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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laserbearbeitungsverfahren und eine Laserbearbeitungsanlage zur additiven Fertigung, wobei ein bereitgestellter Laserstrahls in wenigstens zwei Teilstrahlen aufgeteilt und die beiden Teilstrahlen über ein Pulverbett mittels einer Scannereinheit zur gleichzeitigen Herstellung von zwei im Wesentlichen gleichen Bauteilen geführt werden.
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Stand der Technik
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Chun-Yu Tsai et al. (2019) „Synchronized multi-spot scanning strategies for the laser powder bed fusion process“, Additive Manufacturing, Volume 27 (https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.02.009) offenbart die Verwendung eines diffraktiven optischen Elementes (DOE) zur Strahlteilung vor einer Scannereinheit.
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Kai-Sheng Yu et al. (2022) „Additive manufacturing of NdFeB magnets by synchronized three-beam laser powder bed fusion", in: Optics & Laser Technology, Volume 146, 107604, ISSN 0030-3992 (https://doi.orgJ10.1016/j.optlastec.2021.107604) offenbaren ebenfalls ein diffraktives optisches Element als Strahlteiler vor einer Scannereinheit in einer Laserbearbeitungsanlage.
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Eine aktive Kompensation von Abweichungen der Abstände zwischen Teilstrahlen eines Laserstrahls mittels einer Rotation eines DOEs wird in Oskar Hofmann et al. (2020), „Design of multi-beam optics for high throughput parallel processing", in: Journal of Laser Applications 32, 012005 (https://doi.orgJ10.2351/1.5125778) offenbart.
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Marcel Slodczyk (2021) „Spatter reduction by multi-beam illumination in laser powderbed fusion Materials & Design", in: Materials & Design, Volume 212, 110206, ISSN 0264-1275 (https://doi.orgJ10.1016/j.matdes.2021.110206) offenbaren ein diffraktives optisches Element zur Strahlteilung für die Anwendung im additiven Fertigungsprozess.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen additiven Fertigungsprozess zu verbessern.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend der unabhängigen Ansprüche 1 und 19 gelöst.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laserbearbeitungsverfahren zur additiven Fertigung, insbesondere ein 3D-Druckverfahren. Das Laserbearbeitungsverfahren umfasst eine Bereitstellung eines Pulverbetts und eine Bereitstellung eines Laserstrahls mittels einer Laserquelle oder einer Glasfaser. Der Laserstrahl wird in einem weiteren Verfahrensschritt in wenigstens zwei Teilstrahlen mittels eines Strahlteilers aufgeteilt, insbesondere mittels eines diffraktiven optischen Elements. Der Strahlteiler ist in der Aussendungsrichtung entlang der optischen Achse des Laserstrahls vor einer Scannereinheit angeordnet. Anschließend werden die erzeugten Teilstrahlen über das Pulverbett mittels der Scannereinheit geführt, wobei insbesondere jeweils eine Bahn durch jeweils einen geführten Teilstrahl erzeugt wird. Mit anderen Worten werden wenigstens zwei Bahnen der Teilstrahlen erzeugt, wodurch im Wesentlichen wenigstens zwei gleiche Bauteile gleichzeitig hergestellt werden. Die Bauteile werden durch die Führung der Teilstrahlen beziehungsweise die erzeugten Bahnen der Teilstrahlen insbesondere mittels jeweils eines Teilstrahls hergestellt. Im Verfahren resultiert durch die Führung der Teilstrahlen mittels der Scannereinheit ein variierender Winkel zwischen der Vertikalen und dem jeweiligen Teilstrahl nach dem Austritt aus der Scannereinheit beziehungsweise eine variierende Weglänge des jeweiligen Teilstrahls von der Scannereinheit zum Pulverbett, wodurch insbesondere die technische Aufgabe resultiert, die dadurch resultierenden potentiellen Abweichungen des kürzesten Abstand zwischen den erzeugten Bahnen der Teilstrahlen auf dem Pulverbett während der Führung der Teilstrahlen über das Pulverbett so zu kompensieren, dass zwei im Wesentlichen gleiche Bauteile gleichzeitig hergestellt werden können. Erfindungsgemäß wird der kürzeste Abstand zwischen den erzeugten Bahnen von den auf dem Pulverbett geführten Teilstrahlen n Abhängigkeit eines vorgegebenen oder eingegebenen Sollabstandes gesteuert beziehungsweise eingestellt, wobei die Steuerung des kürzesten Abstands kontinuierlich während der Führung der erzeugten Teilstrahlen über das Pulverbett erfolgt. Der kürzeste Abstand ist insbesondere der senkrecht zu den erzeugten Bahnen vorliegende Abstand zwischen den Bahnen der jeweiligen Teilstrahlen. Mit anderen Worten ist der kürzeste Abstand der senkrechte Abstand zwischen den durch die