DE102019201474A1 - DEVICE FOR GENERATIVE ASSEMBLY OF A COMPONENT - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum generativen Aufbauen eines Bauteils (2), mit einer Werkstoffaufnahme (4) zum Aufnehmen eines formlos oder formneutral vorgehaltenen Werkstoffs (3), einer Strahlquelle (7) zur Emission eines Strahls (6) zum Bestrahlen der Werkstoffaufnahme (4) an einer Baufläche (5), einer Verkippeinheit (8), mittels welcher der Strahl (6) über die Baufläche (5) bewegbar ist, und einer Verzerroptik (10), über welche der Strahl (6) der Baufläche (5) vorgelagert geführt ist, wobei die Verzerroptik (10) den Strahl (6) bei einem schrägen Einfall auf die Baufläche (5) solchermaßen verzerrt, dass ein Querschnittsprofil (6.1) des Strahls (6)- in einer Einfallsebene (30), die von dem Strahl (6) und einer Flächennormalen (11) auf der Baufläche (5) aufgespannt wird, gestaucht wird, und/oder- in einer zu der Einfallsebene (30) senkrechten Transversalebene (31) geweitet wird.The present invention relates to a device (1) for the generative construction of a component (2), with a material receptacle (4) for receiving a material (3) held in an informal or neutral manner, a beam source (7) for emitting a beam (6) for irradiation the material receptacle (4) on a construction surface (5), a tilting unit (8), by means of which the beam (6) can be moved over the construction surface (5), and distortion optics (10) over which the beam (6) of the construction surface (5) is guided upstream, the distortion optics (10) distorting the beam (6) at an oblique incidence on the construction surface (5) in such a way that a cross-sectional profile (6.1) of the beam (6) - in a plane of incidence (30), which is spanned by the beam (6) and a surface normal (11) on the construction surface (5), is compressed, and / or is widened in a transverse plane (31) perpendicular to the plane of incidence (30).
Description
Technisches GebietTechnical field
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum generativen Aufbauen eines Bauteils.The present invention relates to a device for the generative construction of a component.
Stand der TechnikState of the art
Generative Fertigungsverfahren erlauben nicht nur einen schnellen Aufbau von Prototypen, sondern es können bspw. auch aufgrund ihrer Geometrie anderweitig schwer herzustellende Bauteile bzw. Bauteile mit bestimmten Materialeigenschaften hergestellt werden. Der Aufbau erfolgt schichtweise, und es lassen sich auch Geometrien erzeugen, die bspw. mit einem gießtechnischen Verfahren nicht zugänglich wären. Bei sogenannten Pulverbettverfahren wird der Werkstoff in Pulverform vorgehalten und sequenziell Schicht für Schicht aufgetragen. Nach dem Auftragen einer jeweiligen Schicht wird diese selektiv bestrahlt und so in einem gewünschten Bereich verfestigt, durch Aufschmelzen des Pulvers infolge der Bestrahlung. Anschließend wird die nächste Pulverschicht aufgetragen und gemäß der herzustellenden Bauteilgeometrie bereichsweise verfestigt.Generative manufacturing processes not only allow prototypes to be set up quickly, but because of their geometry it is also possible to manufacture components or components with certain material properties that are otherwise difficult to manufacture. The structure is built up in layers, and geometries can also be created that would not be accessible, for example, with a casting process. In so-called powder bed processes, the material is kept in powder form and applied sequentially layer by layer. After the application of a respective layer, it is selectively irradiated and thus solidified in a desired area by melting the powder as a result of the irradiation. The next powder layer is then applied and solidified in some areas according to the component geometry to be produced.
Eine entsprechende Fertigungsvorrichtung weist eine Werkstoffaufnahme auf, in welcher der formlos bzw. -neutral vorgehaltene Werkstoff angeordnet wird. Zur Bestrahlung ist eine Strahlquelle vorgesehen, deren Strahl mittels einer Verkippeinheit über die Werkstoffaufnahme, also über eine Baufläche bewegt werden kann. In Verbindung mit einem selektiven Ein- und Ausschalten der Bestrahlung kann eine jeweilige Schicht an der Baufläche jeweils in einem bestimmten Bereich bestrahlt und kann der Werkstoff damit bereichsweise verfestigt werden.A corresponding manufacturing device has a material receptacle in which the informal or neutral material is arranged. A radiation source is provided for the radiation, the beam of which can be moved by means of a tilting unit over the material receptacle, that is to say over a construction surface. In conjunction with a selective switching on and off of the radiation, a respective layer on the construction surface can be irradiated in a specific area and the material can thus be solidified in some areas.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine besonders vorteilhafte Vorrichtung zum generativen Aufbauen eines Bauteils anzugeben.The present invention is based on the technical problem of specifying a particularly advantageous device for the generative construction of a component.
