DE202013010638U1 - Lightweight folding mirror - Google Patents

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Abstract

Umlenkspiegel in Leichtbauweise, erhältlich durch ein Verfahren, das folgende Schritte aufweist: a) Erstellen eines dreidimensionalen Modells eines Umlenkspiegels mit vorgegebener Geometrie in einem CAD-System und berechnen der beim Oszillieren des Umlenkspiegels um einen Auslenkwinkel auftretenden inneren Kraftflüsse nach der Methode der finiten Elemente (FEM), b) Anpassen einer verstärkenden dreidimensionalen Gitterstruktur entsprechend dem Kraftflussbild auf der Spiegelflächenrückseite des dreidimensionalen Umlenkspiegelmodells zum Ableiten der Kraftflüsse, c) Optimieren der dreidimensionalen Gitterstruktur nach einem Monte-Carlo-Algorithmus bis maximale Steifigkeit bei möglichst geringem Gewicht erreicht ist, d) Speichern der optimierten Umlenkspiegelmodelldaten in einer CAD-Datei, e) Kompilieren der Daten aus der CAD-Datei in zahlreiche dünne Schichten, die jeweils eine Querschnittsschicht des optimierten Umlenkspiegelmodells darstellen, f) Überführen der kompilierten CAD-Daten in ein System zur additiven Fertigung, g) Transformieren ausgewählter Bereiche eines physikalisch transformierbaren Materials auf einer Arbeitsoberfläche in dem System zur additiven Fertigung entsprechend den kompilierten CAD-Daten für eine erste Querschnittsschicht mit einem Stimulans zum Ausbilden einer transformierten Querschnittsschicht, h) Wiederholen des Schritts g), um entsprechend den kompilierten CAD-Daten weitere aufeinander folgende transformierte Querschnittschichten zu bilden, die an den zuvor gebildeten transformierten Querschnittsschichten haften, bis der Umlenkspiegel mit der verstärkenden Gitterstruktur gebildet ist.Deflecting mirror in a lightweight design, obtainable by a process that has the following steps: a) Creating a three-dimensional model of a deflecting mirror with a given geometry in a CAD system and calculating the internal force flows that occur when the deflecting mirror oscillates by a deflection angle using the finite element method ( FEM), b) adapting a reinforcing three-dimensional lattice structure according to the force flow image on the back of the mirror surface of the three-dimensional deflecting mirror model to derive the force flows, c) optimizing the three-dimensional lattice structure according to a Monte Carlo algorithm until maximum stiffness is achieved with the lowest possible weight, d) saving the optimized deflecting mirror model data in a CAD file, e) compiling the data from the CAD file into numerous thin layers, each of which represents a cross-sectional layer of the optimized deflecting mirror model, f) transferring the compiled CA. D data in an additive manufacturing system, g) transforming selected areas of a physically transformable material on a work surface in the additive manufacturing system according to the compiled CAD data for a first cross-sectional layer with a stimulant to form a transformed cross-sectional layer, h) repeating of step g) in order to form, in accordance with the compiled CAD data, further successive transformed cross-sectional layers which adhere to the previously formed transformed cross-sectional layers until the deflecting mirror is formed with the reinforcing lattice structure.

Description

Die Erfindung betrifft neue Umlenkspiegel für z. B. Galvanometer-Scanner in numerisch optimierter Leichtbauweise und ein System zum 3-D-Drucken bzw. zur additiven Fertigung des erfindungsgemäßen Umlenkspiegels.The invention relates to new deflection mirror for z. B. galvanometer scanner in numerically optimized lightweight construction and a system for 3-D printing or for additive manufacturing of the deflection mirror according to the invention.

Galvanometer-Scanner sind hochdynamische Drehantriebe für optische Anwendungen. Ihr Haupteinsatzgebiet ist die schnelle und präzise Positionierung von Spiegeln zur Ablenkung von Laserstrahlen. Soll der Laserstrahl in einem zweidimensionalen Bereich auf jeden beliebigen Punkt gelenkt werden können, setzt man eine 2-Achsen-Ablenkeinheit ein, durch die der Laserstrahl in zwei Richtungen abgelenkt werden kann. Die Umlenkung des Laserstrahls erfolgt dabei durch zwei Spiegel, die von je einem Galvanometer-Scanner in der X-Achse bzw. der Y-Achse um einen bestimmten Auslenkwinkel (z. B. ±10°) oszilliert werden.Galvanometer scanners are highly dynamic rotary actuators for optical applications. Their main field of application is the fast and precise positioning of mirrors for the deflection of laser beams. If the laser beam can be directed to any point in a two-dimensional area, a 2-axis deflection unit is used, through which the laser beam can be deflected in two directions. The deflection of the laser beam is effected by two mirrors, which are oscillated by a respective galvanometer scanner in the X-axis or the Y-axis by a certain deflection angle (eg ± 10 °).

