DE102020209172A1

DE102020209172A1 - Manufacturing device for the additive manufacturing of components from a powder material, method for changing a beam profile of an energy beam, and use of at least one acousto-optical deflector

Info

Publication number: DE102020209172A1
Application number: DE102020209172.2A
Authority: DE
Inventors: Jonas Grünewald; Philipp Wagenblast; Matthias Allenberg-Rabe; Valentin Blickle
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2020-07-21
Filing date: 2020-07-21
Publication date: 2022-01-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fertigungseinrichtung (1) zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial, mit- einer Strahlerzeugungseinrichtung (3), die eingerichtet ist zum Erzeugen eines Energiestrahls (5),- einer Scannereinrichtung (7), die eingerichtet ist, um den Energiestrahl (5) innerhalb eines Arbeitsbereichs (9) an eine Mehrzahl von Bestrahlungspositionen (11) zu verlagern, um mittels des Energiestrahls (5) ein Bauteil aus dem in dem Arbeitsbereich (9) angeordneten Pulvermaterial herzustellen,- einer Ablenkeinrichtung (13), die eingerichtet ist, um den Energiestrahl (5) an einer Bestrahlungsposition (11) der Mehrzahl von Bestrahlungspositionen (11) innerhalb eines Strahlbereichs (15) an eine Mehrzahl von Strahlpositionen (17) zu verlagern, und mit- einer Steuereinrichtung (19), die mit der Ablenkeinrichtung (13) wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Ablenkeinrichtung (13) anzusteuern, und um ein Strahlprofil des Strahlbereichs während der Herstellung eines Bauteils zu verändern, indem die Ansteuerung der Ablenkeinrichtung (13) verändert wird.The invention relates to a manufacturing device (1) for the additive manufacturing of components from a powder material, with - a beam generating device (3) which is set up to generate an energy beam (5), - a scanner device (7) which is set up to scan the energy beam (5) within a work area (9) to a plurality of irradiation positions (11) in order to use the energy beam (5) to produce a component from the powder material arranged in the work area (9), - a deflection device (13) that is set up is to shift the energy beam (5) at an irradiation position (11) of the plurality of irradiation positions (11) within a beam region (15) to a plurality of beam positions (17), and with- a control device (19) which is connected to the Deflection device (13) is operatively connected and arranged to drive the deflection device (13), and to a beam profile of the beam area during the manufacture of a building partly to change by changing the control of the deflection device (13).

Description

Die Erfindung betrifft eine Fertigungseinrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial, ein Verfahren zum Verändern eines Strahlprofils eines Energiestrahls, und eine Verwendung von wenigstens einem akustooptischen Deflektor.The invention relates to a manufacturing device for the additive manufacturing of components from a powder material, a method for changing a beam profile of an energy beam, and the use of at least one acousto-optical deflector.

Beim additiven Herstellen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial wird typischerweise ein Energiestrahl an vorbestimmte Bestrahlungspositionen eines Arbeitsbereichs - insbesondere entlang eines vorbestimmten Bestrahlungspfads - verlagert, um in dem Arbeitsbereich angeordnetes Pulvermaterial lokal zu verfestigen. Dies wird insbesondere schichtweise in aufeinanderfolgend in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterialschichten wiederholt, um schließlich ein dreidimensionales Bauteil aus verfestigtem Pulvermaterial zu erhalten. Um eine Produktivität zu erhöhen und/oder Materialeigenschaften des entstehenden Bauteils lokal verschieden auszugestalten ist es wünschenswert, verschiedene Bereiche innerhalb des zu fertigenden Bauteils, insbesondere verschiedene Bereiche innerhalb einer selben Pulvermaterialschicht in dem Arbeitsbereich, mit verschiedenen Strahlprofilen des Energiestrahls zu beaufschlagen. Eine Erzeugung geeigneter, angepasster Strahlprofile mittels konventioneller Strahlformung, insbesondere durch refraktive oder interferometrische optische Elemente bei einem optischen Energiestrahl, ist oft aufwendig und nicht flexibel einsetzbar. Insbesondere erweist es sich als schwierig oder sogar kaum möglich, während des einzelnen Herstellungsvorgangs und ganz besonders innerhalb einer Pulvermaterialschicht zwischen verschiedenen Strahlprofilen umzuschalten. Darüber hinaus ermöglichen konventionelle Methoden der Strahlformung nur die Darstellung einer begrenzten Auswahl an Strahlprofilen, sodass sie auch in ihrer Anwendbarkeit begrenzt sind.When additively manufacturing components from a powder material, an energy beam is typically displaced to predetermined irradiation positions of a work area—in particular along a predetermined irradiation path—in order to locally solidify powder material arranged in the work area. In particular, this is repeated layer by layer in powder material layers arranged one after the other in the working area, in order finally to obtain a three-dimensional component made of solidified powder material. In order to increase productivity and/or to make the material properties of the resulting component locally different, it is desirable to apply different beam profiles of the energy beam to different areas within the component to be manufactured, in particular different areas within the same powder material layer in the work area. Generating suitable, adapted beam profiles by means of conventional beam shaping, in particular by means of refractive or interferometric optical elements in an optical energy beam, is often complex and cannot be used flexibly. In particular, it turns out to be difficult or even hardly possible to switch between different jet profiles during the individual production process and especially within a layer of powder material. In addition, conventional methods of beam shaping only allow the representation of a limited selection of beam profiles, so that they are also limited in their applicability.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fertigungseinrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial, ein Verfahren zum Verändern eines Strahlprofils eines Energiestrahls auf einem Arbeitsbereich einer solchen Fertigungseinrichtung, und eine Verwendung von wenigstens einem akustooptischen Deflektor zu schaffen, wobei die genannten Nachteile zumindest vermindert, vorzugsweise vermieden sind.The invention is based on the object of creating a manufacturing device for the additive manufacturing of components from a powder material, a method for changing a beam profile of an energy beam on a working area of such a manufacturing device, and the use of at least one acousto-optical deflector, the disadvantages mentioned being at least reduced , are preferably avoided.

Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.The object is achieved by providing the present technical teaching, in particular the teaching of the independent claims and the embodiments disclosed in the dependent claims and the description.

Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Fertigungseinrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial geschaffen wird, die eine Strahlerzeugungseinrichtung aufweist, die eingerichtet ist zum Erzeugen eines Energiestrahls. Die Fertigungseinrichtung weist außerdem eine Scannereinrichtung auf, die eingerichtet ist, um den Energiestrahl innerhalb eines Arbeitsbereichs an eine Mehrzahl von Bestrahlungspositionen zu verlagern, um mittels des Energiestrahls ein Bauteil aus dem in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterial herzustellen. Außerdem weist die Fertigungseinrichtung eine Ablenkeinrichtung auf, die eingerichtet ist, um den Energiestrahl an einer Bestrahlungsposition der Mehrzahl von Bestrahlungspositionen innerhalb eines Strahlbereichs an eine Mehrzahl von Strahlpositionen zu verlagern. Weiterhin weist die Fertigungseinrichtung eine Steuereinrichtung auf, die mit der Ablenkeinrichtung wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Ablenkeinrichtung anzusteuern, und um ein Strahlprofil des Strahlbereichs während der Herstellung eines Bauteils zu verändern, indem die Ansteuerung der Ablenkeinrichtung verändert wird.The object is achieved in particular by creating a manufacturing device for the additive manufacturing of components from a powder material, which has a beam generating device that is set up to generate an energy beam. The production device also has a scanner device that is set up to move the energy beam to a plurality of irradiation positions within a work area in order to use the energy beam to produce a component from the powder material arranged in the work area. In addition, the manufacturing device has a deflection device that is set up to shift the energy beam at one irradiation position of the plurality of irradiation positions within a beam region to a plurality of beam positions. Furthermore, the production device has a control device which is operatively connected to the deflection device and set up to control the deflection device and to change a beam profile of the beam area during the production of a component by changing the control of the deflection device.

Auf diese Weise kann insbesondere ein verwendetes Strahlprofil während der Herstellung eines Bauteils, insbesondere während der Bearbeitung einer selben Pulvermaterialschicht einfach und schnell vorgegeben und verändert werden, ohne dass es hierfür besonderer, insbesondere für das Erzeugen des Strahlprofils spezifischer Einrichtungen bedarf. Insbesondere ist es einfach und schnell möglich, zwischen verschiedenen Strahlprofilen zu wechseln. Die Fertigungseinrichtung ist somit sehr flexibel in der Lage, angepasst an die jeweils lokal herrschenden Anforderungen und/oder Bedingungen, insbesondere die jeweils herzustellenden Bereiche des Bauteils, ein geeignetes Strahlprofil zu erzeugen. Sie weist somit nicht nur eine hohe Produktivität auf, sondern ermöglicht auch eine lokal variierende Einstellung der Materialeigenschaften des entstehenden Bauteils. Insbesondere dadurch ist es möglich, die Qualität der mit der hier vorgeschlagenen Fertigungseinrichtung hergestellten Bauteile, insbesondere durch Auswahl besonders geeigneter Strahlprofile, zu steigern. Da auf eigens an die Strahlprofile angepasste, insbesondere refraktive oder statische interferometrische optische Elemente verzichtet werden kann, ist die Fertigungseinrichtung trotz ihrer hohen flexiblen Einsetzbarkeit kostengünstig ausgestaltet, ganz besonders unter dem Aspekt, dass es keiner verschiedenartigen Einrichtungen zur Erzeugung verschiedener Strahlprofile bedarf, die zusätzliche Teilekosten verursachen, und zwischen denen umständlich und zeitraubend gewechselt werden müsste. Die hier vorgeschlagene Fertigungseinrichtung erlaubt auch durch geeignete Ansteuerung der Scannereinrichtung einerseits und der Ablenkeinrichtung andererseits einen Wechsel zwischen einer möglichst effizienten, insbesondere auch schnellen Bauteilfertigung und einer qualitativ besonders hochwertigen Fertigung, insbesondere auch mit lokal variierender Einstellung der Materialeigenschaften für das entstehende Bauteil, beispielsweise einer höheren Härte im Bereich der Bauteiloberfläche als im Inneren des Bauteils.In this way, a jet profile used can be easily and quickly specified and changed during the production of a component, particularly during the processing of the same powder material layer, without the need for special devices, in particular for generating the jet profile. In particular, it is easy and quick to switch between different beam profiles. The production device is thus very flexibly able to generate a suitable beam profile adapted to the respective locally prevailing requirements and/or conditions, in particular the respective areas of the component to be produced. It not only has high productivity, but also allows the material properties of the resulting component to be adjusted locally. In particular, this makes it possible to increase the quality of the components produced with the production device proposed here, in particular by selecting particularly suitable beam profiles. Since there is no need for optical elements that are specially adapted to the beam profiles, in particular refractive or static interferometric optical elements, the production facility is designed to be cost-effective despite its high flexibility in use, especially from the point of view that no different types of devices are required to generate different beam profiles, which would result in additional part costs cause, and between which would have to be switched cumbersome and time-consuming. The production device proposed here also allows a switch between the most efficient and particularly fast component production and qualitative control of the scanner device on the one hand and the deflection device on the other hand particularly high-quality production, in particular with locally varying adjustment of the material properties for the resulting component, for example a higher hardness in the area of the component surface than inside the component.

