DE102020122449A1 - Apparatus and method for generating images of a light source array - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Vorrichtung 1 zum Erzeugen von Abbildern 2 eines Lichtquellenarrays 3 auf einer Projektionsfläche 4 angegeben. Die Vorrichtung weist ein Lichtquellenarray 3, eine Projektionsfläche 4 und mindestens ein in einem Strahlengang 5 zwischen dem Lichtquellenarray 3 und der Projektionsfläche 4 angeordnetes Projektionsobjektiv 6 mit einem in mindestens einer Raumrichtung von +1 abweichenden Abbildungsmaßstab m auf, wobei das mindestens eine Projektionsobjektiv 6 lateral bezüglich des Lichtquellenarrays 3 und/oder bezüglich der Projektionsfläche 4 verschiebbar ist.Daneben werden ein Verfahren 100 zum Erzeugen von Abbildern 2, eine Steuereinheit 9 und ein Computerprogramm zum Steuern einer Vorrichtung 1 zum Erzeugen von Abbildern 2 eines Lichtquellenarrays 3 auf einer Projektionsfläche 4 sowie ein nichtflüchtiges computerlesbares Speichermedium mit darauf gespeicherten Instruktionen zum Steuern einer Vorrichtung 1 zum Erzeugen von Abbildern 2 eines Lichtquellenarrays 3 auf einer Projektionsfläche 4 angegeben.A device 1 for generating images 2 of a light source array 3 on a projection surface 4 is specified. The device has a light source array 3, a projection surface 4 and at least one projection objective 6 arranged in a beam path 5 between the light source array 3 and the projection surface 4, with an imaging scale m deviating from +1 in at least one spatial direction, the at least one projection objective 6 being lateral with respect to of the light source array 3 and/or with respect to the projection surface 4. In addition, a method 100 for generating images 2, a control unit 9 and a computer program for controlling a device 1 for generating images 2 of a light source array 3 on a projection surface 4 and a non-volatile computer-readable storage medium with instructions stored thereon for controlling a device 1 for generating images 2 of a light source array 3 on a projection surface 4 specified.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von Abbildern eines Lichtquellenarrays auf einer Projektionsfläche sowie eine Steuereinheit, ein Computerprogramm und ein nichtflüchtiges computerlesbares Speichermedium mit Instruktionen zum Steuern einer solchen Vorrichtung.The invention relates to a device and a method for generating images of a light source array on a projection surface, as well as a control unit, a computer program and a non-transitory computer-readable storage medium with instructions for controlling such a device.
Bei der additiven Fertigung von Werkstücken ist das selektive Laserschmelzen (SLM, engl. selective laser melting) das am meisten verbreitete Verfahren. Hierbei wird auf ein Substrat ein Pulverbett aus Pulverpartikeln mit einer typischen Lagendicke von 20 µm bis 100 µm aufgezogen. An den Stellen, an denen eine feste Materiallage aufgebaut werden soll, wird das Pulver mittels eines Laserstrahls aufgeschmolzen, sodass sich die entstehende Schmelze mit der darunter liegenden ebenfalls aufgeschmolzenen Substratoberfläche verbindet und somit eine verfestigte neue Materiallage bildet.Selective laser melting (SLM) is the most common process in the additive manufacturing of workpieces. Here, a powder bed of powder particles with a typical layer thickness of 20 μm to 100 μm is applied to a substrate. At the points where a solid layer of material is to be built up, the powder is melted using a laser beam, so that the resulting melt bonds with the substrate surface underneath, which is also melted, and thus forms a solidified new layer of material.
Die Bewegung des Laserstrahls über das Pulverbett wird zusammen mit dem Aufschmelz- und Erstarrungsvorgang auch als „Schreiben“ bezeichnet. Ist eine Lage vollständig geschrieben, wird eine neue Lage Pulver auf die zuvor geschriebene Lage aufgebracht und der Vorgang wird wiederholt. Auf diese Weise können sehr kompliziert strukturierte Werkstücke, z. B. mit Hohlräumen, schichtweise über eine Vielzahl von Lagen aufgebaut werden.The movement of the laser beam over the powder bed, together with the melting and solidification process, is also referred to as "writing". When a layer is completely written, a new layer of powder is applied to the previously written layer and the process is repeated. In this way, very complicated structured workpieces such. B. with cavities, are built up in layers over a large number of layers.
Derartige Werkstücke sind mittels konventioneller abtragender Bearbeitung nur sehr schwer oder gar nicht herstellbar. Typische Werkstücke, die bereits mittels eines SLM-Verfahrens hergestellt werden, sind z. B. Werkstücke mit komplizierten Kanälen für Fluide, wie beispielsweise Werkstücke mit integrierten Kühlkanälen, filigrane Leichtgewichtsstrukturen mit einer Vielzahl von dünnwandigen Stützelementen oder im Bereich Medizintechnik Gelenksowie Dentalprothesen. Auch im Prototypenbau und in Kleinserien findet das SLM-Verfahren zunehmend Einzug.Such workpieces can only be produced with great difficulty or not at all using conventional machining. Typical workpieces that are already manufactured using an SLM process are e.g. B. workpieces with complicated channels for fluids, such as workpieces with integrated cooling channels, filigree lightweight structures with a variety of thin-walled support elements or in the field of medical technology joints and dental prostheses. The SLM process is also increasingly finding its way into prototype construction and small series.
Eng mit dem selektiven Laserschmelzen verwandt sind weitere Verfahren der additiven Fertigung, wie z. B. selektives Lasersintern (SLS, engl. selective laser sintering), das sich vom SLM-Verfahren lediglich dadurch unterscheidet, dass die Pulverpartikel nicht vollständig aufgeschmolzen, sondern stattdessen gesintert werden. Je nach konkreten Verfahrensbedingungen können mittels SLM- und SLS-Verfahren Werkstücke aus Metall, Kunststoff, Keramik und aus weiteren, durch den genutzten Laserstrahl schmelz- bzw. sinterbaren Werkstoffen aus den entsprechenden Pulvern hergestellt werden. Verfahren der additiven Fertigung, die als Energiequelle einen Laserstrahl nutzen, werden nachfolgend unter dem Begriff LAM-Verfahren zusammengefasst (LAM für engl. laser additive manufacturing).Other additive manufacturing processes are closely related to selective laser melting, e.g. B. selective laser sintering (SLS, engl. selective laser sintering), which differs from the SLM process only in that the powder particles are not completely melted, but instead sintered. Depending on the specific process conditions, workpieces made of metal, plastic, ceramics and other materials that can be melted or sintered by the laser beam used can be produced from the corresponding powders using SLM and SLS processes. Additive manufacturing processes that use a laser beam as the energy source are summarized below under the term LAM process (LAM for laser additive manufacturing).
Klassische LAM-Vorrichtungen weisen in etwa die Größe einer Fräsmaschine für eine vergleichbare Werkstückgröße auf und arbeiten mit einem Laserstrahl, der mittels einer über dem Werkstück platzierten Galvanometerscannereinheit auf die zu beschreibenden Positionen auf dem vorbereiteten Pulverbett gelenkt wird. Die Prozesszeiten für ein Werkstück sind relativ lang, da auf jeder der vielen Lagen alle aufzuschmelzenden Bereiche mit einem Laserstrahl mit einem relativ schmalen Fokusdurchmesser von typischerweise 50 µm vollständig abgescannt werden müssen, wobei die Scangeschwindigkeiten für gute Prozessergebnisse meist kleiner als 2 m/s sind. Entsprechend teuer sind daher die mittels dieses Verfahrens hergestellten Werkstücke, weshalb diese vorrangig im Bereich von Investitionsgütern oder in der Medizintechnik zum Einsatz kommen, nicht jedoch im Endverbraucherbereich. Für Werkstücke mit einem Volumen von wenigen Litern werden abhängig vom Volumenfüllgrad und von der Komplexität der zu schreibenden Strukturen durchaus Preise im fünfstelligen Eurobereich aufgerufen.Classic LAM devices are roughly the size of a milling machine for a comparable workpiece size and work with a laser beam that is directed to the positions to be described on the prepared powder bed by means of a galvanometer scanner unit placed above the workpiece. The process times for a workpiece are relatively long, since all areas to be melted on each of the many layers have to be completely scanned with a laser beam with a relatively narrow focus diameter of typically 50 µm, whereby the scanning speeds for good process results are usually less than 2 m/s. The workpieces manufactured using this process are correspondingly expensive, which is why they are primarily used in the area of capital goods or in medical technology, but not in the end consumer area. For workpieces with a volume of a few liters, prices in the five-digit euro range are asked, depending on the degree of volume filling and the complexity of the structures to be written.
Um die Prozesszeiten reduzieren zu können, bieten mehrere Hersteller von LAM-Vorrichtungen Vorrichtungen mit bis zu vier Laserscaneinheiten an. Damit können zwar die Prozesszeiten deutlich reduziert werden, nicht aber um die Größenordnungen, die notwendig wären, um das Verfahren für einen breiteren Einsatzbereich attraktiv zu machen, wie z. B. die Herstellung von Ersatzteilen bei Bedarf (engl. spare parts on demand) anstelle von z. T. jahrelanger Lagerhaltung.In order to be able to reduce the process times, several manufacturers of LAM devices offer devices with up to four laser scanning units. The process times can be reduced significantly, but not by the order of magnitude that would be necessary to make the process attractive for a broader range of applications, e.g. B. the production of spare parts on demand (English spare parts on demand) instead of z. T. years of storage.
Eine substantielle Verkürzung der LAM-Prozesszeiten könnte durch hochgradige Parallelisierung des Schreibvorgangs erreicht werden, so dass im Idealfall eine komplette Lage in einem Durchgang geschrieben wird, indem ein Lineal mit ansteuerbaren Laserlichtpunkten linear über das Pulverbett geführt wird.A substantial reduction in the LAM process times could be achieved by parallelizing the writing process to a high degree, so that ideally a complete layer is written in one pass by linearly guiding a ruler with controllable laser light points over the powder bed.
Ein solcher Ansatz ist prinzipiell aus der US 2017 / 0 021 454 A1 bekannt. Das in der US 2017 / 0 021 454 A1 beschriebene Verfahren sieht dabei einen Abstand zwischen den durch den Laserstrahl erzeugten Schmelz- bzw. Sinterbereichen vor, indem die Laserlichtpunkte entsprechend voneinander beabstandet werden. Vorrichtungsseitig sind ein Laserstrahlquellenarray und ein Optikkopf vorgesehen, die mittels optischer Fasern miteinander gekoppelt sind. Zur Durchführung des Schreibvorgangs ist eine Bewegungseinheit zur Bewegung des Optikkopfes relativ zum Pulverbett vorhanden, sodass die Laserstrahlen zu den gewünschten Positionen im Pulverbett geführt werden können. Mittels einer Steuereinheit werden die einzelnen Laserstrahlquellen des Laserstrahlquellenarrays je nach Bedarf gesteuert.Such an approach is known in principle from US 2017/0 021 454 A1. The method described in US 2017/0 021 454 A1 provides a distance between the melting or sintering areas generated by the laser beam, in that the laser light points are spaced apart accordingly. On the device side, a laser beam source array and an optical head are provided, which are coupled to one another by means of optical fibers. To carry out the writing process, there is a movement unit for moving the optical head relative to the powder bed so that the laser beams can be directed to the desired positions in the Powder bed can be performed. The individual laser beam sources of the laser beam source array are controlled as required by means of a control unit.
Wie genau die Vielzahl von Faserlichtquellen in das Pulverbett abgebildet werden soll, wird in der US 2017 / 0 021 454 A1 hingegen nicht erläutert. Es wird lediglich eine abstrakte Optikeinheit mit einer oder mehreren Linsen beschrieben, die der Fokussierung der einzelnen aus den Fasern austretenden Laserstrahlen dient, so dass der gewünschte Abstand der Schmelz- bzw. Sinterbereiche erzielt werden kann.In contrast, US 2017/0 021 454 A1 does not explain exactly how the multiplicity of fiber light sources are to be imaged in the powder bed. Only an abstract optics unit with one or more lenses is described, which is used to focus the individual laser beams emerging from the fibers, so that the desired distance between the melting and sintering areas can be achieved.
Der in der US 2017 / 0 021 454 A1 dargestellte Strahlengang lässt auf Einzelabbildungsoptiken für jede Faser schließen, was trotz eines relativ geringen Abstandes zwischen der Optikeinheit und dem Pulverbett einen relativ großen Abstand zwischen den einzelnen Faserenden erfordert. Dieser Abstand ist proportional zur ausgangsseitigen numerischen Apertur der Optikeinheit und proportional zum Arbeitsabstand der Optikeinheit zum Pulverbett. Dazu kommt noch der laterale Bauraum für die optische Fassungstechnik.The beam path shown in US 2017/0 021 454 A1 suggests individual imaging optics for each fiber, which requires a relatively large distance between the individual fiber ends despite a relatively small distance between the optics unit and the powder bed. This distance is proportional to the exit-side numerical aperture of the optics unit and proportional to the working distance of the optics unit to the powder bed. In addition, there is the lateral installation space for the optical mount technology.
Ein Zahlenbeispiel soll die Problematik veranschaulichen. Geht man von einer ausgangsseitigen numerischen Apertur von 0,08 und einem Arbeitsabstand zwischen Optikeinheit und Pulverbett von 200 mm aus, dann bedingt dies einen Strahldurchmesser ausgangsseitig von 2 x 0,08 x 200 mm = 32 mm. Unter Berücksichtigung des erforderlichen Bauraums für die Fassungstechnik ergibt sich daraus ein Durchmesser von etwa 50 mm für einen optischen Kanal. Das bedeutet, dass über eine angenommene Werkstückbreite von 500 mm nur etwa zehn Lichtquellen nebeneinander angeordnet werden können.A numerical example should illustrate the problem. Assuming a numerical aperture of 0.08 on the exit side and a working distance between the optics unit and the powder bed of 200 mm, this results in a beam diameter on the exit side of 2 x 0.08 x 200 mm = 32 mm. Taking into account the space required for the mounting technology, this results in a diameter of around 50 mm for an optical channel. This means that only about ten light sources can be arranged next to each other over an assumed workpiece width of 500 mm.
