DE102021209506A1 - Multi-spot laser device and method for producing a workpiece - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Werkstücks durch selektives Laserschmelzen mittels einer Multi-Spot-Laservorrichtung. Eine Strahlformeinrichtung kann einen Laserstrahl in eine Vielzahl von Strahlen aufteilen, um gleichzeitig eine Vielzahl von Laserspots auf den Werkstoff zu richten. Informationen bezüglich technischer Merkmale der Multi-Spot-Laservorrichtung werden vorgegeben. Weiter werden Informationen bezüglich schichtweise zu belichtender Flächen des Werkstoffs zum Erzeugen des Werkstücks vorgegeben. Weiter wird mindestens eine Flächenunterteilung erstellt. Für jede zu belichtende Fläche und jede Flächenunterteilung werden die Zellen der Flächenunterteilung klassifiziert, wobei die Flächenunterteilung über die zu belichtende Fläche gelegt wird, und wobei das Klassifizieren der Zellen in Abhängigkeit von einem Überlappungsgrad der zu belichtenden Fläche mit der jeweiligen Zelle erfolgt. Ein Belichtungsablauf zum Belichten des zu verarbeitenden Werkstoffs mittels der Multi-Spot-Laservorrichtung wird ermittelt, in Abhängigkeit von den Informationen bezüglich der technischen Merkmale der Multi-Spot-Laservorrichtung und von der Klassifizierung der Zellen der mindestens einen Flächenunterteilung für jede zu belichtende Fläche. Das Werkstück wird durch Belichten des zu verarbeitenden Werkstoffs mittels der Multi-Spot-Laservorrichtung anhand des ermittelten Belichtungsablaufs erzeugt.The invention relates to a method for producing a workpiece by selective laser melting using a multi-spot laser device. A beam shaping device can split a laser beam into a large number of beams in order to direct a large number of laser spots onto the material at the same time. Information on technical features of the multi-spot laser device is given. Furthermore, information regarding surfaces of the material to be exposed in layers to produce the workpiece is specified. At least one surface subdivision is also created. For each area to be exposed and each area subdivision, the cells of the area subdivision are classified, the area subdivision being superimposed over the area to be exposed, and the cells being classified as a function of a degree of overlap of the area to be exposed with the respective cell. An exposure sequence for exposing the material to be processed using the multi-spot laser device is determined, depending on the information regarding the technical characteristics of the multi-spot laser device and on the classification of the cells of the at least one surface subdivision for each surface to be exposed. The workpiece is created by exposing the material to be processed using the multi-spot laser device based on the exposure sequence determined.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Erzeugen eines Werkstücks durch selektives Laserschmelzen mittels einer Multi-Spot-Laservorrichtung. Weiter betrifft die Erfindung eine entsprechende Multi-Spot-Laservorrichtung.The present invention relates to methods for producing a workpiece by selective laser melting using a multi-spot laser device. The invention further relates to a corresponding multi-spot laser device.
Stand der TechnikState of the art
Verfahren der additiven Fertigung für die Verarbeitung metallischer Werkstoffe nehmen einen immer bedeutenderen Platz in der Industrie ein. Ein vielversprechender Vertreter dieser Fertigungstechnologie ist das selektive Laserschmelzen (englisch: Powder Bed Fusion with Laser Beam, PBF-LB), welches neue Wege bei der Herstellung von hochkomplexen Metallbauteilen ermöglicht.Additive manufacturing processes for processing metallic materials are becoming increasingly important in industry. A promising representative of this manufacturing technology is selective laser melting (Powder Bed Fusion with Laser Beam, PBF-LB), which enables new ways of manufacturing highly complex metal components.
Aus der
Weiter ist aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Erzeugen eines Werkstücks durch selektives Laserschmelzen mittels einer Multi-Spot-Laservorrichtung sowie eine Multi-Spot-Laservorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereit.The invention provides a method for producing a workpiece by selective laser melting using a multi-spot laser device and a multi-spot laser device having the features of the independent patent claims.
Beim selektiven Laserschmelzen (englisch: Powder Bed Fusion with Laser Beam, PBF-LB), wird zur Herstellung von hochkomplexen Metallbauteilen metallisches Pulver als Ausgangsmaterial und ein Laser zum Aufschmelzen des Pulvers verwendet. Das Aufschmelzen geschieht selektiv im Pulverbett. Durch Wiederholung der Prozessfolge kann so Schicht für Schicht ein komplexes Bauteil aufgebaut werden. Der Prozess findet vorzugsweise in einer Schutzgasatmosphäre statt.In selective laser melting (Powder Bed Fusion with Laser Beam, PBF-LB), metallic powder is used as the starting material for the production of highly complex metal components and a laser is used to melt the powder. Melting takes place selectively in the powder bed. By repeating the process sequence, a complex component can be built up layer by layer. The process preferably takes place in a protective gas atmosphere.