Insbesondere erlauben die Scannereinrichtung einerseits und die Ablenkeinrichtung andererseits eine Separation der für die Herstellung des entstehenden Bauteils relevanten Zeit- und Längenskalen. Während die Scannereinrichtung eingerichtet ist, den Energiestrahl auf einer im Vergleich zu der Ablenkeinrichtung größeren Zeitskala entlang der Mehrzahl von Bestrahlungspositionen, insbesondere entlang eines vorbestimmten Bestrahlungspfads, quasi global über den gesamten Arbeitsbereich zu verlagern, ist die Ablenkeinrichtung eingerichtet, um den Energiestrahl auf einer relativ zu der Zeitskala der Scannereinrichtung kürzeren Zeitskala quasi lokal an einer durch die Scannereinrichtung vorgegebenen, aufgrund der Zeitskalenseparation quasi festgehaltenen Bestrahlungsposition an die Mehrzahl von Strahlpositionen innerhalb des Strahlbereichs zu verlagern. Aufgrund der Zeitskalenseparation entsteht quasi so an jeder Bestrahlungsposition der Mehrzahl von Bestrahlungspositionen quasistatisch ein bestimmtes Strahlprofil als geometrische Form und als Intensitätsprofil des Strahlbereichs. Durch die Scannereinrichtung wird wiederum insbesondere das so erzeugte Strahlprofil entlang der Mehrzahl von Bestrahlungspositionen, insbesondere entlang des Bestrahlungspfads, verlagert. Durch Veränderung der Ansteuerung der Ablenkeinrichtung kann nun vorteilhaft das Strahlprofil des Strahlbereichs, insbesondere also die Form des Strahlbereichs und/oder das Intensitätsprofil in dem Strahlbereich, quasi beliebig verändert werden, bei Bedarf sogar von Bestrahlungsposition zu Bestrahlungsposition. In der Regel werden allerdings eine Mehrzahl benachbarter Bestrahlungspositionen, insbesondere jeweils ein zusammenhängender Abschnitt des Bestrahlungspfads, mit einem gleichen Strahlprofil überstrichen. Verschiedene Abschnitte des Bestrahlungspfads werden aber vorzugsweise mit verschiedenen Strahlprofilen überstrichen.In particular, the scanner device on the one hand and the deflection device on the other hand allow a separation of the time and length scales relevant for the production of the resulting component. While the scanner device is set up to shift the energy beam on a larger time scale than the deflection device along the plurality of irradiation positions, in particular along a predetermined radiation path, more or less globally over the entire working area, the deflection device is set up to move the energy beam on a relative to the time scale of the scanner device shorter time scale quasi locally at an irradiation position predetermined by the scanner device and quasi fixed due to the time scale separation to the plurality of beam positions within the beam area. As a result of the time scale separation, a specific beam profile as a geometric shape and as an intensity profile of the beam area arises quasi-statically at each irradiation position of the plurality of irradiation positions. In turn, the scanner device in particular shifts the beam profile generated in this way along the plurality of irradiation positions, in particular along the irradiation path. By changing the control of the deflection device, the beam profile of the beam area, in particular the shape of the beam area and/or the intensity profile in the beam area, can now advantageously be changed as desired, if necessary even from irradiation position to irradiation position. As a rule, however, a plurality of adjacent irradiation positions, in particular a contiguous section of the irradiation path, are covered with the same beam profile. However, different sections of the radiation path are preferably covered with different beam profiles.

Das erzeugte Strahlprofil ist insbesondere auch quasistatisch mit Blick auf den Schmelzprozess im Pulvermaterial, wobei die Zeitskala für die Ablenkung des Energiestrahls durch die Ablenkeinrichtung deutlich kürzer ist als die charakteristische Wechselwirkungszeit des Energiestrahls mit dem Pulvermaterial. Das dynamisch generierte Strahlprofil wechselwirkt so über die Zeit gemittelt mit dem Pulvermaterial wie ein statisch erzeugtes Profil.The beam profile generated is in particular also quasi-static with regard to the melting process in the powder material, the time scale for the deflection of the energy beam by the deflection device being significantly shorter than the characteristic interaction time of the energy beam with the powder material. Averaged over time, the dynamically generated beam profile interacts with the powder material like a statically generated profile.

Unter einem additiven oder generativen Herstellen eines Bauteils wird insbesondere ein schichtweises Aufbauen eines Bauteils aus Pulvermaterial verstanden, insbesondere ein Pulverbett-basiertes Verfahren zum Herstellen eines Bauteils in einem Pulverbett, insbesondere ein Fertigungsverfahren, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem selektiven Lasersintern, einem Laser-Metall-Fusionieren (Laser Metal Fusion - LMF), einem direkten Metall-Laser-Schmelzen (Direct Metal Laser Melting - DMLM), einem Laser Net Shaping Manufacturing (LNSM), und einem Laser Engineered Net Shaping (LENS). Die Fertigungseinrichtung ist demnach insbesondere eingerichtet zur Durchführung von wenigstens einem der zuvor genannten additiven oder generativen Fertigungsverfahren.An additive or generative production of a component is understood in particular as a layered construction of a component from powder material, in particular a powder bed-based method for producing a component in a powder bed, in particular a manufacturing method that is selected from a group consisting of selective laser sintering, Laser Metal Fusion (LMF), Direct Metal Laser Melting (DMLM), Laser Net Shaping Manufacturing (LNSM), and Laser Engineered Net Shaping (LENS). The production facility is therefore set up in particular to carry out at least one of the aforementioned additive or generative production methods.

Unter einem Energiestrahl wird allgemein gerichtete Strahlung verstanden, die Energie transportieren kann. Hierbei kann es sich allgemein um Teilchenstrahlung oder Wellenstrahlung handeln. Insbesondere propagiert der Energiestrahl entlang einer Propagationsrichtung durch den physikalischen Raum und transportiert dabei Energie entlang seiner Propagationsrichtung. Insbesondere ist es mittels des Energiestrahls möglich, Energie lokal in dem Arbeitsbereich zu deponieren.An energy beam is generally understood to mean directed radiation that can transport energy. This can generally involve particle radiation or wave radiation. In particular, the energy beam propagates through the physical space along a propagation direction and thereby transports energy along its propagation direction. In particular, it is possible by means of the energy beam to deposit energy locally in the work area.

Der Energiestrahl ist in bevorzugter Ausgestaltung ein optischer Arbeitsstrahl. Unter einem optischen Arbeitsstrahl ist insbesondere gerichtete elektromagnetische Strahlung, kontinuierlich oder gepulst, zu verstehen, die im Hinblick auf ihre Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich geeignet ist zum additiven oder generativen Fertigen eines Bauteils aus Pulvermaterial, insbesondere zum Sintern oder Schmelzen des Pulvermaterials. Insbesondere wird unter einem optischen Arbeitsstrahl ein Laserstrahl verstanden, der kontinuierlich oder gepulst erzeugt sein kann. Der optische Arbeitsstrahl weist bevorzugt eine Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich im sichtbaren elektromagnetischen Spektrum oder im infraroten elektromagnetischen Spektrum, oder im Überlappungsbereich zwischen dem infraroten Bereich und dem sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums auf.In a preferred embodiment, the energy beam is an optical working beam. An optical working beam is to be understood in particular as directed electromagnetic radiation, continuous or pulsed, which is suitable in terms of its wavelength or a wavelength range for the additive or generative manufacturing of a component from powder material, in particular for sintering or melting the powder material. In particular, an optical working beam means a laser beam that can be generated continuously or in a pulsed manner. The optical working beam preferably has a wavelength or a wavelength range in the visible electromagnetic spectrum or in the infrared electromagnetic spectrum, or in the overlap region between the infrared range and the visible range of the electromagnetic spectrum.

Unter einem Arbeitsbereich wird insbesondere ein Bereich, insbesondere eine Ebene oder Fläche, verstanden, in dem das Pulvermaterial angeordnet ist, und der lokal mit dem Energiestrahl beaufschlagt wird, um das Pulvermaterial lokal zu verfestigen. Insbesondere wird das Pulvermaterial in dem Arbeitsbereich sequentiell schichtweise angeordnet und mit dem Energiestrahl lokal beaufschlagt, um - Schicht für Schicht - ein Bauteil herzustellen.A working area is understood to mean in particular an area, in particular a plane or surface, in which the powder material is arranged and which is locally impinged on by the energy beam in order to locally solidify the powder material. In particular, the powder material is sequentially arranged in layers in the work area and is locally exposed to the energy beam in order to produce a component—layer by layer.

Unter einer Bestrahlungsposition wird insbesondere ein Ort innerhalb des Arbeitsbereichs verstanden, an dem lokal mittels des Energiestrahls Energie in den Arbeitsbereich, insbesondere in das dort angeordnete Pulvermaterial, deponiert wird. Die Scannereinrichtung ist bevorzugt eingerichtet, um den Energiestrahl innerhalb des Arbeitsbereichs entlang eines Bestrahlungspfads zu verlagern, wobei der Bestrahlungspfad aus einer zeitlichen Abfolge nacheinander mit dem Energiestrahl überstrichener Bestrahlungspositionen besteht. Die einzelnen Bestrahlungspositionen können dabei zueinander beabstandet angeordnet sein, aber auch miteinander überlappen. Insbesondere kann der Bestrahlungspfad ein kontinuierlich mit dem Energiestrahl abgetasteter Pfad sein.An irradiation position is understood to mean, in particular, a location within the work area at which energy is deposited locally by means of the energy beam in the work area, in particular in the powder material arranged there. The scanner device is preferably set up to ent the energy beam within the work area along an irradiation path, the irradiation path consisting of a time sequence of irradiation positions swept over one after the other with the energy beam. The individual irradiation positions can be arranged at a distance from one another, but they can also overlap one another. In particular, the irradiation path can be a path continuously scanned with the energy beam.

Unter einem Strahlbereich wird hier insbesondere ein Bereich an einer Bestrahlungsposition verstanden, innerhalb dessen das bestimmte Intensitätsprofil erzeugt wird. Der Strahlbereich weist dabei insbesondere eine flächenmäßige Ausdehnung auf, die größer ist als ein auf den Arbeitsbereich projizierter Querschnitt des Energiestrahls.A beam area is understood here in particular as an area at an irradiation position within which the specific intensity profile is generated. In this case, the beam area has, in particular, a surface area that is larger than a cross section of the energy beam projected onto the work area.

Die Ablenkeinrichtung ist somit insbesondere eingerichtet, um den Energiestrahl an einer festgehaltenen Bestrahlungsposition, insbesondere an jeder Bestrahlungsposition, innerhalb des Strahlbereichs zu verlagern und so an der festgehaltenen Bestrahlungsposition einen bestimmten Bereich - den Strahlbereich - innerhalb des Arbeitsbereichs mit dem Energiestrahl zu beaufschlagen, der größer ist als der auf den Arbeitsbereich projizierte Querschnitt des Energiestrahls; demgegenüber ist die Scannereinrichtung eingerichtet, um den Energiestrahl zwischen den einzelnen Bestrahlungspositionen zu verlagern und somit wiederum der Ablenkeinrichtung zu ermöglichen, einen neuen Strahlbereich an einem anderen Ort mit dem Energiestrahl zu überstreichen. Die Ablenkeinrichtung dient also einer lokalen Ablenkung des Energiestrahls an einer Bestrahlungsposition, während die Scannereinrichtung der globalen Verlagerung des Energiestrahls auf dem Arbeitsbereich dient.The deflection device is thus set up in particular to shift the energy beam at a fixed irradiation position, in particular at each irradiation position, within the beam area and thus to impinge on a specific area - the beam area - within the working area with the energy beam, which is larger, at the fixed irradiation position as the cross-section of the energy beam projected onto the work area; in contrast, the scanner device is set up to shift the energy beam between the individual irradiation positions and thus in turn to enable the deflection device to scan a new beam area at a different location with the energy beam. The deflection device is therefore used for local deflection of the energy beam at an irradiation position, while the scanner device is used for global displacement of the energy beam on the work area.

