DE102020216123A1

DE102020216123A1 - Belichtungseinrichtung, Vorrichtung und Verfahren zur additiven Fertigung eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102020216123A1
Application number: DE102020216123.2A
Authority: DE
Inventors: Markus Hauf
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2020-12-17
Filing date: 2020-12-17
Publication date: 2022-06-23

Abstract

Es wird eine Belichtungseinrichtung 1 zur additiven Fertigung eines Werkstücks angegeben. Die Belichtungseinrichtung 1 weist eine Strahlungsquelle (2), ausgebildet zur Erzeugung eines nicht-rotationssymmetrischen Belichtungsbereichs (3) auf einer Belichtungsfläche (4), und eine Scaneinheit (5), ausgebildet zur lateralen Bewegung (6) des Belichtungsbereichs (3) bezüglich der Belichtungsfläche (4) entlang eines Belichtungspfads (7), auf. Eine Längserstreckungsrichtung (8) des Belichtungsbereichs (3) verläuft entlang des Belichtungspfads (7).Des Weiteren werden eine Vorrichtung 100 und ein Verfahren 200 zur additiven Fertigung eines Werkstücks, eine Laserlichtquelle zur Bestrahlung einer Projektionsfläche, eine Vorrichtung zum Erzeugen von Abbildern einer Laserlichtquelle auf einer Projektionsfläche sowie ein Verfahren zum Erzeugen von Abbildern angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Belichtungseinrichtung, eine Laserlichtquelle, eine Vorrichtung zum Erzeugen von Abbildern einer Laserlichtquelle auf einer Projektionsfläche, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Werkstücks und ein Verfahren zum Erzeugen von Abbildern.
Bei der additiven Fertigung von Werkstücken ist das selektive Laserschmelzen (SLM, engl. selective laser melting) das am meisten verbreitete Verfahren. Hierbei wird auf ein Substrat ein Pulverbett aus Pulverpartikeln mit einer typischen Lagendicke von 20 µm bis 100 µm aufgezogen. An den Stellen, an denen eine feste Materiallage aufgebaut werden soll, wird das Pulver mittels eines Laserstrahls aufgeschmolzen, sodass sich die entstehende Schmelze mit der darunter liegenden, ebenfalls aufgeschmolzenen Substratoberfläche verbindet und somit eine verfestigte neue Materiallage bildet.
Die Bewegung des Laserstrahls über das Pulverbett wird zusammen mit dem Aufschmelz- und Erstarrungsvorgang auch als „Schreiben“ bezeichnet. Ist eine Lage vollständig geschrieben, wird eine neue Lage Pulver auf die zuvor geschriebene Lage aufgebracht und der Vorgang wird wiederholt. Auf diese Weise können sehr kompliziert strukturierte Werkstücke, z. B. mit Hohlräumen, schichtweise über eine Vielzahl von Lagen aufgebaut werden.
Derartige Werkstücke sind mittels konventioneller abtragender Bearbeitung nur sehr schwer oder gar nicht herstellbar. Typische Werkstücke, die bereits mittels eines SLM-Verfahrens hergestellt werden, sind z. B. Werkstücke mit komplizierten Kanälen für Fluide, wie beispielsweise Werkstücke mit integrierten Kühlkanälen, filigrane Leichtgewichtsstrukturen mit einer Vielzahl von dünnwandigen Stützelementen oder im Bereich Medizintechnik Gelenksowie Dentalprothesen. Auch im Prototypenbau und in Kleinserien findet das SLM-Verfahren zunehmend Einzug.
Eng mit dem selektiven Laserschmelzen verwandt sind weitere Verfahren der additiven Fertigung, wie z. B. selektives Lasersintern (SLS, engl. selective laser sintering), das sich vom SLM-Verfahren lediglich dadurch unterscheidet, dass die Pulverpartikel nicht vollständig aufgeschmolzen, sondern stattdessen gesintert werden. Je nach konkreten Verfahrensbedingungen können mittels SLM- und SLS-Verfahren Werkstücke aus Metall, Kunststoff, Keramik und aus weiteren, durch den genutzten Laserstrahl schmelz- bzw. sinterbaren Werkstoffen aus den entsprechenden Pulvern hergestellt werden. Verfahren der additiven Fertigung, die als Energiequelle einen Laserstrahl nutzen, werden nachfolgend unter dem Begriff LAM-Verfahren bzw. LAM-Prozess zusammengefasst (LAM für engl. laser additive manufacturing).
Zur besseren Verständlichkeit werden die nachfolgenden Ausführungen teilweise nur auf ein Schmelzverfahren bezogen. Sie sind analog auf einen Sinterprozess übertragbar.
Klassische LAM-Vorrichtungen weisen in etwa die Größe einer Fräsmaschine für eine vergleichbare Werkstückgröße auf und arbeiten mit einem Laserstrahl, der mittels einer über dem Werkstück platzierten Galvanometerscannereinheit auf die zu beschreibenden Positionen auf dem vorbereiteten Pulverbett gelenkt wird. Die Prozesszeiten für ein Werkstück sind relativ lang, da auf jeder der vielen Lagen alle aufzuschmelzenden Bereiche mit einem Laserstrahl mit einem relativ schmalen Fokusdurchmesser von typischerweise 50 µm vollständig abgescannt werden müssen, wobei die Scangeschwindigkeiten für gute Prozessergebnisse meist kleiner als 2 m/s sind. Entsprechend teuer sind daher die mittels dieses Verfahrens hergestellten Werkstücke, weshalb diese vorrangig im Bereich von Investitionsgütern oder in der Medizintechnik zum Einsatz kommen, nicht jedoch im Endverbraucherbereich. Für Werkstücke mit einem Volumen von wenigen Litern werden abhängig vom Volumenfüllgrad und von der Komplexität der zu schreibenden Strukturen durchaus Preise im fünfstelligen Eurobereich aufgerufen.
Um die Prozesszeiten reduzieren zu können, bieten mehrere Hersteller von LAM-Vorrichtungen Vorrichtungen mit bis zu vier Laserscaneinheiten an. Damit können zwar die Prozesszeiten deutlich reduziert werden, nicht aber um die Größenordnungen, die notwendig wären, um das Verfahren für einen breiteren Einsatzbereich attraktiv zu machen, wie z. B. die Herstellung von Ersatzteilen bei Bedarf (engl. spare parts on demand) anstelle von z. T. jahrelanger Lagerhaltung.
Eine substantielle Verkürzung der LAM-Prozesszeiten kann durch hochgradige Parallelisierung des Schreibvorgangs erreicht werden, so dass im Idealfall eine komplette Lage in einem Durchgang geschrieben wird, indem ein Lineal mit ansteuerbaren Laserlichtpunkten linear über das Pulverbett geführt wird. Hierbei wird ein Punkt oder eine Linie im Pulverbett mit jeweils einem Laserstrahl mit großer Leistung komplett in einem Durchgang geschrieben.
Ein solcher Ansatz ist prinzipiell aus der US 2017 / 0 021 454 A1 bekannt. Das in der US 2017 / 0 021 454 A1 beschriebene Verfahren sieht dabei einen Abstand zwischen den durch den Laserstrahl erzeugten Schmelz- bzw. Sinterbereichen vor, indem die Laserlichtpunkte entsprechend voneinander beabstandet werden. Vorrichtungsseitig sind ein Laserstrahlquellenarray und ein Optikkopf vorgesehen, die mittels optischer Fasern miteinander gekoppelt sind. Zur Durchführung des Schreibvorgangs ist eine Bewegungseinheit zur Bewegung des Optikkopfes relativ zum Pulverbett vorhanden, sodass die Laserstrahlen zu den gewünschten Positionen im Pulverbett geführt werden können. Mittels einer Steuereinheit werden die einzelnen Laserstrahlquellen des Laserstrahlquellenarrays je nach Bedarf gesteuert.
Die Umsetzung von hochgradig parallelisiertem Schreiben ist jedoch mit mehreren Problemen verbunden. Zum einen sind die verfügbaren Laserquellen für ein Array von mehreren 100 bis zu mehreren 1000 Lichtquellen zu groß und zu teuer. Ein Faserlaser, mit dem für LAM-Verfahren üblichen Leistungsbereich zu 1 kW hat etwa die Größe eines 19" Einschubs mit mindestens drei Höheneinheiten und kostet je nach Funktionsumfang und Performance etwa 40 - 50 k€. Diese Bauräume und Kosten der Laserquellen multipliziert mit der o. g. Anzahl von Lichtquellen im Array führt zu sehr großen erforderlichen Bauräumen und extrem hohe Kosten.
Ein weiteres Problem stellen Beschränkungen im LAM-Prozess selbst dar, wie im Folgenden beschrieben. Dadurch, dass mit sehr kleinen Laserspotdurchmessern von etwa 50 µm bis 100 µm gearbeitet wird, um auch kleinere Strukturen schreiben zu können, ergibt sich nur eine sehr kurze Belichtungszeit jedes einzelnen Punktes auf dem Pulverbett. Bei Annahme einer typischen Scangeschwindigkeit von 1 m/s ergibt sich für jeden vom Spotzentrum überstrichenen Punkt im Pulverbett eine effektive Belichtungszeit von 50 µs bis 100 µs.
In dieser Zeit müssen die typischerweise zwischen 20 µm und 200 µm dicke Pulverlage, die aufgrund ihrer granulären Struktur auch noch eine äußerst schlechte Wärmeleitfähigkeit besitzt, aufgeschmolzen und auch das darunter liegende Substrat angeschmolzen werden, sodass sich die Schmelze der neuen Lage mit der angeschmolzenen Oberfläche des Substrats verbinden kann und somit nach Erstarren eine gut verbundene neue Lage auf dem Substrat bildet.
Um dies in dieser kurzen Zeit zu erreichen, werden hohe Laserleistungen verwendet. Dies führt dazu, dass im Regime des Tiefschweißens gearbeitet wird. Tiefschweißen bedeutet, dass der Laser im Substrat eine Dampfkapillare bildet, deren Tiefe ein Mehrfaches der Dicke der aufzuschmelzenden Lage beträgt und die mit geschmolzenem Material umgeben ist. Wird nun der Laserstrahl über die Werkstückoberfläche bewegt, gräbt sich diese Dampfkapillare mit der sie umgebenden Schmelzzone lateral durch das Werkstück. Hierbei werden das Substrat und das Pulverbett auf der in Bewegungsrichtung des Strahles liegenden Seite angeschmolzen. Die Schmelze umströmt die voranschreitende Dampfkapillare und lagert sich rückseitig wieder an und erstarrt.
Als Resultat verbleibt eine Art Schweißraupe auf dem Substrat, die aus den vermischten Schmelzen von Pulverbett und Substratmaterial besteht. Da das Volumen der Schmelzen um den Beitrag des geschmolzenen Pulverbettes zugenommen hat, ist das Substrat an dieser Stelle nun aufgedickt und der gewünschte Materialauftrag hat stattgefunden.
Selbst bei optimierten Prozessbedingungen kommt es jedoch dazu, dass mehr Substratvolumen umgeschmolzen als neues Material aufgebracht wird. Wird die Laserleistung erhöht, so wird das Verhältnis von umgeschmolzenem Substratvolumen zu neu aufgebrachtem Material noch ungünstiger. Wird hingegen die Scangeschwindigkeiten erhöht, führt dies zu einem instabilen Prozess, d. h. es findet kein geeigneter Materialaufbau mehr statt und in Abhängigkeit der Laserleistung können zudem Gaseinschlüsse im Material auftreten. Empirisch betrachtet bedeutet dies, dass die Prozessdynamik unabhängig von der gewählten Laserleistung ein oberes Limit für eine sinnvolle maximale Scangeschwindigkeit setzt. Dies begründet auch, warum die meisten bekannten LAM-Prozesse mit Scangeschwindigkeiten von kleiner als 2 m/s, eher sogar noch kleiner als 1 m/s durchgeführt werden.