Ein wesentlicher Anteil an der Produktivität der Anlagen und damit des selektiven Laserschmelzens hat dabei die Bahnplanung für die Lasersysteme. Das erfindungsgemäße Verfahren trägt in vorteilhafter Weise zu einer hohen Produktivität bei.The path planning for the laser systems plays a significant part in the productivity of the systems and thus of the selective laser melting. The method according to the invention advantageously contributes to high productivity.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.Preferred embodiments are the subject of the respective dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein Verfahren zum Erzeugen eines Werkstücks durch selektives Laserschmelzen mittels einer Multi-Spot-Laservorrichtung, wobei die Multi-Spot-Laservorrichtung mindestens einen Laser zum Erzeugen eines Laserstrahls aufweist, und wobei die Multi-Spot-Laservorrichtung eine Strahlformeinrichtung aufweist, um den Laserstrahl auf einen zu verarbeitenden Werkstoff zu richten. Die Strahlformeinrichtung kann den Laserstrahl in eine Vielzahl von Strahlen aufteilen, um gleichzeitig eine Vielzahl von Laserspots auf den Werkstoff zu richten. Informationen bezüglich technischer Merkmale der Multi-Spot-Laservorrichtung werden vorgegeben. Weiter werden Informationen bezüglich schichtweise zu belichtender Flächen des Werkstoffs zum Erzeugen des Werkstücks vorgegeben. Weiter wird mindestens eine Flächenunterteilung mit einer Vielzahl von Zellen erstellt. Für jede zu belichtende Fläche und jede Flächenunterteilung werden die Zellen der Flächenunterteilung klassifiziert, wobei die Flächenunterteilung über die zu belichtende Fläche gelegt wird, und wobei das Klassifizieren der Zellen in Abhängigkeit von einemAccording to a first aspect, the invention relates to a method for producing a workpiece by selective laser melting using a multi-spot laser device, the multi-spot laser device having at least one laser for generating a laser beam, and the multi-spot laser device having a Has beam shaping device to direct the laser beam to a material to be processed. The beam shaping device can split the laser beam into a large number of beams in order to direct a large number of laser spots onto the material at the same time. Information on technical features of the multi-spot laser device is given. Furthermore, information regarding surfaces of the material to be exposed in layers to produce the workpiece is specified. At least one surface subdivision with a large number of cells is also created. For each area to be exposed and each area subdivision, the cells of the area subdivision are classified, the area subdivision being superimposed over the area to be exposed, and the classification of the cells depending on a
Überlappungsgrad der zu belichtenden Fläche mit der jeweiligen Zelle erfolgt. Ein Belichtungsablauf zum Belichten des zu verarbeitenden Werkstoffs mittels der Multi-Spot-Laservorrichtung wird ermittelt, in Abhängigkeit von den Informationen bezüglich der technischen Merkmale der Multi-Spot-Laservorrichtung und von der Klassifizierung der Zellen der mindestens einen Flächenunterteilung für jede zu belichtende Fläche. Das Werkstück wird durch Belichten des zu verarbeitenden Werkstoffs mittels der Multi-Spot-Laservorrichtung anhand des ermittelten Belichtungsablaufs erzeugt.degree of overlapping of the area to be exposed with the respective cell. An exposure sequence for exposing the material to be processed using the multi-spot laser device is determined, depending on the information regarding the technical characteristics of the multi-spot laser device and on the classification of the cells of the at least one surface subdivision for each surface to be exposed. The workpiece is created by exposing the material to be processed using the multi-spot laser device based on the exposure sequence determined.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Multi-Spot-Laservorrichtung zum Erzeugen eines Werkstücks durch selektives Laserschmelzen, mit mindestens einem Laser, welcher dazu ausgebildet ist, einen Laserstrahl zu erzeugen, und mit einer Strahlformeinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, den Laserstrahl auf einen zu verarbeitenden Werkstoff zu richten, wobei die Strahlformeinrichtung weiter dazu ausgebildet ist, den Laserstrahl in eine Vielzahl von Strahlen aufzuteilen, um gleichzeitig eine Vielzahl von Laserspots auf den Werkstoff zu richten. Weiter umfasst die Multi-Spot-Laservorrichtung eine Steuereinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, mindestens eine Flächenunterteilung mit einer Vielzahl von Zellen zu erzeugen. Die Steuereinrichtung ist weiter dazu ausgebildet, für jede zu belichtende Fläche einer Vielzahl von schichtweise zu belichtenden Flächen und für jede Flächenunterteilung die Zellen der Flächenunterteilung zu klassifizieren, wobei die Flächenunterteilung über die zu belichtende Fläche gelegt wird, und wobei das Klassifizieren der Zellen in Abhängigkeit von einem Überlappungsgrad der zu belichtenden Fläche mit der jeweiligen Zelle erfolgt. Die Steuereinrichtung ist weiter dazu ausgebildet, einen Belichtungsablauf zum Belichten des zu verarbeitenden Werkstoffs zu ermitteln, in Abhängigkeit von Informationen bezüglich technischer Merkmale der Multi-Spot-Laservorrichtung und von der Klassifizierung der Zellen der mindestens einen Flächenunterteilung für jede zu belichtende Fläche. Die Steuereinrichtung ist weiter dazu ausgebildet, den mindestens einen Laser und die Strahlformeinrichtung anzusteuern, um das Werkzeug durch Belichten des zu verarbeitenden Werkstoffs anhand des ermittelten Belichtungsablaufs zu erzeugen.According to a second aspect, the invention relates to a multi-spot laser device for producing a workpiece by selective laser melting, with at least one laser, which is designed to generate a laser beam, and with a beam shaping device, which is designed to direct the laser beam onto a to direct the material to be processed, wherein the beam shaping device is further designed to split the laser beam into a plurality of beams in order to direct a plurality of laser spots onto the material at the same time. The multi-spot laser device also includes a control device which is