DE102016222068A1

DE102016222068A1 - Vorrichtung und Verfahren zur generativen Bauteilfertigung mit mehreren räumlich getrennten Strahlführungen

Info

Publication number: DE102016222068A1
Application number: DE102016222068.3A
Authority: DE
Inventors: Reinhart Poprawe; Florian Eibl; Wilhelm Meiners; Lucas Jauer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-11-10
Filing date: 2016-11-10
Publication date: 2018-05-17
Also published as: CN109937131A; WO2018087218A1; US20200055144A1; JP2020501008A; EP3538350A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur generativen Bauteilfertigung, insbesondere zum selektiven Laserschmelzen oder Lasersintern. Die Vorrichtung weist einen Bearbeitungskopf mit mehreren räumlich getrennten Strahlführungen auf, über die ein oder mehrere Laserstrahlen auf räumlich getrennten Strahlwegen auf eine Bearbeitungsebene gerichtet werden können, sowie eine oder mehrere optische Schalteinrichtungen, mit denen der Strahlweg des jeweiligen Laserstrahls zwischen den räumlich getrennten Strahlwegen geschaltet werden kann. Die Vorrichtung ermöglicht die Nutzung einer Laserstrahlquelle für unterschiedliche Strahlwege bzw. Zielpositionen mit einem derartigen Bearbeitungskopf, wodurch eine bessere Auslastung der eingesetzten Strahlquellen erreicht und eine Belichtung der Bearbeitungsebene entsprechend einer zu erzeugenden Bauteilgeometrie mit einer geringeren Anzahl an Laserstrahlquellen ermöglicht wird.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende betrifft eine Vorrichtung zur generativen Bauteilfertigung, insbesondere zum selektiven Laserschmelzen oder Lasersintern, die einen Bearbeitungskopf mit mehreren räumlich getrennten Strahlführungen aufweist, über die ein oder mehrere Laserstrahlen auf räumlich getrennten Strahlwegen auf eine Bearbeitungsebene gerichtet werden können. Die Erfindung betrifft auch ein entsprechendes Verfahren zur generativen Bauteilfertigung, bei dem die vorgeschlagene Vorrichtung einsetzbar ist.
Bei pulverbettbasierten Strahlschmelzverfahren, wie z. B. dem selektiven Laserschmelzen (SLM: Selective Laser Melting) werden dreidimensionale Bauteile generativ direkt aus 3D-CAD Modellen gefertigt. In einem sich wiederholenden Prozess wird eine dünne Pulverschicht von typischerweise unter 100 µm Dicke mit einem Schieber auf einer Substratplatte aufgetragen und in einem nächsten Schritt selektiv entsprechend den Geometrieinformationen aus dem 3D-CAD Modell mit Hilfe eines oder mehrerer energetischer Strahlen, insbesondere Laserstrahlen, geschmolzen. Dieser Kreislaufprozess erlaubt die Herstellung dreidimensionaler Bauteile mit geringen Einschränkungen bezüglich der konstruktiven Komplexität. Das Verdichten des Bauteils beruht beim SLM 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.
Die Prozesskette läuft bei einem derartigen Verfahren innerhalb der Fertigungsanlage bezogen auf eine Bauplattform sequentiell ab, wie dies in der 1 schematisch dargestellt ist. Der wertschöpfende Belichtungsprozess, bei dem die entsprechenden Bereiche der Schicht mit der energetischen Strahlung selektiv aufgeschmolzen werden, wird durch nicht wertschöpfende Prozesse wie dem Schichtauftrag, der Prozessvorbereitung und der Prozessnachbereitung unterbrochen. Je nach verwendeter Anlagentechnik, bspw. bei Verwendung von Galvanometerscannern zur Strahlablenkung, kommt es innerhalb des wertschöpfenden Belichtungsprozesses zusätzlich zu technisch bedingten Belichtungstotzeiten, in denen zwar die zur Strahlablenkung benötigten Scannerspiegel bewegt werden, aber keine Belichtung erfolgt. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn nacheinander zu belichtende Scanvektoren geometrisch nicht direkt aneinander anschließen. Zusätzliche nichtproduktive Zeiten treten in den Beschleunigungs- und Abbremsphasen der Scannerspiegel auf. Die Strahlquelle wird somit nicht zu 100% zur Belichtung genutzt.
