DE102016121547A1

DE102016121547A1 - Vorrichtung zur Beaufschlagung eines Arbeitsbereichs mit Laserstrahlung, insbesondere 3D-Druck-Vorrichtung

Info

Publication number: DE102016121547A1
Application number: DE102016121547.3A
Authority: DE
Inventors: Vitalij Lissotschenko
Original assignee: LILAS GmbH
Current assignee: LILAS GmbH
Priority date: 2016-09-20
Filing date: 2016-11-10
Publication date: 2018-03-22
Also published as: WO2018054824A1; EP3515637A1

Abstract

3D-Druck-Vorrichtung für die Herstellung eines räumlich ausgedehnten Produkts, umfassend mindestens eine Laserlichtquelle, aus der eine Laserstrahlung austreten kann, einen Arbeitsbereich, dem mit Laserstrahlung zu beaufschlagendes Ausgangsmaterial für den 3D-Druck zugeführt wird oder werden kann, wobei der Arbeitsbereich derart in der 3D-Druck-Vorrichtung angeordnet ist, dass die Laserstrahlung auf den Arbeitsbereich auftrifft, Scannmittel, die eine Relativbewegung des Arbeitsbereichs relativ zu der Laserstrahlung und/oder der Laserstrahlung relativ zu dem Arbeitsbereich ermöglichen, sowie Optikmittel zur Strahlformung der Laserstrahlung derart, dass im Betrieb der 3D-Druck-Vorrichtung in dem Arbeitsbereich mindestens eine linienförmige Intensitätsverteilung (1) entsteht, wobei die Scannmittel und/oder die Optikmittel so ausgebildet sind, dass die Relativbewegung zwischen der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung (1) und dem Arbeitsbereich in Linienlängsrichtung (2) stattfindet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine 3D-Druck-Vorrichtung für die Herstellung eines räumlich ausgedehnten Produkts, eine Vorrichtung zur Beaufschlagung eines Arbeitsbereichs mit Laserstrahlung, insbesondere eine 3D-Druck-Vorrichtung oder eine Schneidvorrichtung oder eine Beschriftungsvorrichtung, sowie ein 3D-Druck-Verfahren für die Herstellung eines räumlich ausgedehnten Produkts.
Bei herkömmlichen 3D-Druck-Vorrichtungen wird beispielsweise mittels eines Laserstrahls punktförmig ein pulverförmig zugeführtes Ausgangsmaterial mit einer derartigen Energiemenge beaufschlagt, dass ein Prozess, wie beispielsweise ein Aufschmelzen oder Sintern des Ausgangsmaterials, an dem beaufschlagen Ort initiiert wird, wobei dieser Prozess zu einer Verbindung der Körner des Ausgangsmaterials führt. Durch rasterartiges Scannen des Laserstrahls über den Arbeitsbereich wird dadurch schichtweise das herzustellende Produkt erzeugt.
Um eine hohe Auflösung des 3D-Drucks zu erreichen, werden Fokusgrößen des Laserstrahls in dem Arbeitsbereich zwischen 20 µm und 50 µm gewählt. Gleichzeitig soll der 3D-Druck schnell durchgeführt werden, so dass der punktförmige Laserstrahl mit einer großen Geschwindigkeit von beispielsweise 500 mm/s über den Arbeitsbereich geführt wird. Dies hat zur Folge, dass die Wärmeübertragungszeit an jedem einzelnen Punkt der Arbeitsfläche nur sehr klein ist. Um dem Rechnung zu tragen, werden für den 3D-Druck beispielsweise Faserlaser mit sehr hoher Leistung verwendet. Diese sind einerseits sehr teuer. Andererseits kann die hohe Laserleistung das Ausgangsmaterial teilweise verdampfen, so dass nicht immer eine gute des Oberfläche des zu fertigenden Produkts entsteht.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer 3D-Druck-Vorrichtung, die effektiver als die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen ist. Weiterhin sollen ein entsprechendes 3D-Druck-Verfahren angegeben und eine Vorrichtung geschaffen werden, die effektiv zur Beaufschlagung eines Arbeitsbereichs mit Laserstrahlung dient, insbesondere als 3D-Druck-Vorrichtung oder als Schneidvorrichtung oder als Beschriftungsvorrichtung.
Dies wird erfindungsgemäß durch eine 3D-Druck-Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und/oder den Merkmalen des Anspruchs 7 und/oder den Merkmalen des Anspruchs 12 und/oder einer Vorrichtung zur Beaufschlagung eines Arbeitsbereichs mit Laserstrahlung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 und/oder ein 3D-Druck-Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 21 gelöst. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
Gemäß Anspruch 1 umfasst die 3D-Druck-Vorrichtung:

– mindestens eine Laserlichtquelle, aus der eine Laserstrahlung austreten kann,
– einen Arbeitsbereich, dem mit Laserstrahlung zu beaufschlagendes Ausgangsmaterial für den 3D-Druck zugeführt wird oder werden kann, wobei der Arbeitsbereich derart in der 3D-Druck-Vorrichtung angeordnet ist, dass die Laserstrahlung auf den Arbeitsbereich auftrifft,
– Scannmittel, die eine Relativbewegung des Arbeitsbereichs relativ zu der Laserstrahlung und/oder der Laserstrahlung relativ zu dem Arbeitsbereich ermöglichen,
– Optikmittel zur Strahlformung der von der mindestens einen Laserlichtquelle ausgehenden Laserstrahlung derart, dass im Betrieb der 3D-Druck-Vorrichtung in dem Arbeitsbereich mindestens eine linienförmige Intensitätsverteilung entsteht, wobei die Scannmittel und/oder die Optikmittel so ausgebildet sind, dass die Relativbewegung zwischen der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung und dem Arbeitsbereich in Linienlängsrichtung der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung stattfindet.

Dabei kann die mindestens eine Laserlichtquelle als Halbleiterlaser, insbesondere als Laserdiodenbarren, ausgebildet sein, wobei die Linienlängsrichtung der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung der Slow-Axis und die Linienquerrichtung der Fast-Axis entspricht. In Linienquerrichtung kann mit einfachen Mitteln eine kleine Breite der Intensitätsverteilung erreicht werden, weil die Laserstrahlung in Fast-Axis-Richtung in bekannter Weise sehr gut fokussierbar ist. Beispielsweise sind die für 3D-Druck-Verfahren üblichen Abmessungen von 20 µm bis 50 µm in Linienquerrichtung problemlos erreichbar. Im Unterschied zum Stand der Technik wird jedoch durch die Bewegung in Linienlängsrichtung die Wärmeübertragungszeit deutlich erhöht, weil die linienförmige Intensitätsverteilung in Linienlängsrichtung eine deutlich größere Ausdehnung als in Linienquerrichtung aufweisen kann. Dadurch kann mit weniger leistungsstarken Laserlichtquellen gearbeitet werden. Ein entsprechender Halbleiterlaser, beispielsweise ein entsprechender Laserdiodenbarren, ist vergleichsweise kostengünstig. Weiterhin wird durch die geringere Laserleistung auch ein unerwünschtes Verdampfen des Ausgangsmaterials vermieden.
Durch die vergleichbar große Länge der linienförmigen Intensitätsverteilung kann auch ein Vorheizen oder ein nachträgliches Tempern beziehungsweise Annealen erreicht werden. Dazu kann die linienförmige Intensitätsverteilung in Linienlängsrichtung strukturiert sein.
Es kann vorgesehen sein, dass die 3D-Druck-Vorrichtung mehr als eine Laserlichtquelle umfasst. Beispielsweise können dabei die Laserlichtquellen und/oder die Optikmittel so ausgebildet sein, dass im Betrieb der 3D-Druck-Vorrichtung in der Arbeitsebene mehrere linienförmige Intensitätsverteilungen entstehen, die insbesondere parallel zueinander und in Linienquerrichtung beabstandet zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise kann an mehreren in Linienquerrichtung zueinander beabstandeten Orten gleichzeitig ein 3D-Druck-Prozess durchgeführt werden.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass nach einer Bewegung in Linienlängsrichtung eine in Linienquerrichtung versetzte Bewegung in Linienlängsrichtung erfolgt, um benachbarte Bereich mit Laserstrahlung zu beaufschlagen, wobei insbesondere während der Versetzung in Linienquerrichtung die Laserstrahlung nicht in den Arbeitsbereich gelangt. Auf diese Weise lässt sich in vergleichsweise kurzer Zeit eine Schicht des zu fertigenden Produkts erstellen.
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, dass die Laserstrahlungen mehrerer Laserlichtquellen zu der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung überlagert werden, beispielsweise durch Polarisationskoppelmittel und/oder Wellenlängenkoppelmittel. Auf diese Weise kann die Intensität der einzelnen linienförmigen Intensitätsverteilung erhöht werden. Auch eine Strukturierung der linienförmigen Intensitätsverteilung in Linienlängsrichtung lässt sich durch eine geeignete Überlagerung erzielen.
Gemäß Anspruch 7 umfasst die 3D-Druck-Vorrichtung:

– mehrere Laserlichtquellen, aus denen jeweils eine Laserstrahlung austreten kann,
– einen Arbeitsbereich, dem mit Laserstrahlung zu beaufschlagendes Ausgangsmaterial für den 3D-Druck zugeführt wird oder werden kann, wobei der Arbeitsbereich derart in der 3D-Druck-Vorrichtung angeordnet ist, dass die Laserstrahlungen auf den Arbeitsbereich auftreffen,
– Scannmittel, die eine Relativbewegung des Arbeitsbereichs relativ zu den Laserstrahlungen und/oder der Laserstrahlungen relativ zu dem Arbeitsbereich ermöglichen,
– Optikmittel zur Strahlformung der von den Laserlichtquellen ausgehenden Laserstrahlungen derart, dass im Betrieb der 3D-Druck-Vorrichtung in dem Arbeitsbereich mindestens eine linienförmige Intensitätsverteilung entsteht, wobei die Laserlichtquellen und/oder die Optikmittel so ausgebildet sind, dass die Laserstrahlungen mehrerer Laserlichtquellen zu der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung überlagert werden.

Dabei kann vorgesehen sein, dass die Scannmittel und/oder die Optikmittel so ausgebildet sind, dass die Relativbewegung zwischen der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung und dem Arbeitsbereich in Linienquerrichtung der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung stattfindet. Insbesondere können auch hier die Laserlichtquellen jeweils als Halbleiterlaser, insbesondere als Laserdiodenbarren, ausgebildet sein, wobei die Linienlängsrichtung der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung der Slow-Axis und die Linienquerrichtung der Fast-Axis entspricht. Um bei der Bewegung in Linienquerrichtung eine vergleichsweise große Wärmeübertragungszeit zu gewährleisten, kann die Breite der linienförmigen Intensitätsverteilung in Linienquerrichtung vergleichsweise groß gewählt werden, beispielsweise zwischen 1 mm und 2 mm. Wenn gleichzeitig mehrere Laserlichtquellen zu der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung überlagert werden, reicht auch die übertragene Energie aus, um den 3D-Druck-Prozess durchzuführen. Vergleichbare linienförmige Intensitätsverteilungen lassen sich mit einer Mehrzahl von kostengünstigen Laserdiodenbarren erreichen.
Die vergleichsweise große Breite der linienförmigen Intensitätsverteilung in Linienquerrichtung verringert zwar die Auslösung des 3D-Drucks. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 7 kann jedoch immer dann verwendet werden, wenn gröbere oder sich wenig ändernde Strukturen erzeugt werden sollen. Wenn dann feinere Strukturen erzeugt werden sollen, kann die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 verwendet werden. Eine erfindungsgemäße 3D-Druck-Vorrichtung kann somit sowohl eine Vorrichtung nach einem nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als auch eine 3D-Druck-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13 umfassen. Je nach zu erzeugender Struktur kann dann die eine oder die andere Vorrichtung verwendet werden.
Dabei können die Vorrichtungen beispielsweise in einem gemeinsamen Gestell angebracht sein, dass relativ zu dem Arbeitsbereich bewegbar ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine linienförmige Intensitätsverteilung in Linienquerrichtung strukturiert ist, insbesondere ein Maximum am in Bewegungsrichtung vorderen Ende und einen sich daran anschließenden Bereich geringerer Intensität aufweist, der beispielsweise leicht abfallend oder plateauähnlich ist. Auf diese Weise kann nach dem 3D-Druck noch über eine gewisse Zeitspanne eine geringere Energie in das bereits verfestigte Material eingebracht werden, um es zu tempern beziehungsweise zu annealen, so dass insgesamt eine bessere Qualität des Ausgangsprodukts erreicht wird.
Gemäß Anspruch 12 umfasst die 3D-Druck-Vorrichtung:

– mindestens eine Laserlichtquelle, aus der eine Laserstrahlung austreten kann,
– einen Arbeitsbereich, dem mit Laserstrahlung zu beaufschlagendes Ausgangsmaterial für den 3D-Druck zugeführt wird oder werden kann, wobei der Arbeitsbereich derart in der 3D-Druck-Vorrichtung angeordnet ist, dass die Laserstrahlung auf den Arbeitsbereich auftrifft,
– Scannmittel, die eine Relativbewegung des Arbeitsbereichs relativ zu der Laserstrahlung und/oder der Laserstrahlung relativ zu dem Arbeitsbereich ermöglichen,
– Optikmittel zur Strahlformung der von der mindestens einen Laserlichtquelle ausgehenden Laserstrahlung derart, dass im Betrieb der 3D-Druck-Vorrichtung in dem Arbeitsbereich mindestens eine Intensitätsverteilung mit einem rechteckigen, vorzugsweise einem quadratischen, Umriss entsteht, wobei insbesondere eine Mehrzahl dieser Intensitätsverteilungen mit rechteckigem, vorzugsweise quadratischem, Umriss derart nebeneinander angeordnet sind, dass eine linienförmige Intensitätsverteilung gebildet wird, deren Linienlängsrichtung der Richtung entspricht, in der die die einzelnen Intensitätsverteilungen nebeneinander angeordnet sind.