Führung der Teilstrahlen auf dem Pulverbett resultierenden Bearbeitungsbahnen der Teilstrahlen. Durch die Steuerung wird die durch die Führung der Teilstrahlen potentiell resultierende Abweichung dieses kürzesten Abstandes vom Sollabstand vorteilhafterweise laufend kompensiert, so dass als kürzester Abstand der Sollabstand resultiert beziehungsweise der kürzeste Abstand an den Sollabstand angenähert wird. Die Steuerung des kürzesten Abstands zwischen den Bahnen der Teilstrahlen umfasst mindestens eine Änderung der Position des Strahlteilers entlang der optischen Achse des Laserstrahls. Mit anderen Worten wird der kürzeste Abstand zwischen den Bahnen der auf dem Pulverbett geführten Teilstrahlen vorteilhafterweise während des Betriebs des Laserbearbeitungsverfahren durch Anpassung der Position des Strahlteilers entlang der optischen Achse des Laserstrahls gesteuert. Durch die Steuerung des kürzesten Abstands wird der Laufweg und/oder der Winkel der erzeugten Teilstrahlen vor der Scannereinheit angepasst, so dass der technische Vorteil resultiert, dass der kürzeste Abstand der erzeugten Bahnen der Teilstrahlen auf dem Pulverbett angepasst wird beziehungsweise im Wesentlichen konstant gehalten werden kann, wobei im Wesentlichen vorteilhafterweise der Sollabstand eingestellt wird, wodurch zwei gleiche Bauteile parallel beziehungsweise gleichzeitig hergestellt werden können. Somit erlaubt das Verfahren eine Effizienzsteigerung beziehungsweise Kostenreduktion für die additive Fertigung durch die Parallelisierung der Fertigung gleicher Bauteile mit nur geringfügig erhöhten Kosten in der Anlagentechnik.
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In einer Ausgestaltung erfolgt die Steuerung des kürzesten Abstandes gemäß einer ermittelten Bahnplanung zur Führung der erzeugten Teilstrahlen über das Pulverbett, wobei die ermittelte Bahnplanung vorteilhafterweise die Steuerungsparameter zur Steuerung des kürzesten Abstandes umfasst. Ein Steuerungsparameter ist die Position des Strahlteilers auf der optischen Achse. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass vor der Bereitstellung des Laserstrahls, die Ermittlung der Bahnplanung durchgeführt wird, wobei die Steuerungsparameter zur Steuerung des kürzesten Abstandes bestimmt werden. Die Bahnplanung wird vorzugsweise zumindest basierend auf der möglichen Dynamik zur Steuerung des kürzesten Abstandes und/oder der vorgegebenen Maximalwerte zur Anpassung der Position des Strahlteilers beziehungsweise zur Verstellung des Strahlteilers entlang der optischen Achse vor dem Laserbearbeitungsverfahren bestimmt. Durch diese Ausgestaltung wird der Vorteil erzeugt, dass der kürzesten Abstand zwischen den erzeugten Bahnen der Teilstrahlen zueinander auf dem Pulverbett besonders konstant gehalten werden kann beziehungsweise Toleranzen reduziert werden können, so dass eine hohe Qualität der gefertigten Bauteile beziehungsweise niedrigere Bauteiltoleranzen und eine niedrige Prozesszeit resultieren.
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In einer Weiterführung erfolgt die Bestimmung der Bahnplanung derart, dass zunächst für ein zu erzeugendes Bauteil eine maximale Abweichung zum Sollabstand zwischen den auf dem Pulverbett potentiell erzeugten Bahnen der Teilstrahlen ohne Steuerung des kürzesten Abstands bestimmt und zu dieser bestimmten maximalen Abweichung die notwendigen Steuerungsparameter zur Steuerung des kürzesten Abstands ermittelt werden, um als kürzesten Abstand den Sollabstand zu erreichen, wobei anschließend die Bahnplanung basierend auf diesen ermittelten notwendigen Steuerungsparametern und einem Maximalwert für die zeitliche Dynamik zur Steuerung des kürzesten Abstands bestimmt beziehungsweise durchgeführt wird. Die Ermittlung der notwendigen Steuerungsparameter und/oder der Bahnplanung erfolgt dabei insbesondere jeweils durch ein angelerntes maschinelles Erkennungsverfahren oder ein empirisches Modell. Durch diese Ausgestaltung wird die notwendige Prozesszeit zur Führung der Teilstrahlen beziehungsweise des Laserbearbeitungsverfahren zur Herstellung der wenigstens zwei Bauteile vorteilhafterweise reduziert und eine hohe Bauteilqualität beziehungsweise niedrigere Bauteiltoleranzen erreicht.
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In einer weiteren optionalen Weiterführung ist es vorgesehen, dass die Bahnplanung iterativ bestimmt beziehungsweise ermittelt wird, bis der Maximalwert für die zeitliche Dynamik zur Steuerung des kürzesten Abstandes unterschritten ist. Durch diese Ausgestaltung wird die reduzierende Prozesszeit vorteilhafterweise minimiert und eine noch höhere Bauteilqualität beziehungsweise niedrigere Bauteiltoleranzen erreicht.