Dies wird erfindungsgemäß mit der Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Diese weist zusätzlich zu Strahlquelle und Verkippeinheit eine Verzerroptik auf, über welche der Strahl der Baufläche vorgelagert geführt wird. Mit der Verzerroptik wird das Querschnittsprofil des Strahls bei einem schrägen Einfall auf die Baufläche verzerrt. Damit kann einer Verzerrung der Spotform entgegengewirkt werden, die sich bei einem schräg einfallenden Strahl aus Geometriegründen ergibt. Stellt man sich den Strahl bspw. als Zylinder vor, resultiert auf der Baufläche bei dem schrägen Einfall eine elliptische Form (schräger Zylinderschnitt). Bei einem solchen elliptischen oder generell verzerrten Spot kann die eingekoppelte Energie dann z. B. abhängig von der Scanrichtung unterschiedlich groß sein. So wird bspw. bei einer Bewegung entlang der großen Ellipsenhalbachse (longitudinal) lokal mehr Energie eingebracht als bei einer Bewegung entlang der kleinen Ellipsenhalbachse (transversal). Dieser Problematik kann mit der Verzerroptik vorgebeugt werden. Vereinfacht zusammengefasst kann der Strahl damit der Baufläche vorgelagert so verzerrt werden, dass eine Verzerrung infolge des schrägen Einfalls kompensiert wird, der resultierende Spot also verzerrungsfrei ist.This is achieved according to the invention with the device according to
Weitere bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Verfahrens- und Vorrichtungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Wird bspw. eine bestimmte verfahrensgemäße Ausgestaltung beschrieben, ist dies auch auf eine Vorrichtung zu lesen, die zur Durchführung eines entsprechenden Verfahrens eingerichtet ist.Further preferred embodiments can be found in the dependent claims and the entire disclosure, wherein the representation of the features does not always differentiate in detail between method and device aspects; in any case, the disclosure is to be read implicitly with regard to all claim categories. If, for example, a specific embodiment in accordance with the method is described, this should also be read on a device which is set up to carry out a corresponding method.
Im Einzelnen wird der Verzerrung des Spots bei schrägem Einfall entgegengewirkt, indem mit der Verzerroptik ein Querschnittsprofil des Strahls
- - in einer Einfallsebene gestaucht wird und/oder
- - in einer zu der Einfallsebene senkrechten Transversalebene geweitet wird.
- - is compressed in a plane of incidence and / or
- - is expanded in a transverse plane perpendicular to the plane of incidence.
Die Einfallsebene spannt der Strahl, insbesondere seine Mittenachse, gemeinsam mit einer Flächennormalen auf der Baufläche auf. Die Mittenachse liegt mittig im Strahlund durchsetzt die Baufläche dort, wo die Flächennormale ihren Fußpunkt hat (mittig im Spot). Die zur Einfallsebene senkrechte Transversalebene beinhaltet ebenfalls die Mittenachse des Strahls; in anderen Worten ergibt sich die Mittenachse des Strahls als Schnittlinie von Einfalls- und Transversalebene.The beam, especially its central axis, spans the plane of incidence together with a surface normal on the construction surface. The center axis lies in the center of the beam and passes through the construction area where the surface normal has its base (in the center of the spot). The transverse plane perpendicular to the plane of incidence also contains the central axis of the beam; in other words, the center axis of the beam is the intersection of the plane of incidence and the transverse plane.
