WO2015074677A1 - Leichtbau-umlenkspiegel - Google Patents

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WO2015074677A1
WO2015074677A1 PCT/EP2013/003569 EP2013003569W WO2015074677A1 WO 2015074677 A1 WO2015074677 A1 WO 2015074677A1 EP 2013003569 W EP2013003569 W EP 2013003569W WO 2015074677 A1 WO2015074677 A1 WO 2015074677A1
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cross
deflection mirror
cad
deflection
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Markus AXTNER
Christoph Erhardt
Oliver REBELE
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Alphaform Ag
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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to new deflection mirrors for e.g. Galvanometer scanner in numerically optimized lightweight construction, a 3-D printing process or process for additive manufacturing for their production and a system suitable for carrying out the method for 3-D printing or for additive manufacturing.
  • Galvanometer scanners are highly dynamic rotary actuators for optical applications. Their main field of application is the fast and precise positioning of mirrors for the deflection of laser beams. If the laser beam can be directed to any point in a two-dimensional area, a 2-axis deflection unit is used, through which the laser beam can be deflected in two directions. The deflection of the laser beam is effected by two mirrors which are oscillated by a respective galvanometer scanner in the X-axis and the Y-axis by a certain deflection angle (for example ⁇ 10 °).
  • a certain deflection angle for example ⁇ 10 °
  • Torque plays the same role in rotary movements as the force for linear movements.
  • Torque can accelerate or slow the rotation of a body and twist or bend the body.
  • the torque depends on the angular acceleration occurring during the rotation and the mass moment of inertia of the body to be rotated. From the moment of inertia and the torque entered results in a torque which counteracts the registered torque and thus reduces the angular acceleration, wherein the moment of inertia of the selected axis of rotation and the distribution of the mass of a body with respect to the axis of rotation depends.
  • the mass moment of inertia and the stiffness of the body decide on the possible maximum acceleration and speed values.
  • the stiffness describes in technical mechanics the resistance of a body against elastic deformation by a force or a torque.
  • the stiffness of a body depends on the elasticity of the material (elastic modulus or modulus of elasticity) and on the geometry of the body (size and shape of the cross-sectional area). The lower the moment of inertia and the higher the stiffness, the faster the body can be turned.
  • angular oscillations of over 800 million rad / s 2 and rotational speeds of 3000 - 10000 rpm are achieved with the oscillating deflecting mirrors. The occurring torques place high demands on the usable mirror material.
  • Galvanometer scanner deflection mirrors are currently made of glass, ceramic or beryllium, traditionally sintered or machined from the full block. In the high-speed range, beryllium mirrors are used because of the metal's very low density of 1.85 g / cm 3 and the high rigidity (modulus of elasticity 318 kN / mm 2 - about 1/3 higher than in steel). However, the material beryllium is very toxic and carcinogenic, especially inhaled beryllium particles lead to berylliosis. This is the reason why there are only a few and appropriately licensed producers of beryllium products worldwide. If a beryllium deflection mirror breaks, the galvanometer scanner is contaminated and may only be decontaminated by appropriately specialized cleaning companies. Often a decontamination is not possible, so that the complete galvanometer scanner must be disposed of properly. This inevitably involves high costs. In addition there are the costs for the replacement procurement of a galvanometer scanner.
  • the invention is based on the problem that with the selection of conventional manufacturing methods, the production of deflecting mirrors, which offer a real alternative to beryllium deflecting mirrors, can not be realized at acceptable market prices.
  • the invention further provides a 3-D printing method and method for additive manufacturing (both method names are used synonymously here - under additive manufacturing or "additive manufacturing” is generally understood a tool-free production) for the production of lightweight deflecting mirror according to the invention with the Independent claim 7 features defined and suitable for performing the method system for 3D printing or additive manufacturing with the features defined in the independent claim 11 features.
  • Advantageous and / or preferred embodiments of the lightweight deflecting mirrors according to the invention or of the inventive 3-D printing process or process for additive production and of the process of the invention suitable for carrying out the process according to the invention are the subject matter of the subclaims.
  • a reinforcing three-dimensional structure is produced on the mirror surface rear side, which increases the rigidity of the deflection mirror and at the same time reduces its weight and moment of inertia by reducing the mirror surface thickness.
  • the deflection mirrors produced by the method according to the invention or by the use of the system according to the invention can have a mirror surface with a thickness of only 0.2 to 1.5 mm and be up to 25% lighter than a conventional beryllium deflection mirror, without the mechanical Characteristics, such as maximum stiffness, are impaired in all axes of rotation. As a result, higher scanning speeds (angular acceleration, maximum speed, final speed) are possible.
