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Die Erfindung betrifft eine Scananordnung zur Verlagerung von mindestens zwei optischen Arbeitsstrahlen in einem Arbeitsbereich einer Fertigungsvorrichtung und eine Fertigungsvorrichtung zum generativen Fertigen eines Bauteils mit einer solchen Scananordnung.
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Bei solchen Fertigungsvorrichtungen, die einen Arbeitsbereich mit einer Mehrzahl von optischen Arbeitsstrahlen bestrahlen können, tritt das Problem der sogenannten Strahlregistrierung, das heißt der Ausrichtung der optischen Arbeitsstrahlen zueinander, auf Um eine uneingeschränkte Bauteilqualität auch dann gewährleisten zu können, wenn eine Bauteilschicht eines einzelnen Bauteils in einer selben Pulvermaterialschicht mit einer Mehrzahl optischer Arbeitsstrahlen erzeugt wird, werden die zur Auslenkung der optischen Arbeitsstrahlen dienenden Scannervorrichtungen derart aufeinander abgestimmt, dass sich die Arbeitsstrahlen über den Arbeitsbereich hinweg stets zielgenau in einem Punkt treffen können. Es ist also für eine Steuerung der Fertigungsvorrichtung bei korrekter Strahlregistrierung beispielsweise möglich, mit zwei Scannervorrichtungen einen selben Punkt in dem Arbeitsbereich anzusteuern, wobei dieser dann zielgenau von den beiden den Scannervorrichtungen jeweils zugeordneten Arbeitsstrahlen getroffen wird. Dies ermöglicht es insbesondere, einen Versatz und/oder die Ausbildung von Porositäten zwischen solchen Bauteilbereichen zu vermeiden, die von verschiedenen Arbeitsstrahlen gefertigt werden. Die Registrierung ist allerdings nur in genau einer Ebene gültig, sodass eine beispielsweise aufgrund einer bezüglich ihrer Einbauhöhe nicht exakt justierte Bauplattform Registrierfehler und damit eine unzureichende Bauteilqualität, insbesondere einen Versatz und/oder Porositäten im Bereich zwischen von verschiedenen Arbeitsstrahlen gefertigten Bauteilbereichen zur Folge hat.
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Es ist zwar grundsätzlich denkbar, solche Registrierfehler zu minimieren, indem die verschiedenen Arbeitsstrahlen zugeordneten Scannervorrichtungen mit einem möglichst kleinen Abstand zueinander angeordnet werden. Diese Vorgehensweise findet ihre Grenze allerdings notwendig in der Baugröße der verwendeten Scannervorrichtungen, die insbesondere dann, wenn ein größerer Arbeitsbereich mit den Arbeitsstrahlen überstrichen werden soll, nicht beliebig miniaturisiert werden können.
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Eine andere Möglichkeit, Registrierfehler nach Möglichkeit zu vermeiden, ist eine möglichst exakte Positionierung der Pulvermaterialschichten in einer wohldefinierten Bauebene, für die die Registrierung der Arbeitsstrahlen gültig ist. Dies ist allerdings aufgrund langer Toleranzketten zwischen dem Einbau der Bauplattform, einer Pulver-Beschichtungsvorrichtung und der Registrierebene sowie zusätzlicher Drifts sehr aufwendig und in der Praxis kaum zuverlässig möglich.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Scananordnung zur Verlagerung von mindestens zwei optischen Arbeitsstrahlen in einem Arbeitsbereich einer Fertigungsvorrichtung und eine Fertigungsvorrichtung zum generativen Fertigen eines Bauteils mit einer solchen Scananordnung zu schaffen, wobei die genannten Nachteile zumindest reduziert sind, vorzugsweise nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Scananordnung zum Verlagern von mindestens zwei optischen Arbeitsstrahlen in einem Arbeitsbereich einer Fertigungsvorrichtung zum generativen Fertigen von Bauteilen geschaffen wird, wobei die Scananordnung eine erste Scannervorrichtung aufweist, die eingerichtet ist zum Verlagern eines eine erste Ausprägung einer optischen Eigenschaft aufweisenden ersten optischen Arbeitsstrahls der mindestens zwei optischen Arbeitsstrahlen in dem Arbeitsbereich. Die Scananordnung weist außerdem eine zweite Scannervorrichtung auf, die eingerichtet ist zum Verlagern eines eine von der ersten Ausprägung verschiedene zweite Ausprägung der optischen Eigenschaft aufweisenden zweiten optischen Arbeitsstrahls der mindestens zwei optischen Arbeitsstrahlen in dem Arbeitsbereich. Die erste Scannervorrichtung weist einen ersten Drehpunkt auf, und die zweite Scannervorrichtung weist einen zweiten Drehpunkt auf. Die Scananordnung weist eine optische Abbildungsvorrichtung auf, die eingerichtet ist, um mindestens einen ersten Raumpunkt auf einen zweiten, von dem mindestens einen ersten Raumpunkt beabstandeten Raumpunkt abzubilden. Außerdem weist die Scananordnung eine Strahlkombinationsvorrichtung auf, die eingerichtet ist, um elektromagnetische Strahlung, die die erste Ausprägung der optischen Eigenschaft aufweist, mit elektromagnetischer Strahlung, die die zweite Ausprägung der optischen Eigenschaft aufweist, zu einem gemeinsamen Strahl zu kombinieren. Die erste Scannervorrichtung und die zweite Scannervorrichtung, die