Das Querschnittsprofil des Strahls wird in einer zu dessen Mittenachse senkrechten Ebene betrachtet, und zwar der Baufläche vorgelagert (bevor der Strahl auf die Baufläche trifft). Die Angaben „vorgelagert“ und „nachgelagert“ beziehen sich generell auf die Strahlungsrichtung, also den Pfad des Strahls von der Strahlquelle zur Baufläche. Soweit auf die Ausbreitung des Strahls bzw. dessen Profil Bezug genommen wird, ist dies hinsichtlich der Vorrichtung dahingehend zu lesen, dass diese für einen Betrieb eingerichtet ist, in dem eine solche Strahlausbreitung erfolgt.The cross-sectional profile of the beam is viewed in a plane perpendicular to its center axis, namely in front of the construction area (before the beam hits the construction area). The information "upstream" and "downstream" generally refers to the radiation direction, i.e. the path of the beam from the beam source to the construction area. Insofar as reference is made to the spread of the beam or its profile, this is to be read with regard to the device in such a way that it is set up for an operation in which such beam spread takes place.
In bevorzugter Ausgestaltung hat der Strahl der Verzerroptik vorgelagert ein kreisförmiges und der Verzerroptik nachgelagert ein ellipsenförmiges Querschnittsprofil. Trifft ein solcher, ellipsenförmig verzerrter Strahl dann auf die Baufläche, ergibt dies dort einen kreisförmigen Spot. Das ellipsenförmige Querschnittsprofil kann dabei insbesondere derart orientiert sein, dass eine Schnittlinie mit der Einfallsebene die kleine Halbachse ergibt und eine Schnittlinie mit der Transversalebene die große Halbachse ergibt.In a preferred embodiment, the beam has a circular cross-section in front of the Verzerroptik and an elliptical cross-section profile downstream of the Verzerroptik. Meets such an ellipse distorted beam then onto the construction area, this results in a circular spot. The elliptical cross-sectional profile can in particular be oriented such that a line of intersection with the plane of incidence produces the small semi-axis and a line of intersection with the transverse plane results in the large semi-axis.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verzerroptik adaptiv, lässt sich also die Stärke der Verzerrung einstellen. Der Strahl bzw. dessen Querschnittsprofil kann damit umso stärker verzerrt werden, je schräger er auf die Baufläche fällt, je größer also der Einfallswinkel ist. Letzterer wird zwischen der Mittenachse des Strahls und einer im Spot in die Baufläche gelegten Flächennormalen genommen. Mit der Adaption kann überall auf der Baufläche ein Spot der gleichen Form erzeugt werden, vorzugsweise auch derselben Größe (Radius bzw. Durchmesser) und Intensitätsverteilung.According to a preferred embodiment, the distortion optics are adaptive, that is, the strength of the distortion can be adjusted. The beam or its cross-sectional profile can thus be distorted the more, the more obliquely it falls on the construction surface, the greater the angle of incidence. The latter is taken between the center axis of the beam and a surface normal placed in the spot in the construction area. With the adaptation, a spot of the same shape can be created anywhere on the construction surface, preferably also of the same size (radius or diameter) and intensity distribution.
In bevorzugter Ausgestaltung ist zusätzlich eine dynamische Fokussiereinheit vorgesehen, mit welcher sich der Strahlquerschnitt ohne Verzerrung verkleinern und vergrößern lässt. Damit kann der Strahl bei unterschiedlichen Einfallswinkeln unterschiedlich stark fokussiert werden, um einer Variation der Spotgröße, die sich infolge der unterschiedlich starken Verzerrung ergeben würde, entgegenzuwirken. Fällt der Strahl also unter einem größeren Einfallswinkel auf die Baufläche und wird er mit der Verzerroptik entsprechend stärker verzerrt, kann durch eine stärkere Fokussierung im Ergebnis dieselbe Spotgröße wie bei einem kleineren Einfallswinkel erreicht werden, bei dem der Strahl mit der Verzerreinheit weniger verzerrt und auch mit der Fokussiereinheit weniger fokussiert wird. Als Fokussiereinheit kann bspw. ein (um die optische Achse rotationssymmetrisches) Linsensystem vorgesehen sein, wobei sich die unterschiedliche Fokussierung durch einen Relativversatz der Linsen erreichen lässt.In a preferred embodiment, a dynamic focusing unit is additionally provided, with which the beam cross section can be reduced and enlarged without distortion. The beam can thus be focused to different degrees at different angles of incidence in order to counteract a variation in the spot size that would result from the different levels of distortion. If the beam falls on the building surface at a larger angle of incidence and if the distortion optics distort it correspondingly more, stronger focusing can result in the same spot size as with a smaller angle of incidence, in which the beam distorts less with the distortion unit and also with it the focusing unit is less focused. For example, a lens system (rotationally symmetrical about the optical axis) can be provided as the focusing unit, wherein the different focusing can be achieved by a relative offset of the lenses.