Wird jedoch ein Pixelabstand von 50 µm angestrebt, um auch feinere Strukturen im Bereich von 0,1 mm mit hinreichender Auflösung schreiben zu können, so müsste das Pixelarray 10 x 1 000 = 10 000 Elemente groß sein, womit sich mit den abgeschätzten Dimensionen eines optischen Kanals von 50 mm das Faserarray des Optikkopfes in der zweiten Richtung auf 50 mm x 1 000 = 50 m erstrecken würde. Dies erscheint zwar theoretisch denkbar, ist praktisch aber kaum realisierbar und würde eine sehr große LAM-Vorrichtung bedingen.However, if a pixel pitch of 50 µm is aimed for in order to be able to write finer structures in the range of 0.1 mm with sufficient resolution, the pixel array would have to be 10 x 1,000 = 10,000 elements, which means that the estimated dimensions of an optical channel of 50 mm the fiber array of the optical head would extend to 50 mm x 1 000 = 50 m in the second direction. Although this seems theoretically conceivable, it is practically impossible to realize and would require a very large LAM device.
Die Ausmaße der Optikeinheit und des Faserarrays könnten durch die Bildung von Arrays aus Subarrays reduziert werden, wobei sich die Lichtpunkte eines Subarrays jeweils ein gemeinsames Objektiv der Optikeinheit teilen. Aber auch hier besteht das Problem, dass der Abstand zwischen den einzelnen Objektiven durch den Bildabstand, die ausgangseitige numerische Apertur und den Fassungsbauraum gegeben ist.The dimensions of the optics unit and the fiber array could be reduced by forming arrays from subarrays, with the light points of a subarray each sharing a common objective of the optics unit. But here, too, there is the problem that the distance between the individual lenses is given by the image distance, the numerical aperture on the output side and the mounting space.
Hinzu kommt, dass bei Leistungen von 100 W - 1 kW pro Lichtpunkt von einer maximalen optischen Gesamtleistung von 1 MW - 10 MW ausgegangen werden sollte. Selbst bei Minimierung der Verluste in der Optikeinheit auf größenordnungsmäßig 1 % resultieren daraus Verlustleistungen von 10 kW bis 100 kW in der Optikeinheit, die in Wärme dissipiert werden. Die Abfuhr solcher Wärmeleistungen in dem beengten Bauraum, der innerhalb der Optikeinheit verbleibt, stellt eine große bis unlösbare Herausforderung dar.In addition, with outputs of 100 W - 1 kW per light point, a maximum total optical output of 1 MW - 10 MW should be assumed. Even if the losses in the optics unit are minimized to around 1%, this results in power losses of 10 kW to 100 kW in the optics unit, which are dissipated as heat. The dissipation of such heat output in the cramped space that remains inside the optics unit represents a great to unsolvable challenge.
Darüber hinaus stellt der notwendige geringe Abstand zum Pulverbett ein großes Problem dar, da die Optikeinheit dem Auswurf von glühenden Partikeln und Rauch aus der Schmelzzone direkt ausgesetzt ist und ohne aktive Gegenmaßnahmen sehr schnell verschmutzen und damit unbrauchbar werden würde. Des Weiteren bedingt die Nähe der Optikeinheit zum Pulverbett eine deutliche Einschränkung beim Design der Vorrichtungen zur Vorbereitung des Pulverbetts und zur Kühlung desselben.In addition, the necessary small distance to the powder bed poses a major problem, since the optics unit is directly exposed to the ejection of glowing particles and smoke from the melting zone and, without active countermeasures, would very quickly become dirty and thus become unusable. Furthermore, the proximity of the optics unit to the powder bed causes a significant limitation in the design of the devices for preparing the powder bed and for cooling it.
Weiterhin bedingt die aus der US 2017 / 0 021 454 A1 bekannte Vorrichtung mit einem beweglichen Optikkopf ein Faserbündel an optischen Fasern, das bei Bewegung des Optikkopfes mitgeführt werden muss. Die üblichen Faserkabel für Hochleistungslaser mittlerer Leistungsklasse (ca. 100 W bis ca. 1.500 W) weisen einen Durchmesser von etwa 10 mm aufgrund der notwendigen mechanischen Robustheit und Panzerung auf, sind aber dennoch hinreichend flexibel, sodass sie ggf. auch zur Ausführung von Lateralbewegungen im Bereich bis zu mehreren Metern geeignet wären.Furthermore, the device with a movable optical head known from US 2017/0 021 454 A1 requires a fiber bundle of optical fibers that has to be carried along when the optical head is moved. The usual fiber cables for high-power lasers in the medium power class (approx. 100 W to approx. 1,500 W) have a diameter of around 10 mm due to the necessary mechanical robustness and armouring, but are still sufficiently flexible so that they can also be used to carry out lateral movements in the range of up to several meters would be suitable.
Eine Erweiterung auf einige wenige parallel geführte Faserkabel erscheint zwar durchaus denkbar. Eine flexible Kabelbrücke für mehrere hundert bis hin zu mehreren tausend Faserkabeln zu realisieren, die auch noch über den Werkstückbereich in zwei Achsrichtungen beweglich sind, bedingt jedoch einen sehr aufwendigen bis nicht praktikablen Kabelschlepp.An extension to a few parallel fiber cables seems quite conceivable. Realizing a flexible cable bridge for several hundred to several thousand fiber cables, which can also be moved over the workpiece area in two axial directions, requires a very expensive to impractical cable trail.
Eine Bewegung des Pulverbetts anstelle des Optikkopfes, wie sie in der US 2017 / 0 021 454 A1 ebenfalls beschrieben wird, erscheint zwar prinzipiell denkbar, jedoch wird bei großen Beschleunigungen (> ca. 2 m/s2) das plangezogenen Pulverbett zerstört und eventuell auch das darin eingebettete aufgebaute Werkstück abhängig von dessen Design und Bauzustand. Damit stellen die maximalen Beschleunigungen von Pulverbett und Werkstück eine inhärente Begrenzung bei der Trajektorienplanung des Schreibprozesses dar, was im Allgemeinen in einer deutlichen Durchsatzbeschränkung resultiert.A movement of the powder bed instead of the optics head, as also described in US 2017/0 021 454 A1, seems conceivable in principle, but with high accelerations (> approx. 2 m/s 2 ) the flattened powder bed is destroyed and possibly also the built-up workpiece embedded in it depends on its design and construction status. Thus, the maximum accelerations of the powder bed and workpiece represent an inherent limitation in the trajectory planning of the writing process, which generally results in a significant throughput limitation.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit denen zumindest einige der vorstehend erläuterten Nachteile verringert oder sogar ganz vermieden werden können. Eine weitere Aufgabe ist es, eine Steuereinheit, ein Computerprogramm sowie ein nichtflüchtiges computerlesbares Speichermedium mit Instruktionen zum Steuern einer solchen Vorrichtung anzugeben.Against this background, it is the object of the invention to specify a device and a method with which at least some of the disadvantages explained above can be reduced or even completely avoided. A further object is to specify a control unit, a computer program and a non-transitory computer-readable storage medium with instructions for controlling such a device.
Wünschenswert wäre es, ein dicht gepacktes Lichtquellenarray auf der Oberfläche eines planen Pulverbetts abbilden zu können. Vorzugsweise sollte der Abstand zwischen Optikeinheit und Pulverbett ausreichend groß sein. Zudem sollte die Anzahl an optischen Grenzflächen möglichst gering sein, die optischen Grenzflächen sollten mit sehr geringen optischen Verlusten realisiert werden können und dissipierte Wärme sollte gut abführbar sein. Des Weiteren sollte das Abbild des Lichtquellenarrays über die Oberfläche des Pulverbetts bewegt werden können, ohne das Lichtquellenarray selbst oder das Pulverbett bewegen zu müssen.It would be desirable to be able to image a densely packed array of light sources on the surface of a flat powder bed. The distance between the optics unit and the powder bed should preferably be large enough. In addition, the number of optical interfaces should be as small as possible, the optical interfaces should be able to be realized with very low optical losses and dissipated heat should be easily dissipated. Furthermore, the image of the light source array should be able to be moved over the surface of the powder bed without having to move the light source array itself or the powder bed.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche betreffen Ausgestaltungsvarianten dieser erfindungsgemäßen Lösungen.This problem is solved by the subject matter of the independent claims. The dependent claims relate to design variants of these solutions according to the invention.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Abbildern eines Lichtquellenarrays auf einer Projektionsfläche. Die Vorrichtung weist ein Lichtquellenarray, eine Projektionsfläche und mindestens ein Projektionsobjektiv auf. Das mindestens eine Projektionsobjektiv ist im Strahlengang zwischen dem Lichtquellenarray und der Projektionsfläche angeordnet und weist einen in mindestens einer Raumrichtung von +1 abweichenden Abbildungsmaßstab m auf. Das mindestens eine Projektionsobjektiv ist lateral bezüglich des Lichtquellenarrays und/oder bezüglich der Projektionsfläche verschiebbar.A first aspect of the invention relates to a device for generating images of a light source array on a projection surface. The device has a light source array, a projection surface and at least one projection lens. The at least one projection objective is arranged in the beam path between the light source array and the projection surface and has an imaging scale m that deviates from +1 in at least one spatial direction. The at least one projection lens can be displaced laterally with respect to the light source array and/or with respect to the projection surface.
Unter einem Lichtquellenarray kann eine ein-, zwei- oder dreidimensionale Anordnung einer oder bevorzugt mehrerer Lichtquellen, z. B. zwischen 100 und 100.000 Lichtquellen, verstanden werden. Bei einer eindimensionalen Anordnung sind z. B. alle Lichtquellen in einer Reihe angeordnet, bei einer zweidimensionalen Anordnung sind die Lichtquellen auf einer Fläche verteilt angeordnet, z. B. in Form mehrerer Reihen und Spalten. Die Abstände der Lichtquellen zueinander können gleich oder verschieden sein. Alle Lichtquellen können in einer Ebene angeordnet sein. Je nach Bedarf können die Lichtquellen aber auch auf einer gekrümmten Fläche angeordnet sein.A light source array can be a one-, two- or three-dimensional arrangement of one or preferably several light sources, e.g. B. between 100 and 100,000 light sources are understood. In a one-dimensional arrangement z. B. all light sources arranged in a row, in a two-dimensional arrangement, the light sources are distributed over a surface, z. B. in the form of several rows and columns. The distances between the light sources can be the same or different. All light sources can be arranged in one plane. Depending on requirements, however, the light sources can also be arranged on a curved surface.
Bevorzugt können die Lichtquellen des Lichtquellenarrays auf der Objektfläche des Projektionsobjektivs angeordnet sein. Ist die Objektfläche eben, so kann folglich auch das Lichtquellenarray eben ausgebildet sein. Ist die Objektfläche gekrümmt, so kann folglich auch das Lichtquellenarray eine Krümmung aufweisen. Beispielsweise können die Lichtquellen auf einem Teil einer um die Symmetrieachse der Optik zentrierten rotationssymmetrischen Fläche angeordnet sein. Diese rotationssymmetrische Fläche kann beispielsweise eine sphärische oder asphärische Fläche, z. B. eine parabolische Fläche, sein.The light sources of the light source array can preferably be arranged on the object surface of the projection lens. If the object surface is flat, the light source array can consequently also be flat. If the object surface is curved, the light source array can consequently also have a curvature. For example, the light sources can be arranged on part of a rotationally symmetrical surface centered around the axis of symmetry of the optics. This rotationally symmetrical surface can be, for example, a spherical or aspherical surface, e.g. B. be a parabolic surface.
Das Lichtquellenarray kann aus direkten Lichtquellen, z. B. Laserlichtquellen, beispielsweise in Form von Laserlichtdioden, gebildet sein oder es kann mit direkten Lichtquellen lichtleitend verbunden sein, so dass von den direkten Lichtquellen erzeugtes Licht zum Lichtquellenarray geleitet und von diesem in die Umgebung abgegeben wird. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, Licht direkter Lichtquellen, die ebenfalls in Form eines Arrays angeordnet sein können, über Lichtleiter, deren Enden das Lichtquellenarray bilden, an die Umgebung abzugeben. Mögliche Lichtleiter sind z. B. Lichtwellenleiter bzw. Lichtleitfasern, wobei unterschiedliche Fasertypen, z. B. Monomodefasern, Multimodefasern, z. B. Stufenindexfasern oder Gradientenindexfasern, „photonische Kristall“-Fasern, „Hollow-Core“-Fasern u. a., zur Anwendung kommen können. Mit anderen Worten umfasst der Begriff Lichtquellenarray auch ein aus Enden von Lichtleitern gebildetes Array.The light source array can consist of direct light sources, e.g. B. laser light sources, for example in the form of laser light diodes, or it can be light-conductingly connected to direct light sources, so that light generated by the direct light sources is guided to the light source array and emitted by it into the environment. For example, there is the possibility of emitting light from direct light sources, which can also be arranged in the form of an array, to the environment via light guides, the ends of which form the light source array. Possible light guides are e.g. B. optical waveguides or optical fibers, with different fiber types, z. B. single mode fibers, multimode fibers, z. B. step index fibers or gradient index fibers, "photonic crystal" fibers, "hollow core" fibers, etc., can be used. In other words, the term light source array also includes an array formed from the ends of light guides.
Im Rahmen der Erfindung kann das Lichtquellenarray bevorzugt als Laserstrahlquellenarray ausgebildet sein, d. h. als Licht kann Laserstrahlung genutzt werden. Die Wellenlänge der Laserstrahlung kann je nach Bedarf, z. B. in Abhängigkeit der gewünschten Materialwechselwirkung, gewählt sein und z. B. im Bereich zwischen 100 nm und 3 µm, aber auch im Wellenlängenbereich von Röntgenstrahlung oder anderer elektromagnetischer Strahlung liegen.Within the scope of the invention, the light source array can preferably be designed as a laser beam source array, i. H. laser radiation can be used as light. The wavelength of the laser radiation can be adjusted as required, e.g. B. depending on the desired material interaction, be selected and z. B. in the range between 100 nm and 3 microns, but also in the wavelength range of X-rays or other electromagnetic radiation.
Weiter bevorzugt sind die Lichtquellen des Lichtquellenarrays derart ausgebildet, dass das von ihnen ausgesandte Licht ein Material aufschmelzen oder sintern kann. Mit anderen Worten kann die Vorrichtung zur additiven Fertigung eingerichtet und ausgebildet sein.More preferably, the light sources of the light source array are designed in such a way that the light they emit can melt or sinter a material. In other words, the device can be set up and designed for additive manufacturing.