Stand der Technik
Neben den bisher hauptsächlich verwendeten Strahlablenksystemen auf Basis von Galvanometerscannern mit vor- oder nachgelagerter Fokussieroptik sind auch alternative Belichtungskonzepte bekannt. Dabei handelt es sich mehrheitlich um weniger komplexe Optiksysteme, welche mittels einer Bewegungsvorrichtung über die zu belichtende Fläche geführt werden. Dies bietet den Vorteil einer möglichen Skalierung von Bauraumgröße und/oder Schmelzleistung, ohne den grundlegenden Anlagenaufbau verändern zu müssen.
So zeigt bspw. die WO 2015/003804 A1 eine Vorrichtung, bei der mit Hilfe eines Achssystems ein Belichtungs- oder Bearbeitungskopf über ein Pulverbett bewegt wird. Der Bearbeitungskopf bildet mittels einer optischen Vorrichtung mehrere einzelne Laserstrahlen in einer feststehenden Anordnung als Laserspots nebeneinander oder teilweise überlappend auf die Bearbeitungsebene ab, z. B. in einer Linienanordnung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bearbeitungskopfes. Die Laserstrahlen werden dabei jeweils von einer separaten Strahlquelle erzeugt, mittels Lichtleitfasern zum Bearbeitungskopf geführt und simultan zur Bewegung des Bearbeitungskopfes entsprechend der zu erzeugenden Bauteilgeometrie moduliert bzw. ein- und ausgeschaltet. Die WO 2014/199149 A1 zeigt eine ähnliche Vorrichtung, bei der die jeweiligen Strahlquellen die Strahlung ohne Lichtleitfasern direkt auf die Bearbeitungsebene richten. Diese Vorrichtungen benötigen jedoch für jeden einzelnen Laserspot in der Bearbeitungsebene eine separate Strahlquelle. Auf diese Weise kann zwar die Spotanordnung über eine Erhöhung der Anzahl der Strahlquellen nahezu beliebig verbreitert werden. Dies ist allerdings mit einer linearen Erhöhung der Kosten verbunden. Zusätzlich wird der notwendige konstruktive Aufwand entsprechend erhöht.
Die US 2014/0198365 A1 beschreibt eine Belichtungsvorrichtung, bei der die Strahlung einer einzelnen Strahlquelle über einen oder mehrere Strahlteiler in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt wird. Die Teilstrahlen werden dann jeweils mit einer eigenen Ablenkeinheit unabhängig voneinander auf die Bearbeitungsebene gerichtet. Bei dieser Anordnung muss aufgrund der konstanten Aufteilung der Laserleistung auf die einzelnen Teilstrahlen allerdings dafür Sorge getragen werden, dass die von den jeweiligen Strahlablenkvorrichtungen zu belichtende Fläche identisch ist.
Die WO 00/21735 A1 schlägt eine Belichtungsvorrichtung vor, bei der die Strahlung einer Lichtquelle über eine Vielzahl von einzelnen Lichtleitfasern, die in einem feststehenden Array angeordnet sind, auf die Bearbeitungsebene gerichtet wird. Hinter jedem Faserende wird ein Lichtventil (Light Valve) angebracht, welches in der Lage ist, die aus der Faser austretende Strahlung abhängig von einem Steuersignal entweder zu transmittieren oder zu absorbieren. Auf diese Weise können durch die Bewegung des Faserarrays und die von der Bauteilgeometrie abhängige Steuerung der Lichtventile zum Bauteil gehörige Bereiche in der Bearbeitungsebene selektiv belichtet werden. Beim Betrieb dieser Vorrichtung muss die Strahlung bestimmter bestrahlter Bereiche, die nicht zum Bauteilaufbau benötigt werden, in den zugehörigen Lichtventilen absorbiert werden. Dies führt im praktischen Einsatz allerdings zu einem sehr niedrigen Verhältnis aus eingesetzter und tatsächlich genutzter Laserleistung. Dies gilt auch für einige der bereits genannten Vorrichtungen.