designed to generate at least one area subdivision with a multiplicity of cells. The controller is further designed for classifying each area to be exposed of a plurality of areas to be exposed in layers and for each area division the cells of the area division, the area division being superimposed on the area to be exposed, and the classification of the cells depending on a degree of overlap of the area to be exposed with the respective cell takes place. The control device is also designed to determine an exposure sequence for exposing the material to be processed, depending on information regarding technical features of the multi-spot laser device and on the classification of the cells of the at least one area subdivision for each area to be exposed. The control device is also designed to control the at least one laser and the beam shaping device in order to produce the tool by exposing the material to be processed using the exposure sequence determined.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention
Die Erfindung stellt eine Multi-Spot-Laservorrichtung bereit, welches im Gegensatz zu Multi-Scanner-Systemen eine Vervielfältigung der Laserstrahlen durch eine Strahlteilung bzw. eine Strahlformung erreicht. Vorteilhaft ist dabei, dass nur ein optisches System notwendig ist. Bei Multi-Scanner-Systemen ist die maximale Anzahl der Scanner beschränkt und somit auch die maximale Anzahl an verfügbaren Laserspots, welche zum Aufschmelzen verwendet werden können. Mit einer Multi-Spot-Laservorrichtung kann die Anzahl der Spots erhöht werden, da die verfügbare Laserleistung auf beliebig viele Spots verteilt werden kann.The invention provides a multi-spot laser device which, in contrast to multi-scanner systems, achieves a multiplication of the laser beams by beam splitting or beam shaping. The advantage here is that only one optical system is required. With multi-scanner systems, the maximum number of scanners is limited and thus also the maximum number of available laser spots that can be used for melting. The number of spots can be increased with a multi-spot laser device, since the available laser power can be distributed over any number of spots.
Anders als bei Multi-Scanner-Systemen mit unterschiedlichen Lasern (Hülle-Kern) ist bei einer Multi-Spot-Laservorrichtung, welche über die Möglichkeit der Strahlformung verfügt, somit eine nahezu unbegrenzte Anzahl an möglichen Spot-Anordnungen möglich und damit eine Optimierung der Bahnplanung beliebig komplex. Die Erfindung stellt ein Verfahren zur optimalen Bahnplanung bereit, d. h. zur Bestimmung des Belichtungsablaufs. Bei der Optimierung wird ermittelt, welche Spotanordnung am besten geeignet ist, um so schnell und präzise wie möglich eine vorgegebene Applikation bereitzustellen. Die Spotanordnung kann dabei von einzelnen Laserspots zu breiteren Multi-Spots reichen.In contrast to multi-scanner systems with different lasers (shell-core), a multi-spot laser device, which has the option of beam shaping, allows an almost unlimited number of possible spot arrangements and thus optimizes path planning arbitrarily complex. The invention provides a method for optimal path planning, i. H. to determine the exposure sequence. Optimization determines which spot arrangement is best suited to providing a given application as quickly and precisely as possible. The spot arrangement can range from individual laser spots to broader multi-spots.
Im Allgemeinen können die Geometrien und die Spotanordnungen beliebig sein. Die Erfindung stellt ein Verfahren bereit, um die Multi-Spot-Laservorrichtung maximal auszulasten.In general, the geometries and the spot arrangements can be arbitrary. The invention provides a method for making maximum use of the multi-spot laser device.
Bei der Flächenunterteilung kann es sich um ein Raster handeln, welches aus regelmäßig über eine Fläche verteilten Zellen aufgebaut ist. Das Raster kann insbesondere aus Quadraten oder Rechtecken aufgebaut sein. Die Flächenunterteilung kann jedoch auch aus unregelmäßigen Zellen gebildet werden, deren Form oder Orientierung sich etwa für verschiedene räumliche Bereiche unterscheiden können.The subdivision of the area can be a grid that is made up of cells that are regularly distributed over an area. In particular, the grid can be made up of squares or rectangles. However, the surface subdivision can also be formed from irregular cells, the shape or orientation of which can differ for different spatial areas, for example.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Erzeugen eines Werkstücks durch selektives Laserschmelzen mittels einer Multi-Spot-Laservorrichtung umfasst die Multi-Spot-Laservorrichtung weiter mindestens einen Single-Spot-Laser.According to a further embodiment of the method for producing a workpiece by selective laser melting using a multi-spot laser device, the multi-spot laser device further comprises at least one single-spot laser.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Erzeugen eines Werkstücks durch selektives Laserschmelzen mittels einer Multi-Spot-Laservorrichtung umfassen die Informationen bezüglich technischer Merkmale der Multi-Spot-Laservorrichtung mindestens eines von technischen Merkmalen der Strahlformeinrichtung, einer Laserleistung des mindestens einen Lasers, einer Belichtungsart des mindestens einen Lasers, mindestens einem Qualitätskennwert des mindestens einen Lasers, einer Fokuslage, einem Abstand der Laserspots und einer Ausdehnung der Laserspots. Diese Informationen dienen als Randbedingungen für die Optimierung des Belichtungsablaufs.According to a further embodiment of the method for producing a workpiece by selective laser melting using a multi-spot laser device, the information regarding technical features of the multi-spot laser device includes at least one of technical features of the beam shaping device, a laser power of the at least one laser, an exposure type of the at least one laser, at least one quality parameter of the at least one laser, a focus position, a distance between the laser spots and an extent of the laser spots. This information serves as boundary conditions for optimizing the exposure process.