Physikalisch spielt bei Drehbewegungen das Drehmoment die gleiche Rolle wie die Kraft für geradlinige Bewegungen. Ein Drehmoment kann die Rotation eines Körpers beschleunigen oder bremsen und den Körper verwinden oder verbiegen. Das Drehmoment hängt von der bei der Rotation auftretenden Winkelbeschleunigung und dem Massenträgheitsmoment des zu rotierenden Körpers ab. Aus dem Massenträgheitsmoment und dem eingetragenen Drehmoment resultiert ein Drehmoment das dem eingetragenen Drehmoment entgegenwirkt und damit die Winkelbeschleunigung reduziert, wobei das Massenträgheitsmoment von der gewählten Drehachse und der Verteilung der Masse eines Körpers bezüglich der Drehachse abhängt. Das Massenträgheitsmoment und die Steifigkeit des Körpers entscheiden hierbei über die möglichen maximalen Beschleunigungs- und Geschwindigkeitswerte. Die Steifigkeit beschreibt in der technischen Mechanik den Widerstand eines Körpers gegen elastische Verformung durch eine Kraft oder ein Drehmoment. Die Steifigkeit eines Körpers hängt von der Elastizität des Werkstoffs (Elastizitätsmodul bzw. E-Modul) und von der Geometrie des Körpers (Größe und Form der Querschnittsfläche) ab. Je geringer das Massenträgheitsmoment und je höher die Steifigkeit, desto schneller kann der Körper gedreht werden.Physically, the torque plays the same role in rotary movements as the force for linear movements. Torque can accelerate or slow the rotation of a body and twist or bend the body. The torque depends on the angular acceleration occurring during the rotation and the mass moment of inertia of the body to be rotated. From the moment of inertia and the torque entered results in a torque which counteracts the registered torque and thus reduces the angular acceleration, wherein the mass moment of inertia of the selected axis of rotation and the distribution of the mass of a body with respect to the axis of rotation depends. The mass moment of inertia and the stiffness of the body decide on the possible maximum acceleration and speed values. The stiffness describes in technical mechanics the resistance of a body against elastic deformation by a force or a torque. The stiffness of a body depends on the elasticity of the material (elastic modulus or modulus of elasticity) and on the geometry of the body (size and shape of the cross-sectional area). The lower the moment of inertia and the higher the stiffness, the faster the body can be turned.

In Galvanometer-Scannern werden mit den oszillierenden Umlenkspiegeln Winkelbeschleunigungen von über 800 Mio. Rad/s2 und Drehgeschwindigkeiten von 3000–10000 rpm erreicht. Die dabei auftretenden Drehmomente stellen hohe Anforderungen an das verwendbare Spiegelmaterial.In galvanometer scanners, angular oscillations of over 800 million rad / s 2 and rotational speeds of 3000-10000 rpm are achieved with the oscillating deflecting mirrors. The occurring torques place high demands on the usable mirror material.

Umlenkspiegel für Galvanometer-Scanner werden derzeit aus Glas, Keramik oder Beryllium hergestellt, und zwar klassischerweise gesintert oder aus dem vollen Block bearbeitet. Im Hochgeschwindigkeitsbereich werden Spiegel aus Beryllium verwendet wegen der für ein Metall sehr niedrigen Dichte von 1,85 g/cm3 und der hohen Steifigkeit (E-Modul 318 kN/mm2 – etwa 1/3 höher als bei Stahl). Das Material Beryllium ist allerdings sehr giftig und karzinogen, speziell inhalierte Berylliumpartikel führen zu Berylliose. Dies ist der Grund warum es weltweit nur wenige und entsprechend lizensierte Hersteller von Beryllium-Produkten gibt. Zerbricht ein Beryllium-Umlenkspiegel, wird der Galvanometer-Scanner kontaminiert und darf nur von entsprechend spezialisierten Reinigungsunternehmen dekontaminiert werden. Häufig ist eine Dekontaminierung aber nicht möglich, so dass der komplette Galvanometer-Scanner sachgerecht entsorgt werden muss. Damit sind zwangsweise hohe Kosten verbunden. Hinzu kommen die Kosten für die Ersatzbeschaffung eines Galvanometer-Scanners.Galvanometer scanner deflection mirrors are currently made of glass, ceramic or beryllium, traditionally sintered or machined from the full block. In the high-speed range, beryllium mirrors are used because of the metal's very low density of 1.85 g / cm 3 and the high rigidity (modulus of elasticity 318 kN / mm 2 - about 1/3 higher than in steel). However, the material beryllium is very toxic and carcinogenic, especially inhaled beryllium particles lead to berylliosis. This is the reason why there are only a few and appropriately licensed producers of beryllium products worldwide. If a beryllium deflection mirror breaks, the galvanometer scanner will be contaminated and may only be decontaminated by specialized cleaning companies. Often a decontamination is not possible, so that the complete galvanometer scanner must be disposed of properly. This inevitably involves high costs. In addition there are the costs for the replacement procurement of a galvanometer scanner.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass mit der Auswahl von konventionellen Fertigungsverfahren die Herstellung von Umlenkspiegeln, welche eine echte Alternative zu Beryllium-Umlenkspiegeln bieten, nicht zu akzeptablen Marktpreisen realisierbar ist.The invention is based on the problem that with the selection of conventional manufacturing methods, the production of deflecting mirrors, which offer a real alternative to beryllium deflecting mirrors, can not be realized at acceptable market prices.

