschränkt sein soll, die als die zur Ausführung dieser Erfindung als beste erachtete Ausführungsart offenbart sind, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umfasst, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
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Ein Mehrstrahl-Laserscannsystem enthält einen Laser, einen Strahlteiler, eine erste Scanneinheit, eine zweite Scanneinheit und eine Steuereinheit. Der Laser wird zur Erzeugung eines anfänglichen Laserstrahls verwendet. Der Strahlteiler wird zur Aufteilung des anfänglichen Laserstrahls in einen ersten Laserstrahl und einen zweiten Laserstrahl verwendet. Die erste Scanneinheit wird zur Ablenkung des ersten Laserstrahls in eine gewünschte Richtung verwendet. Die zweite Scanneinheit wird zur Ablenkung des zweiten Laserstrahls in eine gewünschte Richtung verwendet. Die Steuereinheit ist mit der ersten und der zweiten Scanneinheit gekoppelt und eingerichtet, um Steuersignale zu der ersten und der zweiten Scanneinheit auszugeben, um ein Objekt herzustellen.
