DE102017219184B4

DE102017219184B4 - Bestrahlungseinrichtung und Bearbeitungsmaschine zum Bestrahlen eines ebenen Bearbeitungsfeldes

Info

Publication number: DE102017219184B4
Application number: DE102017219184.8A
Authority: DE
Inventors: Philipp Wagenblast; Stefan Marzenell; Fabio Jutzi; Matthias Allenberg-Rabe; Reto Hidber; Christoph Rüttimann
Original assignee: Trumpf Schweiz AG; Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Schweiz AG; Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2017-10-26
Filing date: 2017-10-26
Publication date: 2023-02-02
Anticipated expiration: 2037-10-27
Also published as: DE102017219184A1; WO2019081381A1

Abstract

Bestrahlungseinrichtung (1), umfassend:eine Strahlquelle (3) zur Erzeugung eines Bearbeitungsstrahls (5),eine Scannereinrichtung (7) mit mindestens einem Scannerspiegel zum Ausrichten des Bearbeitungsstrahls (5) auf ein ebenes Bearbeitungsfeld (E),eine Fokussiereinrichtung (6), die zur Fokussierung des Bearbeitungsstrahls (5) in dem ebenen Bearbeitungsfeld (E) eine veränderbare Brennweite (f, f1, f2) aufweist,eine Steuerungseinrichtung (10), die ausgebildet ist, die Fokussiereinrichtung (6) anzusteuern, so dass sich die Brennweite (f) der Fokussiereinrichtung (6) bei der Bewegung des Bearbeitungsstrahls (5) entlang einer Bahnkurve (B) in dem ebenen Bearbeitungsfeld (E) nicht verändert, wenn bei der Bewegung des Bearbeitungsstrahls (5) entlang der Bahnkurve (B) eine Differenz (Δf = fmax- fmin) zwischen einer maximalen Brennweite (fmax) und einer minimalen Brennweite (fmin) der Fokussiereinrichtung (6), die zur Fokussierung des Bearbeitungsstrahls (5) in dem ebenen Bearbeitungsfeld (E) erforderlich sind, unter einem Schwellwert (ΔfS) liegt, oder wenn bei der Bewegung des Bearbeitungsstrahls (5) entlang der Bahnkurve (B) unter Beibehaltung der Brennweite (f1) eine maximale Differenz (ΔZ = Z2- Z1) zwischen den Fokus-Positionen (Z2, Z1) des Bearbeitungsstrahls (5) senkrecht zum Bearbeitungsfeld (E) unter einem Schwellwert (ΔZS) liegt, dadurch gekennzeichnetdass die Fokussiereinrichtung (6) zur Veränderung der Brennweite (f1, f2) mindestens ein im Strahlengang des Bearbeitungsstrahls (5) vor dem mindestens einen Scannerspiegel (9a, 9b) angeordnetes, in Strahlrichtung des Bearbeitungsstrahls (5) verschiebbar angeordnetes und/oder in der Brennweite (f) veränderbares optisches Element (12) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bestrahlungseinrichtung. Die Erfindung betrifft auch eine Bearbeitungsmaschine zum Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen durch Bestrahlen von Pulverschichten, die eine solche Bestrahlungseinrichtung aufweist.
Bei Bestrahlungseinrichtungen zum Bestrahlen von Pulverschichten zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Bauteilen sowie bei Bestrahlungseinrichtungen zur Markierung von Werkstücken wird der Bearbeitungsstrahl, beispielsweise ein Laserstrahl, über eine Scannereinrichtung mit mindestens einem Scannerspiegel auf unterschiedliche Positionen eines ebenen Bearbeitungsfeldes ausgerichtet. Zwischen zwei jeweiligen Positionen führt der Bearbeitungsstrahl eine insbesondere geradlinige Bahnkurve in dem ebenen Bearbeitungsfeld aus. Bei den beiden Positionen kann es sich beispielsweise um die Endpunkte einer in dem ebenen Bearbeitungsfeld zu erzeugenden geradlinigen Bahnkurve handeln, wie sie beispielsweise bei der Markierung von Werkstücken zur Erzeugung von Schraffuren oder bei der additiven Fertigung zum Erzeugung eines zusammenhängenden Flächenbereichs durch eine scannende Bewegung verwendet wird.
Um zu erreichen, dass der Bearbeitungsstrahl nach dem Durchlaufen der Scannereinrichtung in einem ebenen Bearbeitungsfeld fokussiert wird, kann ein (telezentrisches) F-Theta-Objektiv verwendet werden, das im Strahlengang nach der Scannereinrichtung angeordnet ist. Eine Bestrahlungseinrichtung in Form eines Markierungslasers zum Graustufenmarkieren eines Werkstücks mit einer optischen Ablenkeinheit (Scannereinrichtung) und einem F-Theta-Objektiv zur Erzeugung einer ebenen Fokusfläche ist aus der DE 20 2013 100 969 U1 bekannt geworden.
Bei hohen Leistungen des Bearbeitungsstrahls, wie sie bei manchen Markierungsanwendungen und insbesondere beim Pulveraufschmelzen in der additiven Fertigung benötigt werden, erzeugt ein F-Theta-Objektiv aufgrund der Erwärmung des Linsenmaterials eine so genannte thermische Linse, die zu einer ungewollten Veränderung der Fokus-Position des Bearbeitungsstrahls führt. Daher werden bei der additiven Fertigung häufig Scannereinrichtungen ohne ein F-Theta-Objektiv verwendet.
Für die Fokussierung des Bearbeitungsstrahls kann in diesem Fall eine Fokussiereinrichtung verwendet werden, die ein fokussierendes optisches Element aufweist, beispielsweise eine leistungsbeständige Fokussierlinse, die vor der Scannereinrichtung angeordnet ist. Bei der Ausrichtung des Bearbeitungsstrahls auf unterschiedliche Positionen in dem Bearbeitungsfeld wird der bzw. werden die Scannerspiegel verschwenkt, um die X-Position und/oder die Y-Position des Bearbeitungsstrahls zu verändern. Bei konstanter Brennweite der Fokussiereinrichtung liegt die Fokus-Position des Laserstrahls bei der Verschwenkung des Scannerspiegels auf einer Kreisbahn bzw. bei der Verwendung von zwei Scannerspiegeln auf einer Kugelschale. Der Abstand der Fokus-Position des Bearbeitungsstrahls gemessen in Z-Richtung, d.h. senkrecht zu dem ebenen Bearbeitungsfeld, variiert daher in Abhängigkeit von der Position (in X- bzw. Y-Richtung) in dem ebenen Bearbeitungsfeld bzw. in Abhängigkeit vom Ablenkwinkel durch den bzw. durch die Scannerspiegel.
