WO2014135136A1

WO2014135136A1 - Laserstrahl-umlenkeinrichtung für eine vorrichtung zum bauen dreidimensionaler objekte

Info

Publication number: WO2014135136A1
Application number: PCT/DE2014/000035
Authority: WO
Inventors: Frank Herzog
Original assignee: Cl Schutzrechtsverwaltungs Gmbh
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2014-01-29
Publication date: 2014-09-12
Also published as: DE102013003939A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserstrahl-Umlenkeinrichtung für eine Vorrichtung zum Bauen dreidimensionaler Objekte, umfassend wenigstens einen Umlenkspiegel, einen Motor zur Steuerung des Umlenkspiegels und ein zumindest den Umlenkspiegel beherbergendes Gehäuse, wobei das Gehäuse und/oder am Gehäuse angeordnete Peripheriegehäuseteile wenigstens bereichsweise, insbesondere im Lagebereich des wenigstens eines Umlenkspiegels und/oder im Bereich strahlführender optischer Bauelemente durch ein in einem generativen Verfahren durch Auf- oder Anschmelzen verfestigtes Pulvermaterial gebildet sind.

Description

Laserstrahl-Umlenkeinrichtung für eine Vorrichtung zum Bauen dreidimensionaler

Objekte

B ES C H R E I B U NG

Die Erfindung betrifft eine Laserstrahl-Umlenkeinrichtung für eine Vorrichtung zum Bauen dreidimensionaler Objekte mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 , einer Vorrichtung zur Erzeugung dreidimensionaler Objekte sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Laserstrahl-Umlenkeinrichtung.

Ablenksysteme für Laserstrahlen werden in der Materiälbearbeitung, beim Rapid Prototyping sowie anderen Einsatzzwecken verwendet. Sie werden eingesetzt, um den von einem Laser emittierten Laserstrahl in die gewünschte Richtung zu lenken, ohne dass der gesamte Laser bewegt werden muss. Beispielsweise wird ein Laserstrahl im Rahmen des Rapid Prototyping dazu verwendet, vorgegebene Bereiche in der Bau- oder Arbeitsebene zu verfestigen. Es muss daher möglich sein, den Laserstrahl auf beliebige Punkte der Arbeitsebene zu richten, wobei die Arbeitsebene im Vergleich zur Fläche, die der Laserstrahl auf ihr einnimmt, um ein Vielfaches größer ist. Es ist daher bekannt, den Laser starr zu fixieren und die Ablenkung des Laserstrahls mittels einer Umlenkeinrichtung vorzunehmen. Diese Umlenkeinrichtungen zur Ablenkung des Laserstrahls werden auch Scan-Kopf genannt. Sie sind in einem Gehäuse untergebracht, welches eine Eintritts- und Austrittsöffnung für den Laserstrahl aufweist. Im Inneren des Gehäuses befinden sich je nach Ausgestaltung ein bis drei jeweils motorisch angetriebene Umlenkspiegel zum Umlenken des Laserstrahls. Dabei kann eine zweidimensionale Auslenkung des Laserstrahls bereits mit einem einzigen Spiegel erreicht werden, wobei dieser dann um zwei Achsen verdrehbar sein muss. Bevorzugt werden aber zwei Spiegel vorgesehen, wenn der Laserstrahl, wie beim Rapid Prototyping üblich, auf eine Arbeitsebene abgelenkt werden muss. Dabei ist jeder Umlenkspiegel um eine Achse drehbar. Dies vereinfacht die Ansteuerung der Umlenkspiegel sowie die Auslegung der sie antreibenden Motoren erheblich.

Aufgrund der mit dem Laserstrahl transportierten Energie kommt es im Rahmen eines Bauvorganges üblicherweise zu einer Erwärmung des Scan-Kopfes. Dieser wird dadurch begegnet, dass im üblicherweise metallischen Gehäuse Kühlkanäle vorgesehen sind, die in das Gehäuse hineingebohrt werden. Ein Scan-Kopf verfügt über entsprechende Anschlüsse, um eine Wasserkühlung oder auch Luftkühlung einzelner Geräteteile zu ermöglichen. Es ist beispielsweise bekannt, die Eintrittsappertur und Galvanometer-Scanner mittels Wasser zu kühlen, während die Umlenkspiegel mit Luft gekühlt werden.

Dabei besteht das Problem, dass die durch den Laserstrahl in das Gehäuse des Scan- Kopfes eingetragene Energie nicht konstant verteilt wird. Es kommt daher zu einem unregelmäßigen Energieeintrag in das Gehäuse des Scan-Kopfes, wodurch es zu wärmebedingten Verformungen kommen kann. Dabei bewirken bereits geringfügigste Verformungen und Abweichungen eine überproportionale Fehllenkung des Laserstrahls in der Arbeitsebene.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Laserstrahl-Umlenkeinrichtung anzugeben, bei der eine Verformung des Gehäuses und eine damit einhergehende Fehllenkung des Laserstrahls vermieden wird. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Laserstrahl-Umlenkeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 - 16. Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung zur Erzeugung dreidimensionaler Objekte wie auch durch ein Verfahren zum Betrieb einer Laserstrahl-Umlenkeinrichtung gelöst.

Als Kern der Erfindung wird angesehen, das Gehäuse bereichsweise durch einen generativen Bauprozess, insbesondere Laserschmelzen oder Lasersintern, zu bilden. Grundsätzlich ist es möglich, auch das gesamte Gehäuse derart herzustellen, aus ökonomischen Gründen ist es jedoch vorteilhaft, lediglich die durch den Wärmeeintrag des Laserstrahls besonders betroffenen Bereiche durch einen generativen Bauprozess zu bilden. Dadurch wird es möglich, die strukturelle Auslegung des kritischen Bereichs gezielt und mit insgesamt gesehen geringem Aufwand zu verbessern.

Als kritischer Bereich sind insbesondere die Bereiche anzusehen, in denen der oder die Umlenkspiegel gelagert sind. Zum Einen führt eine Wärmeausdehnung in diesem Bereich zu einer stärkeren Fehllenkung des Laserstrahls, zum anderen findet hier naturgemäß ein besonders hoher Wärmeeintrag bzw. Energieeintrag durch den Laserstrahl statt.

Wenn im Anspruch 1 von an dem Gehäuse angeordneten Peripheriegehäuseteilen die Rede ist, so sind damit insbesondere Kolimatorgehäuse, Gehäuse von weiteren optischen strahlführenden Elementen, Blenden und dgl. angesprochen, die sich beispielsweise durch Laserstrahlung erwärmen und dadurch geringfügig verziehen können. Aber auch andere Einflüsse sind möglich, die eine besonders hohe Stabilität solcher Gehäuse im Peripheriebereich erfordern. Solchen Stabilitätsanforderungen kann dadurch genüge getan werden, dass die Gehäuseteile auf besondere Weise mechanisch ausgelegt werden und durch einen generativen Bauprozess hergestellt werden. Dies erlaubt es, thermische besondere Bereiche ganz gezielt einer Kühlung zu unterwerfen, beispielsweise durch generativ eingebaute Kühlkanäle.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung dieses Bereichs ist es möglich, gezielt Armierungen beispielsweise in Form von an der Gehäuseinnenwand verlaufenden Stützelementen vorzusehen oder durch beliebig anzuordnende Öffnungen in der Gehäusewand eine verbesserte Formbeständigkeit auch bei wechselnden Temperaturen durch wechselnden Wärmeeintrag zu gewährleisten. Insbesondere das Anbringen von Armierungen an der Gehäuseinnenseite ist durch die zumindest bereichsweise Herstellung der Laserstrahl-Umlenkeinrichtung durch einen generativen Bauprozess erheblich vereinfacht.

Mit besonderem Vorteil kann das Gehäuse wenigstens einen Temperierungskanal aufweisen, der zumindest teilweise im Generativbereich verläuft. Dadurch wird es möglich, den Temperierungskanal variabler zu formen als es mit einfachen Bohrungen der Fall ist. Dabei kann das im Temperierungskanal befindliche Medium sowohl dazu verwendet werden, das Gehäuse sowie den Innenraum des Gehäuses zu kühlen sowie auch ihn zu erwärmen.

Insbesondere diejenigen Stellen des Gehäuses der Laserstrahl-Umlenkeinrichtung, an denen der oder die Umlenkspiegel gelagert sind, sind besonders gegen Verformungen aufgrund von Temperaturänderungen zu schützen. Eine weitere Ausgestaltung sieht daher vor, den Temperierungskanal abschnittsweise flächig auszubilden. Der Temperierungskanal hat dementsprechend an den Stellen, an denen hauptsächlich ein Transport des Temperierungsmediums stattfinden soll, eine zylindrische Struktur, da diese bezogen auf das transportierte Volumen die geringste Oberfläche aufweist. Selbstverständlich können auch andere Querschnittsformen gewählt werden, solange hierdurch die Oberfläche des Temperierungskanals nicht wesentlich vergrößert wird. Durch die Oberflächenminimierung kann nämlich der Temperaturaustausch mit dem Gehäuse minimiert werden.

An denjenigen Stellen des Gehäuses, an denen eine Kühl- oder Erwärmungswirkung erzielt werden soll, wird der Temperierungskanal dagegen flächig ausgebildet, wodurch eine Oberflächenvergrößerung und damit ein verbesserter Wärmeaustausch mit dem Gehäuse und der Gehäuseumgebung erreicht wird. Um die derartig flächig ausgebildeten Temperierungskanäle möglichst effizient herzustellen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass diese teilweise oder auch ganz im Generativbereich liegen. Dadurch ist es möglich, auch bei den Temperierungskanälen filigrane oder zumindest komplexe Strukturen zu schaffen, die beispielsweise mittels eines einfachen Bohrens nicht herstellbar sind.

Durch das Vorsehen eines Generativbereichs an der Laserstrahl-Umlenkeinrichtung ist es möglich, das Gehäuse der Laserstrahl-Umlenkeinrichtung doppelt gegen Wärmeverformung zu schützen. Zum Einen können auf einfache Art und Weise Strukturen geschaffen werden, die eine Verformung verhindern, zum Anderen können auch bereits bekannte Kühl- bzw. Temperierungskanäle verbessert ausgelegt werden, so dass deren Wärmeübertragungsfunktion stark verbessert ist. Die flächige Ausformung des Temperierungskanals kann auf verschiedene Arten realisiert werden.

Zum Einen kann der Temperierungskanal von einem kreisförmigen oder ovalen Querschnitt in einen flächigen Hohlraum münden, was bedeutet, dass die Länge und Breite des Hohlraumes größer sind als die Höhe. Der Hohlraum kann eine Quaderform aufweisen, er kann aber auch wie eine Art plattgedrücktes Ellipsoid ausgestaltet sein. Im Verbindungsbereich zwischen dem rohrförmig ausgebildeten Abschnitt und dem flächig ausgebildeten Abschnitt kann der Kühlkanal konisch zu- bzw. auslaufend sein. Selbstverständlich weitet sich der Kühlkanal vom rohrförmigen Abschnitt hin zum flächig ausgebildeten Abschnitt, wobei die Richtung die Fließrichtung des Temperierungsmediums ist, und er verengt sich vom flächig ausgebildeten Abschnitt zum wiederum rohrförmig ausgebildeten Abschnitt hin. Diese Art von Verbindung zwischen einem rohrförmigen Abschnitt und einem flächig ausgebildeten Abschnitt des Temperierungskanals gilt selbstverständlich für alle gezeigten Ausgestaltungen sowohl des rohrförmigen sowie auch des flächig ausgebildeten Abschnitts.

Die flächige Ausgestaltung des Temperierungskanals wird auch durch eine Aufteilung des Temperierungskanals in mehrere Zweigkanäle erreicht. Die Abzweigung kann derart erfolgen, dass ein rohrförmiger Abschnitt des Temperierungskanals in die Zweigkanäle mündet, die Zweigkanäle können aber auch seitlich vom rohrförmigen Abschnitt des Temperierungskanals, insbesondere rechtwinklig, abgehen. Der flächige Abschnitt des Temperierungskanals kann wieder in einen rohrförmigen Abschnitt übergeleitet werden, indem die zwei Kanäle, wie oben beschrieben, zu oder mit einem rohrförmigen Abschnitt des Temperierungskanals vereinigt werden.

Die Zweigkanäle werden bevorzugt parallel geführt, sie können dabei eine gerade Linie bilden, sie können aber auch in Wellenform, in Form eines Quadratnetzes, wie es beispielsweise bei einem Maschendrahtzaun vorkommt, oder aber auch in Wabenform ausgebildet sein.

Dabei können die oben beschriebenen Armierungen und/oder Öffnungen an den Stellen der Gehäusewand angebracht werden, die nicht durch einen Zweigkanal besetzt sind. Dadurch wird es möglich, gleichzeitig eine Wasserkühlung sowie auch eine Luftkühlung zu erreichen. Ist eine Luftkühlung nicht gewünscht, beispielsweise weil der Temperierungskanal nicht nur zum Kühlen, sondern auch zum Erwärmen des Gehäuses verwendet wird, befinden sich keinerlei Öffnungen im Gehäuse bzw. seiner Wand. In diesem Fall sind lediglich die Armierungen mit den Zweigkanälen kombinierbar. Die Armierungen können aber auch stellenweise über die Zweigkanäle führen, beispielsweise wenn die Armierungen streifenförmig ausgebildet sind und senkrecht zu den Zweigkanälen verlaufen. Die Armierungen sollen nur nicht die gesamte Fläche eines Zweigkanals bedecken, da ansonsten der Wärmeaustausch herabgesetzt ist.

Das Gehäuse der Laserstrahl-Umlenkeinrichtung kann - wie oben bereits beschrieben - komplett generativ aufgebaut sein, es kann aber auch wenigstens einen nicht generativ gebauten Bereich umfassen. Ein derartiger Bereich wird in der vorliegenden Anmeldung Massivbereich genannt. Ein Massivbereich ist dementsprechend ein vorgearbeitetes Stück Metall. Statt Metall kann selbstverständlich jedes andere Material verwendet werden, das den Anforderungen in mechanischer oder sonstiger Hinsicht genügt. Dieser Massivbereich kann zur Herstellung der Laserstrahl-Umlenkeinrichtung in eine Baukammer verbracht werden, so dass der Generativbereich direkt an und auf den Massivbereich gebaut wird. Der Massivbereich kann aber auch erst nach der Beendigung des Bauvorgangs des Generativbereichs mit diesem verbunden werden. Selbstverständlich ist es möglich, auch mehrere Massivbereiche mit einem oder mehreren Generativbereichen zu verbinden. Beispielsweise ist es möglich, dass der Massivbereich fast das komplette Gehäuse bildet und in diesen lediglich ein oder mehr Bohrungen vorhanden sind, in denen Generativbereiche einsetzbar sind. Der Massivbereich kann aber auch lediglich eine Seiten- oder Stirnwand des Gehäuses darstellen, während andere Gehäusewände oder Teile von Gehäusewänden generativ an den Massivbereich angebaut werden oder nach dem Bauen mit diesem verbunden werden. Die genaue Zusammensetzung von Massivbereich und Generativbereich ist insbesondere in Abhängigkeit ökonomischer Sichtspunkte festzulegen. Die Generativbereiche werden üblicherweise auf das notwendige Minimum begrenzt, da ihre Herstellung teuerer und zeitaufwendiger ist als die von Massivbereichen.

Vorzugsweise bestehen der Massivbereich und der Generativbereich aus demselben Metall oder derselben Legierung, da in diesem Fall die Verbindung der Bereiche besonders einfach ist.

Mit besonderem Vorteil weist die Laserstrahl-Umlenkeinrichtung wenigstens einen Temperatursensor und eine die Sensordaten des Temperatursensors auswertende Steuerungseinrichtung auf, wobei die Steuerungseinrichtung zur Regelung der Temperierung eines Temperierungsmittels im Temperierungskanal ausgebildet ist. Auf diese Art und Weise kann eine gleichbleibende Temperatur und damit eine gleichbleibende Form des Gehäuses gewährleistet werden.

Die Steuerungseinrichtung kann die Temperatur dadurch beeinflussen, dass entweder das die Vorlauftemperatur des Temperierungsmediums angepasst wird, d.h. dass das Temperierungsmedium mit der jeweils benötigten Temperatur in das Gehäuse geleitet wird, um die im Gehäuse erwünschte Temperatur zu erzielen. Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, die Durchflussgeschwindigkeit des Temperierungsmediums zu erhöhen oder zu erniedrigen, um den Wärmeaustausch zu steigern oder zu senken. Beide Maßnahmen können dazu verwendet werden, den Temperierungseffekt des Temperierungsmediums zu variieren.

Statt des Temperatursensors kann die Steuerungseinheit auch mit Kennlinien oder Parametersätzen arbeiten, die in Abhängigkeit vorgegebener Ereignisse abgearbeitet werden. Beispielsweise kann die Vorlauftemperatur und/oder die Durchflussgeschwindigkeit des Temperierungsmediums in Abhängigkeit der verstrichenen Zeit seit Beginn eines Bauvorganges eingestellt werden. Üblicherweise ist die Wärmeabgabe des Lasers konstant, so dass in der Laserstrahl-Umlenkeinrichtung ein konstanter Energieeintrag stattfindet. Dementsprechend können die sich ergebenden Temperaturverläufe durch Vorversuche ermittelt und so die Einstellung der Temperierung vorgenommen werden, dass Verformungen des Gehäuses minimiert sind. Daneben betrifft die Anmeldung auch eine Vorrichtung zur Erzeugung dreidimensionaler Objekte durch Verfestigen von Schichten, die eine Laserstrahl-Umlenkeinrichtung - wie beschrieben - aufweist. Selbstverständlich können alle Ausgestaltungen, die im Zusammenhang mit der Laserstrahl-Umlenkeinrichtung alleine offenbart wurden, auch bei der Vorrichtung zur Erzeugung dreidimensionaler Objekte herangezogen werden.

Bei der Vorrichtung handelt es sich bevorzugt um eine Laserschmelzeinrichtung oder eine Lasersintereinrichtung.

Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Laserstrahl- Umlenkeinrichtung. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass die Laserstrahl- Umlenkeinrichtung vor Beginn eines Arbeitsvorganges erwärmt wird. Die Grundidee dahinter besteht darin, das Gehäuse auf eine durch einen ständigen Wärmeeintrag durch den Laserstrahl bewirkte Temperatur vorzuheizen und diese Erwärmung dann schrittweise herabzusetzen, da diese Erwärmung bzw. Temperatur durch die Energie des Laserstrahls gehalten wird. Die Laserstrahlumlenkeinrichtung wird sozusagen auf Arbeitstemperatur vorgeheizt, eine Erwärmung wird umso weniger nötig, je länger der Arbeitsvorgang dauert. Dadurch wird das Gehäuse der Laserstrahl-Umlenkeinrichtung durch den Wärmeeintrag des Laserstrahls nicht mehr verformt, außerdem ist die Laserstrahl-Umlenkeinrichtung im Idealfall nicht mehr zu kühlen, wodurch der Betrieb der Laserstrahl-Umlenkeinrichtung erheblich einfacher und kostengünstiger wird.

Die Erfindung ist anhand vorteilhafter Ausführungsbeispiele in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Bauen dreidimensionaler Objekte,

Fig. 2 eine Bestrahlungseinrichtung,

Fig. 3 einen Umlenkspiegel,

Fig. 4 eine Seitenwand der Laserstrahl-Umlenkeinrichtung in einer ersten Ausgestaltung, Fig. 5 eine Seitenwand einer Laserstrahl-Umlenkeinrichtung in einer zweiten Ausgestaltung, Fig. 6 eine Seitenwand einer Laserstrahl-Umlenkeinrichtung in einer dritten Ausgestaltung,

Fig. 7 eine Seitenwand einer Laserstrahl-Umlenkeinrichtung in einer vierten Ausgestaltung,

Fig. 8 einen Abschnitt eines Temperierungskanals in einer ersten Ausgestaltung,

Fig. 9 einen Abschnitt eines Temperierungskanals in einer zweiten Ausgestaltung,

Fig. 10 einen Abschnitt eines Temperierungskanals in einer dritten Ausgestaltung,

Fig. 11 einen Abschnitt eines Temperierungskanals in einer vierten Ausgestaltung, Fig. 12 einen Abschnitt eines Temperierungskanals in einer fünften Ausgestaltung,

Fig. 13 einen Abschnitt eines Temperierungskanals in einer sechsten Ausgestaltung,

