DE102020117245A1

DE102020117245A1 - Optikeinheit, Herstellungsvorrichtung und Verfahren zum additiven Herstellen eines Gegenstands

Info

Publication number: DE102020117245A1
Application number: DE102020117245.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Patra; Erik Loopstra; Philipp Ruf
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2020-06-30
Publication date: 2021-12-30
Also published as: WO2022002967A1

Abstract

Es wird eine Optikeinheit (40-43) für eine Herstellungsvorrichtung (10) zum Abgeben mehrerer Lichtstrahlen (80, 81) auf ein Ausgangssubstrat (30) zum additiven Herstellen eines Gegenstands aus dem Ausgangssubstrat (30) aufgezeigt, wobei die Optikeinheit (40-43) mehrere Lichtquellen (50) zum Abstrahlen von Lichtstrahlen (80, 81) auf das Ausgangssubstrat (30) umfasst, wobei die Optikeinheit (40-43) mehrere für mehrere, insbesondere alle, Lichtstrahlen (80, 81) der Optikeinheit (40-43) gemeinsam verwendete Linsen (60, 62, 65, 70, 75) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Optikeinheit für eine Herstellungsvorrichtung, eine Herstellungsvorrichtung und ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Gegenstands.
Stand der Technik
Eine Vielzahl von Optikeinheiten für eine Herstellungsvorrichtung zum additiven Herstellen eines Gegenstands aus einem Ausgangssubstrat existiert. Bei einer solchen Herstellungsvorrichtung wird ein Lichtstrahl oder werden mehrere Lichtstrahlen aus der Optikeinheit auf das Ausgangssubstrat, das sich auf einem Träger befindet, abgestrahlt. Ein Problem bei Optikeinheiten für Herstellungsvorrichtungen zur additiven Herstellung eines Objekts bzw. bei Herstellungsvorrichtungen zur additiven Herstellung eines Objekts ist der von der Optikeinheit benötigte Bauraum. Viele Lichtstrahlen sollen möglichst dicht auf das Ausgangssubstrat gestrahlt werden. Mehrere Optikeinheiten sollen möglichst dicht zueinander anordenbar sein, so dass das Ausgangssubstrat von den Lichtstrahlen in kurzer Zeit bearbeitet werden kann. Je kleiner die Optikeinheit ist, desto größer ist die Gesamtstrahlleistung der Lichtstrahlen auf dem Ausgangssubstrat.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine kompakte Optikeinheit bzw. eine kompakte Herstellungsvorrichtung mit einer Optikeinheit bzw. ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Gegenstands, das wenig Volumen benötigt, aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird durch eine Optikeinheit gemäß Anspruch 1 bzw. eine Herstellungsvorrichtung gemäß Anspruch 18 bzw. ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Gegenstands gemäß Anspruch 21 gelöst.
Insbesondere wird die Aufgabe durch eine Optikeinheit für eine Herstellungsvorrichtung zum Abgeben mehrerer Lichtstrahlen auf ein Ausgangssubstrat zum additiven Herstellen eines Gegenstands aus dem Ausgangssubstrat gelöst, wobei die Optikeinheit mehrere Lichtquellen zum Abstrahlen von Lichtstrahlen auf das Ausgangssubstrat umfasst, wobei die Optikeinheit mehrere für mehrere, insbesondere alle, Lichtstrahlen der Optikeinheit gemeinsam verwendete Linsen umfasst.
Ein Vorteil hiervon ist, dass die Optikeinheit sehr kompakt sein kann bzw. ein geringes Bauvolumen aufweisen kann. Da die Optikeinheit ein sehr geringes Bauvolumen haben kann, können mehrere Optikeinheiten sehr dicht zueinander angeordnet werden. Somit kann aufgrund der geringen Baugröße der Optikeinheit eine Herstellungsvorrichtung für additives Herstellen mit einer oder mehreren dieser Optikeinheiten das Ausgangssubstrat mit einer Vielzahl von Lichtstrahlen gleichzeitig mit geringem Abstand zueinander bearbeiten. Durch die Optikeinheit kann somit eine Herstellungsvorrichtung mit einer hohen Aufbaurate erreicht werden. Die Lichtstrahlen können einzeln anschaltbar und ausschaltbar bzw. ansteuerbar sein.
Insbesondere wird die Aufgabe auch durch eine Herstellungsvorrichtung zur additiven Herstellung eines Gegenstands aus einem Ausgangssubtrat gelöst, wobei die Herstellungsvorrichtung - eine oder mehrere Lichterzeugungsvorrichtungen zum Erzeugen von Lichtstrahlen, - eine Optikeinheit oder mehrere Optikeinheiten wie oben beschrieben, durch die die Lichtstrahlen auf das Ausgangssubstrat gestrahlt werden, und - einen Träger zum Halten des Ausgangssubstrats umfasst.
Die Vorteile der Herstellungsvorrichtung entsprechen mutatis mutandis den Vorteilen der oben beschriebenen Optikeinheit.
Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Gegenstands aus einem Ausgangssubstrat gelöst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen des Ausgangssubstrats; Bewegen des Ausgangsubstrats relativ zu Optikeinheiten wie vorstehend beschrieben und/oder Bewegen von Optikeinheiten wie vorstehend beschrieben relativ zu dem Ausgangssubstrat; und Bestrahlen von Teilen des Ausgangssubstrats mittels Lichtstrahlen, die durch die Optikeinheiten strahlen, zum Erwärmen und/oder Erhitzen von Teilen des Ausgangssubstrats.
Vorteilhaft hieran ist, dass das Verfahren wenig Raum bzw. Platz bzw. Volumen benötigt. Die bei dem Verfahren verwendeten Optikeinheiten benötigen jeweils wenig Bauraum. Daher können die Optikeinheiten bei diesem Verfahren sehr dicht zueinander angeordnet sein. Durch das Verfahren kann eine sehr hohe Aufbaurate erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Optikeinheit ist zumindest zwischen zwei der Linsen, insbesondere zwischen allen Linsen, eine Kühlflüssigkeit, insbesondere Wasser, zum Kühlen der Linsen angeordnet. Ein Vorteil hiervon ist, dass die Optikeinheit besonders kompakt sein kann. Vorteilhaft hieran ist auch, dass die Linsen eine geringe Größe aufweisen können, da auch bei einer hohen Gesamtleistung oder lokalen Intensität der Lichtstrahlen, die durch die jeweilige Linse hindurchgehen, keine zu starke Temperaturerhöhung der Linsen stattfindet aufgrund der Kühlung durch die Kühlflüssigkeit. Folglich kann der Wärmeeintrag durch die Lichtstrahlen bei der Optikeinheit höher sein als bei einer Optikeinheit ohne Kühlflüssigkeit.
Gemäß einer Ausführungsform der Optikeinheit ist die Kühlflüssigkeit zwischen den jeweiligen Linsen derart permanent eingeschlossen, dass die Kühlflüssigkeit zumindest während des Betriebs der Optikeinrichtung nicht tauschbar ist. Vorteilhaft hieran ist, dass keine Fremdstoffe und/oder Verunreinigungen zwischen die Linsen gelangen können. Somit weist die Optikeinrichtung eine besonders geringe Fehleranfälligkeit auf. Folglich wird eine Verschlechterung der optischen Eigenschaften der Optikeinrichtung durch die Kühlflüssigkeit bzw. durch das Einbringen von Fremdstoffen bzw. Verunreinigungen über die Kühlflüssigkeit sicher verhindert.
Gemäß einer Ausführungsform der Optikeinheit ist auf einer ersten Seite einer Ausgangslinse der Optikeinheit, durch die die Lichtstrahlen aus der Optikeinheit austreten, ein Gas oder ein Gasgemisch, insbesondere Luft, angeordnet ist, wobei die erste Seite der Ausgangslinse der übrigen Linse oder den übrigen Linsen der Optikeinheit abgewandt. Vorteilhaft hieran ist, dass das Ausgangssubstrat technisch besonders einfach auf den Träger aufgebracht werden kann. Zudem wird ein Befeuchten bzw. Benässen des Ausgangssubstrats sicher verhindert.