Um eine ebene Fokusfläche bzw. ein ebenes Bearbeitungsfeld zu erzeugen, wird in diesem Fall typischerweise eine dynamische Fokussiereinrichtung mit einer schnellen (dynamischen) Z-Achse verwendet, die eine schnelle Veränderung der (Gesamt-)Brennweite der Fokussiereinrichtung ermöglicht, um die Fokus-Position stets in dem ebenen Bearbeitungsfeld zu halten. Um dies zu erreichen, wird die Gesamtbrennweite der Fokussiereinrichtung typischerweise derart verändert bzw. angepasst, dass die Brennweite stets - d.h. bei jeder Auslenkung des bzw. der Scannerspiegel und somit an jeder Position in dem ebenen Bearbeitungsfeld - dem Strahlweg des Bearbeitungsstrahls zu dem ebenen Bearbeitungsfeld entspricht.
In der WO 2015/191257 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum selektiven Laserschmelzen beschrieben, bei denen mehrere Laserstrahlen simultan verwendet werden. Bei dem Verfahren wird eine Mehrzahl von Laserstrahlen auf ein einziges Galvanometer gelenkt, wobei jeder einzelne der Mehrzahl von Laserstrahlen vor dem Lenken auf das Galvanometer automatisch dynamisch fokussiert werden kann. Zu diesem Zweck kann eine dynamische Fokussiereinrichtung beispielsweise in Form einer so genannten varioSCAN-Einrichtung verwendet werden, wie sie von der Fa. Scanlab vertrieben wird.
In der WO 2009/080 233 A1 sind ein Verfahren und eine Einrichtung zum Fügen von Werkstücken beschrieben. Die Fügeeinrichtung weist eine Strahlquelle und mindestens einen mehrachsigen Manipulator mit einem Strahlkopf zur Emission mindestens eines energiereichen Strahls und mit einer mitgeführten Messeinrichtung auf. Der Strahlkopf kann eine optische Einrichtung mit einer veränderlichen Brennweite aufweisen.
Bei der Bestrahlung von vergleichsweise kleinen Flächenbereichen mittels des Bearbeitungsstrahls, beispielsweise zur Erzeugung von Schraffuren beim Markieren oder bei der Erzeugung von kleinen zusammenhängenden Flächenbereichen bei der additiven Fertigung, tritt bei der weiter oben beschriebenen Bestrahlungseinrichtung das Problem auf, dass die Fokussiereinrichtung, genauer gesagt ein adaptives optisches Element der Fokussiereinrichtung, das die Veränderung der Fokus-Position bzw. der Brennweite ermöglicht, sehr viele schnelle Bewegungen ausführen muss. Dies führt zu einem erhöhten Verschleiß der Fokussiereinrichtung bzw. des die Veränderung der Brennweite ermöglichenden optischen Elements.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bestrahlungseinrichtung sowie eine Bearbeitungsmaschine mit einer solchen Bestrahlungseinrichtung zum Bestrahlen eines ebenen Bearbeitungsfeldes bereitzustellen, welche den Verschleiß der Fokussiereinrichtung bei der Bestrahlung reduzieren.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Bestrahlungseinrichtung gelöst, umfassend: eine Strahlquelle zur Erzeugung eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, eine Scannereinrichtung mit mindestens einem Scannerspiegel, bevorzugt mit zwei Scannerspiegeln, zum Ausrichten des Bearbeitungsstrahls auf ein ebenes Bearbeitungsfeld, sowie eine Fokussiereinrichtung zur Fokussierung des Bearbeitungsstrahls in dem ebenen Bearbeitungsfeld, die zur Fokussierung des Bearbeitungsstrahls in dem ebenen Bearbeitungsfeld eine veränderbare Brennweite aufweist, wobei die Bestrahlungseinrichtung eine Steuerungseinrichtung aufweist, die ausgebildet ist, die Fokussiereinrichtung anzusteuern, so dass sich die Brennweite der Fokussiereinrichtung bei der Bewegung des Bearbeitungsstrahls entlang einer Bahnkurve in dem ebenen Bearbeitungsfeld nicht verändert, wenn bei der Bewegung des Bearbeitungsstrahls entlang der Bahnkurve eine Differenz zwischen einer maximalen Brennweite und einer minimalen Brennweite der Fokussiereinrichtung, die zur Fokussierung des Bearbeitungsstrahls in dem ebenen Bearbeitungsfeld erforderlich sind, unter einem Schwellwert liegt, oder wenn bei der Bewegung des Bearbeitungsstrahls entlang der Bahnkurve unter Beibehaltung der Brennweite eine maximale Differenz zwischen den Fokus-Positionen des Bearbeitungsstrahls senkrecht zum Bearbeitungsfeld unter einem Schwellwert liegt.
Bei der erfindungsgemäßen Bestrahlungseinrichtung weist die Fokussiereinrichtung zur Veränderung der Brennweite mindestens ein im Strahlengang des Bearbeitungsstrahls vor dem mindestens einen Scannerspiegel angeordnetes, in Strahlrichtung des Bearbeitungsstrahls verschiebbar angeordnetes und/oder in der Brennweite veränderbares optisches Element auf.
Bei dem optischen Element kann es sich beispielsweise um eine Fokussierlinse oder um eine Zerstreuungslinse handeln. Typischerweise weist die Fokussiereinrichtung zusätzlich zu dem im Strahlengang verschiebbar angeordneten optischen Element mindestens ein (ortsfestes) Fokussierelement mit einer typischerweise deutlich kleineren Brennweite und somit einer größeren Brechkraft auf, da das verschiebbare optische Element für die Realisierung einer dynamischen Veränderung der Fokus-Position bzw. der Brennweite nur eine vergleichsweise geringe Masse aufweisen sollte. Ggf. kann die Fokussiereinrichtung aber auch nur aus einem einzigen verschiebbaren oder auf andere Weise in der Brennweite veränderbaren optischen Element bestehen.
Alternativ zur Veränderung der Brennweite durch die Verschiebung des optischen Elements in Strahlrichtung des Bearbeitungsstrahls kann die Fokussiereinrichtung mindestens ein adaptives optisches Element mit einer einstellbaren Brennweite aufweisen. Bei dem optischen Element kann es sich beispielsweise um einen Umlenkspiegel mit - in gewissen Grenzen - einstellbarer Krümmung handeln, aber auch um eine andere Art von optischem Element, dessen Brennweite einstellbar ist, beispielsweise um eine Linse mit veränderbarer Krümmung.