Ein weiteres Problem ist, dass auch mit konventionellen Fertigungsverfahren hergestellte Beryllium-Spiegel rasch an ihre Leistungsgrenzen geraten, d. h. ihr Gewicht kann bei der gleichzeitig erforderlichen Steifigkeit nicht so minimiert werden, wie es erwünscht wäre.Another problem is that even with conventional manufacturing processes beryllium produced mirrors quickly reach their performance limits, d. H. Their weight can not be minimized as would be desirable with the stiffness required at the same time.

Diese Probleme werden erfindungsgemäß durch die Bereitstellung der im Hauptanspruch definierten Leichtbau-Umlenkspiegel gelöst.These problems are achieved by the provision of defined in the main claim lightweight deflecting mirror.

Die erfindungsgemäßen Leichtbau-Umlenkspiegel können durch ein 3-D-Druckverfahren bzw. Verfahren zur additiven Fertigung (beide Verfahrensbezeichnungen werden hier synonym gebraucht – unter additiver Fertigung bzw. „Additive Manufacturing” versteht man allgemein eine werkzeuglose Fertigung) hergestellt werden. Die Erfindung stellt auch ein System zum 3D-Drucken bzw. zur additiven Fertigung der erfindungsgemäßen Leichtbau-Umlenkspiegel mit den im unabhängigen Anspruch 7 definierten Merkmalen bereit.The lightweight deflection mirrors according to the invention can be produced by a 3-D printing process or processes for additive manufacturing (both process names are used synonymously here - additive manufacturing or "additive manufacturing" generally means a tool-free production). The invention also provides a system for 3D printing or for additive manufacturing of the lightweight deflecting mirrors according to the invention with the features defined in independent claim 7.

Vorteilhafte und/oder bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Leichtbau-Umlenkspiegel bzw. des erfindungsgemäßen Systems sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous and / or preferred embodiments of the lightweight deflecting mirror according to the invention or of the system according to the invention are the subject matter of the subclaims.

Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Systems wird auf der Spiegelflächenrückseite eine verstärkende dreidimensionale Struktur erzeugt, welche die Steifigkeit des Umlenkspiegels erhöht und gleichzeitig durch Verringerung der Spiegelflächendicke sein Gewicht und sein Massenträgheitsmoment reduziert. Durch die durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Systems erreichbare Volumenreduktion um ca. 60–75% wird es möglich, auch nichttoxische Leichtmetalle, oder andere Stoffe, mit einer höheren Dichte als Ausgangsmaterial für Umlenkspiegel zu nutzen, z. B. für Hochgeschwindigkeitsumlenkspiegel Titan mit einer Dichte von 4,5 g/cm3 und einem E-Modul von 105 kN/mm2 oder die Titanlegierung Ti6Al4V mit einer Dichte von 4,43 g/cm3 und einem E-Modul von 114 kN/mm2. Die durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Systems produzierten Umlenkspiegel können eine Spiegelfläche mit einer Dicke von nur 0,2 bis 1,5 mm aufweisen und bis zu 25% leichter als ein konventioneller Beryllium-Umlenkspiegel sein, ohne das die mechanischen Eigenschaften, wie maximale Steifigkeit, in allen Drehachsen beeinträchtigt sind. Dadurch sind höhere Scangeschwindigkeiten (Winkelbeschleunigung, max. Drehzahl, Endgeschwindigkeit) möglich.Through the use of the system according to the invention a reinforcing three-dimensional structure is produced on the mirror surface rear side, which increases the rigidity of the deflecting mirror and at the same time by reducing the Mirror surface thickness reduces its weight and moment of inertia. By achievable by the use of the system according to the invention volume reduction by about 60-75%, it is possible to use even non-toxic light metals, or other substances with a higher density as a starting material for deflecting mirror, z. For example, for high-speed deflection mirrors titanium with a density of 4.5 g / cm 3 and an E-modulus of 105 kN / mm 2 or the titanium alloy Ti6Al4V with a density of 4.43 g / cm 3 and an E-modulus of 114 kN / mm 2 . The deflecting mirrors produced by the use of the system according to the invention can have a mirror surface with a thickness of only 0.2 to 1.5 mm and be up to 25% lighter than a conventional beryllium deflecting mirror, without the mechanical properties such as maximum rigidity, are affected in all axes of rotation. As a result, higher scanning speeds (angular acceleration, maximum speed, final speed) are possible.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren detaillierter beschrieben. Dem Fachmann ist klar, dass die beschriebenen Ausführungsformen lediglich beispielhaft und nicht als Beschränkung der Erfindung zu verstehen sind.In the following the invention will be described in more detail with reference to the figures. It will be understood by those skilled in the art that the described embodiments are intended to be illustrative rather than limiting of the invention.

Figurenbeschreibungfigure description

1 zeigt schematisch den Aufbau und die Funktion eines Galvanometer-Scanners mit einer 2-Achsen-Ablenkeinheit für Laserstrahlen. Die Ablenkeinheit hat eine Eintrittsöffnung, in die der Laserstrahl eingekoppelt wird, und eine Austrittsöffnung, durch die der Laser nach der Ablenkung wieder aus der Ablenkeinheit austritt. Die Umlenkung des Laserstrahls erfolgt durch zwei Spiegel, die von je einem Galvanometer-Scanner in der X-Achse bzw. der Y-Achse um einen bestimmten Auslenkwinkel oszilliert werden. Dadurch kann ein Laserstrahl in die X- und Y-Richtung abgelenkt werden und es entsteht ein zweidimensionaler Bereich, in dem der Laserstrahl an jeden beliebigen Punkt gelenkt werden kann. 1 schematically shows the structure and function of a galvanometer scanner with a 2-axis deflection unit for laser beams. The deflection unit has an inlet opening into which the laser beam is coupled, and an outlet opening, through which the laser exits the deflection unit again after the deflection. The deflection of the laser beam is effected by two mirrors, which are oscillated by a respective galvanometer scanner in the X-axis and the Y-axis by a certain deflection angle. This allows a laser beam to be deflected in the X and Y directions and creates a two-dimensional area in which the laser beam can be directed to any point.

