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Die Erfindung betrifft eine Fertigungseinrichtung und ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial, sowie ein Verfahren zum Erzeugen eines bestimmten Intensitätsprofils eines Energiestrahls.
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Beim additiven Herstellen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial wird typischerweise ein Energiestrahl zu vorbestimmten Bestrahlungspositionen innerhalb 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. Dabei ist es für verschiedene Fertigungsaufgaben, insbesondere für verschiedene zu erzeugende Bauteile, aber auch für verschiedene Bereiche innerhalb eines zu fertigenden Bauteils und sogar für verschiedene Bereiche innerhalb einer selben Pulvermaterialschicht in dem Arbeitsbereich unter Umständen günstig, das Pulvermaterial mit verschiedenen Intensitätsprofilen des Energiestrahls zu beaufschlagen. Insbesondere kann eine geeignete Wahl des Intensitätsprofils zur Erhöhung der Produktivität beitragen. Eine Erzeugung geeigneter, angepasster Intensitätsprofile mittels konventioneller Strahlformung, insbesondere durch refraktive oder interferometrische optische Elemente bei einem optischem Energiestrahl, sind oft aufwendig und nicht flexibel einsetzbar. Insbesondere ist es nur schwierig möglich, während eines einzelnen Herstellungsvorgangs, ganz besonders innerhalb einer Pulvermaterialschicht, zwischen verschiedenen Intensitätsprofilen umzuschalten. Darüber hinaus ermöglichen konventionelle Methoden der Strahlformung nur die Darstellung einer begrenzten Auswahl an Intensitätsprofilen und sind deswegen auch in ihrer Anwendbarkeit begrenzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fertigungseinrichtung sowie ein Verfahren zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial und ein Verfahren zum Erzeugen eines bestimmten Intensitätsprofils eines Energiestrahls zu schaffen, wobei die genannten Nachteile zumindest vermindert, vorzugsweise vermieden sind.
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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.
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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 bestimmtes Intensitätsprofil in dem Strahlbereich durch Vorgabe von wenigstens einem Betriebssparameter der Ablenkeinrichtung zu erzeugen. Der wenigstens eine Betriebsparameter ist dabei ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus: einer Verweilzeit an einer Strahlposition, einer Strahlpositionendichteverteilung in dem Strahlbereich, einer Häufigkeitsverteilung der Strahlpositionen, und einem Intensitätsbeeinflussungsparameter zur Beeinflussung der jeweils an die Strahlpositionen abgelenkten Intensität des Energiestrahls.
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Auf diese Weise kann insbesondere ein bestimmtes Intensitätsprofil einfach und schnell vorgegeben und erzeugt werden, ohne dass es hierfür besonderer, insbesondere für das Intensitätsprofil spezifischer Einrichtungen bedarf. Insbesondere ist es einfach und schnell möglich, zwischen verschiedenen Intensitätsprofilen zu wechseln. Die Fertigungseinrichtung ist somit sehr flexibel in der Lage, angepasst an das jeweils herzustellende Bauteil und/oder jeweils herzustellende Bereiche eines Bauteils ein geeignetes Intensitätsprofil zu erzeugen. Sie weist somit insbesondere eine hohe Produktivität auf. Die Qualität der mit der Fertigungseinrichtung hergestellten Bauteile kann darüber hinaus durch Auswahl besonders geeigneter Intensitätsprofile gesteigert werden. Da auf eigens an die Intensitätsprofile 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 Intensitätsprofile bedarf. 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Scannereinrichtung und die Ablenkeinrichtung unterscheiden sich somit insbesondere mit Blick auf eine 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.
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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 Intensitätsprofil 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.
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Das erzeugte Intensitätsprofil 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 Intensitätsprofil wechselwirkt so über die Zeit gemittelt mit dem Pulvermaterial wie ein statisch erzeugtes Intensitätsprofil.
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Unter einem Intensitätsprofil wird hier insbesondere eine Flächenleistungsdichteverteilung auf einer mit dem Energiestrahl beaufschlagten, insbesondere überstrichenen Fläche verstanden. Das Intensitätsprofil schließt somit insbesondere als vorzugsweise separat voneinander veränderbare Parameter einerseits die lokale Flächenleistungsdichte, insbesondere die Intensität des Energiestrahls, und andererseits die räumliche Verteilung der Flächenleistungsdichte ein. Der Begriff „Leistung“ bezieht sich dabei insbesondere auf eine über die Zeitskala der Erzeugung eines quasistatischen Intensitätsprofils innerhalb eines Strahlbereichs an einer der Bestrahlungspositionen gemittelte Leistung.