Bei den beiden Positionen im Bearbeitungsfeld, an denen die Fokussiereinrichtung ihre maximale Brennweite und ihre minimale Brennweite aufweist, handelt es sich typischerweise um diejenigen Positionen entlang der Bahnkurve, die vom Zentrum des ebenen Bearbeitungsfeldes einen maximalen bzw. einen minimalen Abstand aufweisen. Bei den beiden Positionen kann es sich um die Endpunkte der in dem Bearbeitungsfeld mittels des Bearbeitungsstrahls zu erzeugenden Bahnkurve, beispielsweise in Form einer geraden oder gekrümmten Linie handeln, und/oder um beliebige Punkte bzw. Positionen, die zwischen den beiden Endpunkten der Bahnkurve liegen.
Wie weiter oben beschrieben wurde, müsste rein rechnerisch bei einer Bestrahlung, bei welcher der Bearbeitungsstrahl zwischen zwei in einem geringen Abstand zueinander befindlichen Positionen in dem Bearbeitungsfeld bewegt wird, d.h. bei vergleichsweise kleinen Auslenkungen des bzw. der Scannerspiegel zwischen den beiden Positionen, eine entsprechend kleine Veränderung der Brennweite der Fokussiereinrichtung erfolgen, was insbesondere bei der Erzeugung von Schraffuren oder von kleinen zusammenhängenden Flächenbereichen bei der additiven Fertigung zu einem erhöhten Verschleiß der Fokussiereinrichtung führen würde.
Die Erfinder haben erkannt, dass bei geringen Abweichungen der Fokus-Position des Laserstrahls in Z-Richtung von der Soll-Fokusposition in dem ebenen Bearbeitungsfeld sich der Durchmesser des Bearbeitungsstrahls, typischerweise eines Laserstrahls, nur geringfügig verändert. Die Bestrahlung kann daher in gewissen Grenzen, die durch den Schwellwert vorgegeben werden, auch mit einer einzigen Brennweite vorgenommen werden, so dass der Bearbeitungsstrahl nicht an allen Positionen entlang der Bahnkurve in dem ebenen Bearbeitungsfeld fokussiert wird. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, bei kleinen Vektoren bzw. Bahnkurven, d.h. bei vergleichsweise kleinen Differenzen zwischen dem minimalen und dem maximalen Abstand von zwei beliebigen Positionen entlang der Bahnkurve in dem Bearbeitungsfeld zum Zentrum des Bearbeitungsfeldes und demzufolge einer geringen Differenz zwischen den zugeordneten Brennweiten, die Fokussiereinrichtung so anzusteuern, dass sich die Brennweite der Fokussiereinrichtung während der Bewegung entlang der Bahnkurve nicht verändert.
Die Differenz der Brennweiten hat sich als ein geeigneteres Kriterium für die Festlegung des Schwellwerts erwiesen als der Abstand zwischen den beiden Positionen in dem ebenen Bearbeitungsfeld, da der Abstand zwischen zwei Positionen in dem Bearbeitungsfeld bei gleicher Differenz der Ablenkwinkel über das ebene Bearbeitungsfeld variiert. Alternativ zur Differenz zwischen den beiden Brennweiten kann als Kriterium für die Festlegung des Schwellwerts die maximale Differenz in Z-Richtung, d.h. senkrecht zu dem ebenen Bearbeitungsfeld, zwischen den Fokus-Positionen in Z-Richtung entlang der Bahnkurve verwendet werden, die bei der Beibehaltung einer konstanten Brennweite der Fokussiereinrichtung auftreten würde. In beiden Fällen kann die Differenz mit einem Schwellwert verglichen werden, der typischerweise von der Rayleighlänge abhängig ist (s.u.).
Die Ansteuerung der Fokussiereinrichtung kann im einfachsten Fall darin bestehen, die Brennweite, die an einer beliebigen Position entlang der Bahnkurve zur Fokussierung in dem ebenen Bearbeitungsfeld benötigt wird, während der Bewegung des Bearbeitungsstrahls entlang der Bahnkurve beizubehalten. Günstiger ist es typischerweise, wenn der Mittelwert zwischen der maximalen Brennweite und minimalen Brennweite als diejenige Brennweite festgelegt wird, die bei der Bewegung konstant gehalten wird. In beiden Fällen kann der Fokussiereinrichtung beispielsweise beim Erreichen eines ersten Endpunkts (Startpunkts) der Bahnkurve in dem Bearbeitungsfeld ein Steuerbefehl übermittelt werden, der eine Veränderung der Brennweite blockiert und beim Erreichen des anderen Endpunkts der Bahnkurve in dem Bearbeitungsfeld kann der Fokussiereinrichtung ein Steuerbefehl übermittelt werden, der die Blockade aufhebt.
Bei einer Ausführungsform ist die Strahlquelle zur Erzeugung eines Laserstrahls ausgebildet und die Steuerungseinrichtung ist ausgebildet, den Schwellwert in Abhängigkeit von der Rayleighlänge des Laserstrahls festzulegen. Die Rayleighlänge des Laserstrahls stellt diejenige Distanz entlang der Strahlrichtung des Laserstrahls dar, die der Laserstrahl braucht, bis sich die Querschnittsfläche des Laserstrahls ausgehend von der Strahltaille (an der Fokus-Position) verdoppelt. Die Rayleighlänge ist daher umso größer, je größer der Fokusdurchmesser ist. Die Rayleighlänge hängt auch von der Wellenlänge des Laserstrahls ab. Bei einer Wellenlänge von beispielsweise ca. 1064 nm und einem Fokusdurchmesser von 100 µm ergibt sich eine Rayleighlänge von mehr als 6 mm, d.h. der bzw. die Scannerspiegel können über einen verhältnismäßig großen Bereich ausgelenkt werden, ohne dass sich der Durchmesser des Bearbeitungsstrahls in dem ebenen Bearbeitungsfeld deutlich verändert. Wird empirisch festgestellt, bis zu welcher Vergrößerung des Strahlquerschnitts bzw. bis zu welcher Intensitätsverringerung kein nennenswerter Einfluss auf den Bestrahlungsprozess beobachtet wird, kann ein geeigneter Wert für den Schwellwert definiert werden und es können diejenigen Vektoren bzw. Konturen zwischen zwei Positionen identifiziert werden, für die es nicht erforderlich ist, die Brennweite zu verändern.