Die Scannereinrichtung und die Ablenkeinrichtung unterscheiden sich somit insbesondere - wie bereits ausgeführt - mit Blick auf die Längenskala der möglichen Verlagerung, wobei die Scannereinrichtung bevorzugt eingerichtet ist, den gesamten Arbeitsbereich mit dem Energiestrahl zu überstreichen, wobei die Ablenkeinrichtung eingerichtet ist, um den Energiestrahl lokal an einer durch die Scannereinrichtung vorgegebenen Bestrahlungsposition innerhalb des Strahlbereichs abzulenken, wobei der jeweilige Strahlbereich sehr viel kleiner ist als der Arbeitsbereich. Insbesondere weist der Strahlbereich bevorzugt eine Längenskala im Bereich von wenigen (das heißt kleiner zehn) Millimetern bis zu wenigen Zentimetern auf, sowie bevorzugt eine flächige Ausdehnung im Bereich von wenigen Quadratmillimetern bis zu wenigen Quadratzentimetern, während der Arbeitsbereich eine Längenskala im Bereich von wenigen Dezimetern bis zu wenigen Metern aufweist, sowie vorzugsweise eine flächige Ausdehnung im Bereich von wenigen Quadratdezimetern bis zu wenigen Quadratmetern.The scanner device and the deflection device thus differ in particular - as already explained - with regard to the length scale of the possible displacement, with the scanner device preferably being set up to cover the entire working area with the energy beam, with the deflection device being set up to direct the energy beam locally from an irradiation position predetermined by the scanner device within the beam area, with the respective beam area being very much smaller than the working area. In particular, the beam area preferably has a length scale in the range from a few (i.e. less than ten) millimeters to a few centimeters, and preferably an areal extent in the range from a few square millimeters to a few square centimeters, while the working area has a length scale in the range from a few decimeters to has to a few meters, and preferably an areal extent in the range of a few square decimeters to a few square meters.

Die Scannereinrichtung einerseits und die Ablenkungseinrichtung andererseits unterscheiden sich bevorzugt auch bezüglich der Zeitskala, auf welcher eine Ablenkung des Energiestrahls erfolgt: Insbesondere erfolgt die Ablenkung des Energiestrahls durch die Ablenkeinrichtung innerhalb des Strahlbereichs bevorzugt auf einer kürzeren, insbesondere sehr viel kürzeren Zeitskala als die Ablenkung innerhalb des Arbeitsbereichs durch die Scannereinrichtung, das heißt als der Wechsel von einer Bestrahlungsposition zur nächsten Bestrahlungsposition. Auf diese Weise kann vorteilhaft an jeder Bestrahlungsposition, die durch eine momentane Einstellung der Scannereinrichtung vorgegeben ist, mittels der Ablenkeinrichtung quasistatisch ein bestimmtes Strahlprofil durch geeignete Verlagerung des Energiestrahls innerhalb des Strahlbereichs erzeugt werden. Vorzugsweise ist die Zeitskala, auf welcher der Energiestrahl durch die Ablenkeinrichtung abgelenkt werden kann, um einen Faktor von 10 bis 1000, vorzugsweise von 20 bis 200, vorzugsweise von 40 bis 100, oder mehr, kleiner als die Zeitskala, auf der eine Ablenkung des Energiestrahls durch die Scannereinrichtung erfolgt.The scanner device on the one hand and the deflection device on the other hand preferably also differ with regard to the time scale on which the energy beam is deflected: In particular, the deflection of the energy beam by the deflection device within the beam area preferably takes place on a shorter, in particular much shorter time scale than the deflection within the Working area by the scanner device, that is, as the change from one irradiation position to the next irradiation position. In this way, a specific beam profile can advantageously be generated quasi-statically at each irradiation position, which is predetermined by a momentary setting of the scanner device, by means of the deflection device by suitably shifting the energy beam within the beam area. Preferably, the time scale over which the energy beam can be deflected by the deflection means is less than the time scale over which deflection of the energy beam can occur by a factor of 10 to 1000, preferably 20 to 200, preferably 40 to 100, or more done by the scanner device.

Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Computer, insbesondere Personal Computer (PC), einer Einschubkarte oder Ansteuerkarte, und einem FPGA-Board. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung eine RTC6-Ansteuerkarte der SCANLAB GmbH, insbesondere in der an dem den Zeitrang des vorliegenden Schutzrechts bestimmenden Tag aktuellen erhältlichen Ausgestaltung.The control device is preferably selected from a group consisting of a computer, in particular a personal computer (PC), a plug-in card or control card, and an FPGA board. In a preferred embodiment, the control device is an RTC6 control card from SCANLAB GmbH, in particular in the version currently available on the date determining the seniority of the present property right.

Die Steuereinrichtung ist bevorzugt eingerichtet, um die Scannereinrichtung mit der Ablenkeinrichtung mittels eines digitalen RF-Synthesizers zu synchronisieren, wobei der RF-Synthesizer über ein programmierbares FPGA-Board angesteuert wird. Zusätzlich erfolgt bevorzugt eine Aufteilung in die vergleichsweise langsame Bewegung der Scannereinrichtung und die schnelle Bewegung der Ablenkeinrichtung mittels einer Frequenzweiche. Bevorzugt werden Positionswerte und Vorgabewerte für das Strahlprofil errechnet, die dann in dem FPGA-Board in zeitlich synchrone Frequenzvorgaben für den RF-Synthesizer umgerechnet werden. Davor braucht es eine räumliche Zuweisung der Strahlprofile zu Bestrahlungspositionen in der jeweiligen Pulvermaterialschicht, was bevorzugt schon in einem Buildprozessor durchgeführt wird. Dieser schreibt die entsprechenden Daten in eine Datei, die dann vorzugsweise von der Steuereinrichtung verwendet wird. Alternativ oder zusätzlich ist es bevorzugt möglich, aus vordefinierten Strahlprofilen auszuwählen.The control device is preferably set up to synchronize the scanner device with the deflection device using a digital RF synthesizer, with the RF synthesizer being controlled via a programmable FPGA board. In addition, there is preferably a division into the comparatively slow movement of the scanner device and the rapid movement of the deflection device by means of a frequency filter. Position values and default values for the beam profile are preferably calculated, which are then converted in the FPGA board into time-synchronous frequency defaults for the RF synthesizer. Before that, the beam profiles need to be spatially assigned to the irradiation positions in the respective powder material layer, which is preferably already carried out in a build processor. This writes the corresponding data to a file, which is then preferably used by the control device. Alternatively or additionally, it is preferably possible to select from predefined beam profiles.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ablenkeinrichtung eingerichtet ist, um den Energiestrahl sprunghaft an die Mehrzahl von Strahlpositionen zu verlagern, wobei es sich bei der Mehrzahl von Strahlpositionen um diskrete Strahlpositionen handelt. Insbesondere ist es möglich, dass benachbarte Strahlpositionen voneinander beabstandet sind. Es ist aber auch möglich, dass benachbarte Strahlpositionen zumindest bereichsweise miteinander überlappen. Der Energiestrahl wird durch die Ablenkeinrichtung vorteilhaft nicht kontinuierlich von Strahlposition zu Strahlposition verlagert, sondern insbesondere in diskreten Schritten. Ohne Beschränkung und ohne an die Theorie gebunden sein zu wollen, kann für alle praktischen Anwendungszwecke angenommen werden, dass der Energiestrahl bei der sprunghaften oder diskreten Verlagerung von einer ersten Strahlposition zu einer zweiten Strahlposition quasi an der ersten Strahlposition verschwindet und an der zweiten Strahlposition erscheint, insbesondere ohne dazwischenliegende Bereiche zu überstreichen. Auf diese Weise ist eine sehr schnelle Verlagerung des Energiestrahls innerhalb des Strahlbereichs möglich, und es können vorzugsweise Materialtransportprozesse, die andernfalls auf einer kontinuierlichen Verlagerung des Energiestrahls beruhen, vermieden werden, was die Qualität des entstehenden Bauteils erhöht.According to one development of the invention, it is provided that the deflection device is set up to suddenly shift the energy beam to the plurality of beam positions, with the plurality of beam positions being discrete beam positions. In particular, it is possible for adjacent beam positions to be spaced apart from one another. However, it is also possible for adjacent beam positions to overlap with one another at least in regions. The energy beam is advantageously not shifted continuously from beam position to beam position by the deflection device, but in particular in discrete steps. Without restriction and without wanting to be bound to theory, it can be assumed for all practical purposes that the energy beam disappears at the first beam position and appears at the second beam position during the abrupt or discrete shift from a first beam position to a second beam position, especially without sweeping over intermediate areas. In this way, a very rapid displacement of the energy beam within the beam area is possible, and material transport processes that would otherwise be based on a continuous displacement of the energy beam can preferably be avoided, which increases the quality of the resulting component.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um als Strahlprofil eine Form des Strahlbereichs während der Herstellung des Bauteils zu verändern. Unter einer Form des Strahlbereichs wird dabei insbesondere die Geometrie einer äußeren Umrandung des Strahlbereichs oder - äquivalent - eine Form der quasistatisch innerhalb des Strahlbereichs mit dem Energiestrahl überstrichenen Fläche verstanden. Dies entspricht einem quasistatischen Querschnittsprofil der Energiestrahlung, mit welcher der Arbeitsbereich an der jeweiligen Bestrahlungsposition beaufschlagt wird.According to one development of the invention, it is provided that the control device is set up to change a shape of the beam area as a beam profile during the manufacture of the component. A shape of the beam area is understood to mean in particular the geometry of an outer border of the beam area or--equivalently--a shape of the surface over which the energy beam sweeps quasi-statically within the beam area. This corresponds to a quasi-static cross-sectional profile of the energy radiation with which the working area is exposed at the respective irradiation position.

Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinrichtung bevorzugt eingerichtet, um als Strahlprofil ein Intensitätsprofil in dem Strahlbereich während der Herstellung des Bauteils zu verändern. Unter einem Intensitätsprofil wird dabei insbesondere eine Flächenleistungsdichteverteilung des Energiestrahls verstanden.Alternatively or additionally, the control device is preferably set up to change an intensity profile in the beam area as the beam profile during the production of the component. In this case, an intensity profile is understood to mean in particular a surface power density distribution of the energy beam.