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Der wenigstens eine Betriebsparameter der Ablenkeinrichtung ist insbesondere ein Verlagerungsparameter oder ein Intensitätsbeeinflussungsparameter.
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Unter einem Verlagerungsparameter wird hier insbesondere ein Parameter verstanden, der die Verlagerung des Energiestrahls innerhalb des Strahlbereichs zumindest mitbestimmt. Insbesondere bestimmt der Verlagerungsparameter beispielsweise, wie lange der Energiestrahl an einer bestimmten Strahlposition verweilt, wie verschiedene Strahlpositionen innerhalb des Strahlbereichs relativ zueinander angeordnet sind, und wie/oder wie oft bestimmte Strahlpositionen mit dem Energiestrahl angesteuert werden. Insbesondere sind somit die folgenden Betriebsparameter Verlagerungsparameter: Die Verweilzeit an einer Strahlposition, die Strahlpositionendichteverteilung in dem Strahlbereich, und die Häufigkeitsverteilung der Strahlpositionen.
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Eine Verweilzeit an einer Strahlposition ist dabei insbesondere dasjenige Zeitintervall, für welches der Energiestrahl an einer bestimmten Strahlposition innerhalb des Strahlbereichs verweilt, bevor er zu einer nächsten Strahlposition verlagert wird. Die Verweilzeit bestimmt somit unmittelbar die an der Strahlposition deponierte Energie. Die Verweilzeit kann bevorzugt auch gegeben sein durch eine Verlagerungsgeschwindigkeit des Energiestrahls in dem Strahlbereich.
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Unter einer Strahlpositionendichteverteilung in dem Strahlbereich wird insbesondere verstanden, wie eine Flächendichte der Strahlpositionen in dem Strahlbereich ausgestaltet ist, insbesondere wie hoch die Flächendichte der Strahlpositionen ist, und ob die Flächendichte der Strahlpositionen in dem Strahlbereich homogen, das heißt insbesondere konstant, oder variierend ist, sowie ob und gegebenenfalls wie die Flächendichte der Strahlpositionen in dem Strahlbereich variiert. Dabei ist die lokale Intensität in dem Strahlbereich höher, je höher die Flächendichte der Strahlpositionen ist, wobei die lokale Intensität umso niedriger ist, je niedriger die Flächendichte der Strahlpositionen ist. Die Strahlpositionendichteverteilung ist vorzugsweise insbesondere gegeben durch die Abstände zwischen benachbarten Strahlpositionen innerhalb des Strahlbereichs.
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Unter einer Häufigkeitsverteilung der Strahlpositionen wird insbesondere ein Maß dafür verstanden, wie häufig die einzelnen Strahlpositionen innerhalb des Strahlbereichs mit dem Energiestrahl angesteuert oder beaufschlagt werden. Insbesondere ist eine Ausgestaltung möglich, bei welcher der Energiestrahl - gegebenenfalls mit konstanter Verweilzeit an den verschiedenen Strahlpositionen - zumindest manche der Strahlpositionen mehrfach erreicht. Setzt man eine homogene, das heißt konstante, Strahlpositionendichteverteilung in dem Strahlbereich voraus, ist das Intensitätsprofil flach oder weist eine konstante Intensität in dem Strahlbereich auf, wenn alle Strahlpositionen gleich häufig mit dem Energiestrahl angesteuert werden. Ein von der Konstanz oder Homogenität abweichendes Intensitätsprofil kann erzeugt werden, indem verschiedene Strahlpositionen verschieden häufig mit dem Energiestrahl angesteuert oder durch den Energiestrahl beaufschlagt werden. Es wird dann nämlich an den häufiger adressierten Strahlpositionen mehr Energie deponiert als an den seltener angesteuerten Strahlpositionen.
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Eine Energie oder Fluenz des Energiestrahls ist vorzugsweise zeitlich konstant. Die Intensitätsverteilung, das heißt das Intensitätsprofil, innerhalb des Strahlbereichs hängt somit gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung nur von der entsprechenden Vorgabe des wenigstens einen Verlagerungsparameters ab.
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Es ist dabei offensichtlich, dass das Intensitätsprofil durch entsprechende Wahl der Verweilzeit an einer Strahlposition, der Strahlpositionendichteverteilung in dem Strahlbereich, und/oder der Häufigkeitsverteilung der Strahlpositionen in dem Strahlbereich beeinflusst ist.
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Es kann also sehr einfach und flexibel ein Intensitätsprofil durch entsprechende Vorgabe des wenigstens einen Verlagerungsparameters in dem Strahlbereich erzeugt werden.
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Alternativ oder zusätzlich ist der wenigstens eine Betriebsparameter ein Intensitätsbeeinflussungsparameter. Dieser ist geeignet, die jeweils an die Strahlpositionen abgelenkte Intensität des Energiestrahls, insbesondere die Energie oder Fluenz des Energiestrahls, zu beeinflussen, insbesondere zu verändern.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist es auf diese Weise - insbesondere durch geeignete Vorgabe eines Verlagerungsparameters und eines Intensitätsbeeinflussungsparameters - möglich, insbesondere Randbereiche des erzeugten Intensitätsprofils zu glätten, indem dort bevorzugt zusätzlich zu der geeigneten Vorgabe des Verlagerungsparameters die Intensität des Energiestrahls geeignet verändert, insbesondere zum Rand hin - stufenweise oder kontinuierlich - abgeschwächt wird.
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Die Intensität des Energiestrahls ist vorzugsweise zusätzlich oder alternativ durch Veränderung der durch die Strahlerzeugungseinrichtung bereitgestellten Intensität des Energiestrahls, insbesondere durch geeignete Ansteuerung der Strahlerzeugungseinrichtung, veränderbar.
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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.
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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 ein Strahlprofil, das heißt das Intensitätsprofil und eine Form des Strahlbereichs, 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.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um das Intensitätsprofil durch Variation des wenigstens einen Betriebsparameters, insbesondere des wenigstens einen Verlagerungsparameters und/oder des wenigstens einen Intensitätsbeeinflussungsparameters, zu verändern. Somit kann das Intensitätsprofil vorteilhaft in einfacher und schneller Weise insbesondere bedarfsgerecht angepasst werden.
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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 ein 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 in dem Arbeitsbereich, des Energiestrahls, oder entlang des Bestrahlungspfads des Energiestrahls erstrecken kann. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, dass sich die Achse längster Erstreckung des Gaußprofils schräg zu dem Bestrahlungspfad erstreckt.
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Alternativ ist es möglich, dass das Intensitätsprofil als nicht-gaußförmiges Intensitätsprofil erzeugt wird.
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Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um das Intensitätsprofil als konstantes Intensitätsprofil, insbesondere nach Art eines Flat-Top-Strahls, zu erzeugen.
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Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um das Intensitätsprofil als asymmetrisches oder verzerrtes Intensitätsprofil zu erzeugen.
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Die Steuereinrichtung ist somit insbesondere in der Lage, eine Vielzahl von verschiedenen Intensitätsprofilen, insbesondere beliebige Intensitätsprofile, zu erzeugen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um zusätzlich eine Form des Strahlbereichs durch Ansteuerung der Ablenkeinrichtung vorzugeben.
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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.
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Bevorzugt ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um die Form des Strahlbereichs als Kreisform, als Ringform, insbesondere Torus- oder Donut-Form, als Polygon, als Rechteck, als langgestreckte Form, insbesondere mit abgerundeten Enden, und/oder als irreguläre Form zu erzeugen.
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Die Steuereinrichtung ist bevorzugt insbesondere eingerichtet, um ein Strahlprofil durch Ansteuerung der Ablenkeinrichtung vorzugeben, wobei das Strahlprofil einerseits die Form des Strahlbereichs und andererseits das Intensitätsprofil in dem Strahlbereich umfasst. Die Fertigungseinrichtung ist somit besonders flexibel in der Lage, die Beaufschlagung des Arbeitsbereichs mit dem Energiestrahl an Bedingungen für die Fertigung eines Bauteils, insbesondere auch an wechselnde, insbesondere lokal verschiedene Bedingungen, anzupassen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um das Intensitätsprofil während der Herstellung eines Bauteils, insbesondere innerhalb des Arbeitsbereichs, durch Variation des wenigstens einen Betriebsparameters, insbesondere des wenigstens einen Verlagerungsparameters und/oder des wenigstens einen Intensitätsbeeinflussungsparameters, zu verändern. Auf diese Weise kann das Intensitätsprofil flexibel beim Fertigen eines Bauteils an verschiedene Bedingungen oder Anforderungen angepasst werden. Besonders bevorzugt ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um das Intensitätsprofil innerhalb einer selben Pulvermaterialschicht beim schichtweisen Aufbauen eines Bauteils durch Variation des wenigstens einen Betriebsparameters zu verändern. Dies ermöglicht eine ganz besonders flexible Anpassung des Intensitätsprofils. Beispielsweise kann für einen äußeren Hüllbereich des entstehenden Bauteils, das heißt insbesondere für dessen Oberfläche, ein anderes Intensitätsprofil gewählt werden als für einen inneren Bereich innerhalb des äußeren Hüllbereichs des Bauteils.
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Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinrichtung bevorzugt eingerichtet, um die Form des Strahlbereichs während der Herstellung eines Bauteils, insbesondere innerhalb des Arbeitsbereichs, durch Variation des wenigstens einen Betriebsparameters, insbesondere des wenigstens einen Verlagerungsparameters und/oder des wenigstens einen Intensitätsbeeinflussungsparameters, zu verändern. Auf diese Weise kann die Form des Strahlbereichs flexibel beim Fertigen eines Bauteils an verschiedene Bedingungen oder Anforderungen angepasst werden. Besonders bevorzugt ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um die Form des Strahlbereichs innerhalb einer selben Pulvermaterialschicht beim schichtweisen Aufbauen eines Bauteils durch Variation des wenigstens einen Betriebsparameters zu verändern. Dies ermöglicht eine ganz besonders flexible Anpassung der Form des Strahlbereichs. Beispielsweise kann für einen äußeren Hüllbereich des entstehenden Bauteils eine andere Form des Strahlbereichs gewählt werden als für einen inneren Bereich innerhalb des äußeren Hüllbereichs des Bauteils.
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Das Intensitätsprofil und/oder die Form des Strahlbereichs kann/können 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.
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Eine Kontur ist dabei eine Umrandung oder äußere Grenze eines zu verfestigenden oder verfestigten Bereichs innerhalb einer Pulvermaterialschicht. Ein Kern ist ein Bereich innerhalb der Kontur in der Pulvermaterialschicht.
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Ein Überhangbereich ist ein Bereich innerhalb einer Pulvermaterialschicht, 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.
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Ein Deckschichtbereich ist ein Bereich innerhalb einer Pulvermaterialschicht, 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.
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Ein Volumenbereich ist ein Bereich innerhalb einer Pulvermaterialschicht, der allseitig, insbesondere innerhalb der Pulvermaterialschicht, aber auch oberhalb und unterhalb der gerade bearbeiteten Pulvermaterialschicht, in dem fertig gestellten Bauteil von verfestigtem Pulvermaterial umgeben ist. Ein solcher Bereich wird auch als „in skin“ bezeichnet.
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Verschiedene Intensitätsprofile und/oder Formen des Strahlbereichs 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.
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Die Vorgabe des Intensitätsprofils und/oder der Form des Strahlbereichs 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.
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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.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ablenkeinrichtung in Propagationsrichtung des Energiestrahls, das heißt Ausbreitungsrichtung der Energiestrahlung im Raum, vor der Scannereinrichtung angeordnet ist. Dies stellt eine besonders geeignete Konfiguration für eine flexible Erzeugung des Intensitätsprofils und/oder der Form des Strahlbereichs dar. Der Begriff „vor“ bezieht sich dabei 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.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ablenkeinrichtung mindestens einen akustooptischen Deflektor aufweist.
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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 Intensitätsprofils in dem Strahlbereich verwendet werden.
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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.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Intensitätsbeeinflussungsparameter vorgegeben, indem der wenigstens eine akustooptische Deflektor als akustooptischer Modulator betrieben oder verwendet wird. Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass als Intensitätsbeeinflussungsparameter eine Intensität der in den transparenten Festkörper des wenigstens einen akustooptischen Deflektors eingekoppelten Schallwellen vorgegeben wird. Auf diese Weise kann sehr einfach die an die jeweilige Strahlposition abgelenkte Intensität des Energiestrahls beeinflusst werden. Insbesondere hängt bevorzugt die abgelenkte Intensität des Energiestrahls - vorzugsweise linear - von der in den transparenten Festkörper eingestrahlten Intensität der Schallwellen ab.
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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 zueinander nicht parallele, insbesondere aufeinander senkrecht stehende Richtungen möglich. Die nicht parallel zueinander orientierten, vorzugsweise zueinander senkrecht orientierten akustooptischen Deflektoren sind vorzugsweise in Propagationsrichtung des Energiestrahls hintereinander angeordnet.
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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“.
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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.
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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.
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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.
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Bevorzugt ist der Separationsspiegel in der Umgebung eines Zwischenfokus eines Teleskops angeordnet. Dies ermöglicht eine besonders saubere Trennung der Teilstrahlen verschiedener Ordnung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum Erzeugen eines bestimmten Intensitätsprofils eines Energiestrahls in einem Strahlbereich auf einem Arbeitsbereich einer Fertigungseinrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial geschaffen wird. Das bestimmte Intensitätsprofil wird dabei erzeugt, indem wenigstens ein Betriebsparameter für den Energiestrahl vorgegeben wird, wobei der wenigstens eine Betriebsparameter ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: einer Verweilzeit an einer Strahlposition in dem Strahlbereich, einer Strahlpositionendichteverteilung in dem Strahlbereich, einer Häufigkeitsverteilung der Strahlpositionen in dem Strahlbereich, und einem Intensitätsbeeinflussungsparameter zur Beeinflussung der jeweils an die Strahlpositionen abgelenkten Intensität des Energiestrahls. In Zusammenhang mit dem Verfahren ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Fertigungseinrichtung erläutert wurden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zusätzlich eine bestimmte Form des Strahlbereichs durch Vorgabe des wenigstens einen Betriebsparameters erzeugt wird. Somit kann in sehr flexibler Weise einerseits das Intensitätsprofil und andererseits die bestimmte Form des Strahlbereichs erzeugt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Form des Strahlbereichs und/oder das Intensitätsprofil verändert wird/werden, indem der wenigstens eine Betriebsparameter variiert wird. Somit kann der Strahlbereich bezüglich seiner Form und/oder bezüglich seines Intensitätsprofils sehr flexibel, insbesondere auf bestehende Anforderungen und/oder zur Produktivitätssteigerung angepasst werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Intensitätsprofil zusätzlich durch Veränderung der durch die Strahlerzeugungseinrichtung bereitgestellten Intensität des Energiestrahls, insbesondere durch Ansteuerung der Strahlerzeugungseinrichtung erzeugt, vorzugsweise verändert wird. Vorteilhaft steht so ein weiterer Freiheitsgrad zur Beeinflussung der Intensität des Energiestrahls zur Verfügung. Eine solche Beeinflussung ist in besonders einfacher Weise möglich, wenn als Strahlerzeugungseinrichtung ein Laser verwendet wird, bei dem die Intensität des erzeugten Energiestrahls leicht und schnell verändert werden kann.
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Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial geschaffen wird. Im Rahmen des Verfahrens wird eine erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung oder eine Fertigungseinrichtung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele verwendet. Alternativ oder zusätzlich wird im Rahmen des Verfahrens ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Erzeugen eines bestimmten Intensitätsprofils eines Energiestrahls oder ein solches Verfahren nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen angewendet. In Zusammenhang mit dem Verfahren zum additiven Herstellen ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Fertigungseinrichtung und/oder dem Verfahren zum Erzeugen eines bestimmten Intensitätsprofils beschrieben wurden.
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In bevorzugter Ausgestaltung wird/werden die Form des Strahlbereichs und/oder das Intensitätsprofil während der Herstellung des Bauteils, insbesondere innerhalb des Arbeitsbereichs, insbesondere innerhalb einer selben Pulvermaterialschicht beim schichtweisen Aufbauen eines Bauteils, durch Variation des wenigstens einen Betriebsparameters verändert.
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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;
- 2 eine schematische Darstellung verschiedener Intensitätsprofile, und
- 3 eine schematische Darstellung einer Mehrzahl verschiedener Formen eines Strahlbereichs.
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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.
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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.
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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 bestimmtes Intensitätsprofil in dem Strahlbereich 15 durch Vorgabe von wenigstens einem Betriebsparameter der Ablenkeinrichtung 13 zu erzeugen. Der wenigstens eine Betriebsparameter ist dabei ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus: Einer Verweilzeit an einer Strahlposition 17, einer Strahlpositionendichteverteilung in dem Strahlbereich 15, einer Häufigkeitsverteilung der Strahlpositionen 17, und einem Intensitätsbeeinflussungsparameter zur Beeinflussung der jeweils an die Strahlpositionen 17 abgelenkten Intensität des Energiestrahls 5.
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Auf diese Weise ist es in einfacher und äußerst flexibler Weise möglich, ein bestimmtes Intensitätsprofil insbesondere als quasistatisches Intensitätsprofil darzustellen, wobei insbesondere auch komplexe Intensitätsprofile ohne weiteres dargestellt werden können, die ansonsten mit konventionellen stahlformenden Elementen, insbesondere als statische Intensitätsprofile, nur schwer oder gar nicht dargestellt werden könnten.
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Der wenigstens eine Betriebsparameter der Ablenkeinrichtung ist insbesondere ein Verlagerungsparameter oder ein Intensitätsbeeinflussungsparameter.
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Die Steuereinrichtung 19 ist insbesondere eingerichtet, um das Intensitätsprofil durch Variation des wenigstens einen Betriebsparameters zu verändern.
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Die Steuereinrichtung 19 ist insbesondere eingerichtet, um das Intensitätsprofil als gaußförmiges, nicht-gaußförmiges, konstantes, asymmetrisches oder verzerrtes Intensitätsprofil zu erzeugen.
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Die Steuereinrichtung 19 ist insbesondere eingerichtet, um zusätzlich eine Form des Strahlbereichs 15 vorzugeben, wobei die Steuereinrichtung 19 insbesondere eingerichtet ist, um ein Strahlprofil, umfassend die Form des Strahlbereichs 15 und das Intensitätsprofil in dem Strahlbereich 15, durch Ansteuerung der Ablenkeinrichtung 13 vorzugeben.
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Die Steuereinrichtung 19 ist insbesondere eingerichtet, um das Intensitätsprofil und/oder die Form des Strahlbereichs 15 während der Herstellung eines Bauteils, insbesondere innerhalb des Arbeitsbereichs 9, durch Variation des wenigstens einen Betriebsparameters zu verändern. 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 Intensitätsprofilen und/oder Formen des Strahlbereichs zu beaufschlagen. Das Intensitätsprofil und/oder die Form des Strahlbereichs kann/können 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.
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Die Ablenkeinrichtung 13 ist insbesondere in Propagationsrichtung des Energiestrahls 5 vor der Scannereinrichtung 7 angeordnet.
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Die Ablenkeinrichtung 13 weist insbesondere mindestens einen akustooptischen Deflektor 21, hier insbesondere zwei nicht parallel zueinander orientierte, vorzugsweise senkrecht zueinander orientierte akustooptische Deflektoren 21, nämlich einen ersten akustooptischen Deflektor 21.1 und einen zweiten akustooptischen Deflektor 21.2, auf. Die hier insbesondere 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. Die akustooptischen Deflektoren 21 werden bevorzugt zusätzlich als akustooptische Modulatoren angesteuert, und/oder es wird die Intensität von in den transparenten Festkörper wenigstens eines akustooptischen Deflektors 21 der beiden akustooptischen Deflektoren 21 eingekoppelten Schallwellen variiert, um die Intensität des Energiestrahls 5 zu variieren.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Alternativ bildet das Teleskop 33 bevorzugt den Strahldrehpunkt 39 auf einen Punkt kleinster Apertur ab.
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Um eine kompakte Anordnung der Fertigungseinrichtung 1 zu ermöglichen, wird der Energiestrahl 5 bevorzugt mehrfach durch Umlenkspiegel 43 umgelenkt.
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Die Scannereinrichtung 7 weist bevorzugt mindestens einen Scanner, insbesondere Galvanometer-Scanner, Piezoscanner, Polygonscanner, MEMS-Scanner und/oder Arbeitskopf auf.
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Die Strahlerzeugungseinrichtung 3 ist bevorzugt als Laser ausgebildet.
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Die Fertigungseinrichtung 1 ist vorzugsweise eingerichtet zum selektiven Lasersintern und/oder zum selektiven Laserschmelzen.
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Im Rahmen eines Verfahrens zum Erzeugen eines bestimmten Intensitätsprofils des Energiestrahls 5 in dem Strahlbereich 15 auf dem Arbeitsbereich 9 wird bevorzugt das bestimmte Intensitätsprofil erzeugt, indem der wenigstens eine Betriebsparameter für den Energiestrahl vorgegeben wird, der ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus der Verweilzeit an einer Strahlposition 17 in dem Strahlbereich 15, der Strahlpositionendichteverteilung in dem Strahlbereich 15, der Häufigkeitsverteilung der Strahlpositionen 17 in dem Strahlbereich 15, und einem Intensitätsbeeinflussungsparameter zur Beeinflussung der jeweils an die Strahlpositionen 17 abgelenkten Intensität des Energiestrahls 5.
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Zusätzlich wird bevorzugt eine bestimmte Form des Strahlbereichs 15 durch Vorgabe des wenigstens einen Betriebsparameters erzeugt.
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Die Form des Strahlbereichs 15 und/oder das Intensitätsprofil wird/werden bevorzugt verändert, indem der wenigstens eine Betriebsparameter variiert wird.
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Im Rahmen eines Verfahrens zum additiven Herstellen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial wird bevorzugt die hier vorgeschlagene Fertigungseinrichtung 1 verwendet, und/oder es wird ein Verfahren der zuvor beschriebenen Art verwendet. Vorzugsweise wird/werden die Form des Strahlbereichs 15 und/oder das Intensitätsprofil während der Herstellung des Bauteils, insbesondere innerhalb des Arbeitsbereichs 9, durch Variation des wenigstens einen Betriebsparameters verändert.
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Das Intensitätsprofil wird bevorzugt zusätzlich durch Veränderung der durch die Strahlerzeugungseinrichtung 3 bereitgestellten Intensität des Energiestrahls 5, insbesondere durch Ansteuerung der Strahlerzeugungseinrichtung 3 erzeugt, vorzugsweise verändert wird.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Mehrzahl von Intensitätsprofilen in dem Strahlbereich 15, wie sie beispielshaft mit der Ablenkeinrichtung 13 erzeugt werden können.
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Dabei ist bei a) ein erstes, gaußförmiges Intensitätsprofil 45 dargestellt.
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Bei b) ist ein zweites, nicht-gaußförmiges Intensitätsprofil 47 dargestellt, bei dem insbesondere das Maximum des Intensitätsprofils innerhalb des Strahlbereichs 15 verschoben ist, vorzugsweise zu einer Front einer Verlagerungsrichtung des Strahlbereichs 15 auf dem Arbeitsbereich 9 hin.
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Bei c) ist ein drittes, asymmetrisches oder verzerrtes Intensitätsprofil 49 dargestellt, bei dem nicht nur insbesondere das Maximum innerhalb des Strahlbereichs 15 außermittig angeordnet ist, sondern zusätzlich auch das Intensitätsprofil rechtsseitig eine deutlich höhere Intensität aufweist als linksseitig in dem Strahlbereich 15.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Mehrzahl von Formen des Strahlbereichs 15.
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Dabei ist bei a) eine erste, kreisförmige Form 51 für den Strahlbereich 15 dargestellt.
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Bei b) ist eine zweite, polygonale, hier insbesondere hexagonale Form 53 für den Strahlbereich 15 dargestellt.
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Bei c) ist eine dritte, rechteckige Form 55 für den Strahlbereich 15 dargestellt.
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Bei d) ist eine vierte, langgestreckte Form 57 für den Strahlbereich 15 mit abgerundeten Enden dargestellt.
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Bei e) ist schließlich eine fünfte, ringförmige, torusförmige oder donutförmige Form 59 für den Strahlbereich 15 dargestellt.