Die Effekte, die Anlass zu der besagten Instabilität des Prozesses geben können, sind vielschichtig und haben ihre Ursache darin, dass bei den gewählten hohen Leistungsdichten im Tiefschweißregime gearbeitet wird. Die relevanten Effekte sind die folgenden: Erstens kann die Dampfkapillare oszillieren, was zu einem inhomogenen Materialauftrag als auch zu Materialauswürfen führen kann. Eine oszillierende Dampfkapillare kann zudem zu Einschlüssen, z. B. Gaseinschlüssen, führen.
Zweitens hängt die optische Absorption der Laserstrahlung stark von der aktuellen Geometrie der Dampfkapillare ab. Dies bedeutet, dass die Dampfkapillare, die mit ihrer variablen Geometrie in sie eingetragene Wärmeleistung moduliert. Die eingetragene Wärmeleistung beeinflusst wiederum die Entwicklung der Geometrie der Dampfkapillare. Über diesen Zyklus kann es auch zu Oszillationen kommen.
Drittens werden durch die Gasdynamik in der Schmelzzone und deren Umfeld Pulverpartikel herausgeschleudert. Dies kann dazu führen, dass weniger Pulverpartikel für die Bildung der Schmelze verbleiben und dass auch die Pulverlage der Nachbarlinien beschädigt wird. Des Weiteren können ausgeworfene Partikel zu Verunreinigung des Pulverbetts oder der Maschinenelemente führen und, wenn sie schon angeschmolzen wurden, auch zur Verunreinigung des Pulverbetts.
Viertens haben Metalldampf wie auch Gasplasma, die sich beide bei hohen Laserleistungsdichten über der Schmelze bilden können, eine hohe optische Reflektivität im Wellenlängenbereich des Laserlichts, was zur Reflexion der Laserstrahlung und damit zur quasistationären oder oszillierenden Reduzierung des Wärmeeintrags in die Schmelze führen kann. Der instabile oszillierende Zustand kann dadurch verursacht werden, dass durch die reflexionsbedingte Reduzierung des Wärmeeintrags in die Schmelze die Metalldampf- und Plasmawolken zusammenbrechen, die Laserstrahlung infolge dessen erneut verstärkt auf die Schmelze trifft und der Zyklus sich wiederholt.
Schließlich wirken die oben genannten Effekte nicht unabhängig voneinander, sondern ergeben im Zusammenspiel eine sehr komplexe Prozessdynamik mit vielen Einflussfaktoren und vielen Möglichkeiten zur Instabilität des Prozesses.
Weitere Probleme ergeben sich in Hinblick auf die verwendbaren Laserquellen mit einer Leistung im Bereich von bis etwa 1 kW. Diodenlaser zeichnen sich durch eine sehr hohe Effizienz beim Umsetzen von elektrischer Leistung in Laserleistung aus (sog. Wall-Plug Efficiency von ca. 40 %) und sind damit den Gaslasern deutlich überlegen. Darüber hinaus sind sie außerordentlich kompakt, brauchen kaum oder nur wenige externe Optiken und sind kostengünstig im Halbleiter-Batchprozess herstellbar.
Allerdings ist die Leistung eines Einzelemitters auf wenige Watt begrenzt. Des Weiteren ist bei den meisten lateralen Diodenlasern das Strahlparameterprodukt in der sogenannten langsamen Richtung, also in der Richtung parallel zur Substratebene, deutlich größer als beim beugungsbegrenzten Gaußstrahl, wohingegen das Strahlparameterprodukt in der schnellen Richtung, also senkrecht zur Substratebene im Allgemeinen dem Ideal eines beugungsbegrenzten Gaußstrahls recht nahe kommt.
Da das Strahlparameterprodukt eine Erhaltungsgröße ist, ist es nicht möglich, dieses durch optische Strahlformung zu reduzieren. Um jedoch eine praktikable Strahlführung bei hinreichend kleinem Fokus zu realisieren, muss das Strahlparameterprodukt im Allgemeinen recht nahe an dem eines beugungsbegrenzten Gaußstrahls liegen. Ansonsten werden die Optiken mit der notwendigen Etendue sehr groß und aufwendig.
Das Problem eines zu großen Strahlparameterprodukts verschärft sich noch weiter, wenn das Licht mehrerer Diodenlaser zu einem gemeinsamen Strahl mit einem entsprechenden Vielfachen der Leistung kombiniert werden soll. Das liegt daran, dass das Strahlparameterprodukt eines Strahls, zu dem mehrere Einzellaserquellen beitragen, mindestens so groß ist wie die Summe der Strahlparameterprodukte der Einzellaserquellen. In der Realität liegt das Strahlparameterprodukt eines aus mehreren Einzellaserquellen kombinierten Strahls jedoch aufgrund von realisierungsbedingten geometrischen Einschränkungen deutlich über diesem theoretischen Minimum.
Um dennoch die optische Leistung von vielen Diodenlasern innerhalb eines kleinen Strahlparameterprodukts vereinen zu können, wird in der Lasertechnologie der Laserprozess genutzt. Hierbei werden die Diodenlaser zum optischen Pumpen der Anregungszustände der laseraktiven Dotierungen in Festkörpern verwendet. Das Pumpen kann dabei im Prinzip aus allen Raumrichtungen geschehen. Damit steht für das Pumpen ein großer Phasenraum zu Verfügung und es können viele Laserquellen beitragen. Die Richtung und die Strahlparameter der stimulierten Laserübergänge und damit des erzeugten Laserlichts sind hingegen durch den jeweils gewählten Laserresonator gegeben und können deshalb wiederum innerhalb eines sehr kleinen Strahlparameterprodukts liegen. Mit anderen Worten wird der Umweg über einen weiteren Laserprozess außerhalb der Diodenlaser genutzt, um Licht vieler Laserquellen mit einem großen gemeinsamen Strahlparameterprodukt in einen Strahl mit oft nahezu beugungsbegrenzten Strahlparameterprodukt zu transformieren.
Das geschilderte Prinzip wird beispielsweise in Scheibenlasern und Faserlasern genutzt, die bereits etabliert sind und von denen es eine weite Produktpalette verschiedener Anbieter gibt. Dennoch sind diese Lasersysteme immer noch recht aufwendig in der Realisierung und wie bereits oben geschildert zu teuer und zu groß, um sie in einer großen Anzahl für einen LAM-Prozess einzusetzen.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Möglichkeiten anzugeben, mit denen zumindest einige der vorstehend erläuterten Nachteile verringert oder sogar ganz vermieden werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche betreffen Ausgestaltungsvarianten dieser erfindungsgemäßen Lösungen.
Ein Grundgedanke der Erfindung ist es, einen LAM-Prozess nicht im Regime des Tiefschweißens, sondern im Regime des Wärmeleitschweißens durchzuführen, um die mit dem Tiefschweißen verbundenen, eingangs erläuterten Probleme hinsichtlich der Prozessstabilität, der Ökonomie des Laserleistungsverbrauchs und des Wärme vermeiden zu können. Vorteilhaft wird beim Wärmeleitschweißen die Pulverschicht von oben langsam aufgeschmolzen und verbindet sich mit dem nur oberflächlich angeschmolzenen Substrat. Im Gegensatz zum Tiefschweißen bildet sich kein Dampfkanal aus. Um das Wärmeleitschweißen effizient gestalten zu können, d. h. Prozesszeiten sowie Kosten und Bauräume für die benötigten Laserquellen sowie zugehöriger Strahlführungen und Strahlablenkeinheiten möglichst gering halten zu können, werden eine an das Wärmeleitschweißen angepasste Belichtungseinrichtung sowie ein entsprechendes Verfahren vorgeschlagen.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Belichtungseinrichtung zur additiven Fertigung eines Werkstücks. Die Belichtungseinrichtung weist eine Strahlungsquelle auf, die zur Erzeugung eines nicht-rotationssymmetrischen Belichtungsbereichs auf einer Belichtungsfläche ausgebildet ist. Des Weiteren weist die Belichtungseinrichtung eine Scaneinheit auf, die zur lateralen Bewegung des Belichtungsbereichs bezüglich der Belichtungsfläche entlang eines Belichtungspfads ausgebildet ist. Eine Längserstreckungsrichtung des Belichtungsbereichs verläuft entlang des Belichtungspfads.
Unter dem Begriff „Strahlung“ ist vorliegend elektromagnetische Strahlung sowie Elektronenstrahlung zu verstehen. Folglich kann die Strahlungsquelle als Lichtquelle oder Elektronenstrahlquelle ausgebildet sein.
Elektromagnetische Strahlung kann bevorzugt in Form von Laserstrahlung genutzt werden. Dementsprechend kann die Strahlungsquelle als Laserstrahlungsquelle ausgebildet sein. Die Wellenlänge der Laserstrahlung kann je nach Bedarf, z. B. in Abhängigkeit der gewünschten Materialwechselwirkung, gewählt sein und z. B. im Bereich zwischen 100 nm und 3 µm, aber auch im Wellenlängenbereich von Röntgenstrahlung oder anderer elektromagnetischer Strahlung liegen.
Die Strahlungsquelle ist derart ausgebildet, dass die von ihr ausgesandte Strahlung ein Material aufschmelzen oder sintern kann, so dass ein Werkstück additiv gemäß dem eingangs erläuterten Prozess gefertigt werden kann.
Unter dem Begriff „Belichtungsfläche“ kann eine Fläche verstanden werden, auf die Strahlung der Strahlungsquelle auftreffen soll. Bevorzugt ist die Belichtungsfläche eine ebene Fläche. Die Belichtungsfläche kann die Oberfläche eines Pulverbetts sein, das im Rahmen eines additiven Fertigungsverfahrens verwendet wird. Mit anderen Worten kann die Belichtungsfläche aus einem schmelz- oder sinterbaren Material, z. B. einem schmelz- oder sinterbaren Pulvermaterial, beispielsweise einem Metallpulver, gebildet sein.
Von der Strahlungsquelle ausgesandte Strahlung erzeugt einen Belichtungsbereich auf der Belichtungsfläche. Hierbei beschreibt der Begriff „Belichtungsbereich“ denjenigen Bereich, in dem zu einem bestimmten Zeitpunkt Strahlung der Strahlungsquelle gleichzeitig auftrifft. Optional kann vorgesehen sein, dass durch geeignete Steuerung der Strahlungsquelle und/oder Hilfseinrichtungen, z. B. optischer Einrichtungen wie Blenden, Linsen etc., die Größe und/oder Form des Belichtungsbereichs variabel ist.
Die Strahlungsquelle ist dazu ausgebildet, einen nicht-rotationssymmetrischen Belichtungsbereich zu erzeugen. Folglich kann die additive Fertigung des Werkstücks zumindest zeitweise mit einem nicht-rotationssymmetrischen Belichtungsbereich erfolgen. Nichtrotationssymmetrisch bedeutet, dass der Belichtungsbereich eine in der Ebene der Belichtungsfläche längserstreckte Form aufweist, also z. B. oval oder rechteckig ausgebildet ist.
