EP4185428A1 - Fertigungseinrichtung und verfahren zum additiven herstellen eines bauteils aus einem pulvermaterial, sowie verfahren zum erzeugen eines bestimmten intensitätsprofils eines energiestrahls - Google Patents

Fertigungseinrichtung und verfahren zum additiven herstellen eines bauteils aus einem pulvermaterial, sowie verfahren zum erzeugen eines bestimmten intensitätsprofils eines energiestrahls

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EP4185428A1
EP4185428A1 EP21754723.1A EP21754723A EP4185428A1 EP 4185428 A1 EP4185428 A1 EP 4185428A1 EP 21754723 A EP21754723 A EP 21754723A EP 4185428 A1 EP4185428 A1 EP 4185428A1
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EP
European Patent Office
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area
energy beam
energy
intensity profile
positions
Prior art date
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Pending
Application number
EP21754723.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Allenberg-Rabe
Valentin BLICKLE
Jonas Grünewald
Philipp Wagenblast
Wilhelm Meiners
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Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
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Publication date
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Priority claimed from DE102020131032.3A external-priority patent/DE102020131032A1/de
Application filed by Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH filed Critical Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a manufacturing device and a method for additively manufacturing a component from a powder material, and a method for generating a specific intensity profile of an energy beam.
  • an energy beam is typically displaced to predetermined irradiation positions within a work area—in particular along a predetermined irradiation path—in order to locally solidify powder material arranged in the work area.
  • this is repeated layer by layer in powder material layers arranged one after the other in the working area, in order finally to obtain a three-dimensional component made of solidified powder material.
  • the powder material For different production tasks, in particular for different components to be produced, but also for different areas within a component to be produced and even for different areas within the same powder material layer in the work area, it may be favorable to subject the powder material to different intensity profiles of the energy beam.
  • a suitable choice of the intensity profile can contribute to increasing productivity.
  • Generating suitable, adapted intensity profiles by means of conventional beam shaping, in particular by means of refractive or interferometric optical elements in an optical energy beam is often complex and cannot be used flexibly. In particular, it is difficult to switch between different intensity profiles during a single production process, especially within a layer of powder material.
  • conventional methods of beam shaping only allow the representation of a limited selection of intensity profiles and are therefore also limited in their applicability.
  • the invention is based on the object of creating a production device and a method for additively manufacturing components from a powder material and a method for generating a specific intensity profile of an energy beam, the disadvantages mentioned being at least reduced, preferably avoided.
  • the object is achieved in particular by creating a manufacturing device for the additive manufacturing of components from a powder material, which has a beam generating device that is set up to generate an energy beam.
  • the production device also has a scanner device that is set up to move the energy beam to a plurality of irradiation positions within a work area in order to use the energy beam to produce a component from the powder material arranged in the work area.
  • the manufacturing device has a deflection device that is set up to shift the energy beam at one irradiation position of the plurality of irradiation positions within a beam region to a plurality of beam positions.
  • the production device has a control device which is operatively connected to the deflection device and set up to control the deflection device and to create a specific intensity profile in the beam area in a first alternative by shifting the energy beam within the beam area and specifying at least one operating parameter of the deflection device to create.
  • the at least one operating parameter is selected from a group consisting of: a dwell time at a beam position, a beam position density distribution in the beam area, a frequency distribution of the beam positions, and an intensity influencing parameter for influencing the intensity of the energy beam deflected to the beam positions.
  • control device is operatively connected to the deflection device and set up to control the deflection device and to generate a specific intensity profile in the beam area by splitting the energy beam, in order to simultaneously shift the energy beam to at least two beam positions, with the Distance of these two beam positions is variably adjustable in at least one direction.
  • a specific intensity profile can be specified and generated easily and quickly without requiring any special effort, in particular for the Intensity profile specific facilities required.
  • it is easy and quick to switch between different intensity profiles.
  • the production facility is thus very flexibly able to generate a suitable intensity profile adapted to the component to be produced in each case and/or areas of a component to be produced in each case. In particular, it therefore has high productivity.
  • the quality of the components produced with the production facility can be increased by selecting particularly suitable intensity profiles.
  • the manufacturing device Since there is no need for refractive or static interferometric optical elements that are specially adapted to the intensity profiles, the manufacturing device is designed cost-effectively despite its high flexibility in use, particularly in view of the fact that no different types of devices are required to generate different intensity profiles.
  • the production facility proposed here also allows, through suitable control of the scanner device on the one hand and the deflection device on the other hand, to switch between the most efficient and, in particular, also fast component production and a particularly high-quality production, in particular also with locally varying adjustment of the material properties for the component being produced, for example a higher one Hardness in the area of the component surface than in the interior of the component.
  • Additive or generative production of a component is understood in particular as meaning a layered construction of a component from powder material, in particular a powder bed-based method for producing a component in a powder bed, in particular a production method which is selected from a group consisting of selective laser sintering, Laser Metal Fusion (LMF), Direct Metal Laser Melting (DMLM), Laser Net Shaping Manufacturing (LNSM), and Laser Engineered Net Shaping (LENS).
  • LMF Laser Metal Fusion
  • DMLM Direct Metal Laser Melting
  • LNSM Laser Net Shaping Manufacturing
  • LENS Laser Engineered Net Shaping
  • An energy beam is generally understood to mean directed radiation that can transport energy. This can generally involve particle radiation or wave radiation.
  • the energy beam propagates through the physical space along a propagation direction and thereby transports energy along its propagation direction.
  • the energy beam is an optical working beam.
  • An optical working beam is to be understood in particular as directed electromagnetic radiation, continuous or pulsed, which is suitable in terms of its wavelength or a wavelength range for the additive or generative manufacturing of a component from powder material, in particular for sintering or melting the powder material.
  • an optical working beam means a laser beam that can be generated continuously or in a pulsed manner.
  • the optical working beam preferably has a wavelength or a wavelength range in the visible electromagnetic spectrum or in the infrared electromagnetic spectrum, or in the overlap region between the infrared range and the visible range of the electromagnetic spectrum.
  • a working area is understood to mean in particular an area, in particular a plane or surface, in which the powder material is arranged and which is locally impinged on by the energy beam in order to locally solidify the powder material.
  • the powder material is sequentially arranged in layers in the work area and is locally exposed to the energy beam in order to produce a component—layer by layer.
  • An irradiation position is understood to mean, in particular, a location within the work area at which energy is deposited locally by means of the energy beam in the work area, in particular in the powder material arranged there.
  • the scanner device is preferably set up to displace the energy beam within the working area along an irradiation path, the irradiation path consisting of a time sequence of irradiation positions swept over one after the other by the energy beam.
  • the individual irradiation positions can be arranged at a distance from one another, but they can also overlap one another.
  • the irradiation path can be a path continuously scanned with the energy beam.
  • a beam area is understood here in particular as an area at an irradiation position within which the specific intensity profile is generated.
  • the beam area has, in particular, a surface area that is larger than a cross section of the energy beam projected onto the work area.
  • the deflection device is thus set up in particular to shift the energy beam at a fixed irradiation position, in particular at each irradiation position, within the beam area and thus a specific one at the fixed irradiation position area - the beam area - within the work area to be exposed to the energy beam, which is larger than the projected onto the work area cross-section of the energy beam; in contrast, the scanner device is set up to shift the energy beam between the individual irradiation positions and thus in turn to enable the deflection device to scan a new beam area at a different location with the energy beam.
  • the deflection device is therefore used for local deflection of the energy beam at an irradiation position, while the scanner device is used for global displacement of the energy beam on the work area.
  • the scanner device and the deflection device thus differ in particular with regard to a length scale of the possible displacement, with the scanner device preferably being set up to sweep the entire work area with the energy beam, with the deflection device being set up to deflect the energy beam locally at a deflect predetermined irradiation position within the beam area, wherein the respective beam area is much smaller than the work area.
  • the beam area preferably has a length scale in the range from a few (i.e.
  • the scanner device on the one hand and the deflection device on the other hand preferably also differ with regard to the time scale on which the energy beam is deflected:
  • the deflection of the energy beam by the deflection device within the beam area preferably takes place on a shorter, in particular much shorter time scale than the deflection within the Working area by the scanner device, that is, as the change from one irradiation position to the next irradiation position.
  • a specific intensity profile can advantageously be generated quasi-statically at each irradiation position, which is predetermined by a momentary setting of the scanner device, by means of the deflection device by suitably shifting the energy beam within the beam area.
  • the time scale over which the energy beam can be deflected by the deflection means is by a factor of 10 to 1000, preferably 20 to 200, preferably from 40 to 100, or more, smaller than the time scale on which the energy beam is deflected by the scanner device.
  • the generated intensity profile is in particular also quasi-static with regard to the melting process in the powder material, the time scale for the deflection of the energy beam by the deflection device being significantly shorter than the characteristic interaction time of the energy beam with the powder material.
  • the dynamically generated intensity profile averaged over time, interacts with the powder material like a statically generated intensity profile.
  • An intensity profile is understood here in particular as a surface power density distribution on a surface to which the energy beam is applied, in particular swept.
  • the intensity profile thus includes, on the one hand, the local areal power density, in particular the intensity of the energy beam, and on the other hand the spatial distribution of the areal power density, in particular as parameters that can preferably be changed separately from one another.
  • the term “power” refers in particular to a power averaged over the time scale of the generation of a quasi-static intensity profile within a beam area at one of the irradiation positions.
  • the at least one operating parameter of the deflection device is in particular a displacement parameter or an intensity influencing parameter.
  • a displacement parameter is understood here to mean, in particular, a parameter that at least partly determines the displacement of the energy beam within the beam area.
  • the displacement parameter determines, for example, how long the energy beam remains at a specific beam position, how different beam positions within the beam area are arranged relative to one another, and how/or how often specific beam positions are controlled with the energy beam.
  • the following operating parameters are displacement parameters: the dwell time at a beam position, the beam position density distribution in the beam area, and the frequency distribution of the beam positions.
  • a dwell time at a beam position is in particular that time interval for which the energy beam dwells at a specific beam position within the beam area before it is shifted to a next beam position.
  • the residence time thus directly determines the energy deposited at the beam position.
  • the dwell time can preferably also be given by a displacement speed of the energy beam in the beam area.
  • a beam position density distribution in the beam area is understood in particular to mean how an areal density of the beam positions in the beam area is designed, in particular how high the areal density of the beam positions is, and whether the areal density of the beam positions in the beam area is homogeneous, i.e. in particular constant, or varying, and whether and, if so, how the areal density of the beam positions varies in the beam area.
  • the local intensity in the beam region is higher, the higher the areal density of the beam positions is, with the local intensity being the lower the lower the areal density of the beam positions is.
  • the beam position density distribution is preferably given in particular by the distances between adjacent beam positions within the beam area.
  • a frequency distribution of the beam positions is understood to mean, in particular, a measure of how frequently the individual beam positions within the beam area are controlled or acted upon by the energy beam.
  • the energy beam possibly with a constant dwell time at the various beam positions—reaches at least some of the beam positions several times. If one assumes a homogeneous, ie constant, beam position density distribution in the beam area, the intensity profile is flat or has a constant intensity in the beam area if all beam positions are controlled equally often with the energy beam.
  • An intensity profile deviating from constancy or homogeneity can be generated in that different beam positions are controlled with the energy beam at different times or are acted upon by the energy beam. This is because more energy is then deposited at the beam positions that are addressed more frequently than at the beam positions that are addressed less frequently.
  • An energy or fluence of the energy beam is preferably constant over time.
  • the intensity distribution that is to say the intensity profile, within the beam area therefore depends only on the corresponding specification of the at least one displacement parameter.
  • the intensity profile is influenced by the appropriate selection of the dwell time at a beam position, the beam position density distribution in the beam area, and/or the frequency distribution of the beam positions in the beam area.
  • An intensity profile can therefore be generated very easily and flexibly by appropriately specifying the at least one displacement parameter in the beam area.
  • the at least one operating parameter is an intensity influencing parameter. This is suitable for influencing, in particular changing, the respective intensity of the energy beam deflected to the beam positions, in particular the energy or fluence of the energy beam.
  • the intensity of the energy beam can preferably additionally or alternatively be changed by changing the intensity of the energy beam provided by the beam generating device, in particular by suitably controlling the beam generating device.
  • the control device is preferably selected from a group consisting of a computer, in particular a personal computer (PC), a plug-in card or control card, and an FPGA board.
  • the control device is an RTC6 control card from SCANLAB GmbH, in particular in the version currently available on the date determining the seniority of the present property right.
  • the control device is preferably set up to synchronize the scanner device with the deflection device using a digital RF synthesizer, the RF synthesizer being controlled via a programmable FPGA board.
  • Position values and default values for a beam profile ie the intensity profile and a shape of the beam area, are preferably calculated, which are then converted in the FPGA board into time-synchronous frequency defaults for the RF synthesizer.
  • the beam profiles need to be spatially assigned to the irradiation positions in the respective powder material layer, which is preferably already carried out in a build processor. This one writes the corresponding data in a file, which is then preferably used by the control device.
  • control device is set up to change the intensity profile by varying the at least one operating parameter, in particular the at least one displacement parameter and/or the at least one intensity influencing parameter.
  • the intensity profile can advantageously be adapted in a simple and rapid manner, in particular as required.
  • the control device is set up to generate the intensity profile as a Gaussian intensity profile.
  • this can also be a Gaussian profile that is elongated along a direction within the working area, with the axis of the longest extension of the Gaussian profile in a preferred embodiment being perpendicular to an irradiation path, i.e. a particularly local displacement direction in the working area, of the energy beam, or along the Irradiation path of the energy beam can extend.
  • the axis of the longest extension of the Gaussian profile can extend at an angle to the irradiation path.
  • the intensity profile may be generated as a non-Gaussian intensity profile.
  • the control device is set up to generate the intensity profile as a constant intensity profile, in particular in the manner of a flat-top beam.
  • control device is set up to generate the intensity profile as an asymmetrical or distorted intensity profile.
  • the control device is thus in particular able to generate a large number of different intensity profiles, in particular any intensity profiles.
  • the control device is set up to additionally specify a shape of the beam area by controlling the deflection device.