Die quadratische Form der Fokusbereiche der Intensitätsverteilungen kann durch geeignete Strahlformung einzelner Laserstrahlen erreicht werden. Durch quadratische Fokusbereiche kann eine bessere Homogenität des mit dem 3D-Druck zu erzeugenden Produkts erzielt werden als mit kreisförmigen Fokusbereichen. Es besteht dabei durchaus die Möglichkeit, dass die quadratischen Fokusbereiche jeweils eine Seitenlänge von beispielsweise 40 µm aufweisen, so dass ein 3D-Druck mit einer Auflösung von 600 dpi erfolgen kann.
Es besteht die Möglichkeit, dass die 3D-Druck-Vorrichtungen Vorheizmittel umfassen, die insbesondere mindestens eine Laserlichtquelle aufweisen, wobei die Vorheizmittel das mit der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung zu beaufschlagende Ausgangsmaterial vorheizen können, wobei eine von der mindestens einen Laserlichtquelle zur Vorheizung erzeugte Intensitätsverteilung vorzugsweise strukturiert ist, insbesondere durch Überlagerung mehrerer, insbesondere linienförmiger, Intensitätsverteilungen.
Es kann vorgesehen sein, dass die 3D-Druck-Vorrichtung Steuermittel umfasst, die die mindestens eine Laserlichtquelle und/oder die Optikmittel und/oder die Scannmittel so steuert, dass das Ausgangsmaterial in dem Arbeitsbereich gezielt mit der Laserstrahlung beaufschlagt wird, um das gewünschte räumlich ausgedehnte Produkt zu fertigen.
Gemäß Anspruch 14 umfasst die Vorrichtung zur Beaufschlagung eines Arbeitsbereichs mit Laserstrahlung:

– mindestens zwei Laserlichtquellen, aus denen jeweils eine Laserstrahlung austreten kann,
– einen Arbeitsbereich, der derart angeordnet ist, dass die Laserstrahlungen auf den Arbeitsbereich auftreffen,
– Scannmittel, die eine Relativbewegung des Arbeitsbereichs relativ zu den Laserstrahlungen und/oder der Laserstrahlungen relativ zu dem Arbeitsbereich ermöglichen,
– Optikmittel zur Strahlformung der von den Laserlichtquellen ausgehenden Laserstrahlungen derart, dass im Betrieb der 3D-Druck-Vorrichtung in dem Arbeitsbereich mindestens zwei linienförmige Intensitätsverteilungen entstehen, wobei die Laserlichtquellen und/oder die Optikmittel so ausgebildet sind, dass die mindestens zwei linienförmigen Intensitätsverteilungen in dem Arbeitsbereich zumindest abschnittsweise überlagert sind.

Eine derartige Vorrichtung lässt sich nicht nur als 3D-Druck-Vorrichtung sondern beispielsweise auch als Schneidvorrichtung oder Beschriftungsvorrichtung verwenden.
Es besteht die Möglichkeit, dass die mindestens zwei linienförmigen Intensitätsverteilungen sich unter einem Winkel ungleich 0° und ungleich 180° schneiden, insbesondere unter einem Winkel zwischen 30° und 150°, vorzugsweise unter einem Winkel zwischen 60° und 120°, beispielsweise unter einem Winkel von 90°.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Scannmittel und/oder die Optikmittel so ausgebildet sind, dass die Relativbewegung zwischen den mindestens zwei linienförmigen Intensitätsverteilungen und dem Arbeitsbereich in Linienlängsrichtung einer der beiden Intensitätsverteilungen stattfindet. Auf diese Weise kann hinsichtlich der ersten linienförmigen Intensitätsverteilung beispielsweise ein 3D-Druck wie bei der Vorrichtung gemäß Anspruch 1 durchgeführt werden. Auch hier beträgt die Auflösung in Querrichtung der ersten linienförmigen Intensitätsverteilung beispielsweise 20 µm bis 50 µm. Gleichzeitig wird aber der eigentliche 3D-Druck-Prozess nur in dem Bereich initiiert, in dem sich die zweite linienförmige Intensitätsverteilung in Querrichtung erstreckt. Auf diese Weise findet nur im Kreuzungspunkt der eigentliche 3D-Druck-Prozess statt, so dass die Auflösung auch in Längsrichtung der ersten linienförmigen Intensitätsverteilung beispielsweise 20 µm bis 50 µm betragen kann. Die vorlaufenden und nachlaufenden Bereiche der ersten Intensitätsverteilung können vorheizen oder nachträglich tempern.
Alternativ besteht die Möglichkeit, dass die mindestens zwei linienförmigen Intensitätsverteilungen einander in Linienlängsrichtung überlagern, wobei durch Veränderung der Position der linienförmigen Intensitätsverteilungen relativ zueinander ein Intensitätsmaximum an- und/oder abgeschaltet werden kann. Es kann also lokal begrenzt die Intensität deutlich erhöht werden, wobei beispielsweise der eigentliche 3D-Druck-Prozess nur in dem Bereich initiiert wird, in dem lokal begrenzt das Intensitätsmaximum angeschaltet wird.
Bei den Vorrichtungen können die Laserlichtquellen jeweils als Halbleiterlaser, insbesondere als Laserdiodenbarren, ausgebildet sein, wobei die Linienlängsrichtung einer jeder der linienförmigen Intensitätsverteilungen der Slow-Axis und die Linienquerrichtung der Fast-Axis entspricht.
Die Vorrichtung können jeweils Vorheizmittel umfassen, die insbesondere mindestens eine Laserlichtquelle aufweisen, wobei die Vorheizmittel den mit den mindestens zwei linienförmigen Intensitätsverteilungen zu beaufschlagenden Arbeitsbereich, insbesondere das zu beaufschlagende Ausgangsmaterial, vorheizen können, wobei eine von der mindestens einen Laserlichtquelle zur Vorheizung erzeugte Intensitätsverteilung vorzugsweise strukturiert ist, insbesondere durch Überlagerung mehrerer, insbesondere linienförmiger, Intensitätsverteilungen.
Eine rasterartige Bewegung von sich kreuzenden Intensitätsverteilungen über den Arbeitsbereich kann problemlos in zwei zueinander senkrechte Richtungen, nämlich in der Längsrichtung der ersten linienförmigen Intensitätsverteilung und in der Längsrichtung der zweiten linienförmigen Intensitätsverteilung erfolgen.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Intensitätsverteilungen vorzusehen, die jeweils aus zwei oder mehreren sich kreuzenden Intensitätsverteilungen gebildet sind. Dadurch kann gegebenenfalls eine Schicht des vermittels der 3D-Druck-Vorrichtung zu erzeugenden Produkts in einer Bewegung der Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Intensitätsverteilungen über den Arbeitsbereich fertiggestellt werden.
Gemäß Anspruch 21 ist das 3D-Druck-Verfahren für die Herstellung eines räumlich ausgedehnten Produkts durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

– Von mindestens einer Laserlichtquelle wird eine Laserstrahlung erzeugt.
– Die Laserstrahlung trifft auf Optikmittel, die die Laserstrahlung so formen, dass mindestens eine linienförmige Intensitätsverteilung der Laserstrahlung geschaffen wird.
– Ausgangsmaterial für den 3D-Druck wird einem Arbeitsbereich zugeführt.
– Das dem Arbeitsbereich zugeführte Ausgangsmaterial wird mit der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung der Laserstrahlung beaufschlagt.
– Der Arbeitsbereich wird relativ zu der Laserstrahlung oder die Laserstrahlung wird relativ zu dem Arbeitsbereich bewegt, wobei die Relativbewegung zwischen der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung und dem Arbeitsbereich in Linienlängsrichtung der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung stattfindet.

Es besteht dabei die Möglichkeit, dass das zu beaufschlagende Ausgangsmaterial vorgeheizt wird, insbesondere mit mindestens einer Laserstrahlung.
In herkömmlicher Weise kann das räumlich ausgedehnte Produkt schichtweise durch mehrfaches Zuführen des Ausgangsmaterials und mehrfaches Beaufschlagen mit der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung der Laserstrahlung erzeugt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen:
1a eine schematische Darstellung einer Intensitätsverteilung einer erfindungsgemäßen 3D-Druck-Vorrichtung in einem Arbeitsbereich;
1b eine schematische Darstellung der Struktur der Intensitätsverteilung gemäß 1a, wobei der Querschnitt der Intensitätsverteilung schematisch in zwei zueinander senkrechten Richtungen angedeutet ist;
1c eine schematische Darstellung einer weiteren Intensitätsverteilung einer erfindungsgemäßen 3D-Druck-Vorrichtung in einem Arbeitsbereich, wobei der Querschnitt der Intensitätsverteilung schematisch in zwei zueinander senkrechten Richtungen angedeutet ist;
2 eine schematische Darstellung einer weiteren Intensitätsverteilung einer erfindungsgemäßen 3D-Druck-Vorrichtung in einem Arbeitsbereich;
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Intensitätsverteilung einer erfindungsgemäßen 3D-Druck-Vorrichtung in einem Arbeitsbereich;
4 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Überlagerung mehrerer Laserstrahlungen zu einer Intensitätsverteilung sowie eine schematische Darstellung der durch die Überlagerung der mehreren Laserstrahlungen entstandenen Intensitätsverteilung;
5 eine schematische Darstellung einer weiteren Intensitätsverteilung einer erfindungsgemäßen 3D-Druck-Vorrichtung in einem Arbeitsbereich;
6 eine schematische Darstellung der Struktur der Intensitätsverteilung gemäß 5, wobei der Querschnitt der Intensitätsverteilung schematisch in zwei zueinander senkrechten Richtungen angedeutet ist;
7a eine schematische Darstellung weiterer Intensitätsverteilungen einer erfindungsgemäßen 3D-Druck-Vorrichtung in einem Arbeitsbereich;
7b ein Detail der 7a;
7c eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine der Intensitätsverteilungen gemäß 7a;
8a eine schematische Darstellung weiterer Intensitätsverteilungen einer erfindungsgemäßen 3D-Druck-Vorrichtung in einem Arbeitsbereich;
8b ein Detail der 8a;
8c eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine der Intensitätsverteilungen gemäß 8a;
9a eine schematische Darstellung weiterer Intensitätsverteilungen einer erfindungsgemäßen 3D-Druck-Vorrichtung in einem Arbeitsbereich;
9b eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine der Intensitätsverteilungen gemäß 9a;
10a eine schematische Darstellung weiterer Intensitätsverteilungen einer erfindungsgemäßen 3D-Druck-Vorrichtung in einem Arbeitsbereich;
10b ein Detail der 10a;
10c eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine der Intensitätsverteilungen gemäß 10a;
11a eine schematische Darstellung weiterer Intensitätsverteilungen einer erfindungsgemäßen 3D-Druck-Vorrichtung in einem Arbeitsbereich;
11b ein Detail der 11a;
12a eine schematische Darstellung zweier weiterer Intensitätsverteilungen einer erfindungsgemäßen 3D-Druck-Vorrichtung in einem ersten Überlappungszustand, wobei der Querschnitt der Intensitätsverteilungen und der Überlagerung schematisch in einer Richtung angedeutet ist;
12b eine schematische Darstellung der beiden Intensitätsverteilungen der 3D-Druck-Vorrichtung gemäß 12a in einem zweiten Überlappungszustand, wobei der Querschnitt der Intensitätsverteilungen und der Überlagerung in einer Richtung angedeutet ist;
13a eine schematische Darstellung einer weiteren Intensitätsverteilung einer erfindungsgemäßen 3D-Druck-Vorrichtung in einem Arbeitsbereich;
13b eine schematische Andeutung des Querschnitts der Intensitätsverteilung gemäß 13a in einer Richtung;
14 eine schematische Darstellung einer weiteren Intensitätsverteilung einer erfindungsgemäßen 3D-Druck-Vorrichtung in einem Arbeitsbereich.
In den Figuren sind gleiche und funktional gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1a ist eine erste linienförmige Intensitätsverteilung 1 abgebildet, die in Linienquerrichtung eine Breite b und in Linienlängsrichtung eine Länge l aufweist. Die Breite b kann zwischen 10 µm und 100 µm, vorzugsweise zwischen 20 µm und 50 µm betragen, wohingegen die Länge l zwischen 0,5 mm und 1000 mm, vorzugsweise zwischen 1 mm und 300 mm betragen kann.
Als Laserlichtquelle für die Erzeugung der linienförmigen Intensitätsverteilung 1 kann ein Halbleiterlaser, insbesondere ein Laserdiodenbarren, verwendet werden, wobei die Linienlängsrichtung der linienförmigen Intensitätsverteilung 1 der Slow-Axis und die Linienquerrichtung der Fast-Axis entspricht. Geeignete Optikmittel zur Strahlformung des Lichts von Laserdiodenbarren sind bekannt. Beispielsweise kann eine Zylinderlinse zur Kollimierung in der Fast-Axis und ein Zylinderlinsenarray zur Kollimierung in der Slow-Axis verwendet werden.
Durch den Pfeil 2 wird angedeutet, dass die erste linienförmige Intensitätsverteilung 1 in Linienlängsrichtung relativ zu dem Arbeitsbereich bewegt wird. Im Unterschied zum Stand der Technik wird durch die Bewegung in Linienlängsrichtung die Wärmeübertragungszeit deutlich erhöht, weil die linienförmige Intensitätsverteilung 1 in Linienlängsrichtung eine deutlich größere Ausdehnung als in Linienquerrichtung aufweist.
Die Modulierung zur gezielten Fertigung in Linienlängsrichtung kann beispielsweise durch gezieltes An- und Abschalten einzelner oder sämtlicher Emitter des Laserdiodenbarrens erfolgen.
Wenn eine Bewegung der ersten linienförmigen Intensitätsverteilung 1 in Linienlängsrichtung beziehungsweise in Richtung des Pfeils 2 abgeschlossen ist, kann eine Bewegung geeigneter Scannmittel und/oder der gesamten Vorrichtung und/oder des Arbeitsbereichs in Querrichtung erfolgen. Anschließend kann mit einer neuen Bewegung in Linienlängsrichtung bei gleichzeitiger Beaufschlagung des Ausgangsmaterials mit der Laserstrahlung begonnen werden.
1b verdeutlicht eine mögliche Struktur der Intensitätsverteilung 1. Diese weist in Querrichtung beziehungsweise Fast-Axis-Richtung eine geringe Breite mit einem scharfen Maximum 1a und in Längsrichtung beziehungsweise Slow-Axis-Richtung ein Top-Hat-Profil 1b auf.
Die erste linienförmige Intensitätsverteilung 1 kann aus mehreren Laserstrahlungen zusammengesetzt sein. Insbesondere kann dadurch eine Strukturierung in Linienlängsrichtung der Intensitätsverteilung 1 erreicht werden. 1c verdeutlicht eine derartige Struktur, bei der die Intensitätsverteilung 1‘ in Linienlängsrichtung ein Maximum 1c‘ aufweist, das eine größere Intensität als das in Linienlängsrichtung vor und hinter diesem Maximum 1c‘ angeordnete Top-Hat-Profil 1b‘ aufweist. Auch dieses Intensitätsprofil 1‘ weist in Querrichtung beziehungsweise Fast-Axis-Richtung eine geringe Breite mit einem scharfen Maximum 1a‘ auf.
2 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine Mehrzahl von zueinander parallelen ersten linienförmigen Intensitätsverteilungen 1a, 1b, 1c, 1d, 1e vorgesehen ist. Wenn diese Intensitätsverteilungen 1a, 1b, 1c, 1d, 1e in Linienlängsrichtung beziehungsweise in Richtung des Pfeils 2 bewegt werden, ergibt sich wie bei der Ausführungsform gemäß 1a ein 3D-Druck-Prozess. Allerdings erfolgt dieser Prozess bei der Ausführungsform gemäß 2 in fünf benachbarten Bereichen gleichzeitig.