Die Belichtungseinrichtung weist außerdem eine Scaneinheit auf, mittels derer der Belichtungsbereich lateral bezüglich der Belichtungsfläche, also in der Ebene der Belichtungsfläche, bewegt werden kann. Diese Bewegung erfolgt entlang eines Belichtungspfads. Um diese Bewegung zu ermöglichen kann beispielsweise die Strahlungsquelle oder die Belichtungsfläche, also z. B. das Pulverbett, dessen Oberfläche die Belichtungsfläche bildet, mittels der Scaneinheit bewegt werden. Auch die Kombination einer Bewegung der Strahlungsquelle mit einer Bewegung der Belichtungsfläche ist möglich.
Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, eine Bewegung des Belichtungsbereichs bezüglich der Belichtungsfläche mittels einer Bewegung eines dafür ausgebildeten Projektionsobjektivs zu ermöglichen, wie nachfolgend noch ausführlicher erläutert werden wird. Auch hierbei ist wiederum eine Kombination mit einer Bewegung der Strahlungsquelle und/oder einer Bewegung der Belichtungsfläche möglich.
Es ist vorgesehen, dass eine Längserstreckungsrichtung des Belichtungsbereichs entlang des Belichtungspfads verläuft. Mit anderen Worten sind die Strahlungsquelle, welche den Belichtungsbereich festlegt und die Scaneinheit, welche die Bewegung des Belichtungsbereichs festlegt, derart aufeinander abgestimmt, dass sich der Belichtungsbereich entlang des Belichtungspfads längserstreckt. Der Begriff „Längserstreckungsrichtung“ bezeichnet dabei eine Ausdehnungsrichtung des Belichtungsbereichs, die nicht der kürzesten Ausdehnungsrichtung entspricht. Bevorzugt entspricht die Längserstreckungsrichtung der längsten Ausdehnungsrichtung des Belichtungsbereichs. Beispielsweise kann die Längserstreckungsrichtung entlang der Längsachse des Belichtungsbereichs verlaufen.
Folglich ergibt sich eine Längserstreckung des Belichtungsbereichs entlang des Belichtungspfads. Dadurch kann jeder zu belichtende Punkt auf der Belichtungsfläche über einen längeren Zeitraum als bisher üblich belichtet werden, da der längserstreckte Belichtungsbereich durch die mittels der Scaneinheit realisierbar laterale Bewegung über den zu belichtenden Punkt hinweg bewegt wird. Mit anderen Worten kann die Bestrahlung zumindest zeitweise kontinuierlich während der Bewegung des Belichtungsbereichs erfolgen, so dass ein zu belichtender Punkt der Belichtungsfläche von verschiedenen Bereichen des Belichtungsbereichs belichtet wird.
Diese Längserstreckung des Belichtungsbereichs ermöglicht vorteilhaft eine entsprechende Verteilung der durch die Strahlung der Strahlungsquelle in die Belichtungsfläche eingetragenen Energie. Im Bereich der bestrahlten Belichtungsfläche, also z. B. des entsprechenden Bereichs des Pulverbetts, bildet sich durch den sukzessiven Energieeintrag und die damit verbundene Erwärmung eine sich langsam von oben nach unten ausbildende Schmelzfront aus, die sich schließlich mit der über die Wärme aus der Pulverschmelze angeschmolzenen Substratoberfläche verbindet.
Hierbei hilft die schlechte Wärmeleitfähigkeit des Materials des Pulverbetts bzw. Pulvers. Die von der Strahlungsquelle eingebrachte Wärme wird zunächst vorwiegend vom Pulver aufgenommen, wodurch dieses zum Schmelzen gebracht wird und sich darüber hinaus weiter erwärmt. In dieser Phase fließt jedoch relativ wenig Wärme ins Substrat ab. Erst wenn die Substratoberfläche durch die Schmelze angeschmolzen wurde und sich eine Verbindung mit der Schmelze einstellt, fließt Wärme aus der Schmelze schnell ins Substrat ab, sodass eine schnelle Erstarrung resultiert. Ab diesem Zeitpunkt wird dann üblicherweise auch keine Energie mehr von der Strahlungsquelle eingetragen. Sollte ein verlängertes „Nachwärmen“ durch verlangsamte Abkühlung die Qualität der additiven Fertigung verbessern können, kann gleichwohl auch ein zeitlich längerer Energieeintrag vorgesehen sein.
Diese Art der Prozessführung mit weniger Leistungsdichte im Belichtungsbereich in Kombination mit deutlich mehr Zeit für den Energieeintrag ermöglicht ein Arbeiten im Regime des Wärmeleitschweißens. Damit können die oben angeführten Prozessinstabilitäten des Tiefschweißens vermieden werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann die Strahlungsquelle eine optische Einrichtung zur Erzeugung des nicht-rotationssymmetrischen Belichtungsbereichs aufweisen.
Die optische Einrichtung kann beispielsweise Linsen, z. B. Zerstreuungslinsen, Spiegel, Blenden etc. aufweisen, um den Belichtungsbereich formen zu können.
Mittels der optischen Einrichtung lässt sich eine gewünschte längserstreckte Form des Belichtungsbereichs auf einfache Art und Weise realisieren. Zudem kann auch die Größe des Belichtungsbereichs geändert werden. Durch Veränderung von Einstellungen der optischen Einrichtung, die sich auf den Strahlengang auswirken, können unterschiedliche Formen des Belichtungsbereichs erhalten werden, die je nach Bedarf flexibel einsetzbar sind, ohne dass Änderungen an der eigentlichen Strahlungsquelle herbeigeführt werden müssen.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Strahlungsquelle mehrere Einzelstrahlungsquellen zur Erzeugung des nicht-rotationssymmetrischen Belichtungsbereichs aufweisen.
Mit anderen Worten kann der nicht-rotationssymmetrische Belichtungsbereich mittels mehrerer Einzelstrahlungsquellen, die zusammen den nicht-rotationssymmetrischen Belichtungsbereich erzeugen, ausgebildet werden. Hierfür können die Einzelstrahlungsquellen zum Beispiel nichtrotationssymmetrisch angeordnet sein.
Beispielsweise kann die Strahlungsquelle aus einem Array einer Vielzahl von gestapelten Diodenlaserbarren (engl. diode laser bars) gebildet sein, wobei jeder Diodenlaserbarren mehrere in einer Reihe angeordnete Einzelemitter als Einzelstrahlungsquellen aufweist.
Da bei dieser Ausführungsvariante die dem Belichtungsbereich zugeführte Strahlung durch mehrere Einzelstrahlungsquellen erzeugt wird, ist es ausreichend, wenn jede einzelne Einzelstrahlungsquelle eine geringere Leistung aufweist. Strahlungsquellen mit sehr hoher Leistung, also z. B. Laser mit sehr hoher Laserleistung, sind folglich nicht erforderlich. Die aufwendigen und teuren Lasereinheiten, die notwendig wären, um die sonst üblichen großen Laserleistungen zu erzeugen, können entfallen und z. B. durch relativ kostengünstige Diodenlaserarrays ersetzt werden.
Vorzugsweise weisen die Einzelstrahlungsquellen einen identischen Aufbau und identische Eigenschaften auf. Dies kann die Steuerung der Einzelstrahlungsquellen, wie nachfolgend beschrieben, vereinfachen. Zudem können durch eine identische Fertigung der Einzelstrahlungsquellen Produktionskosten eingespart werden.
Vorteilhaft kann also ein LAM-Prozess mit einer Vielzahl von kostengünstigen Einzelstrahlungsquellen mit einer begrenzten Leistung von wenigen Watt auf der Oberfläche eines Pulverbetts realisiert werden.
Weist die Strahlungsquelle mehrere Einzelstrahlungsquellen auf, so kann die Belichtungseinrichtung gemäß verschiedener Ausführungsvarianten eine Steuereinheit aufweisen, die zur Leistungssteuerung der Einzelstrahlungsquellen in Abhängigkeit der Position des Belichtungsbereichs bezüglich des Belichtungspfads ausgebildet ist.
Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass einige oder alle Einzelstrahlungsquellen ein positionsabhängiges Leistungssteuerungsprofil durchlaufen. Beispielsweise können Einzelstrahlungsquellen der Strahlungsquelle bei Erreichen einer ersten Position eingeschaltet bzw. aktiviert und bei Erreichen einer zweiten Position ausgeschaltet bzw. deaktiviert werden. Dadurch kann der Belichtungsbereich präzise festgelegt werden.
Durch entsprechende Steuerung der Einzelstrahlungsquellen kann die Form und Größe des Belichtungsbereichs festgelegt werden, so dass ein nicht-rotationssymmetrischer Belichtungsbereich auf einfache Art und Weise erhalten werden kann.
Die Leistungssteuerung kann für alle Einzelstrahlungsquellen gemäß dem gleichen Leistungssteuerungsprofil erfolgen. Dadurch wird die Steuerung vereinfacht und mit der Steuerung bzw. der Steuereinheit verbundene Kosten können reduziert werden.
Alternativ besteht die Möglichkeit einer individualisierten Leistungssteuerung, d. h. die Steuereinheit kann gemäß weiteren Ausführungsvarianten zur individualisierten Leistungssteuerung der Einzelstrahlungsquellen ausgebildet sein.
Dadurch besteht die Möglichkeit einer an den additiven Fertigungsprozess angepassten Leistungssteuerung. So kann beispielsweise die fortschreitende Schmelzfront durch eine zeitlich variable Leistungsverteilung über die Einzelstrahlungsquellen hinweg gestaltet werden. Dies kann eine Erhöhung der Scangeschwindigkeit ermöglichen.
Zur Leistungssteuerung der Einzelstrahlungsquellen ist die Steuereinheit zum Generieren und Ausgeben entsprechender Steuersignale an die Einzelstrahlungsquellen ausgebildet. Hierzu stehen die Einzelstrahlungsquellen mit der Steuereinheit in einer signaltechnischen Wirkverbindung, so dass die generierten Steuersignale an die Einzelstrahlungsquellen übertragen und von diesen empfangen werden können.
Die Steuereinheit kann hardware- und/oder softwaremäßig realisiert sein und physisch ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Die Steuereinheit generiert die Steuersignale basierend auf Anweisungen oder einem in der Steuereinheit programmierten Code entsprechend einer oder mehrerer Routinen.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Strahlungsquelle Diodenlaserlichtquellen, insbesondere Trapezdiodenlaserlichtquellen, und/oder Faserlaserlichtquellen aufweisen.
Beispielsweise können die Einzelstrahlungsquellen einer mehrere Einzelstrahlungsquellen aufweisenden Strahlungsquelle als Diodenlaserlichtquellen, insbesondere Trapezdiodenlaserlichtquellen, und/oder Faserlaserlichtquellen ausgebildet sein.
Diodenlaserlichtquellen zeichnen sich durch eine hohe Effizienz der Umsetzung von elektrischer Leistung in Strahlungsleistung aus. Zudem benötigen sie nur einen geringen Bauraum, so dass mehrere Diodenlaserlichtquellen platzsparend nebeneinander, z. B. in Form eines Barrens oder eines Stapels, angeordnet werden können. Weiterhin sind sie kostengünstig herstellbar.
Die vorgeschlagene Belichtungseinrichtung ermöglicht vorteilhaft die Verwendung von Diodenlasern als Strahlungsquelle, da durch die Längserstreckung des Belichtungsbereichs und die Verwendung mehrerer Einzelstrahlungsquellen eine Leistung von ca. 1 kW je Einzelstrahlungsquelle für die additive Fertigung eines Werkstücks üblicherweise ausreichend ist.