Das Lichtquellenarray kann derart ausgebildet sein, dass die Lichtquellen des Lichtquellenarrays gemeinsam angesteuert werden können, d. h. alle Lichtquellen werden gemeinsam aktiviert und deaktiviert. Daneben kann vorgesehen sein, dass Lichtquellen des Lichtquellenarrays einzeln oder gruppenweise ansteuerbar sind, so dass einzelne Lichtquellen bzw. Gruppen von Lichtquellen aktiviert und deaktiviert werden können. Dies ermöglicht die Erzeugung unterschiedlicher Abbilder und folglich einen unterschiedlichen Energieeintrag in die Projektionsfläche, z. B. die Oberfläche des Pulverbetts. Die Ausführung eines LAM-Verfahrens mit der Vorrichtung kann dadurch präziser erfolgen.The light source array can be designed in such a way that the light sources of the light source array can be controlled together, ie all light sources are activated and deactivated together. In addition, it can be provided that light sources of the light source array can be controlled individually or in groups, so that individual light sources or groups of light sources are activated and can be disabled. This enables the generation of different images and consequently a different energy input into the projection surface, e.g. B. the surface of the powder bed. The execution of an LAM method with the device can be carried out more precisely as a result.
Der Begriff „Projektionsfläche“ bezeichnet vorliegend eine Fläche, vorzugsweise eine Ebene, auf die das Abbild des Lichtquellenarrays projiziert wird. Die Projektionsfläche liegt folglich zumindest teilweise in der Bildebene des Projektionsobjektivs. Wie nachstehend noch genauer erläutert werden wird, kann die Projektionsfläche z. B. die Oberfläche eines Pulverbetts sein, das z. B. im Rahmen eines additiven Fertigungsverfahrens verwendet wird. Mit anderen Worten kann die Projektionsfläche aus einem schmelz- oder sinterbaren Material, z. B. einem schmelz- oder sinterbaren Pulvermaterial, beispielsweise einem Metallpulver, gebildet sein.In the present case, the term “projection surface” refers to a surface, preferably a plane, onto which the image of the light source array is projected. The projection surface consequently lies at least partially in the image plane of the projection objective. As will be explained in more detail below, the projection z. B. be the surface of a powder bed, the z. B. is used in an additive manufacturing process. In other words, the projection surface can be made of a meltable or sinterable material, e.g. B. a meltable or sinterable powder material, such as a metal powder.
Das Projektionsobjektiv ist im Strahlengang zwischen dem Lichtquellenarray und der Projektionsfläche angeordnet, so dass optische Elemente des Projektionsobjektivs mit der vom Lichtquellenarray ausgesandten Lichtstrahlen wechselwirken und diese auf die Projektionsfläche projizieren bzw. ein Abbild des Lichtquellenarrays auf der Projektionsfläche erzeugen können.The projection lens is arranged in the beam path between the light source array and the projection surface, so that optical elements of the projection lens interact with the light beams emitted by the light source array and project them onto the projection surface or generate an image of the light source array on the projection surface.
Die Vorrichtung kann auch mehrere Projektionsobjektive aufweisen, um beispielsweise eine Werkstückbreite bzw. eine entsprechend große Projektionsfläche durch mehrere Projektionsobjektive abdecken zu können. Dies kann vorteilhaft sein, um die Projektionsobjektivgröße bei gegebener Werkstückgröße kleiner zu wählen und damit die Fertigungskosten eines Projektionsobjektivs zu reduzieren. Es können aber auch bei gegebener Projektionsobjektivgröße größere Werkstücke gefertigt werden, indem mehrere Projektionsobjektive nebeneinander angeordnet werden.The device can also have a number of projection lenses in order to be able to cover, for example, a workpiece width or a correspondingly large projection area with a number of projection lenses. This can be advantageous in order to select a smaller projection lens size for a given workpiece size and thus to reduce the production costs of a projection lens. With a given projection objective size, however, larger workpieces can also be manufactured by arranging a plurality of projection objectives next to one another.
Damit können konfigurierbare Maschinen- und Werkstückgrößen ermöglicht werden, bei denen die Anzahl der Varianten an Projektionsobjektiven drastisch und bestenfalls bis auf eine einzige Variante reduziert werden kann. Mit anderen Worten kann die Variantenvielfalt der Projektionsobjektive deutlich reduziert werden, indem eine Minimalgröße festgelegt wird und bei größeren Werkstücken oder Maschinen mehrere Projektionsobjektive nebeneinander verwendet werden.In this way, configurable machine and workpiece sizes can be made possible, in which the number of variants of projection lenses can be drastically reduced and, at best, down to a single variant. In other words, the number of variants of the projection lenses can be significantly reduced by specifying a minimum size and using a plurality of projection lenses next to one another in the case of larger workpieces or machines.
Die Position des Abbilds auf der Projektionsfläche kann durch laterale Verschiebung des Projektionsobjektivs bezüglich des Lichtquellenarrays, bezüglich der Projektionsfläche oder bezüglich sowohl des Lichtquellenarrays als auch der Projektionsfläche geändert werden, d. h. das laterale Verschieben des Projektionsobjektivs bewirkt eine entsprechende Verschiebung des Strahlengangs. Mit anderen Worten kann das Projektionsobjektiv selbst in einer Ebene im Wesentlichen parallel zum Lichtquellenarray und parallel zur Projektionsfläche unter Beibehaltung des Abstands zwischen Projektionsobjektiv und Lichtquellenarray sowie Projektionsobjektiv und Projektionsfläche bewegt werden.The position of the image on the projection surface can be changed by lateral displacement of the projection lens with respect to the light source array, with respect to the projection surface or with respect to both the light source array and the projection surface, i. H. the lateral displacement of the projection objective causes a corresponding displacement of the beam path. In other words, the projection lens itself can be moved in a plane essentially parallel to the light source array and parallel to the projection surface while maintaining the distance between the projection lens and the light source array and between the projection lens and the projection surface.
Zur lateralen Verschiebung des Projektionsobjektivs kann die Vorrichtung eine Verfahreinheit aufweisen, die zur lateralen Verschiebung des Projektionsobjektivs ausgebildet ist. Eine solche Verfahreinheit kann u. a. Antriebe und Führungen aufweisen.For the lateral displacement of the projection lens, the device can have a displacement unit, which is designed for the lateral displacement of the projection lens. Such a traversing unit can i.a. Have drives and guides.
Die Position zumindest des Lichtquellenarrays oder der Projektionsfläche, bevorzugt sowohl des Lichtquellenarrays als auch der Projektionsfläche, kann hingegen unveränderlich sein, d. h. das Lichtquellenarray und/oder die Projektionsfläche können stationär, insbesondere stationär in x-Richtung und y-Richtung, angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass keine Einrichtungen zur Positionsänderung des Lichtquellenarrays bzw. der Projektionsfläche, wie z. B. eine Verfahreinrichtung, eine Steuerung, eine flexible Kabelbrücke, etc., erforderlich sind.However, the position of at least the light source array or the projection surface, preferably both the light source array and the projection surface, can be unchangeable, i. H. the light source array and/or the projection surface can be arranged in a stationary manner, in particular in a stationary manner in the x-direction and y-direction. This has the advantage that no devices for changing the position of the light source array or the projection, such. B. a traversing device, a controller, a flexible cable bridge, etc., are required.
Optional, beispielsweise zur Realisierung größerer Positionsänderungen, kann jedoch auch eine laterale Verschiebung der Projektionsfläche gegenüber dem Projektionsobjektiv vorgesehen sein.However, a lateral displacement of the projection surface in relation to the projection objective can also be provided optionally, for example in order to implement larger changes in position.
Das Projektionsobjektiv weist einen in mindestens einer Raumrichtung von +1 verschiedenen Abbildungsmaßstab m auf. Mit anderen Worten ist der Abbildungsmaßstab m in mindestens einer Raumrichtung nicht +1. Der Abbildungsmaßstab ist definiert als das Verhältnis zwischen der Bildgröße des Abbilds des Lichtquellenarrays und der realen Größe des Lichtquellenarrays.The projection lens has a magnification m that differs from +1 in at least one spatial direction. In other words, the imaging scale m is not +1 in at least one spatial direction. The image scale is defined as the ratio between the image size of the image of the light source array and the real size of the light source array.
Bevorzugt kann das Projektionsobjektiv in mindestens einer Raumrichtung einen negativen Abbildungsmaßstab m aufweisen, d. h. einen Abbildungsmaßstab m < 0. Weiter bevorzugt kann der Abbildungsmaßstab m in mindestens einer Raumrichtung im Bereich -10 ≤ m ≤ -0,1, weiter bevorzugt im Bereich -10 ≤ m ≤ -1 und besonders bevorzugt im Bereich -2 ≤ m ≤ -1, liegen. Der Abbildungsmaßstab m kann beispielsweise in mindestens einer Raumrichtung -1 sein. Ein negativer Abbildungsmaßstab bedeutet, dass das Abbild des Lichtquellenarrays gegenüber dem Lichtquellenarray umgekehrt ist.The projection lens can preferably have a negative imaging scale m in at least one spatial direction, i. H. a magnification m<0. More preferably, the magnification m in at least one spatial direction can be in the range -10≦m≦-0.1, more preferably in the range -10≦m≦-1 and particularly preferably in the range -2≦m≦- 1, lying. The imaging scale m can be -1 in at least one spatial direction, for example. A negative magnification means that the image of the light source array is reversed compared to the light source array.
Ein Abbildungsmaßstab m, für den |m| > 10 gilt, ist ebenso möglich. Allerdings wird mit zunehmendem Betrag des Abbildungsmaßstabs entweder das abgebildete Lichtquellenarray mit dessen Lichtpunkten so groß, dass nur noch grobe Strukturen geschrieben werden können oder das Lichtquellenarray muss objektseitig entsprechend verkleinert werden, was durch die Packungsdichte der Lichtquellen und der minimalen praktikablen Größe der Lichtquellen begrenzt wird. Des Weiteren hat eine Verkleinerung der Lichtquellen zur Folge, dass der Divergenzwinkel der Lichtstrahlen dem Verkleinerungsfaktor entsprechend ansteigt und damit ebenfalls die notwendige eingangsseitige numerische Apertur des Projektionsobjektivs. Dies ist dadurch begründet, dass das Strahl-Parameter-Produkt θ0w0
Der in mindestens eine Raumrichtung von +1 abweichende Abbildungsmaßstab bewirkt, dass das Abbild bei lateraler Bewegung des Projektionsobjektivs in mindestens einer Raumrichtung lateral bezüglich des Lichtquellenarrays verschoben wird. Weicht der Abbildungsmaßstab in Draufsicht auf die Vorrichtung in eine Raumrichtung von +1 ab, kann das Abbild lateral in eine Raumrichtung verschoben werden. Weicht der Abbildungsmaßstab in Draufsicht auf die Vorrichtung in beide Raumrichtungen von +1 ab, kann das Abbild lateral in beide Raumrichtungen verschoben werden. Der konkret gewählte Abbildungsmaßstab gibt vor, um welche laterale Strecke das Abbild bei lateraler Bewegung des Projektionsobjektivs verschoben wird. Beispielsweise ergibt sich bei einem Abbildungsmaßstab m = -1 bei einer linearen lateralen Bewegung des Projektionsobjektivs eine doppelt so weite Verschiebung des Abbilds in der Bildebene.The image scale deviating from +1 in at least one spatial direction causes the image to be shifted laterally with respect to the light source array in at least one spatial direction when the projection lens moves laterally. If the imaging scale in a plan view of the device deviates from +1 in a spatial direction, the image can be shifted laterally in one spatial direction. If the imaging scale in a plan view of the device deviates from +1 in both spatial directions, the image can be shifted laterally in both spatial directions. The specifically selected image scale specifies the lateral distance by which the image is shifted when the projection lens is moved laterally. For example, with an imaging scale m=−1, a linear lateral movement of the projection objective results in a displacement of the image in the image plane that is twice as large.
Bei einem Abbildungsmaßstab m = -2 ist das Abbild gegenüber dem Lichtquellenarray um das Dreifache der Strecke, um die das Projektionsobjektiv verschoben wurde, verschoben. Mithin kann durch die Wahl des Abbildungsmaßstabs die Verschiebung des Abbilds gegenüber dem Lichtquellenarray festgelegt werden. Die Verschiebung des Projektionsobjektivs resultiert in einem Abscannen der Projektionsfläche, so dass das Projektionsobjektiv auch als scannendes Objektiv bezeichnet werden kann.With an imaging scale m=−2, the image is shifted relative to the light source array by three times the distance by which the projection objective was shifted. Consequently, the displacement of the image in relation to the light source array can be defined by the selection of the imaging scale. The displacement of the projection lens results in a scanning of the projection surface, so that the projection lens can also be referred to as a scanning lens.
Die erzeugten Abbilder können je nach verwendeter Lichtstrahlung weitere Vorgänge bewirken. Beispielsweise kann Material im Bereich des Abbilds durch den Lichteintrag aufgeschmolzen oder gesintert werden. Folglich kann die Vorrichtung im Rahmen eines additiven Fertigungsverfahrens genutzt werden, wobei die Position des Abbilds die Stellen festlegt, an denen durch Schmelz- oder Sintervorgänge feste Materiallagen aufgebaut werden sollen. Durch ein entsprechendes Abscannen der Projektionsfläche durch die beschriebene Bewegung des Projektionsobjektivs können die einzelnen Lagen, wie eingangs erläutert, geschrieben werden.Depending on the light radiation used, the images produced can bring about further processes. For example, material in the area of the image can be melted or sintered by the input of light. Consequently, the device can be used as part of an additive manufacturing process, with the position of the image defining the locations at which solid layers of material are to be built up by melting or sintering processes. The individual layers, as explained at the outset, can be written by correspondingly scanning the projection surface by means of the described movement of the projection lens.