  • FIG. 1 shows schematically the structure and function of a galvanometer scanner with a 2-axis deflection unit for laser beams.
  • the deflection unit has an inlet opening into which the laser beam is coupled, and an outlet opening, through which the laser exits the deflection unit again after the deflection.
  • the deflection of the laser beam is effected by two mirrors, which are oscillated by a respective galvanometer scanner in the X-axis or the Y-axis by a certain deflection angle. This allows a laser beam to be deflected in the X and Y directions and creates a two-dimensional area in which the laser beam can be directed to any point.
  • FIG. 2 shows commercially available galvanometer scanners from Scanlab AG, Puchheim. They consist of a motor part based on the Moving Magnet technology, a high-precision position detector and the deflection mirror mounted on the motor part. The deflection mirrors have different sizes and shapes.
  • FIG. 3 shows a deflecting mirror in lightweight construction produced by the method according to the invention or by the use of the system according to the invention with a reinforcing three-dimensional grid structure on the mirror surface rear side.
  • FIG. 4 shows a front view of a deflecting mirror produced by the method according to the invention or by the use of the system according to the invention.
  • FIG. 5 shows a deflection mirror produced by the method according to the invention or by the use of the system according to the invention in the bottom view.
  • FIG. 6 shows a side view of a deflection mirror produced by the method according to the invention or by the use of the system according to the invention. It can be seen that the reinforcing grid structure may be regular or irregular.
  • FIG. 7 shows an isometric view of a deflecting mirror produced by the method according to the invention or by the use of the system according to the invention. At the top of the recording geometry for mounting on the galvanometer can be seen.
  • Figure 8 shows schematically the general structure of a system for additive production by laser beam melting.
  • Figure 9 shows schematically the general structure of a system for additive manufacturing by introducing a binder into the starting material.
  • Figure 10 shows schematically the general structure of a system for additive production by layered deposition of molten starting material (FDM).
  • FDM molten starting material
  • CAD Computer Aided Design
  • the geometry of the deflection mirror is determined by the deflection angle, the mirror distance and the beam cross-section by optical projection.
  • Suitable CAD systems are commercially available (CATIA V5, SOLID WORKS).
  • the internal force fluxes occurring during oscillation of the deflecting mirror by a predetermined deflection angle are calculated according to the finite element method (FEM).
  • FEM finite element method
  • a reinforcing three-dimensional lattice structure is adapted in accordance with the force flow pattern.
  • a simple initial structure is first constructed taking into account the grid pore size, the web thickness, the web length (min./max.), The connection of the nodal points, thickness of the nodal points and the structure type (regular or irregular) as parameters.
  • the FEM module optimizes the positioning and the number of webs forming the grid, the web distances and the web thickness.
  • the grid structure serves to derive the power flows and may have a regular or irregular structure.
  • a regular structure is a truss structure.
  • An irregular structure may e.g. a trabecular or voronoi structure.
  • the optimized deflection mirror model data are stored in a CAD file.
  • the compiled CAD data is then transferred via a CAD interface into an additive manufacturing system such as, for example, jet melting, selective laser sintering or laser beam melting.
  • Today's CAD systems can output or interconvert CAD data in common file formats.
  • 3-D printing processes that are not based on laser irradiation can also be used for additive production (ie, by layered structure).
  • the expert decides according to the practical conditions, for example, depending on the selected material for the deflection mirror to be produced.
  • the material is chosen depending on the required load capacity of the deflection mirror.
  • materials for additive manufacturing have the property of physically transforming when exposed to the action of a (synergistic) stimulant.
  • the transformation may, for example, melting or sintering a powder or polymerizing a resin by, for example, heat, irradiation with electromagnetic radiation such as light (eg UV light or laser) or corpuscular radiation (eg electron beams).
  • a powder or solid material can be physically melted.
  • the physical transformation is associated with a change in the state of aggregation of the material (eg from solid to liquid and back again), or the transformation is accomplished by introducing a binder into the starting material.
  • the following description of the invention using a meltable or sinterable by laser irradiation powder, wherein the melt solidifies again after the laser irradiation is thus to be understood as exemplary and not limiting.
  • a homogeneous layer of e.g. fusible powder of a suitable grain size e.g., 3-20 ⁇ m, e.g., 7 ⁇ m
  • an appropriate thickness e.g., 30 ⁇ m to 60 ⁇ m
  • selected regions of the powder layer are brought in accordance with the compiled CAD data for a first cross-sectional layer via energy input to form a solidified cross-sectional layer.