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Erzeugen eines Werkstücks durch selektives Laserschmelzen mittels einer Multi-Spot-Laservorrichtung wird eine Vielzahl von Flächenunterteilungen erzeugt, wobei zum Ermitteln des Belichtungsablaufs anhand eines Optimierungskriteriums eine Flächenunterteilung ausgewählt wird und der Belichtungsablauf anhand der ermittelten Flächenunterteilung ermittelt wird. Die Flächenunterteilungen können sich durch ihre Orientierung, Zellanzahl und/oder Zellform voneinander unterscheiden.According to a further embodiment of the method for producing a workpiece by selective laser melting using a multi-spot laser device, a multiplicity of surface subdivisions are produced, with a surface subdivision being selected to determine the exposure process using an optimization criterion and the exposure process being determined based on the surface subdivision determined. The surface subdivisions can differ from one another in terms of their orientation, number of cells and/or cell shape.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Erzeugen eines Werkstücks durch selektives Laserschmelzen mittels einer Multi-Spot-Laservorrichtung werden zum Ermitteln des Belichtungsablaufs für jede zu belichtende Fläche für jede Zelle Prozessparameter der Multi-Spot-Laservorrichtung zum Belichten der Zelle ermittelt. Die Prozessparameter umfassen etwa eine Belichtungszeit, Spotanzahl, Position der Spots oder dergleichen.According to a further embodiment of the method for producing a workpiece by selective laser melting using a multi-spot laser device, process parameters of the multi-spot laser device for exposing the cell are determined for determining the exposure sequence for each area to be exposed for each cell. The process parameters include an exposure time, number of spots, position of the spots or the like.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Erzeugen eines Werkstücks durch selektives Laserschmelzen mittels einer Multi-Spot-Laservorrichtung werden die Prozessparameter anhand eines Optimierungskriteriums ermittelt.According to a further embodiment of the method for producing a workpiece by selective laser melting using a multi-spot laser device, the process parameters are determined using an optimization criterion.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Erzeugen eines Werkstücks durch selektives Laserschmelzen mittels einer Multi-Spot-Laservorrichtung umfasst das Optimierungskriterium mindestens eines von Kriterien bezüglich einer Präzision von Strukturen des zu erzeugenden Werkstücks, Kriterien bezüglich eines geringsten Verzugs des Werkstücks, Kriterien bezüglich einer zum Erzeugen des Werkstücks erforderlichen Belichtungsdauer und Kriterien bezüglich einer Dichte des zu erzeugenden Werkstücks. Es können auch mehrere Kriterien gleichzeitig optimiert werden.According to a further embodiment of the method for producing a workpiece by selective laser melting using a multi-spot laser device comprises the optimization criterion at least one of criteria relating to a precision of structures of the workpiece to be produced, criteria relating to minimum distortion of the workpiece, criteria relating to an exposure time required to produce the workpiece and criteria relating to a density of the workpiece to be produced. Several criteria can also be optimized at the same time.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Erzeugen eines Werkstücks durch selektives Laserschmelzen mittels einer Multi-Spot-Laservorrichtung umfasst das Optimierungskriterium eine Annäherung der effektiven Aufbaurate an die theoretisch maximale Aufbaurate.According to a further embodiment of the method for producing a workpiece by selective laser melting using a multi-spot laser device, the optimization criterion includes an approximation of the effective build-up rate to the theoretically maximum build-up rate.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Erzeugen eines Werkstücks durch selektives Laserschmelzen mittels einer Multi-Spot-Laservorrichtung erfolgt das Klassifizieren, für jede zu belichtende Fläche und jede Flächenunterteilung, der Zellen der Flächenunterteilung weiter in Abhängigkeit von einem Überhang der zu belichtenden Fläche mit mindestens einer in einer Schicht über der zu belichtenden Fläche befindlichen weiteren zu belichtenden Fläche und/oder in Abhängigkeit von einem Unterhang der zu belichtenden Fläche mit mindestens einer in einer Schicht unter der zu belichtenden Fläche befindlichen weiteren zu belichtenden Fläche. Flächen mit Unterhang oder Überhang können speziell bearbeitet werden, etwa mit vorgegebenen Prozessparametern bzw. Einstellungen des mindestens einen Lasers.According to a further embodiment of the method for producing a workpiece by selective laser melting using a multi-spot laser device, for each area to be exposed and each area subdivision, the cells of the area subdivision are further classified as a function of an overhang of the area to be exposed with at least one further surface to be exposed in a layer above the surface to be exposed and/or depending on an underhang of the surface to be exposed with at least one further surface to be exposed in a layer below the surface to be exposed. Surfaces with an underhang or overhang can be specially processed, for example with predetermined process parameters or settings of the at least one laser.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Erzeugen eines Werkstücks durch selektives Laserschmelzen mittels einer Multi-Spot-Laservorrichtung kann zum Klassifizieren der Zellen der Flächenunterteilung die Flächenunterteilung bei einer nur teilweisen Überlappung der zu belichtenden Fläche mit der jeweiligen Zelle in feinere Zellen unterteilt werden. Die Zellen können etwa halbiert, geviertelt usw. werden.According to a further embodiment of the method for producing a workpiece by selective laser melting using a multi-spot laser device, in order to classify the cells of the surface subdivision, the surface subdivision can be subdivided into finer cells if the surface to be exposed overlaps only partially with the respective cell. The cells can be roughly halved, quartered, etc.