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In einer anderen optionalen Weiterführung erfolgt die Ermittlung der Bahnplanung für ein Bauteil abschnittsweise. Dadurch wird vorteilhafterweise eine effiziente Ermittlung der Bahnplanung erreicht beziehungsweise die Rechenzeit zur Ermittlung der Bahnplanung verkürzt.
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Des Weiteren umfasst die Steuerung des kürzesten Abstandes in einer Ausführung der Erfindung zusätzlich eine Rotation des Strahlteilers um die optische Achse des Laserstrahls. Durch diese Ausgestaltung wird der Vorteil erzeugt, dass der Sollabstand besser eingehalten werden kann beziehungsweise die Konstanz des kürzesten Abstandes zwischen den erzeugten Bahnen der Teilstrahlen erhöht beziehungsweise die Toleranz des kürzesten Abstands zwischen den Bahnen auf dem Pulverbett und reduziert und gleichzeitig die Rechenzeit reduziert wird, da durch die zusätzliche Rotation des Strahlteilers um die optische Achse des Laserstrahls die Dynamik der Steuerung erhöht wird. Außerdem können größere Abstände zwischen den Bahnen gesteuert und/oder die Führung der Teilstrahlen beschleunigt werden, was die parallele Herstellung von Bauteilen mit größeren Dimensionen ermöglicht und/oder die Prozesszeit reduziert. Außerdem wird die resultierende Bauteilqualität erhöht beziehungsweise niedrigere Bauteiltoleranzen erzielt.
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In einer weiteren optionalen Ausführung umfasst die Steuerung des kürzesten Abstandes zusätzlich eine Rotation des Strahlteilers um wenigstens eine Achse senkrecht zur optischen Achse des Laserstrahls. Durch diese Ausführung wird ebenfalls der Vorteil erzeugt, dass der Sollabstand besser eingehalten werden kann beziehungsweise die Konstanz des kürzesten Abstandes der Teilstrahlen erhöht und gleichzeitig die Rechenzeit reduziert wird, da durch diese zusätzliche Rotation des Strahlteilers die Dynamik der Steuerung des kürzesten Abstandes noch weiter erhöht wird. Außerdem werden können auch größere kürzeste Abstände gesteuert und/oder die Führung der Teilstrahlen beschleunigt werden, was die parallele Herstellung von Bauteilen mit größeren Dimensionen ermöglicht und/oder die Prozesszeit reduziert. Außerdem wird die resultierende Bauteilqualität erhöht beziehungsweise niedrigere Bauteiltoleranzen erzielt.
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Des Weiteren kann es in einer anderen Ausführung vorgesehen sein, dass die Steuerung des kürzesten Abstandes zusätzlich eine Rotation des Pulverbett-Behälters beziehungsweise einer Aufnahmevorrichtung für das Pulverbett um eine Achse des Pulverbett-Behälters beziehungsweise der Aufnahmevorrichtung für das Pulverbett umfasst. Dadurch wird vorteilhafterweise auch die Dynamik des kürzesten Abstandes und der absolute Betrag des steuerbaren kürzesten Abstandes weiter gesteigert, was in dem Vorteil resultiert, dass die parallele Herstellung von Bauteilen mit noch größeren Dimensionen beziehungsweise Abmaßen ermöglicht und/oder die Führung der Teilstrahlen beschleunigt werden kann. Außerdem wird die resultierende Bauteilqualität erhöht beziehungsweise niedrigere Bauteiltoleranzen erzielt.
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In einer weiteren anderen optionalen Ausführung kann es vorgesehen sein, dass die Steuerung des kürzesten Abstandes zusätzlich eine Änderung der Position des Pulverbett-Behälters beziehungsweise der Aufnahmevorrichtung für das Pulverbett senkrecht zur optischen Achse des Laserstrahls umfasst. Dadurch wird vorzugsweise die Dynamik des kürzesten Abstandes und der absolute Betrag des steuerbaren kürzesten Abstandes weiter gesteigert, was in dem Vorteil resultiert, dass die parallele Herstellung von Bauteilen mit noch größeren Dimensionen beziehungsweise Abmaßen ermöglicht und/oder die Führung der Teilstrahlen beschleunigt werden kann. Außerdem wird die resultierende Bauteilqualität erhöht beziehungsweise niedrigere Bauteiltoleranzen erzielt. Außerdem wird die resultierende Bauteilqualität erhöht beziehungsweise niedrigere Bauteiltoleranzen erzielt.
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In einer Weiterführung kann es vorgesehen sein, dass die Steuerung des kürzesten Abstandes zusätzlich eine Änderung der Position wenigstens eines Spiegels in der Scannereinheit in Richtung der optischen Achse wenigstens eines der Teilstrahlen umfasst. Dadurch wird die Dynamik der Steuerung des kürzesten Abstandes und der absolute Betrag des steuerbaren kürzesten Abstandes weiter gesteigert. Außerdem wird die resultierende Bauteilqualität erhöht beziehungsweise niedrigere Bauteiltoleranzen erzielt.