  • laser beam melting systems use a Yb fiber laser with a power of 200 or 400 watts for reflow.
  • a new layer of fusible powder is applied and selected portions thereof are excited according to the compiled CAD data for another energy input cross-sectional layer to form a solidified cross-sectional layer adhered to the previously formed solidified cross-sectional layer.
  • This process is repeated with further successive cross-sectional areas until the deflecting mirror with the reinforcing grid structure is formed three-dimensionally.
  • Suitable powder types for jet melting plants are, for example, powders of:
  • Ti6AI4V or Ti6AI4V-ELI Pure titanium or alloys based on titanium: e.g. Ti6AI4V or Ti6AI4V-ELI, TiCP
  • Pure aluminum or Al-based alloys e.g. AISilOMg
  • Nickel-based alloys e.g. Inconel IN718
  • CoCr alloys e.g. UN R31538
  • powders of pure titanium or titanium alloys eg Ti6AI4V or Ti6AI4V-ELI, TiCP are suitable. These are processed, for example, in a system for laser beam melting.

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Abstract

Umlenkspiegel für z.B. Galvanometer-Scanner in numerisch optimierter Leichtbauweise, ein 3D-Druckverfahren bzw. Verfahren zur additiven Fertigung zu deren Herstellung sowie ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes System zur additiven Fertigung.

Description

Leichtbau-Umlenkspiegel
Die Erfindung betrifft neue Umlenkspiegel für z.B. Galvanometer-Scanner in numerisch optimierter Leichtbauweise, ein 3-D-Druckverfahren bzw. Verfahren zur additiven Fertigung zu deren Herstellung sowie ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes System zum 3-D-Drucken bzw. zur additiven Fertigung.
Galvanometer-Scanner sind hochdynamische Drehantriebe für optische Anwendungen. Ihr Haupteinsatzgebiet ist die schnelle und präzise Positionierung von Spiegeln zur Ablenkung von Laserstrahlen. Soll der Laserstrahl in einem zweidimensionalen Bereich auf jeden beliebigen Punkt gelenkt werden können, setzt man eine 2-Achsen-Ablenkeinheit ein, durch die der Laserstrahl in zwei Richtungen abgelenkt werden kann. Die Umlenkung des Laserstrahls erfolgt dabei durch zwei Spiegel, die von je einem Galvanometer- Scanner in der X-Achse bzw. der Y-Achse um einen bestimmten Auslenkwinkel (z.B. ± 10°) oszilliert werden.
Physikalisch spielt bei Drehbewegungen das Drehmoment die gleiche Rolle wie die Kraft für geradlinige Bewegungen. Ein Drehmoment kann die Rotation eines Körpers beschleunigen oder bremsen und den Körper verwinden oder verbiegen. Das Drehmoment hängt von der bei der Rotation auftretenden Winkelbeschleunigung und dem Massenträgheitsmoment des zu rotierenden Körpers ab. Aus dem Massenträgheitsmoment und dem eingetragenen Drehmoment resultiert ein Drehmoment das dem eingetragenen Drehmoment entgegenwirkt und damit die Winkelbeschleunigung reduziert, wobei das Massenträgheitsmoment von der gewählten Drehachse und der Verteilung der Masse eines Körpers bezüglich der Drehachse abhängt. Das Massenträgheitsmoment und die Steifigkeit des Körpers entscheiden hierbei über die möglichen maximalen Beschleunigungs- und Geschwindigkeitswerte. Die Steifigkeit beschreibt in der technischen Mechanik den Widerstand eines Körpers gegen elastische Verformung durch eine Kraft oder ein Drehmoment. Die Steifigkeit eines Körpers hängt von der Elastizität des Werkstoffs (Elastizitätsmodul bzw. E-Modul) und von der Geometrie des Körpers (Größe und Form der Querschnittsfläche) ab. Je geringer das Massenträgheitsmoment und je höher die Steifigkeit, desto schneller kann der Körper gedreht werden. In Galvanometer-Scannern werden mit den oszillierenden Umlenkspiegeln Winkelbeschleunigungen von über 800 Mio. Rad/s2 und Drehgeschwindigkeiten von 3000 - 10000 rpm erreicht. Die dabei auftretenden Drehmomente stellen hohe Anforderungen an das verwendbare Spiegelmaterial.