Trapezdiodenlaserlichtquellen (engl. tapered laser diodes) weisen einen trichterförmigen Laserresonator (engl. laser cavity) und/oder einen trichterförmigen optischen Verstärkungsbereich auf. Die Trichterform bewirkt, dass das Strahlparameterprodukt im Vergleich zu einer Diodenlaserlichtquelle mit rechteckigem Laserresonator auch in der langsamen Richtung, also parallel zur Ebene des Lasersubstrats, nur etwa um den Faktor 2 größer ist als bei einem beugungsbegrenzten Gaußstrahl. Dadurch lässt sich eine verbesserte Strahlführung bei kleinem Fokus erreichen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann die Belichtungseinrichtung bei einer mehrere Einzelstrahlungsquellen aufweisenden Strahlungsquelle Linsen zur Kollimation der ausgesandten Strahlung aufweisen. Zum einen können Mikrolinsen vorgesehen sein, wobei jeder Einzelstrahlungsquelle jeweils eine Mikrolinse zur Kollimation der von dieser Einzelstrahlungsquelle ausgesandten Strahlen in einer ersten Richtung zugeordnet ist. Zum anderen kann eine Zylinderlinse vorgesehen sein, wobei die Zylinderlinse zur Kollimation der von den Einzelstrahlungsquellen ausgesandten Strahlen in einer zweiten Richtung ausgebildet und angeordnet ist.
Bevorzugt ist eine kombinierte Verwendung von Mikrolinsen und einer Zylinderlinse, so dass eine Kollimation sowohl in der ersten Richtung als auch in der zweiten Richtung erfolgen kann.
Die Mikrolinsen, die in Form eines Mikrolinsenarrays zur vereinfachten Herstellung und verbesserten Handhabung angeordnet sein können, dienen der Kollimation in der langsamen Richtung, d. h. parallel zur Ebene des Lasersubstrats. Die durchgehende Zylinderlinse kann hingegen zur Kollimation in der schnellen Richtung, d. h. senkrecht zur Ebene des Lasersubstrats genutzt werden.
Durch die Kollimation der Laserstrahlung kann der Ausgangsstrahl derart transformiert werden, dass er bei den gewünschten Spotdurchmessern von ca. 50 µm noch sehr gut in die Eingangs-numerische Apertur von kleiner 0,1 eines abbildenden Objektivs passt. Beispielsweise kann ein Diodenlaserarray mit einer solchen Strahlanpassung vorteilhaft mittels einer Abbildungsoptik, wie nachfolgend beschrieben, auf der Belichtungsfläche abgebildet werden.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Scaneinheit als ein in einem Strahlengang der Strahlungsquelle angeordnetes Projektionsobjektiv ausgebildet sein, wobei das Projektionsobjektiv einen in mindestens einer Raumrichtung von +1 abweichenden Abbildungsmaßstab m aufweist und lateral bezüglich der Strahlungsquelle und/oder bezüglich der Belichtungsfläche verschiebbar ist.
Der Abbildungsmaßstab ist definiert als das Verhältnis zwischen der Größe des Belichtungsbereichs, also z. B. der Bildgröße des Abbilds der Strahlungsquelle, und der realen Größe der Strahlungsquelle. Bevorzugt kann das Projektionsobjektiv in mindestens einer Raumrichtung einen negativen Abbildungsmaßstab m aufweisen, d. h. einen Abbildungsmaßstab m < 0. Weiter bevorzugt kann der Abbildungsmaßstab m in mindestens einer Raumrichtung im Bereich -10 ≤ m ≤ -0,1, weiter bevorzugt im Bereich -10 ≤ m ≤ -1 und besonders bevorzugt im Bereich -2 ≤ m ≤ -1, liegen. Der Abbildungsmaßstab m kann beispielsweise in mindestens einer Raumrichtung -1 sein. Ein negativer Abbildungsmaßstab bedeutet, dass das Abbild der Strahlungsquelle gegenüber der Strahlungsquelle umgekehrt ist.
Durch die laterale Verschiebung des Projektionsobjektivs bezüglich der Strahlungsquelle, bezüglich der Belichtungsfläche oder bezüglich sowohl der Strahlungsquelle als auch der Belichtungsfläche kann die Position des Belichtungsbereichs geändert werden, da das laterale Verschieben der Strahlungsquelle eine entsprechende Verschiebung des Strahlengangs bewirkt.
Der in mindestens eine Raumrichtung von +1 abweichende Abbildungsmaßstab bewirkt, dass der Belichtungsbereich bei lateraler Bewegung des Projektionsobjektivs in mindestens einer Raumrichtung lateral bezüglich der Strahlungsquelle verschoben wird. Weicht der Abbildungsmaßstab in Draufsicht auf die Vorrichtung in eine Raumrichtung von +1 ab, kann der Belichtungsbereich lateral in eine Raumrichtung verschoben werden. Weicht der Abbildungsmaßstab in Draufsicht auf die Vorrichtung in beide Raumrichtungen von +1 ab, kann der Belichtungsbereich lateral in beide Raumrichtungen verschoben werden. Der konkret gewählte Abbildungsmaßstab gibt vor, um welche laterale Strecke der Belichtungsbereich bei lateraler Bewegung des Projektionsobjektivs verschoben wird. Beispielsweise ergibt sich bei einem Abbildungsmaßstab m = -1 bei einer linearen lateralen Bewegung des Projektionsobjektivs eine doppelt so weite Verschiebung des Belichtungsbereichs. Die Verschiebung des Projektionsobjektivs resultiert in einem Abscannen der Belichtungsfläche, so dass das Projektionsobjektiv auch als scannendes Objektiv bezeichnet werden kann.
Das Projektionsobjektiv ermöglicht das Abbilden der Strahlungsquelle auf die plane Belichtungsfläche, z. B. ein planes Pulverbett. Durch gezielte Auswahl der optischen Eigenschaften des Projektionsobjektivs kann dabei ein ausreichend großer Abstand zwischen dem Projektionsobjektiv bzw. der Optikeinheit und dem Pulverbett gewährleistet werden.
Zudem kann mittels des Projektionsobjektivs ein Scanprinzip realisiert werden, bei dem vorrangig nur das Projektionsobjektiv bewegt wird. Dadurch müssen z. B. keine Bündel von Lichtleitern, z. B. optischen Fasern, mitgeführt werden. Auch das Pulverbett mit dem auszubildenden Werkstück kann während des Schreibens einer Lage in Ruhe verbleiben, sodass die design- und bauzustandsabhängigen Einschränkungen der Maximalbeschleunigungen für den Scanprozess nicht zum Tragen kommen. Die mechatronischen Eigenschaften des bewegten Projektionsobjektivs sind hingegen unabhängig vom Werkstück und vom Pulverbett, weshalb die Parameter der Objektivbewegung universell sind. Das Projektionsobjektiv selbst kann entsprechend den notwendigen mechatronischen Eigenschaften und Beschleunigungen ausgelegt werden.
Bevorzugt kann das Projektionsobjektiv zumindest objektseitig telezentrisch ausgebildet sein. Weiter bevorzugt kann das Projektionsobjektiv beidseitig, also objekt- und bildseitig, telezentrisch ausgebildet sein. Eine beidseitig telezentrische Ausbildung des Projektionsobjektivs bewirkt, dass keine oder allenfalls sehr geringe Verzeichnungsfehler erzeugt werden.
Weiter bevorzugt kann das Projektionsobjektiv ein Spiegelobjektiv sein, d. h. die Mehrheit der optisch wirksamen Flächen, bevorzugt alle optisch wirksamen Flächen, sind reflektierende Flächen. Plane Spiegel, die nur zur geometrischen Umlenkung des Lichtstrahlengangs dienen, stellen keine optisch wirksamen Flächen dar.
Spiegelobjektive bieten vorteilhaft die Möglichkeit, den Strahlengang zu falten, so dass im Vergleich zu einem nicht gefalteten Strahlengang weniger Bauraum, insbesondere in der Höhe, für das Projektionsobjektiv und für die Belichtungseinrichtung insgesamt benötigt wird. Durch den gefalteten Strahlengang kann ein großer Abstand zwischen dem Pulverbett und den Spiegeln realisiert werden, sodass die Spiegel außerhalb der Reichweite von aus der Schmelzzone herausgeschleuderten Partikeln und austretenden Staubwolken angeordnet werden können. Außerdem ist ausreichend Bauraum vorhanden, um zusätzliche Maßnahmen, wie z. B. laterale Gasvorhänge einführen zu können, um die Spiegel sauber zu halten.
Das Spiegelobjektiv kann beispielsweise zwei oder drei reflektierende optisch wirksame Flächen aufweisen, d. h. als Zweispiegelobjektiv oder Dreispiegelobjektiv ausgebildet sein. Da bei beidseitig telezentrischen Zweispiegelobjektiven die Objekt- und Bildebenen in derselben Ebene liegen, kann das Projektionsobjektiv bevorzugt als außeraxiales (engl. off-axis) Objektiv ausgebildet sein, so dass der gefaltete Strahlengang am Werkstück vorbeigeführt werden kann.
Ein Dreispiegelobjektiv zeichnet sich dadurch aus, dass es bei geeigneter Wahl der Designparameter keine Feldkrümmung hat und bis zur dritten Ordnung frei von sphärischen Aberrationen, Coma, Verzeichnung und zumindest frei von Astigmatismus niedrigster Ordnung ist. Das Dreispiegelobjektiv kann beispielsweise als beidseitig telezentrisches Objektiv mit drei optisch wirksamen reflektierenden Flächen, wobei die erste und dritte Wirkfläche auf einem Spiegelelement zusammengefasst sind, ausgebildet sein. Ein solches Design, auch als Öffner-Design bezeichnet, geht auf Abe Offner zurück und wird in der US 3 748 015 A beschrieben, auf die bezüglich der Erläuterung weiterer Designparameter, Eigenschaften und Vorteile dieses Designs verwiesen wird.
Mittels eines solchen Projektionsobjektivs lässt sich die Strahlungsquelle, z. B. ein Diodenlaserarray, vorteilhaft mit der vorstehend durch Kollimation in der ersten und zweiten Richtung beschriebenen Strahlanpassung direkt auf die Belichtungsfläche bzw. ins Pulverbett abbilden.
Weitere Ausführungsvarianten, Parameter, Eigenschaften, Vorteile etc. eines Projektionsobjektivs werden in der noch nicht veröffentlichten beim Deutschen Patent- und Markenamt eingereichten Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 10 2020 122 449.4 beschrieben, auf die vollumfänglich Bezug genommen wird und deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Strahlungsquelle mehrere in Form eines Barrens angeordnete Einzelstrahlungsquellen aufweisen, wobei mehrere Barren einen Stapel bilden und mehrere Stapel eine zweidimensionale Anordnung ausbilden.
Die zweidimensionale Anordnung kann auch als zweidimensionales Array bezeichnet werden. Bevorzugt kann ein solches zweidimensionales Array aus Diodenlaserlichtquellen gebildet sein.