Im Allgemeinen kann es sich bei dem Strahl auch um einen Elektronenstrahl handeln, der in der Verzerroptik mit Elektronenlinsen angepasst wird. In bevorzugter Ausgestaltung ist als Strahl quelle jedoch eine Laserquelle vorgesehen, die im Betrieb einen Laserstrahl emittiert. Das Querschnittsprofil des Laserstrahls ist bevorzugt rund, die Intensitätsverteilung ist typischerweise gaußförmig. Bei der Laserquelle kann es sich bspw. um einen CO2-Laser, Nd:YAG-Laser bzw. Yb-Faserlaser oder auch einen Diodenlaser handeln.In general, the beam can also be an electron beam, which is adjusted in electron microscopy. In a preferred embodiment, however, a laser source is provided as the beam source, which emits a laser beam during operation. The cross-sectional profile of the laser beam is preferably round, the intensity distribution is typically Gaussian. The laser source can be, for example, a CO2 laser, Nd: YAG laser or Yb fiber laser or a diode laser.
Prinzipiell kann die Verzerroptik auch reflektiv, also über ein Spiegelsystem realisiert sein. In bevorzugter Ausgestaltung handelt es sich um eine refraktive Optik, wird der Strahl also durch Brechung geformt.In principle, the distortion optics can also be implemented reflectively, that is to say using a mirror system. In a preferred embodiment it is a refractive optics, the beam is thus shaped by refraction.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Verzerroptik ein erstes und ein zweites Prisma auf, die ein anamorphisches Prismenpaar bilden. Der Laserstrahl durchsetzt dieses, wobei sich auf zwei zueinander senkrechten Achsen verschieden große Abbildungsmaßstäbe ergeben (im Falle der Ellipse sind dies die kleine und die große Halbachse). Bevorzugt sind das erste und das zweite Prisma relativ zueinander verkippbar gelagert, wobei sich durch eine Änderung der Relativverkippung das Verhältnis der Abbildungsmaßstäbe verändern lässt. Fällt der Laserstrahl unter einem kleinen Winkel auf die Baufläche, ist nur eine geringe Differenz der Abbildungsmaßstäbe zur Kompensation erforderlich, wohingegen bei einem großen Einfallswinkel eine größere Differenz eingestellt wird.According to a preferred embodiment, the Verzerroptik on a first and a second prism, which form an anamorphic pair of prisms. The laser beam passes through it, resulting in different-sized imaging scales on two mutually perpendicular axes (in the case of the ellipse, these are the small and the large semi-axis). The first and the second prism are preferably mounted such that they can be tilted relative to one another, the ratio of the imaging scales being able to be changed by changing the relative tilting. If the laser beam falls on the building surface at a small angle, only a small difference in the imaging scales is required for compensation, whereas a larger difference is set at a large angle of incidence.
Eine Verzerrung des Laserstrahls lässt sich auch mittels Zylinderlinsen erreichen, die aufeinanderfolgend in dem Strahlengang angeordnet sind. Es können bspw. konvexe Zylinderlinsen vorgesehen sein, das Querschnittsprofil kann damit aufgeweitet werden. In der Ebene, in welcher die Zylinderachsen liegen, bleibt es hingegen unverändert. Damit ergibt sich die gewünschte Asymmetrie der Abbildung, also die Verzerrung. In einer zur besagten Zylinderachse senkrechten Schnittebene betrachtet können die Zylinderlinsen bspw. telezentrisch angeordnet sein, bevorzugt sowohl strahlquellenseitig als auch bauflächenseitig.Distortion of the laser beam can also be achieved by means of cylindrical lenses which are arranged in succession in the beam path. For example, convex cylindrical lenses can be provided, and the cross-sectional profile can thus be widened. In the plane in which the cylinder axes lie, however, it remains unchanged. This results in the desired asymmetry of the image, i.e. the distortion. When viewed in a sectional plane perpendicular to said cylinder axis, the cylinder lenses can be arranged, for example, telecentrically, preferably both on the beam source side and on the construction surface side.