Umlenkspiegel für Galvanometer-Scanner werden derzeit aus Glas, Keramik oder Beryllium hergestellt, und zwar klassischerweise gesintert oder aus dem vollen Block bearbeitet. Im Hochgeschwindigkeitsbereich werden Spiegel aus Beryllium verwendet wegen der für ein Metall sehr niedrigen Dichte von 1,85 g/cm3 und der hohen Steifigkeit (E-Modul 318 kN/mm2 - etwa 1/3 höher als bei Stahl). Das Material Beryllium ist allerdings sehr giftig und karzinogen, speziell inhalierte Berylliumpartikel führen zu Berylliose. Dies ist der Grund warum es weltweit nur wenige und entsprechend lizensierte Hersteller von Beryllium-Produkten gibt. Zerbricht ein Beryllium-Umlenkspiegel, wird der Galvanometer- Scanner kontaminiert und darf nur von entsprechend spezialisierten Reinigungsunternehmen dekontaminiert werden. Häufig ist eine Dekontaminierung aber nicht möglich, so dass der komplette Galvanometer-Scanner sachgerecht entsorgt werden muss. Damit sind zwangsweise hohe Kosten verbunden. Hinzu kommen die Kosten für die Ersatzbeschaffung eines Galvanometer-Scanners.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass mit der Auswahl von konventionellen Fertigungsverfahren die Herstellung von Umlenkspiegeln, welche eine echte Alternative zu Beryllium-Umlenkspiegeln bieten, nicht zu akzeptablen Marktpreisen realisierbar ist.
Ein weiteres Problem ist, dass auch mit konventionellen Fertigungsverfahren hergestellte Beryllium-Spiegel rasch an ihre Leistungsgrenzen geraten, d.h. ihr Gewicht kann bei der gleichzeitig erforderlichen Steifigkeit nicht so minimiert werden, wie es erwünscht wäre.
Diese Probleme werden erfindungsgemäß durch die Bereitstellung der im Hauptanspruch definierten Leichtbau-Umlenkspiegel gelöst.
Die Erfindung stellt ferner ein 3-D-Druckverfahren bzw. Verfahren zur additiven Fertigung (beide Verfahrensbezeichnungen werden hier synonym gebraucht - unter additiver Fertigung bzw.„Additive Manufacturing" versteht man allgemein eine werkzeuglose Fertigung) zur Herstellung der erfindungsgemäßen Leichtbau-Umlenkspiegel mit den im unabhängigen Anspruch 7 definierten Merkmalen bereit sowie ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes System zum 3D-Drucken bzw. zur additiven Fertigung mit den im unabhängigen Anspruch 11 definierten Merkmalen. Vorteilhafte und/oder bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Leichtbau- Umlenkspiegel bzw. des zu ihrer Herstellung eingesetzten erfindungsgemäßen 3-D- Druckverfahrens bzw. Verfahrens zur additiven Fertigung und des zur Durchführung des Verfahrens geeigneten erfindungsgemäßen Systems sind Gegenstand der Unteransprüche.
Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen 3-D-Druckverfahrens bzw. den Einsatz des erfindungsgemäßen Systems wird auf der Spiegelflächenrückseite eine verstärkende dreidimensionale Struktur erzeugt, welche die Steifigkeit des Umlenkspiegels erhöht und gleichzeitig durch Verringerung der Spiegelflächendicke sein Gewicht und sein Massenträgheitsmoment reduziert. Durch die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Systems erreichbare Volumenreduktion um ca. 60 - 75% wird es möglich, auch nichttoxische Leichtmetalle, oder andere Stoffe, mit einer höheren Dichte als Ausgangsmaterial für Umlenkspiegel zu nutzen, z.B. für Hochge- schwindigkeitsumlenkspiegel Titan mit einer Dichte von 4,5 g/cm3 und einem E-Modul von 105 kIM/mm2 oder die Titanlegierung Ti6AI4V mit einer Dichte von 4,43 g/cm3 und einem E-Modul von 114 kl\l/mm2. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Systems produzierten Umlenkspiegel können eine Spiegelfläche mit einer Dicke von nur 0,2 bis 1,5 mm aufweisen und bis zu 25 % leichter als ein konventioneller Beryllium-Umlenkspiegel sein, ohne das die mechanischen Eigenschaften, wie maximale Steifigkeit, in allen Drehachsen beeinträchtigt sind. Dadurch sind höhere Scangeschwindigkeiten (Winkelbeschleunigung, max. Drehzahl, Endgeschwindigkeit) möglich.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren detaillierter beschrieben. Dem Fachmann ist klar, dass die beschriebenen Ausführungsformen lediglich beispielhaft und nicht als Beschränkung der Erfindung zu verstehen sind.