Vorzugsweise können benachbarte Stapel in X-Richtung immer um einen Rasterabstand in Richtung -Y versetzt und die Nachbarn in -Y-Richtung immer einen Rasterabstand in +X-Richtung versetzt sein. Dadurch kann erreicht werden, dass durch entsprechende Ansteuerung wahlweise in X-Richtung oder in Y-Richtung Barren von Einzelstrahlungsquellen mit scannenden Einzelemittern gebildet werden können, die in der jeweils anderen Richtung äquidistant verteilt sind. Hierdurch wird ermöglicht, dass der Scanprozess in den beiden Richtungen X und Y gleichermaßen geführt werden kann. Dabei ist jeweils senkrecht zur Scanrichtung die gesamte Breite des Arrays mit äquidistanten Barren von Einzelemittern abgedeckt ist. Die Barren von Einzelemittern sind hierbei jeweils in Scanrichtung ausgerichtet und haben für jeden Barren die gleiche Anzahl von Einzelemittern.
Mit anderen Worten lässt sich die Belichtungsfläche aufgrund der zweidimensionalen und ggf. versetzten Ausbildung der Strahlungsquelle effizient scannen, so dass das zu fertigende Werkstück schneller und kostengünstiger fertiggestellt werden kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Werkstücks. Die Vorrichtung weist ein Pulverbett, dessen Oberfläche die Belichtungsfläche bildet, und eine Belichtungseinrichtung gemäß vorstehender Beschreibung auf.
Daher dienen die obigen Ausführungen zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Belichtungseinrichtung auch zur Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die vorstehend mit Bezug auf die Belichtungseinrichtung genannten Vorteile entsprechend verbunden.
Das Pulverbett wird durch ein pulverförmiges schmelz- oder sinterbares Material, z. B. ein Metallpulver, gebildet, aus dem das zu fertigende Werkstück aufgebaut werden soll.
Damit beim Aufbau weiterer Lagen die Strahlfoki in der Belichtungsfläche gehalten werden können, kann zum Aufbau weiterer Lagen eine Verschiebung der Belichtungsfläche gegenüber der Strahlungsquelle oder dem Projektionsobjektiv vorgesehen sein, d. h. das Pulverbett kann entlang der Hauptstrahlen der optischen Strahlen, also in z-Richtung, gegenüber der Strahlungsquelle oder gegenüber dem Projektionsobjektiv verschiebbar ausgebildet sein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Laserlichtquelle zur Bestrahlung einer Projektionsfläche. Die Laserlichtquelle weist ein aus mehreren Trapezdiodenlaserlichtquellen gebildetes Laserlichtquellenarray und eine Kollimationseinheit mit einer Zylinderlinse und mehreren Einzellinsen auf, wobei die Zylinderlinse zur Kollimation der von den Trapezdiodenlaserlichtquellen ausgesandten Laserstrahlen in Richtung der schnellen Achsen ausgebildet ist und wobei jeder Trapezdiodenlaserlichtquelle jeweils eine Einzellinse zugeordnet ist, die zur Kollimation der von dieser Trapezdiodenlaserlichtquelle ausgesandten Laserstrahlen in Richtung der langsamen Achse ausgebildet ist.
Die Einzellinsen können bevorzugt als Mikrolinsen ausgebildet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten können mehrere Trapezdiodenlaserlichtquellen in Form eines Barrens angeordnet sein, mehrere Barren einen Stapel bilden und mehrere Stapel eine zweidimensionale Stapelarrayanordnung ausbilden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Abbildern einer Laserlichtquelle auf einer Projektionsfläche. Die Vorrichtung weist eine Laserlichtquelle gemäß vorstehender Beschreibung, eine Projektionsfläche und eine Scaneinrichtung, ausgebildet zur lateralen Bewegung eines Abbilds der Laserlichtquelle bezüglich der Projektionsfläche, auf.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann die Vorrichtung eine Steuereinheit aufweisen, die zur individuellen Leistungssteuerung der Trapezdiodenlaserlichtquellen in Abhängigkeit der Position des Abbilds bezüglich der Projektionsfläche ausgebildet ist.
Für die einzelnen Trapezdiodenlaserlichtquellen können dabei gleiche oder verschiedene Leistungssteuerungsprofile genutzt werden.
Beispielsweise können die Steuereinheit derart zur individuellen Leistungssteuerung und/oder die Scaneinrichtung derart zur lateralen Bewegung des Abbilds ausgebildet sein, dass der Leistungseintrag in einen zu bestrahlenden Punkt auf der Projektionsfläche durch mehrere der Trapezdiodenlaserlichtquellen erfolgt.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Scaneinrichtung als ein in einem Strahlengang zwischen der Laserlichtquelle und der Projektionsfläche angeordnetes Projektionsobjektiv ausgebildet sein, wobei das Projektionsobjektiv einen in mindestens einer Raumrichtung von +1 abweichenden Abbildungsmaßstab m aufweist und lateral bezüglich der Laserlichtquelle und/oder bezüglich der Projektionsfläche verschiebbar ist.
Beispielsweise kann der Abbildungsmaßstab m negativ sein, wobei der Abbildungsmaßstab m im Bereich -10 ≤ m ≤ -0,1, bevorzugt im Bereich -2 ≤ m ≤ -1, weiter bevorzugt bei -1, liegt.
Bevorzugt können die Laserlichtquelle und/oder die Projektionsfläche stationär angeordnet sein.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Projektionsobjektiv ein refraktives Objektiv oder ein Spiegelobjektiv sein. Ist das Projektionsobjektiv ein Spiegelobjektiv, so kann das Spiegelobjektiv zwei oder drei reflektierende optisch wirksame Flächen aufweisen.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Projektionsfläche eine Oberfläche eines Pulverbetts sein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Werkstücks. Das Verfahren sieht vor: Aussenden von Strahlen, Erzeugen eines nicht-rotationssymmetrischen Belichtungsbereichs auf einer Belichtungsfläche mittels der ausgesandten Strahlen, laterales Bewegen des Belichtungsbereichs bezüglich der Belichtungsfläche entlang eines Belichtungspfads, wobei eine Längserstreckungsrichtung des Belichtungsbereichs entlang des Belichtungspfads verläuft, und Aufschmelzen oder Sintern eines die Belichtungsfläche bildenden Materials im Belichtungsbereich.
Das Verfahren kann computerimplementiert durchgeführt werden, d. h. mindestens ein Verfahrensschritt kann unter Verwendung eines Computerprogramms mit auf einem Computer ausführbaren Instruktionen ausgeführt werden. Die einzelnen Schritte des Verfahrens können in der genannten Reihenfolge, aber auch in einer abweichenden Reihenfolge, zeitlich überlappend oder gleichzeitig ausgeführt werden.
Das Verfahren kann beispielsweise mittels der vorstehend beschriebenen Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Werkstücks ausgeführt werden. Folglich dienen die vorstehenden Ausführungen zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit dem Verfahren sind die vorstehend mit Bezug auf die Vorrichtung genannten Vorteile entsprechend verbunden.
Indem die Position des Belichtungsbereichs auf der Belichtungsfläche durch laterales Bewegen festgelegt werden kann, kann das Aufschmelzen bzw. Sintern selektiv erfolgen, so dass Werkstücke selektiv bearbeitet oder gefertigt werden können. Mit anderen Worten kann das Verfahren als LAM-Verfahren ausgebildet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten können die Strahlen mittels mehrerer Einzelstrahlungsquellen ausgesandt werden. Das Verfahren kann dann ein Steuern einer Leistung der Einzelstrahlungsquellen in Abhängigkeit der Position des Belichtungsbereichs bezüglich des Belichtungspfads aufweisen.
Optional kann die Leistungssteuerung individualisiert für jede Einzelstrahlungsquelle oder Gruppen von Einzelstrahlungsquellen erfolgen.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Verfahren ein Kollimieren der von den Einzelstrahlungsquellen ausgesandten Strahlen in einer ersten Richtung und/oder einer zweiten Richtung aufweisen.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Aufschmelzen oder Sintern des die Belichtungsfläche bildenden Materials, also z. B. des Pulverbettmaterials, im Regime des Wärmeleitschweißens erfolgen.
Das Wärmeleitschweißen kann durch eine Leistungsdichte von weniger als 10⁶ W/cm² charakterisiert sein. Mit dem Wärmeleitschweißen lassen sich die vorstehend mit einem Tiefschweißen verbundenen Nachteile vermeiden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Abbildern mittels einer Vorrichtung zum Erzeugen von Abbildern einer Laserlichtquelle auf einer Projektionsfläche gemäß vorstehender Beschreibung. Das Verfahren weist auf: Aussenden von Laserstrahlen mittels der Laserlichtquelle, Erzeugen eines Abbilds der Laserlichtquelle auf der Projektionsfläche mittels der ausgesandten Laserstrahlen, und laterales Bewegen des Abbilds bezüglich der Projektionsfläche.
Optional kann das Verfahren ein Aufschmelzen oder Sintern eines die Projektionsfläche bildenden Materials mittels der das Abbild erzeugenden Laserstrahlen aufweisen. Das Aufschmelzen oder Sintern des die Projektionsfläche bildenden Materials kann dabei im Regime des Wärmeleitschweißens erfolgen.
Weiterhin kann das Verfahren ein laterales Verschieben des Projektionsobjektivs bezüglich des Lichtquellenarrays und/oder der Projektionsfläche aufweisen, wobei das laterale Verschieben des Projektionsobjektivs kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Verfahren ein Steuern einer Leistung der Trapezdiodenlaserlichtquellen in Abhängigkeit der Position des Abbilds bezüglich der Projektionsfläche aufweisen.
Die Leistungssteuerung kann dabei individuell erfolgen. Für die einzelnen Trapezdiodenlaserlichtquellen können dabei gleiche oder verschiedene Leistungssteuerungsprofile genutzt werden. Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils für sich genommen als auch in verschiedenen Kombinationen miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist. Richtungsterminologie, wie beispielsweise „oben“, „unten“, „rechts“, „links“ etc. wird mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figuren verwendet. Richtungsangaben, wie z. B. „z-Richtung“, „x-Richtung“ etc. beziehen sich auf die in den Figuren dargestellten Koordinatensysteme. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend.
Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert. Es zeigen:

1 Querschliffe von Ti-Proben, die bei unterschiedlichen Scangeschwindigkeiten und Laserleistungen prozessiert wurden;
2a, b schematische Darstellungen einer beispielhaften Vorrichtung in Seitenansicht und Draufsicht;
3a-e Darstellungen zur positionsabhängigen Leistungssteuerung von Einzelstrahlungsquellen;
4 eine schematische Darstellung zu den verschiedenen Prozessphasen;
5a-c schematische Darstellungen zum Aufbau einer Strahlungsquelle;
6 eine schematische Darstellung zur Strahlkollimierung mittels eines Mikrolinsenarrays;
7a-c schematische Darstellung einer Belichtungseinrichtung mit einem beispielhaften Projektionsobjektiv;
8 eine schematische Darstellung einer beispielhaften zweidimensionalen Anordnung mehrerer Stapel mit Barren von Einzelstrahlungsquellen;
9 eine schematische Darstellung zu Vorgängen beim Wärmeleitschweißen und Tiefschweißen; und
10 ein Ablaufschema eines beispielhaften Verfahrens.

1 zeigt Querschliffe verschiedener Titanproben (Ti6AI4V Grade 5), die gemäß dem Stand der Technik prozessiert wurden. Ziel war es, unter verschiedenen Bedingungen, d. h. bei unterschiedlicher Laserleistung zwischen 100 W und 400 W und mit unterschiedlicher Scangeschwindigkeit zwischen 500 mm/s und 6000 mm/s, linienförmige Strukturen aus einem Pulverbett 101 mittels Laserschmelzen auf einem Substrat 20 auszubilden. Der Strahldurchmesser des Laserstrahls betrug jeweils 50 µm. Der jeweilige Schmelzbereich 22 ist in den Einzelaufnahmen umrandet dargestellt.