In bevorzugter Ausgestaltung sind die Zylinderlinsen in der Verzerroptik relativ zueinander versetzbar gelagert, lässt sich also ihr Abstand in Strahlungsrichtung verändern. Damit kann eine adaptive Anpassung des Querschnittsprofils vorgenommen werden, also eine stärkere Verzerrung bei großen und eine geringere Verzerrung bei kleinen Einfallswinkeln. Im Einzelnen kann dazu die eine Zylinderlinse ortsfest in der Verzerroptik angeordnet und nur die andere Linse versetzbar gelagert sein (es können aber auch beide Linsen versetzbar gelagert werden).In a preferred embodiment, the cylindrical lenses are mounted such that they can be displaced relative to one another in the distortion optics, ie their distance in the radiation direction can be changed. This enables the cross-sectional profile to be adapted adaptively, that is to say a greater distortion at large and a lower distortion at small angles of incidence. In particular, one cylindrical lens can be arranged in a fixed position in the distortion optics and only the other lens can be displaceably mounted (but both lenses can also be displaceably mounted).
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Verzerroptik eine Blende auf, die der Laserstrahl durchsetzt. Dabei begrenzt die Blende das Querschnittsprofil des Laserstrahls auf zwei zueinander senkrechten Achsen unterschiedlich stark, nämlich im Falle der bevorzugten Kreis- bzw. Ellipsenform stärker auf der kleinen Halbachse. Bildlich gesprochen wird also dort ein Teil des Strahls weggeschnitten, um das gewünschte Querschnittsprofil einzustellen. Die Blende kann insbesondere eine Feldblende sein. Bevorzugt kann eine Anordnung bzw. ein Aufbau als Raumfilter sein, kann also der Blende vorgelagert eine Sammellinse angeordnet sein. Diese bündelt den Strahl, entsprechend klein kann die Blendenöffnung gewählt werden (mit einem Durchmesser von nur einigen 10 µm auch als Pinhole bezeichnet).According to a further preferred embodiment, the Verzerroptik has an aperture through which the laser beam passes. The aperture limits the cross-sectional profile of the laser beam on two mutually perpendicular axes to different extents, namely, in the case of the preferred circular or elliptical shape, more on the small semi-axis. Metaphorically speaking, part of the beam is cut away there in order to set the desired cross-sectional profile. The diaphragm can in particular be a field diaphragm. An arrangement or a structure can preferably be a spatial filter, that is to say a converging lens can be arranged in front of the diaphragm. This bundles the beam, so the aperture can be chosen to be correspondingly small (also known as a pinhole with a diameter of only a few 10 µm).
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Blende verstellbar, lässt sich also das Profil ihrer Blendenöffnung verändern. Dies betrifft nicht bzw. nicht nur die Öffnungsweite, sondern insbesondere das Öffnungsverhältnis auf zwei zueinander senkrechten Achsen. Auf der einen Achse ist die Änderung größer als auf der anderen, es können sich also bspw. Ellipsen mit unterschiedlichem Verhältnis von kleiner zu großer Halbachse einstellen lassen (bis hin zu einer Kreisform). Damit kann der unter großem Winkel einfallende Strahl stärker verzerrt werden als der unter kleinem Winkel bzw. senkrecht einfallende Strahl. In a preferred embodiment, the diaphragm is adjustable, so the profile of its diaphragm opening can be changed. This does not concern or not only the opening width, but in particular the opening ratio on two mutually perpendicular axes. The change is greater on one axis than on the other, so it is possible, for example, to set ellipses with different ratios from small to large semiaxis (up to a circular shape). This means that the beam entering at a large angle can be distorted more than the beam entering at a small angle or perpendicularly.
Die Verkippeinheit ist in bevorzugter Ausgestaltung ein verkippbar gelagerter Spiegel, bspw. ein galvanometrisch gelagerter Scannerspiegel. Der verkippbar gelagerte Spiegel ist bevorzugt oberhalb der Baufläche im Wesentlichen mittig angeordnet, sodass ein senkrecht einfallender Strahl die Baufläche mittig trifft. Entsprechend werden die Einfallswinkel zu den Rändern der Baufläche hin größer. Die Verzerroptik ist der Verkippeinheit bevorzugt vorgelagert, also insbesondere dem verkippbar gelagerten Spiegel. Sofern in bevorzugter Ausgestaltung eine dynamische Fokussiereinheit vorgesehen ist, kann diese der Verzerroptik vorgelagert sein, also zwischen Strahlquelle und Verzerroptik.In a preferred embodiment, the tilting unit is a tiltably mounted mirror, for example a galvanometrically mounted scanner mirror. The tiltably mounted mirror is preferably arranged essentially centrally above the construction area, so that a perpendicularly incident beam strikes the construction area in the center. The angles of incidence correspondingly become larger towards the edges of the building surface. The Verzerroptik is preferably upstream of the tilting unit, that is, in particular the tiltable mirror. If a dynamic focusing unit is provided in a preferred embodiment, this can be arranged upstream of the distortion optics, ie between the beam source and the distortion optics.