Bei einer Ausführungsform ist der Schwellwert nicht größer als die Rayleighlänge des Laserstrahls. In diesem Fall ergibt sich bei der Differenz zwischen den beiden Brennweiten maximal eine Verdopplung des Strahlquerschnitts des Laserstrahls, die bei vielen Anwendungen noch akzeptabel ist. Es versteht sich, dass der Schwellwert auch kleiner als die Rayleighlänge gewählt werden kann, beispielsweise kann der Schwellwert nicht größer als die Hälfte der Rayleighlänge, nicht größer als ein Fünftel der Rayleighlänge oder nicht größer als ein Zehntel der Rayleighlänge sein, wenn eine größere Abweichung der Fokus-Position das Bearbeitungsergebnis nachteilig beeinflussen würde.
Die Steuerungseinrichtung, beispielsweise in Form einer elektronischen Ansteuerkarte, steuert typischerweise sowohl die Drehbewegung(en) des Scannerspiegels, beispielsweise in Form eines MEMS-Spiegels, bzw. der Scannerspiegel und somit die Position in X-Richtung und/oder in Y-Richtung in dem ebenen Bearbeitungsfeld als auch die Brennweite der Fokussiereinrichtung und somit die Fokus-Position in Z-Richtung senkrecht zu dem ebenen Bearbeitungsfeld. Die Steuerungseinrichtung kann daher bei der Ansteuerung der Fokussiereinrichtung bei einer geringen Veränderung der Brennweite die Werte für die Ansteuerung der Fokussiereinrichtung sowie ggf. der Scannerspiegel so verrechnen, dass bei einer kleinen Differenz der Brennweiten bzw. bei einer kleinen maximalen Differenz der Fokus-Positionen in Z-Richtung, die unterhalb des jeweiligen Schwellwerts liegt, die Fokussiereinrichtung nicht für eine Veränderung der Brennweite angesteuert wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung ausgebildet, für alle Positionen entlang der Bahnkurve in dem ebenen Bearbeitungsfeld Fokus-Positionen senkrecht zu dem ebenen Bearbeitungsfeld zu bestimmen, die auf einer gemeinsamen Kugelschale liegen, die das ebene Bearbeitungsfeld tangential - typischerweise im Zentrum bzw. in der Mitte - berührt und deren Radius mit dem Abstand zwischen dem Scannerspiegel und dem ebenen Bearbeitungsfeld übereinstimmt. In diesem Fall werden der Steuerungseinrichtung zweidimensionale Koordinaten in dem ebenen Bearbeitungsfeld vorgegeben und die Steuerungseinrichtung bestimmt eine dritte Koordinate senkrecht zu dem ebenen Bearbeitungsfeld auf eine solche Weise, dass die Fokus-Positionen auf einer Kugelschale liegen, die das ebene Bearbeitungsfeld typischerweise im Zentrum des Bearbeitungsfeldes tangential berührt. Auf diese Weise können der Fokussiereinrichtung Fokus-Positionen in Z-Richtung vorgegeben werden, die so gewählt sind, dass die Brennweite der Fokussiereinrichtung konstant gehalten wird, ohne dass die Fokussiereinrichtung bzw. eine dieser ggf. zugeordnete weitere Steuerungseinrichtung modifiziert werden muss.
In allen weiter oben beschriebenen Fällen können von der Steuerungseinrichtung gezielt Bahnkurven zwischen zwei (End-)Punkten und/oder zwischen beliebigen Punkten bzw. Positionen in dem ebenen Bearbeitungsfeld identifiziert werden, bei denen die Differenz der Fokus-Positionen in Z-Richtung bzw. die Differenz der Brennweiten unter dem Schwellwert liegt, so dass die Brennweite der Fokussiereinrichtung bei der Bewegung des Bearbeitungsstrahls entlang dieser Bahnkurven, beispielsweise in Form von geraden oder gekrümmten Linien bzw. in Form von gekrümmten Kurven, verändert werden muss. In diesem Fall führt die Steuerungseinrichtung typischerweise einen Vergleich zwischen dem Schwellwert und der Differenz zwischen den beiden Brennweiten bzw. zwischen dem Schwellwert und der maximalen Differenz zwischen den Fokus-Positionen entlang der Bahnkurve durch, um Bahnkurven zu identifizieren, bei denen die Veränderung der Brennweite nicht erforderlich ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Fokussiereinrichtung ein Fokussierelement auf, das im Strahlengang des Bearbeitungsstrahls vor dem mindestens einen Scannerspiegel angeordnet ist. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann es sich bei dem Fokussierelement um ein optisches Element mit einer konstanten Brennweite handeln, beispielsweise um eine Fokussierlinse oder ggf. um einen Fokussierspiegel. Neben der Brennweite des Fokussierelements lässt sich typischerweise auch die Anordnung des Fokussierelements im Strahlengang des Bearbeitungsstrahls in der Regel nicht verändern.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Bestrahlungseinrichtung zur Markierung eines in dem ebenen Bearbeitungsfeld angeordneten Werkstücks, genauer gesagt einer dort angeordneten Werkstückoberfläche, ausgebildet. Die Bestrahlungseinrichtung kann zur Markierung (bzw. Beschriftung und/oder Kennzeichnung) des Werkstücks beispielsweise eine Strahlquelle in Form eines Stablasers oder dergleichen aufweisen, wie dies in der DE 20 2013 100 969 U1 beschrieben ist. Gegebenenfalls kann bei einer solchen Bestrahlungseinrichtung nur ein Scannerspiegel vorgesehen sein, d.h. der Bearbeitungsstrahl kann von der Scannereinrichtung nur in einer Raumrichtung abgelenkt werden. Eine zweidimensionale Markierung des Werkstücks kann in diesem Fall dadurch erfolgen, dass das Werkstück in einer zweiten, typischerweise zur ersten senkrechten Raumrichtung verschiebbar gelagert ist. Eine zweidimensionale Markierung kann auch erfolgen, wenn der Scannerspiegel um zwei Achsen bzw. in zwei Raumrichtungen schwenkbar ist.
Die Erfindung betrifft auch eine Bearbeitungsmaschine zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen durch Bestrahlen von Pulverschichten, umfassend: eine Bestrahlungseinrichtung wie sie weiter oben beschrieben ist, sowie eine Bearbeitungskammer mit einem ebenen Bearbeitungsfeld, in dem die zu bestrahlende Pulverschicht anordenbar ist. Typischerweise sind für die Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen durch das Bestrahlen von Pulverschichten höhere Leistungen erforderlich als für Beschriftungsanwendungen, weshalb die Strahlquelle der Bestrahlungseinrichtung bei einer solchen Bearbeitungsmaschine in der Regel eine höhere Leistung sowie ggf. eine andere Wellenlänge aufweist als dies bei einer Strahlquelle für eine Bestrahlungseinrichtung für Beschriftungsanwendungen der Fall ist. Bei der Strahlquelle kann es sich in diesem Fall - aber auch bei Markierungsanwendungen - beispielsweise um einen Faserlaser handeln.