Erkennbar ist, dass lediglich für die Parameterkombination 200 W und 500 mm/s ein Prozessergebnis erreicht wird, bei dem eine gut definierte Schmelzraupe aufgebaut und die Umschmelztiefe im Substrat 20 nicht deutlich größer ist als der Materialzuwachs.
Allerdings wird auch im Fall der Parameterkombination 200 W und 500 mm/s mehr Substratvolumen umgeschmolzen als neues Material aufgebracht, d. h. das Volumen des Teils des Schmelzbereichs 22 im Substrat 20 ist größer als der die linienförmige Struktur 21 betreffende Teil des Schmelzbereichs 22. Wird die Laserleistung erhöht, so wird dieses Verhältnis noch ungünstiger, d. h. der Anteil des Schmelzbereichs 22 im Substrat 20 nimmt zu.
Wird hingegen die Scangeschwindigkeit erhöht, führt dies zu einem instabilen Prozess, bei dem kein ausreichender Materialaufbau mehr stattfindet. Zudem kommt es zu Gaseinschlüssen 23. Empirisch betrachtet bedeutet dies, dass die Prozessdynamik ein oberes Limit für eine sinnvolle maximale Scangeschwindigkeit setzt, weitgehend unabhängig von der Laserleistung. Folglich ist die Scangeschwindigkeit gemäß dem Stand der Technik auf ca. 2 m/s beschränkt und beträgt häufig sogar weniger als 1 m/s.
Wie bereits eingangs erwähnt, haben die in 1 gezeigten Effekte ihre Ursache in den hohen Leistungsdichten (> 10⁶ W/cm²) und dem damit einhergehenden Arbeiten im Tiefschweißregime. Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein Arbeiten im Wärmeleitschweißregime, so dass die beschriebenen negativen Effekte verringert und die Scangeschwindigkeit erhöht werden kann. Dadurch kann die additive Fertigung effektiver erfolgen und auch Bereichen zugänglich gemacht werden, in denen eine additive Fertigung bisher nicht wirtschaftlich ist.
In 2a ist eine beispielhafte Vorrichtung 100 in Seitenansicht und in 2b in Draufsicht dargestellt. Die Vorrichtung 100 weist eine Belichtungseinrichtung 1 und ein Pulverbett 101 auf.
Das Pulverbett 101 besteht aus einem pulverförmigen Material, z. B. einem Metallpulver, das durch Bestrahlung mittels der Belichtungseinrichtung 1 geschmolzen oder gesintert werden kann, so dass eine verfestigte Struktur aufgebaut wird. Durch Abscannen der Oberfläche 102 des Pulverbetts, wie eingangs erläutert, Materiallagen gebildet und Werkstücke additiv gefertigt werden. Hierbei entspricht die Belichtungsfläche 4 einem Teilbereich der Oberfläche 102. Das Pulverbett 101 kann in z-Richtung bewegbar sein, um eine korrekte Positionierung der Belichtungsfläche 4 nach Schreiben einer Lage und Aufbringen einer neuen Pulverschicht zu ermöglichen, d. h. eine Lageübereinstimmung von Belichtungsfläche 4 und Oberfläche 102 des Pulverbetts 101 wieder herbeizuführen.
Die Belichtungseinrichtung 1 weist eine Strahlungsquelle 2 mit mehreren Einzelstrahlungsquellen 10a bis 10i auf, die im Ausführungsbeispiel als Diodenlaserlichtquellen ausgebildet sind. Auch wenn in 2a neun Einzelstrahlungsquellen 10a bis 10i gezeigt sind, so ist die Erfindung nicht auf eine bestimmte Anzahl an Einzelstrahlungsquellen 10 beschränkt. Die konkrete Anzahl an Einzelstrahlungsquellen 10 ist u. a. abhängig von den Dimensionen des Pulverbetts 101, den Dimensionen des zu fertigenden Werkstücks, dem jeweiligen Strahldurchmesser sowie der Scangeschwindigkeit.
Jede Einzelstrahlungsquellen 10a bis 10i sendet Strahlen 13 in Richtung der Belichtungsfläche 4 aus, so dass auf der Belichtungsfläche 4 ein nicht-rotationssymmetrischer längserstreckter Belichtungsbereich 3 ausgebildet wird. Im Ausführungsbeispiel wird ein im Wesentlichen rechteckiger Belichtungsbereich 3 ausgebildet. Die Strahlen 13 bilden dabei den Strahlengang 15.
Die Belichtungseinrichtung 1 weist außerdem eine Scaneinheit 5 auf, die dazu ausgebildet ist, den Belichtungsbereich 3 lateral bezüglich der Belichtungsfläche 4 entlang eines Belichtungspfads 7 zu bewegen, d. h. eine laterale Bewegung 6 des Belichtungsbereichs 3 auszuführen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel bewegt die Scaneinheit 5 hierfür die Strahlungsquelle 2 entsprechend, also ebenfalls lateral bezüglich der Belichtungsfläche 4.
Alternativ zu einer Bewegung der Strahlungsquelle 2 kann die laterale Bewegung 6 des Belichtungsbereichs 3 bezüglich der Belichtungsfläche 4 auch durch eine entsprechende Bewegung des Pulverbetts 101 oder die Bewegung eines Projektionsobjektivs 16, wie in den 7a bis 7c gezeigt, oder eine Kombination dieser Bewegungen erfolgen.
In jedem Fall erfolgt die laterale Bewegung 6 derart, dass eine Längserstreckungsrichtung 8 des Belichtungsbereichs 3, z. B. wie in 2a gezeigt die Längsachse des Belichtungsbereichs 3, entlang des Belichtungspfads 7 verläuft.
Dadurch wird ein Punkt des Belichtungsbereichs 3 nicht nur von einer Einzelstrahlungsquelle 10a bis 10i bestrahlt, sondern aufgrund der Bewegung 6 des Belichtungsbereichs nacheinander von mehreren Einzelstrahlungsquellen 10a bis 10i. Für die Einzelstrahlungsquellen 10a bis 10i kann daher eine geringere Leistung als bei Bestrahlung mit einer einzigen Strahlungsquelle gewählt werden, da sich die Gesamtenergie pro Flächeneinheit des Belichtungsbereichs 3 aus der Summe der Leistungen der entsprechenden Einzelstrahlungsquellen 10a bis 10i für die jeweilige Bestrahlungszeit je Einzelstrahlungsquellen 10a bis 10i ergibt. Da für das Aufschmelzen des Pulvermaterials insgesamt deutlich mehr Zeit zur Verfügung steht, kann vorteilhaft im Regime des Wärmeleitschweißens gearbeitet werden.
Die in den 2a und 2b gezeigte Belichtungseinrichtung 1 weist außerdem eine Steuereinheit 11 auf, die Steuersignale 24a, 24b generiert und an die Scaneinheit 5 bzw. die Strahlungsquelle 2 ausgibt. Dafür stehen die Scaneinheit 5 und die Steuereinheit 11 sowie die Strahlungsquelle 2 und die Steuereinheit 11 in einer signaltechnischen Wirkverbindung.
Das Steuersignal 24a veranlasst die Scaneinheit 5 die vorstehend beschriebene laterale Bewegung 6 zu bewirken, also z. B. die Strahlungsquelle 2 entsprechend zu bewegen. Die Steuereinheit 11 kann zu diesem Zweck auch in die Scaneinheit 5 integriert sein oder es können mehrere Steuereinheiten 11 zur separaten Generierung und Ausgabe der Steuersignale 24a und 24b vorhanden sein.
Das Steuersignal 24b bewirkt eine Leistungssteuerung der Einzelstrahlungsquellen 10a bis 10i in Abhängigkeit der Position des Belichtungsbereichs 3 bezüglich des Belichtungspfads 7. Optional kann die Steuereinheit zur individualisierten Leistungssteuerung der Einzelstrahlungsquellen 10a bis 10i ausgebildet sein. Die Art und Weise der Leistungssteuerung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 4 näher erläutert.
In 3 ist die positionsabhängige Leistungssteuerung von Einzelstrahlungsquellen 10a. 10b, 10c, ... schematisch dargestellt. Diese Leistungssteuerung kann z. B. bei der in 2 gezeigten Belichtungseinrichtung 1 ausgeführt werden. In den 3a bis 3e sind Momentaufnahmen gezeigt, d. h. der Übergang zwischen zwei aufeinanderfolgenden Figuren erfolgt fließend.
Die 3a bis 3e zeigen jeweils das Pulverbett 101 mit seiner Oberfläche 102. Ein Teil der Oberfläche 102, nämlich die Belichtungsfläche 4, soll mittels der Strahlungsquelle 2, die mehrere Einzelstrahlungsquellen 10a bis 10t aufweist, bestrahlt werden, um Material in diesem Bereich aufzuschmelzen und eine Materiallage aufzubauen. Hierfür senden die Einzelstrahlungsquellen 10a bis 10t im aktivierten Zustand Strahlen 13 aus, die den Belichtungsbereich 3 auf der Belichtungsfläche 4 ausbilden. Die Einzelstrahlungsquellen 10a bis 10t sind als Diodenlaserlichtquellen ausgebildet und werden von einer Steuereinheit 11 (siehe 2) angesteuert, d. h. aktiviert bzw. deaktiviert.
Die jeweils im unteren Bereich der 3a bis 3e angeordneten Diagramme zeigen den entsprechend erforderlichen Energieeintrag in Abhängigkeit der Position, d. h. im Bereich der Belichtungsfläche 4 ist ein Energieeintrag erforderlich, außerhalb der Belichtungsfläche 4 nicht.
In 3a befindet sich die Strahlungsquelle 2 außerhalb der Belichtungsfläche 4, die durch die Positionen A und E begrenzt wird. Folglich sind alle Einzelstrahlungsquellen 10a bis 10t deaktiviert. Durch laterale Bewegung der Strahlungsquelle 2 bezüglich der Belichtungsfläche 4, z. B. mittels der Scaneinheit 5, wird in 4b eine Position erreicht, in der der Belichtungsbereich 3 einen Teil der Belichtungsfläche 4 abdeckt. Zur Ausbildung des Belichtungsbereichs 3 sind die Einzelstrahlungsquellen 10p bis 10t aktiviert. Im Belichtungsbereich 3 erfolgt ein Energieeintrag in die Belichtungsfläche 4. Da der Übergang von der in 3a dargestellten Situation zu der in 3b dargestellten Situation kontinuierlich ist, wurde die Einzelstrahlungsquelle 10t bereits bei Erreichen der Position A aktiviert. Alle in Richtung der lateralen Bewegung 6 nachfolgenden Einzelstrahlungsquelle 10a bis 10s werden jeweils bei Erreichen der Position A aktiviert.
Die 3c bis 3e zeigen den weiteren Aktivierungsverlauf der Einzelstrahlungsquellen 10a bis 10t. Jeweils bei Erreichen der Position A wird die entsprechende Einzelstrahlungsquelle 10a bis 10t aktiviert und bei Erreichen der Position E wieder deaktiviert, so dass ein nicht-rotationssymmetrischer Belichtungsbereich 3 auf der Belichtungsfläche 4 ausgebildet wird. Mit anderen Worten durchlaufen alle Einzelstrahlungsquellen 10a bis 10t das gleiche positionsabhängige Leistungssteuerungsprofil. Der Gesamtenergieeintrag in die Belichtungsfläche 4 ergibt sich aus den jeweiligen Beiträgen der Einzelstrahlungsquellen 10a bis 10t.