Durch Veränderung des Strahlprofils, insbesondere der Form des Strahlbereichs und/oder des Intensitätsprofils, ist es in vorteilhafter Weise einfach und schnell möglich, das Strahlprofil während der Herstellung des Bauteils bedarfsgerecht anzupassen.By changing the beam profile, in particular the shape of the beam area and/or the intensity profile, it is advantageously possible to adapt the beam profile quickly and easily as required during the manufacture of the component.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um das Strahlprofil, insbesondere die Form des Strahlbereichs, abhängig von einer momentanen Bestrahlungsposition innerhalb des herzustellenden Bauteils, insbesondere innerhalb einer selben Pulvermaterialschicht, vorzugeben. Insbesondere ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um an verschiedenen Bestrahlungspositionen verschiedene Strahlprofile vorzugeben. Auf diese Weise kann vorteilhaft das Strahlprofil flexibel und lokal an verschiedene Bedingungen oder Anforderungen angepasst werden.According to a development of the invention, the control device is set up to specify the blasting profile, in particular the shape of the blasting area, as a function of a current irradiation position within the component to be produced, in particular within the same powder material layer. In particular, the control device is set up to specify different beam profiles at different irradiation positions. In this way, the beam profile can advantageously be adapted flexibly and locally to different conditions or requirements.

Beispielsweise kann für einen äußeren Hüllbereich des entstehenden Bauteils, das heißt insbesondere für dessen Oberfläche, ein anderes Strahlprofil gewählt werden als für einen inneren Bereich innerhalb des äußeren Hüllbereichs des Bauteils.For example, a different beam profile can be selected for an outer enveloping area of the resulting component, that is to say in particular for its surface, than for an inner area within the outer enveloping area of the component.

Alternativ oder zusätzlich kann für eine Kontur, das heißt eine Umrandung oder äußere Grenze eines zu verfestigenden oder verfestigten Bereichs innerhalb einer Pulvermaterialschicht, ein anderes Strahlprofil gewählt werden als für einen sogenannten Kern, das heißt einen Bereich innerhalb der Kontur in der Pulvermaterialschicht.Alternatively or additionally, a different jet profile can be selected for a contour, i.e. a border or outer boundary of an area to be solidified or solidified within a powder material layer, than for a so-called core, i.e. an area within the contour in the powder material layer.

Zusätzlich oder alternativ kann ein wieder anderes Strahlprofil für einen Überhangbereich gewählt werden, wobei ein Überhangbereich ein Bereich innerhalb einer Pulvermaterialschicht ist, unterhalb von dem, das heißt in darunterliegenden Pulvermaterialschichten, sich nicht-verfestigtes Pulvermaterial befindet. Ein solcher Überhang wird auch als „down skin“ bezeichnet. Dieser Begriff bezeichnet auch die unterste Pulvermaterialschicht, die verfestigtes Pulvermaterial umfasst, das heißt eine Bodenfläche des Bauteils.Additionally or alternatively, yet another jet profile can be selected for an overhang area, an overhang area being an area within a powder material layer below which, ie in underlying powder material layers, non-solidified powder material is located. Such an overhang is also referred to as "down skin". This term also refers to the bottom layer of powder material comprising solidified powder material, i.e. a bottom surface of the component.

Zusätzlich oder alternativ kann ein wieder anderes Strahlprofil für einen Deckschichtbereich verwendet werden, wobei eine Deckschichtbereich ein Bereich innerhalb einer Pulvermaterialschicht ist, oberhalb von dem, das heißt in darüberliegenden Pulvermaterialschichten, sich nicht-verfestigtes Pulvermaterial befindet. Ein solcher Deckschichtbereich wird auch als „up skin“ bezeichnet. Dieser Begriff bezeichnet auch die oberste Pulvermaterialschicht, die noch verfestigtes Pulvermaterial umfasst, das heißt eine Dachfläche oder oberste Fläche des Bauteils.Additionally or alternatively, yet another jet profile can be used for a cover layer region, with a cover layer region being a region within a powder material layer above which, ie in overlying powder material layers, non-solidified powder material is located. Such a top layer area is also referred to as "up skin". This term also refers to the uppermost layer of powder material, which still comprises solidified powder material, ie a roof surface or uppermost surface of the component.

Insbesondere kann ein wieder anderes Strahlprofil gewählt werden für einen Volumenbereich des entstehenden Bauteils, das heißt einen Bereich innerhalb einer Pulvermaterialschicht, der allseitig, insbesondere innerhalb der Pulvermaterialschicht, aber auch oberhalb und unterhalb der gerade bearbeiteten Pulvermaterialschicht, in dem fertiggestellten Bauteil von verfestigtem Pulvermaterial umgeben ist. Ein solcher Bereich wird auch als „in skin“-Bereich bezeichnet.In particular, another beam profile can be selected for a volume area of the component being created, i.e. an area within a powder material layer that is on all sides, especially within the powder material layer, but also above and below the powder material layer being processed, in which finished component is surrounded by solidified powder material. Such an area is also referred to as an “in skin” area.

Verschiedene Strahlprofile können auch verwendet werden einerseits für filigrane Strukturen eines Bauteils, die beispielsweise in der Größenordnung des Strahlbereichs liegen, und andererseits für gröbere, größere, insbesondere flächige Strukturen. Gegebenenfalls können filigrane Strukturen, insbesondere abgeschlossene Strukturabschnitte, auch allein durch Ansteuerung der Ablenkeinrichtung und Erzeugen eines lokalen Strahlprofils an einer festgehaltenen Bestrahlungsposition erzeugt werden, ohne dass die Scannereinrichtung angesteuert wird, insbesondere in dem durch geeignete Ansteuerung der Ablenkeinrichtung ein Strahlprofil in der Form des auszubildenden Strukturabschnitts erzeugt wird.Different beam profiles can also be used on the one hand for filigree structures of a component, which are, for example, in the order of magnitude of the beam area, and on the other hand for coarser, larger, in particular flat structures. If necessary, filigree structures, in particular closed structure sections, can also be generated solely by controlling the deflection device and generating a local beam profile at a fixed irradiation position, without the scanner device being controlled, in particular in which a beam profile in the form of the structural section to be formed can be generated by suitably controlling the deflection device is produced.

Die Vorgabe des Strahlprofils abhängig von der momentanen Bestrahlungsposition ermöglicht es auch, das entstehende Bauteilgefüge über die Intensitätsverteilung zu beeinflussen. Beispielsweise verändert sich eine Kornstruktur des entstehenden Bauteils bei Bestrahlung mit veränderten Temperaturgradienten und Erstarrungsbedingungen. Somit können insbesondere auch lokale Festigkeitswerte oder Oberflächenhärten beeinflusst und insbesondere lokal variiert werden.The specification of the beam profile depending on the current irradiation position also makes it possible to influence the resulting component structure via the intensity distribution. For example, a grain structure of the resulting component changes during irradiation with changed temperature gradients and solidification conditions. Thus, in particular, local strength values or surface hardnesses can also be influenced and, in particular, varied locally.

Insbesondere ist es möglich, die äußere Oberfläche des Bauteils dadurch zu härten, dass in up skin- oder down skin-Bereichen in mehreren unmittelbar darunter oder darüber angeordneten Pulvermaterialschichten eine höhere Härte des verfestigten Pulvermaterials erzeugt wird. Entsprechend können auch in einzelnen Pulvermaterialschichten Konturlinien in breiterem Umfang mit größerer Härte verfestigt werden.In particular, it is possible to harden the outer surface of the component by producing a higher hardness of the solidified powder material in several powder material layers arranged directly below or above in up skin or down skin areas. Correspondingly, contour lines can also be hardened to a greater extent with greater hardness in individual powder material layers.

Ein äußerer Hüllbereich ist demgegenüber insbesondere ein Bereich innerhalb einer Pulvermaterialschicht, der innerhalb der Pulvermaterialschicht zumindest eine Grenzlinie zu nicht-verfestigtem Pulvermaterial aufweist. Ein solcher Hüllbereich kann zugleich ein Überhang sein, er kann aber auch im fertigen Bauteil oberhalb und unterhalb der momentan hergestellten Pulvermaterialschicht von verfestigtem Pulvermaterial umgeben sein.In contrast, an outer enveloping area is in particular an area within a powder material layer which has at least one boundary line to non-solidified powder material within the powder material layer. Such an enveloping area can at the same time be an overhang, but it can also be surrounded by solidified powder material in the finished component above and below the currently produced layer of powder material.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um die Form des Strahlbereichs vorzugeben als eine Form, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einer rotationssymmetrischen Form, insbesondere einer dreizählig-rotationssymmetrischen oder höherzählig-rotationssymmetrischen Form, insbesondere einer C₃-rotationssymmetrischen Form, einer Kreisform, einer Ringform, einer Torusform oder Donutform, einem Polygon, einem Rechteck, einer langgestreckten Form, vorzugsweise mit abgerundeten Ecken, einer Strichform, einer irregulären Form, und einer Punktform. Größere, flächig ausgedehntere Formen werden bevorzugt verwendet, um innenliegende in skin-Bereiche und/oder Kernbereiche und/oder innere Bereiche des Bauteils schnell und somit mit hoher Produktivität zu fertigen, wobei filigranere, kleinere Formen bevorzugt verwendet werden, um insbesondere filigrane oder detaillierte Hüllbereiche oder Überhänge zu bearbeiten.According to one development of the invention, it is provided that the control device is set up to specify the shape of the beam area as a shape that is selected from a group consisting of: A rotationally symmetrical shape, in particular a three-fold rotationally symmetrical or a higher-fold rotationally symmetrical shape, in particular a C ₃ rotationally symmetrical shape, a circular shape, a ring shape, a torus shape or donut shape, a polygon, a rectangle, an elongated shape, preferably with rounded corners, a line shape, an irregular shape, and a point shape. Larger, more extensive molds are preferably used in order to produce internal skin areas and/or core areas and/or inner areas of the component quickly and thus with high productivity, with more filigree, smaller molds being preferably used, in particular for filigree or detailed enveloping areas or edit overhangs.

Die Steuereinrichtung ist bevorzugt eingerichtet, um zwischen mindestens zwei verschiedenen Formen des Strahlbereichs zu wechseln oder umzuschalten.The control device is preferably set up to change or switch over between at least two different shapes of the beam area.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um das Intensitätsprofil als gaußförmiges Intensitätsprofil zu erzeugen. Insbesondere kann es sich dabei auch um einen entlang einer Richtung innerhalb des Arbeitsbereichs langgestrecktes Gaußprofil handeln, wobei sich die Achse längster Erstreckung des Gaußprofils in bevorzugter Ausgestaltung senkrecht zu einem Bestrahlungspfad, das heißt einer insbesondere lokalen Verlagerungsrichtung des Energiestrahls in dem Arbeitsbereich, oder alternativ entlang des Bestrahlungspfads des Energiestrahls, also in Verlagerungsrichtung, erstrecken kann. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, dass sich die Achse längster Erstreckung des Gaußprofils schräg zu dem Bestrahlungspfad erstreckt.According to one development of the invention, it is provided that the control device is set up to generate the intensity profile as a Gaussian intensity profile. In particular, this can also be a Gaussian profile that is elongated along a direction within the working area, with the axis of the longest extension of the Gaussian profile in a preferred embodiment being perpendicular to an irradiation path, i.e. a particularly local displacement direction of the energy beam in the working area, or alternatively along the Irradiation path of the energy beam, ie in the displacement direction, can extend. However, it is of course also possible for the axis of the longest extension of the Gaussian profile to extend at an angle to the irradiation path.