Figurenbeschreibung
Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau und die Funktion eines Galvanometer-Scanners mit einer 2-Achsen-Ablenkeinheit für Laserstrahlen. Die Ablenkeinheit hat eine Eintrittsöffnung, in die der Laserstrahl eingekoppelt wird, und eine Austrittsöffnung, durch die der Laser nach der Ablenkung wieder aus der Ablenkeinheit austritt. Die Umlenkung des Laserstrahls erfolgt durch zwei Spiegel, die von je einem Galvanometer-Scanner in der X- Achse bzw. der Y-Achse um einen bestimmten Auslenkwinkel oszilliert werden. Dadurch kann ein Laserstrahl in die X- und Y-Richtung abgelenkt werden und es entsteht ein zweidimensionaler Bereich, in dem der Laserstrahl an jeden beliebigen Punkt gelenkt werden kann. Figur 2 zeigt kommerziell verfügbare Galvanometer-Scanner der Firma Scanlab AG, Puchheim. Sie bestehen aus einem Motorteil, basierend auf der Moving-Magnet- Technologie, einem hochgenauen Positionsdetektor und dem auf den Motorteil montierten Umlenkspiegel. Die Umlenkspiegel weisen unterschiedliche Größen und Formen auf.
Figur 3 zeigt einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Systems hergestellten Umlenkspiegel in Leichtbauweise mit einer verstärkenden dreidimensionalen Gitterstruktur auf der Spiegelflächenrückseite.
Figur 4 zeigt einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Systems hergestellten Umlenkspiegel in der Vorderansicht.
Figur 5 zeigt einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Systems hergestellten Umlenkspiegel in der Unteransicht.
Figur 6 zeigt einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Systems hergestellten Umlenkspiegel in der Seitenansicht. Es ist erkennbar, dass die verstärkende Gitterstruktur regel- oder unregelmäßig sein kann.
Figur 7 zeigt einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Systems hergestellten Umlenkspiegel in isometrischer Ansicht. Am oberen Ende ist die Aufnahmegeometrie zur Montage am Galvanometer erkennbar.
Figur 8 zeigt schematisch den allgemeinen Aufbau eines Systems zur additiven Fertigung durch Laserstrahlschmelzen.
Figur 9 zeigt schematisch den allgemeinen Aufbau eines Systems zur additiven Fertigung durch Einbringen eines Bindemittels in das Ausgangsmaterial.
Figur 10 zeigt schematisch den allgemeinen Aufbau eines Systems zur additiven Fertigung durch schichtweisen Auftrag von geschmolzenem Ausgangsmaterial (FDM / fused deposition modeling).
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Leichtbau-Umlenkspiegel wird zunächst ein dreidimensionales Modell eines Umlenkspiegels mit vorgegebener Geometrie in einem CAD- System (CAD = Computer Aided Design) erstellt. Die Geometrie des Umlenkspiegels wird vom Auslenkwinkel, dem Spiegelabstand sowie dem Strahlquerschnitt durch optische Projektion bestimmt. Geeignete CAD-Systeme sind kommerziell verfügbar (CATIA V5, SOLID WORKS). Anschließend werden die beim Oszillieren des Umlenkspiegels um einen vorgegebenen Auslenkwinkel auftretenden inneren Kraftflüsse nach der Methode der fini- ten Elemente (FEM) berechnet. Die meisten CAD-Systeme haben integrierte Module für FEM-Berechnungen, die dafür gut geeignet sind.
Anschließend wird in dem CAD-System auf der Spiegelflächenrückseite des dreidimensionalen Umlenkspiegelmodells eine verstärkende dreidimensionale Gitterstruktur entsprechend dem Kraftflussbild angepasst. Dazu wird zunächst eine einfache Ausgangsstruktur unter Berücksichtigung der Gitterporengröße, der Stegdicke, der Steglänge (min. & max.), der Anbindung der Knotenpunkte, Dicke der Knotenpunkte und des Strukturtyps (regelmäßig oder unregelmäßig) als Parameter konstruiert. Anschließend werden mit dem FEM-Modul die Positionierung und die Anzahl der das Gitter bildenden Stege, die Stegabstände und die Stegdicke optimiert. Die Gitterstruktur dient zum Ableiten der Kraftflüsse und kann eine regelmäßige oder unregelmäßige Struktur haben. Eine regelmäßige Struktur ist beispielsweise eine Fachwerkstruktur. Eine unregelmäßige Struktur kann z.B. eine Trabekel- oder Voronoi-Struktur sein.
