DE202014009275U1

DE202014009275U1 - Beam expander and additive manufacturing device with a beam expander

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Publication number: DE202014009275U1
Application number: DE201420009275
Authority: DE
Original assignee: EOS GmbH
Current assignee: EOS GmbH
Priority date: 2014-11-24
Filing date: 2014-11-24
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2024-11-25

Abstract

Strahlaufweiter (1), umfassend: ein Gehäuse (2) mit einer ersten Öffnung (21) für den Eintritt eines Lichtstrahlbündels (57) und einer zweiten Öffnung (22) für den Austritt eines Lichtstrahlbündels (58), und mit einem sich zwischen der ersten Öffnung (21) und der zweiten Öffnung (22) erstreckenden Innenraum (23) mit einer Längsachse (L); eine Stellfassung (3), welche entlang der Längsachse (L) verschiebbar in dem Innenraum (23) des Gehäuses angeordnet ist, wobei die Stellfassung (3) eine erste Linsenvorrichtung (41) und das Gehäuse (2) in dem Innenraum (23) eine zweite Linsenvorrichtung (42) haltert, durch die das Lichtstrahlbündel hindurchtritt; wobei das Gehäuse (2) dem Innenraum zugewandt ein erstes Stellmittel (24) und die Stellfassung (3) ein mit dem ersten Stellmittel zusammenwirkendes zweites Stellmittel (31) besitzt, um die Stellfassung (3) mit der ersten Linsenvorrichtung (41) entlang der Längsachse in Bezug auf die zweite Linsenvorrichtung (42) zu verschieben; und wobei in dem Gehäuse (2) ein Fenster (25) vorgesehen ist, durch das hindurch die Stellfassung (3) im Innenraum zugänglich und durch Drehung bewegbar ist, um den gegenseitigen Abstand zwischen erster und zweiter Linse entlang der Längsachse (L) einzustellen.A beam expander (1) comprising: a housing (2) having a first aperture (21) for entry of a light beam (57) and a second aperture (22) for exit of a light beam (58), and one between the first Opening (21) and the second opening (22) extending inner space (23) having a longitudinal axis (L); a Stellfassung (3) which is arranged along the longitudinal axis (L) displaceable in the interior (23) of the housing, wherein the adjusting frame (3) a first lens device (41) and the housing (2) in the inner space (23) second lens device (42) through which the light beam passes; wherein the housing (2) facing the interior a first adjusting means (24) and the adjusting frame (3) cooperating with the first adjusting means second adjusting means (31) to the adjusting frame (3) with the first lens device (41) along the longitudinal axis with respect to the second lens device (42); and wherein in the housing (2), a window (25) is provided, through which the adjusting frame (3) accessible in the interior and is movable by rotation to adjust the mutual distance between the first and second lens along the longitudinal axis (L).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Strahlaufweiter. Sie bezieht sich insbesondere auf einen Strahlaufweiter für Material bearbeitende Laser. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine additive Fertigungsvorrichtung mit einem solchen Strahlaufweiter und einem Laser, sowie auf die Verwendung des Strahlaufweiters.The present invention relates to a beam expander. It refers in particular to a beam expander for material processing lasers. Furthermore, the invention relates to an additive manufacturing apparatus with such a beam expander and a laser, as well as to the use of the beam expander.

Strahlaufweiter können bei der Bearbeitung von Material mittels Lasern eingesetzt werden, um beispielsweise die Leistungsdichte am Ort der für die selektive Bestrahlung verwendeten empfindlichen Spiegel und Linsen zu reduzieren, und um schließlich einen sehr geringen Spotdurchmesser beim Auftreffen auf das zu bearbeitende Material zu ermöglichen. Diese Bearbeitung kann ohne Beschränkung der Allgemeinheit in einem Schneiden, Schmelzen, Verdampfen, Sintern, Gravieren etc. bestehen.Beam expanders can be used in the processing of material by means of lasers, for example, to reduce the power density at the location of the sensitive mirrors and lenses used for the selective irradiation, and finally to allow a very small spot diameter when hitting the material to be processed. This processing may consist without limitation of generality in cutting, melting, evaporation, sintering, engraving, etc.

In dem Datenblatt zu dem Strahlaufweiter (Beam Expander) S6EXP0030/159 der Firma Sill Optics GmbH & Co. KG, Wendelstein, DE, veröffentlicht am 2. Oktober 2014 , ist ein solcher Strahlaufweiter beschrieben. An den beiden Enden für den Eintritt bzw. Austritt des Laserstrahls sind jeweils Gewinde für die Montage an weiteren optischen Komponenten im Strahlengang des Lasers (oder einer anderen Strahlenquelle) vorgesehen.By doing Datasheet for the beam expander (Beam Expander) S6EXP0030 / 159 from Sill Optics GmbH & Co. KG, Wendelstein, DE, published on 2 October 2014 , such a beam expander is described. At the two ends for the entry or exit of the laser beam each thread for mounting on other optical components in the beam path of the laser (or other radiation source) are provided.

In einem mehrteiligen Gehäuse wird anhand einer außen liegende Stellmutter über eine Kulisse eine innen liegende Eingangslinse verschoben, um den Fokus der Anordnung einzustellen. Da die Drehbewegung der Stellmutter mechanisch durch das Gehäuse nach innen zu übertragen ist, muss der Drehbereich der Stellmutter zwischen ihren Anschlägen am Gehäuse auf hier etwa 180° eingeschränkt bleiben.In a multi-part housing an inner input lens is moved by means of an outer adjusting nut via a gate to adjust the focus of the arrangement. Since the rotational movement of the adjusting nut is to be transmitted mechanically through the housing inward, the range of rotation of the adjusting nut between their attacks on the housing must be limited to about 180 ° here.