Alternativ ist die Steuereinrichtung bevorzugt eingerichtet, um das Intensitätsprofil als nicht-gaußförmiges Intensitätsprofil zu erzeugen.Alternatively, the control device is preferably set up to generate the intensity profile as a non-Gaussian intensity profile.

Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um das Intensitätsprofil als konstantes Intensitätsprofil, insbesondere nach Art eines Flat-Top-Strahls, zu erzeugen. Alternatively or additionally, the control device is set up to generate the intensity profile as a constant intensity profile, in particular in the manner of a flat-top beam.

Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um das Intensitätsprofil als asymmetrisches oder verzerrtes Intensitätsprofil zu erzeugen. Die Steuereinrichtung ist somit bevorzugt in der Lage, eine Vielzahl von verschiedenen Intensitätsprofilen, insbesondere beliebige Intensitätsprofile, zu erzeugen und zwischen diesen zu wechseln.Alternatively or additionally, the control device is set up to generate the intensity profile as an asymmetrical or distorted intensity profile. The control device is thus preferably able to generate a large number of different intensity profiles, in particular any intensity profiles, and to switch between them.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ablenkeinrichtung in Propagationsrichtung des Energiestrahls vor der Scannereinrichtung angeordnet ist. Die Propagationsrichtung des Energiestrahls ist dabei insbesondere eine Ausbreitungsrichtung der Energiestrahlung im Raum. Der Begriff „vor“ bezieht sich darauf, dass die Ablenkeinrichtung während der Propagation des Energiestrahls entlang der Propagationsrichtung zuerst von dem Energiestrahl erreicht wird, wobei die Scannereinrichtung danach von dem Energiestrahl erreicht wird. Die Anordnung der Ablenkeinrichtung in Propagationsrichtung vor der Scannereinrichtung stellt eine besonders geeignete Konfiguration für eine flexible Erzeugung des Strahlprofils dar.According to a development of the invention, it is provided that the deflection device is arranged in front of the scanner device in the direction of propagation of the energy beam. The propagation direction of the energy beam is in particular a propagation direction of the energy radiation in space. The term "before" refers to the fact that the deflection device during the propagation of the energy beam along the direction of propagation first of is reached by the energy beam, the scanner device thereafter being reached by the energy beam. The arrangement of the deflection device in the direction of propagation in front of the scanner device represents a particularly suitable configuration for flexible generation of the beam profile.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ablenkeinrichtung mindestens einen akustooptischen Deflektor aufweist.According to a development of the invention, it is provided that the deflection device has at least one acousto-optical deflector.

Unter einem akustooptischen Deflektor wird dabei insbesondere ein Element verstanden, welches einen für den Energiestrahl transparenten Festkörper aufweist, der mit Schallwellen, insbesondere Ultraschallwellen, beaufschlagt werden kann, wobei der Energiestrahl beim Durchtritt durch den transparenten Festkörper abhängig von der Frequenz der Schallwellen, mit denen der transparente Festkörper beaufschlagt ist, abgelenkt wird. Dabei wird in dem transparenten Festkörper durch die Schallwellen insbesondere ein optisches Gitter erzeugt. Solche akustooptische Deflektoren sind vorteilhaft in der Lage, den Energiestrahl sehr schnell um einen durch die Frequenz der in dem transparenten Festkörper erzeugten Schallwellen vorgegebenen Winkelbereich abzulenken. Dabei können insbesondere Schaltgeschwindigkeiten von bis zu 1 MHz erreicht werden. Insbesondere sind die Schaltzeiten für einen solchen akustooptischen Deflektor deutlich schneller als typische Schaltzeiten für konventionelle Scanneroptiken, insbesondere Galvanometer-Scanner, die im Allgemeinen zur Verlagerung eines Energiestrahls innerhalb eines Arbeitsbereichs einer Fertigungseinrichtung der hier angesprochenen Art verwendet werden. Daher kann ein solcher akustooptischer Deflektor in besonders geeigneter Weise zur Erzeugung eines quasistatischen Strahlprofils in dem Strahlbereich verwendet werden.An acousto-optical deflector is understood to mean in particular an element which has a solid body which is transparent to the energy beam and to which sound waves, in particular ultrasonic waves, can be applied, with the energy beam depending on the frequency of the sound waves, with which the transparent solid is applied, is deflected. In this case, in particular an optical lattice is generated in the transparent solid by the sound waves. Such acousto-optical deflectors are advantageously able to deflect the energy beam very quickly by an angular range predetermined by the frequency of the sound waves generated in the transparent solid. In particular, switching speeds of up to 1 MHz can be achieved. In particular, the switching times for such an acousto-optical deflector are significantly faster than typical switching times for conventional scanner optics, in particular galvanometer scanners, which are generally used to move an energy beam within a work area of a manufacturing facility of the type discussed here. Therefore, such an acousto-optical deflector can be used in a particularly suitable manner to generate a quasi-static beam profile in the beam area.

Moderne akustooptische Deflektoren lenken den Energiestrahl mit einer Effizienz von mindestens 90 % in einen vorbestimmten Winkelbereich der ersten Beugungsordnung ab, sodass sie sich hervorragend als Ablenkeinrichtung für die hier vorgeschlagene Fertigungseinrichtung eignen. Entscheidend für die hohe Effizienz sind insbesondere das verwendete, für den Energiestrahl transparente Material sowie eine geeignet hohe Intensität der eingekoppelten Ultraschallwellen.Modern acousto-optical deflectors deflect the energy beam with an efficiency of at least 90% into a predetermined angular range of the first diffraction order, so that they are excellently suited as a deflection device for the production device proposed here. The material used, which is transparent to the energy beam, and a suitably high intensity of the coupled ultrasonic waves are particularly decisive for the high efficiency.

In bevorzugter Ausgestaltung weist die Ablenkeinrichtung zwei nicht parallel zueinander orientierte, vorzugsweise senkrecht zueinander orientierte akustooptische Deflektoren auf. Somit ist vorteilhaft eine Ablenkung des Energiestrahls in zwei nicht zueinander parallele, insbesondere aufeinander senkrecht stehende Richtungen möglich. Die zueinander nicht parallelen akustooptischen Deflektoren sind vorzugsweise in Propagationsrichtung des Energiestrahls hintereinander angeordnet.In a preferred embodiment, the deflection device has two acousto-optical deflectors that are not oriented parallel to one another, but are preferably oriented perpendicularly to one another. A deflection of the energy beam in two directions that are not parallel to one another, in particular perpendicular to one another, is thus advantageously possible. The acousto-optical deflectors, which are not parallel to one another, are preferably arranged one behind the other in the direction of propagation of the energy beam.

Mit „hinter“ ist hier insbesondere gemeint, dass ein hinter einem anderen Element angeordnetes Element bei einer Propagation des Energiestrahls entlang der Propagationsrichtung nach dem anderen Element von dem Energiestrahl erreicht wird, analog zu der oben gegebenen Definition für „vor“.“Behind” here means in particular that an element arranged behind another element is reached by the energy beam when the energy beam propagates along the propagation direction after the other element, analogously to the definition given above for “in front of”.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fertigungseinrichtung in Propagationsrichtung des Energiestrahls hinter der Ablenkeinrichtung und vor der Scannereinrichtung einen Separationsspiegel aufweist, der eingerichtet ist, um einen Teilstrahl nullter Ordnung des Energiestrahls von einem Teilstrahl erster Ordnung zu trennen. Insbesondere wenn die Ablenkeinrichtung einen akustooptischen Deflektor aufweist, erzeugt sie aufgrund ihrer Ausgestaltung analog zu einem optischen Gitter einen ungebeugten Teilstrahl nullter Ordnung sowie einen gebeugten oder abgelenkten Teilstrahl erster Ordnung. Zur Bestrahlung des Arbeitsbereichs soll lediglich der Teilstrahl erster Ordnung verwendet werden. Mithilfe des Separationsspiegels ist es nun vorteilhaft möglich, die Teilstrahlen verschiedener Ordnung voneinander zu trennen und dabei nur den Teilstrahl erster Ordnung zu dem Arbeitsbereich, insbesondere zu der Scannereinrichtung, durchzulassen. Der Teilstrahl nullter Ordnung wird vorzugsweise durch den Separationsspiegel in eine Strahlfalle umgelenkt.According to a development of the invention, it is provided that the production device has a separating mirror in the propagation direction of the energy beam behind the deflection device and in front of the scanner device, which is set up to separate a zeroth-order partial beam of the energy beam from a first-order partial beam. In particular, if the deflection device has an acousto-optical deflector, it generates an undiffracted zeroth-order partial beam and a diffracted or deflected first-order partial beam due to its configuration analogous to an optical grating. Only the first-order partial beam should be used to irradiate the working area. With the aid of the separating mirror, it is now advantageously possible to separate the partial beams of different orders from one another and only allow the first-order partial beam to pass to the work area, in particular to the scanner device. The partial beam of the zeroth order is preferably deflected by the separating mirror into a beam trap.

Diese Darstellung ist korrekt für die Verwendung genau eines akustooptischen Deflektors. Wenn in bevorzugter Ausgestaltung zwei nicht parallel zueinander orientierte, vorzugsweise senkrecht zueinander orientierte akustooptische Deflektoren verwendet werden, so sind auch die entsprechenden Beugungsordnungen kumulativ zu betrachten: Als Nutzstrahl soll letztlich der Teilstrahl verwendet werden, der zunächst als Teilstrahl erster Ordnung des ersten akustooptischen Deflektors auf den zweiten akustooptischen Deflektor trifft, und dann wiederum als Teilstrahl erster Ordnung von dem zweiten akustooptischen Deflektor gebeugt wird. Der Nutzstrahl als „Teilstrahl erster Ordnung“ ist in diesem Fall quasi ein Teilstrahl erster erster Ordnung. Um die Darstellung einfach zu halten, wird gleichwohl im Folgenden stets nur von der ersten Ordnung gesprochen.This representation is correct for the use of exactly one acousto-optical deflector. If, in a preferred embodiment, two acousto-optical deflectors that are not oriented parallel to one another, but are preferably oriented perpendicularly to one another, are used, the corresponding orders of diffraction must also be considered cumulatively: the partial beam should ultimately be used as the useful beam, which initially appears as a first-order partial beam of the first acousto-optical deflector on the second acousto-optical deflector, and is then in turn diffracted as a first-order sub-beam by the second acousto-optical deflector. In this case, the useful beam as a “first-order partial beam” is more or less a first-order partial beam. In order to keep the presentation simple, only the first order will be used in the following.

Insbesondere weist der Separationsspiegel bevorzugt in einer für den Energiestrahl reflektierenden Fläche eine Durchgangsbohrung auf, durch welche der Teilstrahl erster Ordnung den Separationsspiegel zu dem Arbeitsbereich, insbesondere zu der Scannereinrichtung hin, passiert. Der Teilstrahl nullter Ordnung - sowie vorzugsweise auch unerwünschte Teilstrahlen höherer Ordnung als der ersten Ordnung - treffen dagegen auf die reflektierende Fläche und werden durch den Separationsspiegel in die Strahlfalle umgelenkt.In particular, the separation mirror preferably has a through hole in a surface that reflects the energy beam, through which the first-order partial beam passes through the separation mirror to the work area, in particular to the scanner device. The partial beam of the zeroth order - and preferably also below desired partial beams of a higher order than the first order - hit the reflecting surface and are deflected by the separating mirror into the beam trap.