  • a shape of the beam area is understood to mean in particular the geometry of an outer border of the beam area or--equivalently--a shape of the surface over which the energy beam sweeps quasi-statically within the beam area. This corresponds to a quasi-static cross-sectional profile of the energy radiation with which the working area is exposed at the respective irradiation position.
  • the control device is preferably set up to generate the shape of the beam area as a circular shape, as a ring shape, in particular a torus or donut shape, as a polygon, as a rectangle, as an elongated shape, in particular with rounded ends, and/or as an irregular shape.
  • the control device is preferably set up in particular to specify a beam profile by controlling the deflection device, the beam profile including the shape of the beam area on the one hand and the intensity profile in the beam area on the other.
  • the production device is thus able to be particularly flexible in adapting the application of the energy beam to the working area to conditions for the production of a component, in particular also to changing, in particular locally different, conditions.
  • the control device is set up to change the intensity profile during the production of a component, in particular within the working area, by varying the at least one operating parameter, in particular the at least one displacement parameter and/or the at least one intensity influencing parameter .
  • the intensity profile can be flexibly adapted to different conditions or requirements when manufacturing a component.
  • the control device is particularly preferably set up to change the intensity profile within the same powder material layer when a component is built up in layers by varying the at least one operating parameter. This enables a particularly flexible adjustment of the intensity profile. For example, a different intensity profile can be selected for an outer enveloping area of the resulting component, that is to say in particular for its surface, than for an inner area within the outer enveloping area of the component.
  • control device is preferably set up to change the shape of the beam area during the manufacture of a component, in particular within the work area, by varying the at least one operating parameter, in particular the at least one displacement parameter and/or the at least one Intensity influencing parameter to change.
  • the shape of the beam area can be flexibly adapted to different conditions or requirements when manufacturing a component.
  • the control device is particularly preferably set up to change the shape of the jet region within the same powder material layer when a component is built up in layers by varying the at least one operating parameter. This enables a particularly flexible adjustment of the shape of the beam area.
  • a different shape of the beam area can be selected for an outer enveloping area of the resulting component than for an inner area within the outer enveloping area of the component.
  • the intensity profile and/or the shape of the beam area can alternatively or additionally be selected depending on whether a contour, a core, an overhang area, a cover layer area, or a volume area of the resulting component is being processed.
  • a contour is a border or outer boundary of an area to be solidified or solidified within a layer of powder material.
  • a core is an area within the contour in the layer of powder material.
  • An overhang area is an area within a layer of powder material beneath which, ie in underlying layers of powder material, is unconsolidated powder material. Such an overhang is also referred to as "down skin”. This term also refers to the bottom layer of powder material comprising solidified powder material, i.e. a bottom surface of the component.
  • a top layer region is a region within a layer of powder material above which, ie in overlying layers of powder material, there is non-solidified powder material. Such a top layer area is also referred to as "up skin”. This term also refers to the uppermost layer of powder material, which still comprises solidified powder material, ie a roof surface or uppermost surface of the component.
  • a volume area is an area within a powder material layer that is surrounded on all sides, in particular within the powder material layer, but also above and below the powder material layer just processed, in the finished component by solidified powder material. Such an area is also referred to as "in skin”.
  • Different intensity profiles and/or shapes of the beam area can also be used on the one hand for filigree structures of a component that are, for example, in the order of magnitude of the beam area, and on the other hand for coarser, larger, in particular flat structures.
  • filigree structures in particular closed structure sections, can also be generated solely by controlling the deflection device and generating a local beam profile at a fixed irradiation position, without the scanner device being controlled, in particular in which a beam profile in the form of the structural section to be formed can be generated by suitably controlling the deflection device is produced.
  • the specification of the intensity profile and/or the shape of the beam area as a function of the current irradiation position also makes it possible to influence the resulting component structure via the intensity distribution.
  • a grain structure of the resulting component changes during irradiation with changed temperature gradients and solidification conditions.
  • local strength values or surface hardnesses can also be influenced and, in particular, varied locally.
  • it is possible to harden the outer surface of the component by producing a higher hardness of the solidified powder material in several powder material layers arranged directly below or above in up skin or down skin areas.
  • contour lines can also be hardened to a greater extent with greater hardness in individual powder material layers.
  • the deflection device is arranged in front of the scanner device in the direction of propagation of the energy beam, that is to say the direction of propagation of the energy radiation in space.
  • This represents a particularly suitable configuration for flexible generation of the intensity profile and/or the shape of the beam area.
  • the term "before” refers to the fact that the deflection device is reached first by the energy beam during the propagation of the energy beam along the propagation direction, where the scanner device is then reached by the energy beam.
  • the deflection device has at least one acousto-optical deflector.
  • An acousto-optical deflector is understood to mean, in particular, an element which has a solid body which is transparent to the energy beam and to which sound waves, in particular ultrasonic waves, can be applied, with the energy beam passing through the transparent solid body depending on the frequency of the sound waves with which the transparent solid is applied, is deflected. In this case, in particular an optical lattice is generated in the transparent solid by the sound waves.
  • Such acousto-optical deflectors are advantageously able to deflect the energy beam very quickly by an angular range predetermined by the frequency of the sound waves generated in the transparent solid.
  • switching speeds of up to 1 MHz can be achieved.
  • the switching times for such an acousto-optical deflector are significantly faster than typical switching times for conventional scanner optics, in particular galvanometer scanners, which are generally used to move an energy beam within a work area of a manufacturing facility of the type discussed here. Therefore, such an acousto-optical deflector can be used in a particularly suitable manner to generate a quasi-static intensity profile in the beam area.
  • Modern acousto-optical deflectors deflect the energy beam with an efficiency of at least 90% into a predetermined angular range of the first diffraction order, so that they are excellently suited as a deflection device for the production device proposed here.
  • the material used, which is transparent to the energy beam, and a suitably high intensity of the coupled ultrasonic waves are particularly decisive for the high efficiency.
  • the intensity influencing parameter is specified by the at least one acousto-optical deflector being operated or used as an acousto-optical modulator.
  • an intensity of the sound waves coupled into the transparent solid body of the at least one acousto-optical deflector is specified as the intensity influencing parameter.
  • the intensity of the energy beam deflected to the respective beam position can be influenced very easily.
  • the deflected intensity of the energy beam preferably depends—preferably linearly—on the intensity of the sound waves radiated into the transparent solid.
  • the deflection device has two acousto-optical deflectors that are not oriented parallel to one another, but are preferably oriented perpendicularly to one another. It is therefore advantageous to deflect the energy beam into two mutually non-parallel, in particular mutually perpendicular directions possible.
  • the acousto-optical deflectors which are not oriented parallel to one another but are preferably oriented perpendicularly to one another, are preferably arranged one behind the other in the direction of propagation of the energy beam.
  • the deflection device has at least one electro-optical deflector, preferably two electro-optical deflectors that are not oriented parallel, in particular perpendicular to one another.
  • Electro-optical deflectors (EOD) deflection is based on refraction upon passage of an optically transparent material.
  • EOD Electro-optical deflectors
  • the aforementioned exemplary embodiments can be modified with acousto-optical deflectors by replacing one or two of the acousto-optical deflectors with an EOD.
  • control device is set up to excite an acoustic wave (sound wave), in particular a standing wave, with at least two acoustic wavelengths and preferably at least one of the acoustic wavelengths, in particular continuously, in the at least one acousto-optical deflector or change it in discrete steps.
  • acoustic wave sound wave
  • standing wave at least two acoustic wavelengths and preferably at least one of the acoustic wavelengths, in particular continuously, in the at least one acousto-optical deflector or change it in discrete steps.
  • an advantage of beam displacement with an AOD is that a region between the starting position and the ending position is not exposed to the laser beam by changing the acoustic wavelengths in discrete steps, since the periodic changes in the refractive index temporally merge into one another essentially without the formation of a diffractive transient behavior. Accordingly, the energy input is limited to the starting position and the end position; this corresponds to a sudden change in the acousto-optical deflection.
  • control device is set up to also stimulate an acoustic wave, in particular a standing wave, with at least two acoustic wavelengths in a second acousto-optical deflector and preferably to change at least one of the acoustic wavelengths, in particular continuously or in discrete steps.
  • this allows the diffracted energy beam to be guided to beam positions arranged in a grid pattern at the same time.
  • a grid of four beam positions can be created, for example, which are arranged at the corners of a rectangle.
  • the intensity distributions of the diffracted energy beam can also be adjusted independently by adjusting the amplitudes of the plurality of acoustic wavelengths in each of the acousto-optical deflectors.
  • the orientation of the acousto-optical deflectors in relation to one another can also be changed, as a result of which, for example, rhombus-shaped or parallelogram-shaped grids can be formed with four beam positions.
  • the production device has a separating mirror in the propagation direction of the energy beam behind the deflection device and in front of the scanner device, which is set up to separate a zeroth-order partial beam of the energy beam from a first-order partial beam.
  • the deflection device has an acousto-optical deflector, due to its configuration, analogous to an optical grating, it generates an undiffracted partial beam of the zeroth order and a diffracted or deflected partial beam of the first order. Only the first-order partial beam should be used to irradiate the working area.
  • the separating mirror With the help of the separating mirror, it is now advantageously possible to separate the partial beams of different orders from one another and only direct the first-order partial beam to the working area, in particular to the scanner device.
  • the partial beam of the zeroth order is preferably deflected by the separating mirror into a beam trap.
  • the useful beam should ultimately be the partial beam that was initially used as a first-order partial beam of the first acousto-optical deflector see deflector hits the second acousto-optical deflector, and then in turn is diffracted as a first-order partial beam from the second acousto-optical deflector.
  • the useful beam as a “first-order partial beam” is more or less a first-order partial beam. In order to keep the presentation simple, only the first order will be used in the following.
  • the separating mirror preferably has a through hole in a surface that reflects the energy beam, through which the first-order partial beam passes the separating mirror to the work area, in particular to the scanner device.
  • the partial beam of the zeroth order--and preferably also undesired partial beams of a higher order than the first order--impact on the reflecting surface and are deflected by the separating mirror into the beam trap.
  • the separation mirror is preferably arranged in the vicinity of an intermediate focus of a telescope. This enables a particularly clean separation of the partial beams of different orders.
  • the separation mirror is preferably not arranged exactly in the intermediate focus of the telescope, in particular in order to avoid damage to the separation mirror due to an excessive power density of the energy beam.
  • the separation mirror is preferably arranged offset at a distance of one fifth of the focal length of the telescope from the intermediate focus along the direction of propagation, preferably in front of the intermediate focus in the direction of propagation. At the same time, this ensures, on the one hand, a clean separation of the different partial beams of different orders and, on the other hand, a sufficiently low power density of the energy beam on the separation mirror in order to avoid damage to it by the energy beam.
  • the telescope is preferably a 1:1 telescope, ie in particular it has neither a beam-reducing nor a beam-enlarging property.
  • the telescope fulfills two tasks, namely, in addition to the separation of the different partial beams of different orders, it is also preferable to image a beam rotation point, also referred to as a pivot point, to a point in the propagation direction behind the telescope, with the imaged beam rotation point preferably being either on a pivot point of the subsequent scanner device or on a point with the smallest aperture.
  • a beam rotation point also referred to as a pivot point
  • this consideration also applies only to the use of a single acousto-optical deflector. If two acousto-optical deflectors which are not oriented parallel to one another, but are preferably oriented perpendicularly to one another, are used, two beam pivot points result, namely one beam pivot point in each acousto-optical deflector. However, if the two acousto-optical deflectors are arranged as close as possible one behind the other in the direction of propagation, a single imaginary common beam pivot point can be assumed as a good approximation, which is then arranged between the acousto-optical deflectors.
  • the scanner device has at least one scanner, in particular a galvanometer scanner, piezo scanner, polygon scanner, MEMS scanner, and/or a working head or processing head that can be displaced relative to the work area.
  • the scanner devices proposed here are particularly suitable for shifting the energy beam within the working area between a plurality of irradiation positions.
  • a working head or processing head that can be displaced relative to the work area is understood here in particular to mean an integrated component of the production facility which has at least one radiation outlet for at least one energy beam, the integrated component, i.e. the working head, as a whole along at least one displacement direction, preferably along two mutually perpendicular directions of displacement, is displaceable relative to the work area.
  • a working head can, in particular, be designed in the form of a portal or be guided by a robot.
  • the working head can be designed as a robot hand of a robot.
  • the beam generating device is designed as a laser.
  • the energy beam is thus advantageously generated as an intensive beam of coherent electromagnetic radiation, in particular coherent light.
  • the production device is set up for selective laser sintering.
  • the production facility is set up for selective laser melting.
  • the production device is set up so that the time scale on which the energy beam can be deflected by the deflection device is increased by a factor of 10 to 1000, preferably 20 to 200, preferably 40 to 100, or more, less than the time scale on which the energy beam is deflected by the scanner device.
  • the scanner device could also be equipped with very high dynamics in the same order of magnitude as the deflection device, but the productivity gains that can be achieved with this usually do not justify the additional costs required for this, so that it is sufficient, for example, if the scanner device has one of the aforementioned Has exemplary embodiments and only the deflection device can be deflected on one of the above shorter time scales.
  • the object is also achieved by creating a method for generating a specific intensity profile of an energy beam in a beam area on a work area of a manufacturing device for the additive manufacturing of components from a powder material.
  • the specific intensity profile is generated by moving the energy beam within the beam area and specifying at least one operating parameter for the energy beam, with the at least one operating parameter being selected from a group consisting of: a dwell time at a beam position in the Beam area, a beam position density distribution in the beam area, a frequency distribution of the beam positions in the beam area, and an intensity influencing parameter for influencing the intensity of the energy beam that is respectively deflected to the beam positions.
  • the specific intensity profile is generated in a second alternative or additionally by the energy beam is divided, whereby the energy beam is simultaneously shifted to at least two beam positions, the distance between these two beam positions in at least one Direction is variably adjustable.
  • a specific shape of the beam area is additionally generated by specifying the at least one operating parameter.
  • the intensity profile and, on the other hand, the specific shape of the beam area can be generated in a very flexible manner.
  • the shape of the beam area and/or the intensity profile is/are changed by varying the at least one operating parameter.
  • the beam area can thus be very flexibly adapted in terms of its shape and/or in terms of its intensity profile, in particular to existing requirements and/or to increase productivity.
  • the intensity profile is additionally generated, preferably changed, by changing the intensity of the energy beam provided by the beam generating device, in particular by controlling the beam generating device.
  • a further degree of freedom for influencing the intensity of the energy beam is thus advantageously available. Such an influence is possible in a particularly simple manner if a laser is used as the beam generating device, in which the intensity of the generated energy beam can be changed easily and quickly.
  • the time scale on which the energy beam is deflected within the beam area by a deflection device is smaller by a factor of 10 to 1000, preferably 20 to 200, preferably 40 to 100, or more , as the time scale on which a deflection of the energy beam occurs through a scanner device.
  • the object is also achieved by creating a method for additively manufacturing a component from a powder material.
  • a manufacturing device according to the invention or a manufacturing device according to one of the exemplary embodiments described above is used as part of the method.
  • a method according to the invention for generating a specific intensity profile of an energy beam or such a method according to one of the previously described methods is used within the scope of the method Embodiments applied.
  • the method for additive manufacturing there are in particular the advantages that have already been described in connection with the manufacturing device and/or the method for generating a specific intensity profile.
  • the shape of the beam area and/or the intensity profile is/are changed during production of the component, in particular within the work area, in particular within the same powder material layer when building up a component in layers, by varying the at least one operating parameter.
  • FIG. 1 shows a representation of an exemplary embodiment of a production device for the additive production of components from a powder material
  • FIG. 2 shows a schematic representation of different intensity profiles
  • Figure 3 is a schematic representation of a plurality of different forms of a
  • FIG. 4 shows a sketch to explain an electro-optical deflection in additive manufacturing.
  • the production facility 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a manufacturing device 1 that is set up for the additive manufacturing of components from a powder material.
  • the production facility 1 has a beam generating device 3 which is set up to generate an energy beam 5.
  • the production facility 1 also has a scanner device 7 which is set up to move the energy beam 5 to a plurality of irradiation positions 11 within a work area 9 in order to to produce a component from the powder material arranged in the work area 9 by means of the energy beam 5 .
  • the production device 1 has a deflection device 13 which is set up to shift the energy beam 5 at an irradiation position 11 of the plurality of irradiation positions 11 within a beam region 15 to a plurality of beam positions 17 .
  • the production facility 1 has a control device 19, which is operatively connected to the deflection device 13 and set up to control the deflection device 13 and to generate a specific intensity profile in the beam area 15 by specifying at least one operating parameter of the deflection device 13.
  • the at least one operating parameter is selected from a group consisting of: a dwell time at a beam position 17, a beam position density distribution in the beam area 15, a frequency distribution of the beam positions 17, and an intensity influencing parameter for influencing the intensity of the energy beam 5 deflected to the beam positions 17 .
  • the at least one operating parameter of the deflection device is in particular a displacement parameter or an intensity influencing parameter.
  • the control device 19 is set up in particular to change the intensity profile by varying the at least one operating parameter.
  • the control device 19 is set up in particular to generate the intensity profile as a Gaussian, non-Gaussian, constant, asymmetrical or distorted intensity profile.
  • the control device 19 is set up in particular to additionally specify a shape of the beam area 15, wherein the control device 19 is set up in particular to specify a beam profile, comprising the shape of the beam area 15 and the intensity profile in the beam area 15, by actuating the deflection device 13.
  • the control device 19 is set up in particular to change the intensity profile and/or the shape of the beam area 15 during the production of a component, in particular within the working area 9, by varying the at least one operating parameter. In particular, this can be carried out within the same powder material layer, for example around different areas of the powder material layer, in particular an enveloping area on the one hand and an inner area on the other hand, with different To apply intensity profiles and / or shapes of the beam area.
  • the intensity profile and/or the shape of the beam area can alternatively or additionally be selected depending on whether a contour, a core, an overhang area, a cover layer area, or a volume area of the resulting component is being processed.
  • the deflection device 13 is arranged in front of the scanner device 7 in particular in the direction of propagation of the energy beam 5 .
  • the deflection device 13 has in particular at least one acousto-optical deflector 21, here in particular two acousto-optical deflectors 21 not oriented parallel to one another, preferably perpendicular to one another, namely a first acousto-optical deflector 21.1 and a second acousto-optical deflector 21.2.
  • the acousto-optical deflectors 21 are preferably additionally controlled as acousto-optical modulators, and/or it the intensity of at least one acousto-optical deflector 21 of the two acousto-optical deflectors 21 coupled into the transparent solid body is varied in order to vary the intensity of the energy beam 5 .
  • the production device 1 also has a separating mirror 23 behind the deflection device 13 and in front of the scanner device 7 in the propagation direction of the energy beam 5 , which is set up to separate a zero-order partial beam from a first-order partial beam of the energy beam 5 .
  • the separation mirror 23 has in particular a through hole 25 which is provided in a surface 27 of the separation mirror 23 which reflects the energy beam 5 and which completely penetrates the separation mirror 23 .
  • the first-order partial beam which is to be forwarded in the desired manner to the scanner device 7, is guided through the through hole 25 and thus finally reaches the scanner device 7.
  • the separation mirror 23 is arranged in particular in the vicinity of an intermediate focus 31 of a telescope 33, in particular not exactly in a plane of the intermediate focus 31, particularly preferably at a distance of one fifth of the focal length of the telescope 33 offset along the direction of propagation, in particular in front of the intermediate focus 31. This advantageously prevents the reflective surface 27 from being exposed to an excessively high power density of the energy beam 5.
  • the telescope 33 preferably has a first lens 35 and a second lens 37 . It is preferably designed as a 1:1 telescope.
  • the telescope 33 preferably has a focal length of 500 mm.
  • the mode of operation of the telescope 33 is preferably twofold: on the one hand, the telescope 33 enables a particularly advantageous and clean separation of the different orders of the energy beam 5 deflected by the deflection device 13, particularly with the arrangement of the separation mirror 23 chosen here; on the other hand, the telescope 33 preferably maps an imaginary common beam pivot point 39 of the deflection device 13 onto a pivot point 41 of the scanner device 7 .
  • the telescope 33 preferably maps the beam pivot point 39 to a point of smallest aperture.
  • the energy beam 5 is preferably deflected several times by deflection mirrors 43.
  • the scanner device 7 preferably has at least one scanner, in particular a galvanometer scanner, piezo scanner, polygon scanner, MEMS scanner and/or working head.
  • the beam generating device 3 is preferably designed as a laser.
  • the production device 1 is preferably set up for selective laser sintering and/or for selective laser melting.
  • the specific intensity profile is preferably generated by specifying the at least one operating parameter for the energy beam, which is selected from the group consisting of the dwell time a beam position 17 in the beam area 15, the beam position density distribution in the beam area 15, the frequency distribution of the beam positions 17 in the beam area 15, and a Intensity influencing parameters for influencing the intensity of the energy beam 5 deflected to the beam positions 17.
  • a specific shape of the beam area 15 is preferably generated by specifying the at least one operating parameter.
  • the shape of the beam area 15 and/or the intensity profile is/are preferably changed by varying the at least one operating parameter.
  • the manufacturing device 1 proposed here is preferably used and/or a method of the type described above is used.
  • the shape of the beam area 15 and/or the intensity profile is/are preferably changed during the production of the component, in particular within the working area 9, by varying the at least one operating parameter.
  • the intensity profile is preferably additionally generated, preferably changed, by changing the intensity of the energy beam 5 provided by the beam generating device 3 , in particular by controlling the beam generating device 3 .
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a plurality of intensity profiles in beam region 15, as can be generated with deflection device 13, for example.
  • a first, Gaussian intensity profile 45 is shown at a).
  • a second, non-Gaussian intensity profile 47 is shown, in which in particular the maximum of the intensity profile is shifted within the beam area 15, preferably towards a front of a direction of displacement of the beam area 15 on the working area 9.
  • a third, asymmetrical or distorted intensity profile 49 is shown, in which not only is the maximum within the beam area 15 arranged eccentrically, but the intensity profile also has a significantly higher intensity on the right-hand side than on the left-hand side in the beam area 15.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a plurality of shapes of the beam area 15.
  • a first, circular shape 51 for the beam area 15 is shown in a).
  • a second, polygonal, here in particular hexagonal shape 53 for the beam area 15 is shown.
  • a fourth, elongated shape 57 for the beam area 15 is shown with rounded ends.
  • FIG. 4 schematically shows an adjustable deflection of the energy beam 5 with an EOD 131, the refractive index or a refractive index gradient of the optically transparent material of the EOD 131 being adjustable by applying a voltage.
  • the deflection of a laser beam 133 varies, which is preferably again incident on the EOD 131 at the Brewster angle and emerges from it at a correspondingly adjustable deflection angle.
  • a laser beam 133 A deflected in this way could be supplied to the scanner device 7 in the arrangement of FIG.
  • a voltage source 135 enables precise adjustment of the voltage which is present between the top and bottom of the prism-shaped crystal forming the EOD 131 in FIG.
  • the refractive index or the refractive index gradient and thus the deflection of the energy beam 5 can be set.
  • the refraction behavior present at the EOD reference is also made to "Electro-optic and acousto-optic laser beam scanners"; Romans G.R.B.E. et al., Physics Procedia 56 (2014) 29-39.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fertigungseinrichtung (1) zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial, mit einer Strahlerzeugungseinrichtung (3), die eingerichtet ist zum Erzeugen eines Energiestrahls (5), einer Scannereinrichtung (7), die eingerichtet ist, um den Energiestrahl (5) innerhalb eines Arbeitsbereichs (9) an eine Mehrzahl von Bestrahlungspositionen (11) zu verlagern, um mittels des Energiestrahls (5) ein Bauteil aus dem in dem Arbeitsbereich (9) angeordneten Pulvermaterial herzustellen, einer Ablenkeinrichtung (13), die eingerichtet ist, um den Energiestrahl (5) an einer Bestrahlungsposition (11) der Mehrzahl von Bestrahlungspositionen (11) innerhalb eines Strahlbereichs (15) an eine Mehrzahl von Strahlpositionen (17) zu verlagern, und mit einer Steuereinrichtung (19), die mit der Ablenkeinrichtung (13) wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Ablenkeinrichtung (13) anzusteuern, und um ein bestimmtes Intensitätsprofil in dem Strahlbereich (15) durch Vorgabe von wenigstens einem Betriebsparameter der Ablenkeinrichtung (13) zu erzeugen, wobei der wenigstens eine Betriebsparameter ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einer Verweilzeit an einer Strahlposition (17), einer Strahlpositionendichteverteilung in dem Strahlbereich (15), einer Häufigkeitsverteilung der Strahlpositionen (17), und einem Intensitätsbeeinflussungsparameter zur Beeinflussung der jeweils an die Strahlpositionen (17) abgelenkten Intensität des Energiestrahls (5).

Description

BESCHREIBUNG
Fertigungseinrichtung und Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial, sowie Verfahren zum Erzeugen eines bestimmten Intensitätsprofils eines Energiestrahls
Die Erfindung betrifft eine Fertigungseinrichtung und ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial, sowie ein Verfahren zum Erzeugen eines bestimmten Intensitätsprofils eines Energiestrahls. Beim additiven Herstellen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial wird typischerweise ein Energiestrahl zu vorbestimmten Bestrahlungspositionen innerhalb eines Arbeitsbereichs - insbesondere entlang eines vorbestimmten Bestrahlungspfads - verlagert, um in dem Arbeitsbereich angeordnetes Pulvermaterial lokal zu verfestigen. Dies wird insbesondere schichtweise in aufeinanderfolgend in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterialschichten wiederholt, um schließlich ein dreidimensionales Bauteil aus verfestigtem Pulvermaterial zu erhalten. Dabei ist es für verschiedene Fertigungsaufgaben, insbesondere für verschiedene zu erzeugende Bauteile, aber auch für verschiedene Bereiche innerhalb eines zu fertigenden Bauteils und sogar für verschiedene Bereiche innerhalb einer selben Pulvermaterialschicht in dem Arbeitsbereich unter Umständen günstig, das Pulvermaterial mit verschiedenen Intensitätsprofilen des Energiestrahls zu beaufschlagen. Insbesondere kann eine geeignete Wahl des Intensitätsprofils zur Erhöhung der Produktivität beitragen. Eine Erzeugung geeigneter, angepasster Intensitätsprofile mittels konventioneller Strahlformung, insbesondere durch refraktive oder interferometrische optische Elemente bei einem optischem Energiestrahl, sind oft aufwendig und nicht flexibel einsetzbar. Insbesondere ist es nur schwierig möglich, während eines einzelnen Herstellungsvorgangs, ganz besonders innerhalb einer Pulvermaterialschicht, zwischen verschiedenen Intensitätsprofilen umzuschalten. Darüber hinaus ermöglichen konventionelle Methoden der Strahlformung nur die Darstellung einer begrenzten Auswahl an Intensitätsprofilen und sind deswegen auch in ihrer Anwendbarkeit begrenzt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fertigungseinrichtung sowie ein Verfahren zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial und ein Verfahren zum Erzeugen eines bestimmten Intensitätsprofils eines Energiestrahls zu schaffen, wobei die genannten Nachteile zumindest vermindert, vorzugsweise vermieden sind.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Fertigungseinrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial geschaffen wird, die eine Strahlerzeugungseinrichtung aufweist, die eingerichtet ist zum Erzeugen eines Energiestrahls. Die Fertigungseinrichtung weist außerdem eine Scannereinrichtung auf, die eingerichtet ist, um den Energiestrahl innerhalb eines Arbeitsbereichs an eine Mehrzahl von Bestrahlungspositionen zu verlagern, um mittels des Energiestrahls ein Bauteil aus dem in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterial herzustellen. Außerdem weist die Fertigungseinrichtung eine Ablenkeinrichtung auf, die eingerichtet ist, um den Energiestrahl an einer Bestrahlungsposition der Mehrzahl von Bestrahlungspositionen innerhalb eines Strahlbereichs an eine Mehrzahl von Strahlpositionen zu verlagern. Weiterhin weist die Fertigungseinrichtung eine Steuereinrichtung auf, die mit der Ablenkeinrichtung wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Ablenkeinrichtung anzusteuem, und um ein bestimmtes Intensitätsprofil in dem Strahlbereich in einer ersten Alternative durch Verlagerung des Energie Strahls innerhalb des Strahlbereichs und Vorgabe von wenigstens einem Betriebsparameter der Ablenkeinrichtung zu erzeugen. Der wenigstens eine Betriebsparameter ist dabei ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus: einer Verweilzeit an einer Strahlposition, einer Strahlpositionendichteverteilung in dem Strahlbereich, einer Häufigkeitsverteilung der Strahlpositionen, und einem Intensitätsbeeinflussungsparameter zur Beeinflussung der jeweils an die Strahlpositionen abgelenkten Intensität des Energiestrahls. In einer zweiten Alternative oder zusätzlich ist die Steuereinrichtung mit der Ablenkeinrichtung wirkverbunden und eingerichtet, um die Ablenkeinrichtung anzusteuem, und um ein bestimmtes Intensitätsprofil in dem Strahlbereich durch eine Aufteilung des Energiestrahls zu erzeugen, um den Energiestrahl zeitgleich an zumindest zwei Strahlpositionen zu verlagern, wobei der Abstand dieser zwei Strahlpositionen in zumindest eine Richtung variabel einstellbar ist.
Auf diese Weise kann insbesondere ein bestimmtes Intensitätsprofil einfach und schnell vorgegeben und erzeugt werden, ohne dass es hierfür besonderer, insbesondere für das Intensitätsprofil spezifischer Einrichtungen bedarf. Insbesondere ist es einfach und schnell möglich, zwischen verschiedenen Intensitätsprofilen zu wechseln. Die Fertigungseinrichtung ist somit sehr flexibel in der Lage, angepasst an das jeweils herzustellende Bauteil und/oder jeweils herzustellende Bereiche eines Bauteils ein geeignetes Intensitätsprofil zu erzeugen. Sie weist somit insbesondere eine hohe Produktivität auf. Die Qualität der mit der Fertigungseinrichtung hergestellten Bauteile kann darüber hinaus durch Auswahl besonders geeigneter Intensitätsprofile gesteigert werden. Da auf eigens an die Intensitätsprofile angepasste, insbesondere refraktive oder statische interferometrische optische Elemente verzichtet werden kann, ist die Fertigungseinrichtung trotz ihrer hohen flexiblen Einsetzbarkeit kostengünstig ausgestaltet, ganz besonders unter dem Aspekt, dass es keiner verschiedenartigen Einrichtungen zur Erzeugung verschiedener Intensitätsprofile bedarf. Die hier vorgeschlagene Fertigungseinrichtung erlaubt auch durch geeignete Ansteuerung der Scannereinrichtung einerseits und der Ablenkeinrichtung andererseits einen Wechsel zwischen einer möglichst effizienten, insbesondere auch schnellen Bauteilfertigung und einer qualitativ besonders hochwertigen Fertigung, insbesondere auch mit lokal variierender Einstellung der Materialeigenschaften für das entstehende Bauteil, beispielsweise einer höheren Härte im Bereich der Bauteiloberfläche als im Inneren des Bauteils.
Unter einem additiven oder generativen Herstellen eines Bauteils wird insbesondere ein schichtweises Aufbauen eines Bauteils aus Pulvermaterial verstanden, insbesondere ein Pulverbett-basiertes Verfahren zum Herstellen eines Bauteils in einem Pulverbett, insbesondere ein Fertigungsverfahren, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem selektiven Lasersintem, einem Laser-Metall-Fusionieren (Laser Metal Fusion - LMF), einem direkten Metall-Laser-Schmelzen (Direct Metal Laser Melting - DMLM), einem Laser Net Shaping Manufacturing (LNSM), und einem Laser Engineered Net Shaping (LENS). Die Fertigungseinrichtung ist demnach insbesondere eingerichtet zur Durchführung von wenigstens einem der zuvor genannten additiven oder generativen Fertigungsverfahren.
Unter einem Energiestrahl wird allgemein gerichtete Strahlung verstanden, die Energie transportieren kann. Hierbei kann es sich allgemein um Teilchenstrahlung oder Wellenstrahlung handeln. Insbesondere propagiert der Energiestrahl entlang einer Propagationsrichtung durch den physikalischen Raum und transportiert dabei Energie entlang seiner Propagationsrichtung. Insbesondere ist es mittels des Energiestrahls möglich, Energie lokal in dem Arbeitsbereich zu deponieren. Der Energiestrahl ist in bevorzugter Ausgestaltung ein optischer Arbeitsstrahl. Unter einem optischen Arbeitsstrahl ist insbesondere gerichtete elektromagnetische Strahlung, kontinuierlich oder gepulst, zu verstehen, die im Hinblick auf ihre Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich geeignet ist zum additiven oder generativen Fertigen eines Bauteils aus Pulvermaterial, insbesondere zum Sintern oder Schmelzen des Pulvermaterials. Insbesondere wird unter einem optischen Arbeitsstrahl ein Laserstrahl verstanden, der kontinuierlich oder gepulst erzeugt sein kann. Der optische Arbeitsstrahl weist bevorzugt eine Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich im sichtbaren elektromagnetischen Spektrum oder im infraroten elektromagnetischen Spektrum, oder im Überlappungsbereich zwischen dem infraroten Bereich und dem sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums auf.
Unter einem Arbeitsbereich wird insbesondere ein Bereich, insbesondere eine Ebene oder Fläche, verstanden, in dem das Pulvermaterial angeordnet ist, und der lokal mit dem Energiestrahl beaufschlagt wird, um das Pulvermaterial lokal zu verfestigen. Insbesondere wird das Pulvermaterial in dem Arbeitsbereich sequentiell schichtweise angeordnet und mit dem Energiestrahl lokal beaufschlagt, um - Schicht für Schicht - ein Bauteil herzustellen.
Unter einer Bestrahlungsposition wird insbesondere ein Ort innerhalb des Arbeitsbereichs verstanden, an dem lokal mittels des Energiestrahls Energie in den Arbeitsbereich, insbesondere in das dort angeordnete Pulvermaterial, deponiert wird. Die Scannereinrichtung ist bevorzugt eingerichtet, um den Energiestrahl innerhalb des Arbeitsbereichs entlang eines Bestrahlungspfads zu verlagern, wobei der Bestrahlungspfad aus einer zeitlichen Abfolge nacheinander mit dem Energiestrahl überstrichener Bestrahlungspositionen besteht. Die einzelnen Bestrahlungspositionen können dabei zueinander beabstandet angeordnet sein, aber auch miteinander überlappen. Insbesondere kann der Bestrahlungspfad ein kontinuierlich mit dem Energiestrahl abgetasteter Pfad sein.
Unter einem Strahlbereich wird hier insbesondere ein Bereich an einer Bestrahlungsposition verstanden, innerhalb dessen das bestimmte Intensitätsprofil erzeugt wird. Der Strahlbereich weist dabei insbesondere eine flächenmäßige Ausdehnung auf, die größer ist als ein auf den Arbeitsbereich projizierter Querschnitt des Energiestrahls.
Die Ablenkeinrichtung ist somit insbesondere eingerichtet, um den Energiestrahl an einer festgehaltenen Bestrahlungsposition, insbesondere an jeder Bestrahlungsposition, innerhalb des Strahlbereichs zu verlagern und so an der festgehaltenen Bestrahlungsposition einen bestimmten Bereich - den Strahlbereich - innerhalb des Arbeitsbereichs mit dem Energiestrahl zu beaufschlagen, der größer ist als der auf den Arbeitsbereich projizierte Querschnitt des Energiestrahls; demgegenüber ist die Scannereinrichtung eingerichtet, um den Energiestrahl zwischen den einzelnen Bestrahlungspositionen zu verlagern und somit wiederum der Ablenkeinrichtung zu ermöglichen, einen neuen Strahlbereich an einem anderen Ort mit dem Energiestrahl zu üb erstreichen. Die Ablenkeinrichtung dient also einer lokalen Ablenkung des Energiestrahls an einer Bestrahlungsposition, während die Scannereinrichtung der globalen Verlagerung des Energiestrahls auf dem Arbeitsbereich dient.
Die Scannereinrichtung und die Ablenkeinrichtung unterscheiden sich somit insbesondere mit Blick auf eine Längenskala der möglichen Verlagerung, wobei die Scannereinrichtung bevorzugt eingerichtet ist, den gesamten Arbeitsbereich mit dem Energiestrahl zu üb erstreichen, wobei die Ablenkeinrichtung eingerichtet ist, um den Energiestrahl lokal an einer durch die Scannereinrichtung vorgegebenen Bestrahlungsposition innerhalb des Strahlbereichs abzulenken, wobei der jeweilige Strahlbereich sehr viel kleiner ist als der Arbeitsbereich. Insbesondere weist der Strahlbereich bevorzugt eine Längenskala im Bereich von wenigen (das heißt kleiner zehn) Millimetern bis zu wenigen Zentimetern auf, sowie bevorzugt eine flächige Ausdehnung im Bereich von wenigen Quadratmillimetem bis zu wenigen Quadratzentimetern, während der Arbeitsbereich eine Längenskala im Bereich von wenigen Dezimetern bis zu wenigen Metern aufweist, sowie vorzugsweise eine flächige Ausdehnung im Bereich von wenigen Quadratdezimetern bis zu wenigen Quadratmetern.
Die Scannereinrichtung einerseits und die Ablenkungseinrichtung andererseits unterscheiden sich bevorzugt auch bezüglich der Zeitskala, auf welcher eine Ablenkung des Energiestrahls erfolgt: Insbesondere erfolgt die Ablenkung des Energiestrahls durch die Ablenkeinrichtung innerhalb des Strahlbereichs bevorzugt auf einer kürzeren, insbesondere sehr viel kürzeren Zeitskala als die Ablenkung innerhalb des Arbeitsbereichs durch die Scannereinrichtung, das heißt als der Wechsel von einer Bestrahlungsposition zur nächsten Bestrahlungsposition. Auf diese Weise kann vorteilhaft an jeder Bestrahlungsposition, die durch eine momentane Einstellung der Scannereinrichtung vorgegeben ist, mittels der Ablenkeinrichtung quasistatisch ein bestimmtes Intensitätsprofil durch geeignete Verlagerung des Energiestrahls innerhalb des Strahlbereichs erzeugt werden. Vorzugsweise ist die Zeitskala, auf welcher der Energiestrahl durch die Ablenkeinrichtung abgelenkt werden kann, um einen Faktor von 10 bis 1000, vorzugsweise von 20 bis 200, vorzugsweise von 40 bis 100, oder mehr, kleiner als die Zeitskala, auf der eine Ablenkung des Energiestrahls durch die Scannereinrichtung erfolgt.
Das erzeugte Intensitätsprofil ist insbesondere auch quasistatisch mit Blick auf den Schmelzprozess im Pulvermaterial, wobei die Zeitskala für die Ablenkung des Energiestrahls durch die Ablenkeinrichtung deutlich kürzer ist als die charakteristische Wechselwirkungszeit des Energiestrahls mit dem Pulvermaterial. Das dynamisch generierte Intensitätsprofil wechselwirkt so über die Zeit gemittelt mit dem Pulvermaterial wie ein statisch erzeugtes Intensitätsprofil.
Unter einem Intensitätsprofil wird hier insbesondere eine Flächenleistungsdichteverteilung auf einer mit dem Energiestrahl beaufschlagten, insbesondere überstrichenen Fläche verstanden. Das Intensitätsprofil schließt somit insbesondere als vorzugsweise separat voneinander veränderbare Parameter einerseits die lokale Flächenleistungsdichte, insbesondere die Intensität des Energiestrahls, und andererseits die räumliche Verteilung der Flächenleistungsdichte ein. Der Begriff „Leistung“ bezieht sich dabei insbesondere auf eine über die Zeitskala der Erzeugung eines quasi statischen Intensitätsprofils innerhalb eines Strahlbereichs an einer der Bestrahlungspositionen gemittelte Leistung.
Der wenigstens eine Betriebsparameter der Ablenkeinrichtung ist insbesondere ein Verlagerungsparameter oder ein Intensitätsbeeinflussungsparameter.
Unter einem Verlagerungsparameter wird hier insbesondere ein Parameter verstanden, der die Verlagerung des Energiestrahls innerhalb des Strahlbereichs zumindest mitbestimmt. Insbesondere bestimmt der Verlagerungsparameter beispielsweise, wie lange der Energiestrahl an einer bestimmten Strahlposition verweilt, wie verschiedene Strahlpositionen innerhalb des Strahlbereichs relativ zueinander angeordnet sind, und wie/oder wie oft bestimmte Strahlpositionen mit dem Energiestrahl angesteuert werden. Insbesondere sind somit die folgenden Betriebsparameter Verlagerungsparameter: Die Verweilzeit an einer Strahlposition, die Strahlpositionendichteverteilung in dem Strahlbereich, und die Häufigkeitsverteilung der Strahlpositionen.
Eine Verweilzeit an einer Strahlposition ist dabei insbesondere dasjenige Zeitintervall, für welches der Energiestrahl an einer bestimmten Strahlposition innerhalb des Strahlbereichs verweilt, bevor er zu einer nächsten Strahlposition verlagert wird. Die Verweilzeit bestimmt somit unmittelbar die an der Strahlposition deponierte Energie. Die Verweilzeit kann bevorzugt auch gegeben sein durch eine Verlagerungsgeschwindigkeit des Energiestrahls in dem Strahlbereich.
Unter einer Strahlpositionendichteverteilung in dem Strahlbereich wird insbesondere verstanden, wie eine Flächendichte der Strahlpositionen in dem Strahlbereich ausgestaltet ist, insbesondere wie hoch die Flächendichte der Strahlpositionen ist, und ob die Flächendichte der Strahlpositionen in dem Strahlbereich homogen, das heißt insbesondere konstant, oder variierend ist, sowie ob und gegebenenfalls wie die Flächendichte der Strahlpositionen in dem Strahlbereich variiert. Dabei ist die lokale Intensität in dem Strahlbereich höher, je höher die Flächendichte der Strahlpositionen ist, wobei die lokale Intensität umso niedriger ist, je niedriger die Flächendichte der Strahlpositionen ist. Die Strahlpositionendichteverteilung ist vorzugsweise insbesondere gegeben durch die Abstände zwischen benachbarten Strahlpositionen innerhalb des Strahlbereichs.
Unter einer Häufigkeitsverteilung der Strahlpositionen wird insbesondere ein Maß dafür verstanden, wie häufig die einzelnen Strahlpositionen innerhalb des Strahlbereichs mit dem Energiestrahl angesteuert oder beaufschlagt werden. Insbesondere ist eine Ausgestaltung möglich, bei welcher der Energiestrahl - gegebenenfalls mit konstanter Verweilzeit an den verschiedenen Strahlpositionen - zumindest manche der Strahlpositionen mehrfach erreicht. Setzt man eine homogene, das heißt konstante, Strahlpositionendichteverteilung in dem Strahlbereich voraus, ist das Intensitätsprofil flach oder weist eine konstante Intensität in dem Strahlbereich auf, wenn alle Strahlpositionen gleich häufig mit dem Energiestrahl angesteuert werden. Ein von der Konstanz oder Homogenität abweichendes Intensitätsprofil kann erzeugt werden, indem verschiedene Strahlpositionen verschieden häufig mit dem Energiestrahl angesteuert oder durch den Energiestrahl beaufschlagt werden. Es wird dann nämlich an den häufiger adressierten Strahlpositionen mehr Energie deponiert als an den seltener angesteuerten Strahlpositionen.
Eine Energie oder Fluenz des Energiestrahls ist vorzugsweise zeitlich konstant. Die Intensitätsverteilung, das heißt das Intensitätsprofil, innerhalb des Strahlbereichs hängt somit gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung nur von der entsprechenden Vorgabe des wenigstens einen Verlagerungsparameters ab.
Es ist dabei offensichtlich, dass das Intensitätsprofil durch entsprechende Wahl der Verweilzeit an einer Strahlposition, der Strahlpositionendichteverteilung in dem Strahlbereich, und/oder der Häufigkeitsverteilung der Strahlpositionen in dem Strahlbereich beeinflusst ist. Es kann also sehr einfach und flexibel ein Intensitätsprofil durch entsprechende Vorgabe des wenigstens einen Verlagerungsparameters in dem Strahlbereich erzeugt werden.
Alternativ oder zusätzlich ist der wenigstens eine Betriebsparameter ein Intensitätsbeeinflussungsparameter. Dieser ist geeignet, die jeweils an die Strahlpositionen abgelenkte Intensität des Energiestrahls, insbesondere die Energie oder Fluenz des Energiestrahls, zu beeinflussen, insbesondere zu verändern.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist es auf diese Weise - insbesondere durch geeignete Vorgabe eines Verlagerungsparameters und eines Intensitätsbeeinflussungsparameters - möglich, insbesondere Randbereiche des erzeugten Intensitätsprofils zu glätten, indem dort bevorzugt zusätzlich zu der geeigneten Vorgabe des Verlagerungsparameters die Intensität des Energiestrahls geeignet verändert, insbesondere zum Rand hin - stufenweise oder kontinuierlich - abgeschwächt wird.
Die Intensität des Energiestrahls ist vorzugsweise zusätzlich oder alternativ durch Veränderung der durch die Strahlerzeugungseinrichtung bereitgestellten Intensität des Energiestrahls, insbesondere durch geeignete Ansteuerung der Strahlerzeugungseinrichtung, veränderbar.
Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Computer, insbesondere Personal Computer (PC), einer Einschubkarte oder Ansteuerkarte, und einem FPGA-Board. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung eine RTC6- Ansteuerkarte der SCANLAB GmbH, insbesondere in der an dem den Zeitrang des vorliegenden Schutzrechts bestimmenden Tag aktuellen erhältlichen Ausgestaltung.
Die Steuereinrichtung ist bevorzugt eingerichtet, um die Scannereinrichtung mit der Ablenkeinrichtung mittels eines digitalen RF- Synthesizers zu synchronisieren, wobei der RF- Synthesizer über ein programmierbares FPGA-Board angesteuert wird. Zusätzlich erfolgt bevorzugt eine Aufteilung in die vergleichsweise langsame Bewegung der Scannereinrichtung und die schnelle Bewegung der Ablenkeinrichtung mittels einer Frequenzweiche. Bevorzugt werden Positionswerte und Vorgabewerte für ein Strahlprofil, das heißt das Intensitätsprofil und eine Form des Strahlbereichs, errechnet, die dann in dem FPGA-Board in zeitlich synchrone Frequenzvorgaben für den RF- Synthesizer umgerechnet werden. Davor braucht es eine räumliche Zuweisung der Strahlprofile zu Bestrahlungspositionen in der jeweiligen Pulvermaterialschicht, was bevorzugt schon in einem Buildprozessor durchgeführt wird. Dieser schreibt die entsprechenden Daten in eine Datei, die dann vorzugsweise von der Steuereinrichtung verwendet wird. Alternativ oder zusätzlich ist es bevorzugt möglich, aus vordefinierten Strahlprofilen auszuwählen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um das Intensitätsprofil durch Variation des wenigstens einen Betriebsparameters, insbesondere des wenigstens einen Verlagerungsparameters und/oder des wenigstens einen Intensitätsbeeinflussungsparameters, zu verändern. Somit kann das Intensitätsprofil vorteilhaft in einfacher und schneller Weise insbesondere bedarfsgerecht angepasst werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um das Intensitätsprofil als gaußförmiges Intensitätsprofil zu erzeugen. Insbesondere kann es sich dabei auch um ein entlang einer Richtung innerhalb des Arbeitsbereichs langgestrecktes Gaußprofil handeln, wobei sich die Achse längster Erstreckung des Gaußprofils in bevorzugter Ausgestaltung senkrecht zu einem Bestrahlungspfad, das heißt einer insbesondere lokalen Verlagerungsrichtung in dem Arbeitsbereich, des Energiestrahls, oder entlang des Bestrahlungspfads des Energiestrahls erstrecken kann. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, dass sich die Achse längster Erstreckung des Gaußprofils schräg zu dem Bestrahlungspfad erstreckt.
Alternativ ist es möglich, dass das Intensitätsprofil als nicht-gaußförmiges Intensitätsprofil erzeugt wird. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um das Intensitätsprofil als konstantes Intensitätsprofil, insbesondere nach Art eines Flat-Top-Strahls, zu erzeugen.
Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um das Intensitätsprofil als asymmetrisches oder verzerrtes Intensitätsprofil zu erzeugen.
Die Steuereinrichtung ist somit insbesondere in der Lage, eine Vielzahl von verschiedenen Intensitätsprofilen, insbesondere beliebige Intensitätsprofile, zu erzeugen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um zusätzlich eine Form des Strahlbereichs durch Ansteuerung der Ablenkeinrichtung vorzugeben. Unter einer Form des Strahlbereichs wird dabei insbesondere die Geometrie einer äußeren Umrandung des Strahlbereichs oder - äquivalent - eine Form der quasistatisch innerhalb des Strahlbereichs mit dem Energiestrahl überstrichenen Fläche verstanden. Dies entspricht einem quasi statischen Querschnittsprofil der Energiestrahlung, mit welcher der Arbeitsbereich an der jeweiligen Bestrahlungsposition beaufschlagt wird.
Bevorzugt ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um die Form des Strahlbereichs als Kreisform, als Ringform, insbesondere Torus- oder Donut-Form, als Polygon, als Rechteck, als langgestreckte Form, insbesondere mit abgerundeten Enden, und/oder als irreguläre Form zu erzeugen.
Die Steuereinrichtung ist bevorzugt insbesondere eingerichtet, um ein Strahlprofil durch Ansteuerung der Ablenkeinrichtung vorzugeben, wobei das Strahlprofil einerseits die Form des Strahlbereichs und andererseits das Intensitätsprofil in dem Strahlbereich umfasst. Die Fertigungseinrichtung ist somit besonders flexibel in der Lage, die Beaufschlagung des Arbeitsbereichs mit dem Energiestrahl an Bedingungen für die Fertigung eines Bauteils, insbesondere auch an wechselnde, insbesondere lokal verschiedene Bedingungen, anzupassen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um das Intensitätsprofil während der Herstellung eines Bauteils, insbesondere innerhalb des Arbeitsbereichs, durch Variation des wenigstens einen Betriebsparameters, insbesondere des wenigstens einen Verlagerungsparameters und/oder des wenigstens einen Intensitätsbeeinflussungsparameters, zu verändern. Auf diese Weise kann das Intensitätsprofil flexibel beim Fertigen eines Bauteils an verschiedene Bedingungen oder Anforderungen angepasst werden. Besonders bevorzugt ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um das Intensitätsprofil innerhalb einer selben Pulvermaterialschicht beim schichtweisen Aufbauen eines Bauteils durch Variation des wenigstens einen Betriebsparameters zu verändern. Dies ermöglicht eine ganz besonders flexible Anpassung des Intensitätsprofils. Beispielsweise kann für einen äußeren Hüllbereich des entstehenden Bauteils, das heißt insbesondere für dessen Oberfläche, ein anderes Intensitätsprofil gewählt werden als für einen inneren Bereich innerhalb des äußeren Hüllbereichs des Bauteils.
Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinrichtung bevorzugt eingerichtet, um die Form des Strahlbereichs während der Herstellung eines Bauteils, insbesondere innerhalb des Arbeitsbereichs, durch Variation des wenigstens einen Betriebsparameters, insbesondere des wenigstens einen Verlagerungsparameters und/oder des wenigstens einen Intensitätsbeeinflussungsparameters, zu verändern. Auf diese Weise kann die Form des Strahlbereichs flexibel beim Fertigen eines Bauteils an verschiedene Bedingungen oder Anforderungen angepasst werden. Besonders bevorzugt ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um die Form des Strahlbereichs innerhalb einer selben Pulvermaterialschicht beim schichtweisen Aufbauen eines Bauteils durch Variation des wenigstens einen Betriebsparameters zu verändern. Dies ermöglicht eine ganz besonders flexible Anpassung der Form des Strahlbereichs. Beispielsweise kann für einen äußeren Hüllbereich des entstehenden Bauteils eine andere Form des Strahlbereichs gewählt werden als für einen inneren Bereich innerhalb des äußeren Hüllbereichs des Bauteils. Das Intensitätsprofil und/oder die Form des Strahlbereichs kann/können alternativ oder zusätzlich insbesondere abhängig davon gewählt werden, ob eine Kontur, ein Kern, ein Überhangbereich, ein Deckschichtbereich, oder ein Volumenbereich des entstehenden Bauteils bearbeitet wird.
Eine Kontur ist dabei eine Umrandung oder äußere Grenze eines zu verfestigenden oder verfestigten Bereichs innerhalb einer Pulvermaterialschicht. Ein Kern ist ein Bereich innerhalb der Kontur in der Pulvermaterialschicht.
Ein Überhangbereich ist ein Bereich innerhalb einer Pulvermaterialschicht, unterhalb von dem, das heißt in darunterliegenden Pulvermaterialschichten, sich nicht-verfestigtes Pulvermaterial befindet. Ein solcher Überhang wird auch als „down skin“ bezeichnet. Dieser Begriff bezeichnet auch die unterste Pulvermaterialschicht, die verfestigtes Pulvermaterial umfasst, das heißt eine Bodenfläche des Bauteils.
Ein Deckschichtbereich ist ein Bereich innerhalb einer Pulvermaterialschicht, oberhalb von dem, das heißt in darüberliegenden Pulvermaterialschichten, sich nicht-verfestigtes Pulvermaterial befindet. Ein solcher Deckschichtbereich wird auch als „up skin“ bezeichnet. Dieser Begriff bezeichnet auch die oberste Pulvermaterialschicht, die noch verfestigtes Pulvermaterial umfasst, das heißt eine Dachfläche oder oberste Fläche des Bauteils.
Ein Volumenbereich ist ein Bereich innerhalb einer Pulvermaterialschicht, der allseitig, insbesondere innerhalb der Pulvermaterialschicht, aber auch oberhalb und unterhalb der gerade bearbeiteten Pulvermaterialschicht, in dem fertig gestellten Bauteil von verfestigtem Pulvermaterial umgeben ist. Ein solcher Bereich wird auch als „in skin“ bezeichnet. Verschiedene Intensitätsprofile und/oder Formen des Strahlbereichs können auch verwendet werden einerseits für filigrane Strukturen eines Bauteils, die beispielsweise in der Größenordnung des Strahlbereichs liegen, und andererseits für gröbere, größere, insbesondere flächige Strukturen. Gegebenenfalls können filigrane Strukturen, insbesondere abgeschlossene Strukturabschnitte, auch allein durch Ansteuerung der Ablenkeinrichtung und Erzeugen eines lokalen Strahlprofils an einer festgehaltenen Bestrahlungsposition erzeugt werden, ohne dass die Scannereinrichtung angesteuert wird, insbesondere in dem durch geeignete Ansteuerung der Ablenkeinrichtung ein Strahlprofil in der Form des auszubildenden Strukturabschnitts erzeugt wird.
Die Vorgabe des Intensitätsprofils und/oder der Form des Strahlbereichs abhängig von der momentanen Bestrahlungsposition ermöglicht es auch, das entstehende Bauteilgefüge über die Intensitätsverteilung zu beeinflussen. Beispielsweise verändert sich eine Komstruktur des entstehenden Bauteils bei Bestrahlung mit veränderten Temperaturgradienten und Erstarrungsbedingungen. Somit können insbesondere auch lokale Festigkeitswerte oder Oberflächenhärten beeinflusst und insbesondere lokal variiert werden. Insbesondere ist es möglich, die äußere Oberfläche des Bauteils dadurch zu härten, dass in up skin- oder down skin-Bereichen in mehreren unmittelbar darunter oder darüber angeordneten Pulvermaterialschichten eine höhere Härte des verfestigten Pulvermaterials erzeugt wird. Entsprechend können auch in einzelnen Pulvermaterialschichten Konturlinien in breiterem Umfang mit größerer Härte verfestigt werden. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ablenkeinrichtung in Propagationsrichtung des Energiestrahls, das heißt Ausbreitungsrichtung der Energiestrahlung im Raum, vor der Scannereinrichtung angeordnet ist. Dies stellt eine besonders geeignete Konfiguration für eine flexible Erzeugung des Intensitätsprofils und/oder der Form des Strahlbereichs dar. Der Begriff „vor“ bezieht sich dabei darauf, dass die Ablenkeinrichtung während der Propagation des Energiestrahls entlang der Propagationsrichtung zuerst von dem Energiestrahl erreicht wird, wobei die Scannereinrichtung danach von dem Energiestrahl erreicht wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ablenkeinrichtung mindestens einen akustoopti sehen Deflektor aufweist. Unter einem akustoopti sehen Deflektor wird dabei insbesondere ein Element verstanden, welches einen für den Energiestrahl transparenten Festkörper aufweist, der mit Schallwellen, insbesondere Ultraschallwellen, beaufschlagt werden kann, wobei der Energiestrahl beim Durchtritt durch den transparenten Festkörper abhängig von der Frequenz der Schallwellen, mit denen der transparente Festkörper beaufschlagt ist, abgelenkt wird. Dabei wird in dem transparenten Festkörper durch die Schallwellen insbesondere ein optisches Gitter erzeugt. Solche akustoopti sehe Deflektoren sind vorteilhaft in der Lage, den Energiestrahl sehr schnell um einen durch die Frequenz der in dem transparenten Festkörper erzeugten Schallwellen vorgegebenen Winkelbereich abzulenken. Dabei können insbesondere Schaltgeschwindigkeiten von bis zu 1 MHz erreicht werden. Insbesondere sind die Schaltzeiten für einen solchen akustoopti sehen Deflektor deutlich schneller als typische Schaltzeiten für konventionelle Scanneroptiken, insbesondere Galvanometer-Scanner, die im Allgemeinen zur Verlagerung eines Energiestrahls innerhalb eines Arbeitsbereichs einer Fertigungseinrichtung der hier angesprochenen Art verwendet werden. Daher kann ein solcher akustoopti scher Deflektor in besonders geeigneter Weise zur Erzeugung eines quasi statischen Intensitätsprofils in dem Strahlbereich verwendet werden.
Moderne akustoopti sehe Deflektoren lenken den Energiestrahl mit einer Effizienz von mindestens 90 % in einen vorbestimmten Winkelbereich der ersten Beugungsordnung ab, sodass sie sich hervorragend als Ablenkeinrichtung für die hier vorgeschlagene Fertigungseinrichtung eignen. Entscheidend für die hohe Effizienz sind insbesondere das verwendete, für den Energiestrahl transparente Material sowie eine geeignet hohe Intensität der eingekoppelten Ultraschallwellen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Intensitätsbeeinflussungsparameter vorgegeben, indem der wenigstens eine akustoopti sehe Deflektor als akustoopti scher Modulator betrieben oder verwendet wird. Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass als Intensitätsbeeinflussungsparameter eine Intensität der in den transparenten Festkörper des wenigstens einen akustoopti sehen Deflektors eingekoppelten Schallwellen vorgegeben wird. Auf diese Weise kann sehr einfach die an die jeweilige Strahlposition abgelenkte Intensität des Energiestrahls beeinflusst werden. Insbesondere hängt bevorzugt die abgelenkte Intensität des Energiestrahls - vorzugsweise linear - von der in den transparenten Festkörper eingestrahlten Intensität der Schallwellen ab.
In bevorzugter Ausgestaltung weist die Ablenkeinrichtung zwei nicht parallel zueinander orientierte, vorzugsweise senkrecht zueinander orientierte akustoopti sehe Deflektoren auf. Somit ist vorteilhaft eine Ablenkung des Energiestrahls in zwei zueinander nicht parallele, insbesondere aufeinander senkrecht stehende Richtungen möglich. Die nicht parallel zueinander orientierten, vorzugsweise zueinander senkrecht orientierten akustoopti sehen Deflektoren sind vorzugsweise in Propagationsrichtung des Energiestrahls hintereinander angeordnet.
Mit „hinter“ ist hier insbesondere gemeint, dass ein hinter einem anderen Element angeordnetes Element bei einer Propagation des Energiestrahls entlang der Propagationsrichtung nach dem anderen Element von dem Energiestrahl erreicht wird, analog zu der oben gegebenen Definition für „vor“.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ablenkeinrichtung mindestens einen elektrooptischen Deflektor, vorzugsweise zwei nicht parallel, insbesondere senkrecht zueinander orientierte elektrooptische Deflektoren aufweist. Die Ablenkung elektrooptischer Deflektoren (EOD) basiert auf Brechung beim Durchgang eines optisch transparenten Materials. Mit einem oder zwei EODs können die zuvor genannten Ausführungsbeispiele mit akustoopti sehen Deflektoren modifiziert werden, indem jeweils einer oder zwei der akustoopti sehen Deflektoren durch ein EOD ersetzt werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um in dem mindestens einen akustoopti sehen Deflektor eine akustische Welle (Schallwelle), insbesondere eine stehende Welle, mit mindestens zwei akustischen Wellenlängen anzuregen und bevorzugt zumindest eine der akustischen Wellenlängen, insbesondere kontinuierlich oder in diskreten Schritten zu verändern.
Dies hat den Vorteil, dass zeitgleich zwei Strahlpositionen in Ablenkrichtung der Ablenkeinrichtung belichtet werden können, ohne dass der Bereich zwischen den beiden Strahlpositionen dem Laserstrahl ausgesetzt wird. Des Weiteren kann durch die Änderung einer der akustischen Wellenlängen, der Abstand der beiden Strahlpositionen zueinander verändert werden. Zusätzlich kann mittels Einstellung der Amplitude der beiden akustischen Wellen die Intensitätsverteilung des gebeugten Energiestrahls zwischen der ersten und der zweiten der Strahlpositionen eingestellt werden. Denkbar ist auch eine akustische Welle mit mehr als zwei akustischen Wellenlängen, so dass der gebeugte Energiestrahl zeitgleich an mehr als zwei Positionen geführt werden kann. So können die zwei oder mehr Positionen des Energiestrahls eine Linie aus überlappenden und/oder voneinander beabstandeten Strahlpositionen ausbilden. Allgemein ist ein Vorteil bei der Strahl Verlagerung mit einem AOD, dass ein Bereich zwischen Anfangsposition und Endposition durch Änderung der akustischen Wellenlängen in diskreten Schritten dem Laserstrahl nicht ausgesetzt wird, da die periodischen Änderungen im Brechungsindex im Wesentlichen ohne Ausbildung eines beugenden Übergangsverhaltens zeitlich ineinander übergehen. Entsprechend beschränkt sich der Energieeintrag auf die Anfangsposition und die Endposition; dies entspricht einem sprunghaften Wechsel in der akustoopti sehen Ablenkung.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um auch in einem zweiten akustoopti sehen Deflektor eine akustische Welle, insbesondere eine stehende Welle, mit mindestens zwei akustischen Wellenlängen anzuregen und bevorzugt zumindest eine der akustischen Wellenlängen, insbesondere kontinuierlich oder in diskreten Schritten zu verändern.
Dies erlaubt es, zusätzlich zu den vorgenannten Vorteilen, den gebeugten Energiestrahl zeitgleich an rasterförmig angeordnete Strahlpositionen zu führen. Im einfachsten Fall mit zwei senkrecht zueinander orientierten akustoopti sehen Deflektoren mit jeweils zwei unterschiedlichen Wellenlängen, lässt sich bspw. ein Raster aus vier Strahlpositionen erstellen, die an den Ecken eines Rechtecks angeordnet sind. Es sind jedoch auch kompliziertere Raster mit mehr als zwei Strahlpositionen in einer oder beiden Richtungen des Rasters denkbar. Des Weiteren lassen sich auch die Intensitätsverteilungen des gebeugten Energiestrahls durch Einstellung der Amplituden der mehreren akustischen Wellenlängen in jedem der akustoopti sehen Deflektoren unabhängig voneinander einstellen. Auch die Orientierung kann der akustoopti sehen Deflektoren zueinander kann verändert werden, wodurch sich mit vier Strahlpositionen beispielweise rauten- oder parallelogrammförmige Raster ausbilden lassen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fertigungseinrichtung in Propagationsrichtung des Energiestrahls hinter der Ablenkeinrichtung und vor der Scannereinrichtung einen Separationsspiegel aufweist, der eingerichtet ist, um einen Teilstrahl nullter Ordnung des Energiestrahls von einem Teilstrahl erster Ordnung zu trennen. Insbesondere wenn die Ablenkeinrichtung einen akustoopti sehen Deflektor aufweist, erzeugt sie aufgrund ihrer Ausgestaltung analog zu einem optischen Gitter einen ungebeugten Teilstrahl nullter Ordnung sowie einen gebeugten oder abgelenkten Teilstrahl erster Ordnung. Zur Bestrahlung des Arbeitsbereichs soll lediglich der Teilstrahl erster Ordnung verwendet werden. Mithilfe des Separationsspiegels ist es nun vorteilhaft möglich, die Teilstrahlen verschiedener Ordnung voneinander zu trennen und dabei nur den Teilstrahl erster Ordnung zu dem Arbeitsbereich, insbesondere zu der Scannereinrichtung, durchzulassen. Der Teilstrahl nullter Ordnung wird vorzugsweise durch den Separationsspiegel in eine Strahlfalle umgelenkt.
Diese Darstellung ist korrekt für die Verwendung genau eines akustoopti sehen Deflektors. Wenn in bevorzugter Ausgestaltung zwei nicht parallel zueinander orientierte, vorzugsweise senkrecht zueinander orientierte akustoopti sehe Deflektoren verwendet werden, so sind auch die entsprechenden Beugungsordnungen kumulativ zu betrachten: Als Nutzstrahl soll letztlich der Teil strahl verwendet werden, der zunächst als Teil strahl erster Ordnung des ersten akustoopti sehen Deflektors auf den zweiten akustoopti sehen Deflektor trifft, und dann wiederum als Teilstrahl erster Ordnung von dem zweiten akustoopti sehen Deflektor gebeugt wird. Der Nutzstrahl als „Teilstrahl erster Ordnung“ ist in diesem Fall quasi ein Teilstrahl erster erster Ordnung. Um die Darstellung einfach zu halten, wird gleichwohl im Folgenden stets nur von der ersten Ordnung gesprochen.
Insbesondere weist der Separationsspiegel bevorzugt in einer für den Energiestrahl reflektierenden Fläche eine Durchgangsbohrung auf, durch welche der Teilstrahl erster Ordnung den Separationsspiegel zu dem Arbeitsbereich, insbesondere zu der Scannereinrichtung hin, passiert. Der Teilstrahl nullter Ordnung - sowie vorzugsweise auch unerwünschte Teilstrahlen höherer Ordnung als der ersten Ordnung - treffen dagegen auf die reflektierende Fläche und werden durch den Separationsspiegel in die Strahlfalle umgelenkt.
Bevorzugt ist der Separationsspiegel in der Umgebung eines Zwischenfokus eines Teleskops angeordnet. Dies ermöglicht eine besonders saubere Trennung der Teilstrahlen verschiedener Ordnung.
Bevorzugt ist der Separationsspiegel nicht genau im Zwischenfokus des Teleskops angeordnet, insbesondere um eine Beschädigung des Separationsspiegels durch eine zu hohe Leistungsdichte des Energiestrahls zu vermeiden.
Vorzugsweise ist der Separationsspiegel in einem Abstand von einem Fünftel der Brennweite des Teleskops zu dem Zwischenfokus entlang der Propagationsrichtung versetzt angeordnet, vorzugsweise in Propagationsrichtung vor dem Zwischenfokus. Dies gewährleistet zugleich einerseits eine saubere Trennung der verschiedenen Teilstrahlen verschiedener Ordnung und andererseits eine hinreichend niedrige Leistungsdichte des Energiestrahls auf dem Separationsspiegel, um dessen Beschädigung durch den Energiestrahl zu vermeiden. Das Teleskop ist vorzugsweise ein 1:1 Teleskop, weist also insbesondere weder eine strahlverkleinernde noch strahlvergrößernde Eigenschaft auf. Insbesondere erfüllt das Teleskop zwei Aufgaben, nämlich neben der Separation der verschiedenen Teil strahlen verschiedener Ordnung noch vorzugsweise zusätzlich die Abbildung eines Strahldrehpunktes, auch als Pivot- Punkt bezeichnet, auf einen Punkt in Propagationsrichtung hinter dem Teleskop, wobei der abgebildete Strahl drehpunkt bevorzugt entweder auf einen Pivot-Punkt der nachfolgenden Scannereinrichtung oder auf einem Punkt kleinster Apertur zu liegen kommt.
Auch diese Betrachtung gilt streng genommen nur für die Verwendung eines einzigen akustoopti sehen Deflektors. Werden zwei nicht parallel zueinander orientierte, vorzugsweise senkrecht zueinander orientierte akustoopti sehe Deflektoren verwendet, ergeben sich zwei Strahl drehpunkte, nämlich in jedem akustoopti sehen Deflektor ein Strahl drehpunkt. Werden die beiden akustoopti sehen Deflektoren allerdings so nah wie möglich in Propagationsrichtung hintereinander angeordnet, kann in guter Näherung ein einzelner, gedachter gemeinsamer Strahl drehpunkt angenommen werden, der dann zwischen den akustoopti sehen Deflektoren angeordnet ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Scannereinrichtung mindestens einen Scanner, insbesondere einen Galvanometer-Scanner, Piezoscanner, Polygonscanner, MEMS-Scanner, und/oder einen relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbaren Arbeitskopf oder Bearbeitungskopf aufweist. Die hier vorgeschlagenen Scannereinrichtungen sind in besonderer Weise geeignet, den Energiestrahl innerhalb des Arbeitsbereichs zwischen einer Mehrzahl von Bestrahlungspositionen zu verlagern.
Unter einem relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbaren Arbeitskopf oder Bearbeitungskopf wird hier insbesondere ein integriertes Bauteil der Fertigungseinrichtung verstanden, welches mindestens einen Strahlungsauslass für mindestens einen Energiestrahl aufweist, wobei das integrierte Bauteil, das heißt der Arbeitskopf, als Ganzes entlang zumindest einer Verlagerungsrichtung, vorzugsweise entlang zweier senkrecht aufeinander stehenden Verlagerungsrichtungen, relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbar ist. Ein solcher Arbeitskopf kann insbesondere in Portalbauweise ausgebildet sein, oder von einem Roboter geführt werden. Insbesondere kann der Arbeitskopf als Roboterhand eines Roboters ausgebildet sein. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strahlerzeugungseinrichtung als Laser ausgebildet ist. Der Energiestrahl wird somit vorteilhaft als intensiver Strahl kohärenter elektromagnetischer Strahlung, insbesondere kohärenten Lichts, erzeugt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fertigungseinrichtung eingerichtet ist zum selektiven Lasersintem. Alternativ oder zusätzlich ist die Fertigungseinrichtung eingerichtet zum selektiven Laserschmelzen. Diese Ausgestaltungen der Fertigungseinrichtung haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fertigungseinrichtung eingerichtet ist, dass die Zeitskala, auf welcher der Energiestrahl durch die Ablenkeinrichtung abgelenkt werden kann, um einen Faktor von 10 bis 1000, vorzugsweise von 20 bis 200, vorzugsweise von 40 bis 100, oder mehr, kleiner ist, als die Zeitskala, auf der eine Ablenkung des Energiestrahls durch die Scannereinrichtung erfolgt. Selbstverständlich könnte zusätzlich zur Ablenkeinrichtung auch die Scannereinrichtung mit einer sehr hohen Dynamik in der gleichen Größenordnung wie die Ablenkeinrichtung ausgestattet werden, allerdings rechtfertigen die damit erzielbaren Produktivitätsgewinne die hierfür notwendigen Zusatzkosten üblicherweise nicht, so dass es bspw. ausreicht, wenn die Scannereinrichtung eines der zuvor genannten Ausführungsbeispiele aufweist und lediglich die Ablenkeinrichtung auf einer der o.g. kürzeren Zeitskalen abgelenkt werden kann.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum Erzeugen eines bestimmten Intensitätsprofils eines Energiestrahls in einem Strahlbereich auf einem Arbeitsbereich einer Fertigungseinrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial geschaffen wird. Das bestimmte Intensitätsprofil wird dabei in einer ersten Alternative erzeugt, indem der Energiestrahl innerhalb des Strahlbereichs verlagert wird und wenigstens ein Betriebsparameter für den Energiestrahl vorgegeben wird, wobei der wenigstens eine Betriebsparameter ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: einer Verweilzeit an einer Strahlposition in dem Strahlbereich, einer Strahlpositionendichteverteilung in dem Strahlbereich, einer Häufigkeitsverteilung der Strahlpositionen in dem Strahlbereich, und einem Intensitätsbeeinflussungsparameter zur Beeinflussung der jeweils an die Strahlpositionen abgelenkten Intensität des Energiestrahls. Das bestimmte Intensitätsprofil wird in einer zweiten Alternative oder zusätzlich erzeugt, indem der Energiestrahl aufgeteilt wird, wodurch der Energiestrahl zeitgleich an zumindest zwei Strahlpositionen verlagert wird, wobei der Abstand dieser zwei Strahlpositionen in zumindest eine Richtung variabel einstellbar ist. In Zusammenhang mit dem Verfahren ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Fertigungseinrichtung erläutert wurden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zusätzlich eine bestimmte Form des Strahlbereichs durch Vorgabe des wenigstens einen Betriebsparameters erzeugt wird. Somit kann in sehr flexibler Weise einerseits das Intensitätsprofil und andererseits die bestimmte Form des Strahlbereichs erzeugt werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Form des Strahlbereichs und/oder das Intensitätsprofil verändert wird/werden, indem der wenigstens eine Betriebsparameter variiert wird. Somit kann der Strahlbereich bezüglich seiner Form und/oder bezüglich seines Intensitätsprofils sehr flexibel, insbesondere auf bestehende Anforderungen und/oder zur Produktivitätssteigerung angepasst werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Intensitätsprofil zusätzlich durch Veränderung der durch die Strahlerzeugungseinrichtung bereitgestellten Intensität des Energiestrahls, insbesondere durch Ansteuerung der Strahlerzeugungseinrichtung erzeugt, vorzugsweise verändert wird. Vorteilhaft steht so ein weiterer Freiheitsgrad zur Beeinflussung der Intensität des Energiestrahls zur Verfügung. Eine solche Beeinflussung ist in besonders einfacher Weise möglich, wenn als Strahlerzeugungseinrichtung ein Laser verwendet wird, bei dem die Intensität des erzeugten Energiestrahls leicht und schnell verändert werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zeitskala, auf welcher der Energiestrahl innerhalb des Strahlbereichs durch eine Ablenkeinrichtung abgelenkt wird, um einen Faktor von 10 bis 1000, vorzugsweise von 20 bis 200, vorzugsweise von 40 bis 100, oder mehr, kleiner ist, als die Zeitskala, auf der eine Ablenkung des Energiestrahls durch eine Scannereinrichtung erfolgt. Im Zusammenhang mit diesem Verfahren ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in der Ausführungsform der Fertigungseinrichtung beschrieben wurden.
Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial geschaffen wird. Im Rahmen des Verfahrens wird eine erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung oder eine Fertigungseinrichtung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele verwendet. Alternativ oder zusätzlich wird im Rahmen des Verfahrens ein erfmdungsgemäßes Verfahren zum Erzeugen eines bestimmten Intensitätsprofils eines Energiestrahls oder ein solches Verfahren nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen angewendet. In Zusammenhang mit dem Verfahren zum additiven Herstellen ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Fertigungseinrichtung und/oder dem Verfahren zum Erzeugen eines bestimmten Intensitätsprofils beschrieben wurden.
In bevorzugter Ausgestaltung wird/werden die Form des Strahlbereichs und/oder das Intensitätsprofil während der Herstellung des Bauteils, insbesondere innerhalb des Arbeitsbereichs, insbesondere innerhalb einer selben Pulvermaterialschicht beim schichtweisen Aufbauen eines Bauteils, durch Variation des wenigstens einen Betriebsparameters verändert.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Fertigungseinrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial;
Figur 2 eine schematische Darstellung verschiedener Intensitätsprofile,
Figur 3 eine schematische Darstellung einer Mehrzahl verschiedener Formen eines
Strahlbereichs, und
Figur 4 eine Skizze zur Erläuterung einer elektrooptischen Ablenkung bei der generativen Fertigung.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Fertigungseinrichtung 1, die eingerichtet ist zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial. Die Fertigungseinrichtung 1 weist eine Strahlerzeugungseinrichtung 3 auf, die eingerichtet ist zum Erzeugen eines Energiestrahls 5. Außerdem weist die Fertigungseinrichtung 1 eine Scannereinrichtung 7 auf, die eingerichtet ist, um den Energiestrahl 5 innerhalb eines Arbeitsbereichs 9 an eine Mehrzahl von Bestrahlungspositionen 11 zu verlagern, um mittels des Energiestrahls 5 ein Bauteil aus dem in dem Arbeitsbereich 9 angeordneten Pulvermaterial herzustellen.
Die Fertigungseinrichtung 1 weist eine Ablenkeinrichtung 13 auf, die eingerichtet ist, um den Energiestrahl 5 an einer Bestrahlungsposition 11 der Mehrzahl von Bestrahlungspositionen 11 innerhalb eines Strahlbereichs 15 an eine Mehrzahl von Strahlpositionen 17 zu verlagern. Die Fertigungseinrichtung 1 weist eine Steuereinrichtung 19 auf, die mit der Ablenkeinrichtung 13 wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Ablenkeinrichtung 13 anzusteuern, und um ein bestimmtes Intensitätsprofil in dem Strahlbereich 15 durch Vorgabe von wenigstens einem Betriebsparameter der Ablenkeinrichtung 13 zu erzeugen. Der wenigstens eine Betriebsparameter ist dabei ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus: Einer Verweilzeit an einer Strahlposition 17, einer Strahlpositionendichteverteilung in dem Strahlbereich 15, einer Häufigkeitsverteilung der Strahlpositionen 17, und einem Intensitätsbeeinflussungsparameter zur Beeinflussung der jeweils an die Strahlpositionen 17 abgelenkten Intensität des Energiestrahls 5.
Auf diese Weise ist es in einfacher und äußerst flexibler Weise möglich, ein bestimmtes Intensitätsprofil insbesondere als quasi statisches Intensitätsprofil darzustellen, wobei insbesondere auch komplexe Intensitätsprofile ohne weiteres dargestellt werden können, die ansonsten mit konventionellen stahlformenden Elementen, insbesondere als statische Intensitätsprofile, nur schwer oder gar nicht dargestellt werden könnten.
Der wenigstens eine Betriebsparameter der Ablenkeinrichtung ist insbesondere ein Verlagerungsparameter oder ein Intensitätsbeeinflussungsparameter.
Die Steuereinrichtung 19 ist insbesondere eingerichtet, um das Intensitätsprofil durch Variation des wenigstens einen Betriebsparameters zu verändern.
Die Steuereinrichtung 19 ist insbesondere eingerichtet, um das Intensitätsprofil als gaußförmiges, nicht-gaußförmiges, konstantes, asymmetrisches oder verzerrtes Intensitätsprofil zu erzeugen. Die Steuereinrichtung 19 ist insbesondere eingerichtet, um zusätzlich eine Form des Strahlbereichs 15 vorzugeben, wobei die Steuereinrichtung 19 insbesondere eingerichtet ist, um ein Strahlprofil, umfassend die Form des Strahlbereichs 15 und das Intensitätsprofil in dem Strahlbereich 15, durch Ansteuerung der Ablenkeinrichtung 13 vorzugeben.
Die Steuereinrichtung 19 ist insbesondere eingerichtet, um das Intensitätsprofil und/oder die Form des Strahlbereichs 15 während der Herstellung eines Bauteils, insbesondere innerhalb des Arbeitsbereichs 9, durch Variation des wenigstens einen Betriebsparameters zu verändern. Insbesondere kann dies innerhalb einer selben Pulvermaterialschicht durchgeführt werden, beispielsweise um verschiedene Bereiche der Pulvermaterialschicht, insbesondere einen Hüllbereich einerseits und einen inneren Bereich andererseits, mit verschiedenen Intensitätsprofilen und/oder Formen des Strahlbereichs zu beaufschlagen. Das Intensitätsprofil und/oder die Form des Strahlbereichs kann/können alternativ oder zusätzlich insbesondere abhängig davon gewählt werden, ob eine Kontur, ein Kern, ein Überhangbereich, ein Deckschichtbereich, oder ein Volumenbereich des entstehenden Bauteils bearbeitet wird.
Die Ablenkeinrichtung 13 ist insbesondere in Propagationsrichtung des Energiestrahls 5 vor der Scannereinrichtung 7 angeordnet.
Die Ablenkeinrichtung 13 weist insbesondere mindestens einen akustoopti sehen Deflektor 21, hier insbesondere zwei nicht parallel zueinander orientierte, vorzugsweise senkrecht zueinander orientierte akustoopti sehe Deflektoren 21, nämlich einen ersten akustoopti sehen Deflektor 21.1 und einen zweiten akustoopti sehen Deflektor 21.2, auf. Die hier insbesondere senkrecht zueinander orientierten akustoopti sehen Deflektoren 21 erlauben eine Ablenkung des Energiestrahls 5 in zwei senkrecht aufeinander stehenden Richtungen und damit insbesondere ein flächiges Abscannen des Strahlbereichs 15. Die akustoopti sehen Deflektoren 21 werden bevorzugt zusätzlich als akustoopti sehe Modulatoren angesteuert, und/oder es wird die Intensität von in den transparenten Festkörper wenigstens eines akustoopti sehen Deflektors 21 der beiden akustoopti sehen Deflektoren 21 eingekoppelten Schallwellen variiert, um die Intensität des Energiestrahls 5 zu variieren.
Die Fertigungseinrichtung 1 weist außerdem in Propagationsrichtung des Energiestrahls 5 hinter der Ablenkeinrichtung 13 und vor der Scannereinrichtung 7 einen Separationsspiegel 23 auf, der eingerichtet ist, um einen Teilstrahl nullter Ordnung von einem Teilstrahl erster Ordnung des Energiestrahls 5 zu trennen. Hierzu weist der Separationsspiegel 23 insbesondere eine Durchgangsbohrung 25 auf, die in einer für den Energiestrahl 5 reflektierenden Oberfläche 27 des Separationsspiegels 23 vorgesehen ist und den Separationsspiegel 23 vollständig durchdringt. Der in erwünschterWeise zu der Scannereinrichtung 7 weiterzuleitende Teilstrahl erster Ordnung wird dabei durch die Durchgangsbohrung 25 geleitet und gelangt so schließlich zu der Scannereinrichtung 7. Der unerwünschte Teilstrahl nullter Ordnung, sowie gegebenenfalls auch unerwünschte Teilstrahlen höherer Ordnung, treffen dagegen auf die reflektierende Oberfläche 27 und werden zu einer Strahlfalle 29 umgelenkt.
Der Separationsspiegel 23 ist insbesondere in der Umgebung eines Zwischenfokus 31 eines Teleskops 33 angeordnet, insbesondere nicht genau in einer Ebene des Zwischenfokus 31, besonders bevorzugt in einem Abstand von einem Fünftel der Brennweite des Teleskops 33 entlang der Propagationsrichtung versetzt, insbesondere vor dem Zwischenfokus 31. Hierdurch wird vorteilhaft eine Beaufschlagung der reflektierenden Oberfläche 27 mit einer zu hohen Leistungsdichte des Energiestrahls 5 vermieden.
Das Teleskop 33 weist bevorzugt eine erste Linse 35 und eine zweite Linse 37 auf. Es ist vorzugsweise als 1 : 1-Teleskop ausgebildet. Vorzugsweise weist das Teleskop 33 eine Brennweite von 500 mm auf.
Die Funktionsweise des Teleskops 33 ist vorzugsweise eine Zweifache: Zum einen ermöglicht das Teleskop 33 insbesondere bei der hier gewählten Anordnung des Separationsspiegels 23 eine besonders vorteilhafte und saubere Trennung der verschiedenen Ordnungen des durch die Ablenkeinrichtung 13 abgelenkten Energiestrahls 5; zum anderen bildet das Teleskop 33 bevorzugt einen gedachten, gemeinsamen Strahl drehpunkt 39 der Ablenkeinrichtung 13 vorteilhaft auf einen Pivot-Punkt 41 der Scannereinrichtung 7 ab.
Alternativ bildet das Teleskop 33 bevorzugt den Strahl drehpunkt 39 auf einen Punkt kleinster Apertur ab.
Um eine kompakte Anordnung der Fertigungseinrichtung 1 zu ermöglichen, wird der Energiestrahl 5 bevorzugt mehrfach durch Umlenkspiegel 43 umgelenkt.
Die Scannereinrichtung 7 weist bevorzugt mindestens einen Scanner, insbesondere Galvanometer- Scanner, Piezoscanner, Polygonscanner, MEMS-Scanner und/oder Arbeitskopf auf.
Die Strahlerzeugungseinrichtung 3 ist bevorzugt als Laser ausgebildet.
Die Fertigungseinrichtung 1 ist vorzugsweise eingerichtet zum selektiven Lasersintem und/oder zum selektiven Laserschmelzen.
Im Rahmen eines Verfahrens zum Erzeugen eines bestimmten Intensitätsprofils des Energiestrahls 5 in dem Strahlbereich 15 auf dem Arbeitsbereich 9 wird bevorzugt das bestimmte Intensitätsprofil erzeugt, indem der wenigstens eine Betriebsparameter für den Energiestrahl vorgegeben wird, der ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus der Verweilzeit an einer Strahlposition 17 in dem Strahlbereich 15, der Strahlpositionendichteverteilung in dem Strahlbereich 15, der Häufigkeitsverteilung der Strahlpositionen 17 in dem Strahlbereich 15, und einem Intensitätsbeeinflussungsparameter zur Beeinflussung der jeweils an die Strahlpositionen 17 abgelenkten Intensität des Energiestrahls 5.
Zusätzlich wird bevorzugt eine bestimmte Form des Strahlbereichs 15 durch Vorgabe des wenigstens einen Betriebsparameters erzeugt.
Die Form des Strahlbereichs 15 und/oder das Intensitätsprofil wird/werden bevorzugt verändert, indem der wenigstens eine Betriebsparameter variiert wird.
Im Rahmen eines Verfahrens zum additiven Herstellen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial wird bevorzugt die hier vorgeschlagene Fertigungseinrichtung 1 verwendet, und/oder es wird ein Verfahren der zuvor beschriebenen Art verwendet. Vorzugsweise wird/werden die Form des Strahlbereichs 15 und/oder das Intensitätsprofil während der Herstellung des Bauteils, insbesondere innerhalb des Arbeitsbereichs 9, durch Variation des wenigstens einen Betriebsparameters verändert.
Das Intensitätsprofil wird bevorzugt zusätzlich durch Veränderung der durch die Strahlerzeugungseinrichtung 3 bereitgestellten Intensität des Energiestrahls 5, insbesondere durch Ansteuerung der Strahlerzeugungseinrichtung 3 erzeugt, vorzugsweise verändert wird.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Mehrzahl von Intensitätsprofilen in dem Strahlbereich 15, wie sie beispielshaft mit der Ablenkeinrichtung 13 erzeugt werden können.
Dabei ist bei a) ein erstes, gaußförmiges Intensitätsprofil 45 dargestellt.
Bei b) ist ein zweites, nicht-gaußförmiges Intensitätsprofil 47 dargestellt, bei dem insbesondere das Maximum des Intensitätsprofils innerhalb des Strahlbereichs 15 verschoben ist, vorzugsweise zu einer Front einer Verlagerungsrichtung des Strahlbereichs 15 auf dem Arbeitsbereich 9 hin.
Bei c) ist ein drittes, asymmetrisches oder verzerrtes Intensitätsprofil 49 dargestellt, bei dem nicht nur insbesondere das Maximum innerhalb des Strahlbereichs 15 außermittig angeordnet ist, sondern zusätzlich auch das Intensitätsprofil rechtsseitig eine deutlich höhere Intensität aufweist als linksseitig in dem Strahlbereich 15.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Mehrzahl von Formen des Strahlbereichs 15. Dabei ist bei a) eine erste, kreisförmige Form 51 für den Strahlbereich 15 dargestellt. Bei b) ist eine zweite, polygonale, hier insbesondere hexagonale Form 53 für den Strahlbereich 15 dargestellt.
Bei c) ist eine dritte, rechteckige Form 55 für den Strahlbereich 15 dargestellt.
Bei d) ist eine vierte, langgestreckte Form 57 für den Strahlbereich 15 mit abgerundeten Enden dargestellt.
Bei e) ist schließlich eine fünfte, ringförmige, torusförmige oder donutförmige Form 59 für den Strahlbereich 15 dargestellt.
Fig. 4 zeigt schematisch eine einstellbare Ablenkung des Energiestrahls 5 mit einem EOD 131, wobei das optisch transparente Material des EOD 131 im Brechungsindex oder in einem Brechungsindexgradienten durch Anlegen einer Spannung einstellbar ist. In Abhängigkeit der angelegten Spannung variiert die Ablenkung eines Laserstrahls 133, der auf den EOD 131 bevorzugt wieder im Brewster-Winkel einfällt und aus diesem unter einem entsprechend einstellbaren Ablenkwinkel austritt. Ein so abgelenkter Laserstrahl 133 A könnte in der Anordnung der Fig. 1 der Scannereinrichtung 7 zugeführt werden. Eine Spannungsquelle 135 ermöglicht eine präzise Einstellung der Spannung, die beispielsweise in Fig. 3 zwischen Ober- und Unterseite des den EOD 131 bildenden prismenförmigen Kristalls anliegt. In Abhängigkeit der eingestellten Spannung kann der Brechungsindex oder der Brechungsindexgradient und damit die Ablenkung des Energiestrahls 5 eingestellt werden. Hinsichtlich des am EOD vorliegenden Brechungsverhaltens wird ergänzend auf „Electro-optic and acousto-optic laser beam Scanners“; Römer G.R.B.E. et al., Physics Procedia 56 (2014) 29 - 39 verwiesen.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Fertigungseinrichtung (1) zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial, mit einer Strahlerzeugungseinrichtung (3), die eingerichtet ist zum Erzeugen eines Energiestrahls (5), einer Scannereinrichtung (7), die eingerichtet ist, um den Energiestrahl (5) innerhalb eines Arbeitsbereichs (9) an eine Mehrzahl von Bestrahlungspositionen (11) zu verlagern, um mittels des Energiestrahls (5) ein Bauteil aus dem in dem Arbeitsbereich (9) angeordneten Pulvermaterial herzustellen, einer Ablenkeinrichtung (13), die eingerichtet ist, um den Energiestrahl (5) an einer Bestrahlungsposition (11) der Mehrzahl von Bestrahlungspositionen (11) innerhalb eines Strahlbereichs (15) an eine Mehrzahl von Strahlpositionen (17) zu verlagern, und mit einer Steuereinrichtung (19), die mit der Ablenkeinrichtung (13) wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Ablenkeinrichtung (13) anzusteuem, und um ein bestimmtes Intensitätsprofil in dem Strahlbereich (15) durch a.) eine Aufteilung des Energiestrahls (5) zu erzeugen, um den Energiestrahl (5) zeitgleich an zumindest zwei Strahlpositionen (17) zu verlagern, wobei der Abstand dieser zwei Strahlpositionen (17) in zumindest eine Richtung variabel einstellbar ist, und/oder durch b.) Verlagerung des Energiestrahls (5) innerhalb des Strahlbereichs (15) und durch Vorgabe von wenigstens einem Betriebsparameter der Ablenkeinrichtung (13) zu erzeugen, wobei der wenigstens eine Betriebsparameter ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einer Verweilzeit an einer Strahlposition (17), einer Strahlpositionendichteverteilung in dem Strahlbereich (15), einer Häufigkeitsverteilung der Strahlpositionen (17), und einem Intensitätsbeeinflussungsparameter zur Beeinflussung der jeweils an die Strahlpositionen (17) abgelenkten Intensität des Energiestrahls (5).
2. Fertigungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (19) eingerichtet ist, um das Intensitätsprofil durch Variation des wenigstens einen Betriebsparameters zu verändern.
3. Fertigungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Steuereinrichtung (19) eingerichtet ist, um das Intensitätsprofil als gaußförmiges, nicht gaußförmiges, konstantes, asymmetrisches oder verzerrtes Intensitätsprofil zu erzeugen.
4. Fertigungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Steuereinrichtung (19) eingerichtet ist, um zusätzlich eine Form des Strahlbereichs (15) durch Ansteuerung der Ablenkeinrichtung (13) vorzugeben, wobei die Steuereinrichtung (19) insbesondere eingerichtet ist, um ein Strahlprofil, umfassend die Form des Strahlbereichs und das Intensitätsprofil in dem Strahlbereich (15), durch Ansteuerung der Ablenkeinrichtung (13) vorzugeben.
5. Fertigungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Steuereinrichtung (19) eingerichtet ist, um das Intensitätsprofil und/oder die Form des
Strahlbereichs (15) während der Herstellung eines Bauteils, insbesondere innerhalb des Arbeitsbereichs (9), durch Variation des wenigstens einen Betriebsparameters zu verändern.
6. Fertigungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Ablenkeinrichtung (13) in Propagationsrichtung des Energiestrahls (5) vor der Scannereinrichtung (7) angeordnet ist.
7. Fertigungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Ablenkeinrichtung (13) mindestens einen akustoopti sehen Deflektor (21), vorzugsweise zwei nicht parallel zueinander orientierte, vorzugsweise senkrecht zueinander orientierte akustoopti sehe Deflektoren (21), aufweist.
8. Fertigungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Ablenkeinrichtung (13) mindestens einen elektrooptischen Deflektor (21), vorzugsweise zwei nicht parallel, insbesondere senkrecht zueinander orientierte elektrooptische Deflektoren (21) aufweist.
9. Fertigungseinrichtung (1) nach Anspruch 7, wobei die Steuereinrichtung (19) eingerichtet ist, um in dem mindestens einen akustoopti sehen Deflektor (21) eine akustische Welle, insbesondere eine stehende Welle, mit mindestens zwei akustischen Wellenlängen anzuregen und bevorzugt zumindest eine der akustischen Wellenlängen, insbesondere kontinuierlich oder in diskreten Schritten zu verändern.
10. Fertigungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fertigungseinrichtung (1) in Propagationsrichtung des Energiestrahls (5) hinter der Ablenkeinrichtung (13) und vor der Scannereinrichtung (7) einen Separationsspiegel (23) aufweist, der eingerichtet ist, um einen Teilstrahl nullter Ordnung von einem Teilstrahl erster Ordnung des Energiestrahls (5) zu trennen, wobei der Separationsspiegel (23) vorzugsweise in der Umgebung eines Zwischenfokus (31) eines Teleskops (33) angeordnet ist, insbesondere in einem Abstand von 1/5 der Brennweite zu dem Zwischenfokus (31) entlang der Propagationsrichtung versetzt.
11. Fertigungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Scannereinrichtung (7) mindestens einen Scanner, insbesondere einen Galvanometer-Scanner, Pi ezo- Scanner, Polygonscanner, MEMS-Scanner, und/oder einen relativ zum Arbeitsbereich (9) verlagerbaren Arbeitskopf aufweist.
12. Fertigungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Strahlerzeugungseinrichtung (3) als Laser ausgebildet ist.
13. Fertigungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Fertigungseinrichtung (1) eingerichtet ist zum selektiven Lasersintem und/oder zum selektiven Laserschmelzen.
14. Fertigungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zeitskala, auf welcher der Energiestrahl (5) durch die Ablenkeinrichtung (13) abgelenkt werden kann, um einen Faktor von 10 bis 1000, vorzugsweise von 20 bis 200, vorzugsweise von 40 bis 100, oder mehr, kleiner ist, als die Zeitskala, auf der eine Ablenkung des Energiestrahls (5) durch die Scannereinrichtung (7) erfolgt.
15. Verfahren zum Erzeugen eines bestimmten Intensitätsprofils eines Energiestrahls (5) in einem Strahlbereich (15) auf einem Arbeitsbereich (9) einer Fertigungseinrichtung (1) zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial, wobei das bestimmte Intensitätsprofil erzeugt wird, indem a) der Energiestrahl (5) aufgeteilt wird, wodurch der Energiestrahl (5) zeitgleich an zumindest zwei Strahlpositionen (17) verlagert wird, wobei der Abstand dieser zwei Strahlpositionen (17) in zumindest eine Richtung variabel einstellbar ist, und/oder indem b) der Energiestrahl (5) innerhalb des Strahlbereichs (15) verlagert wird und wenigstens ein Betriebsparameter für den Energiestrahl (5) vorgegeben wird, wobei der wenigstens eine Betriebsparameter ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einer Verweilzeit an einer Strahlposition (17) in dem Strahlbereich (15), einer Strahlpositionendichteverteilung in dem Strahlbereich (15), einer Häufigkeitsverteilung der Strahlpositionen (17) in dem Strahlbereich (15), und einem Intensitätsbeeinflussungsparameter zur Beeinflussung der jeweils an die Strahlpositionen (17) abgelenkten Intensität des Energiestrahls (5).
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei zusätzlich eine bestimmte Form des Strahlbereichs (15) durch Vorgabe des wenigstens einen Betriebsparameters erzeugt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 und 16, wobei die Form des Strahlbereichs (15) und/oder das Intensitätsprofil verändert wird, indem der wenigstens eine Betriebsparameter variiert wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei das Intensitätsprofil zusätzlich durch Veränderung der durch die Strahlerzeugungseinrichtung (3) bereitgestellten Intensität des Energiestrahls (5), insbesondere durch Ansteuerung der Strahlerzeugungseinrichtung (3) erzeugt, vorzugsweise verändert wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die Zeitskala, auf welcher der Energiestrahl (5) innerhalb des Strahlbereichs (15) durch eine Ablenkeinrichtung (13) abgelenkt wird, um einen Faktor von 10 bis 1000, vorzugsweise von 20 bis 200, vorzugsweise von 40 bis 100, oder mehr, kleiner ist, als die Zeitskala, auf der eine Ablenkung des Energiestrahls (5) durch eine Scannereinrichtung (7) erfolgt.
20. Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial, wobei eine Fertigungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 verwendet wird, und/oder unter Anwendung eines Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei vorzugsweise die Form des Strahlbereichs (15) und/oder das Intensitätsprofil während der Herstellung des Bauteils, insbesondere innerhalb des Arbeitsbereichs, durch Variation des wenigstens einen Betriebsparameters verändert wird/werden.
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