EP3265258A1 - Bestrahlungssystem für eine vorrichtung zur generativen fertigung - Google Patents

Bestrahlungssystem für eine vorrichtung zur generativen fertigung

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Publication number
EP3265258A1
EP3265258A1 EP16708629.7A EP16708629A EP3265258A1 EP 3265258 A1 EP3265258 A1 EP 3265258A1 EP 16708629 A EP16708629 A EP 16708629A EP 3265258 A1 EP3265258 A1 EP 3265258A1
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EP
European Patent Office
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laser
laser beam
fiber
path
quality
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16708629.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Bauer
Bernd Hermann Renz
Frank Peter Wuest
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH filed Critical Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Publication of EP3265258A1 publication Critical patent/EP3265258A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention relates to an (optical) irradiation system for a laser-based additive manufacturing apparatus, and more particularly to a concept for providing multiple laser beam configurations for additive manufacturing. Furthermore, the invention relates to a method for adjusting a spatially adjusted irradiation for the generative production of a workpiece in a laser-based additive manufacturing device.
  • the laser-based additive manufacturing of, in particular metallic or ceramic, workpieces is based on solidifying a, e.g. in powder form, starting material by the irradiation with laser light.
  • This concept also known as selective laser melting (SLM) or powder bed fusion - is used, among other things, in machines for (metallic) 3D printing.
  • An exemplary machine for producing three-dimensional products is disclosed in European patent application EP 2 732 890 A2 of Sisma S.p.A. disclosed.
  • the advantages of generative manufacturing are generally a simple production of complex and customizable parts. In this case, in particular defined structures in the interior and / or power flow optimized structures can be realized.
  • laser-based additive manufacturing it is known to segment a workpiece into a shell (shell regions) and a core (core regions) (so-called shell-core strategy).
  • the shell and core are irradiated with appropriately adapted beam shapes.
  • German patent application DE 10 2007 061 549 A1 discloses a method for changing the beam diameter in a working plane.
  • a method for changing the beam profile characteristic of a laser beam using a multiple lad fiber is disclosed in the German patent application DE 10 2010 003 750 AI in the context of the sheath-core strategy.
  • European Patent Application EP 1 568 472 A1 discloses a multiple-irradiation process in which the powder bed is first heated stepwise to a temperature below the melting temperature and only then to a temperature above the melting temperature of the powder. In general, multiple exposure methods may be limited in their process speed by the speed of the scanner.
  • WO 2011/066989 A1 further discloses an optical irradiation unit comprising optical components for guiding and focusing a beam path of a first laser beam and an optical coupling unit for splitting the first laser beam into at least two partial laser beams and / or for coupling a second laser beam with one from the wavelength of the first laser beam different wavelength in the beam path of the first laser beam.
  • WO 2011/066989 A1 relates to a plant for the production of workpieces by irradiation of powder layers of a raw material powder with laser radiation and an associated method.
  • One aspect of this disclosure is based on the object of specifying an optical irradiation system for a generative production device, which allows the irradiation in the generative production with different beam profiles.
  • a further aspect of this disclosure is based on the object of increasing the build-up rate and the process efficiency in laser-based generative methods, in particular in the context of the shell-core strategy.
  • a further aspect of this disclosure is based on the object of overcoming a limitation of the generative production by the (scanning) speed of the scanner.
  • At least one of these objects is achieved by an irradiation system according to claim 1 or claim 2 for a generative manufacturing apparatus and by a method for adjusting a spatially adjusted irradiation according to claim 10 or claim 11. Further developments are specified in the subclaims.
  • an irradiation system for a laser-based additive manufacturing apparatus comprises a first beam source of a first laser beam and a second beam source of a second laser beam, the second laser beam having a beam quality (beam quality) higher than that of the first laser beam.
  • the irradiation system has a common scanner optics for focusing the first laser beam and the second laser beam within a production space and a beam guidance system with a first beam path for guiding the first laser beam from the first beam source to the scanner optics and with a second beam path for guiding the second laser beam from the second Beam source for scanner optics.
  • the beam guidance system has a beam combiner for superimposing the first beam path and the second beam path.
  • a method for setting a spatially adjusted irradiation for the generative production of a workpiece in a laser-based generative manufacturing device with a scanner optics and a powder bed, in particular a metallic powder comprises the following steps.
  • a first laser beam and a second laser beam are provided, wherein the second laser beam for fine irradiation of the powder bed has a beam quality (beam quality) which is higher than that of the first laser beam.
  • energy inputs of the first laser beam and the second laser beam are set in a superimposed beam path of the first laser beam and the second laser beam in the scanning unit, and the first laser beam and the second laser beam are transmitted via the powder bed for alternately or simultaneously irradiating the powder bed with the first laser beam and the second laser beam.
  • a laser system comprising one or more pump lasers (eg, diode laser) and an associated laser resonator is provided with one or more beam switches, such that one or more of the pump lasers is either for pumping a lasing medium of the laser cavity. which is designed, for example, as a disk or fiber) or can be coupled out for direct irradiation of the powder bed.
  • a pump laser beam is generally more energy efficient than a laser beam generated by the laser resonator. Since a pump laser beam but usually has a worse beam profile than the beam from the laser cavity, a
  • Pump laser beam are not focused to a diameter as small as the laser beam emerging from the laser resonator. Therefore, pump laser beams are usually not suitable for irradiation of the powder bed in the sheath area. However, a pumping laser may instead be used for energy efficient irradiation of the core region.
  • the pump laser beam is coupled into a transport fiber directly after decoupling from the beam path to the laser medium / laser resonator and passed through this to an optic of the generative manufacturing device (eg, an SLS / SLM machine).
  • the optics may include, for example, a beam combiner and a scanner optics. Due to the comparatively poor beam quality of the pump laser beam, the transport fiber can have a large diameter in order to be able to completely couple the pump laser beam into the transport fiber. However, the pump laser beam emerging again later from the fiber can not be focused sufficiently small for the envelope region, so that this (energy-efficient) beam emerging from the transport fiber is only for Processing the core area is suitable.
  • the laser beam from the laser resonator can also be coupled into a transport fiber, but due to the better beam quality in a fiber with a small diameter.
  • the transport fiber guides the laser beam of high beam quality to the optic of the generative manufacturing device. This radiation emerging from the small fiber diameter can be focused on a small diameter and is thus suitable for processing the shell region.
  • split laser beams or two different laser beams may be coupled into a single transport fiber.
  • a pump laser beam may be formed into an annular fiber sheath and a laser beam emerging from the laser resonator having a better beam profile into the fiber core of the transport fiber
  • the laser light consisting of portions of the pump laser beam and of the resonator laser beam is guided to the optics of the generative production apparatus and moved by means of scanner optics over a region of a powder layer to be melted.
  • the radiation from the annular fiber sheath has a larger focus diameter than the beam from the fiber core and thus can heat the powder in a larger radius around the focal point of the beam from the fiber core. This heating in the vicinity can take place at a temperature close to the melting temperature.
  • the scanning speed and / or the proportion of the pumped laser beam coupled into the fiber casing can be adjusted to a corresponding energy input.
  • the ratio of the laser beam powers emerging from the fiber core and the fiber cladding can be adjusted to each other so that the powder around the processing station is reliably heated by the laser beam from the fiber cladding in a range below the melting temperature and thus the laser beam from the fiber core only a small amount of energy has to be used to melt the powder.
  • the irradiation with only a single, rapid movement of the laser beam with the two beam components can be done via the processing point.
  • a powder temperature of the powder bed in particular in the direction of movement of the laser beams, for example, detected with an IR camera and the
  • the powers of the two laser beams and / or the scanning speed are regulated to a suitable energy input.
  • Some embodiments of the systems, apparatus, and methods described herein may provide for faster assembly of workpieces such as e.g. Allow SLM components and a cheaper production by a higher efficiency in the utilization of the beam sources. Further, in some embodiments, advantages of the different types of beam sources may be better utilized, e.g. Fiber laser / disk laser for a high detail resolution and a diode direct laser for fast exposure of large areas.
  • the concepts described herein relate in particular to the production of components in which the subdivision mentioned above is made in different geometry ranges, for example in a shell (shell regions) and a core (core regions).
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary generative production apparatus with a first embodiment of an irradiation system
  • FIG. 2 is a schematic representation of an exemplary generative manufacturing apparatus with a second embodiment of an irradiation system
  • FIG. 3 shows an example flowchart to illustrate a method for setting a spatially adjusted irradiation for the generative production of a workpiece in a laser-based generative manufacturing apparatus.
  • the structure at the moment of fusing is determined by the spatial extent and course of the energy input by the laser beam.
  • a corresponding spatial definition of the energy input allows the Generation of three-dimensional highly complex components, which may include, for example, undercuts and diverse interior structures.
  • aspects described herein are based, in part, on the recognition that selective or simultaneous (and possibly weighted) coupling of laser beams having different beam qualities into a common beam path of a scanning unit may allow the setting of specially defined energy inputs. As a result, different geometric ranges of a workpiece can be exposed with an adapted process efficiency.
  • Beam quality is understood to mean in particular the quality of a laser beam with regard to focusability.
  • diode laser pumped resonator in an irradiation system of a device for additive manufacturing allows to use the laser beam generated in the resonator with high beam quality and additionally the pump beam of the diode laser for the generative production.
  • two laser beams with different beam qualities are available for the production process, with the beam of the lower beam quality being generated efficiently with the diode laser.
  • This concept may on the one hand make it possible to provide a sufficient energy input for large volumes. Thus, it can be used in particular for shell-core strategies for a fast and efficient generation of the core.
  • the beam with the lower beam quality can be used to prepare for merging with the beam of high beam quality and / or for influencing the cooling behavior after fusion.
  • Beam qualities can be flexibly led to a (common) scanner optics.
  • a generative manufacturing device 1 has an irradiation system 3 and a production space 5.
  • the production space 5 is located in a chamber flooded with inert gas.
  • the production space 5 has a powder bed 9 filled with, for example, metallic or ceramic powder 7.
  • the irradiation system 3 is designed to generate laser light which melts the powder 7 into material layers of a workpiece 11.
  • the irradiation system 3 has a first beam source 13 and a second beam source 15.
  • the first beam source 13 is a pump laser (for example a diode laser).
  • the second beam source 15 is a laser resonator (for example, a fiber laser or a disk laser) whose laser medium is pumped with the first beam source 13.
  • the first beam source 13 generates a first laser beam 13A, to which a first beam path 13A 'is assigned.
  • the second beam source 15 generates a second laser beam 15A to which a second beam path 15A 'is assigned.
  • the first beam path 13A 'and the second beam path 15A' are provided by a beam guiding system comprising, for example, one or more transport fibers, mirrors and lenses (not shown) for forming the beam paths.
  • the or part of the first laser beam 13A is coupled into the laser resonator so that the second laser beam 15A can be correspondingly extracted from the laser resonator.
  • pump laser parameters are wavelengths in the range of, for example, 900 nm to 1000 nm for pump diode lasers with a beam quality of, for example, 8 and a beam parameter product in the range of, for example, 30 mm mrad to 50 mm mrad.
  • parameters of the laser resonator are wavelengths in the range of eg 1030 nm for fiber lasers and wavelengths in the range of eg 1064 nm for disk lasers in the case of beam parameter products in the range of eg 4 mm mrad to 25 mm mrad.
  • the lasers can be designed as CW lasers or pulsed lasers for specific geometry ranges, in particular overhangs or areas with increased surface quality.
  • the beam quality of the second laser beam 15A (resonator laser beam) is higher than that of the first laser beam (pump laser beam). Accordingly, the former can focus on a smaller focus area.
  • the first Laser beam for clarity by a double line and the second laser beam represented by a narrow dashed line.
  • the irradiation system 3 has a beam switch 17 as part of the beam guidance system.
  • the beam splitter 17 is arranged in the beam path between the first beam source 13 and the second beam source 15 and allows the first laser beam 13A, partially or completely, to be supplied to the laser resonator (along a pump beam path 13B ') or the first beam path 13A'.
  • the first laser beam 13A is regarded as the portion of the radiation of the first beam source 13 which propagates along the first beam path 13A ', wherein, with simultaneous irradiation with the first and the second laser beam, a certain pumping portion of the radiation of the first beam source 13 of the second Beam source 15 is supplied.
  • the configuration of the beam delivery system allows at least a portion of the radiation of the first beam source 13 (i.e., the first laser beam 13A) to be used separately from the pumping portion for additive manufacturing.
  • the beam switch 17 may, for example, allow a discrete switching between the first beam path 13A 'and the pump beam path 13B'.
  • a gradual or stepwise distribution of the radiation of the first beam source 13 onto the first beam path 13A 'and the pump beam path 13B' - as an example of an adjustable beam splitter 17 - can be performed.
  • beam switches include various transmissive mirrors with different transmission / reflection ratios that can be switched into the beam path, as well as rotatable, partially transmissive coated disk having a gradually varying graduation pitch or optical modulators such as e.g. Bragg or Pockels cells.
  • the irradiation system 3 has a beam combiner 19 and a scanner optics 21.
  • the beam combiner 19 superimposes the first beam path 13A 'of the first laser beam 13A with the second beam path 15A' of the second laser beam 15A.
  • the superposition takes place, for example, on a superimposed beam path 21 'of the scanner optics 21.
  • beam combiners include dichroic mirrors which transmit the wavelength of one laser and reflect the wavelength of the other laser and diffraction gratings.
  • the scanner optics 21 can guide the first laser beam 13A and / or the second laser beam 15A along an adjustable scan path 23 via the powder 7 in the powder bed 9.
  • FIG. 1 is to illustrate the - trained as discrete beam splitter - beam switch 17, a deflection of the first laser beam 13 A on a (core) From section 25 of the workpiece 11 directed.
  • the section 25 corresponds to a geometry range of the workpiece 11, which is associated with the core (for example, a core region 25 A) in a shell-core strategy, for example.
  • FIG. 1 shows a deflection of the second laser beam 15A onto a (casing) section 27 of the workpiece 11.
  • the section 27 corresponds to a geometry area associated with the hull (eg, a hull area 27A).
  • the fusion of the core region 25A and the cladding region 27A is sequential in sections.
  • the irradiation system 3 further comprises a monitoring device 29, for example an infrared camera.
  • the monitoring device 29 detects information about the interaction region of the laser beams with the powder 7.
  • the monitoring device 29 detects a spatial and / or temporal temperature profile or a temperature value in the focus region of the scanner optics 21, i. in focus of the laser beams on the powder bed.
  • the irradiation system 3 has a control device 31.
  • the control device 31 is designed for controlling the irradiation process, in particular for adjusting the irradiation, such as setting the associated energy contributions by the first laser beam 13A and the second laser beam 15A.
  • the control device 31 is connected via control connections 31A to the first beam source 13, the second beam source 15, the beam switch 17, the beam combiner 19, the scanner optics 21 and / or the monitoring device 29.
  • control device 31 can receive operating parameters and / or measurement information, process them accordingly and deliver control commands derived therefrom via the control connections 31A to corresponding components.
  • an assignment of the respective laser beam to be used takes place via a process as described for example in connection with FIG. 3 and can be provided in a process software for component manufacturing.
  • the first beam source 13 may comprise a plurality of diode laser units 33. Accordingly, the beam splitter 17 can act on a combined laser beam which has contributions of all diode laser units 33. Alternatively or in addition, the beam splitter 17 may act on a single beam component of a single diode laser unit or a subset of diode laser units. In the latter case, for example, a number of diode laser units 33 can be provided as the first subgroup of diode laser units 33 and used for pumping the laser medium of the second beam source 15. A second subset of diode laser units 33A may be provided primarily for generating the first laser beam 13A. Accordingly, diode laser units can be provided only for the purpose of coupling laser light into the first beam path 13A '(in FIG. 1, for example, diode laser unit 33A via beam path 33A').
  • the corresponding output power of the first beam source 13 may be modified by driving the individual energization of the diode laser units 33, for example continuously or stepwise adjustable.
  • Fig. 2 illustrates further embodiments of the generative manufacturing apparatus 1, wherein as far as possible to simplify the illustration, the reference numerals of Fig. 1 have been retained. Identical components are essentially to be considered as similar components. However, there may be differences in detail due to (slightly) different functionality.
  • a difference of the embodiment according to FIG. 2 lies in the use of a common transport fiber 41 in the beam guiding system for the first laser beam 13A and the second laser beam 15A.
  • the transport fiber 41 may provide part of a quasi-common beam path.
  • the beam guidance system comprises a beam combiner 43, which makes it possible to couple the various beams into the transport fiber 41.
  • the first laser beam 13A and the second laser beam 15A ie, the first beam path 13A 'and the second beam path 15A' are first superimposed and then together with focusing optics (not shown) in the transport fiber 41 coupled.
  • focusing optics not shown
  • a separate coupling into the transport fiber 41 take place.
  • the transport fiber 41 may include a first small-extent transport region, such as in the region of the fiber core, for transporting the second laser beam 15A.
  • the second laser beam 15A has a high beam quality due to the generation in a laser resonator, can be correspondingly small in focus compared to the pump laser beam and thus allows focusing and coupling in a small fiber core region of the transport fiber 41.
  • the second laser beam 15A After emerging from the transport fiber 41 For example, the second laser beam 15A correspondingly thickens, but retains its high beam quality, so that the scanner optics 21 can focus on a small focus area having a diameter of preferably less than 200 ⁇ m, in particular several tens of ⁇ m. This is for example in the center of an indicated in Fig. 2 interaction zone 45, which has a diameter in the range of 100 ⁇ to 5 mm, but at least greater than the diameter of the focus area, in particular 0.3 mm to 1 mm.
  • the first laser beam 13A of the first beam source 13 has a lower beam quality so that it can be coupled into a larger spatial area of the transport fiber 41, for example into a ring core or fiber sheath surrounding the fiber core.
  • the divergence of the beam emerging from the fiber is smaller and the size of the focus for the first laser beam 13A in the interaction zone 45 correspondingly greater.
  • the transport fiber 41 can separate the areas for the first laser beam 13A and the second laser beam 15A by inter-cladding structures or merge them into one another.
  • Exemplary transport fibers are disclosed in the aforementioned German patent application DE 10 2010 003 750 AI. The usage of
  • Intercladding-free transport fibers can facilitate the coupling of the first laser beam.
  • fiber bundle structures may also be used.
  • a fiber coupler as described in DE 10 2012 209 628 A1 could be used as beam combiner 43, wherein at least one fiber core of the fiber bundle structures has a small extension to follow the second laser beam 15A
  • the beam splitter 17 comprises a combination of a plurality of discrete beam switches and / or beam switches for gradual or gradual distribution of the first laser beam 13A, so that it can be coupled into some or all of the fiber cores of larger cross section, in particular with a predetermined energy distribution.
  • a beam profile similar to that of the transport fiber 41 is achieved.
  • different discrete or gradual, or gradual, distribution of energy to the fiber cores with greater expansion and unevenly distributed beam profiles are possible, for example, allow an irradiation of the powder bed, in which the powder is pre-heated or reheated differently.
  • Fig. 2 further illustrates the concept of (simultaneous) use of laser beams having different beam qualities in the production of the workpiece 11.
  • a core region 25A is shown in Fig. 2, which was generated only by energy input with the first laser beam 13A.
  • the energy input by the first laser beam 13A can be reduced to such an extent that over the large focus range of the first laser beam 13A in the interaction zone 45 no remelting of the powder 7 takes place.
  • an additional energy input can be made in a small area of the focus zone of the second laser beam 15A, which allows a formation of a fine structure in the (cladding section 27).
  • FIG. 2 shows a further beam source 47, which either provides laser beam with low beam quality in addition to the first beam source 13, or which can be used as sole first beam source for the first laser beam 13A with low beam quality.
  • the first laser beam 13A and the second laser beam 15A go back to separate Strahlquel- len.
  • the previously described use of a pump laser of the second beam source 15 as the first beam source 13 has in comparison to a lower complexity of the irradiation system 3.
  • FIGS. 1 and 2 show a flowchart for explaining different methods for setting a spatially adapted irradiation in the generative production of workpieces in a laser-based additive manufacturing device, as shown for example in FIGS. 1 and 2.
  • the starting point of generative production is a planning phase 51. This defines the geometry and structure of the workpiece to be created.
  • a subsequent configuration phase 53 the manufacturing device according to the required irradiation, z. As energy inputs, beam position, scan speed, etc., set.
  • the configuration phase 53 comprises, on the one hand, steps that are carried out before the start of production and, on the other hand, steps that can be carried out continuously during the manufacturing process.
  • the production of the workpiece takes place in a manufacturing phase 55, in which a scan 55 A is carried out with suitably employed irradiation parameters such as set energy inputs and positions.
  • the planning phase 51 includes, for example, defining the geometry of the workpiece, in particular defining geometry ranges such as cladding regions and core regions.
  • the scanning process is further defined, in particular by specifying, for example, the scanning speed, the focus size and the respectively underlying jet types (definition step 51A), and assigning the corresponding energy inputs to the beam types (assignment step 51B).
  • the planning phase 51 may comprise further steps, for example the process-favorable arrangement of a plurality of workpieces for the simultaneous production thereof in a common production phase 55.
  • the configuration phase 53 includes, for example, providing a first laser beam and a second laser beam (providing step 53A).
  • the second laser beam for a fine irradiation of the powder bed on a beam quality that is higher than that of the first laser beam.
  • the configuration phase 53 includes setting the energy inputs by the first laser beam and the second laser beam in a superposed beam path (energy input setting step 53B).
  • the configuration phase may include adjusting a decoupling of a portion of a pump laser beam prior to entering the laser cavity (out-coupling adjustment step 53C).
  • the configuration phase 53 can comprise alternating or simultaneous coupling of the laser beams into a superimposed beam path of the scanner optics.
  • the provisioning step 53A of the configuration phase 53 may include coupling the first laser beam and / or the second laser beam into a transport fiber.
  • a monitoring step 57 the production phase 55 can be monitored, wherein additional information can be obtained and introduced into the configuration phase 53.
  • a direct diode laser or a direct diode laser is used in combination with a fiber laser.
  • the associated laser beams are coupled into the scanner optics by means of a fast beam switch in order to expose different areas of the geometry with different laser beams one after the other or simultaneously.
  • a fast beam switch in order to expose different areas of the geometry with different laser beams one after the other or simultaneously.
  • Usually already existing geometry decomposition into different sub-areas shell / core / transition areas
  • laser beams with a high beam quality and for area exposures laser beams with a noticeably poorer beam quality can be used, although with a higher electrical-optical efficiency.
  • two lasers can be controlled by means of a process control, in which the geometry information of the different subareas (sheath / core or filigree / area exposure) is present in a separated manner and which correspondingly allocates these to the lasers.
  • the laser power is guided via a collimation into the scanner in order to be projected there via an optic onto the powder bed / a component to be built up.
  • the beam delivery system may include beamforming and beam guiding elements such as mirrors and lenses.
  • Other components of generative manufacturing devices include, for example, powder delivery components and gas delivery systems, etc.
  • Ceramic parts can be used, for example, in the fields of medical and dental technology (for example for the manufacture of precise implants), in the aerospace industry (for example for the manufacture of turbine blades) in the automotive industry (for example for the manufacture of motor mountings).

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Abstract

Ein Bestrahlungssystem (3) für eine Vorrichtung (1) zur laserbasierten generativen Fertigung weist eine ersten Strahlquelle (13) eines ersten Laserstrahls (13A) und eine zweiten Strahlquelle (15) eines zweiten Laserstrahls (15A) auf, wobei der zweite Laserstrahl (15A) eine Strahlgüte aufweist, die höher ist als die des ersten Laserstrahls (13A). Ferner weist das Bestrahlungssystem (3) eine gemeinsamen Scanneroptik (21) zur Fokussierung des ersten Laserstrahls (13A) und des zweiten Laserstrahls (13B) innerhalb eines Fertigungsraums (5) der Vorrichtung (1) und ein Strahlführungssystem mit einem ersten Strahlengang (13A') zur Führung des ersten Laserstrahls (13A) von der ersten Strahlquelle (13) zur Scanneroptik (21) und mit einem zweiten Strahlengang (15A') zur Führung des zweiten Laserstrahls (15A) von der zweiten Strahlquelle (15) zur Scanneroptik (21) auf, wobei das Strahlführungssystem einen Strahlenkombinierer (19) zur Überlagerung der Strahlengänge des ersten Strahlengangs (13A') und des zweiten Strahlengangs (15A') aufweist.

Description

BESTRAHLUNGSSYSTEM FÜR EINE VORRICHTUNG
ZUR GENERATIVEN FERTIGUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein (optisches) Bestrahlungssystem für eine Vorrichtung zur laserbasierten generativen Fertigung und insbesondere ein Konzept für die Bereitstellung mehrerer Laserstrahlkonfigurationen für die generative Fertigung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Einstellen einer räumlich angepassten Bestrahlung zur generativen Fertigung eines Werkstücks in einer laserbasierten generativen Fertigungsvorrichtung. Die laserbasierte generative Fertigung von, insbesondere metallischen oder keramischen, Werkstücken basiert auf einem Verfestigen eines, z.B. in Pulverform vorliegenden, Ausgangsmaterials durch die Bestrahlung mit Laserlicht. Dieses Konzept - auch als selektives Laserschmelzen (SLM) oder als Pulverbettfusion bekannt - wird unter anderem in Maschinen für den (metallischen) 3D-Druck eingesetzt. Eine beispielhafte Maschine zur Herstellung von dreidimensionalen Produkten ist in der europäischen Patentanmeldung EP 2 732 890 A2 der Sisma S.p.A. offenbart. Die Vorteile der generativen Fertigung sind allgemein eine einfache Herstellung von komplexen und individuell erstellbaren Teilen. Dabei können insbesondere definierte Strukturen im Innenraum und/oder kraftflussoptimierte Strukturen realisiert werden. Bei der laserbasierten generativen Fertigung ist es bekannt, eine Segmentierung eines Werkstücks in eine Hülle (Hüllenbereiche) und einen Kern (Kernbereiche) vorzunehmen (sogenannte Hülle-Kern-Strategie). Hülle und Kern werden dabei mit entsprechend angepassten Strahlformen bestrahlt. Beispielsweise offenbart die deutsche Patentanmeldung DE 10 2007 061 549 AI ein Verfahren zur Änderung des Strahldurchmessers in einer Bearbeitungsebene. Ein Verfahren zum Verändern der Strahlprofilcharakteristik eines Laserstrahls unter Verwendung einer Mehrfache lad-Faser ist in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2010 003 750 AI im Rahmen der Hülle-Kern-Strategie offenbart.
Ferner offenbart die europäische Patentanmeldung EP 1 568 472 AI ein Mehrfachbestrah- lungsverfahren, bei dem das Pulverbett schrittweise erst auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur und erst danach gezielt auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Pulvers erhitzt wird. Allgemein können Mehrfachbestrahlungsverfahren durch die Geschwindigkeit des Scanners in ihrer Prozessgeschwindigkeit limitiert sein. WO 2011/066989 AI offenbart ferner eine optische Bestrahlungseinheit, umfassend optische Komponenten zum Führen und Fokussieren eines Strahlengangs eines ersten Laserstrahls und eine optische Teil- bzw. Koppeleinheit zum Aufteilen des ersten Laserstrahls in zumindest zwei Teillaserstrahlen und/oder zum Einkoppeln eines zweiten Laserstrahls mit einer von der Wellenlänge des ersten Laserstrahls verschiedenen Wellenlänge in den Strahlengang des ersten Laserstrahls. Außerdem betrifft WO 2011/066989 AI eine Anlage zur Herstellung von Werkstücken durch Bestrahlen von Pulverschichten eines Rohstoffpulvers mit Laserstrahlung sowie ein zugehöriges Verfahren. Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Bestrahlungssystem für eine generative Fertigungsvorrichtung anzugeben, das die Bestrahlung bei der generativen Fertigung mit unterschiedlichen Strahlprofilen erlaubt. Einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, die Aufbaurate und die Prozesseffizienz bei laserbasierten generativen Verfahren, insbesondere im Rahmen der Hülle-Kern-Strategie, zu steigern. Einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Limitierung der generativen Fertigung durch die (Abtast-)Geschwindigkeit des Scanners zu überwinden.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird durch ein Bestrahlungssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 für eine generative Fertigungsvorrichtung und durch ein Verfahren zum Einstellen einer räumlich angepassten Bestrahlung nach Anspruch 10 oder Anspruch 11 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einem Aspekt weist ein Bestrahlungssystem für eine Vorrichtung zur laserbasierten generativen Fertigung eine erste Strahlquelle eines ersten Laserstrahls und eine zweite Strahlquelle eines zweiten Laserstrahls auf, wobei der zweite Laserstrahl eine Strahlgüte (Strahlqualität) aufweist, die höher ist als die des ersten Laserstrahls. Ferner weist das Bestrahlungssystem eine gemeinsame Scanneroptik zur Fokussierung des ersten Laserstrahls und des zweiten Laserstrahls innerhalb eines Fertigungsraums und ein Strahlführungssystem mit einem ersten Strahlengang zur Führung des ersten Laserstrahls von der ersten Strahlquelle zur Scanneroptik und mit einem zweiten Strahlengang zur Führung des zweiten Laserstrahls von der zweiten Strahlquelle zur Scanneroptik auf. Das Strahlführungssystem weist dabei einen Strahlenkom- binierer zur Überlagerung des ersten Strahlengangs und des zweiten Strahlengangs auf. In einem weiteren Aspekt weist ein Verfahren zum Einstellen einer räumlich angepassten Bestrahlung zur generativen Fertigung eines Werkstücks in einer laserbasierten generativen Fertigungsvorrichtung mit einer Scanneroptik und einem, insbesondere ein metallisches Pulver bereitstellenden, Pulverbett, folgende Schritte auf. Es werden ein erster Laserstrahl und ein zweiter Laserstrahl bereitgestellt, wobei der zweite Laserstrahl für eine Feinbestrahlung des Pulverbetts eine Strahlgüte (Strahlqualität) aufweist, die höher ist als die des ersten Laserstrahls. Ferner werden Energieeinträge des ersten Laserstrahls und des zweiten Laserstrahls in einen überlagerten Strahlengang des ersten Laserstrahls und des zweiten Laserstrahls in der Scaneinheit eingestellt, und es werden der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl über das Pulverbett zur abwechselnden oder gleichzeitigen Bestrahlung des Pulverbetts mit dem ersten Laserstrahl und dem zweiten Laserstrahl gescannt.
In einigen Ausführungsformen wird bei einer generativen Fertigungsvorrichtung ein Lasersystem, das einen oder mehrere Pumplaser (z.B. Diodenlaser) und einen zugehörigen Laserreso- nator umfasst, mit einer oder mehreren Strahlweichen ausgestattet, so dass einer oder mehrere der Pumplaser entweder zum Pumpen eines Lasermediums des Laserresonators (welches bspw. als Scheibe oder Faser ausgebildet ist) verwendet oder zur direkten Bestrahlung des Pulverbetts ausgekoppelt werden können. Ein Pumplaserstrahl wird allgemein energieeffizienter als ein Laserstrahl aus dem Laserresonator erzeugt. Da ein Pumplaserstrahl üblicherweise aber ein schlechteres Strahlprofil als der Strahl aus dem Laserresonator aufweist, kann ein
Pumplaserstrahl nicht auf einen so kleinen Durchmesser wie der aus dem Laserresonator austretende Laserstrahl fokussiert werden. Daher sind Pumplaserstrahlen üblicherweise nicht für eine Bestrahlung des Pulverbetts im Hüllenbereich geeignet. Jedoch kann ein Pumplaser stattdessen für eine energieeffiziente Bestrahlung des Kernbereichs verwendet werden.
In einigen Ausführungsformen wird der Pumplaserstrahl direkt nach dem Auskoppeln vom Strahlengang zum Lasermedium/Laserresonator in eine Transportfaser eingekoppelt und durch diese zu einer Optik der generativen Fertigungsvorrichtung (z.B. eine SLS/SLM- Maschine) geführt. Die Optik kann z.B. einen Strahlenkombinierer und eine Scanneroptik umfassen. Die Transportfaser kann auf Grund der vergleichsweise schlechten Strahlqualität des Pumplaserstrahls einen großen Durchmesser aufweisen, um den Pumplaserstrahl komplett in die Transportfaser einkoppeln zu können. Allerdings kann auch der später aus der Faser wieder austretende Pumplaserstrahl nicht für den Hüllenbereich ausreichend klein fokussiert werden, so dass dieser aus der Transportfaser austretende (energieeffiziente) Strahl nur zur Bearbeitung des Kernbereichs geeignet ist. Der Laserstrahl aus dem Laserresonator kann ebenfalls in eine Transportfaser eingekoppelt werden, auf Grund der besseren Strahlqualität allerdings in eine Faser mit kleinem Durchmesser. Die Transportfaser führt den Laserstrahl hoher Strahlqualität zur Optik der generativen Fertigungsvorrichtung. Diese aus dem kleinen Faserdurchmesser austretende Strahlung lässt sich auf einen kleinen Durchmesser fokussieren und ist somit zur Bearbeitung des Hüllenbereichs geeignet.
In einigen Ausführungsformen können aufgeteilte Laserstrahlen oder zwei verschiedene Laserstrahlen in eine einzige Transportfaser eingekoppelt werden. Beispielsweise kann ein Pumplaserstrahl in eine ringförmige Faserhülle und ein aus dem Laserresonator mit einem besseren Strahlprofil austretender Laserstrahl in den Faserkern der Transportfaser
eingekoppelt werden. Durch die Transportfaser wird das aus Anteilen des Pumplaserstrahls und des Resonatorlaserstrahls bestehende Laserlicht bis zur Optik der generativen Fertigungsvorrichtung geführt und mittels einer Scanneroptik über einen aufzuschmelzenden Bereich einer Pulverschicht bewegt. Die Strahlung aus der ringförmigen Faserhülle weist einen größeren Fokusdurchmesser auf als der Strahl aus dem Faserkern und kann so das Pulver in einem größeren Umkreis um den Fokuspunkt des Strahls aus dem Faserkern erwärmen. Diese Erwärmung im Umkreis kann auf eine Temperatur nahe der Schmelztemperatur erfolgen. Ferner kann die Scangeschwindigkeit und/oder der Anteil des in die Faserhülle eingekoppelten Pumplaserstrahls auf einen entsprechenden Energieeintrag eingestellt werden. Allgemein kann das Verhältnis der Laserstrahlleistungen, die aus dem Faserkern und der Faserhülle austreten, so zueinander angepasst werden, dass das um die Bearbeitungsstelle vorliegende Pulver zuverlässig durch den Laserstrahl aus der Faserhülle in einem Bereich unterhalb der Schmelztemperatur erwärmt wird und der Laserstrahl aus dem Faserkern somit nur noch wenig Ener- gie einbringen muss, um das Pulver aufzuschmelzen. Dadurch kann die Bestrahlung mit nur einer einzelnen, schnellen Bewegung des Laserstrahls mit den zwei Strahlanteilen über die Bearbeitungsstelle erfolgen.
In einigen Ausführungsformen wird eine Pulvertemperatur des Pulverbetts, insbesondere in Bewegungsrichtung der Laserstrahlen, beispielsweise mit einer IR-Kamera erfasst und die
Leistungen der beiden Laserstrahlen und/oder die Scangeschwindigkeit werden auf einen dazu passenden Energieeintrag geregelt. In einigen Ausführungsformen kann es zusätzlich möglich sein, den Laserstrahl des Faserkerns zu stoppen, so dass nur noch Laserstrahlung durch die Faserhülle zum Pulverbett geführt wird und dort einen Energieeintrag vornimmt. Dies kann beispielsweise zum Aufschmelzen des Kerns im Rahmen einer Hülle-Kern- Strategie verwendet werden.
Einige Ausführungsformen der hierin beschriebenen Systeme, Vorrichtungen und Verfahren können einen schnelleren Aufbau von Werkstücken wie z.B. SLM-Bauteilen sowie eine günstigere Herstellung durch eine höhere Effizienz bei der Ausnutzung der Strahlquellen erlauben. Ferner können in einigen Ausführungsformen Vorteile der unterschiedlichen Typen von Strahlquellen besser genutzt werden, z.B. Faserlaser/Scheibenlaser für eine hohe Detailauflösung und ein Diodendirektlaser für eine schnelle Belichtung großer Flächen.
Die hierein beschriebenen Konzepte betreffen insbesondere die Herstellung von Bauteilen, bei denen die eingangs erwähnte Untergliederung in unterschiedliche Geometriebereiche, bei- spielsweise in eine Hülle (Hüllenbereiche) und einen Kern (Kernbereiche), vorgenommen wird.
Hierin werden Konzepte offenbart, dies es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
Fig.l eine schematische Darstellung einer beispielhaften generativen Fertigungsvorrichtung mit einer ersten Ausführungsform eines Bestrahlungssystems,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer beispielhaften generativen Fertigungsvorrichtung mit einer zweiten Ausführungsform eines Bestrahlungssystems und
Fig. 3 ein beispielhaftes Flussdiagramm zur Verdeutlichung eines Verfahrens zum Einstellen einer räumlich angepassten Bestrahlung zur generativen Fertigung eines Werkstücks in einer laserbasierten generativen Fertigungsvorrichtung.
Allgemein wird bei der laserbasierten generativen Fertigung die Struktur im Moment des Verschmelzens vom räumlichen Ausmaß und Verlauf des Energieeintrags durch den Laserstrahl bestimmt. Eine entsprechende räumliche Festlegung des Energieeintrags erlaubt dabei die Erzeugung von dreidimensionalen hochkomplexen Bauteilen, die z.B. Hinterschneidungen und vielfältige Innenraumstrukturen aufweisen können.
Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass ein wahlweises oder gleichzeitiges (und evtl. gewichtetes) Einkoppeln von Laserstrahlen mit unterschiedlichen Strahlgüten in einen gemeinsamen Strahlengang einer Scaneinheit das Festlegen von speziell definierten Energieeinträgen erlauben kann. Dadurch können verschiedene Geometriebereiche eines Werkstücks mit einer angepassten Prozesseffizienz belichtet werden. Unter Strahlgüte wird hierin insbesondere die Qualität eines Laserstrahls hinsichtlich der Fokussierbarkeit ver- standen.
Darüber hinaus wurde erkannt, dass beispielsweise die Verwendung eines
diodenlasergepumpten Resonators in einem Bestrahlungssystem einer Vorrichtung zur generativen Fertigung es erlaubt, den im Resonator erzeugten Laserstrahl mit hoher Strahlgüte und zusätzlich den Pumpstrahl des Diodenlasers für die generative Fertigung einzusetzen. Dadurch stehen für den Fertigungsprozess zwei Laserstrahlen mit verschiedenen Strahlgüten (abwechselnd oder zeitgleich) zur Verfügung, wobei der Strahl mit der niedrigeren Strahlgüte effizient mit dem Diodenlaser erzeugt wird. Dieses Konzept kann es zum einen ermöglichen, einen für große Volumina ausreichenden Energieeintrag bereitzustellen. So kann es insbesondere bei Hülle-Kern-Strategien für eine schnelle und effiziente Erzeugung des Kerns eingesetzt werden. Zum anderen kann bei diesem Konzept der Strahl mit der niedrigeren Strahlgüte zur Vorbereitung des Verschmelzens mit dem Strahl hoher Strahlgüte und/oder zur Beeinflussung des Abkühlverhaltens nach dem Verschmelzen eingesetzt werden. Ferner wurde erkannt, dass mit einer Transportfaser Strahlen mit unterschiedlichen
Strahlgüten flexibel zu einer (gemeinsamen) Scanneroptik geführt werden können.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 beispielhafte Ausführungsformen von Bestrahlungssystemen zur Bereitstellung von zwei Laserstrahlen mit unterschied- liehen Strahlgüten für generative Fertigungsvorrichtungen erläutert. Beispielhaft wird dabei in Fig. 1 eine sich abwechselnde Bestrahlung und in Fig. 2 eine gleichzeitige Bestrahlung mit den Laserstrahlen angedeutet. Bezugnehmend auf Fig. 3 werden im Anschluss beispielhafte Abläufe der generativen Fertigung beschrieben. Eine generative Fertigungsvorrichtung 1 weist ein Bestrahlungssystem 3 und einen Fertigungsraum 5 auf. Üblicherweise befindet sich der Fertigungsraum 5 in einer mit inertem Gas gefluteten Kammer. Der Fertigungsraum 5 weist ein mit, beispielsweise metallischem oder keramischem, Pulver 7 gefülltes Pulverbett 9 auf. Das Bestrahlungssystem 3 ist zur Erzeugung von Laserlicht, welches das Pulver 7 zu Materialschichten eines Werkstücks 11 verschmilzt, ausgebildet.
Zur Erzeugung des Laserlichts weist das Bestrahlungssystem 3 eine erste Strahlquelle 13 und eine zweite Strahlquelle 15 auf. In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist die erste Strahlquel- le 13 ein Pumplaser (beispielsweise ein Diodenlaser). Die zweite Strahlquelle 15 ist ein Laserresonator (beispielsweise ein Faserlaser oder ein Scheibenlaser), dessen Lasermedium mit der ersten Strahlquelle 13 gepumpt wird.
Die erste Strahlquelle 13 erzeugt einen ersten Laserstrahl 13A, dem ein erster Strahlengang 13A' zugeordnet ist. Die zweite Strahlquelle 15 erzeugt einen zweiten Laserstrahl 15A, dem ein zweiter Strahlengang 15A' zugeordnet ist. Der erste Strahlengang 13A' und der zweite Strahlengang 15A' werden durch ein Strahlführungssystem bereitgestellt, welches beispielsweise eine oder mehrere Transportfasern, Spiegel und Linsen (nicht gezeigt) zur Ausbildung der Strahlengänge umfasst.
Zum Pumpen des Lasermediums der zweiten Strahlquelle 15 wird der oder ein Teil des ersten Laserstrahls 13A in den Laserresonator eingekoppelt, so dass entsprechend aus dem Laserresonator der zweite Laserstrahl 15A ausgekoppelt werden kann. Beispiele für Pumplaserparameter sind Wellenlängen im Bereich von z.B. 900 nm bis 1000 nm bei Pumpdiodenlasern mit einer Strahlqualität von z.B. 8 und einem Strahlparameterprodukt im Bereich von z.B. 30 mm mrad bis 50 mm mrad. Beispiele für Parameter des Laserresonators sind Wellenlängen im Bereich von z.B. 1030 nm für Faserlaser und Wellenlängen im Bereich von z.B. 1064 nm für DiskLaser bei Strahlparameterprodukten im Bereich von z.B. 4 mm mrad bis 25 mm mrad. Ferner können die Laser als CW-Laser oder gepulste Laser für bestimmte Geometriebereiche, insbesondere Überhänge oder Bereiche mit erhöhter Oberflächenqualität ausgebildet sein. Allgemein ist die Strahlqualität des zweiten Laserstrahls 15A (Resonatorlaserstrahl) höher als die des ersten Laserstrahls (Pumplaserstrahl). Entsprechend lässt sich ersterer auf einen kleineren Fokusbereich fokussieren. In den Figuren sind der erste Laserstrahl zur Verdeutlichung durch eine Doppellinie und der zweite Laserstrahl durch eine schmale gestrichelte Linie dargestellt.
Ferner weist das Bestrahlungssystem 3 als Teil des Strahlführungssystems eine Strahlweiche 17 auf. Die Strahlweiche 17 ist im Strahlengang zwischen der ersten Strahlquelle 13 und der zweiten Strahlquelle 15 angeordnet und erlaubt es, den ersten Laserstrahl 13A, teilweise oder ganz, dem Laserresonator (entlang eines Pumpstrahlengangs 13B') oder dem ersten Strahlengang 13A' zuzuführen. Im Folgenden wird der erste Laserstrahl 13A als der Anteil der Strahlung der ersten Strahlquelle 13 angesehen, der sich entlang des ersten Strahlengangs 13A' ausbreitet, wobei bei gleichzeitiger Bestrahlung mit dem ersten und dem zweiten Laserstrahl ein gewisser Pumpanteil der Strahlung der ersten Strahlquelle 13 der zweiten Strahlquelle 15 zugeführt wird.
Die Konfiguration des Strahlführungssystems erlaubt es, dass zumindest ein Teil der Strah- lung der ersten Strahlquelle 13 (d.h. der erste Laserstrahl 13A) separat vom Pumpanteil zur generativen Fertigung verwendet werden kann. Die Strahlweiche 17 kann beispielsweise ein diskretes Umschalten zwischen dem ersten Strahlengang 13A' und dem Pumpstrahlengang 13B' erlauben. Alternativ oder zusätzlich kann ein graduelles oder schrittweises Verteilen der Strahlung der ersten Strahlquelle 13 auf den ersten Strahlengang 13A' und den Pumpstrahlen- gang 13B' - als Beispiel einer einstellbaren Strahlweiche 17 - vorgenommen werden. Beispiele für Strahlweichen umfassen verschiedene teildurchlässige Spiegel mit unterschiedlichem Transmissions-/Reflektionsverhältnis, die in den Strahlengang geschaltet werden können sowie drehbare, teildurchlässig beschichtete Scheibe mit graduell am Umfang variierendem Teilungsverhältnis oder optische Modulatoren wie z.B. Bragg- oder Pockels-Zellen.
Ferner weist das Bestrahlungssystem 3 einen Strahlenkombinierer 19 und eine Scanneroptik 21 auf. Der Strahlenkombinierer 19 überlagert den ersten Strahlengang 13A' des ersten Laserstrahls 13A mit dem zweiten Strahlengang 15A' des zweiten Laserstrahls 15A. Die Überlagerung erfolgt zum Beispiel auf einem überlagerten Strahlengang 21 ' der Scanneroptik 21. Bei- spiele für Strahlenkombinierer umfassen dichroitische Spiegel, die die Wellenlänge des einen Lasers transmittiert und die Wellenlänge des anderen Lasers reflektieren sowie Beugungsgitter. Entsprechend kann die Scanneroptik 21 den ersten Laserstrahl 13A und/oder den zweiten Laserstrahl 15A entlang eines einstellbaren Scanweges 23 über das Pulver 7 im Pulverbett 9 führen. In Fig. 1 ist zur Erläuterung der - beispielsweise als diskrete Strahlweiche ausgebildeten - Strahlweiche 17 eine Ablenkung des ersten Laserstrahls 13A auf einen (Kern-) Ab schnitt 25 des Werkstücks 11 gerichtet. Der Abschnitt 25 entspricht einem Geometriebereich des Werkstücks 11, welcher beispielsweise in einer Hülle-Kern-Strategie dem Kern (beispielsweise einem Kernbereich 25 A) zugeordnet ist. Ferner ist in Fig. 1 eine Ablenkung des zweiten La- serstrahls 15A auf einen (Hüllen-)Abschnitt 27 des Werkstücks 11 gezeigt. Der Abschnitt 27 entspricht beispielsweise in einer Hülle-Kern-Strategie einem Geometriebereich, der der Hülle (beispielsweise einem Hüllenbereich 27A) zugeordnet ist. Bei einer diskreten Strahlweiche erfolgt das Verschmelzen des Kernbereichs 25A und des Hüllenbereichs 27A abschnittsweise sequenziell.
Das Bestrahlungssystem 3 weist ferner eine Überwachungsvorrichtung 29, zum Beispiel eine Infrarotkamera, auf. Die Überwachungsvorrichtung 29 detektiert Informationen über den Wechselwirkungsbereich der Laserstrahlen mit dem Pulver 7. Beispielsweise erfasst die Überwachungsvorrichtung 29 einen räumlichen und/oder zeitlichen Temperaturverlauf oder einen Temperaturwert im Fokusbereich der Scanneroptik 21, d.h. im Fokus der Laserstrahlen auf dem Pulverbett.
Ferner weist das Bestrahlungssystem 3 eine Steuerungsvorrichtung 31 auf. Die Steuerungsvorrichtung 31 ist zur Steuerung des Bestrahlungs Vorgangs, insbesondere zur Einstellung der Bestrahlung wie der Einstellung der zugehörigen Energiebeiträge durch den ersten Laserstrahl 13A und den zweiten Laserstrahl 15A, ausgebildet. Beispielsweise ist die Steuerungsvorrichtung 31 über Steuerungsverbindungen 31A mit der ersten Strahlquelle 13, der zweiten Strahlquelle 15, der Strahlweiche 17, dem Strahlenkombinierer 19, der Scanneroptik 21 und/oder der Überwachungsvorrichtung 29 verbunden.
Über die Steuerungsverbindungen 31A kann die Steuerungsvorrichtung 31 Betriebsparameter und/oder Messinformationen empfangen, diese entsprechend verarbeiten und daraus abgeleitete Steuerungsbefehle über die Steuerungs Verbindungen 31A an entsprechende Komponenten abgeben. Allgemein erfolgt eine Zuordnung des jeweilig zu verwendenden Laserstrahls über einen Prozess, wie er beispielsweise in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben wird und in eine Prozesssoftware zur Bauteilfertigung vorgesehen werden kann.
In einer beispielhaft in Fig. 1 angedeuteten Ausführungsform kann die erste Strahlquelle 13 mehrere Diodenlaseremheiten 33 aufweisen. Entsprechend kann die Strahlweiche 17 auf einen kombinierten Laserstrahl, der Beiträge aller Diodenlaseremheiten 33 aufweist, einwirken. Alternativ oder in Ergänzung kann die Strahlweiche 17 auf eine einzelne Strahlkomponente einer einzelnen Diodenlasereinheit oder einer Untergruppe von Diodenlaseremheiten einwirken. Im letzteren Fall kann beispielsweise eine Anzahl von Diodenlaseremheiten 33 als erste Un- tergruppe von Diodenlaseremheiten 33 vorgesehen und zum Pumpen des Lasermediums der zweiten Strahlquelle 15 eingesetzt werden. Eine zweite Untergruppe von Diodenlaseremheiten 33 A kann primär zur Erzeugung des ersten Laserstrahls 13A vorgesehen werden. Entsprechend können Diodenlaseremheiten nur zur Einkopplung von Laserlicht in den ersten Strahlengang 13A' (in Fig. 1 beispielsweise Diodenlasereinheit 33 A über Strahlengang 33 A') vor- gesehen werden.
In einigen Ausführungsformen kann die entsprechende Ausgangsleistung der ersten Strahlquelle 13 durch Ansteuerung der individuellen Bestromung der Diodenlaseremheiten 33, beispielsweise kontinuierlich oder schrittweise einstellbar, modifiziert werden.
Fig. 2 verdeutlicht weitere Ausführungsformen der generativen Fertigungsvorrichtung 1, wobei soweit möglich zur Vereinfachung der Darstellung die Bezugszeichen der Fig. 1 beibehalten wurden. Gleichbezeichnete Komponenten sind im Wesentlichen als ähnliche Komponenten anzusehen. Allerdings können im Detail Unterschiede aufgrund (leicht) unterschiedlicher Funktionalität vorliegen.
Ein Unterschied der Ausführungsform gemäß Fig. 2 liegt in der Verwendung einer gemeinsamen Transportfaser 41 im Strahlführungssystem für den ersten Laserstrahl 13A und den zweiten Laserstrahl 15A. Die Transportfaser 41 kann einen Teil eines quasi-gemeinsamen Strah- lengangs bereitstellen. Entsprechend umfasst das Strahlführungssystem einen Strahlenkombi- nierer 43, der eine Einkopplung der verschiedenen Strahlen in die Transportfaser 41 ermöglicht. Beispielsweise werden der erste Laserstrahl 13A und der zweite Laserstrahl 15A, d.h. der ersten Strahlengang 13A' und der zweite Strahlengang 15A' zuerst übereinander gelegt und dann gemeinsam mit einer Fokussieroptik (nicht gezeigt) in die Transportfaser 41 eingekoppelt. Alternativ kann beispielsweise eine getrennte Einkopplung in die Transportfaser 41 erfolgen.
In einigen Ausführungsformen kann die Transportfaser 41 einen ersten Transportbereich mit kleiner Ausdehnung, beispielsweise im Bereich des Faserkerns, für den Transport des zweiten Laserstrahls 15A aufweisen. Der zweite Laserstrahl 15A hat aufgrund der Erzeugung in einem Laserresonator eine hohe Strahlgüte, kann im Vergleich zum Pumplaserstrahl entsprechend klein fokussiert werden und erlaubt somit ein Fokussieren und Einkoppeln in einen kleinen Faserkern-Bereich der Transportfaser 41. Nach dem Austreten aus der Transportfaser 41 di- vergiert der zweite Laserstrahl 15A entsprechend stark, behält aber seine hohe Strahlgüte bei, so dass mit der Scanneroptik 21 eine Fokussierung auf einen kleinen Fokusbereich erfolgen kann, der einen Durchmesser von bevorzugt weniger als 200 μιη, insbesondere einige 10 μιη aufweist. Dieser liegt beispielsweise im Zentrum einer in Fig. 2 angedeuteten Wechselwirkungszone 45, die einen Durchmesser im Bereich von 100 μιη bis 5 mm, aber zumindest grö- ßer als der Durchmesser des Fokusbereichs, insbesondere 0,3 mm bis 1 mm, aufweist.
Der erste Laserstrahl 13A der ersten Strahlquelle 13 weist eine geringere Strahlgüte auf, so dass er in einen größeren räumlichen Bereich der Transportfaser 41, beispielsweise in einen den Faserkern umgebenden Ringkern oder Faserhülle, eingekoppelt werden kann. Entspre- chend ist die Divergenz des aus der Faser austretenden Strahls geringer und die Größe des Fokus für den ersten Laserstrahl 13A in der Wechselwirkungszone 45 entsprechend größer.
Je nach Einkopplungsmethode kann die Transportfaser 41 die Bereiche für den ersten Laserstrahl 13A und zweiten Laserstrahl 15A durch Zwischencladding-Strukturen separieren oder ineinander übergehen lassen. Beispielhafte Transportfasern sind in der eingangs erwähnten deutschen Patentanmeldung DE 10 2010 003 750 AI offenbart. Die Verwendung von
Zwischencladding-freien Transportfasern kann die Einkopplung des ersten Laserstrahls erleichtern. Alternativ zu einem Faserkern und Ringkern können auch Faserbündelstrukturen verwendet werden. So könnte ein Faserkoppler, wie er in DE 10 2012 209 628 AI beschrieben wird, als Strahlkombinierer 43 verwendet werden, wobei zumindest ein Faserkern der Faserbündelstrukturen eine kleine Ausdehnung aufweist, um den zweiten Laserstrahl 15A nach
Einkopplung zu transportieren, ohne dass seine hohe Strahlgüte wesentlich verringert wird. Mehrere weitere Fasern der Faserbündelstrukturen weisen eine größere Ausdehnung auf und sind damit geeignet, den ersten Laserstrahl 13A' einzukoppeln. Diese weiteren Fasern können insbesondere ringförmig um den zumindest einen - den zweiten Laserstrahl 15A transportierenden - Faserkern mit kleiner Ausdehnung angeordnet sein.
Bevorzugt umfasst die Strahlweiche 17 eine Kombination mehrerer diskreter Strahlweichen und/oder Strahlweichen zum graduellen oder schrittweisen Verteilen des ersten Laserstrahls 13A, so dass dieser in einige oder alle der Faserkerne mit größerem Querschnitt, insbesondere mit vorbestimmter Energieverteilung, einkoppelbar ist. Dadurch wird bei gleichmäßiger Einkopplung des ersten Laserstrahl 13A' in die Faserkerne mit größerer Ausdehnung ein Strahlprofil ähnlich zu dem der Transportfaser 41 erreicht. Durch unterschiedliche diskrete oder graduelle, bzw. schrittweise, Aufteilung der Energie auf die Faserkerne mit größerer Ausdehnung sind auch ungleichmäßig verteilte Strahlprofile möglich, die bspw. ein Bestrahlen des Pulverbettes ermöglichen, bei der das Pulver unterschiedlich stark vor- oder nachge- heizt wird.
Fig. 2 verdeutlicht ferner das Konzept der (gleichzeitigen) Verwendung von Laserstrahlen mit unterschiedlichen Strahlgüten bei der Erzeugung des Werkstücks 11. Hierzu ist in Fig. 2 ein Kernbereich 25A dargestellt, der nur durch Energieeintrag mit dem ersten Laserstrahl 13A erzeugt wurde. Allerdings kann der Energieeintrag durch den ersten Laserstrahl 13A soweit reduziert werden, dass über den großen Fokusbereich des ersten Laserstrahls 13A in der Wechselwirkungszone 45 kein Umschmelzen des Pulvers 7 mehr erfolgt. Durch zusätzliches insbesondere zeitgleiches Einstrahlen des zweiten Laserstrahls 15A kann in einem kleinen Bereich der Fokuszone des zweiten Laserstrahls 15A ein zusätzlicher Energieeintrag vorgenommen werden, der eine Ausbildung einer Feinstruktur im (Hüllen- Abschnitt 27 erlaubt.
Somit kann die Verwendung des hierin offenbarten Konzepts der Bereitstellung mehrerer Strahlen mit unterschiedlicher Güte es ermöglichen, durch die Flexibilität im Energieeintrag durch z.B. zwei Strahlen mit unterschiedlichen Strahlgüten die Formgebung von beispielsweise Hüllen- und Kernbereichen schnell und effizient umzusetzen. Ferner zeigt Fig. 2 eine weitere Strahlquelle 47, die entweder ergänzend zur ersten Strahlquelle 13 Laserlicht mit niedriger Strahlgüte bereitstellt, oder die als alleinige erste Strahlquelle für den ersten Laserstrahl 13A mit geringer Strahlgüte verwendet werden kann. Im letzteren Fall gehen der erste Laserstrahl 13A und der zweite Laserstrahl 15A auf separate Strahlquel- len zurück. Die zuvor beschriebene Verwendung eines Pumplasers der zweiten Strahlquelle 15 als erste Strahlquelle 13 weist im Vergleich dazu eine geringere Komplexität des Bestrahlungssystems 3 auf.
Fig. 3 zeigt ein Flussdiagramm zur Erläuterung unterschiedlicher Verfahren zum Einstellen einer räumlich angepassten Bestrahlung bei der generativen Fertigung von Werkstücken in einer laserbasierten generativen Fertigungsvorrichtung, wie sie beispielsweise in den Figuren 1 und 2 gezeigt wird.
Ausgangspunkt der generativen Fertigung ist eine Planungsphase 51. In dieser wird die Geo- metrie und Struktur des zu erzeugenden Werkstücks definiert. In einer sich anschließenden Konfigurationsphase 53 wird die Fertigungsvorrichtung entsprechend der benötigten Bestrahlung, z. B. Energieeinträge, Strahlposition, Scangeschwindigkeit etc., eingestellt. Die Konfigurationsphase 53 umfasst zum einen Schritte, die vor dem Beginn der Fertigung vorgenommen werden, und zum anderen Schritte, die kontinuierlich während des Fertigungsprozesses erfolgen können. Die Herstellung des Werkstücks erfolgt in einer Fertigungsphase 55, in der ein Scanvorgang 55 A mit entsprechend angestellten Bestrahlungsparametern wie eingestellten Energieeinträgen und Positionen durchgeführt wird.
Die Planungsphase 51 umfasst beispielsweise das Definieren der Geometrie des Werkstücks, insbesondere das Definieren von Geometriebereichen wie Hüllenbereichen und Kernbereichen. In der Planungsphase 51 werden ferner der Scanvorgang definiert, insbesondere durch Festlegen von beispielsweise der Scangeschwindigkeit, der Fokusgröße und den jeweils zugrunde zu legenden Strahlarten (Definitionsschritt 51A), und die entsprechenden Energieeinträge den Strahlarten zugeordnet (Zuordnungsschritt 51B). Die Planungsphase 51 kann weite- re Schritte umfassen, beispielsweise das prozessgünstige Anordnen von mehreren Werkstücken zur gleichzeitigen Erzeugung derselben in einer gemeinsamen Fertigungsphase 55.
Die Konfigurationsphase 53 umfasst beispielsweise das Bereitstellen eines ersten Laserstrahls und eines zweiten Laserstrahls (Bereitstellschritt 53A). Dabei weist der zweite Laserstrahl für eine Feinbestrahlung des Pulverbetts eine Strahlgüte auf, die höher ist als die des ersten Laserstrahls. Ferner umfasst die Konfigurationsphase 53 das Einstellen der Energieeinträge durch den ersten Laserstrahl und den zweiten Laserstrahl in einem überlagerten Strahlengang (Energieeintrageinstellschritt 53B). Ferner kann die Konfigurationsphase das Einstellen einer Auskopplung eines Teils eines Pumplaserstrahls vor Eintritt in den Laserresonator umfassen (Auskopplungseinstellschritt 53C). Allgemein kann die Konfigurationsphase 53 ein abwechselndes oder gleichzeitiges Einkoppeln der Laserstrahlen in einen überlagerten Strahlengang der Scanneroptik aufweisen. Ferner kann der Bereitstellschritt 53A der Konfigurationsphase 53 ein Einkoppeln des ersten Laserstrahls und/oder des zweiten Laserstrahls in eine Transport- faser umfassen.
In einem Überwachungsschritt 57 kann die Fertigungsphase 55 überwacht werden, wobei ergänzende Informationen gewonnen und in die Konfigurationsphase 53 eingebracht werden können.
In einigen Ausführungsformen wird ein Dioden-Direkt-Laser oder ein Dioden-Direkt-Laser in Kombination mit einem Faserlaser genutzt. Die zugehörigen Laserstrahlen werden durch eine schnelle Strahlweiche in die Scanneroptik eingekoppelt, um verschiedene Geometriebereiche mit unterschiedlichen Laserstrahlen nacheinander oder auch gleichzeitig zu belichten. Übli- cherweise können hierfür bereits vorhandene Geometriezerlegung in verschiedene Teilbereiche (Hülle/ Kern/ Übergangsbereiche) vorgenommen werden, um diese Bereiche dem jeweiligen Laser zuzuteilen. Somit können in einer Herstellungslage für unterschiedlich filigrane Strukturen und Konturbereiche Laserstrahlen mit einer hohen Strahlqualität und für Flächenbelichtungen Laserstrahlen mit einer merklich schlechteren Strahlqualität, bei einem aller- dings höheren elektrisch-optischen Wirkungsgrad, eingesetzt werden.
Wie hierin beschrieben kann eine Ansteuerung zweier Laser mittels einer Prozesssteuerung erfolgen, in der die Geometrieinformation der unterschiedlichen Teilbereiche (Hülle/Kern bzw. filigrane/ Flächenbelichtung) separiert vorliegen und welche diese den Lasern entspre- chend zuteilt. So erfolgen in der Steuerung die Schaltung der Strahlweiche und damit die AnSteuerung des Strahlengangs, um je nach Teilbereich den jeweilig benötigten Laser auf eine Scanneroptik zu schalten. Beispielsweise wird die Laserleistung über eine Kollimation in den Scanner geführt, um dort über eine Optik auf das Pulverbett/ein aufzubauendes Bauteil projiziert zu werden. Allgemein kann das Strahlführungssystem Strahlformungs- und Strahlführungselemente wie Spiegel und Linsen aufweisen. Weitere Komponenten von generativen Fertigungsvorrichtungen umfassen z.B. Pulverbereitstellungskomponenten und Gasführungssysteme etc..
Robusten Produktionsmaschinen für die generative Serienfertigung von Metall- oder
Keramikteilen können beispielsweise in den Einsatzgebieten der Medizin- und Zahntechnik (z.B. zur Herstellung passgenauer Implantate), der Luftfahrtindustrie (z.B. zur Herstellung von Turbinenschaufeln) in der Automobilbranche (z.B. zur Herstellung von Motorenträgern) An- wendung finden.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.

Claims

Patentansprüche
1. Bestrahlungssystem (3) für eine Vorrichtung (1) zur laserbasierten generativen Fertigung mit
einer ersten Strahlquelle (13) eines ersten Laserstrahls (13A) und einer zweiten Strahlquelle (15) eines zweiten Laserstrahls (15A), wobei der zweite Laserstrahl (15A) eine Strahlgüte aufweist, die höher ist als die des ersten Laserstrahls (13A),
einer gemeinsamen Scanneroptik (21) zur Fokussierung des ersten Laserstrahls (13A) und des zweiten Laserstrahls (13B) innerhalb eines Fertigungsraums (5) der Vorrichtung (1) und
einem Strahlführungssystem mit einem ersten Strahlengang (13Α') zur Führung des ersten Laserstrahls (13A) von der ersten Strahlquelle (13) zur Scanneroptik (21) und mit einem zweiten Strahlengang (15Α') zur Führung des zweiten Laserstrahls (15A) von der zweiten Strahlquelle (15) zur Scanneroptik (21), wobei das Strahlführungssystem einen Strahlen- kombinierer (19) zur Überlagerung der Strahlengänge des ersten Strahlengangs (13Α') und des zweiten Strahlengangs (15Α') aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Strahlquelle (13) als Pumplaser ausgebildet ist, die zweite Strahlquelle (15) als ein mit dem Pumplaser gepumpter Laserresonator ausgebildet ist und das Strahlführungssystem ferner eine Strahlweiche (17) aufweist, die zwischen Pumplaser und Laserresonator angeordnet und dazu ausgebildet ist, den ersten Laserstrahl (13A) einem sich zwischen
Strahlweiche (17) und Laserresonator erstreckenden Pumplaserstrahlengang (13Β') und/oder dem ersten Strahlengang (13Α') zuzuführen.
2. Bestrahlungssystem (3) für eine Vorrichtung (1) zur laserbasierten generativen Ferti- gung mit
einer ersten Strahlquelle (13) eines ersten Laserstrahls (13A) und einer zweiten Strahlquelle (15) eines zweiten Laserstrahls (15A), wobei der zweite Laserstrahl (15A) eine Strahlgüte aufweist, die höher ist als die des ersten Laserstrahls (13A),
einer gemeinsamen Scanneroptik (21) zur Fokussierung des ersten Laserstrahls (13A) und des zweiten Laserstrahls (13B) innerhalb eines Fertigungsraums (5) der Vorrichtung (1) und
einem Strahlführungssystem mit einem ersten Strahlengang (13Α') zur Führung des ersten Laserstrahls (13A) von der ersten Strahlquelle (13) zur Scanneroptik (21) und mit einem zweiten Strahlengang (15Α') zur Führung des zweiten Laserstrahls (15A) von der zwei- ten Strahlquelle (15) zur Scanneroptik (21), wobei das Strahlführungssystem einen Strahlen- kombinierer (19) zur Überlagerung der Strahlengänge des ersten Strahlengangs (13Α') und des zweiten Strahlengangs (15Α') aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
das Strahlführungssystem ferner eine Transportfaser (41) aufweist, welche insbesonde- re einen zur Führung eines Strahls mit hoher Strahlqualität vorgesehenen Zentralbereich und einen zur Führung eines Strahls mit niedriger Strahlqualität vorgesehenen, den Zentralbereich umgebenden Mantelbereich aufweist, wobei beispielsweise mit dem Strahlenkombinierer (19) der erste Laserstrahl (13A) in den Zentralbereich der Transportfaser (41) einkoppelbar ist und der zweite Laserstrahls (15A) in einen den Zentralbereich umgebenden Bereich einkoppelbar ist, so dass beim Austreten des Laserlichts aus der Transportfaser (41) ein auf den ersten Laserstrahl (13A) zurückgehender Strahl oder Strahlanteil eine Strahlgüte aufweist, die niedriger ist als die eines auf den zweiten Laserstrahl (15A) zurückgehenden Strahls oder Strahlanteils und/oder
wobei das Strahlführungssystem ferner eine Faserbündelstruktur aufweist, welche ins- besondere mindestens einen zur Führung eines Strahls mit hoher Strahlqualität vorgesehenen Faserkern mit einer kleinen und weitere zur Führung eines Strahls mit niedriger Strahlqualität vorgesehenen, Faserkerne mit einer größeren Ausdehnung aufweist, wobei beispielsweise mit dem Strahlenkombinierer (19) der erste Laserstrahl (13A) in den mindestens einen Faserkern mit einer kleinen Ausdehnung einkoppelbar ist und der zweite Laserstrahls (15A) in die weite- ren Faserkerne mit der größeren Ausdehnung einkoppelbar ist, so dass beim Austreten des Laserlichts aus der Transportfaser (41) ein auf den ersten Laserstrahl (13A) zurückgehender Strahl oder Strahlanteil eine Strahlgüte aufweist, die niedriger ist als die eines auf den zweiten Laserstrahl (15A) zurückgehenden Strahls oder Strahlanteils.
3. Bestrahlungssystem (3) nach Anspruch 1, wobei
das Strahlführungssystem ferner eine Transportfaser (41) aufweist, welche insbesondere einen zur Führung eines Strahls mit hoher Strahlqualität vorgesehenen Zentralbereich und einen zur Führung eines Strahls mit niedriger Strahlqualität vorgesehenen, den Zentralbereich umgebenden Mantelbereich aufweist, wobei beispielsweise mit dem Strahlenkombinierer (19) der erste Laserstrahl (13A) in den Zentralbereich der Transportfaser (41) einkoppelbar ist und der zweite Laserstrahls (15A) in einen den Zentralbereich umgebenden Bereich einkoppelbar ist, so dass beim Austreten des Laserlichts aus der Transportfaser (41) ein auf den ersten Laserstrahl (13A) zurückgehender Strahl oder Strahlanteil eine Strahlgüte aufweist, die niedriger ist als die eines auf den zweiten Laserstrahl (15A) zurückgehenden Strahls oder Strahlanteils und/oder
wobei das Strahlführungssystem ferner eine Faserbündelstruktur aufweist, welche insbesondere mindestens einen zur Führung eines Strahls mit hoher Strahlqualität vorgesehenen Faserkern mit einer kleinen und weitere zur Führung eines Strahls mit niedriger Strahlqualität vorgesehenen, Faserkerne mit einer größeren Ausdehnung aufweist, wobei beispielsweise mit dem Strahlenkombinierer (19) der erste Laserstrahl (13A) in den mindestens einen Faserkern mit einer kleinen Ausdehnung einkoppelbar ist und der zweite Laserstrahls (15A) in die weiteren Faserkerne mit der größeren Ausdehnung einkoppelbar ist, so dass beim Austreten des Laserlichts aus der Transportfaser (41) ein auf den ersten Laserstrahl (13A) zurückgehender Strahl oder Strahlanteil eine Strahlgüte aufweist, die niedriger ist als die eines auf den zweiten Laserstrahl (15A) zurückgehenden Strahls oder Strahlanteils.