Generell kann ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer vergleichsweise kompakten Anordnung von Strahlquelle, Verkippeinheit und Verzerroptik liegen. Wird die Strahlformung der Verkippeinheit vorgelagert vorgenommen, muss mit der Verkippeinheit kein großes Gewicht bewegt werden, was die Aufhängung etc. vereinfacht. Um in einer zum vorliegenden Gegenstand alternativen Weise eine über die Baufläche konstante Spotform zu erhalten, ließe sich der Strahl bspw. auch über eine telezentrische F-Theta-Linse auf die Baufläche führen. Aufgrund der Abbildung ins Unendliche würde der Strahl unabhängig von der Position immer senkrecht auf die Baufläche fallen. Eine solche Linse müsste jedoch fast so groß sein wie die Baufläche und ließe sich allenfalls unter großem Aufwand und damit kostenintensiv herstellen.In general, an advantage of the device according to the invention can lie in a comparatively compact arrangement of the beam source, tilting unit and distortion optics. If the beam shaping of the tilting unit is carried out upstream, no great weight has to be moved with the tilting unit, which simplifies the suspension etc. In order to obtain a spot shape that is constant over the construction area in an alternative way to the present object, the beam could also be directed onto the construction area via a telecentric F-theta lens, for example. Due to the infinite image, the beam would always fall perpendicularly onto the construction surface, regardless of its position. However, such a lens would have to be almost as large as the construction area and could at best be manufactured with great effort and thus costly.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum generativen Aufbauen eines Bauteils. In der Werkstoffaufnahme ist dann ein formlos oder formneutral vorgehaltener Werkstoff angeordnet, im Allgemeinen bspw. auch eine Flüssigkeit, bevorzugt ein Pulver, insbesondere ein Metallpulver. Die Baufläche liegt an der Oberfläche des Werkstoffs (an der Oberfläche der jeweilig bearbeiteten Schicht). Zur Verfestigung eines bestimmten Bereichs wird dann der Strahl mittels der Verkippeinheit über die Baufläche bewegt, dort wird zur Verfestigung bestrahlt. Ferner wird zur Kompensation einer Verzerrung bei schrägem Einfall das Querschnittsprofil in der Einfallsebene gestaucht und/oder in der Transversalebene geweitet. Im Übrigen wird ausdrücklich auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen, die auch im Falle des Verfahrens von Interesse sein können.The invention also relates to a method for the generative construction of a component. A material which is held in a formless or shape-neutral manner is then arranged in the material receptacle, in general for example also a liquid, preferably a powder, in particular a metal powder. The construction area lies on the surface of the material (on the surface of the respective processed layer). To solidify a certain area, the beam is then moved over the building surface by means of the tilting unit, where irradiation is carried out for solidification. Furthermore, in order to compensate for distortion in the case of oblique incidence, the cross-sectional profile is compressed in the plane of incidence and / or expanded in the transverse plane. For the rest, reference is expressly made to the above statements, which may also be of interest in the case of the procedure.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer vorliegend offenbarten Vorrichtung zum generativen Aufbauen eines Bauteils, das als Bestandteil einer axialen Strömungsmaschine ausgelegt ist, insbesondere eines Flugtriebwerks.The invention also relates to the use of a device disclosed here for the generative construction of a component which is designed as a component of an axial turbomachine, in particular an aircraft engine.
FigurenlisteFigure list
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.The invention is explained in more detail below on the basis of an exemplary embodiment, the individual features within the framework of the subordinate claims also being essential to the invention in a different combination and furthermore not being distinguished in detail between the different claim categories.