Bevorzugt ist der Separationsspiegel in der Umgebung eines Zwischenfokus eines Teleskops angeordnet. Dies ermöglicht eine besonders saubere Trennung der Teilstrahlen verschiedener Ordnung.The separation mirror is preferably arranged in the vicinity of an intermediate focus of a telescope. This enables a particularly clean separation of the partial beams of different orders.

Bevorzugt ist der Separationsspiegel nicht genau im Zwischenfokus des Teleskops angeordnet, insbesondere um eine Beschädigung des Separationsspiegels durch eine zu hohe Leistungsdichte des Energiestrahls zu vermeiden.The separation mirror is preferably not arranged exactly in the intermediate focus of the telescope, in particular in order to avoid damage to the separation mirror due to an excessive power density of the energy beam.

Vorzugsweise ist der Separationsspiegel in einem Abstand von einem Fünftel der Brennweite des Teleskops zu dem Zwischenfokus entlang der Propagationsrichtung versetzt angeordnet, vorzugsweise in Propagationsrichtung vor dem Zwischenfokus. Dies gewährleistet zugleich einerseits eine saubere Trennung der verschiedenen Teilstrahlen verschiedener Ordnung und andererseits eine hinreichend niedrige Leistungsdichte des Energiestrahls auf dem Separationsspiegel, um dessen Beschädigung durch den Energiestrahl zu vermeiden.The separation mirror is preferably arranged offset at a distance of one fifth of the focal length of the telescope from the intermediate focus along the direction of propagation, preferably in front of the intermediate focus in the direction of propagation. At the same time, this ensures, on the one hand, a clean separation of the different partial beams of different orders and, on the other hand, a sufficiently low power density of the energy beam on the separation mirror in order to avoid damage to it by the energy beam.

Das Teleskop ist vorzugsweise ein 1:1 Teleskop, weist also insbesondere weder eine strahlverkleinernde noch strahlvergrößernde Eigenschaft auf. Insbesondere erfüllt das Teleskop zwei Aufgaben, nämlich neben der Separation der verschiedenen Teilstrahlen verschiedener Ordnung noch vorzugsweise zusätzlich die Abbildung eines Strahldrehpunktes, auch als Pivot-Punkt bezeichnet, auf einen Punkt in Propagationsrichtung hinter dem Teleskop, wobei der abgebildete Strahldrehpunkt bevorzugt entweder auf einen Pivot-Punkt der nachfolgenden Scannereinrichtung oder auf einem Punkt kleinster Apertur zu liegen kommt.The telescope is preferably a 1:1 telescope, ie in particular it has neither a beam-reducing nor a beam-enlarging property. In particular, the telescope fulfills two tasks, namely, in addition to the separation of the different partial beams of different orders, the imaging of a beam rotation point, also known as a pivot point, onto a point in the propagation direction behind the telescope, with the imaged beam rotation point preferably either onto a pivot point of the subsequent scanner device or on a point with the smallest aperture.

Auch diese Betrachtung gilt streng genommen nur für die Verwendung eines einzigen akustooptischen Deflektors. Werden zwei nicht parallel zueinander orientierte, vorzugsweise senkrecht zueinander orientierte akustooptische Deflektoren verwendet, ergeben sich zwei Strahldrehpunkte, nämlich in jedem akustooptischen Deflektor ein Strahldrehpunkt. Werden die beiden akustooptischen Deflektoren allerdings so nah wie möglich in Propagationsrichtung hintereinander angeordnet, kann in guter Näherung ein einzelner, gedachter gemeinsamer Strahldrehpunkt angenommen werden, der dann zwischen den akustooptischen Deflektoren angeordnet ist.Strictly speaking, this consideration also applies only to the use of a single acousto-optical deflector. If two acousto-optical deflectors that are not oriented parallel to one another, but are preferably oriented perpendicularly to one another, are used, two beam pivot points result, namely one beam pivot point in each acousto-optical deflector. However, if the two acousto-optical deflectors are arranged as closely as possible one behind the other in the direction of propagation, a single, imaginary common beam pivot point can be assumed as a good approximation, which is then arranged between the acousto-optical deflectors.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Scannereinrichtung mindestens einen Scanner, insbesondere einen Galvanometer-Scanner, Piezoscanner, Polygonscanner, MEMS-Scanner, und/oder einen relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbaren Arbeitskopf oder Bearbeitungskopf aufweist. Die hier vorgeschlagenen Scannereinrichtungen sind in besonderer Weise geeignet, den Energiestrahl innerhalb des Arbeitsbereichs zwischen einer Mehrzahl von Bestrahlungspositionen zu verlagern.According to a development of the invention, it is provided that the scanner device has at least one scanner, in particular a galvanometer scanner, piezo scanner, polygon scanner, MEMS scanner, and/or a working head or processing head that can be displaced relative to the work area. The scanner devices proposed here are particularly suitable for shifting the energy beam within the working area between a plurality of irradiation positions.

Unter einem relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbaren Arbeitskopf oder Bearbeitungskopf wird hier insbesondere ein integriertes Bauteil der Fertigungseinrichtung verstanden, welches mindestens einen Strahlungsauslass für mindestens einen Energiestrahl aufweist, wobei das integrierte Bauteil, das heißt der Arbeitskopf, als Ganzes entlang zumindest einer Verlagerungsrichtung, vorzugsweise entlang zweier senkrecht aufeinander stehenden Verlagerungsrichtungen, relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbar ist. Ein solcher Arbeitskopf kann insbesondere in Portalbauweise ausgebildet sein, oder von einem Roboter geführt werden. Insbesondere kann der Arbeitskopf als Roboterhand eines Roboters ausgebildet sein.A working head or processing head that can be displaced relative to the work area is understood here in particular to mean an integrated component of the production facility which has at least one radiation outlet for at least one energy beam, the integrated component, i.e. the working head, as a whole along at least one displacement direction, preferably along two mutually perpendicular directions of displacement, is displaceable relative to the work area. Such a working head can, in particular, be designed in the form of a portal or be guided by a robot. In particular, the working head can be designed as a robot hand of a robot.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strahlerzeugungseinrichtung als Laser ausgebildet ist. Der Energiestrahl wird somit vorteilhaft als intensiver Strahl kohärenter elektromagnetischer Strahlung, insbesondere kohärenten Lichts, erzeugt.According to a development of the invention, it is provided that the beam generating device is designed as a laser. The energy beam is thus advantageously generated as an intensive beam of coherent electromagnetic radiation, in particular coherent light.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fertigungseinrichtung eingerichtet ist zum selektiven Lasersintern. Alternativ oder zusätzlich ist die Fertigungseinrichtung eingerichtet zum selektiven Laserschmelzen. Diese Ausgestaltungen der Fertigungseinrichtung haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen.According to a development of the invention, it is provided that the production facility is set up for selective laser sintering. Alternatively or additionally, the production facility is set up for selective laser melting. These configurations of the production facility have proven to be particularly advantageous.

Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum Verändern eines Strahlprofils eines Energiestrahls auf einem Arbeitsbereich einer Fertigungseinrichtung während des additiven Fertigens eines Bauteils aus einem Pulvermaterial geschaffen wird, wobei der Energiestrahl innerhalb des Arbeitsbereichs an eine Mehrzahl von Bestrahlungspositionen verlagert wird, um mittels des Energiestrahls das Bauteil aus dem in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterial herzustellen. Der Energiestrahl wird an wenigstens einer Bestrahlungsposition der Mehrzahl von Bestrahlungspositionen innerhalb eines Strahlbereichs an eine Mehrzahl von Strahlpositionen verlagert. Das Strahlprofil wird verändert, indem die Verlagerung des Energiestrahls in dem Strahlbereich verändert wird. In Zusammenhang mit dem Verfahren ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Fertigungseinrichtung erläutert wurden.The object is also achieved by creating a method for changing a beam profile of an energy beam on a work area of a production facility during the additive manufacturing of a component from a powder material, the energy beam being shifted to a plurality of irradiation positions within the work area in order to use the energy beam to produce the component from the powder material arranged in the work area. The energy beam is shifted to a plurality of beam positions at at least one irradiation position of the plurality of irradiation positions within a beam area. The beam profile is changed by changing the displacement of the energy beam in the beam area. In connection with the method, there are in particular the advantages that have already been explained in connection with the production facility.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Strahlprofil, insbesondere die Form des Strahlbereichs, abhängig von einer momentanen Bestrahlungsposition innerhalb des herzustellenden Bauteils, insbesondere innerhalb einer selben Pulvermaterialschicht, verändert wird, wobei insbesondere an verschiedenen Bestrahlungspositionen verschiedene Strahlprofile erzeugt werden.According to a development of the invention, it is provided that the beam profile, in particular the shape of the beam area, is changed depending on a current irradiation position within the component to be produced, in particular within the same powder material layer, with different beam profiles being generated in particular at different irradiation positions.

Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem eine Verwendung von wenigstens einem akustooptischen Deflektor angegeben wird, wobei der akustooptische Deflektor zur Veränderung eines Strahlprofils eines Energiestrahls auf einem Arbeitsbereich eine Fertigungseinrichtung während des additiven Fertigens eines Bauteils aus einem Pulvermaterial, insbesondere innerhalb einer selben Pulvermaterialschicht, verwendet wird. In Zusammenhang mit der Verwendung des akustooptischen Deflektors ergeben sich insbesondere diejenigen Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Fertigungseinrichtung und dem Verfahren erläutert wurden.Finally, the object is also achieved by specifying the use of at least one acousto-optical deflector, the acousto-optical deflector for changing a beam profile of an energy beam on a work area using a manufacturing device during the additive manufacturing of a component from a powder material, in particular within the same powder material layer will. In connection with the use of the acousto-optical deflector, there are in particular those advantages which have already been explained in connection with the production facility and the method.

In bevorzugter Ausgestaltung wird der akustooptische Deflektor verwendet in einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verändern eines Strahlprofils eines Energiestrahls oder in einer der zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen eines solchen Verfahrens.In a preferred embodiment, the acousto-optical deflector is used in a method according to the invention for changing a beam profile of an energy beam or in one of the previously described preferred embodiments of such a method.

Bevorzugt wird der akustooptische Deflektor verwendet in einer erfindungsgemäßen Fertigungseinrichtung oder in einer Fertigungseinrichtung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele einer solchen Fertigungseinrichtung.The acousto-optical deflector is preferably used in a production facility according to the invention or in a production facility according to one of the previously described exemplary embodiments of such a production facility.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwei insbesondere nicht parallel zueinander orientierte, vorzugsweise senkrecht zueinander orientierte akustooptische Deflektoren verwendet werden, um das Strahlprofil des Energiestrahls zu verändern. Somit ist es in besonders einfacher und schneller Weise möglich, das Strahlprofil in zwei vorzugsweise nicht parallel zueinander orientierten, vorzugsweise insbesondere senkrecht zueinander orientierten Richtungen zu verändern.According to a development of the invention, it is provided that two acousto-optical deflectors, which are in particular not oriented parallel to one another but are preferably oriented perpendicularly to one another, are used in order to change the beam profile of the energy beam. It is thus possible in a particularly simple and rapid manner to change the beam profile in two directions which are preferably not oriented parallel to one another, but are preferably in particular perpendicular to one another.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Fertigungseinrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial, und
2 eine schematische Darstellung einer Mehrzahl verschiedener Formen eines Strahlbereichs.