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Darüber hinaus kann zusätzlich in einer Ausführung nach dem Strahlteiler und vor der Scannereinheit ein Glasobjekt in den Strahlengängen beider Teilstrahlen angeordnet sein, wobei die Steuerung des kürzesten Abstandes zusätzlich eine Rotation des Glasobjekts um wenigstens eine Achse des Glasobjekts umfasst. Dadurch wird die Dynamik der Steuerung des kürzesten Abstandes und der absolute Betrag des steuerbaren kürzesten Abstandes weiter gesteigert. Außerdem wird die resultierende Bauteilqualität erhöht beziehungsweise niedrigere Bauteiltoleranzen erzielt.
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Vorteilhafterweise kann das diffraktive optische Element als Strahlteiler in der Querschnittsebene, welche die optische Achse des Laserstrahles und die Vertikalachse beziehungsweise Hochachse des diffraktiven optischen Elements senkrecht zur optischen Achse des Laserstrahls umfasst, eine nicht symmetrische Geometrie aufweisen. Die Steuerung des kürzesten Abstandes umfasst dann in dieser Ausgestaltung zusätzlich eine Änderung der Position des Strahlteilers in Richtung der Hochachse des diffraktiven optischen Elements als Strahlteiler. Dadurch wird die Dynamik der Steuerung des kürzesten Abstandes und der absolute Betrag des steuerbaren kürzesten Abstandes weiter gesteigert. Außerdem wird die resultierende Bauteilqualität erhöht beziehungsweise niedrigere Bauteiltoleranzen erzielt.
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Darüber hinaus kann in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wenigstens ein Kamerabild mittels einer Kamera erfasst werden, wobei das Kamerabild die aktuell erzeugten Bahnen der Teilstrahlen auf dem Pulverbett abbildet. Anschließend wird der aktuelle kürzeste Abstand zwischen den Bahnen der Teilstrahlen auf dem Pulverbett basierend auf dem erfassten Kamerabild ermittelt und eine Abweichung des ermittelten aktuellen kürzesten Abstandes von dem Sollabstand bestimmt. Danach erfolgt die Steuerung des kürzesten Abstandes zusätzlich in Abhängigkeit der bestimmten Abweichung des ermittelten Abstandes von dem Sollabstand, insbesondere als Steuerparameter. In dieser Ausgestaltung erfolgt die Steuerung des kürzesten Abstandes laufend beziehungsweise online, so dass eine vorherige aufwendigere Bestimmung der Bahnplanung vermieden werden kann. Diese weitere Ausgestaltung kann insbesondere zusätzlich zur vorherigen Bestimmung der Bahnplanung inklusive der Steuerungsparameter erfolgen, so dass ermittelte Abweichungen des kürzesten Abstandes vom Sollabstand ausgeglichen werden können, welche beispielsweise aus Bestimmungsfehlern oder Ungenauigkeiten in der Bestimmung der Bahnplanung resultieren können. In dieser Ausgestaltung werden besonders hohe Bauteilqualitäten beziehungsweise niedrigere Bauteiltoleranzen erzielt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Strahlteiler zur Laserbearbeitung unterschiedlicher Bereiche des Pulverbetts beziehungsweise Werksstücks automatisch gewechselt beziehungsweise geschaltet. Dadurch wird die Dynamik der Steuerung des kürzesten Abstandes und der absolute Betrag des steuerbaren kürzesten Abstandes weiter gesteigert.
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Alternativ oder zusätzlich kann es in einer weiterführenden Ausgestaltung vorgesehen sein, dass zwei parallele Strahlengänge vor der Scannereinheit angeordnet sind, welche jeweils unterschiedliche Strahlteiler umfassen. Dadurch wird die Dynamik der Steuerung des kürzesten Abstandes und der absolute Betrag des steuerbaren kürzesten Abstandes weiter gesteigert.
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Die Steuerung des kürzesten Abstandes kann außerdem optional in Abhängigkeit eines Schutzgasstromes für die Laserbearbeitung erfolgen. Alternativ kann der Schutzgasstrom in Abhängigkeit der Steuerung des kürzesten Abstandes beziehungsweise des Sollabstandes angepasst werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die Qualität der Laserbearbeitung gewährleitet bleibt oder gesteigert werden kann.
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Vorzugsweise weist der kürzeste Abstand zwischen den erzeugten Bahnen der Teilstrahlen auf dem Pulverbett einen Betrag größer oder gleich 1 Millimeter, größer oder gleich 10 Millimeter oder größer oder gleich 100 Millimeter auf.