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Erzeugen eines Werkstücks durch selektives Laserschmelzen mittels einer Multi-Spot-Laservorrichtung wird die mindestens eine Flächenunterteilung in Abhängigkeit von den Informationen bezüglich technischer Merkmale der Multi-Spot-Laservorrichtung erzeugt.According to a further embodiment of the method for producing a workpiece by selective laser melting using a multi-spot laser device, the at least one surface subdivision is produced as a function of the information regarding technical features of the multi-spot laser device.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Erzeugen eines Werkstücks durch selektives Laserschmelzen mittels einer Multi-Spot-Laservorrichtung umfasst das Klassifizieren der Zellen der Flächenunterteilung das Klassifizieren in Vollflächen oder Teilflächen, je nachdem, ob das zu erzeugende Werkstück die Zelle vollständig oder nur teilweise ausfüllt.According to a further embodiment of the method for producing a workpiece by selective laser melting using a multi-spot laser device, the classification of the cells of the area subdivision includes the classification into full areas or partial areas, depending on whether the workpiece to be produced completely or only partially fills the cell.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Erzeugen eines Werkstücks durch selektives Laserschmelzen mittels einer Multi-Spot-Laservorrichtung wird zur Reduktion von Rechenaufwand die Anzahl der Prozessparameter reduziert. Etwa können nur wesentliche Spots berücksichtigt werden, etwa mit einer Zellengröße von 1 x n mit n = 2, 4, 6, 8, 10.According to a further embodiment of the method for producing a workpiece by selective laser melting using a multi-spot laser device, the number of process parameters is reduced in order to reduce the computing effort. For example, only essential spots can be considered, for example with a cell size of 1 x n with n = 2, 4, 6, 8, 10.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Erzeugen eines Werkstücks durch selektives Laserschmelzen wird das Verfahren parallel durchgeführt, d. h. in einem Multikern-Verfahren. Dazu wird beispielsweise jede Flächenunterteilung (etwa mit unterschiedlichen Winkeln) von einem Prozessor-Kern berechnet und für diesen Winkel wird eine Aufbaurate (oder ein anderes gewähltes Qualitätskriterium) berechnet. Diese Aufbauraten werden im Anschluss verglichen und die Flächenunterteilung mit dem optimalen Wert wird ausgewählt.According to a further embodiment of the method for producing a workpiece by selective laser melting, the method is carried out in parallel, i. H. in a multi-core process. For this purpose, for example, each surface subdivision (e.g. with different angles) is calculated by a processor core and a build rate (or another selected quality criterion) is calculated for this angle. These build rates are then compared and the subdivision with the optimal value is selected.
Figurenlistecharacter list
Es zeigen:
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1 ein schematisches Blockdiagramm einer Multi-Spot-Laservorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; -
2 eine schematische Darstellung unterschiedlich dimensionierter zu belichtender Flächen; -
3 eine schematische Darstellung der effektiven Aufbaurate für verschiedene Nutzungsgrade; -
4 eine schematische Illustration der Erzeugung und Klassifizierung von Flächenunterteilungen; -
5 eine schematische Illustration der feineren Unterteilung von Zellen; und -
6 ein Flussdiagramm zum Erzeugen eines Werkstücks durch selektives Laserschmelzen mittels einer Multi-Spot-Laservorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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1 12 is a schematic block diagram of a multi-spot laser device according to an embodiment of the invention; -
2 a schematic representation of differently dimensioned areas to be exposed; -
3 a schematic representation of the effective build-up rate for different degrees of utilization; -
4 a schematic illustration of the generation and classification of surface subdivisions; -
5 a schematic illustration of the finer subdivision of cells; and -
6 a flowchart for producing a workpiece by selective laser melting using a multi-spot laser device according to an embodiment of the invention.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll im Allgemeinen keine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.Elements and devices that are the same or have the same function are provided with the same reference symbols in all figures. The numbering of method steps is for the sake of clarity and should not generally imply a specific chronological order. In particular, several method steps can also be carried out simultaneously.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments
Der Laser 2 erzeugt einen Laserstrahl, welcher mittels einer Strahlformeinrichtung 3 auf einen zu verarbeitenden Werkstoff gerichtet wird. Die Strahlformeinrichtung 3 kann den Laserstrahl hierzu in eine Vielzahl von Strahlen (Multi-Spot) aufzuteilen, um gleichzeitig eine Vielzahl von Laserspots auf den Werkstoff zu richten. Zusätzlich können auch Single-Spot-Laser vorgesehen sein. The
Weiter umfasst die Multi-Spot-Laservorrichtung eine Steuereinrichtung 4, welche einen Mikroprozessor, Mikrocontroller, integrierten Schaltkreis oder dergleichen umfassen kann. Die Steuereinrichtung 4 berechnet mindestens eine Flächenunterteilung mit einer Vielzahl von Zellen. Weiter erhält die Steuereinrichtung 4 als Input Informationen über das zu erzeugende Werkstücks. Insbesondere umfassen die Informationen eine Anzahl von Schichten bzw. zu belichtenden Flächen, sowie Informationen, welche Abschnitte der jeweiligen zu belichtenden Flächen belichtet werden sollen.The multi-spot laser device also includes a control device 4, which can include a microprocessor, microcontroller, integrated circuit or the like. The control device 4 calculates at least one area subdivision with a large number of cells. The control device 4 also receives information about the workpiece to be produced as input. In particular, the information includes a number of layers or areas to be exposed, as well as information about which sections of the respective areas to be exposed are to be exposed.