Strahlkombinationsvorrichtung und die optische Abbildungsvorrichtung sind so relativ zueinander angeordnet, dass der erste Drehpunkt als ein erster erster Raumpunkt und der zweite Drehpunkt als ein zweiter erster Raumpunkt auf den gemeinsamen zweiten Raumpunkt abgebildet werden. Vorteilhaft wird auf diese Weise erreicht, dass effektiv der erste Drehpunkt und der zweite Drehpunkt - beziehungsweise die entsprechend durch die Abbildungsvorrichtung zugeordneten Bildpunkte oder virtuellen Drehpunkte - in dem gemeinsamen zweiten Raumpunkt zusammenfallen. Dies entspricht im Ergebnis einem verschwindenden Abstand zwischen dem ersten Drehpunkt und dem zweiten Drehpunkt, und hat damit denselben Effekt, als wenn die beiden Scannervorrichtungen am selben Ort mit verschwindendem Abstand angeordnet wären. Somit verschwinden zugleich die Registrierfehler zwischen den beiden optischen Arbeitsstrahlen. Zugleich können aber die erste Scannervorrichtung und die zweite Scannervorrichtung tatsächlich je nach Ausgestaltung der optischen Abbildungsvorrichtung in quasi beliebigem Abstand zueinander und damit sehr flexibel innerhalb der Scananordnung angeordnet werden, sodass keine Größenbeschränkungen bezüglich der Baugröße der Scannervorrichtungen existiert. Aufgrund des Verschwindens von Registrierfehlern ist die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der Scananordnung robust gegen Drifts, und es bedarf - jedenfalls unter dem Aspekt von Registrierfehlern - keiner hochgenauen Definition der Bauebene, insbesondere keines hochgenauen Einbaus einer Bauplattform. Eine die Scananordnung aufweisende Fertigungsvorrichtung ist damit aus Sicht eines Benutzers einfach zu bedienen, und der mit der Einrichtung der Fertigungsvorrichtung verbundene Zeitaufwand ist gering, sodass insbesondere auch die Produktivität hoch ist. Zugleich ist die Bauteilqualität hoch, insbesondere werden Versätze und/oder Porositäten innerhalb eines Bauteils vermieden.
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Unter einem Drehpunkt wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere ein Punkt verstanden, um den eine Scannervorrichtung, insbesondere ein reflektierendes Element, insbesondere ein Spiegel, der Scannervorrichtung, gedreht wird, um einen Arbeitsstrahl variabel abzulenken, das heißt in dem Arbeitsbereich zu verlagern. Insbesondere ist der Drehpunkt ein neutraler Punkt für den Arbeitsstrahl in dem Sinn, dass der Arbeitsstrahl, wenn er exakt in dem Drehpunkt auf das reflektierende Element trifft, bei einem Verdrehen des reflektierenden Elements zwar mit einem veränderten Winkel abgelenkt wird, aber nicht auf dem reflektierenden Element wandert, sondern vielmehr ortsfest in dem Drehpunkt verharrt.
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Der zweite Raumpunkt, auf den der erste Drehpunkt und der zweite Drehpunkt durch die Abbildungsvorrichtung abgebildet werden, ist insbesondere ein virtueller Drehpunkt, da sich der Arbeitsstrahl in diesem zweiten Raumpunkt so verhält, als wäre in dem zweiten Raumpunkt ein jeweiliger Drehpunkt einer jeweiligen Scannervorrichtung angeordnet.
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Die Strahlkombinationsvorrichtung ist insbesondere eingerichtet, um die aus verschiedenen Richtungen und/oder von verschiedenen Strahlungsquellen kommenden elektromagnetischen Strahlungen mit den verschiedenen Ausprägungen der optischen Eigenschaft, das heißt die verschiedenen optischen Arbeitsstrahlen, zu einem gemeinsamen Strahl, insbesondere auf einer gemeinsamen Strahlachse, zu kombinieren.
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Unter einem additiven oder generativen Fertigen oder Herstellen eines Bauteils wird insbesondere ein Pulverbett-basiertes Verfahren zum Herstellen eines Bauteils verstanden, insbesondere ein Fertigungsverfahren, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem selektiven Lasersintern, einem Laser-Metall-Fusionieren (Laser Metal Fusion - LMF), einem direkten Metall-Laser-Schmelzen (Direct Metal Laser Melting - DMLM), einem Laser Net Shaping Manufacturing (LNSM), und einem Laser Engineered Net Shaping (LENS). Die Fertigungsvorrichtung ist demnach insbesondere eingerichtet zur Durchführung von wenigstens einem der zuvor genannten additiven oder generativen Fertigungsverfahren.
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Zumindest einer der optischen Arbeitsstrahlen, ausgewählt aus dem ersten optischen Arbeitsstrahl und dem zweiten optischen Arbeitsstrahl, vorzugsweise beide optischen Arbeitsstrahlen, ist insbesondere ein Laserstrahl.
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Zumindest einer der optischen Arbeitsstrahlen, ausgewählt aus dem ersten optischen Arbeitsstrahl und dem zweiten optischen Arbeitsstrahl, vorzugsweise beide optischen Arbeitsstrahlen, ist insbesondere kontinuierlich oder gepulst ausgebildet, insbesondere als kontinuierlicher oder gepulster Laserstrahl.