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Es kann vorgesehen sein, dass mehrere Laserbearbeitungsverfahren in derselben Laserbearbeitungsanlage gleichzeitig mittels jeweils separater Komponenten durchgeführt werden, insbesondere basierend auf der gleichen Bahnplanung.
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Die Erfindung betrifft auch eine Laserbearbeitungsanlage. Die Laserbearbeitungsanlage umfasst mindestens eine Aufnahmevorrichtung zur Bereitstellung eines Pulverbetts und eine Laserquelle oder einen Anschluss zur Einkopplung eines Laserstrahls. Die Laserbearbeitungsanlage weist auch einen Strahlteiler zur Erzeugung von Teilstrahlen des Laserstrahls auf, insbesondere ein diffraktives optisches Element, wobei der Strahlteiler in der Aussendungsrichtung entlang der optischen Achse des Laserstrahls vor der Scannereinheit angeordnet ist. Die Laserbearbeitungsanlage umfasst außerdem eine Scannereinheit zur Führung der erzeugten Teilstrahlen über das Pulverbett. Des Weiteren umfasst die Laserbearbeitungsanlage eine Linearachseneinheit zur Änderung der Position des Strahlteilers entlang der optischen Achse des Laserstrahls und eine Recheneinheit, die so konfiguriert ist, dass sie die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wobei ein kürzester Abstand zwischen den auf dem Pulverbett durch die geführten Teilstrahlen erzeugten Bahnen gesteuert wird, wobei mindestens eine Steuerung beziehungsweise Anpassung der Position des Strahlteilers mittels der Linearachseneinheit erfolgt.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug zu den Figuren.
- 1: Laserbearbeitungsanlage
- 2a: kürzester Abstand zwischen erzeugten Bahnen
- 2b: kürzester Abstand bei Rotation des Strahlteilers um α=45°
- 3: Möglichkeiten zur Steuerung des kürzesten Abstandes
- 4: Parallele Strahlengänge
- 5: Ablaufdiagramm des Laserbearbeitungsverfahrens als Blockschaltbild
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Ausführungsbeispiele
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In 1 ist eine Laserbearbeitungsanlage 100 mit Scannereinheit 120 zur Führung eines bereitgestellten Laserstrahls 110 beziehungsweise der mittels eines Strahlteilers 130 erzeugten Teilstrahlen 111, 112 und 113 des Laserstrahls 110 schematisch dargestellt. Die Laserbearbeitungsanlage 100 kann eine Laserquelle 160 oder einen Anschluss zur Einkopplung beziehungsweise Bereitstellung eines Laserstrahls umfassen, wie beispielsweise einen Anschluss für eine Glasfaser. Der Strahlteiler 130 ist in diesem Beispiel ein Diffraktives Optisches Element (DOE), welches nach dem physikalischen Prinzip der Beugung (Diffraktion) an einem optischen Gitter den Lasterstrahl in drei Teilstrahlen teilt. Der Strahlteiler 130 ist in der Aussendungsrichtung des Laserstrahls 110 beziehungsweise in der Aussendungsrichtung der Teilstrahlen 111, 112 und 113 entlang der gestrichelt dargestellten optischen Achse 190 des Laserstrahls 110 vor der Scannereinheit 120 angeordnet. Die Laseranlagen umfasst des Weiteren eine Aufnahmevorrichtung 140 zur Bereitstellung eines Pulverbetts 150. Die Laserbearbeitungsanlage 100 umfasst auch einen Aktor 170 zur Änderung der Position des Strahlteilers 130 entlang der optischen Achse des Laserstrahls 110, wobei der Aktor hier in diesem Ausführungsbeispiel eine Linearachseneinheit mit einem Schlitten ist. Die Laserbearbeitungsanlage 100 weist außerdem eine Recheneinheit 180 auf, die so konfiguriert ist, dass sie die Schritte des erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsverfahrens ausführt, wobei der Aktor 170 beziehungsweise die Linearachseneinheit zur Änderung der Position des Strahlteilers 130 gesteuert wird, wodurch ein kürzester Abstand zwischen den auf dem Pulverbett 150 erzeugten Bahnen der geführten Teilstrahlen 111, 112 und 113 gesteuert beziehungsweise an einen vorgegebenen Sollabstand angepasst wird. Zur Anpassung der Posotion des Strahlteilers 130 durch die Steuerung des kürzesten Abstandes ist die Recheneinheit 180 mit dem Aktor 170 beziehungsweise der Linearachseneinheit elektrisch verbunden. Die Recheneinheit 180 erzeugt elektrische Ausgabesignale, welche von dem Aktor 170 empfangen beziehungsweise erfasst werden und dazu eingerichtet sind, den Aktor 170 zur Anpassung der Position des Strahlteilers 130 zu steuern, wodurch der kürzeste Abstand zwischen auf dem Pulverbett erzeugten Bahnen der auf dem Pulverbett geführten Teilstrahlen 111, 112, 113 so gesteuert wird, dass sich der kürzeste Abstand zwischen den Bahnen laufend dem Sollabstand annähert beziehungsweise diesem entspricht. In 1 ist eine