Für jede zu belichtende Fläche der schichtweise zu belichtenden Flächen und für jede Flächenunterteilung klassifiziert die Steuereinrichtung 4 die Zellen der Flächenunterteilung. Dazu legt die Steuereinrichtung 4 die Flächenunterteilung über die zu belichtende Fläche. Je nachdem, ob die Zelle vollständig oder nur teilweise belichtet wird, kann die Zelle als Vollfläche oder Teilfläche klassifiziert werden. Die Klassifizierung hängt somit von einem Überlappungsgrad der zu belichtenden Fläche mit der jeweiligen Zelle ab.For each area to be exposed of the areas to be exposed in layers and for each area subdivision, the control device 4 classifies the cells of the area subdivision. For this purpose, the control device 4 places the area subdivision over the area to be exposed. Depending on whether the cell is fully or only partially exposed, the cell can be classified as full area or partial area. The classification thus depends on a degree of overlap of the area to be exposed with the respective cell.
Die Steuereinrichtung 4 führt nun eine Bahnplanung durch, ermittelt somit einen Belichtungsablauf zum Belichten des zu verarbeitenden Werkstoffs. Bei der Planung wird ein Optimierungsalgorithmus verwendet, wobei als Randbedingungen Informationen bezüglich technischer Merkmale der Multi-Spot-Laservorrichtung 1 verwendet werden. Auch Eigenschaften des Werkstoffs 5, welcher belichtet wird, um das Werkstück zu erzeugen, können als Randbedingungen vorgegeben werden. Beispielsweise kann die Werkstoffgruppe angegeben werden.The control device 4 now carries out path planning, thus determining an exposure sequence for exposing the material to be processed. An optimization algorithm is used in the planning, with information regarding technical features of the
Die Eigenschaften bezüglich der technischen Merkmale der Multi-Spot-Laservorrichtung 1 umfassen etwa bei dynamischer Strahlteilung die Phasenmaske, bei statischer Strahlteilung das verwendete diffraktive optische Element, die gesamte verwendete Laserleistung, die Laserverfahrgeschwindigkeit, die Belichtungsart (ob etwa eine alternierende Belichtung möglich ist), Qualitätskennwerte wie eine erreichbare Dichte, eine theoretische Aufbaurate, einen finalen Verzug oder eine Fokuslage.The properties relating to the technical features of the
Weiter können passive Eigenschaften als Randbedingungen vorgegeben werden, etwa ein Multispot-Abstand, welcher sich aus der gewählten Phasenmaske in Kombination mit der angewendeten Leistung und Verfahrgeschwindigkeit des Lasers ergibt. Eine weitere passive Eigenschaft ist die Laserleistung pro Spot, welche von der gesamten verwendeten Laserleistung, der Phasenmaske und den diffraktiven optischen Elementen abhängig ist.Furthermore, passive properties can be specified as boundary conditions, such as a multi-spot distance, which results from the selected phase mask in combination with the power used and the traversing speed of the laser. Another passive property is the laser power per spot, which depends on the total laser power used, the phase mask and the diffractive optical elements.
Weiter können die thermophysikalischen Eigenschaften des Werkstoffes berücksichtigt werden, welche Einfluss auf die Wirksamkeit der Prozessparameter haben können. Die theoretischen Aufbauraten können beispielsweise aus den verwendeten Prozessparametern (etwa Laserverfahrgeschwindigkeit und Multispot-Abstand) und den Fähigkeiten des optischen Systems (etwa Sprungzeiten) quantitativ bestimmt werden.Furthermore, the thermophysical properties of the material can be taken into account, which can influence the effectiveness of the process parameters. The theoretical build-up rates can be determined quantitatively, for example, from the process parameters used (e.g. laser travel speed and multi-spot distance) and the capabilities of the optical system (e.g. jump times).
Eine weitere Eingabe für die Optimierung ist die Klassifizierung der Zellen der mindestens einen Flächenunterteilung für jede zu belichtende Fläche, wodurch angegeben wird, welche Zellen vollständig oder teilweise belichtet werden müssen.Another input to the optimization is the classification of the cells of the at least one surface subdivision for each surface to be exposed, indicating which cells need to be fully or partially exposed.