Die Bearbeitungsmaschine dient zum lokalen Aufschmelzen eines Pulverbetts bzw. einer Pulverschicht, die in dem ebenen Bearbeitungsfeld der Scannereinrichtung angeordnet ist, um durch die so genannte „laser metal fusion“ (LMF) eine Schicht des dreidimensionalen Bauteils zu erzeugen. Auf der Höhe des ebenen Bearbeitungsfeldes ist typischerweise eine Arbeitsfläche in der Bearbeitungskammer angeordnet.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Bestrahlungseinrichtung mit einer Scannereinrichtung und einer Fokussiereinrichtung zur Markierung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls,
2a eine Detaildarstellung der Bestrahlungseinrichtung von 1 mit einer Fokussiereinrichtung, die zur Fokussierung des Laserstrahls auf zwei unterschiedliche Positionen des Bearbeitungsfeldes zwei unterschiedlichen Brennweiten erzeugt,
2b eine Detaildarstellung des Laserstrahls bei der Fokussierung des Laserstrahls auf zwei unterschiedliche Positionen des Bearbeitungsfeldes ohne eine Veränderung der Brennweite, sowie
3 eine Darstellung einer Bearbeitungsmaschine zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen durch Bestrahlen von Pulverschichten mittels einer Bestrahlungseinrichtung, die analog zu 1 aufgebaut ist.

In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer Bestrahlungseinrichtung 1 für die Markierung eines Werkstücks 2. Die Bestrahlungseinrichtung 1 weist eine Strahlquelle 3 in Form eines Stablasers mit einem Laserstab 4 als aktivem Lasermedium auf. Es versteht sich, dass an Stelle eines Stablasers auch eine andere Laserstrahlquelle in der Bestrahlungseinrichtung 1 verwendet werden kann. Die Strahlquelle 3 in Form des Stablasers emittiert einen Bearbeitungsstrahl 5 in Form eines Laserstrahls, der auf eine Fokussiereinrichtung 6 trifft, die dazu dient, den Laserstrahl 5 auf das Werkstück 2 zu fokussieren. Die Fokussiereinrichtung 6 weist zu diesem Zweck eine veränderliche (Gesamt-)Brennweite f auf, wie weiter unten näher beschrieben wird.
Der Laserstrahl 5 trifft nach dem Durchlaufen der Fokussiereinrichtung 6 auf eine Scannereinrichtung 7, die im gezeigten Beispiel zwei Scannerspiegel 9a, 9b aufweist, die jeweils über einen Galvanometerantrieb 8a, 8b gedreht bzw. verschwenkt werden können, wie in 1 jeweils durch einen Doppelpfeil angedeutet ist. Die Scannereinrichtung 7 bzw. die beiden Scannerspiegel 9a, 9b ermöglichen eine zweidimensionale Ablenkung des Laserstrahls 5 in einem ebenen Bearbeitungsfeld E, das in 1 schematisch in Form eines Quadrats auf dem Werkstück 2 angedeutet ist. Das Bearbeitungsfeld E wird durch die maximale Auslenkung bzw. die maximalen Drehwinkel der Scannerspiegel 9a, 9b begrenzt. Die beiden Scannerspiegel 9a, 9b sind in 1 so angeordnet, dass der erste Scannerspiegel 9a bei der Drehung um seine Drehachse den Laserstrahl 5 in Y-Richtung eines in 1 gezeigten XYZ-Koordinatensystems ablenkt, während der zweite Scannerspiegel 9b den Laserstrahl 5 in X-Richtung ablenkt.
Die Bewegung der beiden Galvanometerantriebe 8a, 8b zur Ablenkung des Laserstrahls 5 und die Fokussiereinrichtung 6, genauer gesagt deren Brennweite f, werden mittels einer Steuerungseinrichtung 10 gesteuert. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel wird auf dem Werkstück 2 eine Bahnkurve B in Form einer geraden Linie zwischen einer ersten Position X₁, Y₁ und einer zweiten Position X₂, Y₂ in dem ebenen Bearbeitungsfeld E erzeugt, indem der Bearbeitungsstahl 5 mit Hilfe der Scannereinrichtung 7 in dem ebenen Bearbeitungsfeld E bewegt wird. Zur Vereinfachung der Darstellung verläuft die Linie zwischen den beiden Positionen X₁, Y₁ bzw. X₂, Y₂ des ebenen Bearbeitungsfeldes E in Y-Richtung, d.h. es wird nur der zweite Scannerspiegel 9b verschwenkt, um den Bearbeitungsstrahl 5 von der ersten Position X₁, Y₁ an die zweite Position X₂, Y₂ zu bewegen. Es versteht sich aber, dass die beiden Positionen X₁, Y₁; X₂, Y₂ in dem ebenen Bearbeitungsfeld E grundsätzlich beliebig gewählt werden können und dass es sich bei der Bahnkurve B nicht zwingend um eine gerade Linie handelt.
2a zeigt ein Detail der Bestrahlungseinrichtung 1 von 1, bei dem zur Vereinfachung der Darstellung nur der zweite Scannerspiegel 9b der Scannereinrichtung 7 dargestellt ist. Im Strahlweg vor dem Scannerspiegel 9b bzw. vor der Scannereinrichtung 7 ist die Fokussiereinrichtung 6 mit einer ersten, statischen Fokussierlinse 11 mit konstanter Brennweite sowie einer zweiten, in Strahlrichtung des Bearbeitungsstrahls 5 verschiebbaren Fokussierlinse 12 angeordnet. Zur Verschiebung der zweiten Fokussierlinse 12 in Strahlrichtung des Bearbeitungsstrahls 5 dient eine Verschiebeeinrichtung, die in 2a durch einen Doppelpfeil angedeutet ist.