erste Position P1 des Strahlteilers 130 und gestrichelt eine zweite Position P2 des Strahlteilers 130 dargestellt, wobei der Strahlteiler 130 mittels des Aktors 170 beziehungsweise der Linearachseneinheit mit dem Schlitten zwischen der ersten Position P1 und der zweiten Position P2 verfahren beziehungsweise bewegt beziehungsweise verschoben werden kann. Durch die Veränderung beziehungsweise die Anpassung der Position des Strahlteilers 130 von P1 auf P2 ändern sich die Lagen des äußeren Teilstrahls 111 beziehungsweise 111` sowie die Lage des anderen äußeren Teilstrahls 113 beziehungsweise 113' und somit der kürzeste Abstand x, x' zwischen den durch die geführten Teilstrahlen 111, 111', 112, 113, 113' erzeugten Bahnen auf dem Pulverbett. Die Lage des mittleren Teilstrahls 112 bleibt durch die Steuerung des kürzesten Abstands x, x' beziehungsweise die Veränderung der Position des Strahlteilers 130 von P1 auf P2 unverändert. Der Strahlteiler 130 kann auch um die optische Achse 190 des Laserstrahls rotiert werden, wie durch den Pfeil 131 angedeutet. Durch die Laserstrahlung der Teilstrahlen 111, 111', 112, 113, 113' wird das Pulverbett entlang der erzeugten Bahnen aufgeschmolzen und ein additiv gefertigtes Bauteil erzeugt. Die Laserbearbeitungsanlage 100 ist dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Laserbearbeitungsverfahren durchzuführen, wobei mehrere gleiche Bauteile, hier insbesondere drei gleiche Bauteile, gleichzeitig gefertigt beziehungsweise hergestellt werden.
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In 2a ist ein kürzester Abstand x1 zwischen den Bahnen 201, 202, 203 schematisch dargestellt, welche von den auf den Pulverbett 150 geführten Teilstrahlen 111, 112, 113 erzeugten werden. Zwischen den erzeugten Bahnen 201, 202, 203 resultiert ein kürzester Abstand x1, wobei der Strahlteiler 130 in diesem Bespiel nicht rotiert wurde (a=0°). Der kürzeste Abstand zwischen den auf dem Pulverbett erzeugten Bahnen 201, 202, 203 der Teilstrahlen 111, 112, 113 weist vorzugsweise einen Betrag größer oder gleich 1 Millimeter, 10 Millimeter oder 100 Millimeter auf. In 2b sind die erzeugten Bahnen 201, 202, 203 von den auf den Pulverbett 150 geführten Teilstrahlen 111, 112, 113 bei einer Rotation des Strahlteilers 130 um α=45° dargestellt. Es resultiert ein gegenüber der fehlenden Rotation kleinerer kürzester Abstand (x2<x1). Der kürzeste Abstand x, x1 kann also sowohl durch eine Anpassung der Position des Strahlteilers 130 als auch durch eine Rotation des Strahlteilers 130 gesteuert werden. Wenn die Steuerung des kürzesten Abstands x, x', x1, x2 zwischen den auf den Pulverbett 150 durch die geführten Teilstrahlen 111, 112, 113 erzeugten Bahnen 201, 202, 203 durch eine Anpassung der Position P1, P2 des Strahlteilers 130 und zusätzlich durch eine Rotation des Strahlteilers 130 um den Winkel α erfolgt, wird die Dynamik der Steuerung des kürzesten Abstandes x, x', x1, x2 erhöht. Mit anderen Worten kann der kürzeste Abstand zwischen den Bahnen 201, 202 und 203 schnell auf den Sollabstand angepasst werden, so dass die Teilstrahlen 111, 112, 113 unter Beibehaltung des Sollabstands als kürzester Abstand x, x', x1, x2 schneller über das Pulverbett geführt werden und/oder Fertigungstoleranzen für alle Bauteile besser eingehalten werden oder reduziert werden können, wobei durch letzteres die Bauteilqualität gesteigert wird.
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In 3 sind andere Möglichkeiten zur Steuerung des kürzesten Abstandes zwischen den durch die geführten Teilstrahlen 111, 112, 113 erzeugten Bahnen 201, 202, 203 schematisch dargestellt. Die Steuerung des kürzesten Abstandes kann zusätzlich oder alternativ durch eine Verschiebung 310 und/oder Rotation 311 der Aufnahmevorrichtung 140 des Pulverbetts 150 erfolgen. Die Steuerung des kürzesten Abstandes kann des Weiteren zusätzlich oder alternativ durch eine Rotation 321 eines zusätzlichen Glasobjekts 320 erfolgen. Die Steuerung des kürzesten Abstandes kann ferner zusätzlich oder alternativ durch eine Verschiebung 330 eines diffraktiven optischen Element als Strahlteiler 130 in Richtung der Hochachse 335 des diffraktiven optischen Elements erfolgen, wobei das diffraktive optische Element einen nicht symmetrischen Querschnitt in der Querschnittsebene aufweist, welche die Hochachse 335 und die optische Achse 190 des Laserstrahls umfasst. Die Steuerung 560 des kürzesten Abstandes umfasst alternativ oder zusätzlich eine optionale Rotation 341, 342 des Strahlteilers 130 um wenigstens eine Achse senkrecht zur optischen Achse 190 des Laserstrahls 110.