Nachdem die Steuereinrichtung 4 die Bahnplanung durchgeführt hat, sendet die Steuereinrichtung 4 ein Ansteuersignal an den Laser 2 und die Strahlformeinrichtung 3, um diese derart anzusteuern, dass das Werkzeug durch Belichten des zu verarbeitenden Werkstoffs 5 anhand des ermittelten Belichtungsablaufs erzeugt wird.After the control device 4 has carried out the path planning, the control device 4 sends a control signal to the
In
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Hierzu werden in einem Schritt S1 Informationen bezüglich technischer Merkmale der Multi-Spot-Laservorrichtung 1 und der verwendeten Werkstoffe 5 vorgegeben. Weiter werden Informationen bezüglich des zu erstellenden Bauteils erzeugt bzw. empfangen, S2. Es erfolgt eine Vorverarbeitung, indem die zu belichtenden Flächen (Schichten) ermittelt werden, S3. Die Schichtbilder bzw. zu belichtenden Flächen hängen dabei im Wesentlichen von der Bauteilgeometrie sowie von der verwendeten Schichtdicke ab, können aber nahezu beliebig aussehen.For this purpose, information regarding technical features of the
Mindestens einen Qualitätskriterium, welches optimiert werden soll, wird vorgegeben, S4. Qualitätskriterien umfasst etwa eine effektive Aufbaurate, eine Dichte des zu erzeugenden Werkstücks, einen Verzug des Werkstücks oder andere Eigenschaften des Werkstücks.At least one quality criterion that is to be optimized is specified, S4. Quality criteria include, for example, an effective build-up rate, a density of the workpiece to be produced, a distortion of the workpiece or other properties of the workpiece.
Weiter wird die Architektur der Multi-Spot-Laservorrichtung 1 vorgegeben, S5, etwa die Anzahl der verfügbaren Multi-Spot-Laser 2, die Anzahl von möglicherweise vorhandenen Single-Spot-Lasern, Informationen, wie schnell optische Elemente geschaltet werden können, oder Informationen, ob ein steuerbares Prisma vorhanden ist.The architecture of the
Anhand der Informationen bezüglich der technischen Merkmale der Multi-Spot-Laservorrichtung 1 und der Qualitätskriterien kann eine Vorauswahl geeigneter Werkzeuge erfolgen, S7. Anhand dieser Vorauswahl werden passende periodische Raster erzeugt, S8. Dabei kann es sich um ein Rechteck-Raster handeln oder ein anderes streng periodisches Raster, etwa ein hexagonales Raster oder dergleichen. Es können jedoch auch nichtperiodische Flächenunterteilungen anstelle des Rasters gewählt werden. Die Größe der Zellen des Rasters kann anhand der passiven Eigenschaften gewählt werden, sodass die Gesamtanzahl der Zellen klein gehalten wird. Die Wahl des Rasters, etwa bezüglich Größe oder Art, kann bei der Beurteilung für den Einsatz der unterschiedlichen Laser 2 für die Bearbeitung eines Bauteils bzw. eines Baujobs am Anfang einmalig auf einen oder mehrere Werte begrenzt werden oder für jede Schicht neu berechnet werden.Based on the information regarding the technical features of the
Weiter kann vorgesehen sein, dass die Scanrichtung über die Schichten mit einem Winkel (bspw. 67°) gedreht wird, um evtl. vorkommende Defekte in den Bauteilen statistisch zu verteilen.Provision can also be made for the scanning direction to be rotated across the layers at an angle (for example 67°) in order to statistically distribute any defects that may occur in the components.
Die zu belichtenden Flächen werden mit dem periodischen Raster verglichen, S9. Anschließend erfolgt eine Klassifizierung der Zellen der Raster, S11. Beispielsweise kann ermittelt werden, dass eine Zelle des Rasters mit einem Multi-Spot-Laser belichtet werden soll. Hierzu kann weiter unterschieden werden, ob es sich um eine Vollfläche, eine Teilfläche, eine Fläche mit Überhang oder Unterhang oder eine kleine periodische Struktur handelt. Bei einem Überhang oder Unterhang werden zusätzliche Information der darüber- oder darunterliegenden Schicht bzw. Schichten berücksichtigt.The areas to be exposed are compared with the periodic grid, S9. The cells of the grid are then classified, S11. For example, it can be determined that a cell of the grid is to be exposed with a multi-spot laser. A further distinction can be made as to whether it is a full surface, a partial surface, a surface with an overhang or underhang or a small periodic structure. In the case of an overhang or underhang, additional information from the layer or layers above or below is taken into account.
Weiter kann ermittelt werden, dass eine Zelle des Rasters mit einem Single-Spot-Laser der Multi-Spot-Laservorrichtung 1 belichtet werden soll. Hier kann weiter unterschieden werden, ob es sich um eine Kontur oder eine kleine, nicht periodische Struktur handelt. Weiter kann auch klassifiziert werden, dass es sich bei der Zelle um ein Übergangsbereich, etwa eine Zwischenkontur, handelt.It can also be determined that a cell of the grid is to be exposed with a single-spot laser of the
Bei Teilflächen kann eine feinere Unterteilung vorgenommen werden, etwa durch Halbierung der Zellen. Falls beispielsweise für das erste Raster eine 1x4 SpotAnordnung mit einer dementsprechend breiten Schmelzbahn eingesetzt wird, kann die Zerteilung der Flächen für eine 1x2 Spot Anordnung berücksichtigt werden. Wird mit höheren Spotanzahlen im Hauptraster gearbeitet, kann eine weitere Zerteilung möglich sein (etwa zunächst einen 1x8 Spot, dann einen 1x4 Spot, dann einen 1x2 Spot). Damit lässt sich ähnlich einer fraktalen Annäherung die bestmögliche Belichtungsstrategie erreichen.A finer subdivision can be made for partial areas, for example by halving the cells. If, for example, a 1x4 spot arrangement with a correspondingly wide melting path is used for the first grid, the division of the areas for a 1x2 spot arrangement can be taken into account. When working with a higher number of spots in the main grid, a further division may be possible (e.g. first a 1x8 spot, then a 1x4 spot, then a 1x2 spot). This allows the best possible exposure strategy to be achieved, similar to a fractal approximation.