Bei typischen Anwendungen von Strahlaufweitern kann ein Bereich von beispielsweise ungefähr 6 mm für die Linearverschiebung der Eingangslinse in Bezug auf die (fest montierte) Ausgangslinse erforderlich sein, um einen sinnvollen Fokusbereich zu erhalten. Dies entspricht 0,033 mm/° für die Justagegenauigkeit durch die Stellmutter.For example, in typical applications of beam expanders, a range of, for example, about 6 mm may be required for the linear displacement of the input lens with respect to the (fixedly mounted) output lens to obtain a meaningful focus range. This corresponds to 0.033 mm / ° for the adjustment accuracy by the adjusting nut.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einstellmöglichkeiten und/oder die Handhabbarkeit von Strahlaufweitern zu verbessern.The invention has for its object to improve the settings and / or the handling of beam expanders.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Strahlaufweiter mit den Merkmalen gemäß Schutzanspruch 1, durch eine additive Fertigungsvorrichtung mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 16 sowie durch die Verwendung eines Strahlaufweiters mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 17.The object is achieved by a beam expander with the features according to protection claim 1, by an additive manufacturing device with the features of the protection claim 16 and by the use of a beam expander with the features of the protection claim 17th

Der Strahlaufweiter umfasst dabei ein Gehäuse mit einer ersten Öffnung für den Eintritt und einer zweiten Öffnung für den Austritt eines Lichtstrahlbündels bestehend aus einem oder mehreren (gebündelten) Lichtstrahlen sowie einen sich zwischen der ersten Öffnung und der zweiten Öffnung erstreckenden Innenraum mit einer Längsachse L. Eine Stellfassung ist entlang der Längsachse L verschiebbar in dem Innenraum des Gehäuses angeordnet. Die Stellfassung haltert eine erste Linsenvorrichtung und das Gehäuse in dem Innenraum haltert eine zweite Linsenvorrichtung, durch die der Lichtstrahl hindurchtritt. Das Gehäuse besitzt dem Innenraum zugewandt ein erstes Stellmittel und die Stellfassung besitzt ein mit dem ersten Stellmittel zusammenwirkendes zweites Stellmittel, um die Stellfassung mit der ersten Linsenvorrichtung entlang der Längsachse in Bezug auf die zweite Linsenvorrichtung zu verschieben.The beam expander in this case comprises a housing having a first opening for the inlet and a second opening for the exit of a light beam consisting of one or more (bundled) light beams and extending between the first opening and the second opening interior with a longitudinal axis L. A Stellfassung is slidably disposed along the longitudinal axis L in the interior of the housing. The actuator supports a first lens device and the housing in the interior supports a second lens device through which the light beam passes. The housing has a first actuating means facing the inner space, and the actuating housing has a second actuating means cooperating with the first actuating means for displacing the actuating housing with the first lens apparatus along the longitudinal axis with respect to the second lens apparatus.

In dem Gehäuse kann nun ein Fenster vorgesehen sein, durch das hindurch die Stellfassung im Innenraum zugänglich und durch Drehung bewegbar ist, um den gegenseitigen Abstand zwischen erster und zweiter Linsenvorrichtung entlang der Längsachse L einzustellen.A window can now be provided in the housing, through which the adjusting housing in the interior is accessible and can be moved by rotation in order to adjust the mutual distance between the first and second lens device along the longitudinal axis L.

Durch das wie beschrieben vorgesehene Fenster kann die Drehbewegung zum Einstellen des Fokus direkt auf die innenliegende Stellfassung ausgeübt werden. Die Stellfassung ist wiederum hinsichtlich eines Spielraums ihrer Drehung nicht den gleichen Einschränkungen unterworfen wie eine außenliegende Stellmutter. Die Ausdehnung einer Öffnung im Gehäuse, über welche die Stellmutter gemäß dem Stand der Technik in die Kulisse im Inneren eingreift, beeinträchtigt gleichzeitig auch die Integrität und Stabilität des Gehäuses selbst. Eine denkbare Drehung um 360° ließe schließlich das Gehäuse aufgrund der dann erforderlichen Rundumöffnung in zwei Teile zerfallen. Durch die Erfindung kann dazu unter Umständen auch auf die Kulisse verzichtet werden, welches die Anzahl der Bauteile reduziert, und den Aufwand für die Kontrolle von Verunreinigungen wie etwa Schmierstoffen im Gehäuse verringert.By means of the window provided as described, the rotational movement for setting the focus can be exerted directly on the inner adjusting setting. Again, the actuator is not subject to the same constraints on a latitude of its rotation as an outboard knob nut. The expansion of an opening in the housing, which engages the adjusting nut according to the prior art in the backdrop inside, simultaneously affects the integrity and stability of the housing itself. A conceivable rotation through 360 ° would finally leave the case due to the then required all-round opening in two parts disintegrate. Due to the invention, this may also be possible to dispense with the scenery, which reduces the number of components, and reduces the cost of controlling contaminants such as lubricants in the housing.

Gemäß dem hier vorgeschlagenen Strahlaufweiter ist dagegen auch eine ganze oder sogar eine mehrfache Drehung der Stellfassung um ihre eigene Achse durch das Fenster hindurch möglich. Bei gleichem Linearverschiebungsbereich der ersten Linsenanordnung – beispielsweise 6 mm – wird dadurch eine wesentliche erhöhte Justagegenauigkeit für den Fokus erzielt.In contrast, according to the beam expander proposed here, a complete or even multiple rotation of the adjusting frame about its own axis through the window is possible. With the same linear displacement range of the first lens arrangement - for example, 6 mm - this achieves a significant increased adjustment accuracy for the focus.

Einer Weiterbildung des vorgeschlagenen Strahlaufweiters zu Folge ist das Gehäuse einstückig ausgebildet. Zum einen wird dadurch die Anzahl der Bauteile reduziert, zum anderen kann der gesamte Aufbau wesentlich kompakter realisiert werden. Ferner wird höhere Festigkeit und Stabilität der Anordnung bewirkt, welches schließlich in einer weiter erhöhten optischen Genauigkeit resultiert.A development of the proposed beam expander to result in the housing is integrally formed. On the one hand, this reduces the number of components, on the other hand, the entire structure can be realized much more compact. Furthermore, higher strength and stability of the arrangement is effected, which ultimately results in a further increased optical accuracy.