2 zeigt einen durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Systems hergestellten Umlenkspiegel in Leichtbauweise mit einer verstärkenden dreidimensionalen Gitterstruktur auf der Spiegelflächenrückseite. 2 shows a deflection mirror made by the use of the system according to the invention in lightweight construction with a reinforcing three-dimensional lattice structure on the mirror surface rear side.

3 zeigt einen durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Systems hergestellten Umlenkspiegel in der Vorderansicht. 3 shows a deflection mirror produced by the use of the system according to the invention in front view.

4 zeigt einen durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Systems hergestellten Umlenkspiegel in der Unteransicht. 4 shows a deflection mirror produced by the use of the system according to the invention in the bottom view.

5 zeigt einen durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Systems hergestellten Umlenkspiegel in der Seitenansicht. Es ist erkennbar, dass die verstärkende Gitterstruktur regel- oder unregelmäßig sein kann. 5 shows a deflection mirror produced by the use of the system according to the invention in side view. It can be seen that the reinforcing grid structure may be regular or irregular.

6 zeigt einen durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Systems hergestellten Umlenkspiegel in isometrischer Ansicht. Am oberen Ende ist die Aufnahmegeometrie zur Montage am Galvanometer erkennbar. 6 shows a deflecting mirror produced by the use of the system according to the invention in isometric view. At the top of the recording geometry for mounting on the galvanometer can be seen.

7 zeigt schematisch den allgemeinen Aufbau eines Systems zur additiven Fertigung durch Laserstrahlschmelzen. 7 schematically shows the general structure of a system for additive production by laser beam melting.

8 zeigt schematisch den allgemeinen Aufbau eines Systems zur additiven Fertigung durch Einbringen eines Bindemittels in das Ausgangsmaterial. 8th schematically shows the general structure of an additive manufacturing system by introducing a binder in the starting material.

9 zeigt schematisch den allgemeinen Aufbau eines Systems zur additiven Fertigung durch schichtweisen Auftrag von geschmolzenem Ausgangsmaterial (FDM/fused deposition modeling). 9 schematically shows the general structure of an additive manufacturing system by layered deposition of fused deposition material (FDM).

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Leichtbau-Umlenkspiegel wird zunächst ein dreidimensionales Modell eines Umlenkspiegels mit vorgegebener Geometrie in einem CAD-System (CAD = Computer Aided Design) erstellt. Die Geometrie des Umlenkspiegels wird vom Auslenkwinkel, dem Spiegelabstand sowie dem Strahlquerschnitt durch optische Projektion bestimmt. Geeignete CAD-Systeme sind kommerziell verfügbar (CATIA V5, SOLID WORKS). Anschließend werden die beim Oszillieren des Umlenkspiegels um einen vorgegebenen Auslenkwinkel auftretenden inneren Kraftflüsse nach der Methode der finiten Elemente (FEM) berechnet. Die meisten CAD-Systeme haben integrierte Module für FEM-Berechnungen, die dafür gut geeignet sind.To produce the lightweight deflecting mirror according to the invention, a three-dimensional model of a deflecting mirror with a predetermined geometry in a CAD system (CAD = Computer Aided Design) is first created. The geometry of the deflection mirror is determined by the deflection angle, the mirror distance and the beam cross-section by optical projection. Suitable CAD systems are commercially available (CATIA V5, SOLID WORKS). Subsequently, the internal force fluxes occurring during oscillation of the deflecting mirror by a predetermined deflection angle are calculated according to the finite element method (FEM). Most CAD systems have built-in modules for FEM calculations that are well-suited for this.

Anschließend wird in dem CAD-System auf der Spiegelflächenrückseite des dreidimensionalen Umlenkspiegelmodells eine verstärkende dreidimensionale Gitterstruktur entsprechend dem Kraftflussbild angepasst. Dazu wird zunächst eine einfache Ausgangsstruktur unter Berücksichtigung der Gitterporengröße, der Stegdicke, der Steglänge (min. & max.), der Anbindung der Knotenpunkte, Dicke der Knotenpunkte und des Strukturtyps (regelmäßig oder unregelmäßig) als Parameter konstruiert. Anschließend werden mit dem FEM-Modul die Positionierung und die Anzahl der das Gitter bildenden Stege, die Stegabstände und die Stegdicke optimiert. Die Gitterstruktur dient zum Ableiten der Kraftflüsse und kann eine regelmäßige oder unregelmäßige Struktur haben. Eine regelmäßige Struktur ist beispielsweise eine Fachwerkstruktur. Eine unregelmäßige Struktur kann z. B. eine Trabekel- oder Voronoi-Struktur sein.Subsequently, in the CAD system on the mirror surface rear side of the three-dimensional deflection mirror model, a reinforcing three-dimensional lattice structure is adapted in accordance with the force flow pattern. For this purpose, a simple initial structure is first constructed taking into account the grid pore size, the web thickness, the web length (min./max.), The connection of the nodal points, thickness of the nodal points and the structure type (regular or irregular) as parameters. Subsequently, the FEM module optimizes the positioning and the number of webs forming the grid, the web distances and the web thickness. The grid structure serves to derive the power flows and may have a regular or irregular structure. For example, a regular structure is a truss structure. An irregular structure may, for. B. be a trabecular or Voronoi structure.