Dann wird die erhaltene dreidimensionale Gitterstruktur nach einem Monte-Carlo- Algorithmus optimiert, bis maximale Steifigkeit bei möglichst geringem Gewicht erreicht ist. Geeignete Monte-Carlo-Algorithmen sind im Stand der Technik bekannt. Die optimierten Umlenkspiegelmodelldaten werden in einer CAD-Datei gespeichert. In einem nächsten Schritt werden die Daten aus der CAD-Datei in Schichtdaten (z.B. t (Tiefe) = 30 pm bei Ti-Strahlschmelzen) kompiliert, die jeweils eine dünne Querschnittsschicht des optimierten Umlenkspiegelmodells darstellen. Die kompilierten CAD-Daten werden dann über eine CAD-Schnittstelle in ein System zur Additiven Fertigung wie zum Beispiel durch Strahlschmelzen, selektives Lasersintern oder Laserstrahlschmelzen überführt. Die heutigen CAD-Systeme können die CAD-Daten in den gängigen Dateiformaten ausgeben bzw. ineinander konvertieren.
Dem Fachmann ist klar, dass zur additiven Fertigung (d.h. durch schichtweisen Aufbau) auch 3-D-Druckverfahren zur Anwendung gelangen können, die nicht auf Laserbestrahlung beruhen. Welches Verfahren und welches System zum Einsatz kommen, entscheidet der Fachmann nach Maßgabe der praktischen Gegebenheiten, beispielsweise in Abhängigkeit vom gewählten Material für den zu fertigenden Umlenkspiegel. Das Material wird dabei in Abhängigkeit von der erforderlichen Belastbarkeit des Umlenkspiegels gewählt. Allgemein haben Materialien für die additive Fertigung die Eigenschaft, sich physikalisch zu transformieren, wenn sie der Einwirkung eines (synergistischen) Stimulans ausgesetzt werden. Die Transformation kann beispielsweise das Schmelzen oder Sintern eines Pulvers oder das Polymerisieren eines Harzes durch z.B. Wärmeeinwirkung, Bestrahlen mit elektromagnetischer Strahlung wie Licht (z.B. UV-Licht oder Laser) oder Korpuskularstrahlung (z.B. Elektronenstrahlen) sein. Desweiteren kann ein Pulver oder solides Material physikalisch aufgeschmolzen werden. Die physikalische Transformation ist mit einer Änderung des Aggregatzustandes des Materials (z.B. von fest zu flüssig und wieder zurück) verbunden, beziehungsweise die Transformation wird durch Einbringen eines Bindemittels in das Ausgangsmaterials bewerkstelligt. Die folgende Beschreibung der Erfindung unter Verwendung eines durch Laserbestrahlung schmelzbaren oder sinterbaren Pulvers, wobei sich die Schmelze nach der Laserbestrahlung wieder verfestigt, ist somit nur beispielhaft und keineswegs einschränkend zu verstehen.
In dem System zur Additiven Fertigung, wird eine homogene Schicht eines z.B. schmelzbaren Pulvers einer geeigneten Korngröße (sphärische Korngröße beispielsweise 3 - 20 pm, z.B. 7 pm) in einer geeigneten Dicke (z.B. 30 pm bis. 60 pm) auf eine Arbeitsoberfläche aufgebracht. Anschließend werden ausgewählte Bereiche der Pulverschicht entsprechend den kompilierten CAD-Daten für eine erste Querschnittsschicht über Energieeintrag zum Ausbilden einer verfestigten Querschnittsschicht gebracht. Laserstrahlschmelz-Systeme verwenden zum Aufschmelzen beispielsweise einen Yb-Faserlaser mit einer Leistung von 200 oder 400 Watt.
Anschließend wird eine neue Schicht schmelzbares Pulver aufgebracht und ausgewählte Bereiche davon entsprechend den kompilierten CAD-Daten für eine weitere Querschnittschicht mit Energieeintrag zum Ausbilden einer verfestigten Querschnittsschicht, die an der zuvor gebildeten verfestigten Querschnittsschicht haftet, angeregt. Dieser Vorgang wird so lange mit weiteren aufeinander folgenden Querschnittsflächen wiederholt, bis der Umlenkspiegel mit der verstärkenden Gitterstruktur dreidimensional ausgebildet ist.
Geeignete Pulverarten für Strahlschmelzanlagen sind beispielsweise Pulver aus:
Reintitan oder Legierungen auf Titan-Basis: z.B. Ti6AI4V bzw. Ti6AI4V-ELI, TiCP
Reinaluminium oder Legierungen auf AI-Basis- : z.B. AISilOMg
Edelstahl : z.B. 1.4542
Legierungen auf Nickel-Basis: z.B. Inconel IN718
CoCr-Legierungen : z.B. UN R31538
Werkzeugbaustahl : z.B. 1.2709
Jeglichen Keramiken, amorph wie kristallin, wie z.B. Siliciumcarbit oder Aluminiumoxid Kunststoffen jeglicher Art, wie z.B. Polyamid oder faserverstärkte Kunststoffe Für Leichtbau-Hochgeschwindigkeitsumlenkspiegel eignen sich beispielsweise Pulver aus Reintitan oder Titanlegierungen (z.B. Ti6AI4V bzw. Ti6AI4V-ELI, TiCP). Diese werden beispielsweise in einem System zum Laserstrahlschmelzen verarbeitet.

