WO2019016061A1 - Verfahren zum erzeugen eines zusammenhängenden flächenbereichs, bestrahlungseinrichtung und bearbeitungsmaschine - Google Patents

Verfahren zum erzeugen eines zusammenhängenden flächenbereichs, bestrahlungseinrichtung und bearbeitungsmaschine Download PDF

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WO2019016061A1
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processing beams
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Markus Pieger
Stefan Heer
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Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
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    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a
  • the invention also relates to an irradiation device for a processing machine for producing three-dimensional components by irradiation of powder layers, comprising: a beam splitting device for splitting a primary processing beam,
  • a laser beam in particular a laser beam
  • at least two processing beams in particular at least two laser beams
  • a scanner device for aligning the at least two processing beams to different positions in a processing plane of the scanner device
  • Three-dimensional components can be made by so-called generative
  • Manufacturing process also referred to as additive manufacturing process
  • the three-dimensional component is generated in layers or in layers.
  • Laser melting or laser sintering is for this purpose a powder material locally by a high-energy processing beam, in particular a laser beam, melted to produce a layer of the three-dimensional component.
  • Machining beam for example in the form of the laser beam, may have a power in the order of several hundred watts.
  • Three-dimensional components it is known to use two or more processing beams, in particular two or more laser beams, from a
  • a plurality of laser beams are directed to a single galvanometer to produce a corresponding plurality of three-dimensional structures or components in a powder bed.
  • the plurality of laser beams can be generated by dividing a primary laser beam into the plurality of laser beams.
  • Each one of the plurality of laser beams can be automatically dynamically focused before being directed to the galvanometer.
  • Beam shaping device for shaping the beam profile of the laser beam to be used, wherein the length and / or the width of the beam profile in the
  • the beam shaping unit can have at least one further optical element, which can be designed, for example, as a diffractive optical element.
  • the diffractive optical element can serve to generate the high energy beams which strike the processing field from a single high energy beam.
  • the further optical element can also be designed as a wedge-shaped optical element which covers only a part of the beam profile in order to spatially separate one or more profile regions of the beam profile from other profile regions of the beam profile.
  • EP 2 875 897 B1 describes a method for controlling a
  • Irradiation system comprising a plurality of irradiation units.
  • the invention has for its object to provide a method of the type mentioned above and an irradiation device and a processing machine with such an irradiation device, with which an efficient production of contiguous surface areas of a three-dimensional component is possible.
  • This object is achieved according to a first aspect by a method of the aforementioned type, comprising: splitting a primary processing beam on the at least two processing beams, guiding the at least two
  • the method enables a speed increase in the exposure of comparatively large contiguous areas by dividing the power of the primary processing beam into the two or more processing beams.
  • the division into several processing beams is thus not used to produce a plurality of identical, spatially separated components, but rather to produce a contiguous surface area of a layer of one and the same component.
  • the two or more processing beams are approximately parallel to each other (typically at a small angle) and become over the same
  • Scanner device i. via the same or the same (scanner) mirror, aligned to the working plane.
  • the (focused) processing beams arrive at different (focus) positions in the working plane, with the
  • the distance between the (focus) positions is typically comparatively low and may be, for example, less than about 1.0 mm. Also the difference angle between the two processing beams deflected at the scanner device is typically comparatively low and is typically less than about 1 °.
  • Three-dimensional component generated or exposed by this is divided into a plurality of sub-areas.
  • the plurality of subregions typically forms one
  • Meeting powder layer vary depending on the position in the processing area, it may possibly lead to an (unwanted) partial overlap of adjacent subregions in an order of magnitude usually about 10% of the respective edge length (length or width) of the subregions.
  • the positions of the two processing beams can be different
  • Subareas are, so that two or more subregions are exposed simultaneously by the simultaneous change in the positions of the at least two processing beams.
  • the positions of the two or more processing beams may also be in one and the same subarea, which can be melted faster due to the use of two or more processing jets than when using a single processing beam.
  • the further subarea (s) which are subsequently exposed or, with the aid of further processing beams, are not typically adjacent directly to the subarea (s) exposed in the preceding step, since this is for the
  • Heat balance of the molten powder material is not ideal. Therefore, between the steps of melting of the partial regions and the subsequent melting of the further partial regions or regions, a change in the alignment of the processing beams in the processing plane by means of the scanner device can be made, in which the processing beams are not activated. After changing the orientation, the
  • the contiguous surface area is surrounded by an edge contour of a layer of the three-dimensional component, wherein the edge contour and / or between the edge contour and the contiguous
  • edge contour of the layer of the three-dimensional component to be produced does not coincide with the edge contour of the contiguous surface area, so that between the edge contour and the contiguous
  • the edge region typically has a geometry or an area into which no partial area of the
  • the edge region is therefore typically irradiated with a single processing beam or
  • the primary processing beam can be used, which in this case is not divided into several processing beams, or it can be used another processing beam which is generated by a further beam source and / or another
  • Scanner device is aligned to the working plane. If the primary processing beam is used, it is favorable if a dynamic as possible, fast switching between the multiple processing beams and the primary processing beam can be done. For this purpose, a
  • Beam splitter can be provided, which can be quickly moved into the beam path of the primary processing beam in and out of this again.
  • the use of a single, non-split machining beam is also beneficial in exposing the edge contour of the layer of the two-dimensional component.
  • Processing beams in the sub-area or in the at least two sub-areas in the working plane offset in a first direction to each other and simultaneously changing the positions of the at least two processing beams in the sub-area or in the at least two sub-areas comprises simultaneously moving the processing beams in a second, preferably first vertical direction in the working plane.
  • the outer contours of the partial regions in this case typically run parallel to the first or the second direction.
  • the processing beams in this case are typically moved with a scanning motion in a typically straight line along the extent of the respective portion in the second direction. At the edge of the respective subsection a reversal of motion takes place with a (minor) lateral offset in the first direction, before the
  • Processing beams are moved in opposite directions over the entire width of the respective portion in the first direction.
  • Processing beams are positioned in one and the same subarea, it may optionally -. with a suitable dimensioning of the partial area - sufficient if the processing beams are moved only once in the second direction over the partial area in order to completely melt it.
  • a gas stream is passed over the powder layer, the flow direction is preferably at least partially directed against the direction of movement of the processing beams in the working plane and / or preferably the sequence of irradiation of the sub-areas depending on the distance of the respective sub-areas in the flow direction of one
  • the gas stream may, for example, be a protective gas stream in order to protect optical components of the irradiation device, for example a window, from contamination, for example from soot particles, which form during the irradiation of the powder material. It has proved to be advantageous if the movement, more precisely the direction of movement, of the processing beams during the exposure does not coincide with the flow direction of the protective gas flow, since soot particles are removed by the protective gas flow, in this case directly before or before the processing beams the irradiated powder layer would be stored and welded.
  • the subregions may be irradiated in an order in which the or the part region (s) furthest away from the provision device in the flow direction of the gas stream are first irradiated. Preference is given here that two directly adjacent subregions are usually not irradiated directly one after the other. In particular, the directions of movement of the processing beams in each irradiated subarea in the processing plane occupy the respective same angle with respect to the flow direction of the gas flow.
  • the movement of the processing beams along the second direction e.g. the Y direction, with only one orientation (positive or negative Y direction).
  • the processing beams can only be moved in the positive Y direction, as described in detail in WO 2014/125280 A1, for example, which is incorporated herein by reference Registration is made.
  • Machining beams in the first direction are spaced apart from one another substantially in one integer (typically different from one)
  • Machining beams simultaneously irradiated portions of a gap is formed by at least a portion.
  • further partial regions of the continuous surface region are generally irradiated, which are also offset in the second direction to the already irradiated partial regions.
  • the distance of the positions of the processing beams from one another exactly corresponds to an integer multiple (different from one), in particular an even integer multiple, for example exactly twice or exactly four times, but possibly also a non-even multiple, for example three times, five times ... the extension of a respective sub-area.
  • an integer multiple different from one
  • an even integer multiple for example exactly twice or exactly four times, but possibly also a non-even multiple, for example three times, five times ... the extension of a respective sub-area.
  • a distance which substantially corresponds to an integer multiple of the extent of a respective subarea in the first direction is understood to be a distance which is +/- 10% of the extension (edge length) of a respective subarea in the first direction differs.
  • contiguous surface area is usually the same size. But it is also possible that the contiguous surface area has several types of, for example, rectangular portions which differ in their surface area, for example in their width and / or in their length. In this case, the lengths and / or the widths of the respective partial regions can each have an integral relationship with one another, such that two or more of the
  • Subareas are complementary to a larger subarea.
  • the use of smaller subareas may be advantageous, in particular, at the edge of the contiguous surface area, in order to match this as well as possible to the surrounding area
  • a difference angle between the at least two processing beams in the first direction when aligning the at least two processing beams to different positions in the working plane whose distance in the working plane varies depending on a deflection angle of the scanner device depending on location selected such that either adjacent portions in the middle of the editing area in the first direction
  • Edges adjoin one another in the first direction. In order to align the two processing jets on different positions in the working plane, it is necessary that these under one (slightly)
  • Deflection level is measured, which runs along the first direction.
  • one of the machining jets is aligned perpendicular to the working plane, which corresponds to a deflection angle of 0 °.
  • one of the processing beams is aligned at a deflection angle of, for example, approximately 20 °, which corresponds to the maximum possible deflection angle through the scanner device.
  • the offset dimension or the distance between the two processing beams at the edge of the processing area can be set such that two adjacent portions after the
  • a corresponding gap remains in the subregions, which are in the middle of the
  • Processing area exactly the width of one (or possibly several) subregions equivalent.
  • the difference angle may be set such that in the zero position, i. in the middle of the processing area, there is no lateral offset between adjacent portions in the first direction, i. that these directly adjoin one another in the middle of the processing area.
  • This lateral offset or distance increases during pivoting of the two processing beams with increasing deflection angle and can be chosen so that two
  • Processing beams can be measured in the entire processing area and are thus known.
  • the variable offset dimension or the distance between in each case two of the exposed partial regions in the first direction at the edge or in the vicinity of the edge of the processing region is therefore likewise known and can be parallel to the production of the partial regions with a further processing beam or subsequently with a single processing beam , For example, with the primary processing beam, be illuminated or balanced to the
  • the differential angle or the difference angles between the at least two processing beams which serve for the exposure of different partial areas can be varied depending on the deflection angles or on the position of the (focus) positions in the first direction in the processing area.
  • Beam splitter device for dividing the primary processing beam are used in the at least two processing beams, which allows adjustment of the differential angle.
  • the beam splitter device may, for example, have differently designed beam splitter elements, which may optionally be introduced into the beam path of the primary machining beam, for example wedge plates with different wedge angles (see above).
  • a preferably telecentric F-theta objective can be used to focus the processing beams (as well as possibly further ones) Machining jets) are used in the working plane.
  • the processing beams are always aligned perpendicular to the processing plane, so that almost no location-dependent variation of the distance of the processing beams occurs in the processing plane.
  • the positions of the processing beams or of the further processing beams in the further subarea or in the at least two further subareas are offset from one another in a second direction and the positions of the at least two processing beams or the at least two further processing beams in the further subarea are changed simultaneously or in the at least two further subregions comprises a simultaneous movement of the processing beams or the further processing beams in a first, preferably to the second vertical direction. It may be favorable if some (first) partial areas are scanned along the first direction, while further (second) partial areas are possibly scanned simultaneously along a second, perpendicular to the first direction.
  • the "white” portions may be scanned in the first direction while the "black” portions are scanned in the second direction, or vice versa.
  • one and the same primary processing beam with the help of two different
  • Beam splitter devices which can be optionally introduced into the beam path, are first divided in the first direction and subsequently in the second direction.
  • Beam splitter devices which can be optionally introduced into the beam path, are first divided in the first direction and subsequently in the second direction.
  • Beam splitter can be used, which is rotated about an axis of rotation, which runs along the beam direction of the primary processing beam, by 90 °. For the division of the primary processing beam or the other primary
  • Processing beam on a plurality of partial beams for example, a
  • Beam splitter device can be used in the form of a diffractive optical element.