Es kann durchaus vorgesehen sein, mehr oder weniger zueinander parallele Intensitätsverteilungen 1a, 1b, 1c, 1d, 1e vorzusehen.
Die Intensitätsverteilungen 1a, 1b, 1c, 1d, 1e können durch eine geeignete Anzahl unterschiedlicher Laserlichtquellen erzeugt werden. Deren Laserstrahlungen können beispielsweise durch Optikmittel geformt und/oder durch Polarisationskoppelmittel und/oder Wellenlängenkoppelmittel überlagert werden.
Nach Abschluss einer Bewegung in Linienlängsrichtung beziehungsweise in Richtung des Pfeils 2 kann eine Bewegung geeigneter Scannmittel und/oder der gesamten Vorrichtung und/oder des Arbeitsbereichs in Querrichtung erfolgen. Anschließend kann mit einer neuen Bewegung in Linienlängsrichtung bei gleichzeitiger Beaufschlagung des Ausgangsmaterials mit der Laserstrahlung begonnen werden.
Die neuen Orte der Intensitätsverteilungen 1a, 1b, 1c, 1d, 1e nach der Bewegung beziehungsweise dem Versatz in Querrichtung ist beispielhaft durch die gestrichelten Intensitätsverteilungen 1a‘, 1b‘, 1c‘, 1d‘, 1e‘ und die strichpunktierten Intensitätsverteilungen 1a‘‘, 1b‘‘, 1c‘‘, 1d‘‘, 1e‘‘ angedeutet. Dabei verdeutlichen die Pfeile 3 die Bewegung beziehungsweise den Versatz in Querrichtung.
Auf diese Weise lässt sich in vergleichsweise kurzer Zeit eine Schicht des durch 3D-Druck zu erzeugenden Produkts erstellen.
3 zeigt eine linienförmige Intensitätsverteilung 4, die in Linienquerrichtung beziehungsweise in Richtung des Pfeils 5 bewegt wird. Diese linienförmige Intensitätsverteilung 4 kann eine Breite b zwischen 0,1 mm und 10 mm, vorzugsweise zwischen 1 mm und 2 mm und eine Länge l zwischen 10 mm und 10000 mm, vorzugsweise zwischen 100 mm und 5000 mm aufweisen.
In Linienquerrichtung tragen mehrere nebeneinander auftreffende Laserstrahlungen 6a, 6b, ..., 6n zu der Intensitätsverteilung 4 bei (siehe dazu 4). Dadurch kann die Intensitätsverteilung 4 In Linienquerrichtung ein strukturiertes Profil aufweisen, das beispielhaft in 4 verdeutlicht ist.
5 verdeutlicht eine Ausführungsform einer Intensitätsverteilung 7, bei der zusätzlich zu einer ersten linienförmigen Intensitätsverteilung 8 eine zweite dazu unter einem Winkel α angeordnete zweite linienförmige Intensitätsverteilung 9 vorgesehen ist. Die beiden Intensitätsverteilungen 8, 9 kreuzen einander in dem Arbeitsbereich. Der Winkel α beträgt in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel 90°, kann aber auch größer oder kleiner sein.
6 verdeutlicht eine mögliche Struktur der Intensitätsverteilung 7. Diese weist sowohl in Querrichtung beziehungsweise Fast-Axis-Richtung ein Top-Hat-Profil 7a mit einem scharfen Maximum 7b als auch in Längsrichtung beziehungsweise Slow-Axis-Richtung ein Top-Hat-Profil 7c mit einem scharfen Maximum 7d auf.
5 deutet weiterhin an, dass sich die Intensitätsverteilungen 8, 9 nicht unbedingt mittig kreuzen müssen. Vielmehr kann beispielsweise die zweite Intensitätsverteilung 9 in Längsrichtung der ersten Intensitätsverteilung 8 weiter hinten (siehe 9‘) oder weiter vorne (siehe 9‘‘) angeordnet sein.
Durch den Pfeil 2 in 5 und 6 ist angedeutet, dass eine Relativbewegung zwischen der gemeinsamen Intensitätsverteilung 7 und dem Arbeitsbereich in Längsrichtung der ersten Intensitätsverteilung 8 stattfindet. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch eine Relativbewegung zwischen der gemeinsamen Intensitätsverteilung 7 und dem Arbeitsbereich in Längsrichtung der zweiten Intensitätsverteilung 9 stattfinden.
Die Breite b₈, b₉ einer jeden der Intensitätsverteilungen 8, 9 kann wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1a bis 1c zwischen 10 µm und 100 µm, vorzugsweise zwischen 20 µm und 50 µm betragen, wohingegen die Länge zwischen 0,5 mm und 1000 mm, vorzugsweise zwischen 1 mm und 300 mm betragen kann.
Es soll an dieser Stelle erwähnt werden, dass bei Verwendung von Laserdiodenbarren zur Erzeugung der Intensitätsverteilungen 8, 9 die Querrichtungen der Intensitätsverteilungen 8, 9 den Fast-Axis-Richtungen der Laserdiodenbarren entsprechen. Dadurch weist das zu formende Laserlicht in diesen Querrichtungen Single-Mode-Feldverteilungen auf. Diese erlauben eine sehr gute Fokussierung, so dass eine hohe Auflösung bei gleichzeitig großer Tiefenschärfe erreicht werden kann.
Die 7a bis 7c verdeutlichen ein Ausführungsbeispiel einer Intensitätsverteilung 7, bei der eine Mehrzahl von zueinander gekreuzten Intensitätsverteilungen 8, 9 vorgesehen sind. Die Intensitätsverteilungen 8, 9 sind in Querrichtung der ersten Intensitätsverteilung 8 nebeneinander angeordnet, ohne dass dabei die nebeneinander angeordneten ersten Intensitätsverteilungen 8 beabstandet zueinander sind. Der Mittenabstand (Pitch) der ersten Intensitätsverteilungen 8 entspricht somit ihrer Breite b₈ (siehe dazu auch 5).
Die Pfeile 2 deuten an, dass eine Relativbewegung zwischen der gemeinsamen Intensitätsverteilung 7 und dem Arbeitsbereich in Längsrichtung der ersten Intensitätsverteilungen 8 stattfindet.
In 7a sind 16 Intensitätsverteilungen 8, 9 nebeneinander angeordnet. Es können jedoch durchaus mehr oder weniger sein.
In den Kreuzungsbereichen der Intensitätsverteilungen 8, 9 entsteht ein rechteckiger, insbesondere quadratischer Fokusbereich 10 (siehe die Detailansicht 7b), der den eigentlichen 3D-Druck-Prozess bewirkt. Die Breite b₈, b₉ einer jeden der Intensitätsverteilungen 8, 9 kann wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 zwischen 10 µm und 100 µm, vorzugsweise zwischen 20 µm und 50 µm, beispielsweise 40 µm betragen. Der quadratische Fokusbereich 10 hat dann eine Seitenlänge von 40 µm, so dass ein 3D-Druck mit einer Auflösung von 600 dpi erfolgen kann.
Es soll an dieser Stelle angemerkt werden, dass mit quadratischen Fokusbereichen 10 eine bessere Homogenität des mit dem 3D-Druck zu erzeugenden Produkts erzielt werden kann als mit einem kreisförmigen Fokusbereich.
Die die einzelnen Intensitätsverteilungen 8, 9 erzeugenden Laserstrahlen können gezielt ein- und ausgeschaltet werden, so dass dadurch auch die 3D-Druck-Pixel gezielt ausgewählt werden können. Auf diese Weise kann mit einer Bewegung der Intensitätsverteilung 7 längs der Pfeile 2 über den Arbeitsbereich eine komplette Schicht des zu erzeugenden räumlich ausgedehnte Produkts erstellt werden.
Simultan zu der Intensitätsverteilung 7 wird eine vergleichsweise ausgedehnte Intensitätsverteilung 11 über den Arbeitsbereich bewegt. Die Intensitätsverteilung 11 bewegt sich vor der Intensitätsverteilung 7 und trifft auf zu beaufschlagende Orte des Arbeitsbereichs zeitlich vor der Intensitätsverteilung 7 auf. Die Intensitätsverteilung 11 dient somit der Vorheizung des zu bearbeitenden Materials. Die Bewegungsrichtung der Intensitätsverteilung 11 wird durch den Pfeil 12 angedeutet. Die Bewegung der Intensitätsverteilung 11 erfolgt mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Bewegung der Intensitätsverteilung 7.
Die Intensitätsverteilung 11 ist in Querrichtung der ersten Intensitätsverteilungen 8 größer als die nebeneinander angeordneten ersten Intensitätsverteilungen 8, so dass sämtliche Orte, an denen durch die Fokusbereiche 10 ein 3D-Druck-Prozess bewirkt wird, von der Intensitätsverteilung 11 vorgeheizt werden.