Damit beim Aufbau weiterer Lagen die Strahlfoki in der Projektionsfläche gehalten werden können, kann zum Aufbau weiterer Lagen eine Verschiebung der Projektionsfläche gegenüber dem Projektionsobjektiv vorgesehen sein, d. h. das Pulverbett kann entlang der Hauptstrahlen der optischen Strahlen, also in z-Richtung, gegenüber dem Projektionsobjektiv verschiebbar ausgebildet sein.So that the beam foci can be kept in the projection surface when building up further layers, the projection surface can be displaced in relation to the projection objective to build up further layers, i. H. the powder bed can be designed to be displaceable relative to the projection objective along the principal rays of the optical beams, ie in the z-direction.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht das Abbilden eines dicht gepackten Lichtquellenarrays auf eine plane Projektionsfläche, z. B. ein planes Pulverbett. Durch gezielte Auswahl der optischen Eigenschaften des Projektionsobjektivs kann dabei ein ausreichend großer Abstand zwischen dem Projektionsobjektiv bzw. der Optikeinheit und dem Pulverbett gewährleistet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet zudem folgende weitere Vorteile:
- Das gesamte Lichtquellenarray kann abgebildet werden. Die Packungsdichte der Lichtquellen, z. B. der Faserenden von Lichtleitfasern, ist somit nicht durch das abbildende optische System begrenzt, sondern nur durch die Packungsdichte der Lichtquellen selbst, die im Bereich von wenigen Millimetern oder sogar darunter liegen kann. Hierdurch kann ein Lichtquellenarray, z. B. ein Faserarray, derart kompakt realisiert werden, dass dieses in den Feldakzeptanzbereich eines hinsichtlich der Baugröße noch praktikablen Projektionsobjektivs passt.
- The entire light source array can be imaged. The packing density of the light sources, e.g. B. the fiber ends of optical fibers is not limited by the imaging optical system, but only by the packing density of the light sources themselves, which can be in the range of a few millimeters or even less. This allows a light source array, z. B. a fiber array, can be implemented in such a compact way that it fits into the field acceptance range of a projection lens that is still practicable in terms of size.
Zudem kann mittels der vorgeschlagenen Vorrichtung ein Scanprinzip realisiert werden, bei dem vorrangig nur das Projektionsobjektiv bewegt wird. Dadurch müssen keine Bündel von Lichtleitern, z. B. optischen Fasern, die die direkten Lichtquellen mit dem Lichtquellenarray verbinden, mitgeführt werden. Auch das Pulverbett mit dem auszubildenden Werkstück kann während des Schreibens einer Lage in Ruhe verbleiben, sodass die eingangs beschriebenen design- und bauzustandsabhängigen Einschränkungen der Maximalbeschleunigungen für den Scanprozess nicht zum Tragen kommen. Die mechatronischen Eigenschaften des bewegten Projektionsobjektivs sind hingegen unabhängig vom Werkstück und vom Pulverbett, weshalb die Parameter der Objektivbewegung universell sind. Das Projektionsobjektiv selbst kann entsprechend den notwendigen mechatronischen Eigenschaften und Beschleunigungen ausgelegt werden.In addition, the proposed device can be used to implement a scanning principle in which primarily only the projection lens is moved. This means that no bundles of light guides, e.g. B. optical fibers that connect the direct light sources with the light source array, are carried. The powder bed with the workpiece to be formed can also remain at rest while a layer is being written, so that the design and construction condition-dependent limitations of the maximum accelerations for the scanning process described above do not come into play. The mechatronic properties of the moving projection lens, on the other hand, are independent of the workpiece and the powder bed, which is why the parameters of the lens movement are universal. The projection lens itself can be designed according to the necessary mechatronic properties and accelerations.
Daneben kann die Vorrichtung auch zur Ausführung bekannter Scanprinzipien genutzt werden, so dass die Vorrichtung sehr variabel einsetzbar ist.In addition, the device can also be used to carry out known scanning principles, so that the device can be used very variably.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Projektionsobjektiv ein- oder beidseitig telezentrisch ausgebildet sein.According to various embodiment variants, the projection lens can be telecentric on one or both sides.
Bevorzugt kann das Projektionsobjektiv zumindest objektseitig telezentrisch ausgebildet sein. Weiter bevorzugt kann das Projektionsobjektiv beidseitig, also objekt- und bildseitig, telezentrisch ausgebildet sein.The projection lens can preferably be telecentric, at least on the object side. More preferably, the projection lens can be telecentric on both sides, ie on the object and image side.
Telezentrisch bedeutet, dass die Eintritts- bzw. Austrittspupille des Projektionsobjektivs im Unendlichen liegt und folglich alle Hauptstrahlen im Objekt- bzw. Bildraum parallel zur optischen Achse verlaufen. Folglich betragen die objekt- bzw. bildseitigen Hauptstrahlwinkel 0°. Geringfügige Abweichungen, z. B. herstellungsbedingte Abweichungen, von einer idealen Parallelität sind möglich. Beispielsweise können die objekt- bzw. bildseitigen Hauptstrahlwinkel kleiner 5°, bevorzugt kleiner 2°, weiter bevorzugt kleiner 1° sein.Telecentric means that the entrance and exit pupils of the projection lens are at infinity and consequently all main rays in the object or image space run parallel to the optical axis. Consequently, the principal ray angles on the object and image side are 0°. Minor deviations, e.g. B. manufacturing-related deviations from an ideal parallelism are possible. For example, the main beam angles on the object or image side can be less than 5°, preferably less than 2°, more preferably less than 1°.
Eine beidseitig telezentrische Ausbildung des Projektionsobjektivs bewirkt, dass keine oder allenfalls sehr geringe Verzeichnungsfehler erzeugt werden. Durch das beidseitig telezentrische Design wird erreicht, dass Form- und Lagetoleranzen in z - Richtung, also in Richtung der optischen Achse, des Lichtquellenarrays einerseits und der Projektionsfläche andererseits nur zu Kontrastverlusten führen, nicht aber zu Verzeichnungsfehlern der optischen Abbildung. Die Empfindlichkeit hinsichtlich Kontrastverlusten durch Defokussierung ist bei den relativ kleinen numerischen Aperturen von üblicherweise kleiner als 0,1 durchaus moderat und im Allgemeinen gut zu beherrschen. Dies bedeutet, dass der Radius eines Spots bei Defokussierung nur moderat zunimmt. Bei einer numerischen Apertur von 0,1 wächst der Strahlradius um 10 µm bei 100 µm Verschiebung. Soll der Radius eines Strahls von z. B. 25 µm auf 2 µm stabil gehalten werden, so muss die Fokuslage auf 20 µm genau kontrolliert werden. Dies ist zwar nicht einfach, aber noch beherrschbar.A telecentric configuration of the projection lens on both sides has the effect that no or at most very small distortion errors are produced. Due to the telecentric design on both sides, shape and position tolerances in the z direction, i.e. in the direction of the optical axis, of the light source array on the one hand and the projection surface on the other hand, only lead to loss of contrast, but not to distortion errors in the optical image. The sensitivity with regard to contrast losses due to defocusing is quite moderate with the relatively small numerical apertures of usually less than 0.1 and is generally easy to control. This means that the radius of a spot increases only moderately when defocused. With a numerical aperture of 0.1, the beam radius increases by 10 µm for every 100 µm shift. If the radius of a beam of z. B. 25 µm are kept stable at 2 µm, the focus position must be controlled to within 20 µm. This is not easy, but still manageable.
Die objektseitige bzw. eingangsseitige Telezentrie hat zudem den Vorteil, dass alle Lichtquellen, z. B. alle Faserenden auf dem Faserarray, parallel nebeneinander angeordnet werden können, wodurch die Notwendigkeit einer individuellen Orientierung der Lichtquellen, z. B. also der Faserenden, vermieden werden kann. Dies ist vorteilhaft hinsichtlich einer möglichst hohen Packungsdichte der Lichtquellen und einer einfachen Fertigung des Lichtquellenarrays.The object-side or input-side telecentricity also has the advantage that all light sources, e.g. B. all fiber ends on the fiber array, can be arranged in parallel next to each other, eliminating the need for individual orientation of the light sources, z. B. so the fiber ends can be avoided. This is advantageous with regard to the highest possible packing density of the light sources and simple manufacture of the light source array.
Besonders vorteilhaft ist die objektseitige Telezentrie zudem für das Lichtquellenarray während des Scanprozesses. Dadurch kann nämlich vermieden werden, dass die individuelle Orientierung jeder einzelnen Lichtquelle abhängig von ihrer aktuellen Lage im Objektfeld der feldabhängigen Orientierung des Hauptstrahls nachgeführt werden muss. Ein solches Nachführen würde zum einen zu einer sehr hohen Komplexität des Lichtquellenarrays führen und zum anderen würde der notwendige Bauraum für eine aktive individuelle Strahlnachführung die Packungsdichte der Lichtquellen im Lichtquellenarray sehr stark, d. h. um mindestens eine Größenordnung, begrenzen. Mit anderen Worten kann durch die objektseitige Telezentrie die Komplexität des Lichtquellenarrays verringert und Bauraum eingespart werden.The object-side telecentricity is also particularly advantageous for the light source array during the scanning process. In this way it can be avoided that the individual orientation of each individual light source has to be tracked to the field-dependent orientation of the main ray depending on its current position in the object field. Such tracking would on the one hand lead to a very high complexity of the light source array and on the other hand the space required for active individual beam tracking would greatly reduce the packing density of the light sources in the light source array, i. H. by at least an order of magnitude. In other words, the object-side telecentricity can reduce the complexity of the light source array and save space.
Die objektseitige Telezentrie sorgt dafür, dass auf jeder Feldposition die parallelen Achsen der rotationssymmetrischen Abstrahlkegel der Lichtquellen mit den aufgrund der Telezentrie ebenfalls parallelen objektseitigen Hauptstrahlen des Projektionsobjektivs zusammenfallen. Das Zusammenfallen der Symmetrieachsen der Abstrahlkegel mit den objektseitigen Hauptstrahlen des Projektionsobjektivs bewirkt, dass eine Überschreitung der durch die objektseitige Pupille gegebenen Apertur des Projektionsobjektivs vermieden werden kann. Eine mit einer solchen Überschreitung einhergehende Vignettierung und eine durch die Vignettierung hervorgerufene beugungsbedingte Aufweitung der Punktspreizfunktion (engl. point spread function) des Abbilds können vermieden werden. Des Weiteren wären mit einer Überschreitung der eingangsseitigen Apertur optische Verluste und eine Streulichtgenerierung an der Aperturblende des Projektionsobjektives verbunden, was beides unerwünscht ist, und durch die objektseitige Telezentrie des Projektionsobjektivs daher vorteilhaft vermieden werden kann.The object-side telecentricity ensures that in every field position the parallel axes of the rotationally symmetrical radiation cones of the light sources coincide with the object-side main beams of the projection lens, which are also parallel due to the telecentricity. The coincidence of the symmetry axes of the emission cones with the object-side main beams of the projection objective means that the aperture of the projection objective given by the object-side pupil can be avoided. A vignetting associated with such an excess and a widening of the point spread function of the image caused by the vignetting and caused by diffraction can be avoided. Furthermore, exceeding the input-side aperture would result in optical losses and stray light generation at the aperture stop of the projection lens, both of which are undesirable and can therefore advantageously be avoided by the object-side telecentricity of the projection lens.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Projektionsobjektiv ein refraktives Objektiv sein.According to various embodiment variants, the projection lens can be a refractive lens.
Refraktives Objektiv bedeutet, dass die Mehrheit der optisch wirksamen Flächen, bevorzugt alle optisch wirksamen Flächen, brechende Flächen sind oder dass die Anzahl der optisch wirksamen brechenden Flächen der Anzahl an optisch wirksamen spiegelnden Flächen entspricht. Ein solches refraktives Objektiv weist ein oder mehrere Linsen, jedoch keine Spiegel auf. Beispielsweise können zwei in z-Richtung voneinander beabstandete Linsen angeordnet sein. Weitere Linsen, z. B. zur Korrektur von Feldkrümmung und Bildfehlern, z. B. von feldlagenabhängigen Bildfehlern, können vorhanden sein.Refractive objective means that the majority of the optically effective surfaces, preferably all optically effective surfaces, are refracting surfaces or that the number of optically effective refracting surfaces corresponds to the number of optically effective reflecting surfaces. Such a refractive objective has one or more lenses, but no mirrors. For example, two lenses spaced apart from one another in the z-direction can be arranged. Other lenses, e.g. B. to correct field curvature and image errors, z. B. from field position-dependent image errors may be present.
Ein refraktives Objektiv hat den Vorteil einer einfachen und preisgünstigen Fertigung. Darüber hinaus hat ein refraktives Objektiv den Vorteil, dass es im Allgemeinen rotationssymmetrisch ausgeführt werden kann, was vorteilhaft für die Linsenfertigung, die Objektivmontage und auch für die Justage ist. Des Weiteren hat eine refraktive Optik gegenüber einer reflektiven Optik den Vorteil, dass diese im Allgemeinen bei gleicher numerischer Apertur und gleicher Feldgröße wesentlich kompakter in der lateralen Ausdehnung ist, da bei einer reflektiven Optik meist die Strahlen an den Spiegeln vorbeigeführt werden müssen.A refractive lens has the advantage of being simple and inexpensive to manufacture. In addition, a refractive lens has the advantage that it can generally be designed to be rotationally symmetrical, which is advantageous for lens manufacture, lens assembly and also for adjustment. Furthermore, refractive optics have the advantage over reflective optics that they are generally much more compact in terms of lateral extension with the same numerical aperture and the same field size, since with reflective optics the rays usually have to be guided past the mirrors.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Projektionsobjektiv ein Spiegelobjektiv sein.According to further embodiment variants, the projection lens can be a mirror lens.
Spiegelobjektiv bedeutet, dass die Mehrheit der optisch wirksamen Flächen, bevorzugt alle optisch wirksamen Flächen, reflektierende Flächen sind. Plane Spiegel, die nur zur geometrischen Umlenkung des Lichtstrahlengangs dienen, stellen keine optisch wirksamen Flächen dar.Mirror objective means that the majority of the optically effective surfaces, preferably all optically effective surfaces, are reflective surfaces. Plane mirrors, which are only used for the geometric deflection of the light beam path, are not optically effective surfaces.