Im Einzelnen zeigt
-
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer schematischen, teilweise geschnittenen Seitenansicht; -
2 Spotformen auf einer Baufläche der Vorrichtung gemäß1 , ohne Anpassung durch die Verzerroptik; -
3 zeigt Möglichkeiten zur Anpassung des Querschnittsprofils mit der Verzerroptik; -
4 zeigt eine erste Möglichkeit zur Gestaltung einer Verzerroptik; -
5 zeigt eine zweite Möglichkeit zur Gestaltung einer Verzerroptik; -
6 zeigt eine dritte Möglichkeit zur Gestaltung einer Verzerroptik.
-
1 a device according to the invention in a schematic, partially sectioned side view; -
2nd Spot forms on a construction surface according to thedevice 1 , without adjustment through the distortion optics; -
3rd shows options for adapting the cross-sectional profile with the distortion optics; -
4th shows a first way to design a Verzerroptik; -
5 shows a second way to design a Verzerroptik; -
6 shows a third way of designing a verro optics.
Bevorzugte Ausführung der ErfindungPreferred embodiment of the invention
Die Verfestigung erfolgt durch Bestrahlen mit einem Strahl
Im Folgenden wird zunächst auf
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Wird das Querschnittsprofil
Wie aus
Der Blende
BezugszeichenlisteReference list
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22nd
- BauteilComponent
- 33rd
- Werkstoffmaterial
- 44th
- WerkstoffaufnahmeMaterial intake
- 55
- BauflächeBuilding area
- 66
- Strahlbeam
- 6.16.1
- QuerschnittsprofilCross-sectional profile
- 6.26.2
- MittenachseCenter axis
- 77
- StrahlquelleRadiation source
- 88th
- VerkippeinheitTilting unit
- 1010th
- VerzerroptikDistorted optics
- 1111
- FlächennormaleSurface normal
- 1212th
- FokussiereinheitFocusing unit
- 1313
- SchutzglasProtective glass
- 1414
- ProzesskammerProcess chamber
- 1515
- EinfallswinkelAngle of incidence
- 2020
- Spot (mittig)Spot (middle)
- 2121
- Spot (am Rand)Spot (on the edge)
- 2222
- Spot (kompensiert)Spot (compensated)
- 3030th
- EinfallsebenePlane of incidence
- 3131
- TransversalebeneTransverse plane
- 4040
- Erstes PrismaFirst prism
- 4141
- Zweites PrismaSecond prism
- 4242
- Achseaxis
- 4343
- Achseaxis
- 4444
- Winkelangle
- 4545
- Winkelangle
- 5050
- Erste ZylinderlinseFirst cylindrical lens
- 5151
- Zweite ZylinderlinseSecond cylindrical lens
- 5252
- BrennebeneFocal plane
- 6060
- Blendecover
- 6161
- BlendenöffnungAperture
- 6262
- SammellinseConverging lens
- 6363
- KollimationslinseCollimation lens
Claims (15)
Priority Applications (2)
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---|---|---|---|
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PCT/DE2020/000018 WO2020160726A1 (en) | 2019-02-06 | 2020-02-06 | Device for the additive construction of a component |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102019201474.7A DE102019201474A1 (en) | 2019-02-06 | 2019-02-06 | DEVICE FOR GENERATIVE ASSEMBLY OF A COMPONENT |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102019201474A1 true DE102019201474A1 (en) | 2020-08-06 |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE102019201474.7A Withdrawn DE102019201474A1 (en) | 2019-02-06 | 2019-02-06 | DEVICE FOR GENERATIVE ASSEMBLY OF A COMPONENT |
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US6426840B1 (en) * | 2001-02-23 | 2002-07-30 | 3D Systems, Inc. | Electronic spot light control |
DE102010036632A1 (en) * | 2010-07-26 | 2012-01-26 | Raphael Bugiel | Method for shaping laser beam emitted from diode laser that is utilized for illuminating monument, involves expanding laser beam in direction, and compressing laser beam in another direction by pair of anamorphic prisms |
DE102014012456A1 (en) * | 2014-08-21 | 2016-02-25 | Steinmeyer Mechatronik GmbH | Optical beam guiding unit and material processing device with an optical beam guiding unit |
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-
2019
- 2019-02-06 DE DE102019201474.7A patent/DE102019201474A1/en not_active Withdrawn
-
2020
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---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |