EP4185430A1

EP4185430A1 - Verfahren zum sprunghaften verlagern eines kontinuierlichen energiestrahls und fertigungseinrichtung

Info

Publication number: EP4185430A1
Application number: EP21754725.6A
Authority: EP
Inventors: Wilhelm Meiners; Philipp Wagenblast; Valentin BLICKLE; Matthias Allenberg-Rabe; Jonas Grünewald
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik SE
Priority date: 2020-07-21
Filing date: 2021-07-21
Publication date: 2023-05-31
Also published as: US20230158571A1; WO2022018146A1; WO2022018150A1; CN116133777A; EP4185427A1; US20230173609A1

Abstract

In einem Verfahren zum Verlagern eines kontinuierlichen Energiestrahls (5) entlang eines durch eine Abfolge von Strahlpositionen (17) ausgebildeten Bestrahlungspfads (101) ist der Bestrahlungspfads (101) dazu vorgesehen, in einem Arbeitsbereich (9) einer Fertigungseinrichtung (1) ein Pulvermaterial (2) in einer Pulverschicht zu verfestigen. Im Verfahren erfolgt ein Einstrahlen des kontinuierlichen Energiestrahls (5) auf das Pulvermaterial (2), um im Rahmen eines additiven Fertigungsverfahrens eine Schicht eines Bauteils (4) zu formen. Ferner erfolgt ein Verlagern des Energiestrahls (5) innerhalb des Arbeitsbereichs (9) durch ein Überlagern einer optischen Ablenkung des Energiestrahls (5) mit einer Ablenkeinrichtung (13) und einer mechanischen Ablenkung des Energiestrahls (5) mit einer Scannereinrichtung (7). Die mechanische Ablenkung ist dazu ausgebildet, den Energiestrahl (5) an einer Mehrzahl von im Arbeitsbereich (9) angeordneten Bestrahlungspositionen (11) zu positionieren, wobei die Bestrahlungspositionen (11) den Arbeitsbereich (9) im Wesentlichen aufspannen. Die optische Ablenkung ist dazu ausgebildet, den Energiestrahl (5) um jede der Bestrahlungspositionen (11) innerhalb eines Strahlbereichs (15) der Ablenkeinrichtung (13) auf mindestens eine Strahlposition der Abfolge von Strahlpositionen (17) abzulenken. Die optische Ablenkung und die mechanische Ablenkung werden zeitgleich oder aufeinanderfolgend verändert, um die Abfolge von Strahlpositionen (17) mit dem Energiestrahl (5) abzutasten. Ferner erfolgt ein Ansteuern der Ablenkeinrichtung (13) und der Scannereinrichtung (7) derart, dass der Energiestrahl (5) nacheinander Unterabfolgen, die jeweils mindestens eine Strahlposition der Abfolge von Strahlpositionen (17) des Bestrahlungspfads (101) umfassen, abtastet, wobei durch eine sprunghafte Veränderung der optischen Ablenkung ein Bereich zwischen den beabstandeten Unterabfolgen vom Energiestrahl (5) übersprungen wird, sodass nacheinander räumlich voneinander beabstandete Unterabfolgen vom Energiestrahl eingenommen werden.

Description

VERFAHREN ZUM SPRUNGHAFTEN VERLAGERN EINES KONTINUIERLICHEN ENERGIESTRAHLS UND FERTIGUNGSEINRICHTUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Verlagern eines kontinuierlichen Energie strahls entlang eines durch eine Abfolge von Strahlpositionen ausgebildeten Bestrahlungs pfads. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial.

Die laserbasierte additive (auch generative) Fertigung von, insbesondere metallischen oder keramischen, Bauteilen basiert auf einem Verfestigen eines in Pulverform vorliegenden Aus gangsmaterials durch die Bestrahlung mit Laserlicht. Beim additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial wird typischerweise ein Energiestrahl wie ein Laserstrahl an vorbe stimmte Bestrahlungspositionen eines Arbeitsbereichs - insbesondere entlang eines vorbe stimmten Bestrahlungspfads - verlagert, um in dem Arbeitsbereich angeordnetes Pulvermate rial lokal zu verfestigen. Dies wird insbesondere schichtweise in aufeinanderfolgend in dem Arbeitsbereich angeordneten Pulvermaterialschichten wiederholt, um schließlich ein dreidi mensionales Bauteil aus verfestigtem Pulvermaterial zu erhalten.

Additive Fertigungsverfahren sind auch bekannt als Pulverbett-basierte Verfahren zum Her stellen von Bauteilen in einem Pulverbett, selektives Laserschmelzen, selektives Lasersintem, Laser-Metall-Fusionieren (Laser Metal Fusion - LMF), direktes Metall-Laser-Schmelzen (Di rect Metal Laser Melting - DMLM), Laser Net Shaping Manufacturing (LNSM), und Laser Engineered Net Shaping (LENS). Die hierin offenbarten Fertigungseinrichtung sind demnach insbesondere eingerichtet zur Durchführung von wenigstens einem der zuvor genannten addi tiven Fertigungsverfahren.

Die hierin offenbarten Konzepte können unter anderem in Maschinen für den (metallischen) 3D-Druck eingesetzt. Eine beispielhafte Maschine zur Herstellung von dreidimensionalen Produkten ist in der EP 2 732 890 Al offenbart. Die Vorteile der additiven (generativen) Fer tigung sind allgemein eine einfache Herstellung von komplexen und individuell erstellbaren Bauteilen. Dabei können insbesondere definierte Strukturen im Innenraum und/oder kraftflus soptimierte Strukturen realisiert werden. In die Wechselwirkung des Energiestrahls mit dem Pulvermaterial gehen seitens des Energie strahls Parameter wie Intensität/Energie, Strahldurchmesser, Abtastgeschwindigkeit, Verweil dauer an einem Ort sowie seitens des Pulvermaterialtyps Parameter wie Korngrößenverteilung und chemische Zusammensetzung ein. Ferner gehen hinsichtlich des Energieeintrags thermi sche Parameter ein, die sich unter anderem aus der Umgebung der Wechselwirkungszone er geben. So leiten bereits verfestigte Bereiche bereits erzeugter Schichten des Bauteils sowie bereits verfestigte, an die Wechselwirkungszone angrenzende Bereiche der gleichen Schicht die eingebrachte Wärme besser ab, als nicht (oder noch nicht) verschmolzenes Pulvermaterial, das sich unter eine Struktur des Bauteils oder in der gleichen Schicht befinden kann. Überhitzt aufgeschmolzenes Pulvermaterial, können sich Tropfen aus der Schmelze lösen/aufspritzen, wodurch sie allgemein die Produktqualität und den Herstellungsprozess nachteilig beeinflus sen können.

Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, Bestrahlungskonzepte und insbesondere Bestrahlungspfade zu ermöglichen, die über die Einschränkungen einer konven tionellen Scannereinrichtung hinausgehen. Insbesondere soll ein Überhitzen des aufgeschmol zenen Pulvers unabhängig vom Verlauf des Bestrahlungspfades vermieden werden, wobei dies möglichst auch beim Einbringen hoher Energien gewährleistet sein soll. Ferner liegt eine Aufgabe darin, Verfahren zum flexibel einstellbaren Verlagern eines kontinuierlichen Ener giestrahls entlang eines Bestrahlungspfad sowie eine Vorrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial zur Umsetzung derartiger Verfahren anzugeben.

Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und durch eine Fertigungseinrichtung nach Anspruch 14. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

In einem Aspekt weist ein Verfahren zum Verlagern eines kontinuierlichen Energiestrahls entlang eines durch eine Abfolge von Strahlpositionen ausgebildeten Bestrahlungspfads, der dazu vorgesehen ist, in einem Arbeitsbereich einer Fertigungseinrichtung ein Pulvermaterial in einer Pulverschicht zu verfestigen, die folgenden Schritte auf:

Einstrahlen des kontinuierlichen Energiestrahls auf das Pulvermaterial, um im Rahmen eines additiven Fertigungsverfahrens eine Schicht eines Bauteils zu formen; und Verlagern des Energiestrahls innerhalb des Arbeitsbereichs durch ein Überlagern einer optischen Ablenkung des Energiestrahls mit einer Ablenkeinrichtung und einer mechanischen Ablenkung des Energiestrahls mit einer Scannereinrichtung, wobei die mechanische Ablenkung dazu ausgebildet ist, den Energiestrahl an einer Mehrzahl von im Arbeitsbereich angeordneten Bestrahlungspositionen zu positionieren, wobei die Bestrahlungspositionen den Arbeitsbereich im Wesentlichen aufspannen, und die optische Ablenkung dazu ausgebildet ist, den Energiestrahl um jede der Bestrah lungspositionen innerhalb eines Strahlbereichs der Ablenkeinrichtung auf mindestens eine Strahlposition der Abfolge von Strahlpositionen abzulenken, wobei die optische Ablenkung und die mechanische Ablenkung zeitgleich oder aufeinander folgend verändert werden, um die Abfolge von Strahlpositionen mit dem Energiestrahl abzu tasten.

Allgemein ist hierin der Strahlbereich durch ein maximales Ausmaß der optischen Ablenkung der Ablenkeinrichtung gegeben.

Das skizzierte Verfahren kann in einem weiteren Aspekt ferner den Schritt umfassen:

Ansteuern der Ablenkeinrichtung und der Scannereinrichtung derart, dass der Energiestrahl nacheinander Einterabfolgen, die jeweils mindestens eine Strahlposition der Abfolge von Strahlpositionen des Bestrahlungspfads umfassen, abtastet, wobei durch eine sprunghafte Veränderung der optischen Ablenkung ein Bereich zwischen den beabstandeten Einterabfolgen vom Energiestrahl übersprungen wird, sodass nacheinander räumlich vonei nander beabstandete, insbesondere thermisch entkoppelte, Einterabfolgen vom Energiestrahl eingenommen werden.

Allgemein kann das skizzierte Verfahren in einem weiteren Aspekt ferner den Schritt umfas sen, den Energiestrahl sprunghaft an eine Mehrzahl von diskreten Strahlpositionen zu verla gern.

In einem weiteren Aspekt umfasst eine Fertigungseinrichtung zum additiven Fertigen eines Bauteils aus einem Pulvermaterial, das in einem Arbeitsbereich bereitgestellt wird: eine Strahlerzeugungseinrichtung, die eingerichtet ist zum Erzeugen eines kontinuierli chen Energiestrahls zum Bestrahlen des Pulvermaterials, eine Scannereinrichtung, die für eine mechanische Ablenkung eingerichtet ist, um den Energiestrahl an einer Mehrzahl von Bestrahlungspositionen zu positionieren, wobei die Be strahlungspositionen den Arbeitsbereich im Wesentlichen aufspannen, eine Ablenkeinrichtung, die für eine optische Ablenkung eingerichtet ist, um den Energiestrahl um jede der Bestrahlungspositionen innerhalb eines Strahlbereichs auf mindes tens eine Strahlposition der Abfolge von Strahlpositionen abzulenken, und eine Steuereinrichtung, die mit der Scannereinrichtung und der Ablenkeinrichtung wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Ablenkeinrichtung und die Scannereinrichtung derart anzusteuem, dass die optische Ablenkung und die mechanische Ablenkung zeitgleich oder aufeinanderfolgend verändert werden, um mit dem kontinuierlichen Energiestrahl einen durch eine Abfolge der Strahlpositionen ausgebildeten Bestrahlungspfad abzutasten, wobei der Bestrahlungspfad dazu vorgesehen ist, im Arbeitsbereich das Pulvermaterial in einer Pul verschicht zu verfestigen.

Bei der skizzierten Fertigungseinrichtung kann die Steuereinrichtung in einem weiteren As pekt ferner dazu eingerichtet sein, die Ablenkeinrichtung und die Scannereinrichtung derart anzusteuern, dass der Energiestrahl nacheinander Einterabfolgen, die jeweils mindestens eine Strahlposition der Abfolge von Strahlpositionen des Bestrahlungspfads umfassen, abtastet, wobei durch eine sprunghafte Veränderung der optischen Ablenkung ein Bereich zwischen den beabstandeten Einterabfolgen vom Energiestrahl übersprungen wird, sodass nacheinander räumlich voneinander beabstandete, insbesondere thermisch entkoppelte, Einterabfolgen vom Energiestrahl eingenommen werden.

In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann mindestens eines von

- einer Anzahl von Unterabfolgen entlang des Bestrahlungspfads,

- einer Anzahl von Strahlpositionen in einer der Unterabfolgen und

- ein räumlicher Abstand zwischen nacheinander eingenommenen Unterabfolgen unter Berücksichtigung/Gewährleistung des Abflusses der mit dem Energiestrahl in die Unter abfolgen eingetragenen Energie, insbesondere einer Limitierung der mit dem Energiestrahl in die Unterabfolgen eingetragenen Energie oder Bestrahlungsdauer, bestimmt werden.

In einigen Weiterbildungen des Verfahrens können die Ablenkeinrichtung und die Scanner einrichtung derart angesteuert werden, dass aneinander angrenzende Strahlpositionen des Be strahlungspfads zeitlich nicht aufeinanderfolgend eingenommen werden. In einigen Weiterbildungen des Verfahrens und/oder der Fertigungseinrichtung kann die Ab lenkeinrichtung in einem für den Energiestrahl vorgesehenen Durchtrittsbereich ein optisches, insbesondere transparentes, Material umfassen, das optische Eigenschaften aufweist, die zum Bewirken der optischen Ablenkung eingestellt werden können. Die Ablenkeinrichtung kann insbesondere einen Kristall umfassen, in dem zum Bewirken der optischen Ablenkung eine akustische Welle mit einer akustischen Wellenlänge ausgebildet wird oder ein Brechungsin dex oder ein Brechungsindexgradient eingestellt wird.

In einigen Weiterbildungen kann das Verfahren die folgenden weiteren Schritte umfassen:

- Anregen einer akustischen Welle mit einer akustischen Wellenlänge im optischen Material zur Ausbildung eines akusto-optischen Beugungsgitters,

- Einstrahlen des Energiestrahls auf den Durchtrittsbereich,

- Beugen des Energiestrahls am akusto-optischen Beugungsgitter zu einem großen Teil, insbe sondere zu mindestens 80 % und bevorzugt zu mindestens 90 %, unter einem Beugungswinkel in eine erste Beugungsordnung,

- Führen des gebeugten Energiestrahls an eine erste der Strahlpositionen und

- Verändern der optischen Ablenkung des Energie Strahls durch Ändern der akustischen Wel lenlänge, wobei insbesondere ein diskretes Verändern der akustischen Wellenlänge zum sprunghaften Verändern der akusto-optischen Ablenkung vorgenommen wird, sodass der Be reich zwischen den beabstandeten Unterabfolgen, und insbesondere mindestens eine räumlich zwischen den Unterabfolgen liegende Strahlposition des Bestrahlungspfads, vom Energie strahl übersprungen wird.

- Anregen einer akustischen Welle, insbesondere einer stehenden Welle, mit mindestens zwei akustischen Wellenlängen im optischen Material zur Ausbildung eines akusto-optischen Beu gungsgitters,

- Einstrahlen des Energiestrahls auf den Durchtrittsbereich,

- Führen des gebeugten Energiestrahls an mindestens eine erste der Strahlpositionen und eine zweite der Strahlpositionen und - bevorzugt Verändern der optischen Ablenkung des Energiestrahls durch Ändern zumindest einer der akustischen Wellenlängen, insbesondere kontinuierlich oder in diskreten Schritten.

Dies hat den Vorteil, dass zeitgleich zwei Strahlpositionen in Ablenkrichtung der Ablenkein richtung belichtet werden können, ohne dass der Bereich zwischen den beiden Strahlpositio nen dem Laserstrahl ausgesetzt wird. Des Weiteren kann durch die Änderung einer der akusti schen Wellenlängen, der Abstand der beiden Strahlpositionen zueinander verändert werden. Zusätzlich kann mittels Einstellung der Amplitude der beiden akustischen Wellen die Intensi tätsverteilung des gebeugten Energiestrahls zwischen der ersten und der zweiten der Strahlpo sitionen eingestellt werden. Denkbar ist auch eine akustische Welle mit mehr als zwei akusti schen Wellenlängen, so dass der gebeugte Energiestrahl zeitgleich an mehr als zwei Positio nen 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 zwi schen 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 An fangsposition und die Endposition; dies entspricht einem sprunghaften Wechsel in der akusto- optischen Ablenkung.

In einigen Weiterbildungen des Verfahrens können räumlich nicht-aneinander angrenzende Strahlpositionen des Bestrahlungspfads zeitlich aufeinanderfolgend eingenommen werden. Zusätzlich oder alternativ können die beabstandeten Unterabfolgen mindestens einen Durch messer des Energiestrahls oder mindestens 50 % des Durchmessers des Energiestrahls oder mindestens das 1,5- bis 2-fache des Durchmessers des Energiestrahls voneinander beabstandet im Arbeitsbereich angeordnet sein. Desweiteren zusätzlich oder alternativ können Bereiche des Arbeitsbereichs übersprungen werden, die ausgewählt sind aus der Gruppe von Bereichen umfassend einen noch nicht bestrahlten Bereich des Arbeitsbereichs, einen nicht zu bestrah lenden Bereich des Arbeitsbereichs und einen bereits bestrahlten Bereich des Arbeitsbereichs.

In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann, während die Scannereinrichtung derart an gesteuert wird, dass die mechanische Ablenkung den Energiestrahl an einer Bestrahlungsposi- tion positioniert, die Ablenkeinrichtung derart angesteuert werden, dass der Energiestrahl nacheinander die Strahlpositionen von Unterabfolgen einnimmt, die den Strahlbereich der entsprechenden Bestrahlungsposition, und insbesondere eine vorgegebene Strahlform des Strahlbereichs, vollständig abdecken.

In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann, während die Scannereinrichtung derart an gesteuert wird, dass die mechanische Ablenkung den Energiestrahl kontinuierlich an einer Abfolge von Bestrahlungspositionen positioniert, die Ablenkeinrichtung derart angesteuert werden, dass der Energiestrahl nacheinander die Strahlpositionen von Unterabfolgen ein nimmt, die den Strahlbereich der entsprechenden Bestrahlungsposition, und insbesondere eine vorgegebene Strahlform des Strahlbereichs, teilweise oder vollständig abdecken.

In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann die Ablenkeinrichtung derart angesteuert werden, dass der Energiestrahl an einer Bestrahlungsposition der Mehrzahl von Bestrahlungs positionen innerhalb eines Strahlbereichs an eine Mehrzahl von Strahlpositionen verlagert wird, um ein Strahlprofil des Strahlbereichs während der Herstellung eines Bauteils zu for men, und der Energiestrahl sprunghaft an die Mehrzahl von diskreten Strahlpositionen verla gert wird. Dabei kann der Energiestrahl insbesondere räumlich aneinander angrenzende Strahlpositionen im Strahlbereich überspringen und insbesondere nur räumlich nicht- aneinander angrenzende Strahlpositionen im Strahlbereich zeitlich aufeinanderfolgend ein nehmen.

In einigen Weiterbildungen kann das Verfahren ferner den folgenden Schritt umfassen: Einstrahlen des Energiestrahls, indem die Scannereinrichtung derart angesteuert wird, dass der Energiestrahl entlang einer Unterabfolgen von Bestrahlungspositionen gemäß eines Scanpfads positioniert wird, und die Ablenkeinrichtung zeitgleich derart angesteuert wird, dass der Ener giestrahl zwischen Strahlpositionen einer zweidimensionalen Anordnung von Strahlpositio nen, insbesondere zwischen quer zum Scanpfad angeordneten Strahlpositionen, hin und her springt.

In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann der Bestrahlungspfad mindestens eine Be strahlungszone aufweisen, in der eine Mehrzahl von Unterabfolgen von Bestrahlungspositio nen in Form von nebeneinanderliegenden, zumindest teilweise parallel verlaufenden Scanvek- toren, insbesondere von gleicher Länge, definiert ist, wobei das Verfahren ferner den folgen den Schritt umfassen kann:

Einstrahlen des Energiestrahls, indem die Scannereinrichtung derart angesteuert wird, dass die Bestrahlungsposition entlang eines ersten Scanvektors der Scanvektoren verlagert wird, und die Ablenkeinrichtung zeitgleich derart angesteuert wird, dass der Energiestrahl zwischen dem ersten Scanvektor der Scanvektoren und mindestens einem weiteren Scanvek tor der Scanvektoren hin und her springt.

In einigen Weiterbildungen kann das Verfahren ferner den folgenden Schritt umfassen: Einstrahlen des Energiestrahls, indem die Scannereinrichtung derart angesteuert wird, dass die Bestrahlungsposition entlang einer Unterabfolgen von Bestrahlungspositionen gemäß einer Scanrichtung verlagert wird, und die Ablenkeinrichtung zeitgleich derart angesteuert wird, dass der Energiestrahl zwischen entlang der Unterabfolge angeordneten Strahlpositionen in und entgegen der Scanrichtung springt.

In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann der Bestrahlungspfad mindestens zwei Be strahlungszonen aufweisen, in denen jeweils eine Mehrzahl von Unterabfolgen von Bestrah lungspositionen in Form von nebeneinanderliegenden, zumindest teilweise parallel verlaufen den Scanvektoren gleicher Länge definiert ist, wobei im Verfahren zum Verlagern des Ener giestrahls die Scannereinrichtung derart angesteuert wird, dass der Energiestrahl entlang eines ersten Scanvektors der Scanvektoren in einer ersten der Bestrahlungszonen positioniert wird, und die Ablenkeinrichtung zeitgleich derart angesteuert wird, dass der Energiestrahl zwischen dem ersten der Scanvektoren in der ersten der Bestrahlungszonen und mindestens einem wei teren Scanvektor der Scanvektoren einer weiteren der Bestrahlungszonen hin und her springt.

In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann der Bestrahlungspfad mindestens eine Be strahlungszone oder filigrane Struktur aufweisen, in der jeweils eine Mehrzahl von Unterab folgen von Bestrahlungspositionen in Form von nebeneinanderliegenden, zumindest teilweise parallel verlaufenden Scanvektoren gleicher oder unterschiedlicher Länge definiert ist, wobei zum Verlagern des Energiestrahls die Ablenkeinrichtung derart angesteuert wird, dass der Energiestrahl entlang eines ersten Scanvektors der Scanvektoren in der Bestrahlungszone oder filigranen Struktur positioniert wird. Dies erlaubt es bspw. eine Scannereinrichtung mit niedriger Dynamik zu verwenden, ohne dass es zu einer wesentlichen Einschränkung der Produktivität der Fertigungseinrichtung kommt.

In einer Weiterbildung dieses Verfahrens kann zum Verlagern des Energiestrahls die Ablenk einrichtung derart angesteuert werden, dass der Energiestrahl zwischen dem ersten Scanvektor und mindestens einem weiteren Scanvektor der Scanvektoren hin und herspringt und dass der Energiestrahl entlang des mindestens einen weiteren Scanvektors positioniert wird.

Dies erlaubt es bspw., dass ein Energiestrahl verwendet werden kann, dessen Energieeintrag über einem Grenzwert liegt (z.B. die Leistung eines Laserstrahls), wie er üblicherweise für einen Pulvermaterial typ (Korngrößenverteilung, chemische Zusammensetzung des Pulverma terials) bei einer kontinuierlichen Abtastung mit einem Strahldurchmesser bei vorgegebener Abtastgeschwindigkeit vorbestimmt wird. So kann es z.B. möglich sein, den Laserstrahl durch das Hin- und Herspringen entlang von zwei thermisch entkoppelten Scanvektoren zu führen, so dass zeitgleich zwei Schmelzspuren im Pulverbett gebildet werden und der Laserstrahl mit der doppelten Leistung des o.g. Grenzwerts betrieben werden kann, als wenn nur eine Schmelzspur gebildet wird. In diesem Beispiel wird die Produktivität der Fertigungseinrich tung verdoppelt.

In einigen Weiterbildungen der Fertigungseinrichtung kann die Ablenkeinrichtung dazu einge richtet sein, den Energiestrahl sprunghaft an eine Mehrzahl von diskreten Strahlpositionen zu verlagern.

In einigen Weiterbildungen der Fertigungseinrichtung kann die Steuereinrichtung dazu einge richtet sein, die Scannereinrichtung und die Ablenkeinrichtung gemäß den hierin offenbarten Verfahren anzusteuem.

In einigen Weiterbildungen der Fertigungseinrichtung kann die Scannereinrichtung mindes tens einen Scanner, insbesondere einen Galvanometer- Scanner, Pi ezo- Scanner, Polygonscan ner, MEMS-Scanner, und/oder einen relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbaren Arbeitskopf aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann die Ablenkeinrichtung mindestens einen elektro optischen Deflektor und/oder akusto-opti sehen Deflektor, vorzugsweise zwei nicht parallel, insbesondere senkrecht zueinander orientierte elektro-optische oder akusto-optische Deflek toren, aufweisen.

Ferner kann die Ablenkeinrichtung mindestens einen akusto-opti sehen Deflektor mit einem optischen Material, wie einem Kristall, und einem Anreger zum Erzeugen akustischer Wellen im optischen Material aufweisen und/oder die Strahl erzeugungseinrichtung kann als Dauer- strich-Laser ausgebildet sein.

In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann die Ablenkeinrichtung in einem für den Energiestrahl vorgesehenen Durchtrittsbereichs ein optisches, insbesondere transparentes, Material wie einen Kristall umfassen, das optische Eigenschaften aufweist, die zum Bewirken der optischen Ablenkung eingestellt werden können.

In einigen Weiterbildungen kann das Verfahren ferner umfassen:

- Einstrahlen des Energiestrahls auf den Durchtrittsbereich,

- Führen des gebeugten Energiestrahls an eine erste der Strahlpositionen (17), und

- Verändern der optischen Ablenkung des Energie Strahls durch Ändern der akustischen Wel lenlänge. Dabei kann das Ändern der akustischen Wellenlänge den Beugungswinkel der ersten Beugungsordnung derart ändern, dass der gebeugte Energiestrahls an eine zweite der Strahl positionen geführt wird. Insbesondere kann die akustische Wellenlänge schrittweise um eine Wellenlängenänderung verändert werden, sodass der Energiestrahl Energie in Strahlpositionen des Bestrahlungspfads nacheinander einbringt, wobei in einer Übergangszeit, in der im Durch trittsbereich zwei akustische Wellenlängen vorliegen, Energie in zwei Strahlpositionen gleich zeitig eingebracht wird. Ferner kann dabei die Wellenlängenänderung eine Änderung im Beu gungswinkel derart bewirken, dass räumlich aneinander angrenzenden Strahlpositionen des Bestrahlungspfads oder räumlich beabstandete, insbesondere thermisch entkoppelte, Strahlpo sitionen zeitlich aufeinanderfolgend vom Energiestrahl abgetastet werden. In einigen Weiterbildungen kann die Ablenkeinrichtung derart angesteuert werden, dass min destens eine Strahlposition beim Abtasten der Abfolge von Strahlpositionen übersprungen wird, wobei die übersprungene Strahlposition zu einem nachfolgenden Zeitpunkt abgetastet wird.

In einigen Weiterbildungen kann das Verfahren ferner umfassen:

- Anlegen einer Spannung am optischen Material zum Einstellen eines Brechungsindex oder eines Brechungsindexgradienten,

- Einstrahlen des Energiestrahls auf den Durchtrittsbereich,

- Ablenken des Energiestrahls basierend auf dem eingestellten Brechungsindex oder Bre- chungsi ndexgradi enten,

- Führen des abgelenkten Energiestrahls an eine erste der Strahlpositionen, und

- Verändern der optischen Ablenkung des Energie Strahls durch Ändern der angelegten Span nung.

Hierin wird unter einer optischen Ablenkung eine mit einer Ablenkeinrichtung optisch indu zierte Ablenkung verstanden. Ein Beispiel für eine optische Ablenkung ist eine Variation ei nes optischen Parameters eines optischen Mediums im Strahlengang, die eine Änderung des Strahlengangs bewirkt. Die optische Ablenkung unterscheidet sich von einer mechanischen Ablenkung, die als eine mit einer Scannereinrichtung mechanisch induzierte Ablenkung ver standen wird. Ein Beispiel für eine mechanische Ablenkung ist eine mechanisch-kontrollierte reflektive Ablenkung eines Laserstrahls.

Hierin werden Konzepte offenbart, die es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figu ren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine schematische räumliche Darstellung einer Fertigungseinrichtung zur generativen Fertigung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Strahlengangs der

Fertigungseinrichtung ,

Figuren 3 A - 3C Skizzen zur Erläuterung einer akusto-opti sehen Ablenkung bei der gene rativen Fertigung, Fig. 4 eine Skizze zur Erläuterung einer elektro-optischen Ablenkung bei der generativen Fertigung,

Figuren 5A - 5C Skizzen zu linearen Abtastvorgängen basierend auf optischen Ablenkun gen, Fig. 6 eine Skizze zur Verdeutlichung der gleichzeitigen Belichtung von Scan vektoren in Bestrahlungszonen,

Figuren 7A - 8 Skizzen zur Verdeutlichung von auf mechanischer Ablenkung und opti scher Ablenkung basierenden Bestrahlungspfaden, Figuren 9A und 9B Skizzen von Bestrahlungspfaden, die mit einer lateralen optischen Ablen kung eine Verbreiterung eines „mechanischen“ Scanvektors nutzen, und Figuren 10A - 10D Skizzen zur additiven Fertigung von filigranen Strukturen.

Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass eine Positionierung des Energiestrahls auf einem Pulverbett einer additiven Fertigungseinrichtung aufgeteilt wer den kann in a) eine mechanische Ablenkung mittels einer oder mehrerer trägen Achsen, die eine niedrige Beschleunigung mit einer üblicherweise großen Bewegungsreichweite aufweisen, und b) eine optische Ablenkung mittels einer oder mehrerer dynamischen Achsen, die eine höhere Beschleunigung mit einer üblicherweise kleineren Bewegungsreichweite aufweisen.

Eine Ablenkung um träge Achsen erfolgt bei der additiven Fertigung üblicherweise durch Positionieren von Spiegeln in einer Scannereinrichtung und wird hierin als mechanische Ab lenkung bezeichnet. Scannereinrichtungen werden z.B. mit Scangeschwindigkeiten im Prozess von einigen Hundert Millimeter pro Sekunde betrieben, mit maximalen Scangeschwindigkeit in der Größenordnung von m/s (beispielsweise bis zu 30 m/s). So weisen Galvoscanner Scan geschwindigkeiten von z.B. 1 m/s bis zu 30 m/s auf.

Eine Ablenkung um dynamische schnelle Achsen kann durch Einflussnahme auf optische Ei genschaften von optischen Elementen/Materialien im Strahlengang des Energiestrahls in der Fertigungseinrichtung erfolgen. Dies wird hierin als optische Ablenkung bezeichnet. Sie kann z.B. durch akusto-optische oder elektro-optische Effekte in einem optischen Kristall bewirkt werden. Der optische Kristall wechselwirkt mit dem Energiestrahl und beeinflusst den Strah lengang sehr schnell, dass Wechselzeiten zwischen Strahlpositionen in der Größenordnung von 1 ps und entsprechende Wechselgeschwindigkeiten je nach Sprungweite bis zu einigen 1.000 m/s (z.B. 10.000 m/s und mehr möglich) werden. Ein Ablenkungswinkel des Energie strahls z.B. mit einem akusto-opti sehen Deflektor (AOD) oder einem elektro-optischen De flektor (EOD) - als Beispiele für einen optischen Festkörper-Deflektor (" optical solid state deflector") - kann durch ein Variieren der akustischen Anregungsfrequenz oder einer angeleg ten Spannung in einem Ablenkungsbereich um einen zentralen Wert eingestellt werden. Ma ximale Scannerbeschleunigungen bei AODs und EODs können bei 160.000 rad/s² liegen. Je nach Dimensionierung der additiven Fertigungseinrichtung ergeben sich so Scannerbeschleu nigungen von z.B. 80.000 m/s² (in Abhängigkeit des jeweiligen Arbeitsabstands vom AOD/EOD).

Die hierin vorgeschlagene Aufteilung bei der Ablenkung eines Energiestrahls kann Bestrah lungskonzepte ermöglichen, mit denen Nachteile vermieden werden, die u.a. bei Bewegungen mit starken Richtungsänderungen mittels einer rein mechanischen Ablenkung auftreten kön nen. Siehe unter anderem die beispielhaften Erläuterungen eines eckigen Bestrahlungspfads in Zusammenhang mit den Figuren 7A bis 8.

Ferner haben die Erfinder erkannt, dass die dynamische (schnelle) Achse ferner dazu verwen det werden kann, die Position des Energiestrahls sprunghaft zu verlagern. Dadurch wird es z.B. möglich, dass bei der Fertigung von sich verjüngenden Strukturen Segmente des Bestrah lungspfads immer in Richtung der Verjüngung abgetastet werden können. Siehe unter ande rem die beispielhaften Erläuterungen eines eckigen Bestrahlungspfads in Zusammenhang mit Fig. 7B.

Ferner haben die Erfinder erkannt, dass die Möglichkeit einer instantanen sprunghaften opti schen Ablenkung es allgemein erlauben kann, einen Energieeintrag mit dem Energiestrahl (z.B. einen Leistungswert eines Laserstrahls) zu verwenden, der über einem Grenzwert liegt, wie er üblicherweise für ein Pulvermaterialtyp (bestimmt durch u.a. eine Korngrößenvertei lung und eine chemische Zusammensetzung des Pulvermaterials) bei einer kontinuierlichen Abtastung mit einem Strahl durchmesser bei vorgegebener Abtastgeschwindigkeit und zu er zeugender Bauteilgeometrie gegeben ist.

Hierzu kann mit der durch die optische Ablenkung bereitgestellten dynamischen (schnellen) Achse eine Belichtung „räumlich lokal“ in einer Art Pulsbetrieb vorgenommen werden. Auf diese Weise können insbesondere filigrane Bauteile und Abschnitte mit schlechter Wärmeab- leitung (beispielsweise im Bereich von Überhängen oder spitzen Strukturen) mit dem „räum lich lokal gepulsten“ Energiestrahl belichtet werden, wodurch eine bessere Bauteil qualität erreicht werden kann. Eine derartig „räumlich lokal gepulste“ Bestrahlung mit einem kontinu ierlichen Energiestrahl (z.B. einem cw-Laserstrahl) kann die Produktivität des additiven Ferti gungsprozesses insbesondere im Vergleich zu einer Fertigung mit einem gepulsten Laserstrahl erhöhen.

Mit einer „räumlich lokal gepulsten“ Bestrahlung können z.B. zwei oder mehr gepulst zu be arbeitende Abschnitte bearbeitet werden, die innerhalb der (kleinen) Bewegungsreichweite der optischen Ablenkung (z.B. bei einem akusto-opti sehen Deflektor bis zu einigen Millimetern oder sogar Zentimetern je nach Position desselben im Strahlengang) liegen. Z.B. kann ein Punkt in einem ersten Abschnitt belichtet werden; dann kann ein Sprung in einen zweiten (an deren) Abschnitt durchgeführt werden und dort ein Punkt belichtet werden; anschließend kann wieder nach einem Sprung zurück in den (ursprünglichen) ersten Abschnitt ein weiterer Punkt, angrenzend oder beabstandet an den ersten Punkt, belichtet werden. Mit anderen Worten wer den räumlich nicht-aneinander angrenzende Strahlpositionen eines Bestrahlungspfads zeitlich aufeinanderfolgend eingenommen.

Siehe hierzu unter anderem die beispielhaften Erläuterungen zum Springen entlang eines Be strahlungspfads (erläutert in Zusammenhang mit Fig. 5B), zum Springen innerhalb eines oder zwischen mehreren Hatches (Bestrahlungszonen) (erläutert in Zusammenhang mit Fig. 6) und zum Springen bei einem eckig ausgebildeten Abschnitt eines Bestrahlungspfads (erläutert in Zusammenhang mit Fig. 7C).

Ferner kann bei Verwendung der optischen Ablenkung eine Verbreiterung des mechanisch abgescannten Bereichs bewirkt werden. Hierzu kann die optische Ablenkung lateral bezüglich einer Hauptabtastrichtung des Energiestrahls auf dem Pulverbett erfolgen, wobei die Hauptab tastrichtung durch die mechanische Ablenkung gegeben ist. Optional kann die laterale Ablen kung auch hierbei thermische Aspekte der Überhitzung berücksichtigen, wie sie in Zusam menhang mit den Figuren 9A und 9B erläutert werden.

Schließlich können die hierin offenbarten Konzepte bei der additiven Fertigung einer filigra nen Struktur eines Bauteils verwendet werden, die beispielsweise in der Größenordnung des durch die optische Ablenkung bereitgestellten Strahlbereichs liegen. Dabei kann die mechani- sehe Ablenkung optional ergänzt um die optische Ablenkung für gröbere, größere, insbeson dere flächige Strukturen verwendet werden. In einigen Ausführungsformen können filigrane Strukturen, insbesondere abgeschlossene Strukturabschnitte, allein durch Ansteuerung der Ablenkeinrichtung und Erzeugen eines lokalen Strahlprofils - gebildet mittels einer nahezu gleichzeitigen Beleuchtung mehrere Strahlpositionen im Strahlbereich der optischen Ablen kung - an einer festgehaltenen Bestrahlungsposition erzeugt werden, ohne dass die Scanner einrichtung angesteuert wird, insbesondere in dem durch geeignete Ansteuerung der Ablenk einrichtung ein Strahlprofil in der Form des auszubildenden Strukturabschnitts erzeugt wird. Das Abscannen filigraner Strukturen mit einem Energiestrahl wird in Zusammenhang mit den Figuren lOA bis 10D erläutert.

Für die Umsetzung der vorausgehend angesprochenen und nachfolgend beispielhaft in Zu sammenhang mit den Figuren erläuterten Konzepte kann zusätzlich zu einer konventionellen Scannereinrichtung ein optischer Deflektor im Strahlengang des Energiestrahls eingebaut werden. Eine Strahlablenkung mit dem optischen Deflektor kann in die Maschinensteuerung der Fertigungseinrichtung als weiterer Parameter für die additive Fertigung integriert werden. Mit einer solchen Kombination einer mechanischen Ablenkung (z.B. Galvoscanner) für eine Positionierung/Verfahren/Verlagem des Energiestrahls über große Wegstrecken und einer optische Ablenkung (z.B. akusto-opti scher Deflektor) für eine sehr schnelle Positionierung ohne Zeitverlust innerhalb eines lokal begrenzten Bereiches (Strahlbereichs der optischen Ab lenkung) kann eine flexible Steuerung des räumlichen und zeitlichen Energieeintrags ohne Zeitverlust zwischen mehreren Wechselwirkungszonen realisiert werden. Insbesondere für einen kontinuierlichen Energiestrahl/cw-Laserstrahl ermöglicht das Schalten von Strahlpositi onen mit einer optischen Ablenkeinrichtung (AOD/EOD), dass eine höhere Energie des Ener giestrahls/Leistung des cw-Laserstrahls in das Pulvermaterial eingebracht werden kann.

Fig. 1 zeigt eine Fertigungseinrichtung 1 zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial 2. Die Fertigungseinrichtung 1 umfasst eine Strahlerzeugungseinrichtung 3, die eingerichtet ist zum Erzeugen eines Energie strahls 5, eine Scannereinrichtung 7, die eingerichtet ist, um den Energiestrahl 5 innerhalb eines Arbeitsbereichs 9, üblicherweise gegeben durch die Ausmaße eines Pulverbetts der Ferti gungseinrichtung, an eine Mehrzahl von Bestrahlungspositionen 11 zu verlagern (mechani- sehe Ablenkung), um mittels des Energiestrahls 5 ein Bauteil 4 aus dem in dem Arbeitsbereich 9 angeordneten Pulvermaterial 2 herzustellen, eine Ablenkeinrichtung 13, die eingerichtet ist, um den Energiestrahl 5 ausgehend von einer Bestrahlungsposition 11 der Mehrzahl von Bestrahlungspositionen 11 innerhalb eines Strahlbereichs 15 - insbesondere sprunghaft - an eine Mehrzahl von Strahlpositionen 17 im Strahlbereich 15 zu verlagern (optische Ablenkung), und eine Steuereinrichtung 19, die mit der Ablenkeinrichtung 13, sowie optional der Strah lerzeugungseinrichtung 3 und der Scannereinrichtung 7, wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Ablenkeinrichtung 13 anzusteuern, um die für die Herstellung des Bauteils 4 benötig ten Strahlpositionen des Strahlbereichs 15 (mit dem Energiestrahl 5) einzunehmen.

Die Fertigungseinrichtung 1 ist vorzugsweise eingerichtet zum selektiven Lasersintem und/oder zum selektiven Laserschmelzen im Rahmen der additiven Fertigung von Bauteilen.

In Fig. 1 ist das bereits teilweise gefertigte Bauteil 4 angedeutet, wobei bereits verfestigte Schichten vom Pulvermaterial 2 im Pulverbett verdeckt sind.

Die Fertigungseinrichtung 1 stellt üblicherweise in einem abgeschlossenen Gehäuse (nicht gezeigt) eine Arbeitsfläche bereit, die den Arbeitsbereich 9 sowie optional einen Pulvervor ratsbereich umfasst. Für einen (schichtweisen) Aufbau des Bauteils 4 mit dem Energiestrahl 5 wird im Arbeitsbereich 9 das Pulvermaterial 2 sequentiell/schichtweise aufgetragen. Um das Pulvermaterial 2 lokal zu verfestigen, wird das Pulvermaterial 2 in dem Arbeitsbereich 9 mit dem Energiestrahl 5 lokal beaufschlagt, um - Schicht für Schicht - das Bauteil 4 herzustellen. Insbesondere wird eine Schicht des Bauteils 4 geformt, indem der (kontinuierliche) Energie strahl 5 entlang eines durch eine Abfolge von Strahlpositionen 17 ausgebildeten Bestrah lungspfads 101 verlagert wird. Der Bestrahlungspfad 101 ist derart ausgelegt, dass im Ar beitsbereich 9 der Fertigungseinrichtung 1 das Pulvermaterial 2 einer Pulverschicht gemäß der Geometrie des Bauteils 4 verfestigt wird.

Die Lage einer Strahlposition 17, an der der Energiestrahl 5 auf den Arbeitsbereich 9 trifft, ergibt sich aus den vorgenommenen Einstellungen der mechanischen Ablenkung und der opti schen Ablenkung. Man kann der mechanischen Ablenkung eine Bestrahlungsposition 11 zu ordnen, von der aus die optische Ablenkung betrachtet werden kann. Üblicherweise spannen die Bestrahlungspositionen 11 den Arbeitsbereich 9 (im Wesentlichen) auf. Ausgehend von einer vorgegebenen Bestrahlungsposition 11 spannen die sich ergebenden möglichen Strahl- Positionen 17 den Strahlbereich 15 auf. D.h., der Energiestrahl 5 kann um jede der Bestrah lungspositionen 11 innerhalb eines entsprechenden Strahlbereichs 15 verlagert werden, wobei Bestrahlungspositionen 11 als Ausgangspunkte für entsprechende Strahlbereiche 15 üblicher weise im gesamten Arbeitsbereich 9 eingestellt werden können. Der Strahlbereich 15 weist eine flächenmäßige Ausdehnung auf, die größer ist als ein auf den Arbeitsbereich 9 projizier ter Querschnitt des Energiestrahls 5. Der Strahlbereich 15 ist sehr viel kleiner als der Arbeits bereich 9. Insbesondere weist der Strahlbereich 15 bevorzugt eine Längenskala im Bereich von wenigen (das heißt, kleiner zehn) Millimetern bis zu wenigen Zentimetern auf, sowie be vorzugt eine flächige Ausdehnung im Bereich von wenigen Quadratmillimetern bis zu weni gen Quadratzentimetern. Der Arbeitsbereich 9 kann dagegen eine Längenskala im Bereich von wenigen Dezimetern bis zu wenigen Metern aufweisen, sowie vorzugsweise eine flächige Ausdehnung im Bereich von wenigen Quadratdezimetem bis zu wenigen Quadratmetern.

Mit anderen Worten wird unter einer Bestrahlungsposition 11 insbesondere ein Ort innerhalb des Arbeitsbereichs 9 verstanden, an dem lokal mittels des Energiestrahls 5 Energie in den Arbeitsbereich 9, insbesondere in das dort angeordnete Pulvermaterial 2, deponiert werden kann. Der Energieeintrag bestimmt die jeweilige Wechselwirkungszone und damit einen Auf schmelzbereich des Pulvermaterials 2. Die Scannereinrichtung 7 ist dazu eingerichtet, den Energiestrahl 5 innerhalb des Arbeitsbereichs 9 - angenommen eine Überlagerung einer opti schen Ablenkung liegt nicht vor - entlang eines „mechanischen“ Scanpfads 103 zu verlagern, wobei der mechanische Scanpfad 103 aus einer zeitlichen Abfolge nacheinander mit dem Energiestrahl 5 überstrichener Bestrahlungspositionen 11 besteht. Die einzelnen Bestrah lungspositionen 11 können dabei zueinander beabstandet angeordnet sein, aber auch mitei nander überlappen und ineinander übergehen.

Wird die mechanische Ablenkung mit einer optischen Ablenkung überlagert, ergibt sich der Bestrahlungspfad 101, der von der Abfolge von den mit der Scannereinrichtung 7 und der optischen Ablenkeinrichtung 13 eingestellten Strahlpositionen 17 ausgebildet wird. Der sich ergebende Bestrahlungspfad 101 kann ein Pfad sein, der kontinuierlich mit dem Energiestrahl 5 abgetastet wird. Ferner kann der sich ergebende Bestrahlungspfad 101 Pfadsegmente auf- weisen, die jeweils mindestens eine Strahlposition 17 umfassen. Das Abtasten der Pfadseg mente mit dem Energiestrahl 5 kann Sprünge zwischen räumlich beabstandeten Pfadsegmen ten umfassen, wobei die Sprünge mit der optischen Ablenkeinrichtung 13 angesteuert werden. Die Strahlerzeugungseinrichtung 3 - beispielsweise als Dauerstrich-(cw-)Laser ausgebildet - liefert den Energiestrahl 5 für die Pulververschmelzung. Unter einem Energiestrahl wird all gemein 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 trans portiert dabei Energie entlang seiner Propagationsrichtung. Insbesondere ist es mittels des Energiestrahls möglich, Energie lokal in dem Arbeitsbereich 9 in das Pulvermaterial 2 zu de ponieren.

Der Energiestrahl 5 ist hierin allgemein ein optischer Arb eits strahl, der somit mittels der opti schen Ablenkeinrichtung 13 umlenkbar ist. Unter einem optischen Arbeitsstrahl ist insbeson dere gerichtete elektromagnetische Strahlung, kontinuierlich oder gepulst, zu verstehen, die im Hinblick auf ihre Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich geeignet ist zum additiven (generativen) Fertigen des Bauteils 4 aus dem Pulvermaterial 2, insbesondere zum Sintern oder Schmelzen des Pulvermaterials 2. Insbesondere wird unter einem optischen Arbeitsstrahl ein Laserstrahl verstanden, der - bevorzugt kontinuierlich - auf den Arbeitsbereich 9 einge strahlt wird. Der optische Arbeitsstrahl weist bevorzugt eine Wellenlänge oder einen Wellen längenbereich im sichtbaren elektromagnetischen Spektrum oder im infraroten elektromagne tischen Spektrum oder im Überlappungsbereich zwischen dem infraroten Bereich und dem sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums auf.

Zusammenfassend umfasst ein Strahlführungssystem der Fertigungseinrichtung 1 zur Führung des Energiestrahls 5 zum Pulverbett somit für eine mechanisch-induzierte Ablenkung des Energiestrahls 5 die Scannereinrichtung 7. Bei der Scannereinrichtung 7 kann z.B. über eine Drehung von Spiegeln (mittels zum Beispiel einem Galvoscanner) eine Ablenkung des Ener giestrahls 5 (hier z.B. des Laserstrahls) bewirkt werden. Die mechanische Ablenkung kann zum Abtasten eines Bestrahlungspfads 101 zur Belichtung einer Pulverschicht alleine (Scan pfad 103) oder in Kombination mit einer optischen Ablenkung eingesetzt werden.

Die Scannereinrichtung 7 weist bevorzugt mindestens einen Scanner, insbesondere Galvano meter-Scanner, Piezoscanner, Polygonscanner, MEMS-Scanner und/oder einen relativ zu dem Arbeitsbereich verlagerbaren Arbeitskopf oder Bearbeitungskopf auf. Derartige Scannerein richtungen sind bekannt und in besonderer Weise dazu geeignet, den Energiestrahl 5 innerhalb des Arbeitsbereichs 9 zwischen einer Mehrzahl von Bestrahlungspositionen 11 zu verlagern. Aufgrund der Massenträgheit eines mechanisch zu bewegenden optischen Elements (z.B. ein Umlenkspiegel) erfolgt eine räumliche Verteilung der Energieeinbringung, die nur mittels einer mechanischen Ablenkung angesteuert wird, träge. Dadurch können Bestrahlungspfade, die allein durch eine mechanische Ablenkung abgetastet werden sollen, z.B. der Scanpfad 103, den additiven Fertigungsprozess der Gefahr einer lokalen Überhitzung der Pulverschmel ze aussetzen. Es sei angemerkt, dass eine lokale Überhitzung im Falle einer rein mechanischen Ablenkung mit einem Produktivitätsverlust durch Nebenzeiten (eingefügte Verzögerungen im Bestrahlungsprozess) vermeidbar ist. Die hierin vorgeschlagenen Konzepte können diesen Produktivitätsverlust verhindern oder zumindest reduzieren.

Erfmdungsgemäß umfasst das Strahlführungssystem der Fertigungseinrichtung 1 zur Führung des Energiestrahls 5 zum Pulverbett ferner die Ablenkeinrichtung 13 für eine optisch induzierte Ablenkung. Die Ablenkeinrichtung 13 ist dazu eingerichtet, den Energiestrahl 5 - bei Annahme einer festgehaltenen Bestrahlungsposition 11 - innerhalb des Strahlbereichs 15 zu verlagern und so an der festgehaltenen Bestrahlungsposition 11 einen bestimmten Bereich - den Strahlbereich 15 - innerhalb des Arbeitsbereichs 9 mit dem Energiestrahl beaufschlagen zu können. Der Strahlbereich 15 ist größer als der auf den Arbeitsbereich 9 projizierte Quer schnitt des Energiestrahls 5.

Da die Scannereinrichtung 7 dazu eingerichtet ist, den Energiestrahl zwischen Bestrahlungs positionen 11 zu verlagern, ermöglicht sie es der Ablenkeinrichtung 13 einen neuen Strahlbe reich 15 um eine andere Bestrahlungsposition, d.h., an einem anderen Ort des Arbeitsbereichs 9, mit dem Energiestrahl 5 zu üb erstreichen. Die Ablenkeinrichtung 13 dient also einer loka len Ablenkung des Energiestrahls 5 ausgehend von einer Bestrahlungsposition 11, während die Scannereinrichtung 7 der globalen Verlagerung des Energiestrahls 5 auf dem Arbeitsbe reich 9 dient.

Die Ablenkeinrichtung 13 ist insbesondere eingerichtet, um den Energiestrahl 5 sprunghaft an die Mehrzahl von Strahlpositionen 17 im Strahlbereich 15 zu verlagern, wobei es sich bei den Strahlpositionen 17 um diskrete Strahlpositionen handeln kann. Insbesondere ist es möglich, dass aufeinanderfolgend bearbeitete Strahlpositionen 17 voneinander beab standet angeordnet sind. Es ist aber auch möglich, dass aufeinanderfolgend bearbeitete Strahlpositionen 17 zu mindest bereichsweise miteinander überlappen und ineinander übergehen. Der Energiestrahl 5 wird durch die Ablenkeinrichtung 13 in einigen Ausführungsformen nicht kontinuierlich von Strahlposition zu Strahlposition verlagert, sondern in diskreten Schritten. Ohne Beschränkung und ohne an die Theorie gebunden sein zu wollen, kann für alle praktischen Anwendungszwe cke angenommen werden, dass der Energiestrahl 5 bei einer sprunghaften oder diskreten Ver lagerung von einer ersten Strahlposition zu einer zweiten Strahlposition quasi an der ersten Strahlposition verschwindet und an der zweiten Strahlposition erscheint, insbesondere ohne dazwischenliegende Bereiche zu üb erstreichen. Siehe die Erläuterungen zu den Figuren 3 A bis 3D. Auf diese Weise ist eine sehr schnelle Verlagerung des Energiestrahls 5 innerhalb des Strahlbereichs 15 möglich, und es können vorzugsweise Materialtransportprozesse, die bei einer kontinuierlichen Verlagerung des Energiestrahls 5, insbesondere bei einem hohen Ener gieeintrag, auftreten können, vermieden werden, wodurch die Qualität des entstehenden Bau teils erhöht werden kann.

Beispiele und Erläuterungen zu optischen Deflektoren für eine optisch induzierte Ablenkung eines Laserstrahls werden unter anderem in „Electro-optic and acousto-optic laser beam Scan ners“; Römer G.R.B.E. et al., Physics Procedia 56 (2014) 29 - 39 offenbart.

Optische Deflektoren umfassen akusto-optische Deflektoren (AOD), die auf der Erzeugung einer periodischen Änderung im Brechungsindex bei der Ausbreitung von Schallwellen in einem optisch transparenten Material des AOD (üblicherweise ein optisch transparenter Kris tall) basieren. Eine optische Ablenkung mit einem schematisch dargestellten AOD 111 sowie ein Wechsel in der akustischen Anregung wird in den Figuren 3 A bis 3C verdeutlicht. Hin sichtlich des am AOD vorliegenden Beugungsverhalten wird ergänzend auf die Fig. 3 in Rö mer et al. verwiesen. So ergibt sich ein von der Laserwellenlänge, dem Brechungsindex des ungestörten Materials, der Frequenz der akustischen Welle und der Geschwindigkeit der akus tischen Welle im Material abhängiger Beugungswinkel der ersten Beugungsordnung. Ein mit der ersten Ordnung abscannbarer Winkelbereich ergibt sich aus der Bandbreite, mit der akus tische Wellen im Material angeregt werden können.

Fig. 3A zeigt schematisch, wie ein einfallender Laserstrahl 113 - bevorzugt unter einem Ein fallswinkel im Bereich des Brewster-Winkels - auf den AOD 111, insbesondere auf einem Durchtrittsbereich des AOD 111, einfällt. Aufgrund einer akustischen Anregung an der Ober seite des AOD 111 (z.B. mit einem Anreger 112 zum Erzeugen akustischer Wellen im Materi al) bildet sich eine gitterartige Struktur 115A (Brechungsindex-Modulation, akusto-optisches Beugungsgitter) im AOD 111 aus. Diese wird durch eine Anregungswellenlänge lΐ gekenn zeichnet. Der einfallende Laserstrahl 113 wird an der gitterartigen Struktur 115A gebeugt, sodass neben einem (möglichst intensitätsarmen) ungebeugten Strahl 117 nullter Ordnung ein (möglichst intensitätsstarker) gebeugter Laserstrahl 119A erster Ordnung den AOD 111 unter einem der Wellenlänge lΐ zugeordneten Ablenkwinkel al den AOD, insbesondere den Durchtrittsbereich des AOD 111, verlässt.

Der Laserstrahl 119A erster Ordnung würde in der Anordnung der Fig. 1 der Scannereinrich tung 7 zugeführt und an einem Ort xl von oben kommend auf dem Pulverbett auftreffen, wo bei die Ablenkung im AOD (d.h., der eingestellte Ablenkwinkel al der ersten Ordnung) die finale Position auf dem Pulverbett mitbestimmt. Entsprechend findet am Ort xl der Energie eintrag statt, wie es eine schematische Intensitätsverteilung I(x) 121 A zeigt.

Wird die Wellenlänge der anregenden Schallwelle kontinuierlich oder diskret variiert, ändert sich der Winkel der ersten Beugungsordnung und damit die Position des Laserstrahls 119A. Durch Variieren der Wellenlänge der angeregten Schallwelle kann eine ansteuerbare Ablen kung des gebeugten Strahls vorgenommen werden; d.h., eine angestrebte Ziel-Position des Energieeintrags kann auf dem Pulverbett eingestellt werden.

Mit anderen Worten führt eine Umstellung der akustischen Wellenlänge zu einem Ersetzen der ersten akustischen Welle mit einer zweiten akustischen Welle im AOD. Schallgeschwin digkeiten in Festkörpern liegen z.B. in der Größenordnung von 1000 m/s oder einigen 1000 m/s (abhängig u.a. von der Härte des Kristalls). Soll eine erste akustische Welle (mit einer ersten Wellenlänge) in z.B. einem Kristall des AOD vollständig durch eine zweite akustische Welle (mit einer zweiten Wellenlänge) ersetzt werden, muss die erste akustische Welle zuvor vollständig aus dem Kristall herauslaufen, sodass sie (möglichst zeitgleich) durch die zweite akustische Welle ersetzt werden kann. Angenommen der Kristall wirkt auf einen Energiestrahl mit einem Durchmesser von ca. 1 cm, so durchläuft die akustische Welle diese Strecke in we nigen Mikrosekunden, z.B. ca. 3 ps. Nach dieser Zeitdauer erfolgt die Wechselwirkung mit der zweiten akustischen Welle. Allgemein wird diese Zeit umso größer, je größer und weicher der Kristall ist und umso kleiner, je kleiner und härter das Material des AOD ist. Während des Wechsels von der ersten akustischen Welle zur zweiten akustischen Welle kann vorüberge hend an beiden sich ergebenden gitterartigen Struktur in die entsprechenden ersten Ordnungen Energie (der Laserstrahl) gebeugt werden. Ein Umschalten zwischen akustischen Wellen und damit eine Ablenkung des Energiestrahls an unterschiedliche Orte (d.h., ein Umschalten der Ablenkung von einem ersten in einen zweiten Winkel) kann allgemein im Megahertz- Zeitskalenbereich erfolgen.

Die Figuren 3B und 3C verdeutlichen einen sprunghaften Positionswechsel mithilfe des AOD 111. Dazu wird eine Änderung der anregenden Schallwelle auf eine Wellenlänge l2 (gitterar tige Struktur 115B, Ablenkwinkel a2 des Laserstrahls 119B der ersten Ordnung, Ort x2 des Energieeintrags auf dem Pulverbett) vorgenommen. Die Änderung der anregenden Schallwel le bewirkt entsprechend eine Positionsänderung des gebeugten Laserstrahls 119B um eine diskrete Strecke Dc (“x2-xl“).

In Fig. 3B erkennt man einen Übergang 123 zwischen den Brechungsindex-Modulationen im AOD, wobei der Übergang 123 bereits von der Oberseite ausgehend bis zur Mitte des AOD 111 gewandert ist. Zu diesem Zeitpunkt trifft die eine Hälfte des einfallenden Laserstrahls 113 auf die Brechungsindex-Modulation mit Wellenlänge lΐ und die andere Hälfte auf die Bre- chungsindex-Modulation mit Wellenlänge l2. Entsprechend zeigt eine schematische Intensi tätsverteilung I(x) 121B gleiche Intensitäten/Energieeinträge für die gebeugten Laserstrahlen 119A und 119B an den jeweiligen Orten xl und x2.

Hat sich, wie in Fig. 3C gezeigt, die Brechungsindex-Modulation mit Wellenlänge l2 über den gesamten AOD 111 ausgebildet, wird die maximale Intensität des Laserstrahls 119B am Ort x2 auf das Pulverbett treffen (siehe Intensitätsverteilung I(x) 121C).

Man erkennt an den Intensitätsverteilung I(x) 121 A bis 121C den Vorteil bei der Strahlverla gerung mit einem AOD; im Beispiel verwirklicht die Strahl Verlagerung den bereits angespro chenen Fall, dass ein Bereich zwischen Anfangsposition (hier der Ort xl) und Endposition (hier der Ort x2) 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 An fangsposition und die Endposition; dies entspricht einem sprunghaften Wechsel in der opti schen Ablenkung.

Optische Deflektoren umfassen ferner elektro-optische Deflektoren (EOD), deren Ablenkung auf Brechung beim Durchgang eines optisch transparenten Materials basiert. Fig. 4 zeigt schematisch eine einstellbare optische Ablenkung mit einem EOD 131, wobei das optisch transparente Material des EOD 131 im Brechungsindex oder in einem Brechungsindexgradi enten 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 Ablenkwin kel austritt. Ein so abgelenkter Laserstrahl 133A 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. 4 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 optische Ablenkung eingestellt werden. Hinsichtlich des am EOD vorliegenden Brechungsverhaltens wird ergänzend auf Fig. 2 in Römer et al. verwiesen.

Sowohl AODs als auch EODs können die hierin als optische Ablenkung bezeichnete Ablen kung eines Laserstrahls bewirken, die schnell, d.h., bezüglich des Pulververschmelzungspro zesses in der additiven Fertigung quasi in Echtzeit, eingestellt werden kann.

Wieder bezugnehmend auf Fig. 1 unterscheiden sich die Scannereinrichtung 7 und die opti sche Ablenkeinrichtung 13 neben dem Ausmaß der vornehmbaren Ablenkung auch bezüglich der Zeitskala, auf welcher eine Ablenkung des Energiestrahls 5 erfolgt: Insbesondere erfolgt die Ablenkung des Energiestrahls 5 durch die optische Ablenkeinrichtung innerhalb des Strahlbereichs 15 bevorzugt auf einer kürzeren, insbesondere sehr viel kürzeren, Zeitskala als die Ablenkung innerhalb des Arbeitsbereichs 9 durch die Scannereinrichtung 7, das heißt, sehr viel schneller als der Wechsel von einer Bestrahlungsposition zur nächsten Bestrahlungsposi tion. Vorzugsweise ist die Zeitskala, auf welcher der Energiestrahl durch die Ablenkeinrich tung abgelenkt werden kann (z.B. Springen über ein maximales Ausmaß des Strahlbereichs, d.h. von z.B. „-5 mm“ bis „+5 mm“, innerhalb einer Mikrosekunde entsprechend einer Ge schwindigkeit von 10.000 m/s; allgemein ein quasi instantanes Springen von einem beliebigen Punkt im Strahlbereich zu einem beliebigen anderen Punkt im Strahlbereich), um einen Faktor von 10 bis 10000, vorzugsweise von 20 bis 200, vorzugsweise von 40 bis 100, oder mehr, kleiner als die Zeitskala, auf der eine Ablenkung des Energiestrahls durch die Scannereinrich tung erfolgt. Die Steuereinrichtung 19 ist dazu eingerichtet, die Bewegung des Auftreffpunkts des Energie strahls 5 auf dem Pulverbett gemäß einer vorgegebenen Bestrahlungsstrategie umzusetzen.

Die Steuereinrichtung 19 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 19 eine RTC6- Ansteuerkarte der SCANLAB GmbH, insbesondere in der an dem den Zeitrang des vorliegenden Schutzrechts bestimmenden Tag aktuellen erhältlichen Ausgestaltung.

Die Steuereinrichtung 19 ist bevorzugt dazu eingerichtet, den Scannereinrichtung 7 mit der Ablenkeinrichtung 13 mittels eines digitalen RF- Synthesizers zu synchronisieren. Dabei kann der RF-Synthesizer über ein programmierbares FPGA-Board der Steuereinrichtung 19 ange steuert werden. Zusätzlich erfolgt bevorzugt eine Aufteilung in die vergleichsweise langsame Bewegung der Scannereinrichtung 7 und die schnelle Bewegung der Ablenkeinrichtung 13 mittels einer Frequenzweiche. Bevorzugt werden Positionswerte und Vorgabewerte für die Bewegung des Auftreffpunkts errechnet, die dann in dem FPGA-Board in zeitlich synchrone Frequenzvorgaben für den RF-Synthesizer umgerechnet werden können. Dafür kann eine räumliche Zuweisung der optischen Ablenkung zu Bestrahlungspositionen 11 in der jeweili gen Pulvermaterialschicht vorgenommen werden. Letzteres kann bevorzugt schon in einem Buildprozessor bei der Erstellung der Bestrahlungsstrategie durchgeführt werden. Der Build- prozessor kann die entsprechenden Daten z.B. in eine Steuerungsdatei schreiben, die vor zugsweise von der Steuereinrichtung 19 eingelesen und umgesetzt werden kann.

Insbesondere erlauben die Scannereinrichtung 7/die mechanische Ablenkung einerseits und die Ablenkeinrichtung 13/die optische Ablenkung andererseits eine Separation der für die Herstellung des entstehenden Bauteils 4 relevanten Zeit- und Längenskalen. Während die Scannereinrichtung 7 eingerichtet ist, den Energiestrahl auf einer im Vergleich zu der Ablenk einrichtung 13 größeren Zeitskala entlang der Mehrzahl von Bestrahlungspositionen 11, ins besondere entlang eines vorbestimmten Scanpfads 103, quasi global über den gesamten Ar beitsbereich 9 zu verlagern, ist die Ablenkeinrichtung 13 eingerichtet, um den Energiestrahl auf einer relativ zu der Zeitskala der Scannereinrichtung 7 kürzeren Zeitskala quasi lokal an einer durch die Scannereinrichtung 7 vorgegebenen, aufgrund der Zeitskalenseparation quasi festgehaltenen Bestrahlungsposition 11 an die Mehrzahl von Strahlpositionen 17 innerhalb des Strahlbereichs 15 zu verlagern. Aufgrund der Zeitskalenseparation kann in einigen Ausführungsformen an jeder Bestrah lungsposition 11 der Mehrzahl von Bestrahlungspositionen 11 quasistatisch eine lokale Ab tastreihenfolge von Strahlpositionen 17 im jeweiligen Strahlbereich 15 ausgeführt werden und/oder ein bestimmtes Strahlprofil als geometrische Form und als Intensitätsprofil des Strahlbereichs 15 entstehen. Mit anderen Worten kann die Scannereinrichtung 7 das so er zeugte Strahlprofil und allgemein den Strahlbereich 15, d.h., die optisch ansteuerbaren Strahl positionen 17, entlang der Mehrzahl von Bestrahlungspositionen 11, insbesondere entlang des Scanpfads 103, verlagern. Durch Veränderung der Ansteuerung der Ablenkeinrichtung kann nun vorteilhaft das Strahlprofil des Strahlbereichs, insbesondere also die Form des Strahlbe reichs und/oder das Intensitätsprofil in dem Strahlbereich, quasi beliebig verändert werden, bei Bedarf sogar von Bestrahlungsposition zu Bestrahlungsposition. Ferner kann eine Abtast reihenfolge bei der Verlagerung der Strahlpositionen 17 thermische Effekte berücksichtigen.

In einigen Ausführungsformen kann eine Mehrzahl benachbarter Bestrahlungspositionen 11, insbesondere jeweils ein zusammenhängender Abschnitt des Scanpfads 103, mit einem glei chen Strahlprofil und/oder einer gleichen Abtastreihenfolge überstrichen werden. Alternative können verschiedene Abschnitte des Scanpfads 103 mit verschiedenen Strahlprofilen und/oder verschiedenen Abtastreihenfolgen überstrichen werden.

Das erzeugte Strahlprofil und/oder die Abtastreihenfolge kann in einigen Ausführungsformen als quasistatisch mit Blick auf den Schmelzprozess im Pulvermaterial 2 angesehen werden, wobei die Zeitskala für die Ablenkung des Energiestrahls 5 durch die optische Ablenkeinrich tung 13 deutlich kürzer ist als die charakteristische Wechselwirkungszeit des Energiestrahls 5 mit dem Pulvermaterial 2. Das dynamisch generierte Strahlprofil kann dann über die Zeit ge mittelt mit dem Pulvermaterial wie ein statisch erzeugtes Profil wechselwirken. Gleiches gilt für das Abtasten der dynamisch generierten Abtastreihenfolge.

Fig. 2 verdeutlicht einen beispielhaften Strahlengang, wie er in der Fertigungseinrichtung 1 der Fig. 1 umgesetzt werden kann. Die Ablenkeinrichtung 13 befindet sich in Propagations richtung des Energiestrahls 5 vor der Scannereinrichtung 7. Die Ablenkeinrichtung 13 weist insbesondere mindestens einen akusto-opti sehen Deflektor 21, hier insbesondere zwei nicht parallel, insbesondere senkrecht zueinander orientierte akusto-opti sehe Deflektoren 21, näm lich einen ersten akusto-opti sehen Deflektor 21.1 und einen zweiten akusto-opti sehen Deflek tor 21.2, auf. Die senkrecht zueinander orientierten akusto-opti sehen Deflektoren 21 erlauben eine Ablenkung des Energiestrahls 5 in zwei senkrecht aufeinander stehende Richtungen und damit insbesondere ein flächiges Abscannen des Strahlbereichs 15. Die zueinander nicht pa rallelen akusto-opti sehen Deflektoren 21.1 und 21.2 sind vorzugsweise in Propagationsrich tung des Energiestrahls 5 hintereinander angeordnet.

Unter einem akusto-opti sehen Deflektor wird insbesondere ein Element verstanden, welches einen für den Energiestrahl transparenten Festkörper aufweist, der mit Schallwellen, insbe sondere 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 akusto- optischen 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 akusto-opti sehen Deflektor deutlich schneller als typische Schaltzeiten für konventionelle Scannereinrichtun gen, insbesondere Galvanometer-Scanner, die im Allgemeinen zur Verlagerung eines Energie strahls innerhalb eines Arbeitsbereichs einer Fertigungseinrichtung der hier angesprochenen Art verwendet werden. Daher kann ein solcher akusto-opti scher Deflektor in besonders geeig neter Weise zur Erzeugung eines quasi statischen Strahlprofils in dem Strahlbereich verwendet werden.

Moderne akusto-opti sehe Deflektoren können den Energiestrahl mit einer Effizienz von min destens 90 % (insbesondere von mindestens 80 %) in einen vorbestimmten Winkelbereich der ersten Beugungsordnung ablenken, 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.

Insbesondere wenn die Ablenkeinrichtung 13 akusto-opti sehe Deflektoren aufweist, erzeugen die AODs 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 meist jedoch lediglich der Teilstrahl erster Ordnung verwendet werden. Die Fertigungseinrichtung 1 weist in der in Fig. 2 gezeigten Ausführungs form außerdem in Propagationsrichtung des Energiestrahls 5 hinter der Ablenkeinrichtung 13 und vor der Scannereinrichtung 7 einen Separationsspiegel 23 auf, der eingerichtet ist, um den Teilstrahl nullter Ordnung von dem 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 vorge sehen ist und den Separationsspiegel 23 vollständig durchdringt. Der in erwünschter Weise 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 Teilstrah len höherer Ordnung, treffen dagegen auf die reflektierende Oberfläche 27 und werden zu einer Strahlfalle 29 umgelenkt.

Der Separationsspiegel 23 ist insbesondere in der Eimgebung 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. Hier durch 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 vor zugsweise als l:l-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 be vorzugt einen gedachten, gemeinsamen Strahl drehpunkt 39 der Ablenkeinrichtung 13 vorteil haft 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 Energie strahl 5 bevorzugt mehrfach durch Umlenkspiegel 43 umgelenkt. Zusammenfassend kann im Rahmen eines Verfahrens zum Verlagern eines kontinuierlichen Energiestrahls entlang eines durch eine Abfolge von Strahlpositionen ausgebildeten Bestrah lungspfads während des additiven Fertigens eines Bauteils 4 aus einem Pulvermaterial der Energiestrahl 5 bevorzugt innerhalb des Arbeitsbereichs 9 an eine Mehrzahl von Strahlpositi onen 17 verlagert werden, um mittels des Energiestrahls 5 das Bauteil 4 aus dem in dem Ar beitsbereich 9 angeordneten Pulvermaterial 2 schichtweise herzustellen. Der Energiestrahl 5 wird bezüglich einer Bestrahlungsposition 11 innerhalb eines Strahlbereichs 15 an eine Mehr zahl von Strahlpositionen 17 verlagert.

In bevorzugten Ausführungsformen wird ein kontinuierlicher Energiestrahl entlang eines Be strahlungspfads zumindest abschnittsweise kontinuierlich verlagert. Beispielsweise kann ein cw-Laserstrahl entlang im Rahmen der Bestrahlungsstrategie definierten Scanvektoren eines Bestrahlungspfads kontinuierlich verfahren werden, wobei die Scanvektoren in Bestrahlungs zonen (Hatches) jeweils parallel zueinander verlaufen. Die Scanvektoren einer Bestrahlungs zone können in der gleichen oder abwechselnd in entgegengesetzter Richtung gleichmäßig abgefahren werden. Dies entspricht einem kontinuierlichen Belichten der Scanvektoren.

Fig. 5A zeigt als Beispiel für ein kontinuierliches Verfahren einen linearen Abtastvorgang, bei dem beabstandete Strahlpositionen Al, A2, ... A7 sprunghaft nacheinander angefahren wer den, indem die optische Ablenkung eine Positionsänderung des Energiestrahls 5 um eine dis krete Strecke DC1 bewirkt. Schematisch sind in Fig. 5A ferner Kreise um die Strahlpositionen Al, A2, ... A7 angedeutet, die einen flächigen Bereich verdeutlichen, in dem der Energieein trag durch den auf eine Strahlposition auftreffende Energiestrahl zu einem Aufschmelzen des Pulvermaterials führt. Allgemein können benachbarte Strahlpositionen einer Unterabfolge mindestens einen Durchmesser des Energiestrahls oder mindestens 50 % des Durchmessers des Energiestrahls voneinander beabstandet im Arbeitsbereich angeordnet sein.

Man erkennt in Fig. 5A, dass die Strecke DC1 derart gewählt wurde, dass sich benachbarte Aufschmelzbereiche teilweise überlappen, sodass ein kontinuierliches Aufschmelzen des Pul vermaterials bewirkt werden kann. Im vorliegenden Bespiel der Fig. 5A erfolgt das Auf schmelzen entlang einer Linie, beispielsweise entlang eines Scanvektors in einer Bestrah lungszone. Der lineare Abtastvorgang kann von einer festen Bestrahlungsposition aus oder bei einer sich ändernden mechanischen Ablenkung durchgeführt werden, wobei im letzteren Fall die opti sche Ablenkung (die Strecke DC1) entsprechend der mechanisch-induzierten Bewegung der Bestrahlungsposition in der Bestrahlungsstrategie anzupassen ist.

Ferner kann ein diskontinuierliches Verlagern des Energiestrahls durchgeführt werden, wobei Positionen sprunghaft entlang des Bestrahlungspfads angefahren und beleuchtet werden. Ein derartiges diskontinuierliches Belichten kann z.B. innerhalb eines Scanvektors einer Bestrah lungszone, beim Wechseln zu nicht benachbarten Scanvektoren einer Bestrahlungszone oder beim Wechseln zwischen Bestrahlungszonen vorgenommen werden.

In diesen Fällen kann ein cw-Laserstrahl z.B. diskrete Strahlpositionen entlang des Bestrah lungspfads in einer in der Bestrahlungsstrategie festgelegten Reihenfolge abtasten. Ein diskon tinuierliches Belichten differenziert zwischen einer Geometrie des Bestrahlungspfads und ei ner Einsteilbarkeit eines Zeitpunkts der Bestrahlung. Der Geometrie des Bestrahlungspfads wird somit eine Reihenfolge von Zeitpunkten zugeordnet, an dem die jeweiligen Strahlpositi onen des Bestrahlungspfads belichtet werden. Die Geometrie des Bestrahlungspfads ist im Wesentlichen durch den schichtspezifischen Querschnitt des Bauteils 4 gegeben, wobei tech nisch bedingt Segmente des Bestrahlungspfads eingeführt werden können; dies sind z.B. die nebeneinander verlaufende (insbesondere parallele lineare) Scanvektoren in den Bestrah lungszonen, wobei benachbarte Bestrahlungszonen unterschiedliche Orientierungen der Scan vektoren aufweisen können. Die Einsteilbarkeit des Zeitpunkts der Bestrahlung bestimmt Pa rameter der Wechselwirkung des Energiestahls mit dem Pulvermaterial an einer Strahlpositi on. Beispielsweise wird eine Dauer der Bestrahlung durch Einstellen von Zeiträumen zwi schen dem Wechsel zwischen Strahlpositionen vorgegeben. Ferner kann die Wahl des Ab stands zwischen Strahlpositionen thermische Aspekte beeinflussen, wie ein Abfließen von eingebrachter Wärme in des Pulvermaterial/die Pulverschmelze.

Fig. 5B zeigt ein erstes Beispiel für ein diskontinuierliches Verlagern des Energiestrahls im Rahmen eines linearen Abtastvorgangs. Eine Abtastreihenfolge in Fig. 5B umfasst eine Grup pe 61 von beispielhaft sieben Strahlpositionen Bl, B2, B3, B4, B5, B6, B7, die sprunghaft gemäß einer vorgegebenen Reihenfolge abgetastet werden. Dazu bewirkt die optische Ablen kung Positionsänderungen des Energiestrahls 5, die aus mehreren möglichen diskreten Stre cken bestehen, beispielhaft sind zwei Strecken DC1 und DC2 in Fig. 5B dargestellt. Die dis- kreten Strecken sind dabei so gewählt, dass die diskrete Strecke DC2 eine Strahlposition über springt. Die Abtastreihenfolge kann von einer festen Bestrahlungsposition aus (d.h., vorrüber- gehend wird die mechanische Ablenkung stationär festgehalten oder kann als stationär be trachtet werden) durchgeführt werden. Abtastreihenfolgen können ferner räumlich aneinander anschließen (wie in Fig. 5B mit einer Gruppe 6G angedeutet, z.B. ausgehend von einer ent sprechend weiter bewegten Bestrahlungsposition) und/oder sie können am gleichen Ort und/oder räumlich versetzt wiederholt werden. Ferner kann die optische Ablenkung mit einer kontinuierlichen mechanischen Ablenkung überlagert werden, wobei die optischen Ablenkun gen (die Strecken DC1 und DC2) entsprechend der Bewegung der Bestrahlungsposition in der Bestrahlungsstrategie anzupassen sind.

Schematisch sind in Fig. 5B wieder Aufschmelzbereiche verdeutlichende Kreise um die Strahlpositionen 317A, 317B, 317G angedeutet. Aufgrund der Abtastreihenfolge 61 werden nicht nur benachbarte Strahlpositionen aufeinanderfolgend belichtet, sodass sich neue thermi sche Wechselwirkungsparameter ergeben, die sich von denen der in Fig. 5A verdeutlichten Bestrahlungsstrategie unterscheiden. Im Ergebnis ergibt sich wieder ein Aufschmelzen ent lang einer Linie, beispielsweise entlang eines Abschnitts eines Scanvektors in einer Bestrah lungszone. Jedoch können die neuen thermischen Wechselwirkungsparameter es in einigen Ausführungsformen ermöglichen, dass der Energieeintrag mit dem Energiestrahl erhöht wer den kann, bei gleichzeitiger Verkürzung der Bestrahlungsdauer an einer Strahlposition. Ent sprechend kann der Fertigungsprozess zeitlich effizienter durchgeführt werden.

Fig. 5C zeigt ein weiteres Beispiel für ein diskontinuierliches Verlagern des Energiestrahls. Dabei ist eine zugrundeliegende Abtastreihenfolge so gewählt, dass benachbarte Gruppen 71A, 71B von vier Strahlpositionen CI, C3, C5, C7 bzw. C2, C4, C6, C8 quasi zeitgleich be strahlt werden. Dazu bewirkt die optische Ablenkung Positionsänderungen des Energiestrahls 5, bei der zwei oder drei Strahlpositionen übersprungen werden; beispielhaft sind in Fig. 5C zwei mögliche diskrete Strecken DC3 und DC4 angedeutet.

Die Strahlpositionen Bl, ... B7 und CI, .. C8 stellen jeweils Unterabfolgen von Strahlpositi onen (17) dar, die nur eine Strahlposition der Abfolge des Bestrahlungspfads (101) umfassen. Der Fachmann wird anerkennen, dass diese Unterabfolgen auf zwei oder mehr benachbarte Strahlpositionen erweitert werden können, solange der Energieeintrag im vorgegeben Rahmen verbleibt. Die Bestrahlungsstrategien der Figuren 5B und 5C stellen somit Beispiele für Un- terabfolgen dar, die derart abgetastet werden, dass durch eine sprunghafte Veränderung der optischen Ablenkung der Energiestrahl einen Bereich zwischen den beabstandeten Unterab folgen überspringt, sodass nacheinander räumlich voneinander beabstandete, insbesondere thermisch entkoppelte, Unterabfolgen vom Energiestrahl (in der Beispielen der Figuren 5B und 5C liegt beispielhaft ein Abstand von einer Strahlposition vor) eingenommen werden.

Allgemein können Strahlpositionen einer Unterabfolge mindestens das 1,5- bis 2-fache oder mehr des Durchmessers des Energiestrahls voneinander beabstandet im Arbeitsbereich ange ordnet sein. Allgemein können beim Wechseln zwischen Unterabfolgen ferner Bereiche des Arbeitsbereichs übersprungen werden, die ausgewählt sind aus der Gruppe von Bereichen umfassend einen noch nicht bestrahlten Bereich des Arbeitsbereichs, einen nicht zu bestrah lenden Bereich des Arbeitsbereichs und einen bereits bestrahlten Bereich des Arbeitsbereichs. Der Fachmann wird anerkennen, dass mindestens eine Strahlposition, die beim Abtasten der Abfolge von Strahlpositionen übersprungen wurde, zu einem nachfolgenden Zeitpunkt abge tastet werden kann.

Auch hier kann von einer festen Bestrahlungsposition oder einer Bewegung der Bestrahlungs position ausgegangen werden. Aufgrund der großen Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Wechselwirkungsbereichen kann der Energieeintrag weiter erhöht und die Bestrahlungsdauer entsprechend verkürzt werden, sodass der Fertigungsprozess effizient durchgeführt werden kann.

In einer weiteren Bestrahlungsstrategie kann um eine maximale Sprungweite entlang des Be strahlungspfads vorausgesprungen werden (z.B. von Strahlposition Al in Fig. 5A auf Strahl position A7), um und dann entgegen der Bewegungsrichtung der mechanischen Ablenkung mit kleineren Sprüngen rückwärts zu springen, bis alle übersprungenen Strahlpositionen ent lang des Belegungspfad eingenommen wurden (in Fig 5A z.B. in der Reihenfolge A2-A3-A4- A5-A6 als Beispiel für eine Unterabfolge von Strahlpositionen, die mehrere Strahlpositionen umfasst). Dann wird wieder maximal weit nach vorne auf dem Bestrahlungspfad gesprungen etc.

Fig. 6 zeigt wie unter Verwendung der optischen Ablenkung zwei oder mehr Scanvektoren in einer oder in mehreren Bestrahlungszonen gleichzeitig belichtet werden können. Man erkennt eine Aufreihung von Bestrahlungszonen HAI, HB1, HA2, HB2, HA3, wobei in jeder der Be- Strahlungszonen parallel zueinander verlaufende Scanvektoren S1 bis S6 laut Bestrahlungs strategie zu belichten sind, wobei die Scannereinrichtung 7 die Ablenkung des Energiestrahls in Richtung der Scanvektoren S1 bis S6 der jeweiligen Bestrahlungszone vornimmt. Ein kon tinuierlich bestrahlter Scanvektor einer Bestrahlungszone stellt eine Unterabfolge von Strahl positionen dar, die mehrere Strahlpositionen umfasst. Eine Bestrahlungszone (Hatch) kann z.B. eine Kantenlänge im Bereich einiger Millimeter bis zu einigen Zentimetern aufweisen. Diese Abmessungen liegen im Bereich der Sprungweite, die mit einer optischen Ablenkein richtung (AOD/EOD) umgesetzt werden kann, beispielsweise im Bereich von einigen Milli metern, z.B. ±10 mm, meist mindestens ±5 mm).

Zur Verdeutlichung, dass die Scanvektoren S1 bis S6 primär mit der Scannereinrichtung 7 abgefahren werden, wurden die Scanvektoren gestrichelt dargestellt. In benachbarten Bestrah lungszonen liegen unterschiedliche Ausrichtungen der Scanvektoren S1 bis S6 vor, sodass in den Bestrahlungszonen HAI, HA2, HA3 die Scanvektoren S1 bis S6 jeweils parallel verlau fen, ebenso wie in den Bestrahlungszonen HB1, HB2. Eine entsprechende Anordnung in zwei Dimensionen ergibt eine sogenannte Schachbrettfeld-Anordnung von Bestrahlungszonen, wo bei die Konzepte analog in Streifen-Anordnungen von Bestrahlungszonen anwendbar sind.

In der Bestrahlungszone HAI ist eine Umsetzung von Springen innerhalb der Bestrahlungszo ne HAI angedeutet. Während des mechanischen Ablenkens in Richtung der Scanvektoren bewirkt die optische Ablenkeinrichtung ein Springen zwischen den Scanvektoren. Im Beispiel der Fig. 6 springt der Energie strahl z.B. zwischen den Scanvektoren S1-S4 bzw. S2-S5 bzw. S3-S6; es liegen in diesem Fall immer zwei Scanbreiten (in der Größe der Aufschmelzberei che) zwischen den Orten des Energieeintrags (zu springende Strecke DC3).

Liegen unterschiedliche Bestrahlungszonen in Reichweite der optischen Ablenkung, können Scanvektoren in unterschiedlichen Bestrahlungszonen gleichzeitig belichtet werden. In Fig. 6 können die optisch-induzierten Sprünge z.B. in Richtung der mechanischen Ablenkung erfol gen (angedeutetes gleichzeitiges Belichten von Scanvektoren S1 in den Bestrahlungszonen HB1 und HB2, Strecke DCC) oder quer zur mechanischen Ablenkung erfolgen (angedeutetes gleichzeitiges Belichten von Scanvektoren S2 in den Bestrahlungszonen HA2 und HA3, Stre cke DCC). Alternativ könnte in Bestrahlungszone HAI die Scannereinrichtung 7 an eine feste Bestrah lungsposition 11 in der Mitte der Bestrahlungszone HAI positioniert werden. Anschließend können die Scanvektoren S1 bis S6 wie zuvor beschrieben abgefahren werden, wobei die Ab lenkeinrichtung 13 nicht nur ein Springen zwischen den jeweils zwei Scanvektoren bewirkt, sondern auch ein Abfahren der Scanvektoren. In einer weiteren Alternative könnte die Scan nereinrichtung 7 von links nach rechts abgelenkt werden, während die Ablenkeinrichtung 13 wie im Beispiel zuvor das Springen zwischen den Scanvektoren, sowie das Abfahren der Scanvektoren bewirkt. Diese Alternative ist besonders geeignet für Streifen-Anordnungen von Bestrahlungszonen, bei denen so viele Scanvektoren parallel zueinander angeordnet sind, dass diese über den Strahlbereich 15 des optischen Ablenkeinrichtung 13 hinausgehen. Eine solche Bestrahlungsstrategie kann vorteilhaft auch bei filigranen Strukturen Anwendung finden, wie sie in den Figuren 10A bis 10D gezeigt werden.

Allgemein kann, wenn der Abstand zwischen den angesprungenen Strahlpositionen so groß gewählt wird, dass diese sich thermisch nicht beeinflussen, deutlich mehr Energie/ Laserener gie in das Bauteil eingebracht werden. Dadurch kann die Produktivität im Vergleich zu einem Ziehen einer Schmelzspur im Pulverbett mit einem (kreisförmigen/gaußförmigen) Laserstrahl erhöht werden.

Wie an den beispielhaft diskutierten Abtastreihenfolgen der Figuren 5B und 5C und 6 gezeigt wurde, kann der Energieeintrag in einem erfindungsgemäßen Aspekt anhand einer zeitlichen und örtlichen Steuerung kontrolliert werden. Dies kann insbesondere bei der additiven Ferti gung in einem Überhangbereich oder in einer filigranen Bauteil Struktur genutzt werden. Dies kann es ferner ermöglichen, eine lokale Überhitzung auch bei einer Belichtung mit kontinuier licher Laserstrahlung zu reduzieren oder zu vermeiden, indem der Energieeintrag an diskreten beabstandeten Orten und/oder zeitlich begrenzt erfolgt.

Dazu wird z.B. eine kontinuierliche Laserstrahlung nach einer vom Pulvermaterialtyp abhängigen Bestrahlungsdauer des Pulvermaterials an diesem Ort mithilfe der optischen Ab lenkung beendet, um so dem aufgeschmolzenen Material die Möglichkeit für eine Wärmeab fuhr zu geben und eine lokale Überhitzung mit ungewollter Ausdehnung des Schmelzbads zu vermeiden. Mit anderen Worten kann eine Überhitzung dadurch vermieden werden, dass der Laserstrahl nach der Belichtung einer ersten Stelle (z.B. Bl in Fig. 5B oder CI in Fig. 5C) mit der vorgesehenen Bestrahlungsdauer an eine andere zweite Stelle (z.B. B2 in Fig. 5B oder C2 in Fig. 5C) springt, die weit genug von der ersten Stelle entfernt ist, so dass an der ersten Stel le kein relevanter Wärmeeintrag durch die Belichtung an der zweiten Stelle auftritt. Dadurch kann eine lokale Überhitzung auch bei einer zeitlich kontinuierlichen Bestrahlung (möglichst duty cycle von 1) und damit ohne Zeitverlust realisiert werden.

Dazu ist jedoch eine sehr schnelle Ablenkung des Laserstrahls von der ersten Stelle zur zwei ten Stelle erforderlich. Die schnelle Ablenkung ist notwendig, um möglichst keinen Zeitver lust durch den Sprungweg von der ersten Stelle zur zweiten Stelle zu erhalten und um eine ungewollte Belichtung/Bearbeitung des Materials entlang des Sprungwegs zu vermeiden.

Zwar erfüllen die üblicherweise in Anlagen eingesetzten mechanisch-induzierten Scannerein richtung (z.B. Galvoscanner) diese Anforderung aufgrund der Massenträgheit der Spiegel nicht, jedoch kann mittels optischer Ablenkung, wie hierin erläutert, eine entsprechende sprunghafte Verlagerung vorgenommen werden. Da die z.B. mittels AOD realisierbaren opti schen Ablenkstrecken gering sind, ist für eine Positionierung des Laserstrahls über größere Bereiche (insbesondere den Arbeitsbereich 9) zusätzlich eine Scannereinrichtung wie ein Gal voscanner erforderlich.

Die Umsetzung eines beispielhaften Bestrahlungspfads mit einer starken Richtungsänderung wird in Zusammenhang mit Fig. 7A am Beispiel einer Ecke E in einem Bestrahlungspfad 201 erläutert, wobei die Ecke E von einem linearen Pfadsegment 201 A und einem linearen Pfadsegment 201B des Bestrahlungspfads 201 gebildet wird und die linearen Pfadsegmente 201A, 201B senkrecht aufeinandertreffen.

Allgemein wird bei einer Belichtung einer eckigen Kontur nur mit einer mechanischen Scan nereinrichtung, also einer trägen Achse, eine Abtast-Bewegung einer optischen Komponente (z.B. eines Umlenkspiegels) der Scannereinrichtung vorübergehen komplett zum Stillstand gebracht, bevor eine weitere oder die gleiche optische Komponente in eine neue Richtung, z.B. unter einem 90°-Winkel, beschleunigt wird. Bei konstantem Energieeintrag eines konti nuierlichen Energiestrahls (konstante Laserleistung) kann dies zu einer Überhitzung der Pul verschmelze im Bereich der ausgebildeten Ecke führen. Eine Überhitzung kann insbesondere dann eintreten, wenn die Wärme aufgrund des nicht-aufgeschmolzenen (und entsprechend isolierenden) Pulvers, das z.B. eine schichtweise ausgebildete spitze Struktur umgibt, schlecht abfließen kann. Mit der hierin vorgeschlagenen Aufteilung in eine mechanische Ablenkung (träge Achse der Scannereinrichtung) und eine optische Ablenkung (dynamische Achse der optischen Ablenk einrichtung) kann nun die träge Achse eine abgerundete Kurve in der Nähe der Ecke abfahren (siehe den beispielhaften Scanpfad 203 in Form eines Viertelkreises in Fig. 7A).

Insbesondere kann hierzu eine Veränderung der optischen Ablenkung des Energiestrahls eine Veränderung der mechanischen Ablenkung des Energiestrahls in einer Richtung quer zum Bestrahlungspfad 201 zumindest teilweise kompensierten, sodass der Bestrahlungspfad 201 von einer Abfolge von mit der Scannereinrichtung 7 eingestellten Bestrahlungspositionen (Scanpfad 203) abweicht. Optional kann die optische Ablenkung des Energiestrahls (5) eine Komponente in Richtung des Bestrahlungspfads 201 aufweisen, sodass insbesondere eine Ge schwindigkeit, mit der die Abfolge von Strahlpositionen 217 in einem Segment (Pfadsegmen te 201 A, 201B) des Bestrahlungspfads 201 abgetastet wird, konstant ist oder in einem Soll- Geschwindigkeitsbereich um eine vorgegebene Geschwindigkeit bleibt.

Allgemein können sich eine Veränderung der optischen Ablenkung des Energiestrahls und eine Veränderung der mechanischen Ablenkung des Energiestrahls in mindestens einer ersten Richtung zumindest teilweise kompensieren. In mindestens einer zweiten Richtung können sich eine Veränderung der optischen Ablenkung des Energiestrahls und eine Veränderung der mechanischen Ablenkung des Energiestrahls addieren.

Die dynamische Achse führt eine Ausgleichsbewegung derart durch, dass der Energiestrahl auf der eckigen Kontur, in Fig. 7A den linearen Pfadsegmenten 201 A, 201B, verbleibt. Dabei ist ein Abbremsen und Wiederbeschleunigen im Bereich der Ecke E durch die Beschleuni gung der dynamischen Achse begrenzt, die größer ist als die der mechanischen Ablenkung, so dass Überhitzungsrisiken zumindest deutlich gesenkt werden können. Es muss bei der Pla nung der Bestrahlungsstrategie lediglich darauf geachtet werden, dass Positionsabweichungen der von der trägen Achse eingestellten Bestrahlungspositionen von den für die Zielkontur be nötigten Strahlpositionen durch die dynamischen Achsen kompensiert werden können. Im Fall der Fig. 7A liegen die auszugleichenden Positionsabweichungen im Bereich eines Strahlbe reichs 215, der in Fig. 7A für eine Bestrahlungsposition 211 schematisch eingezeichnet ist.

Die Positionsabweichung zum Zeitpunkt der Einnahme der Bestrahlungsposition 211 durch die Scannereinrichtung entspricht einer Strecke DCE, falls zu diesem Zeitpunkt der Energie strahl auf die Ecke E treffen soll. Aufgrund der Weglängenunterschiede zwischen dem Be- Strahlungspfad 201 und dem Scanpfad 203 kann, um eine konstante Abtastgeschwindigkeit zu erreichen, die mechanische Ablenkung in der Geschwindigkeit reduziert werden. Beispielhaft wurde ein Vorauslaufen der Strahlposition durch eine Strecke AXV angedeutet.

Allgemein kann eine Abtastgeschwindigkeit entlang des Bestrahlungspfads 201 durch ein Abstimmen der Geschwindigkeiten der mechanischen Ablenkung und der optischen Ablen kung gewählt werden. Auf diese Weise kann auch auf den Energieeintrag des Energiestrahls entlang des Bestrahlungspfads 201 Einfluss genommen werden.

Somit können es die hierin beschriebenen Aspekte insbesondere ermöglichen, Bremsphasen, Beschleunigungsphasen und dadurch erforderliche Anpassungen in der Energie des Energie strahls zu reduzieren oder sogar zu vermeiden. Somit kann auch der Aufwand in der Prozess entwicklung reduziert werden, da insbesondere Anpassungen der Energie im Energiestrahl für jeden Pulvermaterial typ (Korngrößenverteilung, chemische Zusammensetzung) durchzufüh ren sind.

Beispielsweise bei der additiven Fertigung des in Fig. 1 gezeigten Bauteils 4 kann die Ecke E Teil einer Überhangstruktur sein. Um den Energieeintrag in die Ecke weiter zu reduzieren, kann die Belichtung weiter mithilfe der optischen Ablenkeinheit modifiziert werden, wie nachfolgend in Zusammenhang mit Fig 7B erläutert wird. Vorausgesetzt eine zu formende eckige Struktur weist Dimensionen auf, die im Wesentlichen der Reichweite von instantanen sprunghaften optischen Ablenkungen liegen, kann die eckige Kontur wieder mit linearen Pfadsegmenten 201 A und 201B' des Bestrahlungspfads 201 erfolgen. Die mechanische Ab lenkung kann z.B. eine Abfolge von mit der Scannereinrichtung eingestellten Bestrahlungspo sitionen bewirken, die auf einem gekrümmten Scanpfad 203 angeordnet ist. Dabei wird nun jedoch jedes der Pfadsegmente 201 A und 201B' in Richtung zu der Ecke E des Bestrahlungs pfads (allgemein hin zu einer auszubildenden Verjüngung/Spitze eines Bauteils) kontinuier lich, optional mit einer variierenden Scangeschwindigkeit, abgetastet. Die Pfadsegmente 201 A und 201B' sind ebenfalls Beispiele für Unterabfolgen von Strahlpositionen, die jeweils mehre re Strahlpositionen umfassen. Entsprechend wurde die Pfeilspitze auch des Pfadsegments 201B' bei der Ecke E gezeichnet. Beispielsweise kann zuerst eine Abtastung entlang des Pfadsegments 201 A vorgenommen werden, wobei Abweichungen der mechanischen Ablen kung wieder durch die optische Ablenkung kompensiert werden. Wurde die Ecke E erreicht, erfolgt nun ein Sprung mithilfe der optischen Ablenkeinrichtung an den Anfang des Pfadseg- ments 20 IB' und von dort ausgehend ebenfalls wieder ein Abtasten in Richtung der Ecke E des Bestrahlungspfads 201.

Auf diese Weise können allgemein Verfestigungsprozesse vom „besser wärmeableitenden“ Bereich in einen „schlechter wärmeableitenden“ Bereich (z.B. eine Spitze in der zu fertigen den Struktur des Bauteils 4) erfolgen, wodurch eine Gefahr der Überhitzung weiter reduziert werden kann. Es wird angemerkt, dass gerade die hierin vorgeschlagenen Konzepte zur Auf teilung in eine mechanische und eine optische Ablenkung ein derartiges Vorgehen vorteilhaft umsetzen lassen. Eine Abschaltung des Energiestrahls ist dabei nicht vorzunehmen, da der benötigte Sprung quasi instantan erfolgt, sodass wertvolle Zeit durch das Verlagern des Ener giestrahls vor der Fortführung des Prozesses „von der anderen Seite aus“ nicht verloren wird.

Fig. 7C verdeutlicht ferner, wie überdies die Fertigung einer eckigen Struktur durch Erhöhen der eingestrahlten Energie beschleunigt werden kann, wenn die Möglichkeit einer instantanen sprunghaften optischen Ablenkung zusätzlich genutzt wird. D.h., es kann ein Energieeintrag mit dem Energiestrahl (z.B. die Leistung eines Laserstrahls) verwendet werden, der über ei nem Grenzwert liegt, wie er üblicherweise für ein Pulvermaterialtyp (Korngrößenverteilung, chemische Zusammensetzung des Pulvermaterials 2) bei einer kontinuierlichen Abtastung mit einem Strahldurchmesser bei vorgegebener Abtastgeschwindigkeit vorbestimmt wird und bei spielsweise bei einer Bestrahlung nach den in Zusammenhang mit den Figuren 7A und 7B erläuterten Bestrahlungsstrategien zu beachten ist.

Dazu werden wie in Fig. 7C zwei (insbesondere lineare, und gemeinsam eine Bestrahlungs pfadecke (E) ausbildende) Pfadsegmente 201 A" und 201B" als Beispiele von Unterabfolgen von Strahlpositionen 217 gezeigt. Die Unterabfolgen werden punktweise, d.h. an den Strahl positionen 217, und zugleich von innen nach außen, d.h., zur Ecke E hin, belichtet. Dazu kann der Energiestrahl abwechselnd auf mindestens eine Strahlposition der Unterabfolge einer ers ten der Bestrahlungspfadsegmente, z.B. Pfadsegment 201 A", und mindestens eine Strahlposi tion der Unterabfolge einer zweiten der Bestrahlungspfadsegmente, z.B. Pfadsegment 201B", verlagert werden. Zur Verdeutlichung ist in Fig. 7C eine beispielhafte Reihenfolge 1 bis 10 in beispielhaften zehn Strahlpositionen (mit kreisförmig angedeuteten sich überlappenden Auf schmelzbereichen) entlang den Pfadsegmenten 201A" und 201B" angegeben. Die optische Ablenkung muss zumindest ein Springen von Strahlposition 1 zu Strahlposition 2 ermögli chen. Allgemein kann das Verlagern mit der optischen Ablenkung zwischen den Unterabfol- gen sprunghaft erfolgen. Das Verändern der mechanischen Ablenkung kann kontinuierlich, optional mit variierender Scangeschwindigkeit, erfolge. Beispielsweise kann die mechanische Ablenkung eine Abfolge von mit der Scannereinrichtung eingestellten Bestrahlungspositionen 211 bewirkt, die auf einem gekrümmten Scanpfad 203 angeordnet ist.

In Fig. 8 wird ein weiteres Beispiel für ein mögliches Zusammenwirken von mechanischer Ablenkung und optischer Ablenkung bei der Ausbildung eines Bestrahlungspfads 301gezeigt. Der Bestrahlungspfad 301 umfasst einen Bereich einer abrupten Krümmung K, bis zu der der Energiestrahl rein mechanisch mit konstanter Geschwindigkeit geführt werden kann.Ein Fol gen der Krümmung K wird durch ein Aktivieren der optischen Ablenkung ermöglicht, die den Energiestrahl auf dem Bestrahlungspfad 301 hält, während der Scanpfad 303 der mechani schen Ablenkung der Scannereinrichtung träge über den Punkt der Krümmung hinausfährt, bevor er beschleunigt auf den Bestrahlungspfad 301 zurückgeführt wird, um die alleinige Füh rung des Energiestrahls wieder zu übernehmen. Die mechanische Ablenkung bewirkt hier eine Abfolge von mit der Scannereinrichtung eingestellten Bestrahlungspositionen, die auf einem gekrümmten Scanpfad 303 angeordnet ist und kontinuierlich, optional mit einer variierenden Scangeschwindigkeit, abgetastet wird, wobei die Krümmung des Scanpfads 303 geringer ist als die Krümmung des Krümmungssegments. Bespielhaft sind in Fig. 8 eine Bestrahlungspo sition 311, ein zugehöriger Strahlbereich 315 sowie optische Korrekturstrecken DC gezeigt.

Die Figuren 9A und 9B erläutern die Ausbildung von Bestrahlungspfaden, bei denen mit Hilfe einer lateralen optischen Ablenkung eine Verbreiterung eines „mechanischen“ Scanvektors (Scanpfad) über einen Durchmesser des Energiestrahls hinaus vorgenommen wird. Die Ver breiterung wird in den Figuren 9A und 9B als Streifen 403' bzw. 503' angedeutet. Der Streifen 403' bzw. 503' stellt einen zu belichtenden Bereich einer Schicht dar, beispielsweise einen Abschnitt, der bei der Fertigung einen Überhangbereich des Bauteils bildet.

Für eine gegebene Kombinierbarkeit von mechanischer Ablenkung und optischer Ablenkung werden nachfolgend beispielhaft zwei Strategien zur Bearbeitung von Überhangbereichen unter Vermeidung einer lokalen Überhitzung erläutert:

Fig. 9A zeigt eine quasi -stationäre Belichtungsstrategie, bei der der Bestrahlungspfad eine Unterabfolge von Strahlpositionen umfasst, deren Positionen bei im Arbeitsbereich an einer Bestrahlungsposition fixierter mechanischer Ablenkung innerhalb eines zugehörigen Strahlbe- reichs der Ablenkeinrichtung liegen. Eine Scannereinrichtung positioniert den Energiestrahl an einer Bestrahlungsposition 411 A, die z.B. einer Mittelpunktposition einer zu belichtenden Teilfläche T eines Scanvektors entspricht. Mit einem optischen Deflektor der optischen Ab lenkeinrichtung wird der Energiestrahl dann nacheinander auf unterschiedliche Strahlpositio nen 417 der Teilfläche T gerichtet, um diese in einer vorgegebenen Reihenfolge während ei ner vorgegebenen Dauer zu belichten. Eine beispielhafte Reihenfolge 1-2-3-4-5-6-7...n bei der Einnahme der einzunehmenden Strahlpositionen 417 ist in Fig. 9A angedeutet. Bei dieser Reihenfolge werden benachbarte Stellen nicht direkt nacheinander belichtet. Die Teilfläche T ist dabei in den Ausmaßen durch den Strahlbereich 415 bezüglich der Bestrahlungsposition 411 A begrenzt. Im vorliegenden Fall ist die Teilfläche T kleiner als der Strahlbereich 415. Die Unterabfolge der Strahlpositionen auf der Teilfläche T wird nur durch eine Veränderung der optischen Ablenkung bei fixierter mechanischer Ablenkung abgetastet.

Mit dem Ziel eines verbesserten Fertigungsprozesses wird wie oben beschrieben der Energie strahl möglichst nur nicht benachbarte Strahlpositionen 417 direkt nacheinander belichten. Während der Belichtung der Teilfläche T durch die schnelle Ablenkung findet keine Verlage rung der Bestrahlungsposition 411 (d.h., keine Bewegung der Scannereinrichtung) statt. Es liegt somit vorübergehend hinsichtlich der mechanischen Ablenkung eine statische Belich tungssituation vor. Wurde die gesamte Teilfläche T belichtet, wird die Scannereinrichtung aktiviert und eine neue Bestrahlungsposition 411B eingestellt, sodass ein sich anschließender Teilbereich des Streifens 403' belichtet werden kann.

Fig. 9B zeigt eine on-the-fly Belichtung, bei der eine mechanische Ablenkung durchgehend vorgenommen und mit einer optischen Ablenkung überlagert wird. Die Scannereinrichtung führt den Energiestrahl entlang einer definierten Bahn, dem Scanpfad 503. Der Scanpfad 503 kann - wie im Beispiel der Fig. 9B - ein linearer Scanvektor sein oder er kann einer vorgege benen Kontur folgen. Zeitgleich zu der mechanischen Scanbewegung springt der Energiestrahl mittels optischer Ablenkung an Strahlpositionen 517, die z.B. rechts und links, d.h., seitlich, sowie auf dem Scanpfad 503 liegen können. Auch hier wird der Energiestrahl dabei möglichst nur nicht benachbarte Strahlpositionen 517 direkt nacheinander belichten. Eine beispielhafte Reihenfolge 1-2-3-4-5 für die Einnahme der einzunehmenden Strahlpositionen 517 ist in Fig. 9B angedeutet. Gemäß den Ausführungsformen zum Beispiel der der Figuren 7A bis 9B kann die Scannerein richtung derart angesteuert werden, dass die mechanische Ablenkung den Energiestrahl konti nuierlich/schrittweise an einer Abfolge von Bestrahlungspositionen positioniert. Zugleich wird die Ablenkeinrichtung derart angesteuert, dass der Energiestrahl nacheinander die Strahlposi tionen von Unterabfolgen einnimmt, die den Strahlbereich der entsprechenden Bestrahlungs position 411, und insbesondere eine vorgegebene Strahlform des Strahlbereichs (siehe z.B. den Strahlbereich 415 und die Teilfläche T in Fig. 9A), teilweise oder vollständig abdecken.

Mit Blick auf die verschiedenen Ausführungsbeispiele zur Bestrahlung von Strahlpositionen wird der Fachmann ferner anerkennen, dass die Ablenkeinrichtung derart angesteuert werden kann, dass der Energiestrahl an einer Bestrahlungsposition der Mehrzahl von Bestrahlungspo sitionen innerhalb eines Strahlbereichs an eine Mehrzahl von Strahlpositionen verlagert wird, um ein zu bestrahlendes Strahlprofil des Strahlbereichs während der Herstellung eines Bau teils zu formen. Dabei kann der Energiestrahl sprunghaft an die Mehrzahl von diskreten Strahlpositionen des zu bestrahlenden Strahlprofils verlagert wird. Ferner kann der Energie strahl insbesondere räumlich aneinander angrenzende Strahlpositionen im Strahlbereich über springen und insbesondere nur räumlich nicht-aneinander angrenzende Strahlpositionen im Strahlbereich zeitlich aufeinanderfolgend einnehmen.

Die Figuren 10A bis 10D erläutern Bestrahlungsstrategien für eine additive Fertigung von filigranen Strukturen, bei denen eine Detailbelichtung von Teilbereichen nur mittels optischer Ablenkung durchgeführt wird.

Ähnlich wie in Fig. 9A kann für eine fixierte mechanische Ablenkung eine Unterabfolge von Strahlpositionen eine Aufreihung von parallel verlaufenden, insbesondere linearen, Scanvek toren ausbilden und eine Länge eines jeden der Scanvektoren kann kleiner oder gleich einem Ausmaß des Strahlbereichs der Ablenkeinrichtung in Richtung des jeweiligen Scanvektors sein.

Bei filigranen Bauteilen ergeben sich bei der Bestrahlungsplanung häufig eine Anzahl von kurzen Scanvektoren. Mit anderen Worten kann der Bestrahlungspfad eine Mehrzahl von Un terabfolgen von Strahlpositionen umfassen, deren Positionen bei im Arbeitsbereich an einer jeweils zu einer Unterabfolge gehörenden Bestrahlungsposition fixierter mechanischer Ablen kung innerhalb eines Strahlbereichs der Ablenkeinrichtung liegen.

Bei Ansteuerung der kurzen Vektoren mit einer relativ trägen mechanischen Scannereinrich tung erfordert die Belichtung einen hohen Anteil an Beschleunigungs- und Abbremswegen (Skywriting, Scanner-Delay) zwischen den einzelnen kurzen Vektoren. Dies bedingt somit einen hohen nicht-produktiven Zeitanteil bei der Belichtung, wenn die Belichtung allein z.B. mit der Scannereinrichtung 7 in Fig 1 durchgeführt wird. Ferner kann eine aufeinanderfolgen de Belichtung von kurzen Vektoren zu einer lokalen Überhitzung führen oder es können (um die lokale Überhitzung zu vermeiden) stattdessen Prozesspausen erzwungen werden, die beim Einsatz einer mechanischen Ablenkung für filigrane Strukturen vorzusehen sind. Die Prozess pausen sind so zu wählen, dass sie gewährleisten, dass entlang des Bestrahlungspfads ausrei chend Wärme abfließen kann.

Mit den hierin offenbarten Konzepten der Kombination von z.B. einem Galvanoscanner und einem AOD erfolgt ein Schreiben/Belichten von filigranen Strukturen nur mit der optischen Ablenkung des AOD. Mit anderen Worten kann jede der Mehrzahl von Unterabfolgen nur durch eine Veränderung der optischen Ablenkung bei fixierter mechanischer Ablenkung abge tastet werden. Zwischen dem Abtasten von zwei Unterabfolgen der Mehrzahl von Unterabfol gen kann die mechanische Ablenkung von einer Bestrahlungsposition zu einer anderen Be strahlungsposition verändert werden. Dies kann Wartezeiten und/oder Überhitzungen reduzie ren oder vermeiden.

Die Figuren 10A bis 10D zeigen Skizzen zur Erläuterung von Bestrahlungsstrategien für eine additive Fertigung von filigranen Strukturen. Fig. 10A zeigt eine Bestrahlungsstrategie für eine spitzzulaufende filigrane Struktur F in einer Bauteilschicht. Der filigranen Struktur wird für die Belichtung eine Teilfläche T M zugeordnet, in der die Belichtung ausschließlich ent lang einer Gruppe von langen, gestrichelt dargestellten Scanvektoren S_M durchgeführt wird. Die langen Scanvektoren S_M können beispielsweise allein mittels mechanischer Ablenkung des Laserstrahls belichtet/abgetastet werden und stellen dann Bestrahlungspfade der Scanner einrichtung dar.

Man erkennt in den Figuren 10A bis 10D, dass die filigrane Struktur in der Bauteilschicht auch eine schmale sich veijüngende Teilfläche T O ausbildet. In der schmalen Teilfläche T O ist die filigrane Struktur auf eine Breite verjüngt, die kleiner ist als das Ausmaß eines mögli chen Strahlbereichs 615 der optischen Ablenkvorrichtung. Beispielhafte Strahlbereiche 615 sind in Fig. 10A um Bestrahlungspositionen 611 angedeutet.

Bei diesen Größenverhältnissen kann eine Änderung in der Art der Abtastung erfolgen, bei der nun ausschließlich das Abtasten mittels optischer Ablenkung bewirkt wird. Die Figuren 10A bis 10D zeigen für die schmalen Teilflächen T O der Bauteilschicht der filigranen Struk tur F kurze Scanvektoren S O. Die kurzen Scanvektoren S O werden nur mittels optischer Ablenkung des Laserstrahls abgetastet und zwar bei

- z.B. stehendem Galvanoscanner-Spiegeln (Bestrahlungspositionen 611 in Fig. 10A) oder

- sich nur langsam bewegenden Galvanoscanner-Spiegeln (Scanpfad 703 Fig. 10B).

Durch die schnelle optische Ablenkung mittels AOD entfallen nachteilige Delay-Zeiten beim Wechsel zwischen kurzen Scanvektoren S O.

Da aufgrund der kurzen Scanvektoren ein Belichten der Reihe nach zu Überhitzungen führen kann, wenn der Energiestrahl zu schnell wieder nahe an einem zuvor belichteten Bereich ein strahlt, kann außerdem die Belichtungsreihenfolge der einzelnen kurzen Scanvektoren S O der Teilfläche T O in nahezu beliebiger Vektor-Reihenfolge erfolgen. Fig. 10C verdeutlicht Vektor-Reihenfolgen 1-2-3-4-5, G-2'-3'-4'-5', l"-2"-3" für den Fall einer vorübergehend stati onären mechanischen Ablenkung. So werden z.B. in den drei Strahlbereichen 815, die um Be strahlungspositionen 811 optisch abgetastet werden können, immer mindestens ein kurzer Scanvektor S O übersprungen.

In Fig. 10C wurde ferner für die Scanvektoren S_M und S O jeweils eine Scanrichtung ange deutet, die bei aufeinander folgenden Scanvektoren (ob kurz oder lang) jeweils invertiert ist.

Mit anderen Worten können mithilfe der optischen schnellen Ablenkung nicht benachbarte kurze Scanvektoren S O abgetastet werden, die immer einen Mindestabstand aufweisen, so- dass - ohne Anhalten der optischen Ablenkung - die kurzen Scanvektoren S O der filigranen Struktur F effizient abgearbeitet werden können.

Fig. 10D zeigt einen weiteren Vorteil der Flexibilität der optischen Ablenkung. So ermöglicht die Verwendung der optischen Ablenkung, dass immer in eine Richtung gescannt werden kann. Aufgrund der schnellen Ablenkung innerhalb des Strahlbereichs 915 fallen dazu not- wendige Leer-Fahrten zeitlich nicht ins Gewicht. Beispielsweise kann die Abtastung der kur zen Scanvektoren S O der filigranen Struktur F in der Scanrichtung möglichst gegen eine über den Arbeitsbereich 9 geführte Gasströmung G gerichtet werden, wodurch gerade im Be reich der filigranen Struktur F eine höhere Prozessqualität erreicht werden kann.

Die kurze Scanvektoren S O sind ebenfalls Beispiele für Unterabfolgen von Strahlpositionen, die jeweils mehrere Strahlpositionen umfassen.

Mit Blick auf die verschiedenen Ausführungsbeispiele zur Bestrahlung von Unterabfolgen von Strahlpositionen wird der Fachmann anerkennen, dass unter Berücksichtigung, insbeson dere Gewährleistung, des Abflusses der mit dem Energiestrahl in die Unterabfolgen eingetra genen Energie eine Anzahl von Unterabfolgen entlang des Bestrahlungspfads und/oder eine Anzahl von Strahlpositionen in einer der Unterabfolgen und/oder ein räumlicher Abstand zwi schen nacheinander eingenommenen Unterabfolgen bestimmt werden kann. Insbesondere ei ner Limitierung der mit dem Energiestrahl in die Unterabfolgen eingetragenen Energie oder Bestrahlungsdauer kann vorgenommen werden.

Die Auswahl von Energie und Bestrahlungsdauer an einer Strahlposition hängt u.a. davon ab, ob man bspw. zwischen zwei, drei oder noch mehr Unterabfolgen springt: Überspringt man bspw. nur eine Strahlposition, so dass es ggfs noch eine, wenn auch reduzierte, thermische Interaktion zwischen-beiden Unterabfolgen gibt, und springt nur zwischen zwei Unterabfol gen hin und her, kann man pro Zeiteinheit evtl doppelt so viel Energie in jede der Unterabfol gen einbringen (im Vergleich zur kontinuierlichen Bestrahlung); analog wenn man z.B. zwi schen vier Unterabfolgen springt (vorausgesetzt gleiche Bestrahlungszeit pro Strahlposition). Man kann also ggfs auch nahe, thermisch interagierende Unterabfolgen bestrahlen, wenn man genug „thermische Pausen“ zwischen den Belichtungen durch weitere Belichtung an anderen Unterabfolgen/Strahlpositionen einbaut. Thermisch relevant ist unter anderem, ob an einer Stelle die während der Fertigung eingebrachte Energie/Leistung derart über der abfließenden Wärme/Leistung liegt, dass eine zu hohe Spitzentemperatur erreicht wird, die beispielsweise zu Verfärbungen, instabilem Fertigungsprozess oder anderen Problemen führen könnte.

Es wird angemerkt, dass die hierin offenbarten Bestrahlungsstrategien allgemein auch Be strahlungspfad mit eine Unterabfolge von Strahlpositionen umfassen können, die durch eine Veränderung der mechanischen Ablenkung bei fixierter oder variierender optischer Ablen kung eingenommen werden. Allgemein kann ferner eine Geschwindigkeit, mit der eine Abfolge von räumlich aneinander angrenzenden Strahlpositionen kontinuierlich abgetastet wird, unabhängig davon gewählt werden, ob eine der Strahlpositionen der Abfolge von räumlich aneinander angrenzenden Strahlpositionen durch das Verändern der optischen Ablenkung und/oder das Verändern der mechanischen Ablenkung eingenommen wird. Bei der additiven Fertigung liegen bevorzugte Geschwindigkeiten für eine derart kontinuierlich durchgeführte Abtastbewegung - ähnlich wie bei einer rein mechanischen Scannereinrichtung - im Bereich von einem Meter pro Sekunde bis zu einigen Metern pro Sekunde. Dabei kann die Wahl der Geschwindigkeit spezifisch für das Pulvermaterialtyp und den Energiestrahl/Laserstrahltyp erfolgen.

Hinsichtlich einer möglichst gleichmäßigen Abtastung von Strahlpositionen liegt ein Soll- Geschwindigkeitsbereich zum Beispiel im Bereich von einigen Prozent (evtl bis zu ±10 % und mehr) um eine für eine Bestrahlungssituation (Pulvermaterialtyp, Energie strahl/Laserstrahl) vorgegebene Geschwindigkeit, die z.B. für jeweils vorliegende Laserstrahl parameter und Pulvermaterialparameter bestimmt wurde.

Wird die Möglichkeit der sprunghaften Ansteuerung von nicht-benachbarten Strahlpositionen eingebaut und entsprechend die Energie des Energiestrahls erhöht, kann eine auf den gesam ten Bestrahlungspfad bezogene Abtastgeschwindigkeit entsprechend höhere Werte einneh men, mit einer entsprechend gesteigerten Fertigungseffizienz.

Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenba rung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der bean spruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Verlagern eines kontinuierlichen Energiestrahls (5) entlang eines durch eine Abfolge von Strahlpositionen (17) ausgebildeten Bestrahlungspfads (101), der dazu vor gesehen ist, in einem Arbeitsbereich (9) einer Fertigungseinrichtung (1) ein Pulvermaterial (2) in einer Pulverschicht zu verfestigen, mit den Schritten:

Einstrahlen des kontinuierlichen Energiestrahls (5) auf das Pulvermaterial (2), um im Rahmen eines additiven Fertigungsverfahrens eine Schicht eines Bauteils (4) zu formen; und Verlagern des Energiestrahls (5) innerhalb des Arbeitsbereichs (9) durch ein Überla gern einer optischen Ablenkung des Energiestrahls (5) mit einer Ablenkeinrichtung (13) und einer mechanischen Ablenkung des Energiestrahls (5) mit einer Scannereinrichtung (7), wobei die mechanische Ablenkung dazu ausgebildet ist, den Energiestrahl (5) an einer Mehr zahl von im Arbeitsbereich (9) angeordneten Bestrahlungspositionen (11) zu positio nieren, wobei die Bestrahlungspositionen (11) den Arbeitsbereich (9) im Wesentlichen aufspannen, und die optische Ablenkung dazu ausgebildet ist, den Energiestrahl (5) um jede der Be strahlungspositionen (11) innerhalb eines Strahlbereichs (15) der Ablenkeinrichtung (13) auf mindestens eine Strahlposition der Abfolge von Strahlpositionen (17) abzu lenken, wobei die optische Ablenkung und die mechanische Ablenkung zeitgleich oder aufeinander folgend verändert werden, um die Abfolge von Strahlpositionen (17) mit dem Energiestrahl (5) abzutasten, ferner mit:

Ansteuern der Ablenkeinrichtung (13) und der Scannereinrichtung (7) derart, dass der Energiestrahl (5) nacheinander Unterabfolgen, die jeweils mindestens eine Strahlposition der Abfolge von Strahlpositionen (17) des Bestrahlungspfads (101) umfassen, abtastet, wobei durch eine sprunghafte Veränderung der optischen Ablenkung ein Bereich zwischen den be- abstandeten Unterabfolgen vom Energiestrahl (5) übersprungen wird, sodass nacheinander räumlich voneinander beabstandete Unterabfolgen vom Energiestrahl eingenommen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens eines von

- einer Anzahl von Unterabfolgen entlang des Bestrahlungspfads,

- einer Anzahl von Strahlpositionen in einer der Unterabfolgen und

- ein räumlicher Abstand zwischen nacheinander eingenommenen Unterabfolgen unter Berücksichtigung/Gewährleistung des Abflusses der mit dem Energiestrahl (5) in die Unterabfolgen eingetragenen Energie, insbesondere einer Limitierung der mit dem Energie strahl in die Unterabfolgen eingetragenen Energie oder Bestrahlungsdauer, bestimmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ablenkeinrichtung (13) und die Scan nereinrichtung (7) derart angesteuert werden, dass aneinander angrenzende Strahlpositionen (17) des Bestrahlungspfads (101) zeitlich nicht auf einanderfolgend eingenommen werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ablenkeinrichtung (13) in einem für den Energiestrahl (5) vorgesehenen Durchtrittsbereich ein optisches, insbe sondere transparentes, Material umfasst, das optische Eigenschaften aufweist, die zum Bewir ken der optischen Ablenkung eingestellt werden, und wobei die Ablenkeinrichtung (13) insbesondere einen Kristall umfasst, in dem zum Bewirken der optischen Ablenkung eine akustische Welle mit einer akustischen Wellenlänge ausgebildet wird oder ein Brechungsindex oder ein Brechungsindexgradient eingestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, ferner mit

- Einstrahlen des Energiestrahls auf den Durchtrittsbereich,

- Führen des gebeugten Energiestrahls an eine erste der Strahlpositionen (17) und

- Verändern der optischen Ablenkung des Energie Strahls durch Ändern der akustischen Wel lenlänge, wobei insbesondere ein diskretes Verändern der akustischen Wellenlänge zum sprunghaften Verändern der akusto-optischen Ablenkung vorgenommen wird, sodass der Be reich zwischen den beabstandeten Unterabfolgen, und insbesondere mindestens eine räumlich zwischen den Unterabfolgen liegende Strahlposition (17) des Bestrahlungspfads (101), vom Energiestrahl (5) übersprungen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, ferner mit

- Anregen einer akustischen Welle, insbesondere einer stehenden Welle, mit mindestens zwei akustischen Wellenlängen im optischen Material zur Ausbildung eines akusto-opti sehen Beu gungsgitters,

- Einstrahlen des Energiestrahls auf den Durchtrittsbereich,

- Beugen des Energiestrahls am akusto-opti sehen Beugungsgitter zu einem großen Teil, insbe sondere zu mindestens 80 % und bevorzugt zu mindestens 90 %, unter einem Beugungswinkel in eine erste Beugungsordnung,

- Führen des gebeugten Energiestrahls an mindestens eine erste der Strahlpositionen (17) und eine zweite der Strahlpositionen (17) und

- bevorzugt Verändern der optischen Ablenkung des Energiestrahls durch Ändern zumindest einer der akustischen Wellenlängen, insbesondere kontinuierlich oder in diskreten Schritten.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei räumlich nicht- aneinander angrenzende Strahlpositionen (17) des Bestrahlungspfads (101) zeitlich aufeinan derfolgend eingenommen werden und/oder die beabstandeten Unterabfolgen mindestens einen Durchmesser des Energiestrahls oder min destens 50 % des Durchmessers des Energiestrahls oder mindestens das 1,5- bis 2-fache des Durchmessers des Energiestrahls voneinander beabstandet im Arbeitsbereich (9) angeordnet sind und/oder

Bereiche des Arbeitsbereichs (9) übersprungen werden, die ausgewählt sind aus der Gruppe von Bereichen umfassend einen noch nicht bestrahlten Bereich des Arbeitsbereichs (9), einen nicht zu bestrahlenden Bereich des Arbeitsbereichs (9) und einen bereits bestrahlten Bereich des Arbeitsbereichs (9).

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei, während die Scanner einrichtung (7) derart angesteuert wird, dass die mechanische Ablenkung den Energiestrahl (5) an einer Bestrahlungsposition (11) positioniert, die Ablenkeinrichtung (13) derart ange steuert wird, dass der Energiestrahl (5) nacheinander die Strahlpositionen (17) von Unterab folgen einnimmt, die den Strahlbereich (15) der entsprechenden Bestrahlungsposition (11), und insbesondere eine vorgegebene Strahlform des Strahlbereichs (15), vollständig abdecken.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei, während die Scanner einrichtung (7) derart angesteuert wird, dass die mechanische Ablenkung den Energiestrahl (5) kontinuierlich an einer Abfolge von Bestrahlungspositionen (11) positioniert, die Ablenk einrichtung (13) derart angesteuert wird, dass der Energiestrahl (5) nacheinander die Strahlpo- sitionen (17) von Unterabfolgen einnimmt, die den Strahlbereich (15) der entsprechenden Be strahlungsposition (11), und insbesondere eine vorgegebene Strahlform des Strahlbereichs (15), teilweise oder vollständig abdecken.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ablenkeinrichtung (13) derart angesteuert wird, dass der Energiestrahl (5) an einer Bestrahlungsposition (11) der Mehrzahl von Bestrahlungspositionen (11) innerhalb eines Strahlbereichs (15) an eine Mehr zahl von Strahlpositionen (17) verlagert wird, um ein Strahlprofil des Strahlbereichs während der Herstellung eines Bauteils (4) zu formen, und der Energiestrahl (5) sprunghaft an die Mehrzahl von diskreten Strahlpositionen (17) verlagert wird, wobei der Energiestrahl (5) insbesondere räumlich aneinander angrenzende Strahlpositionen (17) im Strahlbereich (15) überspringt und insbesondere nur räumlich nicht-aneinander an grenzende Strahlpositionen (17) im Strahlbereich (15) zeitlich aufeinanderfolgend einnimmt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, ferner mit:

Einstrahlen des Energiestrahls (5), indem die Scannereinrichtung (7) derart angesteuert wird, dass der Energiestrahl (5) entlang einer Unterabfolgen von Bestrahlungspositionen (11) ge mäß eines Scanpfads (103) positioniert wird, und die Ablenkeinrichtung (13) zeitgleich derart angesteuert wird, dass der Energiestrahl (5) zwischen Strahlpositionen (17) einer zweidimen sionalen Anordnung von Strahlpositionen (17), insbesondere zwischen quer zum Scanpfad (103) angeordneten Strahlpositionen (17), hin und her springt.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bestrahlungspfad (101) mindestens eine Bestrahlungszone (HAI) aufweist, in der eine Mehrzahl von Unterab folgen von Bestrahlungspositionen in Form von nebeneinanderliegenden, zumindest teilweise parallel verlaufenden Scanvektoren (Sl, S2, S3, S4, S5, S6), insbesondere von gleicher Länge, definiert ist, ferner mit:

Einstrahlen des Energiestrahls (5), indem die Scannereinrichtung (7) derart angesteuert wird, dass die Bestrahlungsposition (11) entlang eines ersten Scanvektors (Sl) der Scanvekto ren (Sl, S2, S3, S4, S5, S6) verlagert wird, und die Ablenkeinrichtung (13) zeitgleich derart angesteuert wird, dass der Energiestrahl (5) zwischen dem ersten Scanvektor (Sl) der Scan vektoren (Sl, S2, S3, S4, S5, S6) und mindestens einem weiteren Scanvektor (S4) der Scan vektoren (Sl, S2, S3, S4, S5, S6) hin und her springt.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit:

Einstrahlen des Energiestrahls (5), indem die Scannereinrichtung (7) derart angesteuert wird, dass die Bestrahlungsposition (11) entlang einer Unterabfolgen von Bestrahlungspositionen (11) gemäß einer Scanrichtung verlagert wird, und die Ablenkeinrichtung (13) zeitgleich der art angesteuert wird, dass der Energiestrahl (5) zwischen entlang der Unterabfolge angeordne ten Strahlpositionen in und entgegen der Scanrichtung springt.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bestrahlungspfad (101) mindestens zwei Bestrahlungszonen (HA2, HA3; HB1, HB2) aufweist, in denen jeweils eine Mehrzahl von Unterabfolgen von Bestrahlungspositionen in Form von nebeneinanderlie genden, zumindest teilweise parallel verlaufenden Scanvektoren (Sl, S2, S3, S4, S5, S6) glei cher Länge definiert ist, wobei zum Verlagern des Energiestrahls (5) die Scannereinrichtung (7) derart angesteuert wird, dass der Energiestrahl (5) entlang eines ersten Scanvektors (Sl; S2) der Scanvektoren (Sl, S2, S3, S4, S5, S6) in einer ersten der Bestrahlungszonen (HA2, HA3; HB1, HB2) positioniert wird, und die Ablenkeinrichtung zeitgleich derart angesteuert wird, dass der Energiestrahl zwischen dem ersten der Scanvektoren in der ersten der Bestrahlungszonen (HA2, HA3; HB1, HB2) und mindestens einem weiteren Scanvektor (Sl; S2) der Scanvektoren (Sl, S2, S3, S4, S5, S6) einer weiteren der Bestrahlungszonen (HA2, HA3; HB1, HB2) hin und her springt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Bestrahlungspfad (101) min destens eine Bestrahlungszone (HAI, HA2, HA3, HB1, HB2) oder filigrane Struktur (F) auf weist, in der jeweils eine Mehrzahl von Unterabfolgen von Bestrahlungspositionen in Form von nebeneinanderliegenden, zumindest teilweise parallel verlaufenden Scanvektoren (Sl, S2, S3, S4, S5, S6, S O) gleicher oder unterschiedlicher Länge definiert ist, wobei zum Verlagern des Energiestrahls (5) die Ablenkeinrichtung (13) derart angesteuert wird, dass der Energiestrahl (5) entlang eines ersten Scanvektors (Sl, S2, S3, S4, S5, S6, S_0) der Scan vektoren (Sl, S2, S3, S4, S5, S6, S O) in der Bestrahlungszone (HAI, HA2, HA3, HB1,

HB2) oder filigranen Struktur (F) positioniert wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei zum Verlagern des Energiestrahls (5) die Ablenk einrichtung (13) derart angesteuert wird, dass der Energiestrahl (5) zwischen dem ersten Scanvektor (Sl, S2, S3, S4, S5, S6, S_0) und mindestens einem weiteren Scanvektor (Sl, S2, S3, S4, S5, S6, S_0) der Scanvektoren (Sl, S2, S3, S4, S5, S6, S_0) hin und herspringt und dass der Energiestrahl (5) entlang des mindestens einen weiteren Scanvektors (Sl, S2, S3, S4, S5, S6, S O) positioniert wird.

17. Fertigungseinrichtung (1) zum additiven Fertigen eines Bauteils (4) aus einem Pulver material (2), das in einem Arbeitsbereich (9) bereitgestellt wird, mit einer Strahlerzeugungseinrichtung (3), die eingerichtet ist zum Erzeugen eines konti nuierlichen Energiestrahls (5) zum Bestrahlen des Pulvermaterials (2), einer Scannereinrichtung (7), die für eine mechanische Ablenkung eingerichtet ist, um den Energiestrahl (5) an einer Mehrzahl von Bestrahlungspositionen (11) zu positionieren, wobei die Bestrahlungspositionen (11) den Arbeitsbereich (9) im Wesentlichen aufspannen, einer Ablenkeinrichtung (13), die für eine optische Ablenkung eingerichtet ist, um den Energiestrahl (5) um jede der Bestrahlungspositionen (11) innerhalb eines Strahlbereichs (15) auf mindestens eine Strahlposition der Abfolge von Strahlpositionen (17) abzulenken, und einer Steuereinrichtung (19), die mit der Scannereinrichtung (7) und der Ablenkein richtung (13) wirkverbunden und eingerichtet ist, um die Ablenkeinrichtung (13) und die Scannereinrichtung (7) derart anzusteuern, dass die optische Ablenkung und die mechanische Ablenkung zeitgleich oder aufeinanderfolgend verändert werden, um mit dem kontinuierli chen Energiestrahl (5) einen durch eine Abfolge der Strahlpositionen (17) ausgebildeten Be strahlungspfad (101) abzutasten, wobei der Bestrahlungspfad (101) dazu vorgesehen ist, im Arbeitsbereich (9) das Pulvermaterial (2) in einer Pulverschicht zu verfestigen.

18. Fertigungseinrichtung (1) nach Anspruch 17, wobei die Ablenkeinrichtung (13) einge richtet ist,

- den Energiestrahl (5) sprunghaft an eine Mehrzahl von diskreten Strahlpositionen (17) zu verlagern, und/oder

- mit dem Energiestrahl (5) nacheinander Unterabfolgen, die jeweils mindestens eine Strahl position (17) der Abfolge von Strahlpositionen (17) des Bestrahlungspfads (101) umfassen, abzutasten, wobei durch eine sprunghafte Veränderung der optischen Ablenkung ein Bereich zwischen den beabstandeten Unterabfolgen vom Energiestrahl (5) übersprungen wird, sodass nacheinander räumlich voneinander beabstandete, insbesondere thermisch entkoppelte, Unter abfolgen vom Energiestrahl eingenommen werden.

19. Fertigungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 17 oder 18, wobei - die Steuereinrichtung (19) dazu eingerichtet ist, die Scannereinrichtung (7) und die Ablenk einrichtung (13) gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 anzusteuem,

- die Scannereinrichtung (7) mindestens einen Scanner, insbesondere einen Galvanometer- Scanner, Piezo-Scanner, Polygonscanner, MEMS-Scanner, und/oder einen relativ zu dem Ar- beitsbereich (9) verlagerbaren Arbeitskopf aufweist,

- die Ablenkeinrichtung (13) mindestens einen elektro-optischen Deflektor und/oder akusto- optischen Deflektor (21), vorzugsweise zwei nicht parallel, insbesondere senkrecht zueinander orientierte elektro-optische oder akusto-optische Deflektoren (21), aufweist,

- die Ablenkeinrichtung mindestens einen akusto-opti sehen Deflektor (21) mit einem opti- sehen Material, wie einem Kristall, und einem Anreger (112) zum Erzeugen akustischer Wel len im optischen Material aufweist, und/oder

- die Strahlerzeugungseinrichtung (3) als Dauerstrich-Laser ausgebildet ist.