Dann wird die erhaltene dreidimensionale Gitterstruktur nach einem Monte-Carlo-Algorithmus optimiert, bis maximale Steifigkeit bei möglichst geringem Gewicht erreicht ist. Geeignete Monte-Carlo-Algorithmen sind im Stand der Technik bekannt. Die optimierten Umlenkspiegelmodelldaten werden in einer CAD-Datei gespeichert. In einem nächsten Schritt werden die Daten aus der CAD-Datei in Schichtdaten (z. B. t (Tiefe) = 30 μm bei Ti-Strahlschmelzen) kompiliert, die jeweils eine dünne Querschnittsschicht des optimierten Umlenkspiegelmodells darstellen. Die kompilierten CAD-Daten werden dann über eine CAD-Schnittstelle in ein System zur Additiven Fertigung wie zum Beispiel durch Strahlschmelzen, selektives Lasersintern oder Laserstrahlschmelzen überführt. Die heutigen CAD-Systeme können die CAD-Daten in den gängigen Dateiformaten ausgeben bzw. ineinander konvertieren. Then, the resulting three-dimensional lattice structure is optimized according to a Monte Carlo algorithm until maximum rigidity is achieved with the lowest possible weight. Suitable Monte Carlo algorithms are known in the art. The optimized deflection mirror model data are stored in a CAD file. In a next step, the data from the CAD file are compiled into layer data (eg t (depth) = 30 μm for Ti beam melts), which each represent a thin cross-sectional layer of the optimized deflection mirror model. The compiled CAD data is then transferred via a CAD interface into an additive manufacturing system such as, for example, jet melting, selective laser sintering or laser beam melting. Today's CAD systems can output or interconvert CAD data in common file formats.

Dem Fachmann ist klar, dass zur additiven Fertigung (d. h. durch schichtweisen Aufbau) auch 3-D-Druckverfahren zur Anwendung gelangen können, die nicht auf Laserbestrahlung beruhen. Welches Verfahren und welches System zum Einsatz kommen, entscheidet der Fachmann nach Maßgabe der praktischen Gegebenheiten, beispielsweise in Abhängigkeit vom gewählten Material für den zu fertigenden Umlenkspiegel. Das Material wird dabei in Abhängigkeit von der erforderlichen Belastbarkeit des Umlenkspiegels gewählt. Allgemein haben Materialien für die additive Fertigung die Eigenschaft, sich physikalisch zu transformieren, wenn sie der Einwirkung eines (synergistischen) Stimulans ausgesetzt werden. Die Transformation kann beispielsweise das Schmelzen oder Sintern eines Pulvers oder das Polymerisieren eines Harzes durch z. B. Wärmeeinwirkung, Bestrahlen mit elektromagnetischer Strahlung wie Licht (z. B. UV-Licht oder Laser) oder Korpuskularstrahlung (z. B. Elektronenstrahlen) sein. Desweiteren kann ein Pulver oder solides Material physikalisch aufgeschmolzen werden. Die physikalische Transformation ist mit einer Änderung des Aggregatzustandes des Materials (z. B. von fest zu flüssig und wieder zurück) verbunden, beziehungsweise die Transformation wird durch Einbringen eines Bindemittels in das Ausgangsmaterials bewerkstelligt. Die folgende Beschreibung der Erfindung unter Verwendung eines durch Laserbestrahlung schmelzbaren oder sinterbaren Pulvers, wobei sich die Schmelze nach der Laserbestrahlung wieder verfestigt, ist somit nur beispielhaft und keineswegs einschränkend zu verstehen.It will be clear to those skilled in the art that 3-D printing processes that are not based on laser irradiation can also be used for additive production (that is to say by layered structure). Which method and which system are used, the expert decides according to the practical conditions, for example, depending on the selected material for the deflection mirror to be produced. The material is chosen depending on the required load capacity of the deflection mirror. Generally, materials for additive manufacturing have the property of physically transforming when exposed to the action of a (synergistic) stimulant. The transformation may, for example, the melting or sintering of a powder or the polymerization of a resin by z. B. exposure to heat, irradiation with electromagnetic radiation such as light (eg., UV light or laser) or corpuscular radiation (eg electron beams). Furthermore, a powder or solid material can be physically melted. The physical transformation is associated with a change in the state of aggregation of the material (eg from solid to liquid and back again), or the transformation is accomplished by introducing a binder into the starting material. The following description of the invention using a meltable or sinterable by laser irradiation powder, wherein the melt solidifies again after the laser irradiation is thus to be understood as exemplary and not limiting.