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In 4 ist eine Weiterführung zur Steuerung des kürzesten Abstands zwischen den durch die geführten Teilstrahlen 111, 112, 113 erzeugten Bahnen 201, 202 und 203 dargestellt, wobei die Laserbearbeitungsanlage zwei oder alternativ mehr als zwei (nicht dargestellt) parallele Strahlengänge 410, 420 mit unterschiedlichen Strahlteilern 130 umfasst, welche insbesondere jeweils mittels eines Aktors 170 in Richtung der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 110 beziehungsweise der Teilstrahlen 111, 112 und 113 entlang der optischen Achse 190 des Laserstrahls verschoben beziehungsweise bewegt und/oder um die jeweilige optische Achse 190 rotiert werden können. Die parallelen Strahlengänge 410 und 420 können beispielsweise mittels Spiegeln und halbdurchlässiger Spiegel miteinander verbunden beziehungsweise vor der Scannereinheit 120 zusammengeführt werden. In dieser Ausführung kann die Steuerung 560 des kürzesten Abstandes sehr schnell auch bei Sprüngen des Teilstrahls 111, 112, 113 an einen anderen Ort beziehungsweise Sprüngen in der Bahnplanung beziehungsweise nicht stetiger Bahnführung erfolgen, da zwischen sehr unterschiedlichen Positionen des Strahlteilers 130 geschaltet werden kann und somit potentiell sprunghafte und/oder starke Abweichungen vom Sollabstand kompensiert werden können.
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In 5 ist ein Ablaufdiagramm des Laserbearbeitungsverfahrens als Blockschaltbild schematisch dargestellt. Das Verfahren umfasst optional eine Ermittlung 510 einer Bahnplanung zur additiven Fertigung eines Bauteils, wobei die ermittelte Bahnplanung Steuerungsparameter zur Steuerung 550 des kürzesten Abstandes umfasst. Bei der Ermittlung der Bahnplanung wird bevorzugt zunächst eine maximale Abweichung zum Sollabstand zwischen den auf dem Pulverbett 150 potentiell erzeugenten Bahnen der Teilstrahlen 111, 112, 113 ohne eine Steuerung des kürzesten Abstands bestimmt. Zu dieser bestimmten maximalen Abweichung werden anschließend die notwendigen Steuerungsparameter zur Steuerung des kürzesten Abstands ermittelt, so dass als kürzesten Abstand der Sollabstand resultiert. Danach wird bevorzugt die Bahnplanung basierend auf diesen ermittelten notwendigen Steuerungsparametern für diese maximale Abweichung und einem Maximalwert für die zeitliche Dynamik zur Steuerung des kürzesten Abstands ermittelt. Die Ermittlung 510 der Bahnplanung kann iterativ erfolgen, bis der Maximalwert für die zeitliche Dynamik zur Steuerung des kürzesten Abstandes unterschritten ist. Die Ermittlung der Bahnplanung für ein Bauteil kann auch abschnittsweise für unterschiedliche Bereiche auf dem Pulverbett 150 beziehungsweise des Bauteils erfolgen. FrageDas Laserbearbeitungsverfahren zur additiven Fertigung umfasst eine Bereitstellung 520 eines Pulverbetts 150 und eine Bereitstellung 530 eines Laserstrahls 110. Anschließend wird in einem Schritt 540 der Laserstrahl in wenigstens zwei Teilstrahlen 111, 112, 113 mittels eines Strahlteilers 130 aufgeteilt. Die erzeugten Teilstrahlen 111, 112, 113 werden anschließend im Schritt 550 über das Pulverbett 150 mittels der Scannereinheit 120 geführt, wobei die Bahnen 201, 202, 203 durch die geführten Teilstrahlen 111, 112, 113 auf dem Pulverbett erzeugt werden. Während der Führung 550 der Teilstrahlen 111, 112, 113 wird im Schritt 560 gleichzeitig und kontinuierlich der kürzeste Abstand zwischen den erzeugten Bahnen 201, 202, 203 in Abhängigkeit eines Sollabstandes gesteuert, wobei die Steuerung mindestens eine Änderung der Position des Strahlteilers 130 entlang der optischen Achse 190 des Laserstrahls 110 umfasst. Der Sollabstand kann vorgegeben sein, oder in Abhängigkeit einer Bauteilgröße ermittelt werden. Die Steuerung 560 des kürzesten Abstandes erfolgt bevorzugt gemäß der im optionalen Schritt 510 ermittelten Bahnplanung zur Führung der erzeugten Teilstrahlen 111, 112, 113 über das Pulverbett. Die Steuerung 560 des kürzesten Abstandes kann optional zusätzlich eine Rotation des Strahlteilers 130 um die optische