Gemäß einer Ausführungsform der Optikeinheit umfasst/umfassen einige der Linsen oder mehrere der Linsen, insbesondere alle Linsen, der Optikeinheit Zirkonoxid, insbesondere besteht/bestehen einige der Linsen oder mehrerer der Linsen, vorzugsweise alle Linsen, im Wesentlichen aus Zirkonoxid. Vorteilhaft hieran ist, dass Zirkonoxid, auch Zirconiumdioxid (Zirconium(IV)-oxid (ZrO₂)) genannt, eine besonders hohe thermische Stabilität aufweist. Somit kann die Optikeinheit besonders hohen Lichtstrahlintensitäten ohne negative Beeinflussung der optischen Eigenschaften standhalten. Zudem weist Zirkonoxid typischerweise einen Brechungsindex von ca. 2,1242 bei einer Wellenlänge von 1,016 µm auf. Somit besteht zwischen Zirkonoxid gegenüber Wasser, das als Kühlflüssigkeit zwischen zumindest zwei der Linsen vorhanden sein kann, ein ausreichender Brechkraftunterschied.
Gemäß einer Ausführungsform der Optikeinheit besteht zumindest eine erste Linse der Linsen nicht aus Zirkonoxid, insbesondere umfasst zumindest eine erste Linse der Linsen kein Zirkonoxid. Vorteilhaft hieran ist, dass Linsen, die nicht aus Zirkonoxid bestehen bzw. Zirkonoxid nicht umfassen, besonders kostengünstig herstellbar ist. Zudem ist es möglich, dass die zumindest erste Linse durch Umformung hergestellt ist, was ein besonders kostengünstiges Herstellungsverfahren ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Optikeinheit ist die erste Linse die Linse der Optikeinheit, die von allen Linsen der Optikeinheit der Pupillenfläche am nächsten angeordnet ist. Ein Vorteil hiervon ist, dass die Linse, die den stärksten Effekt auf die Lichtstrahlen hat bzw. haben kann, aus einem besonders kostengünstigen Material gefertigt sein kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Optikeinheit umfasst die Optikeinheit zumindest eine asphärische Linse, insbesondere genau eine asphärische Linse. Vorteilhaft hieran ist, dass eine Korrektur der Lichtstrahlen durch die Optikeinheit bzw. der optischen Eigenschaften der Optikeinheit technisch besonders einfach und kostengünstig ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Optikeinheit ist die asphärische Linse die Linse der Optikeinheit, die von allen Linsen der Optikeinheit der Pupillenfläche am nächsten angeordnet ist. Ein Vorteil hiervon ist, dass die Lichtstrahlen besonders effektiv korrigiert werden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform besteht die asphärische Linse nicht aus Zirkonoxid, insbesondere umfasst die asphärische Linse kein Zirkonoxid. Hierdurch kann die asphärische Linse ein Material umfassen oder daraus bestehen, welches effizient gepresst bzw. gespritzt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Optikeinheit ist die Optikeinheit derart ausgebildet, dass die Lichtstrahlen telezentrisch auf das Ausgangssubstrat abgestrahlt werden. Vorteilhaft hieran ist, dass Abweichungen der Entfernung des Ausgangssubstrats zu der Ausgangslinse der Optikeinheit unbeachtlich sind. Zudem kann hierdurch das Ausgangssubstrat besonders gleichmäßig bearbeitet werden. Darüber hinaus treffen die Lichtstrahlen bei einem schichtweisen Aufbau des Objekts aus dem Ausgangssubstrats stets im Wesentlichen senkrecht auf das Ausgangssubstrat unabhängig davon, wie weit die jeweilige zu bearbeitende Schicht des Ausgangssubstrats von der Ausgangslinse bzw. der Optikeinheit entfernt ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Optikeinheit sind die Lichtquellen auf einer gekrümmten Fläche angeordnet. Ein Vorteil hiervon ist, dass die Lichtstrahlen der Optikeinheit technisch besonders einfach telezentrisch auf das Ausgangssubstrat gerichtet werden können.
Gemäß einer Ausführungsform der Optikeinheit ist die Optikeinheit rotationssymmetrisch bezüglich einer optischen Achse der Optikeinheit ausgebildet. Vorteilhaft hieran ist, dass die Ausrichtung der Optikeinheit unbeachtlich ist. Somit kann ein Anordnen der Optikeinheit in der falschen Ausrichtung weitgehend verhindert werden. Darüber hinaus ist die Richtung der Relativbewegung zwischen der Optikeinheit und dem Ausgangssubstrat unbeachtlich.
Gemäß einer Ausführungsform der Optikeinheit sind die Lichtquellen der Optikeinheit auf einem Kreis mit einem Mittelpunkt auf einer optischen Achse der Optikeinheit angeordnet. Vorteilhaft hieran ist, dass, wenn ein Lichtstrahl optimal auf das Ausgangssubstrat ausgerichtet ist, die Lichtstrahlen, die denselben Abstand zu der optischen Achse der Optikeinheit haben, d.h. in diesem Falle alle Lichtstrahlen, ebenfalls optimal auf das Ausgangssubstrat ausgerichtet sind. Somit wird hierdurch der Kalibrationsaufwand bzw. die Kalibrationszeit verringert. Weiterhin ist eine technisch besonders einfache Ausgestaltung der Optikeinheit möglich, da die optische Abbildung nur für Orte mit genau einem einzigen Abstand zur optischen Achse korrigiert sein muss.
Gemäß einer Ausführungsform der Optikeinheit ist die Optikeinheit derart ausgebildet, dass die Lichtstrahlen von der Optikeinheit derart abgestrahlt werden, dass die Lichtstrahlen auf einer Ebene, die senkrecht zur Strahlrichtung der Lichtstrahlen verläuft, entlang einer Geraden angeordnet sind. Ein Vorteil hiervon ist, dass bei einer linearen Bewegung des Ausgangssubstrats bzw. des Trägers mit dem Ausgangssubstrats relativ zu der Optikeinheit das Ausgangssubstrat besonders effektiv gleichmäßig und großflächig bearbeitet werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Optikeinheit umfasst die Optikeinheit ein für die Lichtstrahlen durchlässiges Ausgangsfenster, wobei das Ausgangsfenster auf einer ersten Seite der Ausgangslinse der Optikeinheit angeordnet ist, wobei die erste Seite der Ausgangslinse der übrigen Linse oder den übrigen Linsen der Optikeinheit abgewandt ist. Vorteilhaft hieran ist, dass die Ausgangslinse der Optikeinheit von Verunreinigungen und/oder Beschädigungen geschützt wird. Das Ausgangsfenster kann beispielsweise Glas und/oder Kunststoff umfassen und ist für die Lichtstrahlen im Wesentlichen vollkommen durchlässig. Beispielsweise kann das Ausgangsfenster eine Planplatte umfassen oder sein. Das Ausgangsfenster kann sehr kostengünstig herstellbar sein, insbesondere kostengünstiger als die Ausgangslinse sein, und/oder einfach austauschbar sein. Zwischen dem Ausgangsfenster und der Ausgangslinse kann eine Kühlflüssigkeit und/oder Luft bzw. ein Gasgemisch und/oder Gas angeordnet sein. Das Ausgangsfenster kann Zirkonoxid beinhalten, insbesondere aus Zirkonoxid bestehen.
Gemäß einer Ausführungsform der Optikeinheit beträgt die Anzahl an Lichtstrahlen der Optikeinheit mindestens 10, insbesondere mindestens 20, vorzugsweise mindestens 40. Vorteilhaft hieran ist, dass das Ausgangssubstrat mit einer Vielzahl von Lichtstrahlen mit geringem Abstand zueinander gleichzeitig bestrahlt werden kann. Somit kann das Objekt innerhalb sehr kurzer Zeit additiv hergestellt werden. Eine hohe Aufbaurate pro Zeiteinheit kann mittels der Optikeinheit realisiert werden. Zudem ist die Auflösung beim Herstellen des Objekts besonders hoch. Die Höchstanzahl kann beispielsweise 100, 500 oder 1000 betragen.