7c deutet an, dass die zum Vorheizen verwendete Intensitätsverteilung 11 in der Richtung, die der Längsrichtung der ersten Intensitätsverteilungen 8 entspricht, strukturiert sein kann. Insbesondere kann sie am Anfang ein Maximum 13 aufweisen, an das sich ein abfallender Bereich 14 anschließen kann. Durch die Strukturierung der Intensitätsverteilung 11 kann der zeitliche Verlauf des Vorheizprozesses geeignet gesteuert werden.
Die Ausführungsform gemäß den 8a bis 8c unterscheidet sich von derjenigen gemäß 7a bis 7c dadurch, dass bei der in den 8a bis 8c abgebildeten Ausführungsform die den eigentlichen 3D-Druck bewirkende Intensitätsverteilung 7 und die zur Vorheizung dienende Intensitätsverteilung 11 einander überlappen. Insbesondere ist die Intensitätsverteilung 7 in Längsrichtung der ersten Intensitätsverteilungen 8 in der zweiten beziehungsweise hinteren Hälfte der Intensitätsverteilung 11 angeordnet (siehe 8a).
Bei der Ausführungsform gemäß den 9a und 9b überlappen die den eigentlichen 3D-Druck bewirkende Intensitätsverteilung 15 und die zur Vorheizung dienende Intensitätsverteilung 11 einander ebenfalls. Auch hier ist die den eigentlichen 3D-Druck bewirkende Intensitätsverteilung 15 in Längsrichtung der ersten Intensitätsverteilungen 8 in der zweiten beziehungsweise hinteren Hälfte der Intensitätsverteilung 11 angeordnet (siehe 9a).
Die Ausführungsform gemäß den 9a und 9b unterscheidet sich jedoch von derjenigen gemäß 8a bis 8c dadurch, dass bei der in den 9a und 9b abgebildeten Ausführungsform die den eigentlichen 3D-Druck bewirkende Intensitätsverteilung 15 nicht durch gekreuzte Intensitätsverteilungen erzeugt wird, sondern von einzelnen Laserstrahlen.
Auch bei dieser Intensitätsverteilung sind eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Fokusbereichen 10 mit quadratischem Querschnitt vorgesehen. Diese Fokusbereiche 10 können gezielt ein- und ausgeschaltet werden, so dass dadurch auch die 3D-Druck-Pixel gezielt ausgewählt werden können.
Die quadratische Form der Fokusbereiche 10 kann durch geeignete Strahlformung der einzelnen Laserstrahlen erreicht werden. Auch bei der Ausführungsform gemäß 9a und 9b können die quadratischen Fokusbereiche 10 jeweils eine Seitenlänge von 40 µm aufweisen, so dass ein 3D-Druck mit einer Auflösung von 600 dpi erfolgen kann.
Die Ausführungsform gemäß den 10a bis 10c unterscheidet sich von derjenigen gemäß 7a bis 7c dadurch, dass bei der in den 10a bis 10c abgebildeten Ausführungsform die zur Vorheizung dienende Intensitätsverteilung 11 aus einer Mehrzahl von einzelnen Intensitätsverteilungen 16 zusammen gesetzt ist.
Die die einzelnen Intensitätsverteilungen 16 generierenden Laserstrahlen können individuell ein- und ausgeschaltet werden, so dass für jedes anzusteuernde Pixel des 3D-Drucks eine gezielte Vorheizung stattfinden kann. Die einzelnen Intensitätsverteilungen 16 können von Emittern eines nicht abgebildeten Laserdiodenbarrens erzeugt werden.
Die einzelnen Intensitätsverteilungen 16 sind jeweils linienförmig ausgebildet, wobei die Linienlängsrichtungen parallel zur Bewegungsrichtung 12 der Intensitätsverteilung 11 beziehungsweise parallel zur Linienlängsrichtung der ersten Intensitätsverteilungen 8 ausgerichtet sind. Die Intensitätsverteilungen 16 sind in ihrer Querrichtung nebeneinander angeordnet, ohne dass dabei die nebeneinander angeordneten Intensitätsverteilungen 16 beabstandet zueinander sind. Der Mittenabstand (Pitch) der Intensitätsverteilungen 16 entspricht somit ebenfalls ihrer Breite.
10c deutet an, dass bei dieser Ausführungsform die einzelnen Intensitätsverteilungen 16 in der Richtung, die der Längsrichtung der ersten Intensitätsverteilungen 8 entspricht, strukturiert sein können. Insbesondere können sie jeweils am Anfang ein Maximum 13 aufweisen, an das sich ein abfallender Bereich 14 anschließen kann. Durch die Strukturierung der Intensitätsverteilungen 16 kann der zeitliche Verlauf des Vorheizprozesses geeignet gesteuert werden.
Die Ausführungsform gemäß den 11a und 11b unterscheidet sich von derjenigen gemäß 10a bis 10c lediglich dadurch, dass die Linienlängsrichtungen der einzelnen Intensitätsverteilungen 17, aus denen die zur Vorheizung dienende Intensitätsverteilung 11 zusammen gesetzt ist, senkrecht zur Bewegungsrichtung 12 der Intensitätsverteilung 11 ausgerichtet sind.
Die Intensitätsverteilungen 17 sind ebenfalls in ihrer Querrichtung beziehungsweise in Bewegungsrichtung 12 der Intensitätsverteilung 11 nebeneinander angeordnet, ohne dass dabei die nebeneinander angeordneten Intensitätsverteilungen 17 beabstandet zueinander sind. Der Mittenabstand (Pitch) der Intensitätsverteilungen 17 entspricht somit ebenfalls ihrer Breite.
Auch die die einzelnen Intensitätsverteilungen 17 generierenden Laserstrahlen können individuell ein- und ausgeschaltet werden, so dass für jedes anzusteuernde Pixel des 3D-Drucks eine gezielte Vorheizung stattfinden kann. Die einzelnen Intensitätsverteilungen 17 können ebenfalls von Emittern eines nicht abgebildeten Laserdiodenbarrens erzeugt werden.
12a zeigt zwei linienförmige Intensitätsverteilungen 18, 19 die in Längsrichtung endseitig überlagert sind. Die Überlagerung der Intensitätsverteilungen 18, 19 kann beispielsweise durch eine Wellenlängenkopplung oder eine Polarisationskopplung oder durch unterschiedliche Ausbreitungswinkel beziehungsweise Ausbreitungsrichtungen der die Intensitätsverteilungen 18, 19 erzeugenden Laserstrahlungen erreicht werden.
Die Intensitätsverteilungen 18, 19 können beispielsweise von einer Laserdiode oder einem Laserdiodenbarren erzeugt sein, wobei die Längsrichtung der Intensitätsverteilungen 18, 19 der Slow-Axis-Richtung entspricht. In 12a ist das Top-Hat-Profil 20, 21 der beiden Intensitätsverteilungen 18, 19 sowie schematisch das durch die Überlagerung entstehende länger gestreckte Top-Hat-Profil 22 angedeutet.
Der Pfeil 23 deutet an, dass die beiden Intensitätsverteilungen 18, 19 in Linienlängsrichtung der Intensitätsverteilungen 18, 19 relativ zueinander verschoben werden können. 12a zeigt einen ersten Überlagerungszustand, in dem die Flanken der Top-Hat-Profile etwa auf halber Höhe überlappen.
12b zeigt einen zweiten Überlagerungszustand, in dem die Flanken der Top-Hat-Profile etwa auf Höhe des Top-Hat-Plateaus überlappen. Durch diese stärkere Überlappung wird das durch die Überlagerung entstehende länger gestreckte Top-Hat-Profil 22‘ derart verändert, dass es mittig ein vergleichsweise scharfen Maximum 24 aufweist. Das Maximum 24 weist dabei etwa die doppelte Höhe wie das Top-Hat-Plateau auf.
Durch eine geeignete Verschiebung einer der beiden Intensitätsverteilungen 18, 19 relativ zu der anderen der beiden kann somit das Maximum 24 an- und abgeschaltet werden.
13a zeigt eine Intensitätsverteilung 25, bei der acht einzelne linienförmige Intensitätsverteilungen 26 einander mittig kreuzen, wobei die Winkel α zwischen den Längsrichtungen benachbarter linienförmiger Intensitätsverteilungen 26 gleich sind.
13b zeigt schematisch die Intensitätsverteilung längs einer der linienförmige Intensitätsverteilungen 26. Es zeigt sich, dass mittig ein vergleichsweise scharfes Intensitätsmaximum 27 entsteht, das etwa achtmal so groß wie das links und rechts daran anschließende Top-Hat-Plateau 28 ist.
14 verdeutlicht, dass anstelle von acht einzelnen, einander mittig kreuzenden linienförmigen Intensitätsverteilungen 26 auch sechs linienförmigen Intensitätsverteilungen 26 verwendet werden können. Auch andere Anzahlen sind denkbar.

Claims

3D-Druck-Vorrichtung für die Herstellung eines räumlich ausgedehnten Produkts, umfassend – mindestens eine Laserlichtquelle, aus der eine Laserstrahlung austreten kann, – einen Arbeitsbereich, dem mit Laserstrahlung zu beaufschlagendes Ausgangsmaterial für den 3D-Druck zugeführt wird oder werden kann, wobei der Arbeitsbereich derart in der 3D-Druck-Vorrichtung angeordnet ist, dass die Laserstrahlung auf den Arbeitsbereich auftrifft, – Scannmittel, die eine Relativbewegung des Arbeitsbereichs relativ zu der Laserstrahlung und/oder der Laserstrahlung relativ zu dem Arbeitsbereich ermöglichen, – Optikmittel zur Strahlformung der von der mindestens einen Laserlichtquelle ausgehenden Laserstrahlung derart, dass im Betrieb der 3D-Druck-Vorrichtung in dem Arbeitsbereich mindestens eine linienförmige Intensitätsverteilung (1) entsteht, wobei die Scannmittel und/oder die Optikmittel so ausgebildet sind, dass die Relativbewegung zwischen der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung (1) und dem Arbeitsbereich in Linienlängsrichtung (2) der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung stattfindet.
3D-Druck-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Laserlichtquelle als Halbleiterlaser, insbesondere als Laserdiodenbarren, ausgebildet ist, wobei die Linienlängsrichtung (2) der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung der Slow-Axis und die Linienquerrichtung (5) der Fast-Axis entspricht.
3D-Druck-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die 3D-Druck-Vorrichtung mehr als eine Laserlichtquelle umfasst.
3D-Druck-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquellen und/oder die Optikmittel so ausgebildet sind, dass im Betrieb der 3D-Druck-Vorrichtung in dem Arbeitsbereich mehrere linienförmige Intensitätsverteilungen (1a, 1b, 1c, 1d, 1e) entstehen, die insbesondere parallel zueinander und in Linienquerrichtung beabstandet zueinander angeordnet sind.
3D-Druck-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlungen mehrerer Laserlichtquellen zu der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung (1) überlagert werden, beispielsweise durch Polarisationskoppelmittel und/oder Wellenlängenkoppelmittel.
3D-Druck-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (b) der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung (1) in Linienquerrichtung (5) zwischen 10 µm und 100 µm, vorzugsweise zwischen 20 µm und 50 µm beträgt, und/oder dass die Länge (l) der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung (1) in Linienlängsrichtung (2) zwischen 0,5 mm und 1000 mm, vorzugsweise zwischen 1 mm und 300 mm beträgt.
3D-Druck-Vorrichtung für die Herstellung eines räumlich ausgedehnten Produkts, umfassend – mehrere Laserlichtquellen, aus denen jeweils eine Laserstrahlung austreten kann, – einen Arbeitsbereich, dem mit Laserstrahlung zu beaufschlagendes Ausgangsmaterial für den 3D-Druck zugeführt wird oder werden kann, wobei der Arbeitsbereich derart in der 3D-Druck-Vorrichtung angeordnet ist, dass die Laserstrahlungen auf den Arbeitsbereich auftreffen, – Scannmittel, die eine Relativbewegung des Arbeitsbereichs relativ zu den Laserstrahlungen und/oder der Laserstrahlungen relativ zu dem Arbeitsbereich ermöglichen, – Optikmittel zur Strahlformung der von den Laserlichtquellen ausgehenden Laserstrahlungen derart, dass im Betrieb der 3D-Druck-Vorrichtung in dem Arbeitsbereich mindestens eine linienförmige Intensitätsverteilung (4) entsteht, wobei die Laserlichtquellen und/oder die Optikmittel so ausgebildet sind, dass die Laserstrahlungen mehrerer Laserlichtquellen zu der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung (4) überlagert werden.
3D-Druck-Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Scannmittel und/oder die Optikmittel so ausgebildet sind, dass die Relativbewegung zwischen der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung (4) und dem Arbeitsbereich in Linienquerrichtung (5) der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung (4) stattfindet.
3D-Druck-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquellen jeweils als Halbleiterlaser, insbesondere als Laserdiodenbarren, ausgebildet ist, wobei die Linienlängsrichtung (2) der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung (4) der Slow-Axis und die Linienquerrichtung (5) der Fast-Axis entspricht.
3D-Druck-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine linienförmige Intensitätsverteilung (4) in Linienquerrichtung (5) strukturiert ist, insbesondere ein Maximum am in Bewegungsrichtung vorderen Ende und einen sich daran anschließenden Bereich geringerer Intensität aufweist, der beispielsweise leicht abfallend oder plateauähnlich ist.
3D-Druck-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (b) der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung (4) in Linienquerrichtung (5) zwischen 0,1 mm und 10 mm, vorzugsweise zwischen 1 mm und 2 mm beträgt, und/oder dass die Länge (l) der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung (4) in Linienlängsrichtung (2) zwischen 10 mm und 10000 mm, vorzugsweise zwischen 100 mm und 5000 mm beträgt.
3D-Druck-Vorrichtung für die Herstellung eines räumlich ausgedehnten Produkts, umfassend – mindestens eine Laserlichtquelle, aus der eine Laserstrahlung austreten kann, – einen Arbeitsbereich, dem mit Laserstrahlung zu beaufschlagendes Ausgangsmaterial für den 3D-Druck zugeführt wird oder werden kann, wobei der Arbeitsbereich derart in der 3D-Druck-Vorrichtung angeordnet ist, dass die Laserstrahlung auf den Arbeitsbereich auftrifft, – Scannmittel, die eine Relativbewegung des Arbeitsbereichs relativ zu der Laserstrahlung und/oder der Laserstrahlung relativ zu dem Arbeitsbereich ermöglichen, – Optikmittel zur Strahlformung der von der mindestens einen Laserlichtquelle ausgehenden Laserstrahlung derart, dass im Betrieb der 3D-Druck-Vorrichtung in dem Arbeitsbereich mindestens eine Intensitätsverteilung (10) mit einem rechteckigen, vorzugsweise einem quadratischen, Umriss entsteht, wobei insbesondere eine Mehrzahl dieser Intensitätsverteilungen (10) mit rechteckigem, vorzugsweise quadratischem, Umriss derart nebeneinander angeordnet sind, dass eine linienförmige Intensitätsverteilung (15) gebildet wird, deren Linienlängsrichtung der Richtung entspricht, in der die die einzelnen Intensitätsverteilungen (10) nebeneinander angeordnet sind.