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Es ist möglich, dass die Scananordnung eingerichtet ist, um mehr als zwei optische Arbeitsstrahlen zu verwenden, insbesondere um mehr als zwei Drehpunkte von mehr als zwei Scannervorrichtungen auf den gemeinsamen zweiten Raumpunkt abzubilden.
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Unter einer optischen Eigenschaft elektromagnetischer Strahlung und damit zugleich eines optischen Arbeitsstrahls wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere eine Kenngröße der elektromagnetischen Strahlung verstanden, insbesondere eine Wellenlänge, insbesondere eine Zentralwellenlänge, und/oder Polarisation. Unter einer Ausprägung der optischen Eigenschaft wird eine qualitative und/oder quantitative Spezifizierung der optischen Eigenschaft verstanden, insbesondere ein bestimmter Wert der Wellenlänge, insbesondere der Zentralwellenlänge, oder eine bestimmte Art oder Richtung der Polarisation.
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Zumindest eine Scannervorrichtung, ausgewählt aus der ersten Scannervorrichtung und der zweiten Scannervorrichtung, vorzugsweise beide Scannervorrichtungen, weist bevorzugt mindestens einen Scanner, insbesondere einen Galvanometer-Scanner, Piezoscanner, Polygonscanner, MEMS-Scanner, und/oder einen relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbaren Arbeitskopf oder Bearbeitungskopf auf.
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Unter einem relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbaren Arbeitskopf oder Bearbeitungskopf wird hier insbesondere ein integriertes Bauteil der Fertigungsvorrichtung verstanden, welches mindestens einen Strahlungsauslass für mindestens einen optischen Arbeitsstrahl aufweist, wobei das integrierte Bauteil, das heißt der Arbeitskopf, als Ganzes entlang zumindest einer Verlagerungsrichtung, vorzugsweise entlang zweier senkrecht aufeinander stehenden Verlagerungsrichtungen, relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbar ist. Ein solcher Arbeitskopf kann insbesondere in Portalbauweise ausgebildet sein oder von einem Roboter geführt werden. Insbesondere kann der Arbeitskopf als Roboterhand eines Roboters ausgebildet sein.
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Die Fertigungsvorrichtung ist insbesondere eingerichtet zum selektiven Lasersintern. Alternativ oder zusätzlich ist die Fertigungsvorrichtung eingerichtet zum selektiven Laserschmelzen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die optische Abbildungsvorrichtung mindestens ein Eintrittselement mit einer ersten Brennweite aufweist. Unter einem Eintrittselement wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere ein optisches Element oder eine Kombination optischer Elemente verstanden, durch welche(s) ein optischer Arbeitsstrahl in die Abbildungsvorrichtung eintritt. Das Eintrittselement kann also insbesondere auch eine Mehrzahl optischer Elemente aufweisen, beispielsweise ein Linsenpaket und/oder eine Kombination von Spiegeln, insbesondere zur Minimierung von Aberrationen.
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In einer Ausführungsform weist die optische Abbildungsvorrichtung ein Austrittselement mit einer zweiten Brennweite auf. Unter einem Austrittselement wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere ein optisches Element oder eine Kombination optischer Elemente verstanden, durch welche(s) ein optischer Arbeitsstrahl aus der Abbildungsvorrichtung austritt. Das Austrittselement kann also insbesondere auch eine Mehrzahl optischer Elemente aufweisen, beispielsweise ein Linsenpaket und/oder eine Kombination von Spiegeln, insbesondere zur Minimierung von Aberrationen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung - insbesondere in einer ersten Ausgestaltung - ist vorgesehen, dass die optische Abbildungsvorrichtung als das mindestens eine Eintrittselement ein erstes Eintrittselement mit einer ersten ersten Brennweite, ein zweites Eintrittselement mit einer zweiten ersten Brennweite und ein Austrittselement mit einer zweiten Brennweite aufweist. Der erste Drehpunkt ist im Abstand der ersten ersten Brennweite von dem ersten Eintrittselement angeordnet, und der zweite Drehpunkt ist im Abstand der zweiten ersten Brennweite von dem zweiten Eintrittselement angeordnet. Die erste Scannervorrichtung, die zweite Scannervorrichtung, das erste Eintrittselement, das zweite Eintrittselement, die Strahlkombinationsvorrichtung und das Austrittselement sind so relativ zueinander angeordnet, dass der von der ersten Scannervorrichtung her kommende erste Arbeitsstrahl über das erste Eintrittselement und die Strahlkombinationsvorrichtung zu dem Austrittselement geführt wird, wobei zugleich der von der zweiten Scannervorrichtung her kommende zweite optische Arbeitsstrahl über das zweite Eintrittselement und die Strahlkombinationsvorrichtung zu dem Austrittselement geführt wird. Der erste Drehpunkt wird dabei insbesondere über das erste Eintrittselement und das Austrittselement auf den gemeinsamen zweiten Raumpunkt abgebildet. Der zweite Drehpunkt wird insbesondere über das zweite Eintrittselement und das Austrittselement auf den gemeinsamen zweiten Raumpunkt abgebildet.
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Insbesondere ist der gemeinsame zweite Raumpunkt im Abstand der zweiten Brennweite von dem Austrittselement angeordnet.
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In einer Ausführungsform ist die erste erste Brennweite gleich der zweiten ersten Brennweite. Alternativ oder zusätzlich ist die erste erste Brennweite gleich der zweiten Brennweite. Alternativ oder zusätzlich ist die zweite erste Brennweite gleich der zweiten Brennweite. Insbesondere ist die optische Abbildungsvorrichtung ein 1:1-Teleskop.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist - insbesondere in einer alternativen zweiten Ausgestaltung - vorgesehen, dass die optische Abbildungsvorrichtung genau ein Eintrittselement mit der ersten Brennweite aufweist, wobei die erste Scannervorrichtung und die zweite Scannervorrichtung, die Strahlkombinationsvorrichtung und das Eintrittselement so relativ zueinander angeordnet sind, dass der von der ersten Scannervorrichtung her kommende erste Arbeitsstrahl und der von der zweiten Scannervorrichtung her kommende zweite optische Arbeitsstrahl jeweils über die Strahlkombinationsvorrichtung in das Eintrittselement geführt werden, und wobei der erste Drehpunkt und der zweite Drehpunkt jeweils im Abstand der ersten Brennweite von dem Eintrittselement angeordnet sind. Dies stellt eine besonders kompakte Ausgestaltung der Scananordnung dar, wobei insbesondere der erste Drehpunkt und der zweite Drehpunkt über dasselbe Eintrittselement und das Austrittselement auf den gemeinsamen zweiten Raumpunkt abgebildet werden.
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Insbesondere ist auch in dieser Ausgestaltung der gemeinsame zweite Raumpunkt im Abstand der zweiten Brennweite von dem Austrittselement angeordnet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strahlkombinationsvorrichtung zwischen dem mindestens einen Eintrittselement und dem Austrittselement angeordnet ist. Insbesondere ist die Strahlkombinationsvorrichtung in der ersten Ausgestaltung einerseits zwischen dem ersten Eintrittselement und dem Austrittselement und zugleich andererseits zwischen dem zweiten Eintrittselement und dem Austrittselement angeordnet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die optische Abbildungsvorrichtung als Teleskopvorrichtung, insbesondere als Teleskop, insbesondere als 1: 1 - Teleskop, ausgebildet ist. Dies stellt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Abbildungsvorrichtung dar.
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Insbesondere ist ein Abstand zwischen dem mindestens einen Eintrittselement und dem Austrittselement gleich der Summe der ersten Brennweite und der zweiten Brennweite. Insbesondere ist ein Abstand zwischen dem ersten Eintrittselement und dem Austrittselement gleich der Summe der ersten ersten Brennweite und der zweiten Brennweite. Insbesondere ist ein Abstand zwischen dem zweiten Eintrittselement und dem Austrittselement gleich der Summe der zweiten ersten Brennweite und der zweiten Brennweite.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strahlkombinationsvorrichtung zwischen dem mindestens einen Eintrittselement und dem Austrittselement angeordnet ist, insbesondere in einem ersten Abstand ungleich der ersten Brennweite von dem mindestens einen Eintrittselement und in einem zweiten Abstand ungleich der zweiten Brennweite von dem Austrittselement. Insbesondere ist die Strahlkombinationsvorrichtung zwischen dem ersten Eintrittselement und dem Austrittselement in einem ersten ersten Abstand ungleich der ersten ersten Brennweite von dem ersten Eintrittselement und in dem zweiten Abstand ungleich der zweiten Brennweite von dem Austrittselement angeordnet. Insbesondere ist die Strahlkombinationsvorrichtung zwischen dem zweiten Eintrittselement und dem Austrittselement in einem zweiten ersten Abstand ungleich der zweiten ersten Brennweite von dem zweiten Eintrittselement und in dem zweiten Abstand ungleich der zweiten Brennweite von dem Austrittselement angeordnet. Auf die hier beschriebenen Weisen wird jeweils eine Anordnung der Strahlkombinationsvorrichtung an Orten vermieden, an denen die Arbeitsstrahlen jeweils fokussiert sind. Somit werden insbesondere Schäden an der Strahlkombinationsvorrichtung vorteilhaft vermieden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Brennweite gleich der ersten Brennweite ist. Insbesondere ist die optische Abbildungsvorrichtung ein 1:1-Teleskop.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Element, ausgewählt aus dem mindestens einen Eintrittselement und dem Austrittselement, als Linse ausgebildet ist.
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Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass zumindest ein Element, ausgewählt aus dem mindestens einen Eintrittselement und dem Austrittselement, als Parabolspiegel ausgebildet ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strahlkombinationsvorrichtung eingerichtet ist, um elektromagnetische Strahlung mit der ersten Ausprägung der optischen Eigenschaft zu transmittieren und elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Ausprägung der optischen Eigenschaft zu reflektieren. Alternativ ist die Strahlkombinationsvorrichtung eingerichtet, um elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Ausprägung der optischen Eigenschaft zu transmittieren und elektromagnetische Strahlung mit der ersten Ausprägung der optischen Eigenschaft zu reflektieren.
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Alternativ ist vorgesehen, dass die Strahlkombinationsvorrichtung als Faseroptik, insbesondere als Faseroptik mit abbildenden Eigenschaften, ausgebildet ist. Die Faseroptik kann insbesondere Hohlkernfasern und/oder Lichtleiter aufweisen, bei denen eine Winkelinformation erhalten bleibt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strahlkombinationsvorrichtung als dichroitischer Strahlkombinierer ausgebildet ist. Somit ist die Strahlkombinationsvorrichtung insbesondere eingerichtet, um optische Arbeitsstrahlen mit verschiedenen Wellenlängen als verschiedenen Ausprägungen der optischen Eigenschaft, insbesondere verschiedenen Zentralwellenlänge, miteinander zu kombinieren.