Gemäß einer Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung umfasst die Herstellungsvorrichtung mehrere Optikeinheiten und ist derart ausgebildet, dass die Optikeinheiten derart relativ zu dem Ausgangssubtrat bewegbar sind, dass ein erster von einem ersten Lichtstrahl einer ersten Optikeinheit bei der Relativbewegung überstrichene Teil des Ausgangssubstrats zu einem zweiten von einem zweiten Lichtstrahl einer zweiten von der ersten Optikeinheit unterschiedlichen Optikeinheit bei der Relativbewegung überstrichenen Teil des Ausgangssubstrats einen ersten kleinsten Abstand aufweist, wobei der erste kleinste Abstand kleiner als der kleinste Abstand von Teilen des Ausgangssubstrats zueinander ist, die von zwei unmittelbar zueinander benachbarten Lichtstrahlen derselben Optikeinheit überstrichen werden. Ein Vorteil hiervon ist, dass die Herstellungsvorrichtung eine besonders hohe Auflösung aufweist, so dass Objekte mit besonders filigranen Strukturen additiv hergestellt werden können. Der erste Lichtstrahl kann, insbesondere in einer Richtung senkrecht zu der Richtung der relativen Bewegung zwischen Ausgangssubstrat und Optikeinheiten, unmittelbar benachbart zu dem zweiten Lichtstrahl sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung ist die Herstellungsvorrichtung derart ausgebildet, dass die Optikeinheit und/oder der Träger mit dem Ausgangsubstrat zum Bewegen relativ zueinander um eine Achse drehbar ist/sind, wobei die Achse durch die Mitte des Trägers und senkrecht zur Oberfläche des Trägers verläuft, wobei mehrere Optikeinheiten auf unterschiedlichen Geraden ausgehend von der Mitte des Trägers angeordnet sind, und wobei zumindest eine erste Optikeinheit auf einer ersten Geraden in Radialrichtung und eine zweite Optikeinheit auf einer zweiten Geraden in Radialrichtung derart in Radialrichtung zueinander versetzt sind, dass ein erster von einem ersten Lichtstrahl der ersten Optikeinheit bei der Relativbewegung überstrichene Teil des Ausgangssubstrats zu einem zweiten von einem zweiten Lichtstrahl der zweiten von der ersten Optikeinheit unterschiedlichen Optikeinheit bei der Relativbewegung überstrichenen Teil des Ausgangssubstrats einen ersten kleinsten Abstand aufweist, wobei der erste kleinste Abstand kleiner als der kleinste Abstand von Teilen des Ausgangssubstrats zueinander ist, die von zwei unmittelbar zueinander benachbarten Lichtstrahlen derselben Optikeinheit überstrichen werden. Vorteilhaft hieran ist, dass durch Drehung des Substrats bzw. Trägers relativ zu den Optikeinheiten das Objekt besonders platzsparend hergestellt werden kann. Dies bedeute, dass besonders wenig Raum bzw. wenig Volumen von der Herstellungsvorrichtung benötigt wird. Der erste Lichtstrahl kann, insbesondere in einer Richtung senkrecht zu der Radialrichtung, unmittelbar benachbart zu dem zweiten Lichtstrahl sein.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Optikeinheiten derart relativ zu dem Ausgangssubtrat bewegt und/oder wird das Ausgangssubstrat derart relativ zu den Optikeinheiten bewegt, dass ein erster von einem ersten Lichtstrahl einer ersten Optikeinheit bei der Relativbewegung überstrichene Teil des Ausgangssubstrats zu einem zweiten von einem zweiten Lichtstrahl einer zweiten von der ersten Optikeinheit unterschiedlichen Optikeinheit bei der Relativbewegung überstrichenen Teil des Ausgangssubstrats einen ersten kleinsten Abstand aufweist, wobei der erste kleinste Abstand kleiner als der kleinste Abstand von Teilen des Ausgangssubstrats zueinander ist, die von zwei unmittelbar zueinander benachbarten Lichtstrahlen derselben Optikeinheit überstrichen werden. Vorteilhaft an diesem Verfahren ist, dass das Verfahren eine sehr hohe Auflösung aufweist. Somit können Objekte mit einem hohen Detailgrad und/oder filigranen Strukturen additiv hergestellt werden. Der erste Lichtstrahl kann, insbesondere in einer Richtung senkrecht zu der Richtung der relativen Bewegung zwischen Ausgangssubstrat und Optikeinheiten, unmittelbar benachbart zu dem zweiten Lichtstrahl sein.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Ausgangssubstrat auf einem Träger bereitgestellt, wobei der Träger mit dem Ausgangsubstrat zum Bewegen relativ zu den Optikeinheiten um eine Achse gedreht wird und/oder die Optikeinheiten zum Bewegen relativ zu dem Träger um eine Achse gedreht werden, wobei die Achse durch die Mitte des Trägers und senkrecht zur Oberfläche des Trägers verläuft, wobei mehrere Optikeinheiten auf unterschiedlichen Geraden ausgehend von der Mitte des Trägers angeordnet sind, wobei zumindest eine erste Optikeinheit auf einer ersten Geraden in Radialrichtung und eine zweite Optikeinheit auf einer zweiten Geraden in Radialrichtung derart in Radialrichtung zueinander versetzt sind, dass ein erster von einem ersten Lichtstrahl der ersten Optikeinheit bei der Relativbewegung überstrichene Teil des Ausgangssubstrats zu einem zweiten von einem zweiten Lichtstrahl der zweiten von der ersten Optikeinheit unterschiedlichen Optikeinheit bei der Relativbewegung überstrichenen Teil des Ausgangssubstrats einen ersten kleinsten Abstand aufweist, wobei der erste kleinste Abstand kleiner als der kleinste Abstand von Teilen des Ausgangssubstrats zueinander, die von zwei unmittelbar zueinander benachbarten Lichtstrahlen derselben Optikeinheit überstrichen werden. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist, dass das Verfahren besonders wenig Raum bzw. Volumen benötigt. Vorteilhaft hieran ist auch, dass durch das Verfahren Objekte mit besonders filigranen bzw. feinen Strukturen hergestellt werden können. Das Verfahren weist somit eine besonders hohe Auflösung auf.
Die Lichtquelle kann bzw. die Lichtquellen können jeweils eine Vorrichtung umfassen oder sein, die selbst Licht abstrahlt, z.B. eine LED, ein Laser, oder kann/können beispielsweise ein Ende einer Lichtleitung umfassen oder sein. Dies bedeutet, dass die Lichtquellen jeweils einen Ausgang einer Lichtleiterfaser bzw. Glasfaser umfassen oder die Lichtquellen jeweils ein Ausgang einer Lichtleiterfaser bzw. Glasfaser sein können. Es ist möglich, dass die Optikeinheit selbst keine Vorrichtung aufweist, die selbst Licht erzeugt, sondern dass die Vorrichtung zur Lichterzeugung oder die Vorrichtungen zur Lichterzeugung außerhalb der Optikeinheit angeordnet ist und das Licht von der Vorrichtung bzw. den Vorrichtungen zur Lichterzeugung über Lichtleiter, z.B. Glasfaser oder ähnliches, zu den Lichtquellen geführt wird.
Das Ausgangssubstrat kann ein pulverförmiges Substrat bzw. Material umfassen oder sein. Beispielsweise kann das Ausgangssubstrat Kunststoffpulver und/oder Metalllegierungspulver und/oder Metallpulver, z.B. Titanpulver, umfassen oder daraus bestehen.
Die Herstellungsvorrichtung kann das Objekt schichtweise aus dem Ausgangssubstrat additiv herstellen. Die Schichten, die nacheinander von den Lichtstrahlen bearbeitet werden, liegen übereinander und erstrecken sich jeweils entlang einer Richtung, die senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung der Lichtstrahlen verläuft. Nach dem Bearbeiten einer ersten Schicht, wird die nächste Schicht Ausgangsmaterial auf die erste Schicht aufgetragen.
Eine für zwei Lichtstrahlen gemeinsame Linse bzw. mehrere für zwei Lichtstrahlen gemeinsam verwendete Linse wird von den beiden Lichtstrahlen gemeinsam verwendet, d.h. die zwei Lichtstrahlen gehen jeweils bzw. können jeweils durch dieselbe Linse bzw. durch dieselben Linsen gehen.
Die Kühlflüssigkeit kann beispielsweise Wasser umfassen oder sein. Das Wasser kann reines Wasser, d.h. H₂O ohne Zusätze sein, oder kann Zusätze umfassen.
Durch die Lichtstrahlen kann ein Schmelzen und/oder Sintern des Ausgangssubstrats (auch Ausgangsmaterial genannt) stattfinden. Insbesondere kann ein Laserschmelzen und/oder Lasersintern des Ausgangssubstrats durchgeführt werden.
Eine Radiallinie kann insbesondere eine Linie bzw. Gerade sein, die von dem Mittelpunkt eines Kreises entlang des Radius verläuft. Insbesondere kann die Radiallinie eine gerade Linie oder Gerade sein, die von dem Mittelpunkt des Trägers bzw. des Ausgangssubstrats entlang nach Außen verläuft.