Die oben beschriebenen Nachteile der bekannten Vorrichtungen erschweren eine wirtschaftliche Anwendung pulverbettbasierter Strahlschmelzverfahren, bspw. in der Serienproduktion metallischer Bauteile.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur generativen Bauteilfertigung durch schichtweises Aufschmelzen eines pulverförmigen Werkstoffes mit Laserstrahlung anzugeben, das eine verbesserte Ausnutzung der eingesetzten Strahlquellen ermöglicht, ohne hierbei auf bestimmte zu belichtende Flächen eingeschränkt zu sein.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung und dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sowie des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Die vorgeschlagene Vorrichtung weist einen Bearbeitungskopf mit mehreren räumlich getrennten Strahlführungen mit entsprechenden Strahlführungs- und/oder Strahlablenkelementen auf, über die ein oder mehrere Laserstrahlen auf räumlich getrennten Strahlwegen auf eine Bearbeitungsebene gerichtet werden können, eine Laserstrahlquellenanordnung, mit welcher der oder die Laserstrahlen erzeugbar sind, und eine Einrichtung zum Bereitstellen eines Werkstoffes in der Bearbeitungsebene. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Bewegungseinrichtung, mit der eine Relativbewegung zwischen Bearbeitungskopf und Bearbeitungsebene vorzugsweise in zueinander parallelen Ebenen erzeugbar ist und eine Steuereinrichtung, mit der die Bewegungseinrichtung zur Erzeugung der Relativbewegung ansteuerbar ist. Die Vorrichtung zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass eine oder mehrere optische Schalteinrichtungen vorhanden sind, mit denen der Strahlweg des einen oder der mehreren Laserstrahlen zwischen den räumlich getrennten Strahlwegen geschaltet werden kann. Die optischen Schalteinrichtungen werden dabei vorzugsweise als Strahlweichen ausgebildet. Diese können bspw. durch optoelektronische Elemente oder durch ein oder mehrere kippbare Spiegelelemente gebildet sein.
Durch diese Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung besteht die Möglichkeit einer besseren Ausnutzung der für die Erzeugung des jeweiligen Laserstrahls eingesetzten Laserstrahlquelle. So kann bei einem pulverbettbasierten Strahlschmelzverfahren der Laserstrahl von einem ersten Strahlweg auf einen zweiten Strahlweg umgeschaltet werden, wenn er an der Zielposition des ersten Strahlweges zumindest zeitweise nicht mehr zur Belichtung benötigt wird, während an einer Zielposition des zweiten Strahlweges noch eine Belichtung erforderlich ist. Während bisher für eine derartige Situation zwei Laserstrahlquellen benötigt wurden, von denen jeweils eine zeitweise abgeschaltet werden musste, kann durch die vorgeschlagene Vorrichtung nur eine Laserstrahlquelle zum Einsatz kommen, die durch die Umschaltmöglichkeit zeitlich besser ausgenutzt wird. Die Anzahl der räumlich getrennten Strahlwege je Laserstrahlquelle ist selbstverständlich nicht auf zwei begrenzt.
Eine weitere Möglichkeit eines möglichst unterbrechungsfreien Betriebes der Laserstrahlquelle besteht darin, die Laserstrahlquelle gepulst zu betreiben und die Umschaltvorgänge zwischen den Strahlwegen möglichst in Pulspausen durchzuführen.
Durch geeignete Steuerung der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Bearbeitungskopf und der Bearbeitungsebene lässt sich bei entsprechender linienförmiger Anordnung der Zielpositionen der einzelnen Strahlwege eine Laserlinie auf der Bearbeitungsebene belichten, indem der gepulste oder CW Laserstrahl (CW: continuous wave) der Reihenfolge nach über alle Strahlwege geschaltet wird.
Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, nicht die volle Leistung eines Laserstrahls auf einen einzelnen Strahlweg zu schalten, sondern diese Leistung auf mehrere Strahlwege gleichzeitig aufzuteilen. Die Gesamtzahl der möglichen Zielpositionen, das heißt der Endpositionen der einzelnen Strahlwege in der Bearbeitungsebene, ist bei der vorgeschlagenen Vorrichtung größer als die maximal mögliche Anzahl gleichzeitig zu belichtender Positionen, im Folgenden auch als Bearbeitungspositionen bezeichnet.
In der bevorzugten Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung umfasst die Laserstrahlquellenanordnung mehrere Laserstrahlquellen, die mehrere getrennte Laserstrahlen erzeugen. Jedem dieser Laserstrahlen ist dann ein eigenes optisches Schaltelement zugeordnet, das die Laserstrahlen jeweils auf mehrere räumlich getrennte Strahlwege schalten kann. Hierbei besteht die Möglichkeit, die optischen Schalteinrichtungen so auszugestalten, dass jeder Laserstrahl alle zur Verfügung stehenden Strahlführungen bzw. Strahlwege nutzen kann. Eine andere Möglichkeit besteht darin, jedem Laserstrahl andere Strahlwege zuzuordnen, über die der Laserstrahl auf die Bearbeitungsebene gerichtet werden kann. Vorzugsweise weisen in diesem Fall benachbarte Strahlwege unterschiedlicher Laserstrahlen gemeinsame Zielpositionen auf. Auch eine Kombination der oben beschriebenen Möglichkeiten kann realisiert werden.
Die vorangehend erläuterten Ausgestaltungen, bei denen mehrere Laserstrahlquellen mit den jeweils zugeordneten optischen Schaltelementen eingesetzt werden, ermöglichen durch die Umschaltung zwischen den einzelnen Strahlwegen eine bessere Ausnutzung der Laserstrahlquellen und auch - je nach zu belichtender Geometrie - eine Verringerung der Anzahl der Überfahrten mit dem Bearbeitungskopf über die Bearbeitungsebene. Dies wird dadurch erreicht, dass die während einer einzelnen Überfahrt für eine bestimmte Fläche nicht benötigte Strahlung durch die optischen Schaltelemente in andere Bauteilbereiche gerichtet werden kann, die ansonsten nur durch eine weitere Überfahrt erreicht werden könnten.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird entsprechend ein pulverförmiger Werkstoff für das Bauteil schichtweise durch Bestrahlung mit Laserstrahlung in einer Bearbeitungsebene aufgeschmolzen. Die Laserstrahlen für die Bestrahlung des Werkstoffes werden dabei über die Bearbeitungsebene geführt und so zwischen den Strahlwegen umgeschaltet, dass jeweils eine Schicht des Werkstoffes entsprechend der gewünschten Bauteilgeometrie aufgeschmolzen und die von den Laserstrahlquellen erzeugte Laserleistung durch die Umschaltung maximal ausgenutzt wird.
Die Erzeugung der Relativbewegung kann dabei in gleicher Weise erfolgen, wie dies in der bereits angeführten Druckschrift WO 2015/003804 A1 beschrieben ist.
Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung wird zum einen über die einfache Skalierbarkeit von Aufbaurate und Bauraumgröße durch Nutzung einer größeren Anzahl von Laserstrahlquellen eine höhere Produktivität erreicht. Zum anderen wird mit der vorgeschlagenen Vorrichtung die Möglichkeit geschaffen, diese Vorteile mit einer möglichst geringen Anzahl an Einzelstrahlquellen zu erzielen. Zusätzlich werden diese Strahlquellen bei der vorgeschlagenen Vorrichtung nahezu unterbrechungsfrei betrieben. Damit ergibt sich bei dem Betrieb der Vorrichtung ein maximaler Wirkungsgrad - definiert durch das Verhältnis aus zum Aufschmelzen verwendeter zu insgesamt installierter Laserleistung. Die Vorrichtung und das Verfahren lassen sich für jedes pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzverfahren einsetzen. Vor allem der Einsatz einer derartigen Vorrichtung innerhalb industrieller Fertigungsumgebungen weist ein großes Potential auf. Die Vorrichtung ermöglicht die generative Fertigung von Bauteilen mit maximierter Wertschöpfung. Daraus resultieren eine deutliche Steigerung der Produktivität der entsprechenden Fertigungseinrichtung und somit auch deutliche wirtschaftliche Vorteile, die den Einsatz von pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzverfahren im Rahmen der industriellen Serienfertigung stark begünstigen.