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Alternativ ist vorgesehen, dass die Strahlkombinationsvorrichtung als Polarisations-Strahlkombinierer ausgebildet ist. Somit ist die Strahlkombinationsvorrichtung insbesondere eingerichtet, um optische Arbeitsstrahlen mit verschiedenen Polarisationen als verschiedenen Ausprägungen der optischen Eigenschaft miteinander zu kombinieren.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Scananordnung zumindest eine zusätzliche optische Abbildungsvorrichtung aufweist, wobei eine Scannervorrichtung, ausgewählt aus der ersten Scannervorrichtung und der zweiten Scannervorrichtung, im Abstand einer dritten Brennweite eines zusätzlichen Austrittselements der zusätzlichen optischen Abbildungsvorrichtung von dem zusätzlichen Austrittselement angeordnet ist, und wobei eine zusätzliche Scannervorrichtung - die insbesondere demselben optischen Arbeitsstrahl zugeordnet ist wie die im Abstand der dritten Brennweite von dem zusätzlichen Austrittselement angeordnete Scannervorrichtung - im Abstand einer vierten Brennweite eines zusätzlichen Eintrittselements der zusätzlichen optischen Abbildungsvorrichtung von dem zusätzlichen Eintrittselement angeordnet ist. Vorteilhaft ermöglicht diese Ausgestaltung es insbesondere, zumindest für einen der beiden optischen Arbeitsstrahlen die beiden Drehpunkte der für zwei verschiedene Koordinaten in der Bauebene jeweils vorgesehenen Scannervorrichtungen auf den gemeinsamen zweiten Raumpunkt abzubilden. Auf diese Weise können insbesondere Verzeichnungsfehler vermieden werden. Insbesondere kann dann vorteilhaft für die Ansteuerung der verschiedenen Scannervorrichtungen ein globales Kalibrationsfile verwendet werden.
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Typischerweise kann ein optischer Arbeitsstrahl in der Bauebene entlang von zwei verschiedenen Koordinaten bewegt werden, die die Bauebene aufspannen, beispielsweise eine x-Koordinaten und y-Koordinate. Für jede der beiden Koordinaten ist jeweils eine Scannervorrichtung vorgesehen, sodass demnach insbesondere jedem optischen Arbeitsstrahl zwei Scannervorrichtungen zugeordnet sind. Da diese Scannervorrichtungen keinen gemeinsamen Drehpunkt aufweisen, wandert ohne Beschränkung der Allgemeinheit beispielsweise der optische Arbeitsstrahl auf dem reflektierenden Element der für die y-Koordinate vorgesehenen Scannervorrichtung, wenn der optische Arbeitsstrahl bezüglich der x-Koordinate verlagert wird. Hieraus resultiert ein Verzeichnungsfehler. Die Abbildung einerseits des Drehpunkts für die x-Koordinate und andererseits des Drehpunkts für die y-Koordinate auf den gemeinsamen zweiten Raumpunkt führt nun vorteilhaft dazu, dass die Verzeichnungsfehler verschwinden.
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In einer Ausführungsform weist die Scananordnung für beide optischen Arbeitsstrahlen, insbesondere für jeden optischen Arbeitsstrahl einer Mehrzahl optischer Arbeitsstrahlen, eine solche zusätzliche optische Abbildungsvorrichtung auf, wobei die einem optischen Arbeitsstrahl jeweils zugeordnete Scannervorrichtung für eine erste Koordinate in der Bauebene - beispielsweise die y-Koordinate -, im Abstand der dritten Brennweite des zusätzlichen Austrittselements der jeweiligen zusätzlichen optischen Abbildungsvorrichtung von dem zusätzlichen Austrittselement angeordnet ist, und wobei eine jeweilige zusätzliche Scannervorrichtung für eine zweite Koordinate in der Bauebene - beispielsweise die x-Koordinate - im Abstand einer vierten Brennweite eines zusätzlichen Eintrittselements der jeweiligen zusätzlichen optischen Abbildungsvorrichtung von dem zusätzlichen Eintrittselement angeordnet ist. Vorteilhaft ermöglicht diese Ausgestaltung es, für beide optischen Arbeitsstrahlen, insbesondere für alle optischen Arbeitsstrahlen der Mehrzahl optischer Arbeitsstrahlen, die jeweiligen Drehpunkte der für die beiden verschiedenen Koordinaten in der Bauebene jeweils vorgesehenen Scannervorrichtungen auf den gemeinsamen zweiten Raumpunkt abzubilden.
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Die mindestens eine zusätzliche Abbildungsvorrichtung ist insbesondere so ausgebildet, wie dies zuvor für die Abbildungsvorrichtung erläutert wurde.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Fertigungsvorrichtung zum generativen Fertigen eines Bauteils - insbesondere aus einem Pulvermaterial - geschaffen wird, wobei die Fertigungsvorrichtung eine Strahlvorrichtung aufweist, die eingerichtet ist zum Erzeugen eines ersten optischen Arbeitsstrahls und eines zweiten optischen Arbeitsstrahls, um ein Bauteil mittels der optischen Arbeitsstrahlen generativ aus einem Pulvermaterial zu fertigen. Die Fertigungsvorrichtung weist außerdem eine erfindungsgemäße Scananordnung oder eine Scananordnung nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen auf. In Zusammenhang mit der Fertigungsvorrichtung ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits zuvor in Zusammenhang mit der Scananordnung beschrieben wurden.