Insbesondere kann die Optikeinheit bzw. können die Linsen der Optikeinheit die Lichtstrahlen fokussieren, so dass die Spotgröße bzw. die Größe des jeweiligen Lichtstrahls auf dem Ausgangssubstrat kleiner ist als an der Lichtquelle. Dies kann auch als Verkleinerung bzw. als ein Abbildungsmaßstab kleiner als 1 bezeichnet werden.
Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen

1 eine schematische Ansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung;
2 eine Detailansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Optikeinheit;
3 eine schematische Seitenansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Optikeinheit;
4 eine weitere schematische Seitenansicht der Optikeinheit aus 3;
5 eine schematische Ansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung;
6 eine schematische Seitenansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Optikeinheit;
7 eine weitere Seitenansicht der Optikeinheit aus 6; und
8 eine schematische Seitenansicht einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Optikeinheit.

Bei der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleich wirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 10. 2 zeigt eine Detailansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Optikeinheit 40-43. 3 zeigt eine schematische Seitenansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Optikeinheit 40-43. 4 zeigt eine weitere schematische Seitenansicht der Optikeinheit 40-43 aus 3.
3 zeigt einen Querschnitt in der y-z-Ebene. 4 zeigt einen Querschnitt in der x-z-Ebene.
Die Herstellungsvorrichtung 10 ist zum schichtweisen additiven Herstellen eines Objekts aus einem Ausgangsubstrat bzw. Ausgangsmaterial ausgebildet. Die Herstellungsvorrichtung 10 weist mehrere Optikeinheiten 40-43 auf, die jeweils mehrere Lichtstrahlen 80, 81 auf das Ausgangssubstrat 30 abstrahlen. Die Herstellungsvorrichtung 10 kann mittels Laser-Sintern und/oder Laser-Schmelzen, beispielsweise ein Metallpulver, insbesondere Titanpulver, bearbeiten bzw. erwärmen/erhitzen und/oder schmelzen. Das Ausgangssubstrat 30 kann auf einem Träger 20, z.B. einer Platte, angeordnet sein.
Die Optikeinheit 40-43 ist für eine Herstellungsvorrichtung 10 zum additiven Herstellen (sogenannter 3D-Druck) eines Objekts aus einem Ausgangssubstrat 30, z.B. einem Ausgangspulver, ausgebildet. Üblicherweise wird das Objekt hierbei Schicht für Schicht bzw. schichtweise aus dem Ausgangssubstrat 30 additiv aufgebaut.
Die Optikeinheit 40-43 umfasst mehrere Lichtquellen 50, z.B. Ausgänge von Glasfasern. Die Glasfasern können beispielsweise mit jeweils einem Laser verbunden sind. Zudem umfasst die Optikeinheit 40-43 mehrere Linsen 60, 62, 65, 70, 75.
Die Lichtstrahlen 80, 81 und/oder die Laserstrahlen werden von mehreren Lichtquellen 50 der Optikeinheit 40-43 abgestrahlt. Die Lichtstrahlen 80, 81 bzw. Laserstrahlen strahlen durch mehrere Linsen 60, 62, 65, 70, 75 der Optikeinheit 40-43 hindurch, bis die Lichtstrahlen 80, 81 bzw. Laserstrahlen schließlich durch eine Ausgangslinse 75 der Optikeinheit 40-43 hindurchtreten und in Richtung des Ausgangssubstrats 30 aus der Optikeinheit 40-43 austreten. Die Ausgangslinse 75 ist die in Strahlrichtung der Lichtstrahlen 80, 81 letzte Linse der Optikeinheit 40-43. Die Lichtstrahlen 80, 81 können Laserstrahlen umfassen oder sein.
Die Optikeinheit 40-43 umfasst mehrere optische Linsen 60, 62, 65, 70, 75. Die mehreren optischen Linsen 60, 62, 65, 70, 75 werden jeweils von mehreren Lichtstrahlen 80, 81, beispielsweise 10, 20, 30, 50 oder mehr als 50, z.B. 100, Lichtstrahlen, gemeinsam verwendet werden. Dies bedeutet, dass nicht jeder Lichtstrahl bzw. Laserstrahl seine eigene(n) Linse(n) hat, die nur jeweils von einem Lichtstrahl 80, 81 verwendet werden, sondern mehrere Lichtstrahlen 80, 81 teilen sich die Linsen 60, 62, 65, 70, 75. Dies wiederum bedeutet, dass durch jede Linse 60, 62, 65, 70, 75 der Optikeinheit 40-43 mehrere oder alle Lichtstrahlen 80, 81 der Optikeinheit 40-43 (sofern der jeweilige Lichtstrahl 80, 81 jeweils eingeschaltet ist) hindurchgehen. Insbesondere ist es möglich, dass sich alle (eingeschalteten) Lichtstrahlen 80, 81 bzw. Laserstrahlen einer Optikeinheit 40-43 die Linsen 60, 62, 65, 70, 75 teilen bzw. dass alle (eingeschalteten Lichtstrahlen 80, 81) die gleichen Linsen gemeinsam verwenden.
Die Lichtquellen 50 der Optikeinheiten 40-43 können Ausgänge von Lichtfasern bzw. Glasfasern sein. Die Vorrichtung zur Erzeugung des Lichts, d.h. beispielsweise ein Laser, kann außerhalb der Optikeinheit 40-43 angeordnet sein. Die Lichtquellen 50 sind auf einem Kreisbogen bzw. Kreisbogensegment angeordnet. Das Kreisbogensegment ist von den Linsen 60, 62, 65, 70, 75 weg gebogen. Die Lichtquellen 50 sind einzeln einschaltbar bzw. ausschaltbar. Alternativ oder zusätzlich kann der Lichtstrahl 80, 81 bzw. Laserstrahl, der von der Optikeinheit 40-43 in Richtung Ausgangssubstrat 30 gestrahlt wird, einzeln eingeschaltet bzw. ausgeschaltet werden.
Die Optikeinheit 40-43 weist in der ersten Ausführungsform fünf Linsen 60, 62, 65, 70, 75 entlang des Strahlgangs der Laserstrahlen auf. Ganz rechts in 3 bzw. 4 sind die Lichtquellen 50, z.B. Enden bzw. Ausgänge von Glasfasern, gezeigt. Ganz links in 3 bzw. 4 ist der Träger 20 mit dem Ausgangssubstrat 30 gezeigt, auf das die Lichtstrahlen 80, 81 bzw. Laserstrahlen von der Optikeinheit 40-43 gestrahlt werden. Die Linse 75, die sich in 3 bzw. in 4 am weitesten links befindet, ist die Ausgangslinse. Durch die Ausgangslinse 75 verlassen die Lichtstrahlen 80, 81 die Optikeinheit 40-43 in Richtung des Ausgangssubstrats 30 bzw. des Trägers 20 mit dem Ausgangssubstrat 30.
Die Linsen 60, 62, 65, 70, 75 brechen bzw. fokussieren die Laserstrahlen jeweils unterschiedlich. Auch die Formen der Linsen sind unterschiedlich zueinander. Die Linsen sind in 3 bzw. 4 nicht äquidistant zueinander angeordnet. Die beiden Linsen 70, 75 ganz links und die beiden Linsen in der Mitte 62, 65, d.h. die zweite und dritte Linse von rechts, sind jeweils näher zueinander angeordnet im Vergleich zu dem Abstand zwischen der zweiten Linse von links und der dritten Linse von links.
Zwischen zumindest zwei der Linsen 60, 62, 65, 70, 75 der Optikeinheit 40-43 befindet sich eine Kühlflüssigkeit. Es ist denkbar, dass zwischen allen Linsen 60, 62, 65, 70, 75 eine Kühlflüssigkeit angeordnet ist. Denkbar ist auch, dass es einen oder mehrere Bereiche zwischen den Linsen gibt, der mit Gas bzw. einem Gasgemisch, z.B. Luft, gefüllt ist.
Die seitliche Begrenzung des Bereichs zwischen den Linsen 60, 62, 65, 70, 75 ist jeweils nicht vollständig dargestellt. Der Bereich zwischen jeweils zwei Linsen 60, 62, 65, 70, 75 kann gegenüber dem Bereich zwischen zwei anderen Linsen 60, 62, 65, 70, 75 flüssigkeitsdicht abgegrenzt bzw. abgedichtet sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass mehrere Bereiche zwischen jeweils zwei Linsen 60, 62, 65, 70, 75 miteinander fluidverbunden sind, d.h. Kühlflüssigkeit kann sich von einem ersten Bereich zwischen zwei Linsen 60, 62, 65, 70, 75 in einen zweiten Bereich zwischen zwei weiteren Linsen hin und her bewegen bzw. die Kühlflüssigkeiten in den zwei Bereichen stehen miteinander in Fluidkontakt und/oder Wärmekontakt.
Die Kühlflüssigkeit kann Wasser umfassen oder sein. Andere Kühlflüssigkeiten sind vorstellbar. Es ist möglich, dass die Kühlflüssigkeit als Wärmereservoir während der Bestrahlung des Ausgangssubstrats 30 mit Lichtstrahlen 80, 81 durch die Optikeinheit 40-43 dient, wobei die Kühlflüssigkeit nicht ausgetauscht wird. Mit anderen Worten kann die Kühlflüssigkeit nach außen hin abgeschlossen zwischen den Linsen „eingesperrt“ sein. Denkbar ist jedoch auch, dass die Kühlflüssigkeit (permanent oder zeitweise) ausgetauscht wird, d.h. dass die Kühlflüssigkeit Teil eines Kühlkreislaufs ist, so dass erwärmte Kühlflüssigkeit aus dem Bereich zwischen den Linsen 60, 62, 65, 70, 75 der Optikeinheit 40-43 bzw. aus dem Bereich zwischen Linse und Lichtquellen 50 entfernt wird und kältere Kühlflüssigkeit in den entsprechenden Bereich eingebracht wird.
Die Kühlflüssigkeit vermindert die Erwärmung der Linsen 60, 62, 65, 70, 75 bzw. des Materials der Linsen durch die Lichtstrahlen 80, 81 bzw. Laserstrahlen während der Bestrahlung des Ausgangssubstrats 30. Die Kühlflüssigkeit weist eine hohe Wärmekapazität auf. Durch die Kühlflüssigkeit wird die jeweilige Linse gekühlt und die Wärme wird teilweise auf die Kühlflüssigkeit übertragen. Typischerweise ist der gesamte Bereich zwischen den jeweiligen Linsen mit Kühlflüssigkeit bzw. Wasser vollständig ausgefüllt.
Es ist möglich, dass zwischen allen Linsen 60, 62, 65, 70, 75 jeweils Kühlflüssigkeit angeordnet ist. Möglich ist, dass zwischen der Linse 60, die am weitesten rechts in 3 bzw. in 4 ist, d.h. die Linse, die die unmittelbar nächstliegende Linse zu den Lichtquellen 50 ist, Kühlflüssigkeit angeordnet ist. Vorstellbar ist jedoch auch, dass hier ein Gas bzw. Luft/ein Gasgemisch angeordnet ist.
Zwischen der Ausgangslinse 75 und dem Ausgangssubstrat 30 ist ein Gas oder ein Gasgemisch, insbesondere Luft, angeordnet. Das Gas bzw. Gasgemisch kann eine Schutzgasatmosphäre bilden, um während des Erwärmens bzw. Erhitzens oder Schmelzens des Ausgangssubstrats 30 ungewünschte bzw. unerwünschte chemische Reaktionen zu verhindern. Die Schutzgasatmosphäre kann aus einem Edelgas, insbesondere Argon, bestehen oder ein Edelgas, insbesondere Argon, umfassen.
Die Linsen 60, 62, 65, 70, 75 oder ein Teil der Linsen können teilweise oder vollständig aus Zirkonoxid bzw. Zirkondioxid bestehen. Zirkonoxid besitzt eine hohe thermische Stabilität. Daher verändern sich auch bei hoher Lichtintensität bzw. Laserintensität die optischen Eigenschaften der jeweiligen Linse nicht. Insbesondere kommt es zu keiner Schädigung der jeweiligen Linse. Zirkonoxid weist einen Brechungsindex von ca. 2,1242 bei einer Wellenlänge von 1,016 µm auf. Damit besteht auch gegenüber Wasser, das einen Brechungsindex von ca. 1,3247 hat, ein ausreichender Brechkraftunterschied.
Die Materialien der Linsen 60, 62, 65, 70, 75 können sich unterscheiden. Hierdurch kann besonders einfach eine chromatische Korrektur erreicht werden, also eine Abbildung, die für alle Wellenlängen im verwendeten Wellenlängenbereich möglichst identisch ist.
Die Optikeinheit 40-43 weist eine asphärische Linse 65 auf, insbesondere weist die Optikeinheit 40-43 genau eine asphärische Linse 65 auf. Die asphärische Linse 65 ist durch insgesamt sechs horizontale Striche in 3 bzw. 4 gekennzeichnet. Die asphärische Linse 65 ist die mittlere Linse der Optikeinheit 40-43. Die asphärische Linse 65 ist zugleich die Linse, die der Pupillenfläche der Optikeinheit 40-43, am nächsten liegt. Die Pupillenfläche ist dadurch definiert, dass Lichtstrahlen 80, 81, die an verschiedenen Orten unter identischem Winkel auf das Ausgangssubstrat 30 auftreffen, den identischen Ort der Pupillenflächen durchlaufen. Auf Grund von Aberrationen ist die Pupillenfläche häufig nur näherungsweise definiert. Die asphärische Linse 65 kann Aberrationen, insbesondere sphärische Aberrationen, verringern, insbesondere beseitigen.
Die asphärische Linse 65 kann aus einem anderen Material als Zirkonoxid bestehen und somit besonders kostengünstig herstellbar sein. Die asphärische Linse 65 kann durch Umformung und nicht durch Schleifen hergestellt sein. Auch dies senkt die Herstellungskosten.
Die asphärische Linse 65 kann die zweitgrößte, drittgrößte oder viertgrößte der Linsen der Optikeinheit 40-43 sein. Je größer die Linse ist, desto geringer ist die Strahlintensität, die durch die Laserstrahlen auf die Linse wirkt.
Die Optikeinheit 40-43 ist derart ausgestaltet, dass die Lichtstrahlen 80, 81 bzw. Laserstrahlen telezentrisch auf das Ausgangssubstrat 30 gestrahlt werden. Die Bildebene ist eben. Auch bei einer Veränderung des Abstands zwischen Ausgangssubstrat 30 und Optikeinheit 40-43 gelangen die Lichtstrahlen 80, 81 auf die jeweils gleiche Stelle des Ausgangssubstrats 30.
Die Optikeinheit 40-43 kann rotationssymmetrisch um die optische Achse 45 der Optikeinheit 40-43 ausgebildet sein. In 3 bzw. 4 ist die Optikeinheit 40-43 nicht rotationssymmetrisch zur Mittelachse der Optikeinheit 40-43 ausgebildet. Insbesondere kann die Oberflächenform der Linsen 60, 62, 65, 70, 75 zwar rotationssymmetrisch, die Linsen aber nicht rotationssymmetrisch beschnitten sein. Die Eintrittspupille der Optikeinheit 40-43 ist rotationssymmetrisch. Die Austrittspupille der Optikeinheit 40-43 ist rotationssymmetrisch.
Die Lichtstrahlen 80, 81 bzw. Laserstrahlen auf dem Ausgangssubstrat 30 können, insbesondere äquidistant, entlang einer Geraden angeordnet sein. In 2 ist die Anordnung der Lichtstrahlen 80, 81 entlang einer Geraden gut zu erkennen. Die Gerade verläuft parallel zu der Oberfläche des Trägers 20, auf dem das Ausgangssubstrat 30 gehalten wird.
Das Ausgangssubstrat 30/Träger 20 mit Ausgangssubstrat 30 wird relativ zu der Optikeinheit 40-43 bzw. umgekehrt bewegt, so dass sich die Lichtstrahlen 80, 81 über das Ausgangssubstrat 30 bewegen. Der Träger 20 kann beispielsweise kreisscheibenförmig ausgebildet.