Fig. 14 das Ablaufschema eines Betriebsverfahrens für eine Laserstrahl-Umlenkeinrichtung.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Erzeugung dreidimensionaler Objekte. Dabei kann es sich um Lasersintervorrichtung oder auch eine Laserschmelzvorrichtung handeln. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Prozesskammer 2, in der sich eine Dosierkammer 3, eine Baukammer 4 sowie eine Überlaufkammer 5 befinden. Weiterhin ist ein Beschichter 6 vorhanden, der das Aufbaumaterial 7 von der Dosierkammer 3 zur Baukammer 4 transportiert. In der Bauk'ammer wird die oberste Schicht des Aufbaumaterials 7, die sogenannte Arbeits- oder Bauebene 8, durch einen Laserstrahl 9 an den vorgegebenen Stellen verfestigt, so dass ein dreidimensionales Objekt 10 gebaut wird. Der Laserstrahl 9 wird durch einen Laser 11 erzeugt, durch eine Laserstrahl-Umlenkeinrichtung 12, auch Scan-Kopf genannt, umgelenkt und durch ein Einkoppelfenster 13 in den Prozessraum 2 geführt, wo er auf die Arbeitsebene 8 trifft. Durch die Verwendung der Laserstrahl-Umlenkeinrichtung 12 kann der Laserstrahl 9 sehr viel effizienter und schneller auf vorgegebene Bereiche der Arbeitsebene 8 gelenkt werden, als es bei einer Verdrehung oder sonstigen Verstellungen des Lasers 11 selbst möglich wäre. Fig. 2 zeigt den Gang eines Laserstrahls 9 etwas genauer. Der Laserstrahl wird im Laser 11 , auch Laserquelle genannt, erzeugt und verlässt diesen. Zwischen dem Laser 11 und die Laserstrahl-Umlenkeinrichtung 12 kann eine Intensitätsregeleinrichtung 14 zwischengeschaltet sein, um die Intensität des Laserstrahls 9 dynamisch zu regeln. Danach tritt der Laserstrahl 9 in die Laserstrahl-Umlenkeinrichtung 12 ein. Dort trifft der Laserstrahl 9 zuerst auf den Y-Umlenkspiegel 15 und danach auf den X-Umlenkspiegel 16. Die Drehachsen der Umlenkspiegel 15 und 16 sind senkrecht zueinander angeordnet. Die Umlenkspiegel 15 und 16 sind am Gehäuse 17 der Laserstrahl-Umlenkeinrichtung 12 befestigt.

Fig. 3 zeigt einen Umlenkspiegel 15 oder 16 genauer. Rein exemplarisch wird im folgenden vom Umlenkspiegel 15 gesprochen, die Ausführungen gelten jedoch selbstverständlich ebenso für den Umlenkspiegel 16. Fig. 3 zeigt eine Spiegelanordnung 18 bestehend aus einem galvanometrischen Motor 19, dem Umlenkspiegel 15 und einem diese verbindenden Verbindungsstück 20. Galvanometrische Motoren werden aufgrund ihrer Schnelligkeit eingesetzt, dementsprechend kann der Umlenkspiegel 15 schnell eingestellt werden. Der galvanometrische Motor 19 ist an eine Seitenwand 21 des Gehäuses 17 befestigt, so dass der Umlenkspiegel 15 über den Motor 19 drehbar an der Seitenwand 21 befestigt ist. Der Wandbereich 22 um den galvanometrischen Motor 19 herum ist besonders wichtig in Bezug auf etwaige wärmebedingte Verformungen. Eine Verformung in diesem Bereich bedingt nämlich eine unkontrollierte Abweichung der Auslenkung des Umlenkspiegels 15, wodurch auch der Laserstrahl 9 mehr oder weniger Undefiniert abgelenkt wird. Da sich bereits geringe Abweichungen der Soll-Ablenkung des Umlenkspiegels 15 überproportional in Abweichungen des Laserstrahls 9 auf der Arbeitsebene 8 wiederfinden, sind derartige Abweichungen unbedingt zu vermeiden.

Fig. 4 zeigt eine Ausgestaltung zur Vermeidung derartiger Abweichungen. Gemäß Fig. 4 ist eine Seitenwand 21 in einen Massivbereich 23 und einen Generativbereich 24 aufgeteilt. Der Generativbereich 24 ist mit dem Massivbereich 23, der eine entsprechende Ausnehmung aufweist, entweder nach dem Bauvorgang verbindbar, alternativ wird die Seitenwand 21 in der Baukammer 4 platziert und der Generativbereich 24 direkt am Massivbereich 23 gebaut. Der Generativbereich 24 weist Armierungen 25 zur Verstärkung dieses Bereichs auf, daneben finden sich im Generativbereich 24 Öffnungen 26, um einen Luftaustausch und damit eine Kühlung des Bereichs zu ermöglichen.

Fig. 5 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Seitenwand 21 , bei der der Generativbereich 24 wie ein Maschendrahtzaun ausgebildet ist. Die Armierungen 25 sind streifenförmige ausgebildet und weisen eine genügende Stärke auf, um die Spiegelanordnung 18 über den galvanometrischen Motor 19 tragen zu können. Der Generativbereich kann dabei aus demselben Material bestehen wie der Massivbereich. Er kann aber auch beispielsweise aus einem Material mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit und/oder einer geringeren Verformbarkeit aufgrund Wärmeeintrags gebildet sein.

Eine alternative oder zusätzliche Temperierung zur Vermeidung von Verformungen des Gehäuses 17 besteht in der Verwendung von einem oder mehreren Temperierungskanälen. Die im Folgenden gezeigten Ausführungsbeispiele haben gemeinsam, dass die Oberfläche eines Temperierungskanals oder mehrere Temperierungskanäle abschnittsweise oberflächenvergrößert sind. Jeder Temperierungskanal kann an einem oder mehreren Abschnitten oberflächenvergrößert sein. Dabei können die im Folgenden gezeigten Ausgestaltungen auch beliebig an einem einzigen Temperierungskanal kombiniert bzw. hintereinander geschaltet werden. Dabei werden im Folgenden jeweils Querschnitte durch eine Seitenwand gezeigt, wobei rein exemplarisch Querschnitte durch Seitenwände gezeigt sind, an denen ein galvanometrischer Motor 19 befestigt ist. Selbstverständlich können die Temperierungskanäle auch durch Seitenwände verlaufen, die keinerlei Vorrichtungen aufnehmen.

Fig. 6 zeigt eine Seitenwand 21 , die aus zwei Massivbereichen und einem Generativbereich besteht. Der Temperierungskanal 27 besteht aus drei Abschnitten 28, 29, 30. Die Abschnitte 28 und 30 verlaufen jeweils in den Massivbereichen 23, während der Abschnitt 29 im Generativbereich 24 angeordnet ist. Während die Abschnitte 28 und 30 des Temperierungskanals 27 einen kreisförmigen Querschnitt haben und sich beispielsweise durch eine einfache Bohrung realisieren lassen, ist der Temperierungskanal im Generativbereich bzw. in Abschnitt 29 in Zweigkanäle 31 aufgeteilt. Die Zweigkanäle 31 führen um die Ausnehmung für den Motor 19 herum, so dass sie die Seitenwand 21 des Gehäuses 17 in diesem Bereich besonders gut temperieren können, da durch die Zweigkanäle 31 eine Oberflächenvergrößerung stattfindet. Die Querschnittsfläche eines Zweigkanals 31 ist bevorzugt kleiner als die Querschnittsfläche des Temperierungskanals 27 beispielsweise im Abschnitt 28, jedoch können die Zweig kanäle 31 auch eine annähernd gleiche Querschnittsfläche wie der Temperierungskanal 27 im Abschnitt 28 oder 30 aufweisen. Dies führt dazu, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Temperierungsmediums in Abschnitt 29 im Vergleich zu den Abschnitten 28 und 30 herabgesetzt ist, wodurch der Wärmeaustausch weiter verbessert wird. Da sich das Temperierungsmedium beim Durchlaufen durch den Temperierungskanal 27 erwärmt bzw. abkühlt, kann auch vorgesehen sein, dass sich die Querschnittsfläche des Temperierungskanals 27 in einem der Abschnitte 28, 29 oder 30 oder auch in jedem anderen Abschnitt die Querschnittsfläche verändert und so die Strömungsgeschwindigkeit und damit der Wärmeaustausch verändert wird.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Zweigkanäle 31. Diese führen dabei sowohl durch den Generativbereich 24 wie auch durch den Motor 19, bzw. dessen Eigengehäuse. Das Eigengehäuse des Motors 19 ist dabei weder dem Massivbereich 23 noch dem Generativbereich 24 zuzuordnen, vielmehr handelt es sich hierbei um ein eigenständiges Gehäuse. Das Eigengehäuse des Motors 19 ragt, wie aus Fig. 3 hervorgeht, aus dem Gehäuse 17 heraus und erweitert damit die Außenfläche des Gehäuses 17. Auf der Innenseite bilden die Massivbereiche 23, der Generativbereich 24 und die Stirnseite des Eigengehäuses des Motors 19 eine ebene Fläche. Die Zweigkanäle 31 sind durch das Eigengehäuse des Motors fortgeführt.

In den Figuren 8 - 13 sind weitere Ausgestaltungen des Abschnittes 29 dargestellt, mit denen eine Oberflächenvergrößerung bewirkt werden kann. Die Ausgestaltungen der Figuren 8 - 13 sind gegebenenfalls anzupassen, so dass in der Mitte ein galvanometrischer Motor 19 platziert werden kann. Wie in Fig. 7 gezeigt, können die Zweigkanäle 31 im Eigengehäuse des Motors 19 fortgeführt werden. Ansonsten erfolgt eine Anpassung dahingehend, dass in dem Bereich, in dem der Motor 19 angeordnet werden soll, eine Öffnung ausgespart wird.

Fig. 8 zeigt die Abschnitte 28 - 30 des Temperierungskanals 27. Die Abschnitte 28 und 30 sind dahingehend verändert, dass sie nicht mehr mit der Stirnseite in die Zweigkanäle 31 münden, sondern jeweils nach oben bzw. unten abknicken und enden, wobei im letzten bzw. ersten Stück die Zweigkanäle 31 abgehen. Die Zweigkanäle bilden dabei ein Zweigkanalnetz. In den Figuren 9 und 12 sind die Zweigkanäle nicht querverbunden, in den Figuren 8, 10, 11 und 13 dagegen schon. Die Figuren 8, 11 und 13 zeigen eine flächige Querverbindung der Abschnitte 28 und 30, wobei jeweils runde oder eckige Ausnehmungen vorgesehen sind. Dadurch wird der Widerstand von Abschnitt 28 zu Abschnitt 30 erhöht, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit verringert ist. Zusätzlich ist die Oberfläche des Abschnitts 29 vergrößert, wodurch der Wärmeaustausch um ein Vielfaches vergrößert wird. Die Figuren 8, 10, 11 und 13 weisen einen Hohlraumbereich auf, der durch Säulenstrukturen unterteilt ist, wobei der Querschnitt der Säulen 32 gemäß Fig. 8 oval, gemäß Fig. 10 sechseckig, gemäß Fig. 11 drachenförmig und gemäß Fig. 13 kreisförmig ist. In den Figuren 8, 10, 11 und 13 wurden nur einige wenige ausgewählte Säulen 32 der Übersichtlichkeit halber mit Bezugszeichen versehen. Dies gilt auch für die Zweigkanäle 31.

Die Figuren 9 und 12 zeigen dagegen Zweigkanäle 31 , die die Endbereiche der Abschnitte 28 und 30 mit geraden bzw. gewellten zylindrischen Röhren verbinden. Die Figuren 4 - 13 zeigen jeweils lediglich einen Temperierungskanal 27. Es versteht sich, dass an jeder Seitenwand des Gehäuses 17 selbstverständlich beliebig viele Temperierungskanäle 27 mit beliebig flächig ausgebildeten Abschnitten 29 vorgesehen sein können. Der Generativbereich 24 kann - wie gezeigt - lediglich einen kleinen Teil einer Seitenwand ausmachen, allerdings kann auch das komplette Gehäuse 17 der Laserstrahl- Umlenkeinrichtung 12 generativ gebaut werden. Fig. 14 zeigt ein Verfahren zum Betrieb einer Laserstrahl-Umlenkeinrichtung 12. Dabei wird in Schritt S1 ein Wärmemittel in den Temperierungskreislauf 27 eingeführt. Das Temperierungsmittel durchläuft so lange den Temperierungskanal 27, bis eine vorgegebene Soll-Temperatur (über der Anfangstemperatur) entweder des Gehäuses 17 oder der Gehäuseumgebung erreicht ist. Das Erreichen der Soll-Temperatur kann entweder mit einem Temperatursensor festgestellt werden, alternativ kann die Erwärmung des Gehäuses eine vorgegebene Zeit lang erfolgen, wobei durch Vorexperimente diese Zeitdauer festgestellt werden kann. Die Zeitdauer hängt gegebenenfalls von der Vorlauftemperatur des Wärmemittels ab und kann als Kennlinie gespeichert werden. Im nächsten Schritt S2 wird ein Bauvorgang gestartet.

Danach wird die Vorlauftemperatur des Wärmemittels sukzessive verringert, bis sie eine zweite Soll-Temperatur erreicht (Schritt S3). Die Verringerung der Vorlauftemperatur kann entweder in Abhängigkeit der vergangenen Zeit seit Start des Bauvorgangs oder in Abhängigkeit des bisherigen Energieeintrags des Lasers geschehen. Das erste Vorgehen bietet sich an, wenn keine Intensitätsregeleinrichtung 14 verwendet wird und dementsprechend der Laserstrahl im Zeitverlauf einen gleichbleibenden Energieeintrag bzw. Wärmeeintrag in die Laserstrahl-Umlenkeinrichtung liefert. Variiert die Intensität des Laserstrahls nach Verlassen der Intensitätsregeleinrichtung 14 jedoch stark, kann die Vorlauftemperatur auch in Abhängigkeit der Intensität des Laserstrahls beim Verlassen der Intensitätsregeleinrichtung 14 eingestellt werden. lm Idealfall ist nach dem Herunterregeln der Vorlauftemperatur auf einen zweiten Sollwert ein Ausschalten der Temperaturregelung möglich, so dass kein Temperierungsmittel bzw. Wärmemittel mehr durch den Temperierungskanal 27 befördert werden muss. Dies ist möglich, da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Gehäuse 17 der Laserstrahl- Umlenkeinrichtung 12 nicht mehr auf eine Normaltemperatur wie die Zimmertemperatur ausgelegt wird, sondern auf die Arbeitstemperatur bei Maximalerwärmung durch den Laserstrahl. Bei dieser Ausgestaltung ist das Gehäuse nur noch am Beginn des Bauprozesses zu erwärmen, danach wird die Erwärmung der Laserstrahl-Umlenkeinrichtung 12 durch den Laserstrahl 9 selbst vorgenommen. Dies bietet den erheblichen Vorteil, dass nur noch eine kurzfristige Erwärmung der Laserstrahl-Umlenkeinrichtung 12 statt einer langfristigen Kühlung stattfinden muss. Je nach Laserleistung kann immer noch eine Kühlung notwendig sein, jedoch ist die zu erbringende Kühlleistung viel geringer als wenn das Gehäuse 17 der Laser-Umlenkeinrichtung 12 ständig auf Zimmertemperatur gehalten werden muss.