Achse 190 des Laserstrahls 110 umfassen. Die Steuerung 560 des kürzesten Abstandes umfasst alternativ oder zusätzlich eine optionale Rotation des Strahlteilers 130 um wenigstens eine Achse senkrecht zur optischen Achse des Laserstrahls 110. Des Weiteren kann die Steuerung 560 des kürzesten Abstandes zusätzlich eine Rotation der Aufnahmevorrichtung 140 für das Pulverbett 150 um eine Achse der Aufnahmevorrichtung 140 für das Pulverbett 150 umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung 560 des kürzesten Abstandes optional zusätzlich eine Änderung der Position der Aufnahmevorrichtung 140 für das Pulverbett 150 senkrecht zur optischen Achse 190 des Laserstrahls 110 umfassen. Darüber hinaus umfasst die Steuerung 560 des kürzesten Abstandes optional alternativ oder zusätzlich eine Änderung der Position wenigstens eines Spiegels in der Scannereinheit 120 in Richtung der optischen Achse wenigstens eines der Teilstrahlen 111, 112, 113. Es kann des Weiteren optional alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass nach dem Strahlteiler und vor der Scannereinheit 120 ein Glasobjekt 320 in den Strahlengängen der mindestens zwei Teilstrahlen 111, 112, 113 angeordnet ist, wobei die Steuerung 560 des kürzesten Abstandes dann zusätzlich eine Rotation 321 des Glasobjekts 320 um wenigstens eine Achse des Glasobjekts 320 umfasst. Schließlich kann optional das diffraktive optische Element als Strahlteiler 130 in der Querschnittsebene, welche die optische Achse des Laserstrahles 110 und die Hochachse 335 des diffraktiven optischen Elements senkrecht zur optischen Achse des Laserstrahls 130 umfasst, eine nicht symmetrische Geometrie aufweisen. Die Steuerung 560 des kürzesten Abstandes kann dann optional alternativ oder zusätzlich eine Änderung der Position des diffraktiven optischen Elements als Strahlteiles 130 in Richtung dieser Hochachse 335 umfassen. Ferner kann es vorgesehen sein, dass im Schritt 560 der Strahlteiler 130 in Abhängigkeit der Führung 550 der Teilstrahlen 111, 112, 113 zur Laserbearbeitung unterschiedlicher Bereiche des Pulverbetts 150 automatisch gewechselt wird, beispielsweise werden parallele Strahlengänge 410, 420 geschaltet, welche jeweils ein unterschiedlichen Strahlteiler 130 umfassen. Es kann im Schritt 560 auch vorgesehen sein, dass parallele Strahlengänge 410, 420 geschaltet werden, welche den gleichen Strahlteiler 130 an unterschiedlichen Positionen und/oder in unterschiedlichen Winkellagen α umfassen, wodurch ebenfalls die Dynamik zur Steuerung 560 des kürzesten Abstands erhöht wird. Außerdem kann die Steuerung 560 des kürzesten Abstandes in Abhängigkeit eines Schutzgasstromes für die Laserbearbeitung erfolgen oder alternativ der Schutzgasstrom in Abhängigkeit der Steuerung 560 des kürzesten Abstandes angepasst werden. In einer optionalen Weiterführung der Erfindung wird im Schritt 571 wenigstens ein Kamerabild mittels einer Kamera erfasst, wobei das Kamerabild die erzeugten Bahnen 201, 202, 203 der Teilstrahlen 111, 112, 113 auf dem Pulverbett 150 abbildet. Anschließend wird in dieser Weiterführung im folgenden Schritt 572 der aktuelle kürzeste Abstand zwischen den auf dem Pulverbett erzeugten Bahnen der Teilstrahlen 111, 112, 113 in Abhängigkeit des erfassten Kamerabildes ermittelt. Danach wird im Schritt 573 eine Abweichung des ermittelten aktuellen kürzesten Abstandes von dem Sollabstand bestimmt. Die Steuerung 560 des kürzesten Abstandes folgt dann optional zusätzlich in Abhängigkeit der im Schritt 573 bestimmten Abweichung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Kai-Sheng Yu et al. (2022) „Additive manufacturing of NdFeB magnets by synchronized three-beam laser powder bed fusion“, in: Optics & Laser Technology, Volume 146, 107604 [0003]
- Oskar Hofmann et al. (2020), „Design of multi-beam optics for high throughput parallel processing“, in: Journal of Laser Applications 32, 012005 [0004]
- Marcel Slodczyk (2021) „Spatter reduction by multi-beam illumination in laser powderbed fusion Materials & Design“, in: Materials & Design, Volume 212, 110206 [0005]