Durch die Verschiebung der zweiten Fokussierlinse 12 kann die (Gesamt-)Brennweite der Fokussiereinrichtung 6 verändert werden, und zwar derart, dass die Fokus-Position Z₁, Z₂ an den beiden (beliebigen) Positionen X₁, Y₁ bzw. X₂, Y₂ in Z-Richtung stets auf Höhe des ebenen Bearbeitungsfelds E in Z-Richtung liegt. Für den Fall, dass der Ursprung der Z-Achse auf der Höhe des ebenen Bearbeitungsbereichs E liegt, gilt Z₁ = Z₂ = 0. Wie in 2a zu erkennen ist, wird eine erste Brennweite f₁ der Fokussiereinrichtung 6 an der ersten Position X₁, Y₁, in welcher der Bearbeitungsstrahl 5 senkrecht auf den ebenen Bearbeitungsbereich E auftrifft und welche das Zentrum des Bearbeitungsfeldes E bildet, zu diesem Zweck auf eine zweite Brennweite f₂ an der zweiten Position X₂, Y₂ vergrößert. An der zweiten Position X₂, Y₂ ist der zweite Scannerspiegel 9b um einen Ablenkwinkel α gegenüber der senkrechten Ausrichtung an der ersten Position X₁, Y₁ verschwenkt. Die Differenz der zweiten Brennweite f₂ zur ersten Brennweite f₁ ist so gewählt, dass die Längendifferenz zwischen der in 2a dargestellten Kreisbahn 13, die der Bearbeitungsstrahl 5 bei der Beibehaltung der ersten Brennweite f₁ zu dem ebenen Bearbeitungsfeld E aufweisen würde, und dem ebenen Bearbeitungsfeld E genau ausgeglichen wird. Ohne eine solche Veränderung der Brennweite f der Fokussiereinrichtung 6 würde eine Defokussierung des Bearbeitungsstrahls 5 in dem ebenen Bearbeitungsbereich E auftreten, die typischerweise unerwünscht ist, da diese zu einer ungewollten Verbreiterung der Linienstärke bei der Markierung des Werkstücks 2 führen würde. Durch die Vergrößerung der Linienstärke bzw. der bestrahlten Fläche ist die Intensität des Laserstrahls 5 geringer, wodurch ggf. ein anderer Markierungsprozess oder - beim Unterschreiten einer für das Markieren erforderlichen Intensitätsschwelle - keine Markierung des Werkstücks 2 erfolgt.
2b zeigt den Fall, dass die beiden Positionen X₁, Y₁ bzw. X₂, Y₂ in dem ebenen Bearbeitungsfeld E einen vergleichsweise kleinen Abstand A von etwa 20 mm sowie einen Ablenkwinkel α von ca. 7,5° zueinander aufweisen. Der Bearbeitungsstrahl 5 in Form des Laserstrahls kann im Bereich der Strahltaille in guter Näherung mit den Parametern eines Gaußstrahls beschrieben werden, d.h. durch einen (minimalen) Radius R des Strahlquerschnitts sowie durch die Rayleighlänge Z_R in Strahlrichtung des Laserstrahls 5, bei welcher die Querschnittsfläche auf das Doppelte ansteigt, wie dies in 2b angedeutet ist. Für die Rayleighlänge Z_R, den minimalen Radius r und die Wellenlänge λ₀ des Laserstrahls 5 gilt bei Luft (n= 1,0) als umgebendem Medium: Z_R = π r² / λ₀. Für das Beispiel eines Laserstrahls 5 mit einer Wellenlänge λ₀ von ca. 1064 nm und einem Fokusdurchmesser 2 r von ca. 100 µm ergibt sich eine Rayleighlänge Z_R von etwas mehr als 7 mm. Da sich innerhalb der Rayleighlänge Z_R die Querschnittsfläche des Laserstrahls 5 verdoppelt, kann man den Laserstrahl 5 über vergleichsweise große Ablenkwinkel α zwischen den beiden Positionen X₁, Y₁ bzw. X₂, Y₂ auslenken, ohne dass die Querschnittsfläche des Laserstrahls 5 in dem ebenen Bearbeitungsbereich E signifikant zunimmt. So liegt beispielsweise bei dem in 2b gezeigten Beispiel die Differenz Δf zwischen der Brennweite f₁ an der ersten Position X₁, Y₁ in dem ebenen Bearbeitungsfeld E und der Brennweite f₂ an der zweiten Position X₂, Y₂, die zur Fokussierung des Bearbeitungsstrahls 5 auf das ebene Bearbeitungsfeld E benötigt würde, unterhalb der Rayleighlänge Z_R, wobei bei dem in 2b gezeigten Beispiel ungefähr gilt Δf < Z_R / 2.
Wie in 2b ebenfalls zu erkennen ist, liegt für den Fall, dass bei der Bewegung des Bearbeitungsstrahls 5 von der ersten Position X₁, Y₁ in dem ebenen Bearbeitungsbereich E an die zweite Position X₂, Y₂ in dem ebenen Bearbeitungsbereich E die Brennweite f₁ der Fokussiereinrichtung 6 für die erste Position X₁, Y₁ beibehalten wird, die Querschnittsfläche des Laserstrahls 5 in dem ebenen Bearbeitungsbereich E unter dem Doppelten der minimalen Querschnittsfläche an der Strahltaille des Laserstrahls 5. Daher kann bei dem in 2b gezeigten Beispiel bei der Bewegung des Laserstrahls 5 die Brennweite f₁ an der ersten Position X₁, Y₁ - oder ggf. eine andere (konstante) Brennweite, z.B. der Mittelwert aus den beiden Brennweiten f_M = (f₁ + f₂) / 2 - beibehalten werden, d.h. es ist nicht erforderlich, bei einer solchen Bewegung des Laserstrahls 5 von der ersten Position X₁, Y₁ an die zweite Position X₂, Y₂ die bewegliche Linse 12 der Fokussiereinrichtung 6 zu verschieben.
Bei dem in 2a,b gezeigten Beispiel, bei dem die erste Position X₁, Y₁ dem Zentrum des ebenen Bearbeitungsfeldes E entspricht und bei dem die zweite Position X₂, Y₂ einen maximalen Abstand vom Zentrum des Bearbeitungsfelds E entlang der Bahnkurve B aufweist, entspricht die Brennweite f₁ der Fokussiereinrichtung 7 an der ersten Position X₁, Y₁ der minimalen Brennweite f_min entlang der Bahnkurve B und die Brennweite f₂ der Fokussiereinrichtung 7 an der zweiten Position X₂, Y₂ entspricht der maximalen Brennweite f_max entlang der Bahnkurve B. Es versteht sich, dass die Positionen X₁, Y₁ bzw. X₂, Y₂, an denen die minimale Brennweite f_min und die maximale Brennweite f_max entlang der Bahnkurve B eingenommen werden, nicht mit den Endpunkten X₁, Y₁ bzw. X₂, Y₂ der Bahnkurve B übereinstimmen müssen.