The invention is explained in more detail below with reference to the drawing. show:

1 a representation of an embodiment of a manufacturing device for the additive manufacturing of components from a powder material, and
2 a schematic representation of a plurality of different shapes of a beam area.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Fertigungseinrichtung 1, die eingerichtet ist zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial. Die Fertigungseinrichtung 1 weist eine Strahlerzeugungseinrichtung 3 auf, die eingerichtet ist zum Erzeugen eines Energiestrahls 5. Außerdem weist die Fertigungseinrichtung 1 eine Scannereinrichtung 7 auf, die eingerichtet ist, um den Energiestrahl 5 innerhalb eines Arbeitsbereichs 9 an eine Mehrzahl von Bestrahlungspositionen 11 zu verlagern, um mittels des Energiestrahls 5 ein Bauteil aus dem in dem Arbeitsbereich 9 angeordneten Pulvermaterial herzustellen. 1 shows a schematic representation of an embodiment of a manufacturing device 1, which is set up for the additive manufacturing of components from a powder material. The production facility 1 has a beam generating device 3 which is set up to generate an energy beam 5. The production facility 1 also has a scanner device 7 which is set up to move the energy beam 5 to a plurality of irradiation positions 11 within a work area 9 in order to to produce a component from the powder material arranged in the work area 9 by means of the energy beam 5 .

Die Fertigungseinrichtung 1 weist eine Ablenkeinrichtung 13 auf, die eingerichtet ist, um den Energiestrahl 5 an einer Bestrahlungsposition 11 der Mehrzahl von Bestrahlungspositionen 11 innerhalb eines Strahlbereichs 15 an eine Mehrzahl von Strahlpositionen 17 zu verlagern.The production device 1 has a deflection device 13 which is set up to shift the energy beam 5 at an irradiation position 11 of the plurality of irradiation positions 11 within a beam region 15 to a plurality of beam positions 17 .

Die Fertigungseinrichtung 1 weist eine Steuereinrichtung 19 auf, die mit der Ablenkeinrichtung 13 wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Ablenkeinrichtung 13 anzusteuern, und um ein Strahlprofil des Strahlbereichs 15 während der Herstellung des Bauteils zu verändern, indem die Ansteuerung der Ablenkeinrichtung 13 verändert wird.The production facility 1 has a control device 19, which is operatively connected to the deflection device 13 and set up to control the deflection device 13 and to change a beam profile of the beam region 15 during the manufacture of the component by changing the control of the deflection device 13.

Auf diese Weise ist es in einfacher und äußerst flexibler Weise möglich, ein verwendetes Strahlprofil während der Herstellung des Bauteils, insbesondere während der Bearbeitung einer selben Pulvermaterialschicht, einfach und schnell vorzugeben und zu verändern, ohne dass es hierfür besonderer, insbesondere für das Erzeugen des Strahlprofils spezifischer Einrichtungen bedarf. Insbesondere ist es einfach und schnell möglich, zwischen verschiedenen Strahlprofilen zu wechseln.In this way, it is possible in a simple and extremely flexible manner to easily and quickly specify and change a jet profile used during the production of the component, in particular during the processing of the same powder material layer, without it being necessary to do this in particular, in particular for the generation of the jet profile specific facilities required. In particular, it is easy and quick to switch between different beam profiles.

Die Ablenkeinrichtung 13 ist insbesondere eingerichtet, um den Energiestrahl 5 sprunghaft an die Mehrzahl von Strahlpositionen 17 zu verlagern, wobei es sich bei den Strahlpositionen 17 um diskrete Strahlpositionen 17 handelt.The deflection device 13 is set up, in particular, to suddenly shift the energy beam 5 to the plurality of beam positions 17 , the beam positions 17 being discrete beam positions 17 .

Die Steuereinrichtung 19 ist insbesondere eingerichtet, um als Strahlprofil eine Form des Strahlbereichs 15 und/oder ein Intensitätsprofil in dem Strahlbereich 15 während der Herstellung des Bauteils zu verändern.The control device 19 is set up in particular to change a shape of the beam area 15 and/or an intensity profile in the beam area 15 as a beam profile during the production of the component.

Die Steuereinrichtung 19 ist insbesondere eingerichtet, um das Strahlprofil, insbesondere die Form des Strahlbereichs 15, abhängig von einer momentanen Bestrahlungsposition 11 innerhalb des herzustellenden Bauteils vorzugeben. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung 19 eingerichtet, um an verschiedenen Bestrahlungspositionen 11 verschiedene Strahlprofile vorzugeben. Insbesondere kann dies innerhalb einer selben Pulvermaterialschicht durchgeführt werden, beispielsweise um verschiedene Bereiche der Pulvermaterialschicht, insbesondere einen Hüllbereich einerseits und einen inneren Bereich andererseits, mit verschiedenen Strahlprofilen zu beaufschlagen. Das Strahlprofil kann alternativ oder zusätzlich insbesondere abhängig davon gewählt werden, ob eine Kontur, ein Kern, ein Überhangbereich, ein Deckschichtbereich, oder ein Volumenbereich des entstehenden Bauteils bearbeitet wird.The control device 19 is set up in particular to specify the beam profile, in particular the shape of the beam region 15, as a function of a current irradiation position 11 within the component to be produced. In a preferred embodiment, the control device 19 is set up to operate at different irradiation positions 11 specify different beam profiles. In particular, this can be carried out within the same powder material layer, for example in order to apply different jet profiles to different areas of the powder material layer, in particular an enveloping area on the one hand and an inner area on the other. Alternatively or additionally, the beam profile can be selected depending on whether a contour, a core, an overhang area, a cover layer area, or a volume area of the resulting component is being processed.

Bevorzugt ist die Steuereinrichtung 19 eingerichtet, um die Form des Strahlbereichs 15 vorzugeben als eine Form, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einer rotationssymmetrischen Form, insbesondere einer dreizählig-rotationssymmetrischen oder höherzählig-rotationssymmetrischen Form, einer Kreisform, einer Ringform, einer Torusform oder Donutform, einem Polygon, einem Rechteck, einer langgestreckten Form, vorzugsweise mit abgerundeten Ecken, einer Strichform, einer irregulären Form, und einer Punktform. Insbesondere ist die Steuereinrichtung 19 eingerichtet, um zwischen verschiedenen Formen des Strahlbereichs 15 zu wechseln oder umzuschalten.The control device 19 is preferably set up to specify the shape of the beam region 15 as a shape selected from a group consisting of: a rotationally symmetrical shape, in particular a threefold rotationally symmetrical or higher rotationally symmetrical shape, a circular shape, a ring shape, a torus shape or donut shape, a polygon, a rectangle, an elongated shape preferably with rounded corners, a line shape, an irregular shape, and a dot shape. In particular, the control device 19 is set up to change or switch over between different shapes of the beam area 15 .

Die Steuereinrichtung 19 ist insbesondere eingerichtet, um das Intensitätsprofil als gaußförmiges, nicht-gaußförmiges, konstantes, asymmetrisches oder verzerrtes Intensitätsprofil zu erzeugen. The control device 19 is set up in particular to generate the intensity profile as a Gaussian, non-Gaussian, constant, asymmetrical or distorted intensity profile.

Die Ablenkeinrichtung 13 ist insbesondere in Propagationsrichtung des Energiestrahls 5 vor der Scannereinrichtung 7 angeordnet.The deflection device 13 is arranged in front of the scanner device 7 in particular in the direction of propagation of the energy beam 5 .

Die Ablenkeinrichtung 13 weist insbesondere mindestens einen akustooptischen Deflektor 21, hier insbesondere zwei nicht parallel, insbesondere senkrecht zueinander orientierte akustooptische Deflektoren 21, nämlich einen ersten akustooptischen Deflektor 21.1 und einen zweiten akustooptischen Deflektor 21.2, auf. Die senkrecht zueinander orientierten akustooptischen Deflektoren 21 erlauben eine Ablenkung des Energiestrahls 5 in zwei senkrecht aufeinander stehenden Richtungen und damit insbesondere ein flächiges Abscannen des Strahlbereichs 15.The deflection device 13 has in particular at least one acousto-optical deflector 21, here in particular two acousto-optical deflectors 21 oriented non-parallel, in particular perpendicular to one another, namely a first acousto-optical deflector 21.1 and a second acousto-optical deflector 21.2. The acousto-optical deflectors 21, which are oriented perpendicularly to one another, allow the energy beam 5 to be deflected in two mutually perpendicular directions and thus in particular to scan the entirety of the beam area 15.

Die Fertigungseinrichtung 1 weist außerdem in Propagationsrichtung des Energiestrahls 5 hinter der Ablenkeinrichtung 13 und vor der Scannereinrichtung 7 einen Separationsspiegel 23 auf, der eingerichtet ist, um einen Teilstrahl nullter Ordnung von einem Teilstrahl erster Ordnung des Energiestrahls 5 zu trennen. Hierzu weist der Separationsspiegel 23 insbesondere eine Durchgangsbohrung 25 auf, die in einer für den Energiestrahl 5 reflektierenden Oberfläche 27 des Separationsspiegels 23 vorgesehen ist und den Separationsspiegel 23 vollständig durchdringt. Der in erwünschter Weise zu der Scannereinrichtung 7 weiterzuleitende Teilstrahl erster Ordnung wird dabei durch die Durchgangsbohrung 25 geleitet und gelangt so schließlich zu der Scannereinrichtung 7. Der unerwünschte Teilstrahl nullter Ordnung, sowie gegebenenfalls auch unerwünschte Teilstrahlen höherer Ordnung, treffen dagegen auf die reflektierende Oberfläche 27 und werden zu einer Strahlfalle 29 umgelenkt.The production device 1 also has a separating mirror 23 behind the deflection device 13 and in front of the scanner device 7 in the propagation direction of the energy beam 5 , which is set up to separate a zero-order partial beam from a first-order partial beam of the energy beam 5 . For this purpose, the separation mirror 23 has in particular a through hole 25 which is provided in a surface 27 of the separation mirror 23 which reflects the energy beam 5 and which completely penetrates the separation mirror 23 . The first-order partial beam, which is to be forwarded in the desired manner to the scanner device 7, is guided through the through hole 25 and thus finally reaches the scanner device 7. The undesired zero-order partial beam, and possibly also undesired higher-order partial beams, on the other hand, impinge on the reflecting surface 27 and are deflected to a beam trap 29.

Der Separationsspiegel 23 ist insbesondere in der Umgebung eines Zwischenfokus 31 eines Teleskops 33 angeordnet, insbesondere nicht genau in einer Ebene des Zwischenfokus 31, besonders bevorzugt in einem Abstand von einem Fünftel der Brennweite des Teleskops 33 entlang der Propagationsrichtung versetzt, insbesondere vor dem Zwischenfokus 31. Hierdurch wird vorteilhaft eine Beaufschlagung der reflektierenden Oberfläche 27 mit einer zu hohen Leistungsdichte des Energiestrahls 5 vermieden.The separation mirror 23 is arranged in particular in the vicinity of an intermediate focus 31 of a telescope 33, in particular not exactly in a plane of the intermediate focus 31, particularly preferably offset at a distance of one fifth of the focal length of the telescope 33 along the propagation direction, in particular in front of the intermediate focus 31. This advantageously prevents the reflective surface 27 from being exposed to an excessively high power density of the energy beam 5 .