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In einer Ausführungsform ist der gemeinsame zweite Raumpunkt mittig oder zentral über einer Bauplattform der Fertigungsvorrichtung angeordnet. Auf der Bauplattform ist insbesondere der Arbeitsbereich der Fertigungsvorrichtung angeordnet, in dem ein Bauteil oder mehrere Bauteile Pulvermaterialschicht für Pulvermaterialschicht generativ mittels der optischen Arbeitsstrahlen aufgebaut werden können.
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Als Pulvermaterial kann in bevorzugter Weise insbesondere ein metallisches oder keramisches Pulver verwendet werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strahlvorrichtung derart eingerichtet ist, dass der erste optische Arbeitsstrahl am Ort der ersten Scannervorrichtung kollimiert ist, und dass der zweite optische Arbeitsstrahl am Ort der der zweiten Scannervorrichtung kollimiert ist. Insbesondere auf diese Weise ergibt sich eine definierte Abbildung der Drehpunkte auf den gemeinsamen zweiten Raumpunkt, wobei die optischen Arbeitsstrahlen dann vorteilhaft - insbesondere wenn die Abbildungsvorrichtung als Teleskopvorrichtung ausgebildet ist - auch in dem gemeinsamen zweiten Raumpunkt kollimiert sind. Hieraus ergibt sich wiederum eine besonders definierte Verlagerung der optischen Arbeitsstrahlen in dem Arbeitsbereich. Insbesondere weist die Strahlvorrichtung mindestens eine Strahlformungsvorrichtung, insbesondere eine Linse oder ein Linsenpaket, auf, die eingerichtet ist, um die optischen Arbeitsstrahlen zu kollimieren.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strahlvorrichtung eingerichtet ist, um den ersten optischen Arbeitsstrahl mit einer ersten Wellenlänge und den zweiten optischen Arbeitsstrahl mit einer zweiten, von der ersten Wellenlänge verschiedenen Wellenlänge als den verschiedenen Ausprägungen derselben optischen Eigenschaft zu erzeugen.
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Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass die Strahlvorrichtung eingerichtet ist, um den ersten optischen Arbeitsstrahl mit einer ersten Polarisation und den zweiten optischen Arbeitsstrahl mit einer zweiten, von der ersten Polarisation verschiedenen Polarisation als den verschiedenen Ausprägungen derselben optischen Eigenschaft zu erzeugen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen
- 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Fertigungsvorrichtung mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer Scananordnung, und
- 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Fertigungsvorrichtung mit einem zweiten Ausführungsbeispiel einer Scananordnung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Fertigungsvorrichtung 1 mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer Scananordnung 2.
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Die Fertigungsvorrichtung 1 ist eingerichtet zum generativen Fertigen eines Bauteils insbesondere aus einem Pulvermaterial. Sie weist eine Strahlvorrichtung 3 auf, die eingerichtet ist zum Erzeugen von mindestens zwei optischen Arbeitsstrahlen 5, nämlich eines ersten, durchgezogen dargestellten optischen Arbeitsstrahls 5.1 und eines zweiten, punktiert dargestellten optischen Arbeitsstrahls 5.2, um ein Bauteil mittels der optischen Arbeitsstrahlen 5 generativ aus einem Pulvermaterial zu fertigen. Außerdem weist die Fertigungsvorrichtung 1 die Scananordnung 2 auf.
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Insbesondere weist die Strahlvorrichtung 3 eine erste Laserstrahlquelle 3.1 zur Erzeugung des ersten optischen Arbeitsstrahls 5.1 als einem ersten Laserstrahl und eine zweite Laserstrahlquelle 3.2 zur Erzeugung des zweiten optischen Arbeitsstrahls 5.2 als einem zweiten Laserstrahl auf.
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Die Fertigungsvorrichtung 1 weist insbesondere eine Bauplattform 6 auf, auf der ein Arbeitsbereich 7 für die generative Fertigung angeordnet ist.
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Die Scananordnung 2 ist eingerichtet zum Verlagern der mindestens zwei optischen Arbeitsstrahlen 5 in dem Arbeitsbereich 7 der Fertigungsvorrichtung 1. Die Scananordnung 2 weist eine erste Scannervorrichtung 9.1 auf, die eingerichtet ist zum Verlagern des eine erste Ausprägung einer optischen Eigenschaft aufweisenden ersten optischen Arbeitsstrahls 5.1 in dem Arbeitsbereich 7, und außerdem eine zweite Scannervorrichtung 9.2, die eingerichtet ist zum Verlagern des eine von der ersten Ausprägung verschiedene zweite Ausprägung der optischen Eigenschaft aufweisenden zweiten optischen Arbeitsstrahls 5.2 in dem Arbeitsbereich 7. Die erste Scannervorrichtung 9.1 weist einen ersten Drehpunkt 11 auf, und die zweite Scannervorrichtung 9.2 weist einen zweiten Drehpunkt 13 auf. Mögliche Auslenkungen des ersten optischen Arbeitsstrahls 5.1 durch die erste Scannervorrichtung 9.1 sind beispielhaft als gestrichelte Linien dargestellt. Mögliche Auslenkungen des zweiten optischen Arbeitsstrahls 5.2 durch die zweite Scannervorrichtung 9.2 sind beispielhaft als strichpunktierte Linien dargestellt.