Die Steuerungseinrichtung 10 steuert in diesem Fall, bei dem die Differenz Δf = f_max - f_min zwischen der maximalen Brennweite f_max an der zweiten Position X₂, Y₂ und der minimalen Brennweite f_min an der ersten Position X₁, Y₁ unter einem Schwellwert Δfs liegt, der typischerweise von der Rayleighlänge Z_R abhängt und insbesondere der Rayleighlänge Z_R entspricht (Δf_S = Z_R) oder ein Bruchteil der Rayleighlänge Z_R ist, die Fokussiereinrichtung 6 derart an, dass die bewegliche Linse 12 nicht verschoben wird. Auf diese Weise kann der Verschleiß der Fokussiereinrichtung 6 reduziert und deren Lebensdauer erhöht werden.
Für den Fall, dass der Steuerungseinrichtung 10 für die Steuerung der Galvanoantriebe 8a, 8b und der Fokussiereinrichtung 7 nur zweidimensionale Koordinaten (d.h. nur die Positionen in X- und in Y-Richtung) zur Verfügung gestellt werden, kann die Steuerungseinrichtung 10 mit Hilfe des Schwellwerts Δf_S diejenigen Vektoren zwischen zwei Punkten X₁, Y₁ bzw. X₂, Y₂ identifizieren, an denen an Stelle der (konstanten) Fokus-Position Z = 0, die dem ebenen Bearbeitungsfeld E entspricht, eine Fokus-Position in Z-Richtung verwendet werden kann, die von dem ebenen Bearbeitungsfeld E abweicht. Bei dem in 2b gezeigten Beispiel kann an der ersten Position X₁, Y₁ die Fokus-Position Z₁ = 0 auf der Höhe des ebenen Bearbeitungsfeldes E gewählt werden, während an der zweiten Position X₂, Y₂ eine Fokus-Position Z₂ in Z-Richtung verwendet wird, die auf einer Kugelschale 13 liegt, die an das ebene Bearbeitungsfeld E angrenzt bzw. dieses tangiert und deren Radius R dem Abstand in Z-Richtung zwischen dem zweiten Scannerspiegel 9b und dem ebenen Bearbeitungsbereich E entspricht. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann durch die Vorgabe der beiden Fokus-Positionen Z₁, Z₂, sowie weiterer Fokus-Positionen, die auf der Kugelschale 13 liegen und die weiteren Positionen entlang der Bahnkurve B entsprechen, die Brennweite f₁ der Fokussiereinrichtung 6 für die Bahnkurve B bzw. die Linie zwischen der ersten Position X₁, Y₁ und der zweiten Position X₂, Y₂ konstant gehalten werden.
Es versteht sich, dass alternativ der Fokussiereinrichtung 6 ein Steuerbefehl vorgegeben werden kann, die ein Verfahren der zweiten Linse 12 in Strahlrichtung des Bearbeitungsstrahls 5 verhindert, wenn der zweite Scannerspiegel 9b verschwenkt wird, um den Bearbeitungsstrahl 5 in dem ebenen Bearbeitungsfeld E entlang der Bahnkurve B von der ersten Position X₁, Y₁ an die zweite Position X₂, Y₂ zu bewegen. Äquivalent bzw. alternativ zur dem Schwellwert Δf in Form der Differenz f₁ - f₂ zwischen den Brennweiten f₁, f₂ kann ggf. auch die maximale Differenz ΔZ = Z₁ - Z₂ zwischen den Fokus-Positionen Z₁, Z₂ in Z-Richtung auf der Kugelschale 13, welche das Bearbeitungsfeld E tangential berührt, entlang der Bahnkurve B mit einem Schwellwert ΔZ_S verglichen werden, der von der Rayleighlänge Z_R des Laserstrahls 5 abhängig ist. Im gezeigten Beispiel wird der minimale Wert der Fokus-Position Z₁ = 0 an der ersten Position X₁, Y₁ angenommen und der maximale Wert der Fokus-Position Z₂ = 3 mm wird an der zweiten Position X₂, Y₂ angenommen, d.h. es gilt ΔZ = | Z₂ - Z₁ | = 3 mm. Diese Differenz ΔZ ist kleiner als der Schwellwert ΔZ_S, der im gezeigten Beispiel ebenfalls der halben Rayleighlänge Z_R / 2 entspricht.
3 zeigt eine Bearbeitungsmaschine 15, die eine Bestrahlungseinrichtung 1 aufweist, bei der wie in 2a zur Vereinfachung der Darstellung nur der zweite Scannerspiegel 9b der Scannereinrichtung 7 dargestellt ist. Die Bestrahlungseinrichtung 1 von 3 unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Bestrahlungseinrichtung 1 lediglich dadurch, dass als Strahlquelle 3 ein Faserlaser verwendet wird, der eine Leistung von z.B. mehr als 1 kW erzeugt. Die Bestrahlungseinrichtung 1 dient zur Bestrahlung einer in einer Bearbeitungskammer 16 angeordneten Pulverschicht 14, welche die oberste Schicht eines Pulverbetts 19 bildet, in dem ein dreidimensionales Bauteil 20, genauer gesagt die bereits hergestellten Schichten des dreidimensionalen Bauteils 20, eingebettet sind.
Für das Erzeugen einer neuen Schicht des dreidimensionalen Bauteils 20 wird zunächst aus einem in der Bearbeitungskammer 16 angeordneten Pulverreservoir-Behälter 22 Pulver entnommen und von einem Pulverreservoir-Bereich 18, in dem der Pulverreservoir-Behälter 22 sich befindet, in den Bauplattformbereich 17 verbracht. Im gezeigten Beispiel wird zu diesem Zweck eine nicht näher dargestellte Schiebevorrichtung verwendet, welche das Pulver von dem Pulverreservoir-Bereich 18 in den Bauplattformbereich 17 überführt, indem das Pulver auf der Oberseite einer in der Bearbeitungsebene E befindlichen Arbeitsfläche verschoben wird. Ein Stempel 21 in dem Bauplattformbereich 17 und somit das Pulverbett 19 wird parallel um die Schichtdicke einer Pulverschicht nach unten verschoben, wie in 3 durch einen Pfeil angedeutet ist, bevor die Bestrahlung der (neuen) Pulverschicht 14 in dem Bauplattformbereich 17 durchgeführt wird.