B EZ UG SZE I C H E N LI ST E

1 Vorrichtung

2 Prozesskammer

3 Dosierkammer

4 Baukammer

5 Überlaufkammer

6 Beschichter

7 Aufbaumaterial

8 Arbeitsebene

9 Laserstrahl

10 dreidimensionales Objekt

11 Laser

12 Laserstrahl-Umlenkeinrichtung

13 Einkoppelfenster

14 Intensitätsregeleinrichtung

15 Y-Umlenkspiegel

16 X-Umlenkspiegel

17 Gehäuse

18 Spiegelanordnung

19 galvanometrischer Motor

20 Verbindungsstück

21 Seitenwand

22 Wandbereich

23 Massivbereich

24 Generativbereich

25 Armierung

26 Öffnung

27 Temperierungskanal

28 Abschnitt

29 Abschnitt

30 Abschnitt

31 Zweigkanal

32 Säule

Claims

P AT E T AN S P RÜ C H E

Laserstrahl-Umlenkeinrichtung für eine Vorrichtung (1) zum Bauen dreidimensionaler Objekte (10), umfassend wenigstens einen Umlenkspiegel (15, 16), einen Motor zur Steuerung des Umlenkspiegels (15, 16) und ein zumindest den Umlenkspiegel (15, 16) beherbergendes Gehäuse (17), dadurch gekennzeichnet, dass

das Gehäuse (17) und/oder am Gehäuse (17) angeordnete Peripheriegehäuseteile wenigstens bereichsweise, insbesondere im Lagebereich des wenigstens eines Umlenkspiegels (15, 16) und/oder im Bereich strahlführender optischer Bauelemente durch ein in einem generativen Verfahren durch Auf- oder Anschmelzen verfestigtes Pulvermaterial gebildet sind.

Laserstrahl-Umlenkeinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass

das Gehäuse (17) wenigstens einen Temperierungskanal (27) aufweist, der zumindest teilweise im Generativbereich (24) verläuft.

Laserstrahl-Umlenkeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

der Temperierungskanal (27) zumindest abschnittsweise flächig ausgebildet ist.

Laserstrahl-Umlenkeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass

der Temperierungskanal (27) abschnittsweise als flächiger Hohlraum ausgebildet ist.

Laserstrahl-Umlenkeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass

der Temperierungskanal (27) abschnittsweise in wenigstens zwei Zweigkanäle (31) verzweigt.

6. Laserstrahl-Umlenkeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass

die Zweigkanäle (31) zumindest teilweise parallel zueinander angeordnet sind.

Laserstrahl-Umlenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass

der wenigstens eine Temperierungskanal (27) zumindest abschnittsweise parallel Außen- und/oder Innenfläche des Gehäuses (17) verläuft.

Laserstrahl-Umlenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass

der wenigstens eine Temperierungskanal (27) entlang wenigstens einer Seitenwand (21) des Gehäuses (17), insbesondere entlang einer Längswand, verläuft.

Laserstrahl-Umlenkeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

der wenigstens eine Temperierungskanal (27) und alle weiteren Temperierungskanäle (27) lediglich in einem Abschnitt des Gehäuses (17) angeordnet sind und einen Temperierungsblock bilden.

10. Laserstrahl-Umlenkeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Temperierungskanal (27) zur Aufnahme eines Temperierungsmittels in Form von Flüssigkeit, insbesondere Wasser oder flüssiger Stickstoff, oder Gas, insbesondere Luft, ausgebildet ist.

11. Laserstrahl-Umlenkeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

sie wenigstens zwei Temperierungskanäle (27) aufweist, wobei die Temperierungskanäle (27) wenigstens teilweise mit Verbindungskanälen verbunden sind.

sich der Querschnitt des wenigstens einen Temperierungskanals (27) im

(178) ändert.

13. Laserstrahl-Umlenkeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

sich der wenigstens eine Kühlkanal im nicht generativ gebauten Bereich des Gehäuses (17), dem Massivbereich (23), fortsetzt.

der Massivbereich (23) und der Generativbereich (24) aus demselben Metall oder derselben Legierung bestehen.

15. Laserstrahl-Umlenkeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

im Gehäuse (17) weitere Komponenten mit Eigengehäusen angeordnet sind, wobei der wenigstens ein Temperierungskanal (27) durch wenigstens ein Eigengehäuse führt.

16. Laserstrahl-Umlenkeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

sie wenigstens einen Temperatursensor und eine die Sensordaten des Temperatursensors auswertende Steuerungseinrichtung aufweist, wobei die Steuerungseinrichtung zur Regelung der Temperierung eines Temperierungsmittels im Temperierungskanal (27) ausgebildet ist.

17. Vorrichtung zur Erzeugung dreidimensionaler Objekte durch Verfestigen von Schichten, dadurch gekennzeichnet, dass

sie eine Laserstrahl-Umlenkeinrichtung (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche aufweist.

18. Verfahren zum Betrieb einer Laserstrahl-Umlenkeinrichtung (12) mit wenigstens einem Temperierungskanal (27), insbesondere einer Laserstrahl-Umlenkeinrichtung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 sowie einer Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass

die Laserstrahl-Umlenkeinrichtung (12) vor Beginn eines Arbeitsvorgangs, insbesondere eines Bauvorgangs in einer Vorrichtung (1) zur Erzeugung dreidimensionaler Objekte (10), mittels eines Temperierungsmittels im Temperierungskanal (27) erwärmt wird.