In dem System zur Additiven Fertigung, wird eine homogene Schicht eines z. B. schmelzbaren Pulvers einer geeigneten Korngröße (sphärische Korngröße beispielsweise 3–20 μm, z. B. 7 μm) in einer geeigneten Dicke (z. B. 30 μm bis. 60 μm) auf eine Arbeitsoberfläche aufgebracht. Anschließend werden ausgewählte Bereiche der Pulverschicht entsprechend den kompilierten CAD-Daten für eine erste Querschnittsschicht über Energieeintrag zum Ausbilden einer verfestigten Querschnittsschicht gebracht. Laserstrahlschmelz-Systeme verwenden zum Aufschmelzen beispielsweise einen Yb-Faserlaser mit einer Leistung von 200 oder 400 Watt.In the additive manufacturing system, a homogeneous layer of e.g. B. fusible powder of a suitable particle size (spherical grain size, for example 3-20 microns, for example 7 microns) in a suitable thickness (eg., 30 microns to. 60 microns) applied to a work surface. Subsequently, selected regions of the powder layer are brought in accordance with the compiled CAD data for a first cross-sectional layer via energy input to form a solidified cross-sectional layer. For example, laser beam melting systems use a Yb fiber laser with a power of 200 or 400 watts for reflow.

Anschließend wird eine neue Schicht schmelzbares Pulver aufgebracht und ausgewählte Bereiche davon entsprechend den kompilierten CAD-Daten für eine weitere Querschnittschicht mit Energieeintrag zum Ausbilden einer verfestigten Querschnittsschicht, die an der zuvor gebildeten verfestigten Querschnittsschicht haftet, angeregt. Dieser Vorgang wird so lange mit weiteren aufeinander folgenden Querschnittsflächen wiederholt, bis der Umlenkspiegel mit der verstärkenden Gitterstruktur dreidimensional ausgebildet ist.Subsequently, a new layer of fusible powder is applied and selected portions thereof are excited according to the compiled CAD data for another energy input cross-sectional layer to form a solidified cross-sectional layer adhered to the previously formed solidified cross-sectional layer. This process is repeated with further successive cross-sectional areas until the deflecting mirror with the reinforcing grid structure is formed three-dimensionally.

Geeignete Pulverarten für Strahlschmelzanlagen sind beispielsweise Pulver aus:
Reintitan oder Legierungen auf Titan-Basis: z. B. Ti6Al4V bzw. Ti6Al4V-ELI, TiCP
Reinaluminium oder Legierungen auf Al-Basis-: z. B. AlSi10Mg
Edelstahl: z. B. 1.4542
Legierungen auf Nickel-Basis: z. B. Inconel IN718
CoCr-Legierungen: z. B. UN R31538
Werkzeugbaustahl: z. B. 1.2709
Jeglichen Keramiken, amorph wie kristallin, wie z. B. Siliciumcarbit oder Aluminiumoxid Kunststoffen jeglicher Art, wie z. B. Polyamid oder faserverstärkte KunststoffeSuitable powder types for jet melting plants are, for example, powders of:
Pure titanium or alloys based on titanium: z. B. Ti6Al4V or Ti6Al4V-ELI, TiCP
Pure aluminum or Al-based alloys: z. B. AlSi10Mg
Stainless steel: z. B. 1.4542
Nickel-based alloys: z. Inconel IN718
CoCr alloys: z. UN R31538
Tool construction steel: z. Eg 1.2709
Any ceramics, amorphous as crystalline, such. As silicon carbide or alumina plastics of any kind, such as. As polyamide or fiber reinforced plastics

Für Leichtbau-Hochgeschwindigkeitsumlenkspiegel eignen sich beispielsweise Pulver aus Reintitan oder Titanlegierungen (z. B. Ti6Al4V bzw. Ti6Al4V-ELI, TiCP). Diese werden beispielsweise in einem System zum Laserstrahlschmelzen verarbeitet.For light-weight high-speed deflection mirrors, for example, powders of pure titanium or titanium alloys (eg Ti6Al4V or Ti6Al4V-ELI, TiCP) are suitable. These are processed, for example, in a system for laser beam melting.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