Figurenliste
Die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorgeschlagene Verfahren werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Darstellung der Prozesskette beim selektiven Laserschmelzen;
2 eine Gegenüberstellung der Belichtungseinheit einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik und der Belichtungseinheit einer Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung in stark schematisierter Darstellung;
3 eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung;
4 ein Vergleich des Belichtungsablaufs bei einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik und bei einer Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung; und
5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung.

Wege zur Ausführung der Erfindung
Bei pulverbettbasierten Strahlschmelzverfahren wie dem selektiven Laserschmelzen wird der wertschöpfende Belichtungsprozess durch nicht wertschöpfende Prozesse wie den Schichtauftrag, die Prozessvorbereitung und die Prozessnachbereitung unterbrochen. Diese Prozesskette ist schematisch in der 1 dargestellt, die die Prozesse der Prozessvorbereitung 12, des Schichtauftrags 13, der Belichtung 14 sowie der Prozessnachbereitung 15 in der festgelegten Abfolge zeigt. Die Prozesse des Schichtauftrags 13 sowie der Belichtung 14 wiederholen sich dabei Schicht für Schicht bis das dreidimensionale Bauteil fertig aufgebaut ist. Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung ermöglichen dabei eine Optimierung des Belichtungsprozesses.
Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung kann die Auslastung der Laserstrahlquellen gegenüber einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik erhöht werden, wie sie beispielsweise in der WO 2015/003804 A1 beschrieben ist. Bei dieser Vorrichtung des Standes der Technik werden mehrere Laserstrahlquellen 1 eingesetzt, die über Lichtleitfasern 6 mit einem Bearbeitungskopf verbunden sind. Der Bearbeitungskopf weist für jede Laserstrahlquelle 1 eine Strahlführung mit einer Fokussieroptik 2 auf, über die der jeweilige Laserstrahl auf einem festgelegten Strahlweg auf eine Zielposition in der Bearbeitungsebene 8 trifft. Damit kann in der Bearbeitungsebene 8 eine Anordnung von Laserspots 3 erzeugt werden, deren Spotanzahl der Anzahl der installierten Laserstrahlquellen entspricht. Dies ist im linken Teil der 2 schematisch dargestellt.
Im Vergleich dazu zeigt der rechte Teil der 2 im oberen Teilabschnitt eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der in diesem Beispiel lediglich eine Laserstrahlquelle 1 eingesetzt wird, die über eine Lichtleitfaser 6 oder eine andere Lichtleitvorrichtung mit einem optischen Schaltelement 4 verbunden ist, durch das die Laserstrahlung jeweils auf einen von mehreren Strahlwegen und damit auf eine von mehreren Zielpositionen 5 in der Bearbeitungsebene 8 gelenkt werden kann. Die hier ebenfalls erforderlichen getrennten Strahlführungen mit Fokussieroptiken sind in der Figur nicht dargestellt. Im unteren Teil der Figur ist eine Draufsicht auf diese Anordnung zu erkennen. Für die schematisch dargestellten fünf Strahlwege ist daher nur eine Laserstrahlquelle 1 erforderlich, deren Laserstrahl über das optische Schaltelement 4 nach Bedarf auf die unterschiedlichen Strahlwege geschaltet werden kann.