Einer Weiterbildung des vorgeschlagenen Strahlaufweiters zu Folge ist am Gehäuse auf der Seite der ersten und/oder der zweiten Öffnung außerhalb des Innenraums eine Befestigungsschnittstelle vorgesehen ist, durch welches das Gehäuse an einer Scan-Kopf-Einheit fest ankoppelbar ist, die den austretenden Lichtstrahl verarbeitet. Einer speziellen Ausführungsform zufolge kann die Scan-Kopf-Einheit teils bewegbare Spiegel- und Linsenelemente zum selektiven Ausrichten des Lichtstrahls auf einen Punkt in einer Materialbearbeitungsebene aufweisen. Die Befestigungsschnittstelle stellt eine feste Integration des Strahlaufweiters in einer Materialbearbeitungsvorrichtung sicher.A further development of the proposed beam expander on the housing on the side of the first and / or the second opening outside the interior of a mounting interface is provided, through which the housing is firmly coupled to a scan head unit, which processes the exiting light beam. According to a specific embodiment, the scanning head unit may have partially movable mirror and lens elements for selectively aligning the light beam with a point in a material processing plane. The attachment interface ensures tight integration of the beam expander in a material processing device.

Einer Weiterbildung des vorgeschlagenen Strahlaufweiters zu Folge legt die Befestigungsschnittstelle für das Gehäuse eine in Bezug auf die Scan-Kopf-Einheit eindeutig vorbestimmte räumliche Anordnung für das Fenster fest. Dadurch kann der Vorgang der Fokuseinstellung hinsichtlich aufeinanderfolgender Fertigungsprozesse auch beim Austausch des Strahlaufweiters an der gleichen Position innerhalb der Materialbearbeitungsvorrichtung erreicht werden.In a further development of the proposed beam expander, the attachment interface for the housing defines a spatial arrangement for the window which is uniquely predetermined in relation to the scan head unit. Thereby, the process of focus adjustment with respect to successive manufacturing processes can also be achieved when replacing the beam expander at the same position within the material processing device.

Einer Weiterbildung des vorgeschlagenen Strahlaufweiters zu Folge umfasst die Befestigungsschnittstelle wenigstens einen einstückig mit dem Gehäuse ausgebildeten Flansch zum Befestigen des Strahlaufweiters an der Scan-Kopf-Einheit. Der Flansch ist dabei mit Fixationselementen wie Schrauben oder Stiften, oder mit Bohrungen für solche Fixationselemente versehen. Die genannten Elemente der Befestigungsschnittstelle stellen die stabile Integration und die vorbestimmte räumliche Lage in der Materialbearbeitungsvorrichtung sicher.In a further development of the proposed beam expander, the attachment interface comprises at least one flange formed integrally with the housing for attaching the beam expander to the scan head unit. The flange is provided with fixation elements such as screws or pins, or with holes for such fixation elements. The mentioned elements of the mounting interface ensure the stable integration and the predetermined spatial position in the material processing device.

Einer Weiterbildung des vorgeschlagenen Strahlaufweiters zu Folge ist auf Seiten der ersten und/oder zweiten Öffnung im Bereich des vorgesehenen Flansches ein Dichtungselement vorgesehen. Dadurch wird dem Eintritt von Verunreinigungen in das Gehäuse vorgebeugt.A further development of the proposed beam expander results in a sealing element being provided on the side of the first and / or second opening in the region of the intended flange. This prevents the entry of contaminants into the housing.

Einer Weiterbildung des vorgeschlagenen Strahlaufweiters zu Folge weist die Stellfassung einen durch das Fenster des Gehäuses hindurch erreichbaren Außenoberflächenabschnitt auf. Dadurch wird die Erreichbarkeit der zu bewegenden Stellfassung verbessert.In a further development of the proposed beam expander, the actuating frame has an outer surface section which can be reached through the window of the housing. This improves the accessibility of the position to be moved.

Einer Weiterbildung des vorgeschlagenen Strahlaufweiters zu Folge weist der Außenoberflächenabschnitt haptisch wahrnehmbare Oberflächenmerkmale und/oder ablesbare Einstellmarkierungen auf. Diese Merkmale erleichtern weitergehend die Einstellung des Fokus.As a result of a further development of the proposed beam expander, the outer surface section has haptically perceptible surface features and / or readable adjustment markings. These features further facilitate the focus adjustment.

Einer Weiterbildung des vorgeschlagenen Strahlaufweiters zu Folge sind ein oder mehrere Dichtungselemente zwischen der Stellfassung und einer Innenwand des Gehäuses benachbart zu dem Außenoberflächenabschnitt und dem Fenster vorgesehen sind, um einem Einbruch von Feuchtigkeit, Schmutz oder Öl vorzubeugen.A development of the proposed beam expander result in one or more sealing elements between the actuating frame and an inner wall of the housing adjacent to the outer surface portion and the window are provided to prevent the ingress of moisture, dirt or oil.

Einer Weiterbildung des vorgeschlagenen Strahlaufweiters zu Folge ist das erste Stellmittel ein Innengewinde und das zweite Stellmittel ein Außengewinde. Diese Form des Stellmittels stellt eine besonders sichere, positionsstabile und justagegenaue Weiterbildung dar, die einfach zu handhaben ist und wenige Bauteile erfordert.In a further development of the proposed beam expander, the first actuating means is an internal thread and the second actuating means is an external thread. This form of actuating means is a particularly safe, position stable and justgenauaue training is easy to handle and requires few components.

Einer Weiterbildung des vorgeschlagenen Strahlaufweiters zu Folge besitzt das Innen- und Außengewinde eine Steigung von 5 mm oder weniger. Die Justagegenauigkeit zur Einstellung des Fokus liegt in diesem Fall bei etwa 0,014 mm/°. Einer bevorzugten Ausführungsform zu Folge beträgt die Steigung 2 mm. Die Justagegenauigkeit liegt in diesem Fall bei etwa 0,0055 mm/°. Einer noch weiter bevorzugten Ausführungsform zu Folge beträgt die Steigung 1 mm. Die Justagegenauigkeit liegt in diesem Fall bei etwa 0,0027 mm/°.In a further development of the proposed beam expander, the inner and outer threads have a pitch of 5 mm or less. The adjustment accuracy for setting the focus in this case is about 0.014 mm / °. According to a preferred embodiment, the pitch is 2 mm. The adjustment accuracy in this case is about 0.0055 mm / °. In a still further preferred embodiment, the pitch is 1mm. The adjustment accuracy in this case is about 0.0027 mm / °.

Einer Weiterbildung des vorgeschlagenen Strahlaufweiters zu Folge ist die erste Linsenanordnung konkav und die zweite Linsenanordnung konvex. Dabei kann es bei mehreren Linsen innerhalb einer konkaven Linsenanordnung prinzipiell auch möglich sein, dass eine oder mehrere Linsen konvex sind. Entscheidend ist jedoch die Gesamtwirkung der Linsenanordnung, die insgesamt wie eine konkave Linse wirkt. Analog gilt dies für konvexe Linsenanordnungen, in denen prinzipiell auch konkave Linsen umfasst sein können. Die Weiterbildung entspricht einem einfachen Aufbau für einen Strahlaufweiter.In a further development of the proposed beam expander, the first lens arrangement is concave and the second lens arrangement is convex. In principle, with several lenses within a concave lens arrangement, it may also be possible for one or more lenses to be convex. The decisive factor, however, is the overall effect of the lens arrangement, which acts as a whole as a concave lens. This applies analogously to convex lens arrangements in which concave lenses can in principle also be included. The development corresponds to a simple structure for a beam expander.

Einer Weiterbildung des vorgeschlagenen Strahlaufweiters zu Folge ist die Gesamtlänge des Gehäuses entlang der Längsachse L unabhängig von der Einstellung der Stellfassung. Dadurch wird die Integration des Strahlaufweiters in eine bestehende Anordnung von Bauteilen einer Materialbearbeitungsvorrichtung erleichtert.In a further development of the proposed beam expander, the overall length of the housing along the longitudinal axis L is independent of the setting of the adjusting frame. This facilitates the integration of the beam expander into an existing arrangement of components of a material processing device.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert werden. Darin zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment with the aid of a drawing. Show:

1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer additiven Fertigungsvorrichtung mit einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Strahlaufweiters; 1 a schematic representation of the structure of an additive manufacturing apparatus with an embodiment of the beam expander according to the invention;

2 eine perspektivische Darstellung des Strahlaufweiters aus 1; 2 a perspective view of the beam expander 1 ;

3 eine Längsschnittsansicht des Strahlaufweiters aus 1. 3 a longitudinal sectional view of the beam expander 1 ,

Ein Ausführungsbeispiel eines Strahlaufweiters gemäß der vorliegenden Erfindung ist in den 1 bis 3 gezeigt. 1 zeigt dabei in schematischer Darstellung die Integration des Strahlaufweiters 1 in einer additiven Fertigungsvorrichtung 10, während die 2 und 3 Detailansichten des Strahlaufweiters 1 in perspektivischer und Längsschnittsansicht liefern.An embodiment of a beam expander according to the present invention is shown in FIGS 1 to 3 shown. 1 shows a schematic representation of the integration of the beam expander 1 in an additive manufacturing device 10 while the 2 and 3 Detailed views of the beam expander 1 provide in perspective and longitudinal view.

Die additive Fertigungsvorrichtung 10 umfasst einen Laser 51, der einen gebündelten Lichtstrahl 57 emittiert, und den Strahlaufweiter 1, der dieses Lichtstrahlbündel 57 empfängt und zu einem Lichtstrahlbündel 58 mit größerem Durchmesser aufweitet. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann es sich bei dem Laser 51 um einen CO₂-Laser, einen Nd:YAG-Laser oder einen Faserlaser etc. handeln.The additive manufacturing device 10 includes a laser 51 , the bundled beam of light 57 emitted, and the beam expander 1 who has this ray of light 57 receives and to a ray of light 58 widens with a larger diameter. Without limitation of generality, the laser may be 51 to act a CO ₂ laser, a Nd: YAG laser or a fiber laser etc.

Ferner umfasst die additive Fertigungsvorrichtung 10 eine Scan-Kopf-Einheit 5 mit eine Anzahl (nicht dargestellter) Spiegel und gegebenenfalls weiterer optischer Elemente, wobei der oder die Spiegel das Lichtstrahlbündel 58 in Richtung auf eine Plattform 54 umlenken, und wobei durch die Umlenkung eine auf der Plattform kekonfigurierte Bildebene 541 selektiv mittels beweglicher Spiegel abgetastet bzw. bestrahlt wird. Durch die Aufweitung des Lichtstrahlbündels 58 wird einer Degradierung der optische Bauelemente aufgrund ansonsten hoher Leistungsdichte des einfallenden Lichts vorgebeugt.Furthermore, the additive manufacturing device comprises 10 a scan head unit 5 with a number (not shown) of mirrors and optionally further optical elements, wherein the mirror or mirrors the light beam 58 towards a platform 54 redirect, and wherein the deflection of an on the platform kekonfigurierte image plane 541 is selectively scanned or irradiated by means of movable mirrors. By the expansion of the light beam 58 Degradation of the optical components due to otherwise high power density of the incident light is prevented.

Der von der Scan-Kopf-Einheit 5 umgelenkte Lichtstrahl passiert dabei eine F-θ-Linse 52, die das Lichtstrahlbündel in die Bildebene 541 scharf fokussiert, um dort wieder eine hohe Leistungsdichte zu erzielen. Ferner ist die F-θ-Linse 52 ausgelegt, ein ebenes Feld mit kleinem Spotdurchmesser des Lichtstrahlbündels in der Bildebene 541 zu erzeugen.The one from the scan head unit 5 deflected light beam passes through an F-θ lens 52 that the light beam into the image plane 541 sharply focused in order to achieve high power density again. Further, the F-θ lens is 52 designed, a flat field with a small spot diameter of the light beam in the image plane 541 to create.

Auf der innerhalb seitlicher Wände 53 höhenverstellbar angeordneten Plattform 54 ist ein pulverförmiger Werkstoff 55 schichtweise aufgebracht, so dass eine zuoberst liegende Schicht des Werkstoffs 55 genau in der Bildebene 541 des fokussierten Lichtstrahlbündels 59 angeordnet ist. Der pulverförmige Werkstoff ist beispielsweise Polyamid 12 oder ein anderer Kunststoff, ein kunststoffbeschichteter Formsand, ein Metall- oder ein Keramikpulver.On the inside of the walls 53 height adjustable platform 54 is a powdery material 55 applied in layers, leaving an uppermost layer of the material 55 exactly in the picture plane 541 of the focused beam of light 59 is arranged. The powdery material is for example polyamide 12 or another plastic, a plastic-coated foundry sand, a metal or a ceramic powder.

Durch das fokussierte Lichtstrahlbündel 59 wird der pulverförmige Werkstoff 55 gesintert, d. h. mindestens partiell verschmolzen und dadurch verfestigt. Da das Lichtstrahlbündel selektiv mit Hilfe einer nicht dargestellten Steuervorrichtung auf vorbestimmte Punkte in der Bildebene 541 umgelenkt wird, kann eine gewünschte flächenmäßige Struktur in der Schicht des pulverförmigen Werkstoffs 55 verfestigt werden. Durch wiederholtes Verfahren des Bauplattform 54 nach unten (siehe Doppelpfeil in 1) gefolgt von einem Aufbringen einer dünnen weiteren Schicht des pulverförmigen Werkstoffs 55 (z. B. durch Rakel und Walze) und nachfolgender selektiver Bestrahlung kann schrittweise ein dreidimensionales verfestigtes Objekt 56 aufgebaut werden.Through the focused beam of light 59 becomes the powdery material 55 sintered, ie at least partially fused and thereby solidified. Since the light beam selectively by means of a control device, not shown, to predetermined points in the image plane 541 can be deflected, a desired areal structure in the layer of powdered material 55 be solidified. By repeatedly moving the build platform 54 down (see double arrow in 1 ) followed by applying a thin further layer of the powdered material 55 (eg by squeegee and roller) and subsequent selective irradiation can gradually a three-dimensional solidified object 56 being constructed.

Anstatt dem hier beschriebenen selektiven Lasersintern (SLS) kann unter Verwendung eines geeigneten Materials auch ein selektives Laserschmelzen (SLM) durchgeführt werden.Instead of the selective laser sintering (SLS) described here, a selective laser melting (SLM) can also be carried out using a suitable material.

Mit Bezug auf 2 und 3 wird der Strahlaufweiter 1 in größerem Detail beschrieben.Regarding 2 and 3 becomes the beam expander 1 described in more detail.

Der Strahlaufweiter 1 des gezeigten Ausführungsbeispiels besitzt ein Gehäuse 2 mit im Wesentlichen röhrenförmiger Gestalt. Eine erste Öffnung 21 dient dem Eintritt des vom Laser emittierten Lichtstrahlbündels 57 und eine zweite Öffnung 22 dient dem Austritt des aufgeweiteten Lichtstrahlbündels 58 (vgl. 1).The beam expander 1 of the embodiment shown has a housing 2 of substantially tubular shape. A first opening 21 serves to enter the light beam emitted by the laser 57 and a second opening 22 serves the exit of the expanded light beam 58 (see. 1 ).

Zwischen der ersten Öffnung 21 und der zweiten Öffnung 22 erstreckt sich ein Innenraum 23 mit einer Längsachse L. Darin ist eine entlang der Längsachse L verschiebbare Stellfassung 3 angeordnet. Die Stellfassung 3 ist selbst auch röhrenförmig ausgebildet und besitzt als Stellmittel 31 ein Außengewinde, dass im Ausführungsbeispiel an dem zur Öffnung 21 hin orientierten Ende der Stellfassung 3 angeordnet ist.Between the first opening 21 and the second opening 22 extends an interior 23 with a longitudinal axis L. Darin is a displaceable along the longitudinal axis L Stellfassung 3 arranged. The adjustment 3 is itself also tubular and has as adjusting means 31 an external thread that in the embodiment of the opening 21 towards the end of the position 3 is arranged.

Das Außengewinde 31 wirkt mit einem dazu passenden Innengewinde als Stellmittel 24 an der Innenwand des Gehäuses 2 zusammen. Eine Drehung der Stellfassung um die eigene, mit der Längsachse L des Gehäuses 2 zusammenfallende Mittenachse bewirkt dadurch eine Verschiebung der Stellfassung 3 entlang der Längsachse L.The external thread 31 acts with a matching internal thread as an adjusting agent 24 on the inner wall of the housing 2 together. A rotation of the adjusting frame around its own, with the longitudinal axis L of the housing 2 coincident center axis causes a shift of the adjustment 3 along the longitudinal axis L.

Ferner besitzt die Stellfassung außen eine zylindrische Gleitfläche 33, die mit einer entsprechenden Gleitfläche an der Innenwand des Gehäuses zusammenwirkt und eine sicher geführte Drehung der Stellfassung 3 im Innenraum 23 erlaubt, wie in 3 zu erkennen ist. Es ist möglich, dass bei dem hier vorgeschlagenen Aufbau ohne Schmierstoffe gearbeitet werden kann. Schmierstoffe bergen die Gefahr von Ablagerungen auf den optischen Komponenten.Furthermore, the adjustment outside has a cylindrical sliding surface 33 , which cooperates with a corresponding sliding surface on the inner wall of the housing and a safe guided rotation of the actuating frame 3 in the interior 23 allowed, as in 3 can be seen. It is possible that in the structure proposed here without lubricants can be worked. Lubricants involve the risk of deposits on the optical components.

Die Stellfassung 3 haltert in ihrem Innenraum eine (erste) Linsenvorrichtung 41. Die optische Achse der ersten Linsenvorrichtung 41 fällt mit der Längsachse L beziehungsweise der Mittenachse der Stellfassung 3 zusammen. Das vom Laser 51 emittierte Lichtstrahlbündel 57 tritt durch die Öffnung 21 des Gehäuses ein und durchläuft entlang der optischen Achse die erste Linsenvorrichtung 41 der Stellfassung 3. Die erste Linsenvorrichtung 41 ist konkav ausgebildet, so dass die Lichtstrahlen von der optischen Achse divergieren.The adjustment 3 holds in its interior a (first) lens device 41 , The optical axis of the first lens device 41 coincides with the longitudinal axis L or the center axis of the actuating frame 3 together. The laser 51 issued Light beam 57 enters through the opening 21 of the housing and passes along the optical axis of the first lens device 41 the adjustment 3 , The first lens device 41 is concave, so that the light rays diverge from the optical axis.

In dem Innenraum 23 des Gehäuses 2 ist eine zweite Linsenvorrichtung 42 in der Nähe der zweiten Öffnung 22 gehaltert, durch die das Lichtstrahlbündel hindurch- und austritt. Auch ihre optische Achse fällt mit der Längsachse L des Gehäuses 2 zusammen. Die Linsenvorrichtung 42 ist konvex ausgebildet, um die divergierenden Lichtstrahlen auf parallele Bahnen zu lenken, wobei das im Vergleich zum einfallenden Lichtstrahlbündel 57 aufgeweitete Lichtstrahlbündel 58 entsteht.In the interior 23 of the housing 2 is a second lens device 42 near the second opening 22 held, through which the light beam passes through and exits. Its optical axis coincides with the longitudinal axis L of the housing 2 together. The lens device 42 is convex to direct the diverging light beams to parallel paths, compared to the incident light beam 57 expanded light beam 58 arises.

Der über die Drehung des Gewindes eingestellte Abstand zwischen den Linsenvorrichtungen 41, 42 bestimmt den Grad der Aufweitung und im Zusammenspiel mit dem Abstand zur F-θ-Linse 52 auch den Fokus des optischen Systems.The distance between the lens devices set by the rotation of the thread 41 . 42 determines the degree of expansion and in conjunction with the distance to the F-θ lens 52 also the focus of the optical system.

Der Ausdruck Linsenvorrichtung bezeichnet in dieser Beschreibung eine oder mehrere zu einem Linsenpaket zusammengefasste Linsen.The term lens device in this specification refers to one or more lenses combined into a lens package.

In dem Gehäuse 2 ist ein Fenster 25 derart angeordnet, dass ein beispielsweise manueller Zugriff auf die Außenoberfläche 32 der Stellfassung 3 erlaubt ist, wie 2 entnommen werden kann. Hierzu sind in der Außenoberfläche 32 im Zugriffbereich des Fensters 25 in (insbesondere regelmäßigen) Abständen Eingriffsöffnungen 331 vorgesehen. Mit einem geeigneten Werkzeug (etwa einem Metallstift o. ä.) bzw. auch motorisch kann durch Eingreifen in einer der Eingriffsöffnungen 331 eine Drehung der Stellfassung 3 entlang der Längsachse L leichter durchgeführt werden. Um die Bedienung zu erleichtern ist das Fenster 25 an seinen Rändern außen abgefast sowie an den Ecken leicht gerundet. Durch das Fenster 25 hindurch kann daher insbesondere auch die Stellfassung 3 so bewegt werden, dass sie über das Gewinde 24, 31 entlang der Längsachse L bewegt und damit der Abstand der Linsenvorrichtungen 41, 42 bzw. der Fokus feineingestellt werden kann. Das Abfasen der Ränder des Fensters 25 reicht fast bis hinunter zur Außenoberfläche 32, um einen angenehmen taktilen Übergang zu erhalten.In the case 2 is a window 25 arranged such that, for example, a manual access to the outer surface 32 the adjustment 3 is allowed, like 2 can be removed. These are in the outer surface 32 in the access area of the window 25 in (in particular regular) intervals intervention openings 331 intended. With a suitable tool (such as a metal pin o. Ä.) Or motorized by intervention in one of the engaging holes 331 a rotation of the adjusting frame 3 along the longitudinal axis L easier to be performed. To facilitate the operation is the window 25 Chamfered on the outside edges and slightly rounded at the corners. Through the window 25 Therefore, in particular, the Stellfassung 3 be moved over the thread 24 . 31 along the longitudinal axis L moves and thus the distance of the lens devices 41 . 42 or the focus can be fine-tuned. Chamfering the edges of the window 25 almost goes down to the outside surface 32 to get a pleasant tactile transition.

Die Außenoberfläche 32 weist in dem Ausführungsbeispiel Einstell- bzw. Strichmarkierungen 34 auf. Ferner kann die Oberfläche behandelt sein, etwa um Wasser, Öl oder Schmutz abzuweisen, oder um die Griffigkeit zu verbessern, oder optische Reflektionen zu vermeiden.The outer surface 32 has in the embodiment adjustment or bar marks 34 on. Furthermore, the surface may be treated, such as to repel water, oil or dirt, or to improve the grip, or to avoid optical reflections.

Das Gewinde 24, 31 ist linear und besitzt eine Steigung von 1 mm. Dadurch wird eine Justagegenauigkeit von etwa 0,0027 mm/° erreicht, welche einer um ein Vielfaches verbesserten Auflösung im Vergleich zum oben erwähnten Stand der Technik entspricht. Der Bereich der Längsverschiebbarkeit beträgt beispielweise 6 mm, dieser ist aber grundsätzlich nur dadurch begrenzt, dass die Außenoberfläche 32 der Stellfassung 3 bei der Verschiebung entlang der Längsachse L unter dem Fenster 25 wegwandert. Diesem kann durch einen vergrößerten Markierungsbereich an der Außenoberfläche 32 entgegengewirkt werden.The thread 24 . 31 is linear and has a pitch of 1 mm. As a result, an alignment accuracy of about 0.0027 mm / ° is achieved, which corresponds to a multiple times improved resolution compared to the above-mentioned prior art. The range of longitudinal displacement is for example 6 mm, but this is basically only limited by the fact that the outer surface 32 the adjustment 3 when moving along the longitudinal axis L under the window 25 wanders away. This can be achieved by an enlarged marking area on the outer surface 32 be counteracted.

Damit kein Öl, Schmutz oder Wasser durch das Fenster 25 in den Raum zwischen Innenwand und Außenoberfläche 32 der Stellfassung 3 eindringt, sind in der Außenoberfläche 32 umlaufend Nuten vorgesehen, in die Dichtungsringe 6 eingelegt sind. Diese Nuten und Dichtungsringe 6 befinden sich beidseitig des Fensters 25. Es versteht sich, dass die Nuten und Dichtungsringe 6 auch – oder zusätzlich – an der Innenwand des Gehäuses 2 anstatt an der Stellfassung 3 vorgesehen sein können.So no oil, dirt or water through the window 25 in the space between inner wall and outer surface 32 the adjustment 3 penetrate, are in the outer surface 32 circumferential grooves provided in the sealing rings 6 are inserted. These grooves and sealing rings 6 are located on both sides of the window 25 , It is understood that the grooves and sealing rings 6 also - or additionally - on the inner wall of the housing 2 instead of the vote 3 can be provided.

Das Gehäuse 2 ist einstückig ausgebildet. Der gesamte Aufbau ist deshalb äußerst kompakt und platzsparend. Darüber hinaus ist auch die Länge Z zwischen den an den Enden des Gehäuses 2 vorgesehenen Flanschen 26 und 27 fest vorgegeben, also unabhängig von der Fokuseinstellung, hier beträgt im Ausführungsbeispiel die Länge Z 98 mm. Der Außendurchmesser D (ohne Flansch) beträgt im Ausführungsbeispiel 43 mm. Dadurch wird die Integration bzw. der Austausch in eine fest vorgegebene gegenseitige räumliche Anordnung von Komponenten einer additiven Fertigungsvorrichtung 10 vereinfacht. Ferner wird die Präzision durch die Einstückigkeit erhöht und die Zahl der internen Schnittstellen vermindert, welches wiederum den Umfang der Schmierung bzw. Fettung reduziert.The housing 2 is integrally formed. The entire structure is therefore extremely compact and space-saving. In addition, the length Z is also between the at the ends of the housing 2 provided flanges 26 and 27 fixed, ie independent of the focus setting, here in the embodiment, the length Z 98 mm. The outer diameter D (without flange) is 43 mm in the exemplary embodiment. Thereby, the integration or the exchange in a fixed predetermined mutual spatial arrangement of components of an additive manufacturing device 10 simplified. Furthermore, the precision is increased by the one-piece design and the number of internal interfaces is reduced, which in turn reduces the amount of lubrication or greasing.

Durch den vorgeschlagenen Aufbau wird es möglich, die Montage bzw. den Austausch des Strahlaufweiters 1 sowie dessen Justage durchführen zu können, ohne irgendwelche Bauteile entfernen zu müssen. Es ist jedoch prinzipiell auch möglich, Elemente benachbarter Einheiten, beispielsweise einen Kollimator, in den Strahlaufweiter 1 zumindest teilweise hineinragend zu lassen. In diesem Fall müssen solche Elemente eventuell bei einer Justage entfernt werden.The proposed structure makes it possible to mount or replace the beam expander 1 and to be able to perform its adjustment without having to remove any components. However, it is also possible in principle, elements of adjacent units, such as a collimator, in the beam expander 1 to leave at least partially protruding. In this case, such elements may need to be removed during an adjustment.

Als Befestigungsschnittstelle an die angrenzenden Komponenten (Laser 51, Scan-Kopf-Einheit 5) dienen vorliegend Flansche 26, 27. Sie können, müssen aber nicht einstückig mit dem Gehäuse 2 ausgebildet sein. Die Flansche 26, 27 weisen Bohrungen 29 beispielsweise für Schrauben (nicht gezeigt) auf, anhand derer sie an die benachbarten Komponenten fixiert werden können. Im Unterschied zu den im Stand der Technik verwendeten Gewinden als Befestigungsschnittstelle wird durch den Flansch eine feste Raumposition für das Fenster 25 erreicht. Beim Gewinde hängt dagegen die Position eines Einstellmittels von der jeweiligen Einschraubtiefe ab, und ist daher nicht räumlich fest. In den komplexen und oftmals auch engen Anordnungen additiver Fertigungsvorrichtungen ist die feste räumliche Positionierung des Fensters aber durchaus vorteilhaft.As a mounting interface to the adjacent components (laser 51 , Scan head unit 5 ) serve flanges here 26 . 27 , You can, but do not have to be integral with the case 2 be educated. The flanges 26 . 27 have holes 29 For example, for screws (not shown), by means of which they can be fixed to the adjacent components. In contrast to the threads used in the prior art as attachment interface, the flange provides a fixed spatial position for the window 25 reached. In the case of the thread, by contrast, the position of an adjusting means depends on the respective depth of engagement, and is therefore not spatially fixed. In the complex and often tight arrangements of additive manufacturing devices, however, the fixed spatial positioning of the window is quite advantageous.

Die Anbringung der Flansche 26, 27 erfolgt nicht notwendig am Laser 51 oder der Scan-Kopf-Einheit 5 selbst, sondern auch an diesen Komponenten vorgeordneten oder diese einfassenden Wänden, Gehäusen, Halterungen und optischen Elementen, zum Beispiel einen Kollimator, die aber im Sinne dieser Beschreibung den jeweiligen Komponenten zugeordnet sind. Diese sind insbesondere in der bloß schematischen 1 nicht näher dargestellt.The attachment of the flanges 26 . 27 is not necessary on the laser 51 or the scan head unit 5 itself, but also on these components upstream or enclosing walls, housings, brackets and optical elements, for example a collimator, but which are assigned to the respective components in the sense of this description. These are especially in the merely schematic 1 not shown in detail.

Auf Seiten der Öffnung 22 des Gehäuses 2 zur Scan-Kopf-Einheit 5 hin kann am entsprechenden Flansch 27 eine weitere Nut mit Dichtungsring 7 vorgesehen sein, der die optischen Bauteile im Strahlaufweiter 1 und in der Scan-Kopf-Einheit 5 vor 51, Schmutz und Wasser schützt.On the side of the opening 22 of the housing 2 to the scan head unit 5 towards the corresponding flange 27 another groove with sealing ring 7 be provided, which the optical components in the beam expander 1 and in the scan head unit 5 in front 51 , Dirt and water protects.

Abwandlungen der Ausführungsbeispiele sind möglich ohne von dem in den beigefügten Schutzansprüchen definierten Schutzumfang abzuweichen. Beispielsweise kann der beschriebene Strahlaufweiter auch in anderen Materialbearbeitungsvorrichtungen mittels Laser, etwa zum Schneiden, Schmelzen, Verdampfen, Gravieren etc. oder im medizinischen Bereich eingesetzt werden.Variations of the embodiments are possible without departing from the scope defined in the accompanying claims. For example, the described beam expander can also be used in other material processing devices by means of lasers, for example for cutting, melting, evaporation, engraving etc. or in the medical field.

Ferner kann der Strahlaufweiter 1 auch eine dritte Linsenvorrichtung oder noch weitere Linsenvorrichtungen oder Spiegel oder Filter etc. als weitere optische Komponenten aufweisen.Furthermore, the beam expander 1 also have a third lens device or even more lens devices or mirrors or filters, etc. as further optical components.

Desweiteren kann anstatt des Gewindes 24, 31 auch ein anderes Stellmittel vorgesehen sein, das die Längsverstellbarkeit der Stellfassung für die Fokusjustage ermöglicht, z. B. eine Zapfen-Nut-Führung.Furthermore, instead of the thread 24 . 31 also another adjusting means may be provided which allows the longitudinal adjustability of the adjusting frame for Fokusjustage, z. B. a pin-groove guide.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Datasheet for Beam Expander S6EXP0030 / 159 from Sill Optics GmbH & Co. KG, Wendelstein, DE, published October 2, 2014 [0003]

Claims

Beam expander ( 1 ) comprising: a housing ( 2 ) with a first opening ( 21 ) for the entry of a light beam ( 57 ) and a second opening ( 22 ) for the exit of a light beam ( 58 ), and with one between the first opening ( 21 ) and the second opening ( 22 ) extending interior ( 23 ) with a longitudinal axis (L); a position ( 3 ), which along the longitudinal axis (L) displaceable in the interior ( 23 ) of the housing is arranged, wherein the actuating frame ( 3 ) a first lens device ( 41 ) and the housing ( 2 ) in the interior ( 23 ) a second lens device ( 42 ), through which the light beam passes; the housing ( 2 ) facing the interior a first actuating means ( 24 ) and the position ( 3 ) cooperating with the first actuating means second actuating means ( 31 ) has the order ( 3 ) with the first lens device ( 41 ) along the longitudinal axis with respect to the second lens device ( 42 ) to move; and wherein in the housing ( 2 ) a window ( 25 ) is provided, through which the adjusting ( 3 ) is accessible in the interior and is movable by rotation to adjust the mutual distance between the first and second lens along the longitudinal axis (L).

Beam expander ( 1 ) according to claim 1, wherein the housing ( 2 ) is integrally formed.

Beam expander ( 1 ) according to claim 1 or 2, wherein on the housing ( 2 ) on the side of the first and / or the second opening outside the interior ( 23 ) a fastening interface is provided, through which the housing is attached to a scan head unit ( 5 ) is firmly coupled, the emerging light beam ( 58 ) processed.

Beam expander ( 1 ) according to claim 3, wherein the mounting interface for the housing ( 2 ) one with respect to the scan head unit ( 5 ) uniquely predetermined spatial arrangement for the window ( 25 ).

Beam expander ( 1 ) according to claim 3 or 4, wherein the attachment interface at least one preferably integrally formed with the housing flange ( 26 . 27 ) for attaching the beam expander ( 1 ) on the scan head unit ( 5 ), wherein the flange with fixation elements such as screws or pins, or with holes ( 29 ) is provided for such fixation elements.

Beam expander ( 1 ) according to claim 5, in which on the side of the first and / or second opening ( 21 . 22 ) provided flange ( 26 . 27 ) a sealing element ( 7 ) is provided.

Beam expander ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the adjusting frame ( 3 ) one through the window ( 25 ) of the housing reachable through outer surface portion ( 32 ) having.

Beam expander ( 1 ) according to claim 7, wherein the outer surface portion ( 32 ) haptic perceptible surface features and / or readable adjustment markings ( 34 ) having.

Beam expander ( 1 ) according to claim 7 or 8, wherein one or more sealing elements ( 6 ) between the position ( 3 ) and an inner wall of the housing adjacent to the outer surface portion (FIG. 32 ) and the window ( 25 ) are provided to prevent the ingress of moisture, dirt or oil.

Beam expander ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the first actuating means ( 24 ) an internal thread and the second adjusting means ( 31 ) is an external thread.

Beam expander ( 1 ) according to claim 10, wherein the inner and outer threads ( 24 . 31 ) have a pitch of 5 mm or less.

Beam expander ( 1 ) according to claim 10, wherein the inner and outer threads ( 24 . 31 ) have a pitch of 2 mm or less.

Beam expander ( 1 ) according to claim 10, wherein the inner and outer threads have a pitch of 1 mm or less.

Beam expander ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the first lens device ( 41 ) concave and the second lens device convex ( 42 ).

Beam expander ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the total length (Z) of the housing ( 2 ) along the longitudinal axis (L) regardless of the setting of the actuating frame ( 3 ).

Additive manufacturing device ( 10 ) with a beam expander ( 1 ) according to one of claims 1 to 15, a laser ( 51 ) and a scan head unit ( 5 ).

Use of a beam expander according to one of claims 1 to 15 in an additive manufacturing device ( 10 ) in particular for the production of a three-dimensional object.