Ein ebenes Bearbeitungsfeld E für die Durchführung der Bestrahlung der Pulverschicht 14 ist seitlich durch den Bauzylinder des Bauplattformbereichs 17 begrenzt. Die Abmessung des ebenen Bearbeitungsfeldes E, die beispielsweise bei ca. 30 cm liegen kann, ist an den (maximalen) Umlenkwinkel α des Bearbeitungsstrahls 5 durch die Scannereinrichtung 7 angepasst, d.h. die ScannerSpiegel 9a, 9b können so weit um ihre jeweilige Drehachse gedreht werden, dass jeder Ort des ebenen Bearbeitungsfeldes E erreicht werden kann.
Wie im Zusammenhang mit 1 und mit 2a,b beschrieben wurde, kann auch bei der in 3 beschriebenen Bearbeitungsmaschine 15 die Brennweite der Fokussiereinrichtung 6 konstant gehalten werden, wenn die Differenz Δf = f_max - f_min zwischen der maximalen Brennweite f_max und der minimalen Brennweite f_min, die entlang der Bahnkurve B auftreten, unter einem Schwellwert Δf_S liegt. Auch die maximale Differenz ΔZ zwischen den Fokus-Positionen Z₁, Z₂ in Z-Richtung, die entlang der Bahnkurve B auftreten, kann wie weiter oben beschrieben mit einem Schwellwert ΔZ_S verglichen werden, um zu prüfen, ob die Brennweite der Fokussiereinrichtung 6 entlang der Bahnkurve B konstant gehalten werden kann. Auf diese Weise kann auch bei der in 3 gezeigten Bearbeitungsmaschine 15 die Lebensdauer der Fokussiereinrichtung 6 erhöht werden.

Claims

Bestrahlungseinrichtung (1), umfassend: eine Strahlquelle (3) zur Erzeugung eines Bearbeitungsstrahls (5), eine Scannereinrichtung (7) mit mindestens einem Scannerspiegel zum Ausrichten des Bearbeitungsstrahls (5) auf ein ebenes Bearbeitungsfeld (E), eine Fokussiereinrichtung (6), die zur Fokussierung des Bearbeitungsstrahls (5) in dem ebenen Bearbeitungsfeld (E) eine veränderbare Brennweite (f, f₁, f₂) aufweist, eine Steuerungseinrichtung (10), die ausgebildet ist, die Fokussiereinrichtung (6) anzusteuern, so dass sich die Brennweite (f) der Fokussiereinrichtung (6) bei der Bewegung des Bearbeitungsstrahls (5) entlang einer Bahnkurve (B) in dem ebenen Bearbeitungsfeld (E) nicht verändert, wenn bei der Bewegung des Bearbeitungsstrahls (5) entlang der Bahnkurve (B) eine Differenz (Δf = f_max - f_min) zwischen einer maximalen Brennweite (f_max) und einer minimalen Brennweite (f_min) der Fokussiereinrichtung (6), die zur Fokussierung des Bearbeitungsstrahls (5) in dem ebenen Bearbeitungsfeld (E) erforderlich sind, unter einem Schwellwert (Δf_S) liegt, oder wenn bei der Bewegung des Bearbeitungsstrahls (5) entlang der Bahnkurve (B) unter Beibehaltung der Brennweite (f₁) eine maximale Differenz (ΔZ = Z₂ - Z₁) zwischen den Fokus-Positionen (Z₂, Z₁) des Bearbeitungsstrahls (5) senkrecht zum Bearbeitungsfeld (E) unter einem Schwellwert (ΔZ_S) liegt, dadurch gekennzeichnet dass die Fokussiereinrichtung (6) zur Veränderung der Brennweite (f₁, f₂) mindestens ein im Strahlengang des Bearbeitungsstrahls (5) vor dem mindestens einen Scannerspiegel (9a, 9b) angeordnetes, in Strahlrichtung des Bearbeitungsstrahls (5) verschiebbar angeordnetes und/oder in der Brennweite (f) veränderbares optisches Element (12) aufweist.
Bestrahlungseinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Strahlquelle (3) zur Erzeugung eines Laserstrahls (5) ausgebildet ist und bei der die Steuerungseinrichtung (10) ausgebildet ist, den Schwellwert (Δf_S, ΔZ_S) in Abhängigkeit von einer Rayleighlänge (Z_R) des Laserstrahls (5) festzulegen.
Bestrahlungseinrichtung nach Anspruch 2, bei welcher der Schwellwert (Δf_S, ΔZ_S) nicht größer als die Rayleighlänge (Z_R) des Laserstrahls (5) ist.
Bestrahlungseinrichtung nach Anspruch 2, bei welcher der Schwellwert (Δf_S, ΔZ_S) nicht größer als die Hälfte der Rayleighlänge (Z_R) des Laserstrahls (5) ist.
Bestrahlungseinrichtung nach Anspruch 2, bei welcher der Schwellwert (Δf_S, ΔZ_S) nicht größer als ein Fünftel der Rayleighlänge (Z_R) des Laserstrahls (5) ist.
Bestrahlungseinrichtung nach Anspruch 2, bei welcher der Schwellwert (Δf_S, ΔZ_S) nicht größer als ein Zehntel der Rayleighlänge (Z_R) des Laserstrahls (5) ist.
Bestrahlungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuerungseinrichtung (10) ausgebildet ist, für Positionen (X₁, Y₁; X₂, Y₂; ...) entlang der Bahnkurve (B) in dem ebenen Bearbeitungsfeld (E) Fokus-Positionen (Z₁, Z₂, ...) senkrecht zu dem ebenen Bearbeitungsfeld (E) zu bestimmen, die auf einer gemeinsamen Kugelschale (13) liegen, die das ebene Bearbeitungsfeld (E) tangential berührt und deren Radius (R) mit dem Abstand zwischen dem Scannerspiegel (9b) und dem ebenen Bearbeitungsfeld (E) übereinstimmt.
Bestrahlungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Fokussiereinrichtung (6) ein Fokussierelement (11) aufweist, das im Strahlengang des Bearbeitungsstrahls (5) vor dem mindestens einen Scannerspiegel (9a, 9b) angeordnet ist.
Bestrahlungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die zur Beschriftung eines in dem ebenen Bearbeitungsfeld (E) angeordneten Werkstücks (2) ausgebildet ist.
Bearbeitungsmaschine (15) zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen (20) durch Bestrahlen von Pulverschichten (14), umfassend: eine Bestrahlungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, sowie eine Bearbeitungskammer (16) mit einem ebenen Bearbeitungsfeld (E), in dem die zu bestrahlende Pulverschicht (16) anordenbar ist.