Claims

Patentansprüche
1. Umlenkspiegel in Leichtbauweise, erhältlich durch ein Verfahren, das folgende Schritte aufweist: a) Erstellen eines dreidimensionalen Modells eines Umlenkspiegels mit vorgegebener Geometrie in einem CAD-System und berechnen der beim Oszillieren des Umlenkspiegels um einen Auslenkwinkel auftretenden inneren Kraftflüsse nach der Methode der finiten Elemente (FEM), b) Anpassen einer verstärkenden dreidimensionalen Gitterstruktur entsprechend dem Kraftflussbild auf der Spiegelflächenrückseite des dreidimensionalen Umlenkspiegelmodells zum Ableiten der Kraftflüsse, c) Optimieren der dreidimensionalen Gitterstruktur nach einem Monte-Carlo- Algorithmus bis maximale Steifigkeit bei möglichst geringem Gewicht erreicht ist, d) Speichern der optimierten Umlenkspiegelmodelldaten in einer CAD-Datei, e) Kompilieren der Daten aus der CAD-Datei in zahlreiche dünne Schichten, die jeweils eine Querschnittsschicht des optimierten Umlenkspiegelmodells darstellen, f) Überführen der kompilierten CAD-Daten in ein System zur additiven Fertigung, g) Transformieren ausgewählter Bereiche eines physikalisch transformierbaren Materials auf einer Arbeitsoberfläche in dem System zur additiven Fertigung entsprechend den kompilierten CAD-Daten für eine erste Querschnittsschicht mit einem Stimulans zum Ausbilden einer transformierten Querschnittsschicht, h) Wiederholen des Schritts g), um entsprechend den kompilierten CAD-Daten weitere aufeinander folgende transformierte Querschnittschichten zu bilden, die an den zuvor gebildeten transformierten Querschnittsschichten haften, bis der Umlenkspiegel mit der verstärkenden Gitterstruktur gebildet ist.
2. Umlenkspiegel nach Anspruch 1, wobei in Schritt g) das verwendete physikalisch transformierbare Material ein schmelzbares Pulver und das eingesetzte Stimulans ein Laserstrahl ist.
3. Umlenkspiegel nach Anspruch 2, wobei das schmelzbare Pulver ausgewählt ist unter Pulvern aus: Reintitan oder Titan-Legierungen, Reinaluminium oder Aluminium- Legierungen, Edelstahl, Nickel-Legierungen, CoCr-Legierungen, Werkzeugbaustahl, amorphen oder kristallinen Keramiken und Kunststoffen.
4. Umlenkspiegel nach Anspruch 3, wobei das Reintitan oder die Titan-Legierungen TiCP, Ti6AI4V oder Ti6AI4V-ELI ist, die Aluminium-Legierung AISilOMg ist, der Edelstahl 1.4542 ist, die Nickel-Legierung Inconel IN718 ist, die CoCr-Legierung UN R31538 ist, der Werkzeugbaustahl 1.2709 ist, die amorphen oder kristallinen Keramiken Siliciumcar- bit oder Aluminiumoxid sind und die Kunststoffe Polyamid oder faserverstärkte Kunststoffe sind.
5. Umlenkspiegel nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die verstärkende dreidimensionale Gitterstruktur eine regelmäßige Fachwerkstruktur oder eine unregelmäßige Struktur wie eine Trabekel-Struktur oder Voronoi-Struktur ist.
6. Umlenkspiegel nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Spiegelfläche eine Dicke von 0,2 bis 1,5 mm aufweist.