Figur 1

1
Spiegel
2
Laserstrahl
3
Galvanometer scant X-Achse
4
abgelenkter Strahl
5
rechteckige Scanfläche
6
Galvanometer scant Y-Achse
Figur 7 Verfahrens-Darstellung „Strahlschmelze”-Quelle: Fraunhofer
7
Laser
8
Belichtungseinheit
9
Pulverbett
10
entstehendes Bauteil
11
Bauraum
12
Pulvervorratsbehälter
13
Beschichter
14
Pulvervorrat
Figur 8 Verfahrens-Darstellung 3D-Druck mit „Bindemittel” Quelle: Pahl/Beitz Konstruktionslehre: Springer-Verlag
15
Wischer zur Pulverbeschichtung
16
punktweiser Binderauftrag (partielles Verkleben des Granulats)
17
Druckkopf zum Anbringen des flüssigen Bindemittels
18
Bauteil aus verklebten Partikeln
19
nicht gebundenes (loses) Pulver
20
Arbeitsplattform und Hubtisch
21
Bauraum
22
Pulvervorratsbehälter
Figur 9 Verfahrensdarstellung 3D-Druck FDM: Quelle xpress3d.com
23
Verflüssigerkopf (bewegt sich in X und Y)
24
Extrusionsdüsen
25
Träger
26
Schaumstoffplatte
27
Aufbauplattform (bewegt sich in Z)
28
Aufbaumaterialspule
29
Trägermaterialspule
FIG. 1
1
mirror
2
laser beam
3
Galvanometer scant X-axis
4
deflected beam
5
rectangular scan area
6
Galvanometer scant Y-axis
FIG. 7 Process illustration "jet melt" source: Fraunhofer
7
laser
8th
illuminator
9
powder bed
10
arising component
11
space
12
Powder reservoir
13
coaters
14
powder storage
Figure 8 Process diagram 3D printing with "binder" Source: Pahl / Beitz Design theory: Springer-Verlag
15
Wiper for powder coating
16
punctiform binder application (partial bonding of the granules)
17
Printhead for applying the liquid binder
18
Component made of bonded particles
19
unbound (loose) powder
20
Work platform and lift table
21
space
22
Powder reservoir
Figure 9 Process Diagram 3D Print FDM: Source xpress3d.com
23
Condenser head (moves in X and Y)
24
extrusion dies
25
carrier
26
foam sheet
27
Build platform (moves in Z)
28
Construction material coil
29
Carrier coil

Claims (8)