Optional können die Leistungssteuerungsprofile für jede Einzelstrahlungsquellen 10a bis 10t oder Gruppen von Einzelstrahlungsquellen 10a bis 10t individualisiert werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Leistung ausgehend von der Einzelstrahlungsquelle 10t bis zur Einzelstrahlungsquelle 10a abnimmt.
In 4 sind die sich nacheinander ergebenden Prozessphasen I bis V gezeigt, die sich bei Durchführung eines additiven Fertigungsverfahrens mit der vorgeschlagenen Vorrichtung im Bereich des Pulverbetts 101 und des darunter angeordneten Substrats 20 während der Bewegung des Belichtungsbereichs 3 durch Bewegung der Strahlungsquelle 2 mit den Einzelstrahlungsquellen 10a bis 10q ergeben. Jeder bestrahlte Punkt der Belichtungsfläche 4 durchläuft dabei nacheinander die Phasen I bis V.
In der Phase I erfolgt eine Erwärmung des Pulvermaterials 25. In Phase II beginnt das Pulvermaterial 25 zu schmelzen und der Schmelzbereich 22 beginnt sich auszubilden. In Phase III schmilzt das Pulvermaterial 25 weiter und auch das Substrat 20 beginnt sich im Bereich der Grenzfläche zum Pulverbett 101 zu erwärmen. In Phase IV verbindet sich das geschmolzene Pulvermaterial 25 mit der angeschmolzenen Grenzfläche des Substrats 20. In Phase V wird Wärme in das restliche Substrat 20 abgeleitet, die Schmelze kühlt sich ab und erstarrt, so dass eine feste auf dem Substrat 20 angeordnete Materiallage ausgebildet wird.
Wie in 4 zu erkennen, wird ein Arbeiten im Regime des Tiefschweißens verhindert, sondern es wird im Bereich des Wärmeleitschweißens gearbeitet.
5a zeigt eine Einzelstrahlungsquelle 10, die als Trapezdiodenlaserlichtquelle mit trapezförmigem Laserresonator ausgebildet ist. Die Einzelstrahlungsquelle 10 weist zwei Elektroden 26a, 26b auf, zwischen denen eine laseraktive Schicht 27 angeordnet ist. Der trapezförmige Laserresonator bewirkt eine ebenfalls trapezförmige Ausformung des Laserstrahls 13, die sich vorteilhaft auf das Strahlparameterprodukt auswirkt.
5b zeigt sieben, in Form eines Barren 17 angeordnete Einzelstrahlungsquellen 10a bis 10g. Mehrere solcher Barren 17 können übereinander gestapelt werden, so dass sich einen Stapel 18, wie in 5c dargestellt, bilden.
6 zeigt das Funktionsprinzip der Strahlkollimierung mittels Mikrolinsen 12a bis 12j und einer Zylinderlinse 14. Die Strahlkollimierung erfolgt für mehrere Einzelstrahlungsquellen 10a bis 10j, die als Trapezlaserlichtquellen ausgebildet und in Form eines Barrens 17 angeordnet sind.
Die jeweils ausgesandten Strahlen 13a bis 13j werden mittels jeweils einer Mikrolinse 12a bis 12j in einer ersten Richtung und mittels der durchgehenden Zylinderlinse 14 in einer zweiten Richtung kollimiert. Die erste Richtung entspricht dabei der Ausrichtung sog. langsamen Achse, die parallel zur Ebene des Lasersubstrats ausgerichtet ist, während die zweite Richtung der Ausrichtung der sog. schnellen Achse, die senkrecht zur Ebene des Lasersubstrats ausgerichtet ist, entspricht. Folglich sollte die Kollimation in der ersten Richtung individuell für jede der Einzelstrahlungsquellen 10a bis 10j erfolgen, während die Kollimation in der zweiten Richtung durch eine gemeinsame, sich über alle Strahlen 13a bis 13j erstreckende Zylinderlinse erfolgen kann.
In den 7a bis 7c ist eine Vorrichtung 1 dargestellt, in denen die Scaneinheit 5 als ein im Strahlengang 15 der Strahlungsquelle 2 angeordnetes Projektionsobjektiv 16 ausgebildet ist.
7a zeigt das Projektionsobjektiv 16 in einer Ausgangsposition (Mittenposition). 7b zeigt das Projektionsobjektiv 16 nach lateraler Verschiebung in x-Richtung zur lateralen Bewegung des Belichtungsbereichs 3 bezüglich der Belichtungsfläche 4 des Pulverbetts 101, d. h. in ausgelenkter Position. Bei dem gewählten Abbildungsmaßstab m des Projektionsobjektivs 16 von m = -1 wird der Belichtungsbereich 3 bezüglich der Belichtungsfläche 4 ebenfalls in x-Richtung, aber im Vergleich zum Projektionsobjektiv 16 um den doppelten Streckenbetrag verschoben ist. Der Abbildungsmaßstab m = -1 ergibt sich in Draufsicht sowohl für die x- als auch die y-Richtung. Wird der Abbildungsmaßstab m entlang des Lichtpfads angegeben, ergibt sich in y-Richtung ein Abbildungsmaßstab m = +1 und in x-Richtung ein Abbildungsmaßstab m = -1, d. h. das Abbild 2 ist ein sog. Flip Image.
7c zeigt die Vorrichtung 1 mit Blick in Scanrichtung, also in x-Richtung. Die Position des Belichtungsbereichs 3 bleibt in dieser Ansicht trotz lateraler Bewegung 6 des Belichtungsbereichs 3 unverändert.
Das Projektionsobjektiv 16 ermöglicht vorteilhaft eine laterale Bewegung 6 des Belichtungsbereichs 3 ohne Bewegung der Strahlungsquelle 2 oder des Pulverbetts 101.
In 8 ist eine beispielhafte zweidimensionale Anordnung 19 mehrerer Stapel 18_1-1 bis 18_n-n mit Barren 17 von Einzelstrahlungsquellen 10 schematisch dargestellt.
Hierbei sind in X-Richtung benachbarte Stapel 18_1-1 bis 18_1-n, 18_2-1 bis 18_2-n, 18_3-1 bis 18_3-n, etc. immer um einen Rasterabstand in Richtung -Y versetzt und in -Y-Richtung benachbarte Stapel 18_1-1 bis 18_n-1, 18_1-2 bis 18_n-2, 18_1-3 bis 18_n-3, etc. immer einen Rasterabstand in +X-Richtung. Dadurch wird erreicht, dass durch entsprechende Ansteuerung wahlweise in X-Richtung oder in Y-Richtung Barren 17 von Diodenlasern mit scannenden Einzelstrahlungsquellen 10 gebildet werden können, die in der jeweils anderen Richtung äquidistant verteilt sind. Hierdurch wird ermöglicht, dass der bezugnehmend auf 3 beschriebene Scanprozess in den beiden Richtungen X und Y gleichermaßen ausgeführt werden kann. Dabei ist jeweils senkrecht zur Scanrichtung die gesamte Breite der zweidimensionalen Anordnung 19 mit äquidistanten Barren 17 von Einzelstrahlungsquellen 10 abgedeckt. Die Barren 17 von Einzelstrahlungsquellen 10 sind hierbei jeweils in Scanrichtung ausgerichtet und haben für jede Zeile die gleiche Anzahl an Einzelstrahlungsquellen 10.
9 zeigt eine schematische Darstellung der beim Wärmeleitschweißen und Tiefschweißen ablaufenden Vorgänge.
Die vorgeschlagene Vorrichtung 100 sowie das vorgeschlagene Verfahren 200, das nachfolgend unter Bezugnahme auf 10 erläutert wird, bieten die Möglichkeit, im Regime des Wärmeleitschweißens, also bei Leistungsdichten kleiner 10⁶ W/cm², zu arbeiten. Wie aus 10 ersichtlich, zeichnet sich das Wärmeleitschweißens dadurch aus, dass lediglich ein oberflächennaher Bereich aufgeschmolzen wird. Im Gegensatz dazu kommt es beim Tiefschweißen zu einer Dampfkanalbildung sowie einer Plasmaabschirmung mit den damit verbundenen, eingangs erläuterten Nachteilen.
Durch die Arbeit im Regime des Wärmeleitschweißens kann im Vergleich zum Tiefschweißen der Materialauftrag homogener erfolgen. Materialauswürfe sowie Schwankungen in der eingetragenen Leistung können vermieden werden. Zudem kann auch ein Herausschleudern von Pulvermaterial 25 aus dem Pulverbett 101 verhindert werden, so dass Verunreinigungen des Pulverbetts 101 und von Maschinenelementen der Vorrichtung 100 ebenfalls vermieden werden können. Dadurch, dass es beim Wärmeleitschweißen nicht zu einer Plasmaabschirmung kommt, kann eine Reflexion der Strahlen 13 verringert werden, so dass die Erwärmung des Pulvermaterials 25 gleichmäßiger erfolgen kann. Insgesamt können Werkstücke mit höherer Qualität additiv gefertigt werden.
10 zeigt ein Ablaufschema eines beispielhaften Verfahrens 200 zur additiven Fertigung eines Werkstücks. Das Verfahren 200 kann beispielsweise mittels einer der unter Bezugnahme auf die 2 und 3 sowie 5 bis 8 beschriebenen Vorrichtungen 1 ausgeführt werden.
Nach dem Start des Verfahrens 200 werden in einem ersten Verfahrensschritt S1 Strahlen 13 ausgesandt. Hierfür kann die Strahlungsquelle 2 genutzt werden. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Strahlen 13 um Laserstrahlen, die von mehreren Einzelstrahlungsquellen 10a, 10b, 10c, ausgesandt werden, welche zusammen die Strahlungsquelle 2 bilden.
Im folgenden Verfahrensschritt S2 wird ein nicht-rotationssymmetrischer Belichtungsbereich 3 auf einer Belichtungsfläche 4, z. B. auf einer Oberfläche 102 eines Pulverbetts 101, mittels der ausgesandten Strahlen 13 erzeugt.
Im Verfahrensschritt S3 wird im Belichtungsbereich 3 das die Belichtungsfläche 4 bildende Material, z. B. ein Pulvermaterial 25, kontinuierlich aufgeschmolzen oder gesintert, während der Belichtungsbereich 3 gemäß Verfahrensschritt S4 lateral bezüglich der Belichtungsfläche 4 bewegt wird. Mit anderen Worten verlaufen die Verfahrensschritte S3 und S4 zumindest teilweise zeitlich parallel.
Das laterale Bewegen 6 des Belichtungsbereichs 3 bezüglich der Belichtungsfläche 4 erfolgt dabei entlang eines Belichtungspfads 7, wobei eine Längserstreckungsrichtung 8 des Belichtungsbereichs 3 entlang des Belichtungspfads 4 verläuft. Die laterale Bewegung 6 wird im Ausführungsbeispiel mittels eines Projektionsobjektivs 16 durchgeführt, das im Strahlengang 15 der Strahlungsquelle 2 angeordnet ist, einen Abbildungsmaßstab m aufweist, der in mindestens einer Raumrichtung von +1 abweicht, also z. B. -1 beträgt, und lateral bezüglich der Strahlungsquelle 2 und bezüglich der Belichtungsfläche 4 verschiebbar ist. Alternativ kann die laterale Bewegung 6 auch durch Verschieben der Strahlungsquelle 2 oder des Pulverbetts 101 erreicht werden.