4. Bestrahlungssystem (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strah- lenkombinierer (19) optisch zwischen der ersten Strahlquelle (13), insbesondere zwischen der
Strahlweiche (17), und der Scanneroptik (21) sowie zwischen der zweiten Strahlquelle (15) und der Scanneroptik (21) angeordnet und dazu ausgebildet ist, den ersten Strahlengang (13Α') und den zweiten Strahlengang (15Α') zur Einkopplung in einen gemeinsamen Strahlengang (21 ') der Scanneroptik (21) zu überlagern, wobei der Strahlenkombinierer (19) insbe- sondere strahlaufwärts der Transportfaser (41) angeordnet ist, und/oder
wobei der Strahlenkombinierer (19) als dichroitischer Spiegel ausgebildet ist und/oder die Transportfaser (41) aufweist.
5. Bestrahlungssystem (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit
einer Überwachungsvorrichtung (29) zur Überwachung eines Energieeintrags mit dem ersten Laserstrahl (13A) und/oder eines Energieeintrags mit dem zweiten Laserstrahl (15A), die insbesondere zur Überwachung einer Temperaturverteilung in einem Pulverbett (9) der Vorrichtung (1) bzw. in einem zumindest teilweise erzeugten Werkstück (11), beispielsweise als Infrarotkamera, ausgebildet ist.
6. Bestrahlungssystem (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit
einer Steuerungsvorrichtung (31) zum Einstellen von Energieeinträgen basierend auf dem ersten Laserstrahl (13A) und/oder auf dem zweiten Laserstrahl (15A), wobei die Steuerungsvorrichtung (31) insbesondere zur Ansteuerung der ersten Strahlquelle (13), insbesonde- re zum Einstellen der Ausgangsleistung der ersten Strahlquelle (13), und/oder zur Ansteue- rung der Strahlweiche (17), insbesondere zum Einstellen der Größe des dem ersten Strahlengang (13Α') zugeführten Anteils des ersten Laserstrahls (13A), ausgebildet ist, und/oder
wobei die erste Strahlquelle (13) eine Mehrzahl von Diodenlasereinheiten (33) aufweist, die insbesondere selektiv in ihrer Ausgangsleistung einstellbar sind und/oder deren Ausgangslicht selektiv dem Strahlführungssystem zuführbar ist.
7. Bestrahlungssystem (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Strahlquelle (13) einen Diodenlaser aufweist und die zweite Strahlquelle (15) einen Faserlaser und/oder einen Scheibenlaser aufweist und/oder
wobei die erste Strahlquelle (13) zur Erzeugung eines ersten Laserstrahls (13A) mit einem Strahlparameterprodukt im Bereich von 30 mm mrad bis 50 mm mrad und die zweite Strahlquelle (15) zur Erzeugung eines zweiten Laserstrahls (15 A) mit einem Strahlparameterprodukt im Bereich von 4 mm mrad bis 25 mm mrad ausgebildet sind.
8. Bestrahlungssystem (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlweiche (17) einen schaltbaren Umlenkspiegel für den ersten Laserstrahl (13A) oder mehrere schaltbare teildurchlässige Umlenkspiegel mit unterschiedlichen Teilungsverhältnissen für Teilstrahlen des ersten Laserstrahls (13A) aufweist.
9. Fertigungsvorrichtung (1) zur generativen Fertigung eines Werkstücks (11) mit
einem Fertigungsraum (5),
einem im Fertigungsraum (5) angeordneten Pulverbett (9) und
einem Bestrahlungssystem (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Fokussieren von Laserstrahlung im Pulverbett (9).
10. Verfahren zum Einstellen einer räumlich angepassten Bestrahlung zur generativen Fertigung eines Werkstücks (11) in einer laserbasierten generativen Fertigungsvorrichtung (1) mit einer Scanneroptik (21) und einem, insbesondere metallisches, Pulver (7) bereitstellenden Pulverbett (9), mit den Schritten:
Bereitstellen (Schritt 53A) eines ersten Laserstrahls (13A) und eines zweiten Laserstrahls (15A), wobei der zweite Laserstrahl (15A) für eine Feinbestrahlung des Pulverbetts (9) eine Strahlgüte aufweist, die höher ist als die des ersten Laserstrahls (13A), Einstellen (Schritt 53B) der Energieeinträge des ersten Laserstrahls (13A) und des zweiten Laserstrahls (15A) in einen überlagerten Strahlengang (21 ') in der Scanneroptik (21) und
Scannen (Schritt 55 A) des ersten Laserstrahls (13A) und des zweiten Laserstrahls (15A) über das Pulverbett (9) bei abwechselnder oder gleichzeitiger Bestrahlung des Pulverbetts (9) mit dem ersten Laserstrahl (13A) und dem zweiten Laserstrahl (15A),
wobei die laserbasierte generative Fertigungsvorrichtung (1) ferner ein einen
Diodenpumplaser (13), einen Laserresonator (15) und eine Scanneroptik (21) umfassendes Bestrahlungssystem (3) aufweist, und wobei
der Schritt des Bereitstellens (Schritt 53A) ein Pumpen des Laserresonators (15) mit einem Pumplaserstrahl des Diodenpumplasers (13) zur Erzeugung des zweiten Laserstrahls (15A) für die Feinbestrahlung aufweist und/oder
der Schritt des Einstellens (Schritt 53B) ein Auskoppeln eines Teils des Pumplaserstrahls vor Eintritt in den Laserresonator (15) zum Bereitstellen des ersten Laserstrahls (13A) und/oder ein abwechselndes oder gleichzeitiges Einkoppeln des ersten Laserstrahls (13A) und des zweiten Laserstrahls (15A) in einen überlagerten Strahlengang (21 ') der Scanneroptik (21) umfasst.
11. Verfahren zum Einstellen einer räumlich angepassten Bestrahlung zur generativen Fer- tigung eines Werkstücks (11) in einer laserbasierten generativen Fertigungsvorrichtung (1) mit einer Scanneroptik (21) und einem, insbesondere metallisches, Pulver (7) bereitstellenden Pulverbett (9), mit den Schritten:
Bereitstellen (Schritt 53A) eines ersten Laserstrahls (13A) und eines zweiten Laserstrahls (15A), wobei der zweite Laserstrahl (15A) für eine Feinbestrahlung des Pulverbetts (9) eine Strahlgüte aufweist, die höher ist als die des ersten Laserstrahls (13A),
Einstellen (Schritt 53B) der Energieeinträge des ersten Laserstrahls (13A) und des zweiten Laserstrahls (15A) in einen überlagerten Strahlengang (21 ') in der Scanneroptik (21) und
Scannen (Schritt 55 A) des ersten Laserstrahls (13A) und des zweiten Laserstrahls (15A) über das Pulverbett (9) bei abwechselnder oder gleichzeitiger Bestrahlung des Pulverbetts (9) mit dem ersten Laserstrahl (13A) und dem zweiten Laserstrahl (15A),
wobei der Schritt des Bereitstellens (53A) ferner ein Einkoppeln des ersten Laserstrahls (13A) und des zweiten Laserstrahls (15A) in eine Transportfaser (41) umfasst, wobei beispielsweise der zweite Laserstrahl (15A) in einen Zentralbereich der Transportfaser (41) eingekoppelt wird und ein dem ersten Strahlengang (13Α') zugeführter Anteil des Pumplaserstrahls in einen Mantelbereich der Transportfaser (41) eingekoppelt wird, so dass beim Austreten des Laserlichts aus der Transportfaser (41) ein auf den zweiten Laserstrahl (15A) zurückgehender Strahl/Strahlanteil eine Strahlgüte aufweist, die höher ist als die eines auf den ersten Laserstrahl (13A) zurückgehenden Strahls/Strahlanteils.
12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei
der Schritt des Bereitstellens (53A) ferner ein Einkoppeln des ersten Laserstrahls (13A) und des zweiten Laserstrahls (15A) in eine Transportfaser (41) umfasst, wobei bei- spielsweise der zweite Laserstrahl (15A) in einen Zentralbereich der Transportfaser (41) eingekoppelt wird und ein dem ersten Strahlengang (13Α') zugeführter Anteil des Pumplaserstrahls in einen Mantelbereich der Transportfaser (41) eingekoppelt wird, so dass beim Austreten des Laserlichts aus der Transportfaser (41) ein auf den zweiten Laserstrahl (15A) zurückgehender Strahl/Strahlanteil eine Strahlgüte aufweist, die höher ist als die eines auf den ersten Laserstrahl (13A) zurückgehenden Strahls/Strahlanteils.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, ferner mit den Schritten:
Definieren (Schritt 51A) von Geometriebereichen des zu erzeugenden Werkstücks
(11), insbesondere von einem oder mehreren Hüllenbereichen (27 A) und einem oder mehreren Kernbereichen (25 A) und
Zuordnen (Schritt 51B) von Energieeinträgen, die jeweils durch den ersten Laserstrahl (13A) und durch den zweiten Laserstrahl (15A) für einen Geometriebereich zu bewirken sind, wobei die Energieeinträge insbesondere in Abhängigkeit von der Art des Pulvers, der Scangeschwindigkeit und des Geometriebereichs bestimmt werden, und wobei
das Einstellen der Energiebeiträge (Schritt 53B) des ersten Laserstrahls (13A) und/oder des zweiten Laserstrahls (15A), insbesondere der Pumpleistung des Diodenpumplasers und/oder der Größe des dem ersten Strahlengang (13Α') zugeführten Anteils des Pumplaser- strahls, zur Bestrahlung des Pulverbetts (9) gemäß der zugeordneten Energieeinträge vorgenommen wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, ferner mit den Schritten:
Überwachen (Schritt 57) einer Wechselwirkungszone (45) hinsichtlich der vorgenommenen Energieeinträge durch den ersten Laserstrahl (13A) und/oder den zweiten Laserstrahl (15A), beispielsweise durch Messen einer räumlichen Temperaturverteilung, und Einstellen der Energien des ersten Laserstrahls (13A) und/oder des zweiten Laserstrahls (15A), insbesondere der Pumpleistung des Diodenpumplasers und/oder der Größe des dem ersten Strahlengang (13Α') zugefuhrten Anteils des Pumplaserstrahls, zur Anpassung der vorgenommenen Energieeinträge an die definierten Energieeinträge in Abhängigkeit von der Überwachung.
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