Eine Möglichkeit der relativen Bewegung zwischen Optikeinheit 40-43 und Ausgangssubstrat 30 ist, dass der Träger 20 mit dem Ausgangssubstrat 30 um eine Achse, die senkrecht zur Oberfläche des Trägers 20 verläuft, um einen Mittelpunkt bzw. eine Mitte 28 des Trägers 20 rotiert bzw. sich dreht. Dies ist in 1 gezeigt. In diesem Fall kann die Optikeinheit 40-43 bzw. können die Optikeinheiten 40-43 an einer unveränderten Position verbleiben. Der Träger 20 kann beispielsweise eine kreisrunde Oberfläche aufweisen. Vorstellbar ist auch, dass der Träger 20 mit dem Ausgangssubstrat 30 ortsfest bleibt und die Optikeinheiten 40-43 gemeinsam um einen Mittelpunkt 28 des Trägers 20 bzw. des Ausgangssubstrats 30 rotiert bzw. gedreht werden. Hierbei wird die relative Position der Optikeinheiten 40-43 zueinander nicht verändert.
Die Optikeinheiten 40-43 der Herstellungsvorrichtung 10 können entlang von Radiallinien 22,23, die vom Mittelpunkt 28 des Trägers 20 bzw. des Ausgangsubstrats nach Außen entlang des Radius bzw. entlang einer Geraden verlaufen, angeordnet sein. Die entlang einer gerade angeordneten Lichtstrahlen 80, 81 bzw. Laserstrahlen einer Optikeinheit 40-43 können entlang der jeweiligen Radiallinie 22,23 angeordnet sein. Entlang mehrerer Radiallinien 22, 23 (z.B. zwei, drei, vier oder mehr als vier Radiallinien) können jeweils mehrere Optikeinheiten 40-43 angeordnet sein, wie in 1 dargestellt.
Die Optikeinheiten 40-43 auf verschiedenen Radiallinien 22, 23 können leicht unterschiedliche Abstände zu dem Mittelpunkt 28 aufweisen, d.h. sie sind in Radialrichtung leicht zueinander verschoben. Dies ist in 1 dargestellt. Auf diese Weise können die Lichtstrahlen 80, 81 bzw. Laserstrahlen unterschiedlicher Optikeinheiten 40-43 (auf dem Ausgangssubstrat 30 bzw. Träger 20) zueinander einen kleineren Abstand aufweisen als der kleinste Abstand der Lichtstrahlen 80, 81 einer Optikeinheit 40-43 zueinander. Hierdurch kann die (Orts-)Auflösung der Herstellungsvorrichtung 10 bzw. der kleinste Abstand zwischen zwei Lichtstrahlen 80, 81 verringert werden.
In 1 weist der Teil des Ausgangssubstrats 30 (durch einen gestrichelten Kreis 26 markiert), der von dem am weitesten unten links gelegene Lichtstrahl der Optikeinheit 40-43, die auf der Radiallinie 22, 23 angeordnet ist, die vom Mittelpunkt 28 des Trägers 20 nach rechts oben verläuft, überstrichen wird, einen kleinsten Abstand zu dem Teil des Ausgangssubstrats 30 (durch einen Kreis 25 mit einer durchgezogen Linie dargestellt), der von dem am weitesten rechts gelegenen Lichtstrahl der Optikeinheit 40-43, die auf der horizontalen Radiallinie 22 am weitesten innen liegt, überstrichen wird auf. Dieser kleinste Abstand, d.h. der Abstand der beiden Kreise 25, 26 bzw. Kreislinien in 1 zueinander, ist kleiner als der Abstand zweier Lichtstrahlen derselben Optikeinheit 40-43 auf dem Ausgangssubstrat 30 zueinander. Somit ist die Auflösung der Herstellungsvorrichtung 10 in 1 höher als die Auflösung einer Optikeinheit 40-43. Der Abstand der beiden Kreise 25, 26 (gestrichelte Linie bzw. durchgezogene Linie) zueinander ist der erste kleinste Abstand. Beispielsweise kann der erste kleinste Abstand (auf dem Ausgangssubstrat 30 bzw. Träger 20) 1/10=10% oder 1/5=20% des Abstands zweier Lichtstrahlen 80, 81 derselben Optikeinheit 40-43 betragen. Insbesondere ist die Darstellung in 1 nicht maßstabsgetreu.
Wenn die Lichtstrahlen 80, 81 der jeweiligen Optikeinheit 40-43 jeweils den gleichen Abstand zueinander haben, weisen alle Lichtstrahlen 80, 81 einer ersten Optikeinheit 40-43 zu den Lichtstrahlen 80, 81 der zweiten Optikeinheit 40-43 denselben Versatz auf, den ein Lichtstrahl 80, 81 der ersten Optikeinheit 40-43 zu einem Lichtstrahl 80, 81 der zweiten Optikeinheit 40-43 aufweist.
Die Optikeinheiten 40-43 können entlang mehrerer Radiallinien 22, 23 angeordnet sein. Eine vorteilhafte Anzahl von Radiallinien ist durch das Verhältnis des Abstandes zueinander unmittelbar benachbarter Lichtstrahlen einer Optikeinheit 40-43 zum kleinsten Abstand zueinander unmittelbar benachbarter Lichtstrahlen 25,26 unterschiedlicher bzw. unmittelbar benachbarter Optikeinheiten 40-43 gegeben. Vorteilhaft kann auch ein ganzzahliges Vielfaches dieser Anzahl sein.
Während des Drehens bzw. Rotierens des Trägers 20 mit Ausgangssubtrat werden die Lichtstrahlen 80, 81 bzw. Laserstrahlen einzeln angeschaltet und ausgeschaltet und das Objekt aus dem Ausgangssubstrat 30 additiv hergestellt. Dies kann durch ein Steuergerät (nicht gezeigt) der Herstellungsvorrichtung durchgeführt werden. Das Steuergerät kann ein Computer sein.
5 zeigt eine schematische Ansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 10. 6 zeigt eine schematische Seitenansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Optikeinheit 40-43. 7 zeigt eine weitere Seitenansicht der Optikeinheit 40-43 aus 6.
Eine Alternative zur Anordnung der Laserstrahlen entlang einer Geraden ist, dass die Laserstrahlen einer Optikeinheit 40-43 auf einem Kreis um einem Mittelpunkt bzw. eine Mittellinie angeordnet sind. Der Mittelpunkt bzw. die Mittellinie des Kreises ist die optische Achse 45 der Optikeinheit 40-43. Der Kreis, auf dem die Lichtstrahlen 80, 81 angeordnet sind, ist in 5 fein gestrichelt dargestellt. Die Optikeinheit 40-43 ist rotationssymmetrisch bezüglich der Mitte bzw. der optischen Achse 45 der Optikeinheit 40-43. Ein Vorteil hiervon ist, dass alle Laserstrahlen denselben Abstand von der optischen Achse 45 der Optikeinheit 40-43 haben. Da die Optikeinheit 40-43 rotationssymmetrisch aufgebaut ist, muss nur ein kleiner Phasenraum korrigiert bzw. kalibriert werden, wodurch eine verbesserte Abbildungsqualität erreicht wird. Somit können Objekte mit einer besonders hohen Präzision additiv hergestellt werden. Die Bereiche des Ausgangssubstrats 30, die von den Lichtstrahlen 80, 81 überfahren werden, sind äquidistant zueinander, wie in 5 durch die grob gestrichelten Kreise dargestellt. Die Abstände der Lichtstrahlen 80, 81 (auf dem Ausgangssubstrat 30) zueinander ist (teilweise) unterschiedlich.
Anstelle oder zusätzlich zu einer Rotationsbewegung des Ausgangssubstrats 30 zu der Optikeinheit 40-43 ist es möglich, dass eine relative lineare Bewegung zwischen dem Ausgangssubstrat 30 und der Optikeinheit 40-43 durchgeführt wird.
8 zeigt eine schematische Seitenansicht einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Optikeinheit.
Die Optikeinheit 40-43 kann optional bzw. fakultativ ferner ein Ausgangsfenster 77 umfassen. Das Ausgangsfenster 77 ist auf einer ersten Seite der Ausgangslinse 75 der Optikeinheit 40-43 angebracht, die von den Lichtquellen 50 am weitesten entfernt ist. Die Ausgangslinse 75 ist die Linse, die sich in 3 bzw. 4 und in 6 bzw. 7 bzw. 8 am weitesten links befindet. Durch die Ausgangslinse 75 verlassen die Lichtstrahlen 80, 81 die Optikeinheit 40-43. Die Ausgangslinse 75 ist die Linse der Optikeinheit 40-43, die dem Ausgangssubstrat 30 am nächsten ist. Die erste Seite der Ausgangslinse 75 ist die Seite der Ausgangslinse 75, die den anderen Linsen 60, 62, 65, 70 der Optikeinheit 40-43 abgewandt ist. Dies bedeutet, dass in 3 bzw. 4 und 6 bzw. 7 die linke Seite der Ausgangslinse 75 die erste Seite der Ausgangslinse 75 ist.