Unter Berücksichtigung der Architektur der Multi-Spot-Laservorrichtung 1 wird die optimale Kombination an zu verwendenden Lasern mit entsprechenden Einstellungen berechnet, S10, um das mindestens eine gewünschte Qualitätskriterium zu optimieren. Optional wird das Verfahren rekursiv durchgeführt, d. h. nach dem Schritt S10 erfolgt erneut eine Vorauswahl geeigneter Werkzeuge, S7.Taking into account the architecture of the
Vollflächen oder periodische kleine Strukturen (etwa im Millimeterbereich oder Zentimeterbereich) und häufig wiederkehrende nicht periodische Strukturen können mit mindestens einem Multi-Spot-Laser 2 der Multi-Spot-Laservorrichtung 1 belichtet werden, S6.Full areas or periodic small structures (approximately in the millimeter range or centimeter range) and frequently recurring non-periodic structures can be exposed with at least one
Teilflächen können mithilfe eines einstellbaren Prismas (wie etwa aus der
Für kleinere periodische Strukturen werden die Abstände der einzelnen Spots auf die Abstände der periodischen Strukturen angepasst. In diesem Fall werden durch die Bewegung des Scanners mehrere gleiche Strukturen nebeneinander aufgebaut. Als zusätzliche Möglichkeit für eine einfachere Berechnung bei häufig wiederkehrenden periodischen Strukturen (bspw. Supportstrukturen) bietet sich eine Vereinfachung an: Die Supportstruktur erstreckt sich im Regelfall über einen größeren Bereich (im maximalen Fall die gesamte Projektionsfläche des Bauteils auf dem Substrat). Dies kann als Volumen betrachtet werden und mit passenden Spotabständen belichtet werden, wodurch sich der Rechenaufwand reduziert.For smaller periodic structures, the distances between the individual spots are adjusted to the distances between the periodic structures. In this case, the movement of the scanner builds up several identical structures next to each other. As an additional possibility for a simpler calculation for frequently recurring periodic structures (e.g. support structures), there is a simplification: The support structure usually extends over a larger area (in the maximum case the entire projection area of the component on the substrate). This can be viewed as a volume and exposed with appropriate spot spacing, reducing computational effort.
Kleine, nicht periodische Konturen können mit einem Einzelspot bearbeitet werden, S13. Selbiges kann für Übergangsbereiche gelten, welche nicht anders bearbeitet werden können. Beispiele können kleine kreisförmige Geometrieelemente oder dünne Wände sein. Für diese, in Bauteilen häufig wiederkehrende Strukturen können passende Prozessparameter definiert und in einer Datenbank gespeichert werden.Small, non-periodic contours can be processed with a single spot, S13. The same can apply to transition areas that cannot be processed in any other way. Examples can be small circular geometry elements or thin walls. Appropriate process parameters can be defined and stored in a database for these structures, which are often recurring in components.
In Überhangbereichen kann es aufgrund der vom Volumen abweichenden geometrischen Gegebenheiten zu einer erschwerten Abfuhr der thermischen Energie kommen. Die Prozessparameter können somit entsprechend angepasst werden, um einen thermischen Verzug zu verhindern. Für die Kompensation dieses Effekts kann optional die zu belichtende Fläche der unterliegenden Schicht oder auch mehrerer unterliegenden Schichten berücksichtigt werden.In overhang areas, the thermal energy can be more difficult to dissipate due to the geometric conditions that differ from the volume. The process parameters can thus be adjusted accordingly in order to prevent thermal distortion. To compensate for this effect, the area to be exposed of the underlying layer or of several underlying layers can optionally be taken into account.
Überhängende Konturen, beispielsweise die gegenüberliegenden Überhänge einer liegenden Bohrung, können mit einem für diesen Anwendungsfall optimierten Strahlprofil in einer einzelnen Belichtung bearbeitet werden, um die Qualität des Überhangs zu optimieren.Overhanging contours, for example the opposite overhangs of a lying hole, can be processed in a single exposure with a beam profile optimized for this application in order to optimize the quality of the overhang.
Insgesamt wird somit ein Belichtungsablauf zum Belichten des Werkstoffs 5 ermittelt, S14.Overall, an exposure sequence for exposing the
Das Werkstück wird durch Belichten des Werkstoffs 5 mittels der Multi-Spot-Laservorrichtung 1 anhand des ermittelten Belichtungsablaufs erzeugt, S15.The workpiece is produced by exposing the
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102017200119 A1 [0003, 0056]DE 102017200119 A1 [0003, 0056]
- DE 102016213420 A1 [0004]DE 102016213420 A1 [0004]
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