Während des lateralen Bewegens 6 kann optional die Leistung der Einzelstrahlungsquellen 10a, 10b, 10c, ... in Abhängigkeit der Position des Belichtungsbereichs 3 bezüglich des Belichtungspfads 7 gesteuert werden. Beispielsweise kann, sobald der Belichtungsbereich 3 eine erste Position auf der Belichtungsfläche 4 erreicht, die entsprechende Einzelstrahlungsquelle 10a, 10b, 10c, ... aktiviert und bei Erreichen einer zweiten Position wieder deaktiviert werden.
Weiter optional können die von den Einzelstrahlungsquellen 10a, 10b, 10c, ... ausgesandten Strahlen 13 in einer ersten Richtung und/oder in einer zweiten Richtung kollimiert werden.
Die Verfahrensschritte S1 bis S4 werden wiederholt, bis alle gewünschten Strukturen geschrieben worden sind, d. h. der gewünschte Materialauftrag stattgefunden hat und ein Werkstück lagenweise additiv gefertigt worden ist. Zwischen dem Schreiben der einzelnen Lagen kann neues Pulvermaterial zugeführt werden.
Insgesamt wird der Energieeintrag in das Pulvermaterial 25 derart durchgeführt, dass das Aufschmelzen bzw. Sintern im Regime des Wärmeleitschweißens erfolgt.
Bezugszeichenliste

1: Belichtungseinrichtung
2: Strahlungsquelle
3: Belichtungsbereich
4: Belichtungsfläche
5: Scaneinheit
6: laterale Bewegung
7: Belichtungspfad
8: Längserstreckungsrichtung
9: optische Einrichtung
10, 10a, 10b, 10c, ...: Einzelstrahlungsquelle
11: Steuereinheit
12, 12a, 12b, 12c, ...: Mikrolinse
13, 13a, 13b, 13c, ...: Strahl
14: Zylinderlinse
15: Strahlengang
16: Projektionsobjektiv
17: Barren
18, 181-1 bis 18n-n: Stapel
19: zweidimensionale Anordnung
20: Substrat
21: linienförmige Struktur
22: Schmelzbereich
23: Gaseinschluss
24a, 24b: Steuersignal
25: Pulvermaterial
26a, 26b: Elektrode
27: laseraktive Schicht
28a, 28b, 28c: Spiegel
100: Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Werkstücks
101: Pulverbett
102: Oberfläche
m: Abbildungsmaßstab
ΔxObjektiv: Verschiebung des Projektionsobjektivs in x-Richtung
S1: Aussenden von Strahlen
S2: Erzeugen eines nicht-rotationssymmetrischen Belichtungsbereichs auf einer Belichtungsfläche mittels der ausgesandten Strahlen
S3: Aufschmelzen oder Sintern eines die Belichtungsfläche bildenden Materials im Belichtungsbereich
S4: laterales Bewegen des Belichtungsbereichs bezüglich der Belichtungsfläche entlang eines Belichtungspfads

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2017/0021454 A1 [0010]
US 3748015 A [0081]
DE 102020122449 [0083]

Claims

Belichtungseinrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Werkstücks, aufweisend: - eine Strahlungsquelle (2), ausgebildet zur Erzeugung eines nicht-rotationssymmetrischen Belichtungsbereichs (3) auf einer Belichtungsfläche (4), und - eine Scaneinheit (5), ausgebildet zur lateralen Bewegung (6) des Belichtungsbereichs (3) bezüglich der Belichtungsfläche (4) entlang eines Belichtungspfads (7), wobei eine Längserstreckungsrichtung (8) des Belichtungsbereichs (3) entlang des Belichtungspfads (7) verläuft.
Belichtungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Strahlungsquelle (2) eine optische Einrichtung (9) zur Erzeugung des nicht-rotationssymmetrischen Belichtungsbereichs (3) aufweist.
Belichtungseinrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Strahlungsquelle (2) mehrere Einzelstrahlungsquellen (10a, 10b, 10c, ...) zur Erzeugung des nicht-rotationssymmetrischen Belichtungsbereichs (3) aufweist.
Belichtungseinrichtung (1) nach Anspruch 3, aufweisend: - eine Steuereinheit (11), ausgebildet zur Leistungssteuerung der Einzelstrahlungsquellen (10a, 10b, 10c, ...) in Abhängigkeit der Position des Belichtungsbereichs (3) bezüglich des Belichtungspfads (7).
Belichtungseinrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei die Steuereinheit (11) zur individualisierten Leistungssteuerung der Einzelstrahlungsquellen (10a, 10b, 10c, ...) ausgebildet ist.
Belichtungseinrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Strahlungsquelle (2) Diodenlaserlichtquellen, insbesondere Trapezdiodenlaserlichtquellen, und/oder Faserlaserlichtquellen aufweist.
Belichtungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, aufweisend: - Mikrolinsen (12a, 12b, 12c, ...), wobei jeder Einzelstrahlungsquelle (10a, 10b, 10c, ...) jeweils eine Mikrolinse (12a, 12b, 12c, ...) zur Kollimation der von dieser Einzelstrahlungsquelle (10a, 10b, 10c, ...) ausgesandten Strahlen (13a, 13b, 13c, ...) in einer ersten Richtung zugeordnet ist, und/oder. - eine Zylinderlinse (14), wobei die Zylinderlinse (14) zur Kollimation der von den Einzelstrahlungsquellen (10a, 10b, 10c, ...) ausgesandten Strahlen (13a, 13b, 13c, ...) in einer zweiten Richtung ausgebildet und angeordnet ist.
Belichtungseinrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Scaneinheit (5) als ein in einem Strahlengang (15) der Strahlungsquelle (2) angeordnetes Projektionsobjektiv (16) ausgebildet ist, wobei das Projektionsobjektiv (16) einen in mindestens einer Raumrichtung von +1 abweichenden Abbildungsmaßstab m aufweist und lateral bezüglich der Strahlungsquelle (2) und/oder bezüglich der Belichtungsfläche (4) verschiebbar ist.
Belichtungseinrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Strahlungsquelle (2) mehrere in Form eines Barren (17) angeordnete Einzelstrahlungsquellen (10a, 10b, 10c, ...) aufweist, mehrere Barren (17) einen Stapel (18,18_1-1 bis 18_n-n) bilden und mehrere Stapel (18, 18_1-1 bis 18_n-n) eine zweidimensionale Anordnung (19) ausbilden.
Vorrichtung (100) zur additiven Fertigung eines Werkstücks, aufweisend: - ein Pulverbett (101), dessen Oberfläche (102) die Belichtungsfläche (4) bildet, und eine Belichtungseinrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Laserlichtquelle zur Bestrahlung einer Projektionsfläche, aufweisend: - ein aus mehreren Trapezdiodenlaserlichtquellen gebildetes Laserlichtquellenarray und - eine Kollimationseinheit mit einer Zylinderlinse (14) und mehreren Einzellinsen, wobei die Zylinderlinse (14) zur Kollimation der von den Trapezdiodenlaserlichtquellen ausgesandten Laserstrahlen in Richtung der schnellen Achsen ausgebildet ist und wobei jeder Trapezdiodenlaserlichtquelle jeweils eine Einzellinse zugeordnet ist, die zur Kollimation der von dieser Trapezdiodenlaserlichtquelle ausgesandten Laserstrahlen in Richtung der langsamen Achse ausgebildet ist.
Laserlichtquelle nach Anspruch 11, wobei mehrere Trapezdiodenlaserlichtquellen in Form eines Barrens (17) angeordnet sind, mehrere Barren (17) einen Stapel (18, 18_1-1 bis 18_n-n) bilden und mehrere Stapel (18, 18_1-1 bis 18_n-n) eine zweidimensionale Stapelarrayanordnung (19) ausbilden.
Vorrichtung zum Erzeugen von Abbildern einer Laserlichtquelle auf einer Projektionsfläche, aufweisend: - eine Laserlichtquelle gemäß Anspruch 11 oder 12, - eine Projektionsfläche und - eine Scaneinrichtung, ausgebildet zur lateralen Bewegung eines Abbilds der Laserlichtquelle bezüglich der Projektionsfläche.
Vorrichtung nach Anspruch 13, aufweisend: - eine Steuereinheit, ausgebildet zur individuellen Leistungssteuerung der Trapezdiodenlaserlichtquellen in Abhängigkeit der Position des Abbilds bezüglich der Projektionsfläche.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Steuereinheit derart zur individuellen Leistungssteuerung und/oder die Scaneinrichtung derart zur lateralen Bewegung des Abbilds ausgebildet sind, dass der Leistungseintrag in einen zu bestrahlenden Punkt auf der Projektionsfläche durch mehrere der Trapezdiodenlaserlichtquellen erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Scaneinrichtung als ein in einem Strahlengang zwischen der Laserlichtquelle und der Projektionsfläche angeordnetes Projektionsobjektiv (16) ausgebildet ist, wobei das Projektionsobjektiv (16) einen in mindestens einer Raumrichtung von +1 abweichenden Abbildungsmaßstab m aufweist und lateral bezüglich der Laserlichtquelle und/oder bezüglich der Projektionsfläche verschiebbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Projektionsobjektiv (16) ein refraktives Objektiv oder ein Spiegelobjektiv ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die Projektionsfläche eine Oberfläche (102) eines Pulverbetts (101) ist.
Verfahren (200) zur additiven Fertigung eines Werkstücks, aufweisend: - S1: Aussenden von Strahlen (13), - S2: Erzeugen eines nicht-rotationssymmetrischen Belichtungsbereichs (3) auf einer Belichtungsfläche (4) mittels der ausgesandten Strahlen (13), - S4: laterales Bewegen (6) des Belichtungsbereichs (3) bezüglich der Belichtungsfläche (4) entlang eines Belichtungspfads (7), wobei eine Längserstreckungsrichtung (8) des Belichtungsbereichs (3) entlang des Belichtungspfads (7) verläuft, und - S3: Aufschmelzen oder Sintern eines die Belichtungsfläche (4) bildenden Materials im Belichtungsbereich (3).
Verfahren (200) nach Anspruch 19, wobei die Strahlen (13) mittels mehrerer Einzelstrahlungsquellen (10a, 10b, 10c, ...) ausgesandt werden, aufweisend: - Steuern einer Leistung der Einzelstrahlungsquellen (10a, 10b, 10c, ...) in Abhängigkeit der Position des Belichtungsbereichs (3) bezüglich des Belichtungspfads (7).
Verfahren (200) nach Anspruch 20, aufweisend: - Kollimieren der von den Einzelstrahlungsquellen (10a, 10b, 10c, ...) ausgesandten Strahlen (13) in einer ersten Richtung und/oder einer zweiten Richtung.
Verfahren (200) nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei das Aufschmelzen oder Sintern des die Belichtungsfläche (4) bildenden Materials im Regime des Wärmeleitschweißens erfolgt.
Verfahren zum Erzeugen von Abbildern mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, aufweisend: - Aussenden von Laserstrahlen mittels der Laserlichtquelle, - Erzeugen eines Abbilds der Laserlichtquelle auf der Projektionsfläche mittels der ausgesandten Laserstrahlen, und - laterales Bewegen des Abbilds bezüglich der Projektionsfläche.
Verfahren nach Anspruch 23, aufweisend: - Steuern einer Leistung der Trapezdiodenlaserlichtquellen in Abhängigkeit der Position des Abbilds bezüglich der Projektionsfläche.