Das Ausgangsfenster 77 ist für die Lichtstrahlen 80, 81 im Wesentlichen vollständig durchlässig. Das Ausgangsfenster 77 kann z.B. eine planparallele Platte umfassen. Das Ausgangsfenster 77 kann z.B. Glas, Zirkonoxid und/oder Acrylglas (Polymethylmethacrylat) umfassen oder daraus bestehen. Das Ausgangsfenster 77 schützt die Ausgangslinse 75 vor Verschmutzungen während des Bestrahlens bzw. Bearbeitens des Ausgangssubstrats 30 mit den Lichtstrahlen 80, 81. Das Ausgangsfenster 77 ist kostengünstig und lässt sich bei Verschmutzungen bzw. Beschädigungen leicht austauschen.
Zwischen dem Ausgangsfenster 77 und der Ausgangslinse 75 kann Kühlflüssigkeit und/oder Gas und/oder ein Gasgemisch, insbesondere Luft, vorhanden sein.
Der Träger 20 bzw. das Ausgangssubstrat 30 kann beispielsweise einen Radius von ca. 15 mm aufweisen. Die Optikeinheit 40-43 kann (senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Lichtstrahlen 80, 81) einen Radius von ca. 45 mm aufweisen. Der Abbildungsmaßstab kann somit beispielsweise 1:3 betragen. Die numerische Apertur (NA) kann beispielsweise ca. 0,5 betragen.
Der Abstand der Ausgangslinse 75 zu dem Ausgangssubstrat 30 bzw. zu dem Träger 20 kann beispielsweise (am Anfang des Prozesses zum additiven Herstellen) 40 mm betragen.
Die Abstände zwischen den verschiedenen Linsen (bzw. zwischen der zu den Lichtquellen 50 nächstliegenden Linse und den Lichtquellen 50) der Optikeinheit 40-43 können folgende Werte haben, wobei der Abstand zwischen der Ausgangslinse 75 und der zweiten weiteren Linse 70 gleich 1 gesetzt wird:

Abstand zweite weitere Linse zu asphärische Linse = ca. 3,5 - ca. 4,0
Abstand asphärische Linse zu erste weitere Linse = ca. 0,5 - ca. 1,0
Abstand erste weitere Linse zu der zu den Lichtquellen nächstliegenden Linse = ca. 3,5 - ca. 4,0 Abstand der zu den Lichtquellen nächstliegenden Linse zu den Lichtquellen/zu der nächstliegenden Lichtquelle = ca. 4,0 - ca. 4,5

Die Ausgangslinse 75 kann auf der ersten Seite (in 3 bzw. 4 linken Seite) einen negativen Krümmungsradius und auf der gegenüberliegenden Seite einen positiven Krümmungsradius aufweisen. Die zweite weitere Linse 70 kann auf der der Ausgangslinse 75 zugewandten Seite (in 3 bzw. 4 die linke Seite) einen positiven Krümmungsradius und auf der gegenüberliegenden Seite einen negativen Krümmungsradius haben. Die asphärische Linse 65 kann auf der der zweiten weiteren Linse 70 zugewandten Seite (in 3 bzw. 4 die linke Seite) einen positiven Krümmungsradius und auf der gegenüberliegenden Seite einen negativen Krümmungsradius aufweisen. Die erste weitere Linse 62 kann auf der der asphärischen Linse 65 zugewandten Seite (in 3 bzw. 4 die linke Seite) einen ersten negativen Krümmungsradius und auf der gegenüberliegenden Seite einen zweiten negativen Krümmungsradius haben. Der zweite negative Krümmungsradius kann einen größeren negativen Wert haben als der erste negative Krümmungsradius, d.h. der zweite negative Krümmungsradius kann kleiner als der erste negative Krümmungsradius sein. Die zu den Lichtquellen nächstliegenden Linse 60 kann auf der den Lichtquellen zugewandten Seite (in 3 bzw. 4 die rechte Seite) einen ersten negativen Krümmungsradius und auf der gegenüberliegenden Seite einen zweiten negativen Krümmungsradius haben. Der erste negative Krümmungsradius kann kleiner als der zweite negative Krümmungsradius sein. Dies kann für alle oben beschriebenen Ausführungsformen gelten.
Die Lichtquellen können auf einem Kreisbogensegment angeordnet sein, das einen positiven Krümmungsradius aufweist.
Bezugszeichenliste

10: Herstellungsvorrichtung
20: Träger
22, 23: Radiallinie
25, 26: Kreise auf Ausgangssubstrat
28: Mitte(lpunkt) des Trägers
30: Ausgangssubstrat
40-43: Optikeinheit
45: optische Achse der Optikeinheit
50: Lichtquellen
60: zu den Lichtquellen nächstliegende Linse
62: erste weitere Linse
65: asphärische Linse
68: Bereich zwischen zwei Linsen
70: zweite weitere Linse
75: Ausgangslinse
77: Ausgangsfenster
80, 81: Lichtstrahl

Claims

Optikeinheit (40-43) für eine Herstellungsvorrichtung (10) zum Abgeben mehrerer Lichtstrahlen (80, 81) auf ein Ausgangssubstrat (30) zum additiven Herstellen eines Gegenstands aus dem Ausgangssubstrat (30), wobei die Optikeinheit (40-43) mehrere Lichtquellen (50) zum Abstrahlen von Lichtstrahlen (80, 81) auf das Ausgangssubstrat (30) umfasst, wobei die Optikeinheit (40-43) mehrere für mehrere, insbesondere alle, Lichtstrahlen (80, 81) der Optikeinheit (40-43) gemeinsam verwendete Linsen (60, 62, 65, 70, 75) umfasst.
Optikeinheit (40-43) nach Anspruch 1, wobei zumindest zwischen zwei der Linsen (60, 62, 65, 70, 75), insbesondere zwischen allen Linsen, eine Kühlflüssigkeit, insbesondere Wasser, zum Kühlen der Linsen (60, 62, 65, 70, 75) angeordnet ist.
Optikeinheit (40-43) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kühlflüssigkeit zwischen den jeweiligen Linsen (60, 62, 65, 70, 75) derart permanent eingeschlossen ist, dass die Kühlflüssigkeit zumindest während des Betriebs der Optikeinrichtung nicht tauschbar ist.
Optikeinheit (40-43) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei auf einer ersten Seite einer Ausgangslinse (75) der Optikeinheit (40-43), durch die die Lichtstrahlen (80, 81) aus der Optikeinheit (40-43) austreten, ein Gas oder ein Gasgemisch, insbesondere Luft, angeordnet ist, wobei die erste Seite der Ausgangslinse (75) der übrigen Linse (60, 62, 65, 70) oder den übrigen Linsen (60, 62, 65, 70) der Optikeinheit (40-43) abgewandt ist.
Optikeinheit (40-43) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei einige der Linsen oder mehrere der Linsen (60, 62, 65, 70, 75), insbesondere alle Linsen, der Optikeinheit (40-43) Zirkonoxid umfassen, insbesondere im Wesentlichen aus Zirkonoxid bestehen.
Optikeinheit (40-43) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei zumindest eine erste Linse der Linsen (60, 62, 65, 70, 75) nicht aus Zirkonoxid besteht, insbesondere kein Zirkonoxid umfasst.
Optikeinheit (40-43) nach Anspruch 6, wobei die erste Linse die Linse der Optikeinheit (40-43) ist, die von allen Linsen (60, 62, 65, 70, 75) der Optikeinheit (40-43) der Pupillenfläche am nächsten angeordnet ist.
Optikeinheit (40-43) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei die Optikeinheit (40-43) zumindest eine asphärische Linse (65), insbesondere genau eine asphärische Linse, umfasst.
Optikeinheit (40-43) nach Anspruch 8, wobei die asphärische Linse (65) die Linse der Optikeinheit (40-43) ist, die von allen Linsen der Optikeinheit (40-43) der Pupillenfläche am nächsten angeordnet ist.
Optikeinheit (40-43) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die asphärische Linse (65) nicht aus Zirkonoxid besteht, insbesondere kein Zirkonoxid umfasst.