Spiegelobjektive bieten vorteilhaft die Möglichkeit, den Strahlengang zu falten, so dass im Vergleich zu einem nicht gefalteten Strahlengang weniger Bauraum, insbesondere in der Höhe, für das Projektionsobjektiv und für die Vorrichtung insgesamt benötigt wird. Durch den gefalteten Strahlengang kann ein großer Abstand zwischen dem Pulverbett und den Spiegeln realisiert werden, sodass die Spiegel außerhalb der Reichweite von aus der Schmelzzone herausgeschleuderten Partikeln und austretenden Staubwolken angeordnet werden können. Außerdem ist ausreichend Bauraum vorhanden, um zusätzliche Maßnahmen, wie z. B. laterale Gasvorhänge einführen zu können, um die Spiegel sauber zu halten. Mirror lenses advantageously offer the possibility of folding the beam path, so that in comparison to an unfolded beam path, less installation space, particularly in terms of height, is required for the projection lens and for the device as a whole. Due to the folded beam path, a large distance can be realized between the powder bed and the mirrors, so that the mirrors can be arranged out of the reach of particles ejected from the melting zone and escaping dust clouds. In addition, there is sufficient space to take additional measures such. B. to be able to introduce lateral gas curtains to keep the mirrors clean.
Zudem weisen Spiegel im Vergleich zu Linsen, die für das vorgeschlagene Projektionsobjektiv mit einem großen Durchmesser und einer großen Mittendicke ausgebildet sein müssten und folglich eine hohes Gewicht aufweisen würden, ein geringeres Gewicht auf, was Vorteile in Hinblick auf eine Bewegung des Projektionsobjektivs bietet, da z. B. bei Beschleunigung geringere Kräfte wirken. Auch eine Begrenzung der Beschleunigung aufgrund der durch Bruchspannungen bedingten Begrenzung der maximalen Kräfte an der Linsenfassung ist nicht erforderlich. Folglich lassen sich mit einem Spiegelobjektiv im Vergleich zu einem refraktiven Objektiv höhere Beschleunigungen realisieren, so dass der Scanprozess mit entsprechend höherer Geschwindigkeit, also einer höheren Scanrate, durchgeführt werden kann.In addition, mirrors have a lower weight compared to lenses, which would have to be designed for the proposed projection lens with a large diameter and a large central thickness and would therefore have a high weight, which offers advantages with regard to a movement of the projection lens, since z . B. lower forces act during acceleration. It is also not necessary to limit the acceleration due to the limitation of the maximum forces on the lens mount caused by breaking stresses. Consequently, higher accelerations can be achieved with a mirror lens compared to a refractive lens, so that the scanning process can be carried out at a correspondingly higher speed, ie a higher scan rate.
Zudem hat ein als Spiegelobjektiv ausgebildetes Projektionsobjektiv den Vorteil, dass die Anzahl an Grenzschichten minimiert ist und optische Absorption im Linsenmaterial vermieden wird. Zudem können hochreflektive optisch wirksame Flächen eingesetzt werden, sodass sehr geringe Absorptions- und Streuverluste, z. B. Verlusten < 0,1 %, resultieren. Darüber hinaus wird ein effizienter Abtransport der von den optisch wirksamen Flächen absorbierten Wärmeenergie ermöglicht, ohne unmittelbar in Bauraumkonkurrenz zu den optisch wirksamen Flächen und zu den Strahlengängen zu treten.In addition, a projection lens designed as a mirror lens has the advantage that the number of boundary layers is minimized and optical absorption in the lens material is avoided. In addition, highly reflective, optically effective surfaces can be used, so that very low absorption and scattering losses, e.g. B. losses <0.1% result. In addition, efficient removal of the thermal energy absorbed by the optically effective surfaces is made possible without directly competing for space with the optically effective surfaces and the beam paths.
Ein Spiegelobjektiv hat gegenüber einem refraktiven Objektiv den weiteren Vorteil, dass die Spiegeloptik Prinzip bedingt bei entsprechender Wahl der Beschichtung über einen weiten Wellenlängenbereich achromatisch ist, wohingegen bei einer Linsenoptik die Wellenlängenabhängigkeit des Brechungsindexes, die bei allen optischen Gläsern vorhanden ist, zu weiteren kritischen Designabhängigkeiten führt. Hierbei müssten die Lichtquellen hinsichtlich der Wellenlänge des emittierten Lichts so schmalbandig und stabil gewählt werden, dass die vom Objektiv verursachten chromatischen Aberrationen über diesem Wellenlängenband hinreichend klein werden. Kleine Bandbreiten und große Laserleistungen stehen dabei jedoch in einem Konflikt und vergrößern die Komplexität der Lichtquellen. Alternativ müsste bei bereits großen Linsen noch zusätzliche Linsen zur Korrektur von chromatischen Aberrationen vorgesehen werden, was u. a. das Gewicht des Projektionsobjektivs weiter erhöhen und zu den vorstehend erläuterten Beschränkungen der Beschleunigung und Scanrate führen würde.Compared to a refractive lens, a mirror lens has the further advantage that the mirror lens is inherently achromatic over a wide wavelength range if the coating is chosen accordingly, whereas in lens lenses the wavelength dependency of the refractive index, which is present in all optical glasses, leads to further critical design dependencies . In this case, the light sources would have to be chosen so narrow-band and stable with regard to the wavelength of the emitted light that the chromatic aberrations caused by the lens become sufficiently small over this wavelength band. However, small bandwidths and high laser powers are in conflict and increase the complexity of the light sources. Alternatively, additional lenses for the correction of chromatic aberrations would have to be provided for lenses that are already large. would further increase the weight of the projection lens and result in the acceleration and scan rate limitations discussed above.
Das Spiegelobjektiv kann beispielsweise zwei oder drei reflektierende optisch wirksame Flächen aufweisen, d. h. als Zweispiegelobjektiv oder Dreispiegelobjektiv ausgebildet sein. Die Anzahl „zwei“ bzw. „drei“ in den nachfolgend verwendeten Begriffen „Zweispiegelobjektiv“ und „Dreispiegelobjektiv“ bezieht sich folglich auf die Anzahl der optisch wirksamen Flächen im Strahlengang. Hierbei können auch mehrere optisch wirksame Flächen auf einem optischen Element angeordnet sein. Z. B. kann ein Spiegelelement zwei reflektierende optische Flächen, d. h. zwei Spiegel, aufweisen.The mirror lens can, for example, have two or three reflecting, optically effective surfaces, ie it can be designed as a two-mirror lens or three-mirror lens. The number "two" or "three" in the terms "two-mirror lens" and "three-mirror lens" used below therefore refers to the number of optically effective surfaces in the beam path. Here, several optically effective surfaces on one be arranged optical element. For example, a mirror element can have two reflecting optical surfaces, ie two mirrors.
Da bei beidseitig telezentrischen Zweispiegelobjektiven die Objekt- und Bildebenen in derselben Ebene liegen, kann das Projektionsobjektiv bevorzugt als außeraxiales (engl. off-axis) Objektiv ausgebildet sein, so dass der gefaltete Strahlengang am Werkstück vorbeigeführt werden kann.Since the object and image planes lie in the same plane in telecentric two-mirror lenses on both sides, the projection lens can preferably be designed as an off-axis lens, so that the folded beam path can be guided past the workpiece.
Bei einem Zweispiegelobjektiv kann zur Berücksichtigung der Objektfeldkrümmung vorgesehen sein, dass die Lichtquellen des Lichtquellenarrays ebenfalls entlang des gekrümmten Objektfelds angeordnet sind, d. h. das Lichtquellenarray kann eine der Objektfeldkrümmung entsprechende Krümmung aufweisen. Beispielsweise können die Lichtquellen auf einem Teil einer um die Symmetrieachse der Optik zentrierten rotationssymmetrischen Fläche angeordnet sein. Diese rotationssymmetrische Fläche kann beispielsweise eine sphärische oder asphärische Fläche, z. B. eine parabolische Fläche, sein.In the case of a two-mirror objective, in order to take into account the curvature of the object field, it can be provided that the light sources of the light source array are also arranged along the curved object field, i. H. the light source array can have a curvature corresponding to the curvature of the object field. For example, the light sources can be arranged on part of a rotationally symmetrical surface centered around the axis of symmetry of the optics. This rotationally symmetrical surface can be, for example, a spherical or aspherical surface, e.g. B. be a parabolic surface.
Die Vorrichtung kann dabei derart ausgebildet sein, dass das Lichtquellenarray während der lateralen Bewegung des Projektionsobjektivs dem gekrümmten Objektfeld nachführbar ist, um das Bildfeld in der Ebene der Projektionsfläche, also z. B. auf der Oberfläche des Pulverbetts, zu halten.The device can be designed in such a way that the light source array can track the curved object field during the lateral movement of the projection objective in order to position the image field in the plane of the projection surface, ie z. B. on the surface of the powder bed to keep.
Bei einem Zweispiegelobjektiv können bei einem Abbildungsmaßstab von m = -1 vorteilhaft baugleiche Spiegel an beiden Spiegelpositionen verwendet werden, wodurch Fertigungskosten eingespart sowie die Wartung- und Instandhaltung vereinfacht werden können. Weiter vorteilhaft sind die zeitlich gemittelte optische Leistungsdichte und somit die mittlere Wärmeleistungsdichte auf der Spiegeloberfläche auf beiden Spiegeln annähernd gleich, so dass die Kühlung der Spiegel einfach realisierbar ist. Im Gegensatz dazu sind die optische Leistungsdichte und die Wärmeleistungsdichte beim nachfolgend beschriebenen Offner-Design auf dem kleinen Pupillenspiegel deutlich höher, im Allgemein mehr als zehnmal so hoch, was die Spiegelkühlung erschwert. Folglich ist ein Zweispiegelobjektiv bevorzugt für hohe optische Leistungsdichten geeignet.In the case of a two-mirror lens with a magnification of m=−1, mirrors of the same construction can advantageously be used at both mirror positions, as a result of which production costs can be saved and maintenance and servicing can be simplified. The time-averaged optical power density and thus the average thermal power density on the mirror surface are also advantageously approximately the same on both mirrors, so that the mirrors can be cooled in a simple manner. In contrast, the optical power density and the thermal power density in the Offner design described below are significantly higher on the small pupil mirror, generally more than ten times higher, which makes mirror cooling more difficult. Consequently, a two-mirror objective is preferably suitable for high optical power densities.
Ein Dreispiegelobjektiv zeichnet sich dadurch aus, dass es bei geeigneter Wahl der Designparameter keine Feldkrümmung hat und bis zur dritten Ordnung frei von sphärischen Aberrationen, Coma, Verzeichnung und zumindest frei von Astigmatismus niedrigster Ordnung ist. Das Dreispiegelobjektiv kann beispielsweise als beidseitig telezentrisches Objektiv mit drei optisch wirksamen reflektierenden Flächen, wobei die erste und dritte Wirkfläche auf einem Spiegelelement zusammengefasst sind, ausgebildet sein. Ein solches Design, im Folgenden auch als Offner-Design bezeichnet, geht auf Abe Offner zurück und wird in der
Ein Dreispiegelobjektiv im Offner-Design hat den Vorteil, dass es bei geeigneter Parameterwahl bis zur dritten Ordnung aplanatisch, d. h. frei von sphärischen Aberrationen und Coma, anastigmatisch und verzeichnungsfrei ist und darüber hinaus keine Krümmung der Objekt- und Bildebene aufweist. Der ersten beiden Eigenschaften, aplanatisch und anastigmatisch, sind notwendig, um die Punktspreizfunktion der optischen Abbildung klein zu halten und damit zu vermeiden, dass sich die abzubildenden Lichtquellen, also z. B. die Lichtpunkte der Faserenden des Faserarrays, bei der Abbildung auf der Projektionsfläche ausschmieren.A three-mirror lens in the Offner design has the advantage that, with suitable parameter selection, it can be aplanatic up to the third order, i. H. is free from spherical aberrations and coma, is anastigmatic and free from distortion and, moreover, has no curvature of the object and image plane. The first two properties, aplanatic and anastigmatic, are necessary in order to keep the point spread function of the optical image small and thus prevent the light sources to be imaged, e.g. B. the points of light of the fiber ends of the fiber array smear in the image on the projection surface.
Die dritte Eigenschaft, die Verzeichnungsfreiheit, ist vorteilhaft, da keine Verzeichnungsvorhalte bei der lateralen Positionierung der Lichtquellen im Lichtquellenarray berücksichtigt zu werden brauchen. Die vierte Eigenschaft, die Krümmungsfreiheit der Objekt- und Bildebene, ist vorteilhaft, da objektseitig alle Lichtquellen, z. B. alle Faserenden der Lichtleitfasern, in einer Ebene angeordnet werden können, was fertigungstechnisch einfacher ist als eine Anordnung auf einer gekrümmten Fläche. Außerdem kann bildseitig mit einer planen Projektionsfläche gearbeitet werden, z. B. einem planen Pulverbett, in dem ebene Lagen geschrieben werden.The third property, freedom from distortion, is advantageous since no distortion biases need to be taken into account when laterally positioning the light sources in the light source array. The fourth property, the freedom from curvature of the object and image plane, is advantageous because all light sources on the object side, e.g. B. all fiber ends of the optical fibers can be arranged in one plane, which is easier to manufacture than an arrangement on a curved surface. In addition, you can work with a flat projection surface on the image side, e.g. B. a flat powder bed in which flat layers are written.
Darüber hinaus besteht der Vorteil, dass bei einem Scanvorgang nur das Projektionsobjektiv eine Linearbewegung in der X-Y-Ebene vollziehen muss. Die Bildebene, auf der der Fokus liegt, stimmt dabei ohne weitere korrigierende Maßnahmen mit der Projektionsfläche, z. B. also der Oberfläche des Pulverbetts, überein. Im Falle einer stark ausgeprägten objektseitigen Feldkrümmung müsste hingegen das Lichtquellenarray in den vertikalen Freiheitsgraden dem gekrümmten Objektfeld des bewegten Projektionsobjektivs nachgeführt werden, um die Bildebene in der Ebene der Projektionsfläche zu halten.In addition, there is the advantage that only the projection lens has to perform a linear movement in the X-Y plane during a scanning process. The image plane on which the focus is located agrees with the projection surface without further corrective measures, e.g. B. ie the surface of the powder bed match. In the case of a strongly pronounced field curvature on the object side, on the other hand, the light source array would have to track the curved object field of the moving projection lens in the vertical degrees of freedom in order to keep the image plane in the plane of the projection surface.