7. Verfahren zur Herstellung eines Umlenkspiegel in Leichtbauweise, das folgende Schritte aufweist: a) Erstellen eines dreidimensionalen Modells eines Umlenkspiegels mit vorgegebener Geometrie in einem CAD-System und Berechnen der beim Oszillieren des Umlenkspiegels um einen Auslenkwinkel auftretenden inneren Kraftflüsse nach der Methode der finiten Elemente (FEM), b) Anpassen einer verstärkenden dreidimensionalen Gitterstruktur entsprechend dem Kraftflussbild auf der Spiegelflächenrückseite des dreidimensionalen Umlenkspiegelmodells zum Ableiten der Kraftflüsse, c) Optimieren der dreidimensionalen Gitterstruktur nach einem Monte-Carlo- Algorithmus bis maximale Steifigkeit bei möglichst geringem Gewicht erreicht ist, d) Speichern der optimierten Umlenkspiegelmodelldaten in einer CAD-Datei, e) Kompilieren der Daten aus der CAD-Datei in zahlreiche dünne Schichten, die jeweils eine Querschnittsschicht des optimierten Umlenkspiegelmodells darstellen, f) Überführen der kompilierten CAD-Daten in ein System zur additiven Fertigung, g) Transformieren ausgewählter Bereiche eines physikalisch transformierbaren Materials auf einer Arbeitsoberfläche in dem System zur additiven Fertigung entsprechend den kompilierten CAD-Daten für eine erste Querschnittsschicht mit einem Stimulans zum Ausbilden einer transformierten Querschnittsschicht, h) Wiederholen des Schritts g), um entsprechend den kompilierten CAD-Daten weitere aufeinander folgende transformierte Querschnittschichten zu bilden, die an den zuvor gebildeten transformierten Querschnittsschichten haften, bis der Umlenkspiegel mit der verstärkenden Gitterstruktur gebildet ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei in Schritt g) das verwendete physikalisch transformierbare Material ein schmelzbares Pulver und das eingesetzte Stimulans ein Laserstrahl ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das schmelzbare Pulver ausgewählt wird unter Pulvern aus: Reintitan oder Titan-Legierungen, Reinaluminium oder Aluminium- Legierungen, Edelstahl, Nickel-Legierungen, CoCr-Legierungen, Werkzeugbaustahl, amorphen oder kristallinen Keramiken und Kunststoffen.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei als Reintitan oder Titan-Legierungen TiCP, Ti6AI4V oder Ti6AI4V-ELI, als Aluminium-Legierung AISilOMg, als Edelstahl 1.4542, als Nickel-Legierung Inconel IN718, als CoCr-Legierung UN R31538, als Werkzeugbaustahl 1.2709, als amorphe oder kristalline Keramiken Siliciumcarbit oder Aluminiumoxid und als Kunststoffe Polyamid oder faserverstärkte Kunststoffe verwendet werden.
11. System zur Herstellung eines Umlenkspiegels in Leichtbauweise, das aufweist: a) Einrichtungen zum Erstellen eines dreidimensionalen Modells eines Umlenkspiegels mit vorgegebener Geometrie durch Computer Aided Design und berechnen der beim Oszillieren des Umlenkspiegels um einen Auslenkwinkel auftretenden inneren Kraftflüsse nach der Methode der finiten Elemente (FEM), b) Einrichtungen zum Anpassen einer verstärkenden dreidimensionalen Gitterstruktur entsprechend dem Kraftflussbild auf der Spiegelflächenrückseite des dreidimensionalen Umlenkspiegelmodells zum Ableiten der Kraftflüsse, c) Einrichtungen zum Optimieren der dreidimensionalen Gitterstruktur nach einem Monte-Carlo-Algorithmus bis maximale Steifigkeit bei möglichst geringem Gewicht erreicht ist, d) Einrichtungen zum Speichern der optimierten Umlenkspiegelmodelldaten in einer CAD-Datei, e) Einrichtungen zum Kompilieren der Daten aus der CAD-Datei in zahlreiche dünne Schichten, die jeweils eine Querschnittsschicht des optimierten Umlenkspiegelmodells darstellen, f) Einrichtungen zum Überführen der kompilierten CAD-Daten in ein System zur additiven Fertigung, g) Einrichtungen zum Transformieren ausgewählter Bereiche eines physikalisch transformierbaren Materials auf einer Arbeitsoberfläche in dem System zur additiven Fertigung entsprechend den kompilierten CAD-Daten für eine erste Querschnittsschicht mit einem Stimulans zum Ausbilden einer transformierten Querschnittsschicht, h) Einrichtungen zum Wiederholen des Schritts g), um entsprechend den kompilierten CAD-Daten weitere aufeinander folgende transformierte Querschnittschichten zu bilden, die an den zuvor gebildeten transformierten Querschnittsschichten haften, bis der Umlenkspiegel mit der verstärkenden Gitterstruktur gebildet ist.
12. System nach Anspruch 11, wobei die Einrichtungen g) als physikalisch transformierbares Material ein schmelzbares Pulver transformieren und zum Transformieren als Stimulans Laserstrahlen einsetzen.
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