Das Teleskop 33 weist bevorzugt eine erste Linse 35 und eine zweite Linse 37 auf. Es ist vorzugsweise als 1:1-Teleskop ausgebildet. Vorzugsweise weist das Teleskop 33 eine Brennweite von 500 mm auf.The telescope 33 preferably has a first lens 35 and a second lens 37 . It is preferably designed as a 1:1 telescope. The telescope 33 preferably has a focal length of 500 mm.

Die Funktionsweise des Teleskops 33 ist vorzugsweise eine Zweifache: Zum einen ermöglicht das Teleskop 33 insbesondere bei der hier gewählten Anordnung des Separationsspiegels 23 eine besonders vorteilhafte und saubere Trennung der verschiedenen Ordnungen des durch die Ablenkeinrichtung 13 abgelenkten Energiestrahls 5; zum anderen bildet das Teleskop 33 bevorzugt einen gedachten, gemeinsamen Strahldrehpunkt 39 der Ablenkeinrichtung 13 vorteilhaft auf einen Pivot-Punkt 41 der Scannereinrichtung 7 ab.The mode of operation of the telescope 33 is preferably twofold: on the one hand, the telescope 33 enables a particularly advantageous and clean separation of the different orders of the energy beam 5 deflected by the deflection device 13, particularly with the arrangement of the separation mirror 23 selected here; on the other hand, the telescope 33 advantageously images an imaginary, common beam pivot point 39 of the deflection device 13 onto a pivot point 41 of the scanner device 7 .

Alternativ bildet das Teleskop 33 bevorzugt den Strahldrehpunkt 39 auf einen Punkt kleinster Apertur ab.Alternatively, the telescope 33 preferably images the center of rotation of the beam 39 onto a point with the smallest aperture.

Um eine kompakte Anordnung der Fertigungseinrichtung 1 zu ermöglichen, wird der Energiestrahl 5 bevorzugt mehrfach durch Umlenkspiegel 43 umgelenkt.In order to enable a compact arrangement of the production device 1, the energy beam 5 is preferably deflected several times by deflection mirrors 43.

Die Scannereinrichtung 7 weist bevorzugt mindestens einen Scanner, insbesondere Galvanometer-Scanner, Piezoscanner, Polygonscanner, MEMS-Scanner und/oder Arbeitskopf auf.The scanner device 7 preferably has at least one scanner, in particular a galvanometer scanner, piezo scanner, polygon scanner, MEMS scanner and/or working head.

Die Strahlerzeugungseinrichtung 3 ist bevorzugt als Laser ausgebildet.The beam generating device 3 is preferably designed as a laser.

Die Fertigungseinrichtung 1 ist vorzugsweise eingerichtet zum selektiven Lasersintern und/oder zum selektiven Laserschmelzen.The production device 1 is preferably set up for selective laser sintering and/or for selective laser melting.

Im Rahmen eines Verfahrens zum Verändern eines Strahlprofils eines Energiestrahls 5 auf einem Arbeitsbereich 9 eine Fertigungseinrichtung 1 während des additiven Fertigens eines Bauteils aus einem Pulvermaterial wird der Energiestrahl 5 bevorzugt innerhalb des Arbeitsbereichs 9 an eine Mehrzahl von Bestrahlungspositionen 11 verlagert, um mittels des Energiestrahls 5 das Bauteil aus dem in dem Arbeitsbereich 9 angeordneten Pulvermaterial herzustellen. Der Energiestrahl 5 wird an wenigstens einer Bestrahlungsposition 11 der Mehrzahl von Bestrahlungspositionen 11 innerhalb eines Strahlbereichs 15 an eine Mehrzahl von Strahlpositionen 17 verlagert. Das Strahlprofil wird verändert, indem die Verlagerung des Energiestrahls 5 in dem Strahlbereich 15 verändert wird.As part of a method for changing a beam profile of an energy beam 5 on a work area 9 of a production facility 1 during the additive manufacturing of a component from a powder material, the energy beam 5 is preferably displaced within the work area 9 to a plurality of irradiation positions 11 in order to use the energy beam 5 to Produce component from the arranged in the work area 9 powder material. The energy beam 5 is shifted to a plurality of beam positions 17 at at least one irradiation position 11 of the plurality of irradiation positions 11 within a beam region 15 . The beam profile is changed by changing the displacement of the energy beam 5 in the beam area 15 .

Vorzugsweise wird das Strahlprofil, insbesondere die Form des Strahlbereichs 15, abhängig von einer momentanen Bestrahlungsposition 11 innerhalb des herzustellenden Bauteils, insbesondere innerhalb einer selben Pulvermaterialschicht, verändert, wobei insbesondere an verschiedenen Bestrahlungspositionen 11 verschiedene Strahlprofile erzeugt werden.The beam profile, in particular the shape of the beam area 15, is preferably changed depending on a current irradiation position 11 within the component to be produced, in particular within the same powder material layer, with different beam profiles being generated in particular at different irradiation positions 11.

Im Rahmen einer Verwendung von wenigstens einem akustooptischen Deflektor 21 wird dieser zur Veränderung eines Strahlprofils eines Energiestrahls 5 auf einem Arbeitsbereich 9 einer Fertigungseinrichtung 1 während des additiven Fertigens eines Bauteils aus einem Pulvermaterial verwendet.When at least one acousto-optical deflector 21 is used, it is used to change a beam profile of an energy beam 5 on a work area 9 of a manufacturing device 1 during the additive manufacturing of a component from a powder material.

Bevorzugt werden dabei zwei insbesondere nicht parallel, insbesondere senkrecht zueinander orientierte akustooptische Deflektoren 21.1, 21.2 verwendet.Preferably, two acousto-optical deflectors 21.1, 21.2 oriented in particular non-parallel, in particular perpendicular to one another, are used.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer Mehrzahl von Formen des Strahlbereichs 15. 2 shows a schematic representation of a plurality of shapes of the beam region 15.

Dabei ist bei a) eine erste, kreisförmige Form 51 für den Strahlbereich 15 dargestellt.A first, circular shape 51 for the beam area 15 is shown at a).

Bei b) ist eine zweite, polygonale, hier insbesondere hexagonale Form 53 für den Strahlbereich 15 dargestellt.At b) a second, polygonal, here in particular hexagonal shape 53 for the beam area 15 is shown.

Bei c) ist eine dritte, rechteckige Form 55 für den Strahlbereich 15 dargestellt.At c) a third, rectangular shape 55 for the beam area 15 is shown.

Bei d) ist eine vierte, langgestreckte Form 57 für den Strahlbereich 15 mit abgerundeten Enden dargestellt.At d) a fourth, elongated shape 57 for the beam area 15 is shown with rounded ends.

Bei e) ist schließlich eine fünfte, ringförmige, torusförmige oder donutförmige Form 59 für den Strahlbereich 15 dargestellt.Finally, at e) a fifth, ring-shaped, toroidal or donut-shaped shape 59 for the beam area 15 is shown.

Claims

Manufacturing device (1) for the additive manufacturing of components from a powder material - a beam generating device (3), which is set up to generate an energy beam (5), - a scanner device (7), which is set up to move the energy beam (5) within a work area (9) to a plurality of irradiation positions (11) in order to use the energy beam (5) to scan a component from the work area (9 ) to produce arranged powder material, - a deflection device (13), which is set up to shift the energy beam (5) at an irradiation position (11) of the plurality of irradiation positions (11) within a beam region (15) to a plurality of beam positions (17), and with - a control device (19), which is operatively connected to the deflection device (13) and set up to control the deflection device (13) and to change a beam profile of the beam area during the production of a component by changing the control of the deflection device (13). will.

Manufacturing facility (1) after claim 1 , wherein the deflection device (13) is set up to suddenly shift the energy beam (5) to the plurality of discrete beam positions (17).

Manufacturing device (1) according to one of the preceding claims, wherein the control device (19) is set up to change a shape of the beam area (15) and/or an intensity profile in the beam area (15) as a beam profile during production of the component.

Manufacturing device (1) according to one of the preceding claims, wherein the control device (19) is set up to determine the beam profile, in particular the shape of the beam area (15), depending on a current irradiation position (11) within the component to be produced, in particular within the same powder material layer , to specify, in particular to specify different beam profiles at different irradiation positions (11).

Manufacturing device (1) according to one of the preceding claims, wherein the control device (19) is set up to specify the shape of the beam area (15) as a shape that is selected from a group consisting of: a rotationally symmetrical shape, in particular one threefold rotationally symmetrical or higher rotationally symmetrical shape, a circular shape, a ring shape, a torus shape or donut shape, a polygon, a rectangle, an elongated shape, preferably with rounded corners, a line shape, an irregular shape, and a point shape.

Manufacturing device (1) according to one of the preceding claims, wherein the control device (19) is set up to generate the intensity profile as a Gaussian, non-Gaussian, constant, asymmetrical or distorted intensity profile.

Production device (1) according to one of the preceding claims, in which the deflection device (13) is arranged in front of the scanner device (7) in the direction of propagation of the energy beam (5).

Manufacturing device (1) according to one of the preceding claims, the deflection device (13) having at least one acousto-optical deflector (21), preferably two acousto-optical deflectors (21) oriented non-parallel, in particular perpendicular to one another.

Manufacturing device (1) according to one of the preceding claims, wherein the scanner device (7) has at least one scanner, in particular a galvanometer scanner, piezo scanner, polygon scanner, MEMS scanner, and/or a working head that can be displaced relative to the work area (9). .

Manufacturing device (1) according to one of the preceding claims, wherein the beam generating device (3) is designed as a laser.

Manufacturing device (1) according to one of the preceding claims, wherein the manufacturing device (1) is set up for selective laser sintering and/or for selective laser melting.

Method for changing a beam profile of an energy beam (5) on a work area (9) of a production device (1) during the additive manufacturing of a component from a powder material, wherein the energy beam (5) within the work area (9) at a plurality of irradiation positions (11 ) is displaced in order to produce the component from the powder material arranged in the working area (9) by means of the energy beam (5), the energy beam (5) being applied to at least one irradiation position (11) of the plurality of irradiation positions (11) within a beam area (15 ) is relocated to a plurality of beam positions (17), and wherein the beam profile is changed by changing the displacement of the energy beam (5) in the beam region (15).

procedure after claim 12 , wherein the beam profile, in particular the shape of the beam area (15), is changed depending on a current irradiation position (11) within the component to be produced, in particular within the same powder material layer, with different beam profiles being generated in particular at different irradiation positions (11).

Use of at least one acousto-optical deflector (21) to change a beam profile of an energy beam (5) on a work area (9) of a production device (1) during the additive manufacturing of a component from a powder material.

use after Claim 14 , wherein two acousto-optical deflectors (21.1, 21.2) which are not parallel, in particular perpendicular to one another, are used.