Allgemein eignet sich das Offner-Design sehr gut für Abbildungen mit einem Abbildungsmaßstab von ca. m = -1, bei denen Objekt und Bild in der gleichen Ebene liegen und bei denen die objektseitige- und bildseitige numerische Apertur klein, d. h. < ca. 0,1 bis 0,2, sind.In general, the Offner design is very well suited for images with a magnification of approx. m = -1, where the object and image lie in the same plane and where the object-side and image-side numerical apertures are small, i. H. < about 0.1 to 0.2.
Durch das kompakte Design des Offner-Designs lässt sich ein entsprechender Objektivrahmen, der auch für große Beschleunigung geeignet ist, konstruktiv einfach gestalten. Dadurch dass sich die Masse des Dreispiegelobjektivs im Offner-Design auf das obere große Spiegelelement mit der ersten und dritten optisch wirksamen Fläche konzentriert, kann der kleine Spiegel mit der zweiten optisch wirksamen Fläche am großen Spiegel mitgeführt werden. Eine gut geführte lineare Bewegung lässt sich dadurch auch bei großen Beschleunigungen einfach realisieren.Due to the compact design of the Offner design, a corresponding lens frame, which is also suitable for high acceleration, can be designed in a simple manner. Because the The mass of the three-mirror lens in the Offner design is concentrated on the upper large mirror element with the first and third optically effective surface, the small mirror with the second optically effective surface can be carried along on the large mirror. A well-guided linear movement can thus be easily implemented even with high accelerations.
Optional kann bei einem Dreispiegeldesign der objektseitige Strahlengang zusammen mit dem Lichtquellenarray mittels eines optisch neutralen Faltspiegels herausgeklappt werden. Dadurch kann vorteilhaft erreicht werden, dass die Projektionsfläche in allen Richtungen unter dem Projektionsobjektiv bewegt werden kann, ohne mit dem Strahlengang oder dem Lichtquellenarray zu kollidieren. Folglich können verschiedene Scanprinzipien, die z. B. eine Verschiebung nur des Projektionsobjektivs, nur des Lichtquellenarrays, des Projektionsobjektivs und des Lichtquellenarrays oder nur der Projektionsfläche vorsehen, genutzt werden.Optionally, in a three-mirror design, the object-side beam path can be folded out together with the light source array using an optically neutral folding mirror. This can advantageously be achieved in that the projection surface can be moved in all directions under the projection lens without colliding with the beam path or the light source array. Consequently, different scanning principles, e.g. B. provide a displacement of only the projection lens, only the light source array, the projection lens and the light source array or only the projection surface can be used.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Abbildern mittels einer der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen. Das Verfahren sieht ein Aussenden von Lichtstrahlen mittels des Lichtquellenarrays und ein Erzeugen eines Abbilds des Lichtquellenarrays auf der Projektionsfläche mittels der ausgesandten Lichtstrahlen und des Projektionsobjektivs vor, d. h. die ausgesandten Lichtstrahlenwerden mittels des Projektionsobjektivs auf die Projektionsfläche projiziert.A further aspect of the invention relates to a method for generating images using one of the devices described above. The method provides for the emission of light beams by means of the light source array and the generation of an image of the light source array on the projection surface by means of the emitted light beams and the projection lens, i. H. the emitted light rays are projected onto the projection surface by means of the projection lens.
Das Verfahren kann computerimplementiert durchgeführt werden, d. h. mindestens ein Verfahrensschritt, bevorzugt mehrere oder alle Verfahrensschritte, können unter Verwendung eines Computerprogramms mit auf einem Computer ausführbaren Instruktionen ausgeführt werden.The method can be carried out in a computer-implemented manner, i. H. at least one method step, preferably several or all method steps, can be carried out using a computer program with instructions that can be executed on a computer.
Da das Verfahren mittels einer der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen ausgeführt wird, dienen die vorstehenden Ausführungen zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit dem Verfahren sind die vorstehend mit Bezug auf die Vorrichtung genannten Vorteile entsprechend verbunden.Since the method is carried out using one of the devices described above, the above explanations for explaining the device according to the invention also serve to describe the method according to the invention. The advantages mentioned above in relation to the device are correspondingly associated with the method.
Optional kann das Verfahren ein Aufschmelzen oder Sintern eines die Projektionsfläche bildenden Materials mittels der das Abbild erzeugenden Lichtstrahlen aufweisen.Optionally, the method can include melting or sintering of a material forming the projection surface by means of the light beams that generate the image.
Indem die Position des Abbilds auf der Projektionsfläche durch eine entsprechende Positionierung und Einstellung des Projektionsobjektivs festgelegt werden kann, kann das Aufschmelzen bzw. Sintern selektiv erfolgen, so dass Werkstücke selektiv bearbeitet oder gefertigt werden können. Mit anderen Worten kann das Verfahren als LAM-Verfahren ausgebildet sein. Alternativ zu einem Aufschmelzen oder Sintern können die projizierten Lichtstrahlen auch anderweitig zur Materialbearbeitung genutzt werden, z. B. zum Schneiden, Schweißen, Signieren, Beschriften, Gravieren etc.Because the position of the image on the projection surface can be fixed by appropriate positioning and adjustment of the projection lens, the melting or sintering can take place selectively, so that workpieces can be selectively machined or manufactured. In other words, the method can be designed as an LAM method. As an alternative to melting or sintering, the projected light beams can also be used in other ways for material processing, e.g. B. for cutting, welding, signing, labeling, engraving etc.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Verfahren ein laterales Verschieben des Projektionsobjektivs bezüglich des Lichtquellenarrays und/oder der Projektionsfläche aufweisen.According to various embodiment variants, the method can include a lateral displacement of the projection lens with respect to the light source array and/or the projection surface.
Hierbei kann vorgesehen sein, dass das Lichtquellenarray und die Projektionsfläche ihre Position nicht ändern, d. h. sie stationär sind.It can be provided here that the light source array and the projection surface do not change their position, i. H. they are stationary.
Das laterale Verschieben kann kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen. Ein kontinuierliches Verschieben entspricht einem Scanverfahren, bei dem die Projektionsfläche kontinuierlich, z. B. zeilenweise oder nach einem vorgebbaren Fahrweg, abgefahren, d. h. abgescannt wird. An festlegbaren Positionen kann ein Abbild des Lichtquellenarrays erzeugt werden, indem die Lichtquellen des Lichtquellenarrays aktiviert werden. Je nach Bedarf können die Lichtquellen während des Scanprozesses aktiviert und deaktiviert werden.The lateral displacement can be continuous or discontinuous. A continuous shift corresponds to a scanning method in which the projection surface is continuously, e.g. B. line by line or after a predetermined route, departed, d. H. is scanned. An image of the light source array can be generated at definable positions by activating the light sources of the light source array. Depending on requirements, the light sources can be activated and deactivated during the scanning process.
Demgegenüber wird bei einem diskontinuierlichen Verfahren zunächst eine erste Position auf der Projektionsfläche angefahren. In dieser ersten Position wird ein Abbild des Lichtquellenarrays auf der Projektionsfläche erzeugt, indem Lichtstrahlen mittels des Lichtquellenarrays ausgesandt werden. Anschließend wird das Projektionsobjektiv lateral bezüglich des Lichtquellenarrays und/oder der Projektionsfläche verschoben, um eine weitere Position auf der Projektionsfläche anzufahren. Nun wird erneut ein Abbild des Lichtquellenarrays auf der Projektionsfläche in der weiteren Position erzeugt, indem Lichtstrahlen mittels des Lichtquellenarrays ausgesandt werden. Durch erneute laterale Verschiebung des Projektionsobjektivs können weitere Positionen auf der Projektionsfläche angefahren werden.In contrast, in a discontinuous method, a first position on the projection surface is first approached. In this first position, an image of the light source array is generated on the projection surface by light rays being emitted by the light source array. The projection lens is then shifted laterally with respect to the light source array and/or the projection surface in order to move to a further position on the projection surface. An image of the light source array is now generated again on the projection surface in the further position, in that light beams are emitted by means of the light source array. Additional positions on the projection surface can be approached by again lateral displacement of the projection lens.
Neben dem vorstehend beschriebenen lateralen Verschieben des Projektionsobjektivs bezüglich des Lichtquellenarrays und/oder der Projektionsfläche können Abbilder an unterschiedlichen Positionen der Projektionsfläche auch durch die im Folgenden erläuterten Prinzipien erzeugt werden. Auch eine Kombination mehrerer Prinzipien ist möglich.In addition to the above-described lateral displacement of the projection objective with respect to the light source array and/or the projection surface, images can also be generated at different positions on the projection surface using the principles explained below. A combination of several principles is also possible.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ausschließlich das Lichtquellenarray lateral verschoben wird. Das Projektionsobjektiv und die Projektionsfläche ändern ihre Position nicht, d. h. sie sind stationär. Ein weiteres Prinzip sieht vor, dass das Lichtquellenarray gemeinsam mit dem Projektionsobjektiv lateral verschoben wird, wohingegen die Position der Projektionsfläche nicht verändert wird. Ein weiteres Prinzip sieht vor, dass ausschließlich die Projektionsfläche bzw. das Pulverbett und somit dessen Oberfläche lateral verschoben wird. Das Projektionsobjektiv und das Lichtquellenarray ändern ihre Position nicht. Diese Prinzipien lassen sich ebenfalls kontinuierlich oder diskontinuierlich umsetzen.For example, it can be provided that only the light source array is laterally displaced. The projection lens and the projection surface do not change their position, ie they are stationary. Another principle is that Light source array is moved laterally together with the projection lens, whereas the position of the projection surface is not changed. Another principle provides that only the projection area or the powder bed and thus its surface is shifted laterally. The projection lens and the light source array do not change their position. These principles can also be implemented continuously or discontinuously.
Die beschriebenen Prinzipien können auch miteinander kombiniert werden. Beispielsweise können verschiedene Positionen über die Breite der Projektionsfläche durch laterale Verschiebung in Querrichtung ausschließlich des Projektionsobjektivs erreicht werden. Verschiedene Positionen der Projektionsfläche über ihre Länge können hingegen durch laterales Verschieben der Projektionsfläche oder des Projektionsobjektivs zusammen mit dem Lichtquellenarray in Längsrichtung erreicht werden. Bei einem Scanprozess kann das Abscannen einer Reihe folglich durch laterale Verschiebung des Projektionsobjektivs erfolgen. Anschließend wird durch laterale Verschiebung der Projektionsfläche oder des Projektionsobjektivs zusammen mit dem Lichtquellenarray in die nächste Reihe gewechselt, innerhalb derer dann wieder eine laterale Verschiebung des Projektionsobjektivs erfolgt.The principles described can also be combined with one another. For example, different positions across the width of the projection surface can be achieved by lateral displacement in the transverse direction of only the projection lens. In contrast, different positions of the projection surface over its length can be achieved by laterally displacing the projection surface or the projection lens together with the light source array in the longitudinal direction. In a scanning process, a row can consequently be scanned by lateral displacement of the projection lens. Then, by lateral displacement of the projection surface or of the projection objective together with the light source array, a change is made to the next row, within which a lateral displacement of the projection objective then takes place again.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Steuereinheit zum Steuern einer Vorrichtung zum Erzeugen von Abbildern eines Lichtquellenarrays auf einer Projektionsfläche. Die Vorrichtung weist ein Lichtquellenarray, eine Projektionsfläche und mindestens ein in einem Strahlengang zwischen dem Lichtquellenarray und der Projektionsfläche angeordnetes Projektionsobjektiv mit einem in mindestens einer Raumrichtung von +1 abweichenden Abbildungsmaßstab m auf, wobei das mindestens eine Projektionsobjektiv lateral bezüglich des Lichtquellenarrays und/oder bezüglich der Projektionsfläche verschiebbar ist. Bevorzugt kann der Abbildungsmaßstab m in mindestens einer Raumrichtung negativ, z. B. -1, sein.A further aspect of the invention relates to a control unit for controlling a device for generating images of a light source array on a projection surface. The device has a light source array, a projection surface and at least one projection objective arranged in a beam path between the light source array and the projection surface with an imaging scale m deviating from +1 in at least one spatial direction, the at least one projection objective being positioned laterally with respect to the light source array and/or with respect to the Projection surface is movable. The imaging scale m can preferably be negative in at least one spatial direction, e.g. e.g. -1.
Die Steuereinheit ist ausgebildet zum Generieren und Ausgeben von Steuersignalen an die Vorrichtung. Die Steuersignale bewirken das Ausführen eines oder mehrerer, bevorzugt aller, der folgenden Schritte: Aussenden von Lichtstrahlen mittels des Lichtquellenarrays, Erzeugen eines Abbilds des Lichtquellenarrays auf der Projektionsfläche mittels der ausgesandten Lichtstrahlen und des Projektionsobjektivs und laterales Verschieben des Projektionsobjektivs bezüglich des Lichtquellenarrays und/oder der Projektionsfläche.The control unit is designed to generate and output control signals to the device. The control signals cause one or more, preferably all, of the following steps to be carried out: emission of light beams by means of the light source array, generation of an image of the light source array on the projection surface by means of the emitted light beams and the projection lens, and lateral displacement of the projection lens with respect to the light source array and/or the projection surface.
Die Steuersignale können ein Aussenden und Projizieren der Lichtstrahlen bevorzugt derart bewirken, dass ein die Projektionsfläche bildendes Material mittels der projizierten Lichtstrahlen aufgeschmolzen oder gesintert werden kann.The control signals can cause the light beams to be emitted and projected, preferably in such a way that a material forming the projection surface can be melted or sintered by means of the projected light beams.
Die Steuereinheit kann zur Steuerung einer der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen genutzt werden. Die Steuerung kann derart erfolgen, dass eine solche Vorrichtung eines der vorstehend beschriebenen Verfahren ausführt.The control unit can be used to control one of the devices described above. The control can take place in such a way that such a device executes one of the methods described above.
Daher dienen die obigen Ausführungen zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens auch zur Beschreibung der erfindungsgemäßen Steuereinheit. Mit der Steuereinheit sind die vorstehend mit Bezug auf die Vorrichtung und das Verfahren genannten Vorteile entsprechend verbunden.The above explanations for explaining the device according to the invention and the method according to the invention therefore also serve to describe the control unit according to the invention. The advantages mentioned above in relation to the device and the method are correspondingly associated with the control unit.