Optikeinheit (40-43) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei die Optikeinheit (40-43) derart ausgebildet ist, dass die Lichtstrahlen (80, 81) telezentrisch auf das Ausgangssubstrat (30) abgestrahlt werden.
Optikeinheit (40-43) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei die Lichtquellen (50) auf einer gekrümmten Fläche angeordnet sind.
Optikeinheit (40-43) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei die Optikeinheit (40-43) rotationssymmetrisch bezüglich einer optischen Achse (45) der Optikeinheit (40-43) ausgebildet ist.
Optikeinheit (40-43) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei die Lichtquellen (50) der Optikeinheit (40-43) auf einem Kreis mit einem Mittelpunkt auf einer optischen Achse (45) der Optikeinheit (40-43) angeordnet sind.
Optikeinheit (40-43) nach einem der Ansprüche 1-12, wobei die Optikeinheit (40-43) derart ausgebildet ist, dass die Lichtstrahlen (80, 81) von der Optikeinheit (40-43) derart abgestrahlt werden, dass die Lichtstrahlen (80, 81) auf einer Ebene, die senkrecht zur Strahlrichtung der Lichtstrahlen (80, 81) verläuft, entlang einer Geraden angeordnet sind.
Optikeinheit (40-43) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei die Optikeinheit (40-43) ein für die Lichtstrahlen (80, 81) durchlässiges Ausgangsfenster (77) umfasst, wobei das Ausgangsfenster (77) auf einer ersten Seite der Ausgangslinse (75) der Optikeinheit (40-43) angeordnet ist, wobei die erste Seite der Ausgangslinse (75) der übrigen Linse oder den übrigen Linsen der Optikeinheit (40-43) abgewandt ist.
Optikeinheit (40-43) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei die Anzahl an Lichtstrahlen (80, 81) der Optikeinheit (40-43) mindestens 10, insbesondere mindestens 20, vorzugsweise mindestens 40, beträgt.
Herstellungsvorrichtung (10) zur additiven Herstellung eines Gegenstands aus einem Ausgangssubtrat, wobei die Herstellungsvorrichtung - eine oder mehrere Lichterzeugungsvorrichtungen zum Erzeugen von Lichtstrahlen (80, 81), - eine Optikeinheit (40-43) oder mehrere Optikeinheiten (40-43) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, durch die die Lichtstrahlen (80, 81) auf das Ausgangssubstrat (30) gestrahlt werden, und - einen Träger (20) zum Halten des Ausgangssubstrats (30) umfasst.
Herstellungsvorrichtung (10) nach Anspruch 18, wobei die Herstellungsvorrichtung (10) mehrere Optikeinheiten (40-43) umfasst und derart ausgebildet ist, dass die Optikeinheiten (40-43) derart relativ zu dem Ausgangssubtrat bewegbar sind, dass ein erster von einem ersten Lichtstrahl (80, 81) einer ersten Optikeinheit (40-43) bei der Relativbewegung überstrichene Teil des Ausgangssubstrats (30) zu einem zweiten von einem zweiten Lichtstrahl (80, 81) einer zweiten von der ersten Optikeinheit (40-43) unterschiedlichen Optikeinheit (40-43) bei der Relativbewegung überstrichenen Teil des Ausgangssubstrats (30) einen ersten kleinsten Abstand aufweist, wobei der erste kleinste Abstand kleiner als der kleinste Abstand von Teilen des Ausgangssubstrats (30) zueinander ist, die von zwei unmittelbar zueinander benachbarten Lichtstrahlen (80, 81) derselben Optikeinheit (40-43) überstrichen werden.
Herstellungsvorrichtung (10) nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Herstellungsvorrichtung (10) derart ausgebildet ist, dass die Optikeinheit (40-43) und/oder der Träger (20) mit dem Ausgangsubstrat zum Bewegen relativ zueinander um eine Achse drehbar ist/sind, wobei die Achse durch die Mitte (28) des Trägers (20) und senkrecht zur Oberfläche des Trägers (20) verläuft, wobei mehrere Optikeinheiten (40-43) auf unterschiedlichen Geraden ausgehend von der Mitte (28) des Trägers (20) angeordnet sind, und wobei zumindest eine erste Optikeinheit (40-43) auf einer ersten Geraden in Radialrichtung und eine zweite Optikeinheit (40-43) auf einer zweiten Geraden in Radialrichtung derart in Radialrichtung zueinander versetzt sind, dass ein erster von einem ersten Lichtstrahl (80, 81) der ersten Optikeinheit (40-43) bei der Relativbewegung überstrichene Teil des Ausgangssubstrats (30) zu einem zweiten von einem zweiten Lichtstrahl (80, 81) der zweiten von der ersten Optikeinheit (40-43) unterschiedlichen Optikeinheit (40-43) bei der Relativbewegung überstrichenen Teil des Ausgangssubstrats (30) einen ersten kleinsten Abstand aufweist, wobei der erste kleinste Abstand kleiner als der kleinste Abstand von Teilen des Ausgangssubstrats (30) zueinander ist, die von zwei unmittelbar zueinander benachbarten Lichtstrahlen (80, 81) derselben Optikeinheit (40-43) überstrichen werden.
Verfahren zum additiven Herstellen eines Gegenstands aus einem Ausgangssubstrat (30), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen des Ausgangssubstrats (30); Bewegen des Ausgangsubstrats relativ zu Optikeinheiten (40-43) gemäß einem der Ansprüche 1-17 und/oder Bewegen von Optikeinheiten (40-43) gemäß einem der Ansprüche 1-17 relativ zu dem Ausgangssubstrat (30); und Bestrahlen von Teilen des Ausgangssubstrats (30) mittels Lichtstrahlen, die durch die Optikeinheiten (40-43) strahlen, zum Erwärmen und/oder Erhitzen von Teilen des Ausgangssubstrats (30).
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Optikeinheiten (40-43) derart relativ zu dem Ausgangssubtrat und/oder das Ausgangssubstrat (30) derart relativ zu den Optikeinheiten (40-43) bewegt werden, dass ein erster von einem ersten Lichtstrahl (80, 81) einer ersten Optikeinheit (40-43) bei der Relativbewegung überstrichene Teil des Ausgangssubstrats (30) zu einem zweiten von einem zweiten Lichtstrahl (80, 81) einer zweiten von der ersten Optikeinheit (40-43) unterschiedlichen Optikeinheit (40-43) bei der Relativbewegung überstrichenen Teil des Ausgangssubstrats (30) einen ersten kleinsten Abstand aufweist, wobei der erste kleinste Abstand kleiner als der kleinste Abstand von Teilen des Ausgangssubstrats (30) zueinander ist, die von zwei unmittelbar zueinander benachbarten Lichtstrahlen (80, 81) derselben Optikeinheit (40-43) überstrichen werden.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, wobei das Ausgangssubstrat (30) auf einem Träger (20) bereitgestellt wird, wobei der Träger (20) mit dem Ausgangsubstrat zum Bewegen relativ zu den Optikeinheiten (40-43) um eine Achse gedreht wird und/oder die Optikeinheiten (40-43) zum Bewegen relativ zu dem Träger (20) um eine Achse gedreht werden, wobei die Achse durch die Mitte (28) des Trägers (20) und senkrecht zur Oberfläche des Trägers (20) verläuft, wobei mehrere Optikeinheiten (40-43) auf unterschiedlichen Geraden ausgehend von der Mitte (28) des Trägers (20) angeordnet sind, und wobei zumindest eine erste Optikeinheit (40, 42) auf einer ersten Geraden in Radialrichtung und eine zweite Optikeinheit (41, 43) auf einer zweiten Geraden in Radialrichtung derart in Radialrichtung zueinander versetzt sind, dass ein erster von einem ersten Lichtstrahl (80, 81) der ersten Optikeinheit (40, 42) bei der Relativbewegung überstrichene Teil des Ausgangssubstrats (30) zu einem zweiten von einem zweiten Lichtstrahl (80, 81) der zweiten von der ersten Optikeinheit (40, 42) unterschiedlichen Optikeinheit (41, 43) bei der Relativbewegung überstrichenen Teil des Ausgangssubstrats (30) einen ersten kleinsten Abstand aufweist, wobei der erste kleinste Abstand kleiner als der kleinste Abstand von Teilen des Ausgangssubstrats (30) zueinander ist, die von zwei unmittelbar zueinander benachbarten Lichtstrahlen (80, 81) derselben Optikeinheit (40-43) überstrichen werden.