Für eine gleichzeitige Belichtung mehrerer Zielpositionen werden bei der vorgeschlagenen Vorrichtung mehrere Laserstrahlquellen 1 und mehrere optische Schaltelemente 4 eingesetzt, wie dies in 3 exemplarisch dargestellt ist. Jeder Laserstrahlquelle 1 bzw. jedem Laserstrahl ist dann eines der optischen Schaltelemente 4 zugeordnet, das den Laserstrahl entsprechend auf mehrere Strahlwege bzw. Zielpositionen schalten kann. Die optischen Schaltelemente 4 sind dabei jeweils in dem Bearbeitungskopf 7 integriert. Die Laserstrahlquellen 1 können ebenfalls in den Bearbeitungskopf 7 integriert oder auch außerhalb des Bearbeitungskopfes 7 angeordnet und beispielsweise über Lichtleitfasern mit dem Bearbeitungskopf 7 verbunden sein.
Bei dem Beispiel der 3 befinden sich innerhalb des Bearbeitungskopfes 7 vier optische Schaltelemente 4, die jeweils mit einer Strahlquelle 1 verbunden sind. Der Bearbeitungskopf 7 ist an einer Linearachse 10 befestigt, welche wiederum auf zwei dazu senkrecht stehende Linearachsen 9 montiert ist. Selbstverständlich könnte auch nur eine Antriebsachse in Verbindung mit einer zusätzlichen Führung hierzu vorgesehen sein. Somit lässt sich der Bearbeitungskopf 7 über die gesamte Bearbeitungsebene 8 bewegen. Die Strahlquellen 1 sind in diesem Beispiel an der Linearachse 10 angeordnet. Die können auch an anderen Stellen angeordnet sein.
Die optischen Elemente 4 sind so angeordnet, dass mit einem optischen Element mindestens eine, bevorzugt jedoch mehrere Zielpositionen der jeweils benachbarten optischen Elemente 4 belichtet werden können. Diese Zielpositionen sind in 3 als Laserspots 3 in der Bearbeitungsebene dargestellt. Bevorzugt liegen die einzelnen Zielpositionen dabei in einer Reihe, wie dies in der Figur schematisch angedeutet ist. Damit kann beispielsweise eine Laserlinie in der Bearbeitungsebene realisiert werden. Zum Aufbau eines Bauteiles wird der Bearbeitungskopf 7 beispielsweise mäanderförmig über die Bearbeitungsebene bewegt und die optischen Schaltelemente 4 dabei so angesteuert, dass jeweils die Zielpositionen belichtet werden, die innerhalb des aktuellen Belichtungsfeldes des Bearbeitungskopfes 7 zu der zu erzeugenden Bauteilgeometrie gehören.
Eine weitere beispielhafte Realisierung wird anhand der 4 im Vergleich zur Nutzung einer Vorrichtung des Standes der Technik wie der aus der WO 2015/003804 A1 dargestellt. Im oberen Teil der Figur ist hierbei der Belichtungsprozess mit der Vorrichtung des Standes der Technik, im unteren Teil der Belichtungsprozess mit der vorgeschlagenen Vorrichtung veranschaulicht. Bei diesem Vergleich wird angenommen, dass beide Vorrichtungen die gleiche Anzahl an Laserstrahlquellen 1 aufweisen, wobei jedoch bei der vorgeschlagenen Vorrichtung aufgrund der Schaltmöglichkeiten eine höhere Anzahl an nebeneinanderliegenden Zielpositionen bzw. Laserspots und damit eine größere Belichtungsbreite erreicht wird. Aus der 4 ist ersichtlich, dass mit der vorgeschlagenen Vorrichtung die dargestellte Bauteilgeometrie 11 einer Schicht mit weniger Überfahrten des Bearbeitungskopfes belichtet werden kann als mit der Vorrichtung des Standes der Technik. Dies wird im vorliegenden Beispiel dadurch erreicht, dass während einer einzelnen Überfahrt nicht benötigte Strahlung durch die optischen Schaltelemente in andere Bauteilbereiche gerichtet werden kann, die bei der Vorrichtung des Standes der Technik nur durch eine zweite Überfahrt erreicht werden können. Die durchgezogenen Pfeile stellen dabei Wegstrecken mit Belichtung, die gestrichelten Pfeile Wegstrecken ohne Belichtung dar. Aus dem Vergleich der 4 ist auch ersichtlich, dass bei der vorgeschlagenen Vorrichtung die eingesetzten Laserstrahlquellen besser ausgenutzt werden, da sie in diesem Beispiel nahezu unterbrechungsfrei zum Aufschmelzen der Bauteilschicht betrieben werden. Selbstverständlich ist der Effektivitätsgewinn der vorgeschlagenen Vorrichtung gegenüber der Vorrichtung des Standes der Technik jeweils von der zu erzeugenden Bauteilgeometrie abhängig.
Die vorgeschlagene Vorrichtung kann auch so ausgebildet sein, dass die Zielpositionen nicht in einer sondern in mehreren hintereinanderliegenden Reihen liegen. Diese Erweiterung des Feldes der Zielpositionen auch in einer zweiten Dimension ist beispielhaft in der schematischen Darstellung der 5 zu erkennen. Hier wird eine zweite Reihe an Zielpositionen durch weitere optische Schaltelemente 4 und zugehörige Laserstrahlquellen 1 erzeugt. Die Strahlquellen 1 sind in diesem Beispiel ebenfalls an der Linearachse 10 angeordnet. Die können auch an anderen Stellen angeordnet sein. Selbstverständlich ist die vorgeschlagene Vorrichtung dabei auch nicht auf die dargestellten Anordnungen der Zielpositionen beschränkt. Diese können vielmehr auch in anderer Weise verteilt angeordnet sein.
Die Anzahl der Zielpositionen je optischem Schaltelement und die Anzahl der optischen Schaltelemente je Bearbeitungskopf hängen dabei neben den technologischen Grenzen, insbesondere hinsichtlich Abmessungen und Belastbarkeit der Komponenten des optischen Schaltelementes, in besonderem Maße von der Spotgröße, den Bauraumabmessungen und der gewünschten Anlagenproduktivität ab. Ein wesentliches Auslegungskriterium ist dabei, dass die verwendeten Strahlquellen im durchschnittlichen Anwendungsfall nahezu unterbrechungsfrei betrieben werden können, so dass ein möglichst hoher Anteil installierter Laserleistung im Belichtungsprozess in umgeschmolzenes Bauteilvolumen umgesetzt werden kann.
Besonders vorteilhaft kann die Vorrichtung genutzt werden, wenn anstelle eines Dauerstrich(cw)-Betriebes eine gepulste bzw. modulierte Prozessführung verwendet wird. Das optische Schaltelement benötigt eine gewisse Umschaltzeit, um die Laserstrahlung auf einen anderen Strahlweg umzuschalten und damit von einer Zielposition zur nächsten umzulenken. Steht diese Umschaltzeit in einem günstigen Verhältnis zum verwendeten Duty-Cycle, d.h. Pulsdauer und Pulspause, so kann bei einer auf die Bauteilgeometrie angepassten Relativgeschwindigkeit zwischen Bearbeitungskopf und Bearbeitungsebene eine gesamte Spotlinie mit wesentlich weniger Strahlquellen belichtet werden als Spot- bzw. Zielpositionen vorhanden sind.
Die Zielpositionen können auch so angeordnet sein, dass die Laserspots in der Bearbeitungsebene überlappen. Vorzugsweise wird der Bearbeitungskopf mit den optischen Schaltelementen so ausgebildet, dass jede Zielposition von mehreren Laserstrahlquellen bestrahlt werden kann. Die Belichtung einer Bauteilschicht erfolgt dabei derart, dass bei der Überfahrt des Bearbeitungskopfes die einzelnen optischen Schaltelemente so gesteuert werden, dass sämtliche innerhalb des Feldes der zur Verfügung stehenden Zielpositionen liegende Bauteilbereiche belichtet werden, während die zugehörigen Strahlquellen möglichst unterbrechungsfrei Strahlung zum Aufschmelzen der Bauteilschicht abgeben. Die emittierte Leistung kann bei der vorgeschlagenen Vorrichtung vorzugsweise über eine Steuerungseinrichtung in Abhängigkeit der Bauteilgeometrie und der Schaltstellung des zugehörigen optischen Schaltelementes in ihrem Betrag variiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Laserstrahlquelle
2: Fokussieroptik
3: Laserspot
4: Optisches Schaltelement
5: Zielposition
6: Lichtleitfaser
7: Bearbeitungskopf
8: Bearbeitungsebene
9: Linearachsen
10: Linearachse
11: Bauteilgeometrie
12: Prozessvorbereitung
13: Schichtauftrag
14: Belichtung
15: Prozessnachbereitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015/003804 A1 [0005, 0019, 0023, 0028]
WO 2014/199149 A1 [0005]
US 2014/0198365 A1 [0006]
WO 0021735 A1 [0007]

Claims

Vorrichtung zur generativen Bauteilfertigung, insbesondere zum selektiven Laserschmelzen oder Lasersintern, mit - einem Bearbeitungskopf (7), der mehrere räumlich getrennte Strahlführungen aufweist, über die ein oder mehrere Laserstrahlen auf räumlich getrennten Strahlwegen auf eine Bearbeitungsebene (8) gerichtet werden können, - einer Laserstrahlquellenanordnung zur Erzeugung des einen oder der mehreren Laserstrahlen, - einer Einrichtung zum Bereitstellen eines Werkstoffes in der Bearbeitungsebene (8), - einer Bewegungseinrichtung (9, 10), mit der eine Relativbewegung zwischen Bearbeitungskopf (7) und Bearbeitungsebene (8) erzeugbar ist, und - einer Steuereinrichtung, mit der die Bewegungseinrichtung (9, 10) zur Erzeugung der Relativbewegung ansteuerbar ist, wobei eine oder mehrere optische Schalteinrichtungen (4) vorhanden sind, mit denen der Strahlweg des einen oder der mehreren Laserstrahlen zwischen den räumlich getrennten Strahlwegen geschaltet werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlquellenanordnung mehrere Laserstrahlquellen (1) zur Erzeugung mehrerer Laserstrahlen aufweist, wobei für jeden Laserstrahl eine eigene optische Schalteinrichtung (4) vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Strahlweg in einer Zielposition (5) in der Bearbeitungsebene (8) endet, wobei sich wenigstens einige der Zielpositionen (5) der Strahlwege unterschiedlicher Laserstrahlen unterscheiden.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Strahlwege unterschiedlicher Laserstrahlen gemeinsame Zielpositionen (5) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung so ausgebildet ist, dass sie die eine oder die mehrere optischen Schalteinrichtungen (4) so ansteuert, dass jeweils für eine zu belichtende Bauteilgeometrie die von den Laserstrahlquellen (1) erzeugte Laserleistung maximal ausgenutzt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der räumlich getrennten Strahlwege die Anzahl der Laserstrahlquellen (1) um wenigstens den Faktor 2 übersteigt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungskopf (7) mehrere Fokussieroptiken (2) aufweist, durch die die Laserstrahlen in Richtung der Bearbeitungsebene (8) fokussiert werden können.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Schalteinrichtungen (4) durch elektrooptische Elemente gebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinrichtung (9, 10) eine Translationsachse oder zwei zueinander senkrechte Translationsachsen aufweist, über die der Bearbeitungskopf (7) in einer Ebene parallel zur Bearbeitungsebene (8) bewegbar ist.
Verfahren zur generativen Bauteilfertigung mit einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein pulverförmiger Werkstoff für das Bauteil schichtweise durch Bestrahlung mit Laserstrahlung einer oder mehrerer Laserstrahlquellen (1) in einer Bearbeitungsebene (8) aufgeschmolzen wird, wobei für die Bestrahlung des Werkstoffes die Laserstrahlen über die Bearbeitungsebene (8) geführt werden und so zwischen den Strahlwegen umgeschaltet wird, dass jeweils eine Schicht des Werkstoffes entsprechend der gewünschten Bauteilgeometrie aufgeschmolzen und die von den Laserstrahlquellen (1) erzeugte Laserleistung maximal ausgenutzt wird.