Die Steuereinheit kann hardware- und/oder softwaremäßig realisiert sein und physisch ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Die Steuereinheit generiert die Steuersignale basierend auf Anweisungen oder einem in der Steuereinheit programmierten Code entsprechend einer oder mehrerer Routinen. Zum Steuern der Vorrichtung steht die Steuereinheit mit der Vorrichtung bzw. deren Bauteilen, z. B. dem Lichtquellenarray, in einer signaltechnischen Wirkverbindung, so dass die generierten Steuersignale an die Vorrichtung bzw. deren Bauteile übertragen und von diesen empfangen werden können.The control unit can be realized in terms of hardware and/or software and can be designed physically in one or more parts. The controller generates the control signals based on instructions or code programmed into the controller according to one or more routines. To control the device, the control unit is available with the device or its components, e.g. B. the light source array, in a signaling operative connection, so that the generated control signals can be transmitted to the device or its components and received by them.
Die Steuereinheit kann mit einer Verfahreinheit, die zur lateralen Verschiebung des Projektionsobjektivs ausgebildet ist, zusammenwirken oder als Teil einer solchen Verfahreinheit ausgebildet sein. Eine solche Verfahreinheit kann u. a. Antriebe und Führungen aufweisen, die mittels der Steuereinheit angesteuert werden können.The control unit can interact with a traversing unit, which is designed for the lateral displacement of the projection objective, or can be embodied as part of such a traversing unit. Such a traversing unit can i.a. Have drives and guides that can be controlled by the control unit.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogramm zum Steuern einer Vorrichtung zum Erzeugen von Abbildern eines Lichtquellenarrays auf einer Projektionsfläche. Die Vorrichtung weist ein Lichtquellenarray, eine Projektionsfläche und mindestens ein in einem Strahlengang zwischen dem Lichtquellenarray und der Projektionsfläche angeordnetes Projektionsobjektiv mit einem in mindestens einer Raumrichtung von +1 abweichenden Abbildungsmaßstab m auf, wobei das mindestens eine Projektionsobjektiv lateral bezüglich des Lichtquellenarrays und/oder bezüglich der Projektionsfläche verschiebbar ist. Bevorzugt kann der Abbildungsmaßstab m in mindestens einer Raumrichtung negativ, z. B. - 1, sein.A further aspect of the invention relates to a computer program for controlling a device for generating images of a light source array on a projection surface. The device has a light source array, a projection surface and at least one projection objective arranged in a beam path between the light source array and the projection surface with an imaging scale m deviating from +1 in at least one spatial direction, the at least one projection objective being positioned laterally with respect to the light source array and/or with respect to the Projection surface is movable. The imaging scale m can preferably be negative in at least one spatial direction, e.g. B - 1, be.
Das Computerprogramm weist Instruktionen auf, die, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, diesen dazu veranlassen, Steuersignale zu generieren und an die Vorrichtung auszugeben. Die Steuersignale bewirken das Ausführen eines oder mehrerer, bevorzugt aller, der folgenden Schritte: Aussenden von Lichtstrahlen mittels des Lichtquellenarrays, Erzeugen eines Abbilds des Lichtquellenarrays auf der Projektionsfläche mittels der ausgesandten Lichtstrahlen und des Projektionsobjektivs und laterales Verschieben des Projektionsobjektivs bezüglich des Lichtquellenarrays und/oder der Projektionsfläche. Die Steuersignale können ein Aussenden und Projizieren der Lichtstrahlen bevorzugt derart bewirken, dass ein die Projektionsfläche bildendes Material mittels der projizierten Lichtstrahlen aufgeschmolzen oder gesintert werden kann.The computer program has instructions which, when executed on a computer, cause it to generate and output control signals to the device. The control signals cause a or to be executed several, preferably all, of the following steps: emission of light beams by means of the light source array, generation of an image of the light source array on the projection surface by means of the emitted light beams and the projection objective, and lateral displacement of the projection objective with respect to the light source array and/or the projection surface. The control signals can cause the light beams to be emitted and projected, preferably in such a way that a material forming the projection surface can be melted or sintered by means of the projected light beams.
Das Computerprogramm kann zur Steuerung einer der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen genutzt werden und beispielsweise auf der vorstehend beschriebenen Steuereinheit ausgeführt werden. Die Steuerung kann derart erfolgen, dass eine solche Vorrichtung eines der vorstehend beschriebenen Verfahren ausführt.The computer program can be used to control one of the devices described above and can be executed, for example, on the control unit described above. The control can take place in such a way that such a device executes one of the methods described above.
Daher dienen die obigen Ausführungen zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens auch zur Beschreibung der erfindungsgemäßen Steuereinheit. Mit der Steuereinheit sind die vorstehend mit Bezug auf die Vorrichtung und das Verfahren genannten Vorteile entsprechend verbunden.The above explanations for explaining the device according to the invention and the method according to the invention therefore also serve to describe the control unit according to the invention. The advantages mentioned above in relation to the device and the method are correspondingly associated with the control unit.
Unter einem Computerprogramm kann ein auf einem geeigneten Medium speicherbarer und/oder über ein geeignetes Medium abrufbarer Programmcode verstanden werden. Zum Speichern des Programmcodes kann jedes zum Speichern von Software geeignete Medium, beispielsweise ein in einem Steuergerät verbauter nichtflüchtiger Speicher, eine DVD, ein USB-Stick, eine Flashcard oder dergleichen, Verwendung finden. Das Abrufen des Programmcodes kann beispielsweise über das Internet oder ein Intranet erfolgen oder über ein anderes geeignetes drahtloses oder kabelgebundenes Netzwerk.A computer program can be understood as meaning a program code that can be stored on a suitable medium and/or can be called up via a suitable medium. Any medium suitable for storing software, for example a non-volatile memory installed in a control unit, a DVD, a USB stick, a flash card or the like, can be used to store the program code. The program code can be retrieved, for example, via the Internet or an intranet or via another suitable wireless or wired network.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein nichtflüchtiges computerlesbares Speichermedium zum Steuern einer Vorrichtung zum Erzeugen von Abbildern eines Lichtquellenarrays auf einer Projektionsfläche. Die Vorrichtung weist ein Lichtquellenarray, eine Projektionsfläche und mindestens ein in einem Strahlengang zwischen dem Lichtquellenarray und der Projektionsfläche angeordnetes Projektionsobjektiv mit einem in mindestens einer Raumrichtung von +1 abweichenden Abbildungsmaßstab m auf, wobei das mindestens eine Projektionsobjektiv lateral bezüglich des Lichtquellenarrays und/oder bezüglich der Projektionsfläche verschiebbar ist. Bevorzugt kann der Abbildungsmaßstab m in mindestens einer Raumrichtung negativ, z. B. -1, sein.A further aspect of the invention relates to a non-transitory computer-readable storage medium for controlling a device for generating images of a light source array on a projection surface. The device has a light source array, a projection surface and at least one projection objective arranged in a beam path between the light source array and the projection surface with an imaging scale m deviating from +1 in at least one spatial direction, the at least one projection objective being positioned laterally with respect to the light source array and/or with respect to the Projection surface is movable. The imaging scale m can preferably be negative in at least one spatial direction, e.g. e.g. -1.
Das nichtflüchtige computerlesbare Speichermedium weist Instruktionen auf, die, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, diesen dazu veranlassen, Steuersignale zu generieren und an die Vorrichtung auszugeben. Die Steuersignale bewirken das Ausführen eines oder mehrerer, bevorzugt aller, der folgenden Schritte: Aussenden von Lichtstrahlen mittels des Lichtquellenarrays, Erzeugen eines Abbilds des Lichtquellenarrays auf der Projektionsfläche mittels der ausgesandten Lichtstrahlen und des Projektionsobjektivs und laterales Verschieben des Projektionsobjektivs bezüglich des Lichtquellenarrays und/oder der Projektionsfläche. Die Steuersignale können ein Aussenden und Projizieren der Lichtstrahlen bevorzugt derart bewirken, dass ein die Projektionsfläche bildendes Material mittels der projizierten Lichtstrahlen aufgeschmolzen oder gesintert werden kann.The non-transitory computer-readable storage medium includes instructions that, when executed on a computer, cause the computer to generate and output control signals to the device. The control signals cause one or more, preferably all, of the following steps to be carried out: emission of light beams by means of the light source array, generation of an image of the light source array on the projection surface by means of the emitted light beams and the projection lens, and lateral displacement of the projection lens with respect to the light source array and/or the projection surface. The control signals can cause the light beams to be emitted and projected, preferably in such a way that a material forming the projection surface can be melted or sintered by means of the projected light beams.
Die auf dem nichtflüchtigen computerlesbaren Speichermedium gespeicherten Instruktionen können zur Steuerung einer der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen genutzt werden und beispielsweise auf der vorstehend beschriebenen Steuereinheit ausgeführt werden. Die Steuerung kann derart erfolgen, dass eine solche Vorrichtung eines der vorstehend beschriebenen Verfahren ausführt.The instructions stored on the non-volatile computer-readable storage medium can be used to control one of the devices described above and can be executed, for example, on the control unit described above. The control can take place in such a way that such a device executes one of the methods described above.
Daher dienen die obigen Ausführungen zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens auch zur Beschreibung des erfindungsgemäßen nichtflüchtigen computerlesbaren Speichermediums. Mit dem nichtflüchtigen computerlesbaren Speichermedium sind die vorstehend mit Bezug auf die Vorrichtung und das Verfahren genannten Vorteile entsprechend verbunden.The above explanations for explaining the device according to the invention and the method according to the invention therefore also serve to describe the non-volatile computer-readable storage medium according to the invention. The advantages mentioned above in relation to the device and the method are correspondingly associated with the non-transitory computer-readable storage medium.
Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils für sich genommen als auch in verschiedenen Kombinationen miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist. Richtungsterminologie, wie beispielsweise „oben“, „unten“, „rechts“, „links“ etc. wird mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figuren verwendet. Richtungsangaben, wie z. B. „z-Richtung“, „x-Richtung“ etc. beziehen sich auf die in den Figuren dargestellten Koordinatensysteme. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend.In the following, the invention is explained by way of example with reference to the attached figures using preferred embodiments, with the features presented below being able to represent an aspect of the invention both individually and in various combinations with one another. In the figures, identical or similar elements are provided with identical reference symbols, insofar as this is appropriate. Directional terminology, such as "up", "down", "right", "left", etc., is used with reference to the orientation of the figures being described. directions, such as B. "z-direction", "x-direction" etc. refer to the coordinate systems shown in the figures. Because components of embodiments can be positioned in a number of different orientations, the directional terminology is used for purposes of illustration and is in no way limiting.
Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert. Es zeigen:
-
1a schematische Darstellung einer beispielhaften Vorrichtung mit Projektionsobjektiv in Ausgangsposition (Ansicht in y-Richtung); -
1b schematische Darstellung der Vorrichtung aus1a mit lateral verschobenem Projektionsobjektiv (Ansicht in y-Richtung); -
2a schematische Darstellung einer beispielhaften Vorrichtung mit refraktivem Projektionsobjektiv in Ausgangsposition (Ansicht in y-Richtung); -
2b schematische Darstellung der Vorrichtung aus2a mit lateral verschobenem Projektionsobjektiv (Ansicht in y-Richtung); -
2c schematische Darstellung der Vorrichtung aus2a und2b (Ansicht in x-Richtung); -
3a schematische Darstellung einer beispielhaften Vorrichtung mit Zweispiegelobjektiv in Ausgangsposition (Ansicht in y-Richtung); -
3b schematische Darstellung der Vorrichtung aus3a mit lateral verschobenem Projektionsobjektiv (Ansicht in y-Richtung); -
3c schematische Darstellung der Vorrichtung aus3a und3b (Ansicht in x-Richtung); -
4 perspektivische Darstellung der Vorrichtung aus3 ; -
5 Darstellung zur eingangsseitigen Feldkrümmung; -
6 Darstellung zur Projektion des Lichtquellenarrays in die eingangsseitige Objektschale; -
7a,b Darstellung zur lateralen Verschiebung des Projektionsobjektivs mit Nachführung des Lichtquellenarrays entlang der objektseitigen Feldkrümmung; -
8a schematische Darstellung einer beispielhaften Vorrichtung mit Dreispiegelobjektiv in Ausgangsposition (Ansicht in y-Richtung); -
8b schematische Darstellung der Vorrichtung aus8a mit lateral verschobenem Projektionsobjektiv (Ansicht in y-Richtung); -
8c schematische Darstellung der Vorrichtung aus8a und8b (Ansicht in x-Richtung); -
9 perspektivische Darstellung der Vorrichtung aus8 ; -
10a schematische Darstellung einer beispielhaften Vorrichtung mit Dreispiegelobjektiv und Faltspiegel in Vorderansicht; -
10b schematische Darstellung der Vorrichtung aus10a in Seitenansicht; -
10c schematische Darstellung der Vorrichtung aus10a , b in Draufsicht; -
10d schematische Darstellung der Vorrichtung aus10a-c in perspektivischer Darstellung; -
11a-d schematische Darstellungen verschiedener Prinzipien zur Änderung der Position des Abbilds auf der Projektionsfläche; -
12a-c schematische Darstellungen zur Anordnung von Projektionsobjektiven über der Projektionsfläche; und -
13 ein Ablaufschema eines beispielhaften Verfahrens.
-
1a schematic representation of an exemplary device with a projection lens in the starting position (view in the y-direction); -
1b schematic representation of the device1a with laterally shifted projection lens (view in y-direction); -
2a schematic representation of an exemplary device with a refractive projection objective in the starting position (view in the y-direction); -
2 B schematic representation of the device2a with laterally shifted projection lens (view in y-direction); -
2c schematic representation of the device2a and2 B (view in x-direction); -
3a schematic representation of an exemplary device with a two-mirror lens in the starting position (view in the y-direction); -
3b schematic representation of the device3a with laterally shifted projection lens (view in y-direction); -
3c schematic representation of the device3a and3b (view in x-direction); -
4 perspective view of thedevice 3 ; -
5 Representation of the field curvature on the input side; -
6 Representation of the projection of the light source array into the input-side object shell; -
7a,b Representation of the lateral displacement of the projection lens with tracking of the light source array along the object-side field curvature; -
8a schematic representation of an exemplary device with a three-mirror lens in the starting position (view in the y-direction); -
8b schematic representation of the device8a with laterally shifted projection lens (view in y-direction); -
8c schematic representation of the device8a and8b (view in x-direction); -
9 perspective view of the device8th ; -
10a schematic representation of an exemplary device with three-mirror lens and folding mirror in front view; -
10b schematic representation of thedevice 10a in side view; -
10c schematic representation of thedevice 10a , b in top view; -
10d schematic representation of thedevice 10a-c in perspective view; -
11a-d schematic representations of various principles for changing the position of the image on the projection surface; -
12a-c schematic representations of the arrangement of projection lenses over the projection surface; and -
13 a flowchart of an exemplary method.