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Außerdem weist die Scananordnung 2 eine optische Abbildungsvorrichtung 15 auf, die eingerichtet ist, um mindestens einen ersten Raumpunkt R1 auf einen zweiten, von dem mindestens ersten Raumpunkt R1 beabstandeten Raumpunkt R2 abzubilden, sowie eine Strahlkombinationsvorrichtung 17, die eingerichtet ist, um die erste Ausprägung der optischen Eigenschaft aufweisende elektromagnetische Strahlung mit die zweite Ausprägung der optischen Eigenschaft aufweisender elektromagnetischer Strahlung zu einem gemeinsamen Strahl 19 zu kombinieren. Die erste Scannervorrichtung 9.1 und die zweite Scannervorrichtung 9.2, die Strahlkombinationsvorrichtung 17 und die optische Abbildungsvorrichtung 15 sind so relativ zueinander angeordnet, dass der erste Drehpunkt 11 als ein erster erster Raumpunkt R1.1 und der zweite Drehpunkt 13 als ein zweiter erster Raumpunkt R1.2 auf den gemeinsamen zweiten Raumpunkt R2 abgebildet werden.
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Der gemeinsame zweite Raumpunkt R2 ist insbesondere mittig oder zentral über der Bauplattform 6 angeordnet.
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Die optische Abbildungsvorrichtung 15 weist insbesondere mindestens ein Eintrittselement 21 mit einer ersten Brennweite f1, und vorzugsweise ein Austrittselement 23 mit einer zweiten Brennweite f2 auf.
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Insbesondere weist die optische Abbildungsvorrichtung 15 als das mindestens eine Eintrittselement 21 ein erstes Eintrittselement 21.1 mit einer ersten ersten Brennweite f1.1, ein zweites Eintrittselement 21.2 mit einer zweiten ersten Brennweite f1.2 und das Austrittselement 23 mit der zweiten Brennweite f2 auf, wobei der erste Drehpunkt 11 im Abstand der ersten ersten Brennweite f1.1 von dem ersten Eintrittselement 21.1 ist, und wobei der zweite Drehpunkt 13 im Abstand der zweiten ersten Brennweite f1.2 von dem zweiten Eintrittselement 21.2 angeordnet ist. Der zweite Raumpunkt R2 ist im Abstand der zweiten Brennweite f2 von dem Austrittselement 23 angeordnet. Die erste Scannervorrichtung 9.1, die zweite Scannervorrichtung 9.2, das erste Eintrittselement 21.1, das zweite Eintrittselement 21.2, die Strahlkombinationsvorrichtung 17 und das Austrittselement 23 sind so relativ zueinander angeordnet, dass der von der ersten Scannervorrichtung 9.1 her kommende erste Arbeitsstrahl 5.1 über das erste Eintrittselement 21.1 und die Strahlkombinationsvorrichtung 17 zu dem Austrittselement 23 geführt wird, wobei zugleich der von der zweiten Scannervorrichtung 9.2 her kommende zweite optische Arbeitsstrahl 5.2 über das zweite Eintrittselement 21.2 und die Strahlkombinationsvorrichtung 17 zu dem Austrittselement 23 geführt wird.
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Insbesondere ist die erste erste Brennweite f1.1 gleich der zweiten ersten Brennweite f1.2. Insbesondere ist die zweite Brennweite f2 gleich der ersten ersten Brennweite f1.1 und gleich der zweiten ersten Brennweite f1.2.
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Insbesondere ist die Strahlkombinationsvorrichtung 17 einerseits zwischen dem ersten Eintrittselement 21.1 und dem Austrittselement 23 und andererseits zugleich zwischen dem zweiten Eintrittselement 21.2 und dem Austrittselement 23 angeordnet.
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Insbesondere ist die optische Abbildungsvorrichtung 15 als Teleskopvorrichtung ausgebildet, wobei insbesondere ein erster Abstand A zwischen dem ersten Eintrittselement 21.1 und dem Austrittselement 23 gleich der Summe der ersten ersten Brennweite f1.1 und der zweiten Brennweite f2 ist. Bevorzugt ist zugleich ein zweiter Abstand zwischen dem zweiten Eintrittselement 21.2 und dem Austrittselement 23 gleich der Summe der zweiten ersten Brennweite f1.2 und der zweiten Brennweite f2. Vorzugsweise ist der erste Abstand A gleich dem zweiten Abstand.
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Insbesondere ist die Strahlkombinationsvorrichtung 17 zwischen dem ersten Eintrittselement 21.1 und dem Austrittselement 23 in einem ersten ersten Abstand, der von der ersten ersten Brennweite f1. 1 verschieden ist, von dem ersten Eintrittselement 21.1 und in einem zweiten Abstand, der von der zweiten Brennweite f2 verschieden ist, von dem Austrittselement 23 angeordnet. Bevorzugt ist die Strahlkombinationsvorrichtung 17 zugleich zwischen dem zweiten Eintrittselement 21.2 und dem Austrittselement 23 in einem zweiten ersten Abstand, der von der zweiten ersten Brennweite f1.2 verschieden ist, von dem zweiten Eintrittselement 21.2 und in dem zweiten, von der zweiten Brennweite f2 verschiedenen Abstand von dem Austrittselement 23 angeordnet.
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In einem hier nicht dargestellten, alternativen Ausführungsbeispiel weist die optische Abbildungsvorrichtung 15 genau ein Eintrittselement 21 mit der ersten Brennweite f1 auf, wobei die erste Scannervorrichtung 9.1 und die zweite Scannervorrichtung 9.2, die Strahlkombinationsvorrichtung 17 und das Eintrittselement 21 so relativ zueinander angeordnet sind, dass der von der ersten Scannervorrichtung 9.1 her kommende erste Arbeitsstrahl 5.1 und der von der zweiten Scannervorrichtung 9.2 her kommende zweite optische Arbeitsstrahl 5.2 jeweils über die Strahlkombinationsvorrichtung 17 in das Eintrittselement 21 geführt werden, und wobei der erste Drehpunkt 11 und der zweite Drehpunkt 13 jeweils im Abstand der ersten Brennweite f1 von dem Eintrittselement 21 angeordnet sind. Insbesondere ist die zweite Brennweite f2 gleich der ersten Brennweite f1.
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Insbesondere ist zumindest ein Element, ausgewählt aus dem mindestens einen Eintrittselement 21 und dem Austrittselement 23, als Linse oder als Parabolspiegel ausgebildet.
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Insbesondere ist die Strahlkombinationsvorrichtung 17 eingerichtet, um elektromagnetische Strahlung mit der ersten Ausprägung der optischen Eigenschaft zu transmittieren und elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Ausprägung der optischen Eigenschaft zu reflektieren, oder umgekehrt. Alternativ ist die Strahlkombinationsvorrichtung 17 als Faseroptik, insbesondere mit abbildenden Eigenschaften, ausgebildet.
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Insbesondere ist die Strahlkombinationsvorrichtung 17 als dichroitischer Strahlkombinierer oder als Polarisations-Strahlkombinierer ausgebildet.
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Insbesondere ist die Strahlvorrichtung 3 derart eingerichtet, dass der erste optische Arbeitsstrahl 5.1 am Ort der ersten Scannervorrichtung 9.1 kollimiert ist, und dass der zweite optische Arbeitsstrahl 5.2 am Ort der der zweiten Scannervorrichtung 9.2 kollimiert ist.
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Insbesondere ist die Strahlvorrichtung 3 eingerichtet, um den ersten optischen Arbeitsstrahl 5.1 mit einer ersten Wellenlänge und den zweiten optischen Arbeitsstrahl 5.2 mit einer zweiten, von der ersten Wellenlänge verschiedenen Wellenlänge zu erzeugen.
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Alternativ oder zusätzlich ist die Strahlvorrichtung 3 eingerichtet, um den ersten optischen Arbeitsstrahl 5.1 mit einer ersten Polarisation und den zweiten optischen Arbeitsstrahl 5.2 mit einer zweiten, von der ersten Polarisation verschiedenen Polarisation zu erzeugen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Fertigungsvorrichtung 1 mit einem zweiten Ausführungsbeispiel der Scananordnung 2.
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Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern jeweils auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
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Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel weist die Scananordnung 1 zusätzlich zu der optischen Abbildungsvorrichtung 15 - die hier nur schematisch dargestellt, aber bevorzugt wie in Zusammenhang mit 1 erläutert ausgebildet ist - eine zusätzliche optische Abbildungsvorrichtung 25 auf, wobei hier die dem ersten optischen Arbeitsstrahl 5.1 zugeordnete erste Scannervorrichtung 9.1, die ohne Beschränkung der Allgemeinheit eingerichtet ist, um den ersten optischen Arbeitsstrahl 5.1 entlang einer y-Koordinate in dem Arbeitsbereich 7 zu verlagern, im Abstand einer dritten Brennweite f3 eines zusätzlichen Austrittselements 27 der zusätzlichen optischen Abbildungsvorrichtung 25 von dem zusätzlichen Austrittselement 27 angeordnet ist, und wobei eine zusätzliche Scannervorrichtung 29, die ohne Beschränkung der Allgemeinheit eingerichtet ist, um den ersten optischen Arbeitsstrahl 5.1 entlang einer x-Koordinate in dem Arbeitsbereich 7 zu verlagern, im Abstand einer vierten Brennweite f4 eines zusätzlichen Eintrittselements 31 der zusätzlichen optischen Abbildungsvorrichtung 25 von dem zusätzlichen Eintrittselement 31 angeordnet ist. Insbesondere ist ein zusätzlicher Drehpunkt 33 der zusätzlichen Scannervorrichtung 29 im Abstand einer vierten Brennweite f4 eines zusätzlichen Eintrittselements 31 der zusätzlichen optischen Abbildungsvorrichtung 25 von dem zusätzlichen Eintrittselement 31 angeordnet. Somit wird auch der zusätzliche Drehpunkt 33 auf den gemeinsamen zweiten Raumpunkt R2 abgebildet. Auf diese Weise können vorteilhaft Verzeichnungsfehler beim Verlagern des ersten optischen Arbeitsstrahls 5.1 vermieden werden.
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Bei einem hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Scananordnung 2 zusätzlich auch für den zweiten optischen Arbeitsstrahl 5.2 eine weitere solche zusätzliche Abbildungsvorrichtung auf.
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Die zusätzliche Abbildungsvorrichtung 25 ist insbesondere so ausgebildet, wie dies zuvor für die Abbildungsvorrichtung 15 erläutert wurde.