Umlenkspiegel in Leichtbauweise, erhältlich durch ein Verfahren, das folgende Schritte aufweist: a) Erstellen eines dreidimensionalen Modells eines Umlenkspiegels mit vorgegebener Geometrie in einem CAD-System und berechnen der beim Oszillieren des Umlenkspiegels um einen Auslenkwinkel auftretenden inneren Kraftflüsse nach der Methode der finiten Elemente (FEM), b) Anpassen einer verstärkenden dreidimensionalen Gitterstruktur entsprechend dem Kraftflussbild auf der Spiegelflächenrückseite des dreidimensionalen Umlenkspiegelmodells zum Ableiten der Kraftflüsse, c) Optimieren der dreidimensionalen Gitterstruktur nach einem Monte-Carlo-Algorithmus bis maximale Steifigkeit bei möglichst geringem Gewicht erreicht ist, d) Speichern der optimierten Umlenkspiegelmodelldaten in einer CAD-Datei, e) Kompilieren der Daten aus der CAD-Datei in zahlreiche dünne Schichten, die jeweils eine Querschnittsschicht des optimierten Umlenkspiegelmodells darstellen, f) Überführen der kompilierten CAD-Daten in ein System zur additiven Fertigung, g) Transformieren ausgewählter Bereiche eines physikalisch transformierbaren Materials auf einer Arbeitsoberfläche in dem System zur additiven Fertigung entsprechend den kompilierten CAD-Daten für eine erste Querschnittsschicht mit einem Stimulans zum Ausbilden einer transformierten Querschnittsschicht, h) Wiederholen des Schritts g), um entsprechend den kompilierten CAD-Daten weitere aufeinander folgende transformierte Querschnittschichten zu bilden, die an den zuvor gebildeten transformierten Querschnittsschichten haften, bis der Umlenkspiegel mit der verstärkenden Gitterstruktur gebildet ist.Lightweight deflecting mirror, obtainable by a method comprising the following steps: a) constructing a three-dimensional model of a deflecting mirror with predetermined geometry in a CAD system and calculating the internal force fluxes occurring according to the finite element method (FEM) when oscillating the deflecting mirror by a deflection angle, b) fitting a reinforcing three-dimensional lattice structure corresponding to the force flux image on the mirror surface rear side of the three-dimensional deflection mirror model for deriving the force fluxes, c) optimizing the three-dimensional lattice structure according to a Monte Carlo algorithm until maximum rigidity is achieved with the lowest possible weight, d) storing the optimized deflection mirror model data in a CAD file, e) compiling the data from the CAD file into numerous thin layers, each representing a cross-sectional layer of the optimized deflection mirror model, f) transferring the compiled CAD data into an additive manufacturing system, g) transforming selected regions of a physically transformable material on a work surface in the additive manufacturing system according to the compiled CAD data for a first cross-sectional layer having a stimulus to form a transformed cross-sectional layer; h) repeating step g) to form, in accordance with the compiled CAD data, further successive transformed cross-sectional layers adhering to the previously formed transformed cross-sectional layers until the deflection mirror is formed with the reinforcing grid structure. Umlenkspiegel nach Anspruch 1, wobei in Schritt g) das verwendete physikalisch transformierbare Material ein schmelzbares Pulver und das eingesetzte Stimulans ein Laserstrahl ist.The deflection mirror of claim 1, wherein in step g) the physically transformable material used is a fusible powder and the stimulant employed is a laser beam. Umlenkspiegel nach Anspruch 2, wobei das schmelzbare Pulver ausgewählt ist unter Pulvern aus: Reintitan oder Titan-Legierungen, Reinaluminium oder Aluminium-Legierungen, Edelstahl, Nickel-Legierungen, CoCr–Legierungen, Werkzeugbaustahl, amorphen oder kristallinen Keramiken und Kunststoffen.Deflection mirror according to claim 2, wherein the fusible powder is selected from powders of: pure titanium or titanium alloys, pure aluminum or aluminum alloys, stainless steel, nickel alloys, CoCr alloys, tool steel, amorphous or crystalline ceramics and plastics. Umlenkspiegel nach Anspruch 3, wobei das Reintitan oder die Titan-Legierungen TiCP, Ti6Al4V oder Ti6Al4V-ELI ist, die Aluminium-Legierung AlSi10Mg ist, der Edelstahl 1.4542 ist, die Nickel-Legierung Inconel IN718 ist, die CoCr–Legierung UN R31538 ist, der Werkzeugbaustahl 1.2709 ist, die amorphen oder kristallinen Keramiken Siliciumcarbit oder Aluminiumoxid sind und die Kunststoffe Polyamid oder faserverstärkte Kunststoffe sind.A deflection mirror according to claim 3, wherein the pure titanium or titanium alloys is TiCP, Ti6Al4V or Ti6Al4V-ELI, the aluminum alloy is AlSi10Mg, which is stainless steel 1.4542, the nickel alloy is Inconel IN718, which is CoCr alloy UN R31538, the tooling steel number is 1.2709, the amorphous or crystalline ceramics are silicon carbide or aluminum oxide and the plastics are polyamide or fiber reinforced plastics. Umlenkspiegel nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die verstärkende dreidimensionale Gitterstruktur eine regelmäßige Fachwerkstruktur oder eine unregelmäßige Struktur wie eine Trabekel-Struktur oder Voronoi-Struktur ist.A deflection mirror according to any one of the preceding claims, wherein the reinforcing three-dimensional lattice structure is a regular truss structure or an irregular structure such as a trabecular structure or Voronoi structure. Umlenkspiegel nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Spiegelfläche eine Dicke von 0,2 bis 1,5 mm aufweist.A deflection mirror according to any one of the preceding claims, wherein the mirror surface has a thickness of 0.2 to 1.5 mm. System zur Herstellung eines Umlenkspiegels in Leichtbauweise, das aufweist: a) Einrichtungen zum Erstellen eines dreidimensionalen Modells eines Umlenkspiegels mit vorgegebener Geometrie durch Computer Aided Design und berechnen der beim Oszillieren des Umlenkspiegels um einen Auslenkwinkel auftretenden inneren Kraftflüsse nach der Methode der finiten Elemente (FEM), b) Einrichtungen zum Anpassen einer verstärkenden dreidimensionalen Gitterstruktur entsprechend dem Kraftflussbild auf der Spiegelflächenrückseite des dreidimensionalen Umlenkspiegelmodells zum Ableiten der Kraftflüsse, c) Einrichtungen zum Optimieren der dreidimensionalen Gitterstruktur nach einem Monte-Carlo-Algorithmus bis maximale Steifigkeit bei möglichst geringem Gewicht erreicht ist, d) Einrichtungen zum Speichern der optimierten Umlenkspiegelmodelldaten in einer CAD-Datei, e) Einrichtungen zum Kompilieren der Daten aus der CAD-Datei in zahlreiche dünne Schichten, die jeweils eine Querschnittsschicht des optimierten Umlenkspiegelmodells darstellen, f) Einrichtungen zum Überführen der kompilierten CAD-Daten in ein System zur additiven Fertigung, g) Einrichtungen zum Transformieren ausgewählter Bereiche eines physikalisch transformierbaren Materials auf einer Arbeitsoberfläche in dem System zur additiven Fertigung entsprechend den kompilierten CAD-Daten für eine erste Querschnittsschicht mit einem Stimulans zum Ausbilden einer transformierten Querschnittsschicht, h) Einrichtungen zum Wiederholen des Schritts g), um entsprechend den kompilierten CAD-Daten weitere aufeinander folgende transformierte Querschnittschichten zu bilden, die an den zuvor gebildeten transformierten Querschnittsschichten haften, bis der Umlenkspiegel mit der verstärkenden Gitterstruktur gebildet ist.System for producing a deflecting mirror in lightweight construction, comprising: a) devices for creating a three-dimensional model of a deflecting mirror with predetermined geometry by computer aided design and calculate the internal force flows occurring during the oscillation of the deflecting mirror by a deflection angle according to the finite element method (FEM) b) means for fitting a reinforcing three-dimensional lattice structure corresponding to the force flux image on the mirror surface rear side of the three-dimensional deflection mirror model for deriving the force fluxes; c) means for optimizing the three-dimensional lattice structure after a Monte Carlo D) means for storing the optimized deflection mirror model data in a CAD file, e) means for compiling the data from the CAD file into numerous thin layers, each representing a cross-sectional layer of the optimized deflection mirror model g) means for transforming selected areas of a physically transformable material onto a work surface in the additive manufacturing system according to the compiled CAD data for a first cross-sectional layer with a H) means for repeating step g) to form, in accordance with the compiled CAD data, further successive transformed cross-sectional layers which are attached to the previously formed transformed cross-section Laying layers adhere until the deflection mirror is formed with the reinforcing grid structure. System nach Anspruch 7, wobei die Einrichtungen g) als physikalisch transformierbares Material ein schmelzbares Pulver transformieren und zum Transformieren als Stimulans Laserstrahlen einsetzen.The system of claim 7, wherein the means g) transform a fusible powder as a physically transformable material and use laser beams to transform as a stimulant.
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