Die Vorrichtung 1 weist ein Lichtquellenarray 3 auf, das als Laserlichtquellenarray mit mehreren Laserlichtquellen ausgebildet ist. Hierbei kann die Erzeugung des Laserlichts entweder direkt im Lichtquellenarray 3 erfolgen oder das Lichtquellenarray 3 kann mit einer direkten Laserlichtquelle über Lichtleitfasern (nicht dargestellt) verbunden sein, so dass das Lichtquellenarray 3 durch die Enden der Lichtleitfasern gebildet wird. Das Lichtquellenarray 3 ist stationär, d. h. ortsunveränderlich innerhalb der Vorrichtung 1 angeordnet.The device 1 has a
Das Lichtquellenarray 3 ist signalübertragend mit einer Steuereinheit 9 verbunden, die dazu ausgebildet ist, ein Steuersignal 10a zu erzeugen und an das Lichtquellenarray 3 auszugeben. Das Steuersignal 10a bewirkt ein Aussenden von Lichtstrahlen 8 durch das Lichtquellenarray 3, wobei je nach Bedarf eine, mehrere oder alle Lichtquellen des Lichtquellenarrays 3 zum Aussenden von Lichtstrahlen 8 veranlasst werden können.The
Die Vorrichtung 1 weist außerdem eine Projektionsfläche 4 auf, auf der ein Abbild 2 des Lichtquellenarrays 3 erzeugt wird. Im Ausführungsbeispiel ist die Projektionsfläche 4 als Oberfläche eines Pulverbetts 7 ausgebildet. Das Pulverbett 7 kann ein Pulvermaterial, z. B. ein Metallpulver, aufweisen, das bei Lichtbestrahlung durch Lichtstrahlen 8 des Lichtquellenarrays 3 geschmolzen oder gesintert werden kann. Durch Bewegung der Lichtstrahlen 8 über die Projektionsfläche 4 bzw. die Oberfläche des Pulverbetts 7 in x-Richtung (Scanrichtung) können, wie eingangs erläutert, Materiallagen gebildet und Werkstücke additiv gefertigt werden. Das Pulverbett 7 kann in z-Richtung bewegbar sein, um eine korrekte Positionierung der Projektionsfläche 4 nach Schreiben einer Lage und Aufbringen einer neuen Pulverschicht zu ermöglichen. Eine Positionsänderung des Pulverbetts 7 in x-Richtung ist hingegen nicht vorgesehen.The device 1 also has a
Im Strahlengang 5 zwischen dem Lichtquellenarray 3 und der Projektionsfläche 4 ist ein Projektionsobjektiv 6 mit einem von +1 verschiedenen Abbildungsmaßstab m angeordnet. Im Ausführungsbeispiel beträgt der Abbildungsmaßstab m = -1, wobei die Erfindung nicht auf einen konkreten Abbildungsmaßstab m beschränkt ist. Das Projektionsobjektiv 6 ist beidseitig telezentrisch ausgebildet und projiziert die von dem Lichtquellenarray 3 erzeugten Lichtstrahlen 8 auf die Projektionsfläche 4.In the
Das Projektionsobjektiv 6 ist lateral bezüglich des Lichtquellenarrays 3 und bezüglich der Projektionsfläche 4 in x-Richtung verschiebbar. Optional kann auch eine Verschiebbarkeit in y-Richtung vorgesehen sein. Mittels dieser lateralen Verschiebung 11 kann die Position des Abbilds 2 auf der Projektionsfläche 4 festgelegt werden bzw. kann die Projektionsfläche 4 abgescannt werden. Da das Lichtquellenarray 3 mehrerer Lichtquellen aufweist, kann der Scanvorgang zügig erfolgen, so dass kurze Fertigungszeiten bei der additiven Fertigung resultieren.The
Zur Ausführung der lateralen Verschiebung 11, welche in
Zur Verbesserung der Übersichtlichkeit ist in den folgenden Figuren die Steuereinheit 9 nicht dargestellt. Gleichwohl kann eine Steuereinheit 9, wie zu
In
Das Projektionsobjektiv 6 ist als beidseitig telezentrisches refraktives Objektiv mit zwei identischen Linsen 12a, 12b mit positiver Brennweite ausgebildet. Zwischen den Linsen 12a, 12b ist eine Aperturblende 13 zur Begrenzung des Strahlengangs 5 angeordnet.
Optional kann das in
Bezüglich der übrigen Komponenten der Vorrichtung 1 gemäß
In
Das Projektionsobjektiv 6 ist als beidseitig telezentrisches Spiegelobjektiv mit zwei identischen Spiegeln 14a, 14b, die beide eine positive Brennweite, also eine sammelnde Wirkung, besitzen, ausgebildet. Die von dem Lichtquellenarray 3 ausgesandten Lichtstrahlen 8 werden zunächst am ersten Spiegel 14a zum zweiten Spiegel 14b reflektiert. Nach erneuter Reflektion am zweiten Spiegel 14b werden die Lichtstrahlen 8 auf die Projektionsfläche 4 projiziert und erzeugen dort das Abbild 2.The
Da bei beidseitig telezentrischen Spiegelobjektiven mit zwei Spiegeln 14a, 14b die Objekt- und Bildebenen, d. h. das Lichtquellenarray 3 und die Projektionsfläche 4, in derselben Ebene liegen, ist das Projektionsobjektiv 6 wie in
Bezüglich der übrigen Komponenten der Vorrichtung 1 gemäß
Das Zweispiegelobjektiv ist mit einer relativ großen eingangsseitigen Feldkrümmung, also eine Krümmung des Objektfelds 15, wie in
Um diesen Effekt zu berücksichtigen, kann das Lichtquellenarray 3 vorzugsweise entlang des gekrümmten Objektfelds 15 angeordnet werden. Während der lateralen Verschiebung 11 des Projektionsobjektives 6 kann das Lichtquellenarray 3, wie in
In
Das Projektionsobjektiv 6 ist als beidseitig telezentrisches Spiegelobjektiv mit drei im Wesentlichen sphärischen Spiegeln 14a, 14b, 14c ausgebildet. Der erste Spiegel 14a und der dritte Spiegel 14c sind auf einem gemeinsamen Spiegelelement angeordnet und weisen eine sammelnde Wirkung auf. Der zweite Spiegel 14b weist hingegen eine zerstreuende Wirkung auf. Die Mittelpunkte der Krümmungsradien aller Spiegel bzw. Spiegelflächen fallen zusammen und liegen in der gemeinsamen Objekt- und Bildebene, wobei der Krümmungsradius des zweiten kleinen Spiegels 14b halb so groß ist wie die Krümmungsradien des ersten und dritten Spiegels 14a, 14c.The
Die vom Lichtquellenarray 3 ausgesandten Lichtstrahlen 8 werden zunächst am ersten Spiegel 14a derart reflektiert, dass sie auf den zweiten Spiegel 14b treffen und von diesem zum dritten Spiegel 14c reflektiert werden. Nach Reflektion am dritten Spiegel 14c treffen die Lichtstrahlen 8 auf die Projektionsfläche 7 und erzeugen das Abbild 2.The light beams 8 emitted by the
In
Das vorgeschlagene Dreispiegeldesign zeichnet sich dadurch aus, dass es bei geeigneter Wahl der Designparameter keine Feldkrümmung aufweist, da die Petzval-Summe im Gegensatz zum Zweispiegelobjektiv durch den zweiten Spiegel 14b zu Null gebracht wird. Zudem ist das Dreispiegelobjektiv bis zur dritten Ordnung frei von sphärischen Aberrationen, Coma, Astigmatismus und Verzeichnung.The proposed three-mirror design is distinguished by the fact that, given a suitable choice of design parameters, it has no field curvature, since the Petzval sum, in contrast to the two-mirror objective, is brought to zero by the
Die
Das in
Alle vier in den
Anders herum können bei gegebener Objektivgröße größere Projektionsflächen 4 gewählt werden, indem mehrere Projektionsobjektive 6 nebeneinander oder versetzt zueinander angeordnet werden.The other way around, for a given lens size,
Nach dem Start des Verfahrens 100 werden in einem ersten Verfahrensschritt S1 Lichtstrahlen 8 mittels des Lichtquellenarrays 3 ausgesandt. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um Laserstrahlen. Je nach Bedarf können dabei einzelne Lichtquellen des Lichtquellenarrays 3 aktiviert oder deaktiviert werden.After the start of the
Im folgenden Verfahrensschritt S2 wird ein Abbild 2 des Lichtquellenarrays 3 auf der Projektionsfläche 4 mittels der ausgesandten Lichtstrahlen 8 und des Projektionsobjektivs 6 erzeugt. Das Projektionsobjektiv 6 weist einen von +1 verschiedenen Abbildungsmaßstab m auf und kann als refraktives Objektiv, Zweispiegelobjektiv oder Dreispiegelobjektiv ausgebildet sein. Diesbezüglich wird auf die vorstehenden Erläuterungen zu den verschiedenen Projektionsobjektiven 6 verwiesen. Indem die ausgesandten Lichtstrahlen 8 auf die Projektionsfläche 4 projiziert werden, wird ein erstes Abbild 2 des Lichtquellenarrays 3 auf der Projektionsfläche 4 erzeugt.In the following method step S2, an
Im Bereich des Abbilds 2 wird im Verfahrensschritt S3 das die Projektionsfläche 4 bildende Material, z. B. ein in Form eines Pulverbetts 7 angeordnetes Metallpulver, mittels der projizierten Lichtstrahlen 8 aufgeschmolzen oder gesintert.In the area of the
Im Verfahrensschritt S4 wird das Projektionsobjektiv 6 lateral bezüglich des Lichtquellenarray 3 und/oder der Projektionsfläche 4 verschoben. Dies entspricht dem in
Das Verfahren 100 kann kontinuierlich oder diskontinuierlich ausgeführt werden, wobei eine kontinuierliche Ausführung, bei der die Projektionsfläche 4 abgescannt wird, bevorzugt ist. Bei Erreichen von Positionen der Projektionsfläche 4, an denen ein Abbild 2 erzeugt und Material aufgeschmolzen oder gesintert werden soll, werden die Lichtquellen des Lichtquellenarrays 3 aktiviert. Zwischen Positionen, an denen kein Material aufgeschmolzen oder gesintert werden soll, werden die Lichtquellen des Lichtquellenarrays 3 wieder deaktiviert. Folglich können die Verfahrensschritte S1 bis S4 teilweise oder ganz zeitlich überlappend, also auch gleichzeitig, ausgeführt werden.The
Beispielsweise kann durch Wiederholung der Verfahrensschritte S1 bis S4 die Projektionsfläche 4 abgescannt werden und es kann ein Werkstück lagenweise mittels eines LAM-Verfahrens additiv gefertigt werden. Zwischen dem Schreiben der einzelnen Lagen kann neues Pulvermaterial zugeführt werden.For example, by repeating method steps S1 to S4, the
Alternativ zu einem Aufschmelzen oder Sintern können die projizierten Lichtstrahlen 8 zu einer anderweitigen Materialbearbeitung genutzt werden, z. B. indem das die Projektionsfläche 4 bildende Material im Bereich des Abbilds 2 geschnitten, geschweißt, signiert, beschriftet, graviert etc. wird.As an alternative to melting or sintering, the projected
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- Abbildimage
- 33
- Lichtquellenarraylight source array
- 44
- Projektionsflächeprojection surface
- 55
- Strahlengangbeam path
- 66
- Projektionsobjektivprojection lens
- 77
- Pulverbettpowder bed
- 88th
- Lichtstrahlenrays of light
- 99
- Steuereinheitcontrol unit
- 10a, 10b10a, 10b
- Steuersignalcontrol signal
- 1111
- laterale Verschiebunglateral displacement
- 12a, 12b12a, 12b
- Linselens
- 1313
- Aperturblendeaperture stop
- 14a, 14b, 14c14a, 14b, 14c
- Spiegelmirror
- 1515
- Objektfeldobject field
- 1616
- Nachführung des LichtquellenarraysTracking of the light source array
- 1717
- Faltspiegel folding mirror
- 100100
- Verfahren procedure
- mm
- Abbildungsmaßstabmagnification
- S1S1
- Aussenden von Lichtstrahlen mittels des LichtquellenarraysEmitting light rays by means of the light source array
- S2S2
- Erzeugen eines Abbilds des Lichtquellenarrays auf der Projektionsfläche mittels der ausgesandten Lichtstrahlen und des ProjektionsobjektivsGenerating an image of the light source array on the projection surface by means of the emitted light rays and the projection lens
- S3S3
- Aufschmelzen oder Sintern eines die Projektionsfläche bildenden Materials mittels der das Abbild erzeugenden LichtstrahlenMelting or sintering of a material forming the projection surface by means of the light beams generating the image
- S4S4
- laterales Verschieben des Projektionsobjektivs bezüglich des Lichtquellenarrays und/oder der Projektionsfläche lateral displacement of the projection objective with respect to the light source array and/or the projection surface
- ΔxobjektivΔx lens
- Verschiebung des Projektionsobjektivs in x-RichtungShifting of the projection lens in the x-direction
- ΔxBildΔximage
- Verschiebung des Abbilds in x-RichtungShifting of the image in the x-direction
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- US 3748015 A [0069]US3748015A [0069]
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- 2020-08-27 DE DE102020122449.4A patent/DE102020122449A1/en active Pending
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- 2021-08-17 WO PCT/EP2021/072827 patent/WO2022043134A1/en active Application Filing
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Also Published As
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WO2022043134A1 (en) | 2022-03-03 |
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