3D-Druck-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die 3D-Druck-Vorrichtung Vorheizmittel umfasst, die insbesondere mindestens eine Laserlichtquelle aufweisen, wobei die Vorheizmittel das mit der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung (1, 4) zu beaufschlagende Ausgangsmaterial vorheizen können, wobei eine von der mindestens einen Laserlichtquelle zur Vorheizung erzeugte Intensitätsverteilung (11) vorzugsweise strukturiert ist, insbesondere durch Überlagerung mehrerer, insbesondere linienförmiger, Intensitätsverteilungen.
3D-Druck-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die 3D-Druck-Vorrichtung Steuermittel umfasst, die die mindestens eine Laserlichtquelle und/oder die Optikmittel und/oder die Scannmittel so steuert, dass das Ausgangsmaterial in der Arbeitsebene gezielt mit der Laserstrahlung beaufschlagt wird, um das gewünschte räumlich ausgedehnte Produkt zu fertigen.
Vorrichtung zur Beaufschlagung eines Arbeitsbereichs mit Laserstrahlung, insbesondere 3D-Druck-Vorrichtung oder Schneidvorrichtung oder Beschriftungsvorrichtung, umfassend – mindestens zwei Laserlichtquellen, aus denen jeweils eine Laserstrahlung austreten kann, – einen Arbeitsbereich, der derart angeordnet ist, dass die Laserstrahlungen auf den Arbeitsbereich auftreffen, – Scannmittel, die eine Relativbewegung des Arbeitsbereichs relativ zu den Laserstrahlungen und/oder der Laserstrahlungen relativ zu dem Arbeitsbereich ermöglichen, – Optikmittel zur Strahlformung der von den Laserlichtquellen ausgehenden Laserstrahlungen derart, dass im Betrieb der 3D-Druck-Vorrichtung in dem Arbeitsbereich mindestens zwei linienförmige Intensitätsverteilungen (8, 9, 18, 19) entstehen, wobei die Laserlichtquellen und/oder die Optikmittel so ausgebildet sind, dass die mindestens zwei linienförmigen Intensitätsverteilungen (8, 9, 18, 19) in dem Arbeitsbereich zumindest abschnittsweise überlagert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei linienförmigen Intensitätsverteilungen (8, 9, 18, 19) sich unter einem Winkel (α) ungleich 0° und ungleich 180° schneiden, insbesondere unter einem Winkel (α) zwischen 30° und 150°, vorzugsweise unter einem Winkel (α) zwischen 60° und 120°, beispielsweise unter einem Winkel (α) von 90°.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Scannmittel und/oder die Optikmittel so ausgebildet sind, dass die Relativbewegung zwischen den mindestens zwei linienförmigen Intensitätsverteilungen (8, 9, 18, 19) und dem Arbeitsbereich in Linienlängsrichtung einer der beiden Intensitätsverteilungen stattfindet.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei linienförmigen Intensitätsverteilungen (18, 19) einander in Linienlängsrichtung überlagern, wobei durch Veränderung der Position der linienförmigen Intensitätsverteilungen (18, 19) relativ zueinander ein Intensitätsmaximum (24) an- und/oder abgeschaltet werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Vorheizmittel umfasst, die insbesondere mindestens eine Laserlichtquelle aufweisen, wobei die Vorheizmittel den mit den mindestens zwei linienförmigen Intensitätsverteilungen (8, 9, 18, 19) zu beaufschlagenden Arbeitsbereich, insbesondere das zu beaufschlagende Ausgangsmaterial, vorheizen können, wobei eine von der mindestens einen Laserlichtquelle zur Vorheizung erzeugte Intensitätsverteilung (11) vorzugsweise strukturiert ist, insbesondere durch Überlagerung mehrerer, insbesondere linienförmiger, Intensitätsverteilungen (16, 17).
3D-Druck-Vorrichtung für die Herstellung eines räumlich ausgedehnten Produkts, dadurch gekennzeichnet, dass die 3D-Druck-Vorrichtung eine 3D-Druck-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder eine 3D-Druck-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14 und/oder eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19 umfasst.
3D-Druck-Verfahren für die Herstellung eines räumlich ausgedehnten Produkts, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Von mindestens einer Laserlichtquelle wird eine Laserstrahlung erzeugt. – Die Laserstrahlung trifft auf Optikmittel, die die Laserstrahlung so formen, dass mindestens eine linienförmige Intensitätsverteilung der Laserstrahlung geschaffen wird. – Ausgangsmaterial für den 3D-Druck wird einem Arbeitsbereich zugeführt. – Das dem Arbeitsbereich zugeführte Ausgangsmaterial wird mit der mindestens einen linienförmigen (1, 4, 8, 9) Intensitätsverteilung der Laserstrahlung beaufschlagt. – Der Arbeitsbereich wird relativ zu der Laserstrahlung oder die Laserstrahlung wird relativ zu dem Arbeitsbereich bewegt, wobei die Relativbewegung zwischen der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung (1, 4, 8, 9) und dem Arbeitsbereich in Linienlängsrichtung der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung (1, 4, 8, 9) stattfindet.
3D-Druck Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Bewegung in Linienlängsrichtung eine in Linienquerrichtung versetzte Bewegung in Linienlängsrichtung erfolgt, um benachbarte Bereich mit Laserstrahlung zu beaufschlagen, wobei insbesondere während der Versetzung in Linienquerrichtung die Laserstrahlung nicht in den Arbeitsbereich gelangt.
3D-Druck-Verfahren nach einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das zu beaufschlagende Ausgangsmaterial vorgeheizt wird, insbesondere mit mindestens einer Laserstrahlung.
3D-Druck-Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das räumlich ausgedehnte Produkt schichtweise durch mehrfaches Zuführen des Ausgangsmaterials und mehrfaches Beaufschlagen mit der mindestens einen linienförmigen Intensitätsverteilung (1, 4, 8, 9) der Laserstrahlung erzeugt wird.