  • the method additionally comprises: splitting up another primary processing beam on the at least two others
  • a further primary processing beam can be used, which is divided into two or more, for example five or more, further processing beams.
  • the further processing beams may be used to irradiate the "black" portions scanned in the second direction while the processing beams into which the primary processing beam is split may be used to irradiate the "white” portions , or the other way around.
  • the two or more processing beams can be used simultaneously to irradiate one and the same subarea, for example by moving two or more parallel processing beams over the entire width of the respective subarea, before a direction reversal takes place and the two or more processing beams are moved in opposite directions.
  • a (non-split) machining beam can be used to process those areas of a layer of the three-dimensional component which are unsuitable for the irradiation by the divided machining beams.
  • this may be the (edge) contour (s) of the layer of the three-dimensional component or the edge region between the contiguous surface region and the edge contour or
  • a focus position correction for correcting the focus positions of the processing beams in the beam path of the primary
  • the focus positions of the at least two processing beams along their respective beam direction should ideally be in the working plane. Due to the diversion with the help of
  • Scanner mirrors (without the use of an F-Theta lens) are the focus Positions of the processing beams in the pivoting of the scanner or the mirror on a spherical surface, that is not exactly in the
  • a focus position correction can be made, which corrects the spherical aberration of the scanner field, for example, by rapid compensation movements of a lens arranged in the beam path of the primary processing beam, which is moved in the beam direction of the primary processing beam, resulting in a fast Focus position shift has the consequence.
  • the movable or displaceable lens can be arranged, for example, in a focus position correction device or optics. Due to the comparatively small difference angle between the
  • Processing beams it is sufficient to make the focus position correction for the primary processing beam, i. it is possible to dispense with an individual focus position correction of each individual of the processing beams.
  • Control technology can for the focus position correction or generally the
  • Control in this case may be (essentially) done in such a way as if only the primary processing beam were used for the irradiation.
  • the centroid trajectory can be used as a default for determining the focus position correction.
  • the invention also relates to an irradiation device of the type mentioned above, which has a control device which is formed or programmed, the positions of the at least two processing beams in a subarea or in at least two subregions of a contiguous surface area, for the irradiation in a plurality of preferably rhomboid, in particular diamond-shaped, rectangular or square sections is divided, simultaneously to change until the powder layer is completely melted in the subregion or in the at least two sub-areas, and which is formed, the positions of the at least two processing beams or at least two further processing beams in another subarea or in at least two different further subareas of the
  • control device is thus designed or programmed to carry out the method described above for generating the contiguous surface area. Accordingly, the control device may also be designed or programmed to execute the variants of the method described above.
  • the control device acts on the scanner device for the simultaneous change of the positions of the (further) processing beams, more precisely on the or on the two scanner mirrors of the scanner device.
  • the irradiation device has a further one
  • Beam splitter device for splitting a further primary machining beam, in particular a further laser beam, on at least two others
  • Processing beams in particular on at least two further laser beams, as well as a further scanner device for aligning the at least two further processing beams to different positions in the processing plane.
  • the irradiation device can, for example, two identically constructed
  • checkerboard-like contiguous surface area are irradiated.
  • a checkerboard-like surface area does not necessarily have to have quadratic subareas, but rather may have, for example, rhomboid, in particular diamond-shaped, rectangular or square subareas.
  • the further beam splitting device may be configured to divide the further primary processing beam in the second direction, so that the further processing beams are aligned to different positions in the processing plane in the second direction, while the
  • Beam splitter is formed, the primary processing beam in a split first direction so that the processing beams are aligned to different positions in the first, preferably to the second vertical direction.
  • the beam splitter device for splitting the primary processing beam onto the at least two processing beams is formed by splitting a beam cross section of the primary processing beam.
  • the beam splitting is thus not carried out by a polarization beam splitter, in which the entire beam cross section is usually divided into two mutually perpendicular polarization components.
  • the division of the primary processing beam on the at least two processing beams has proven to be particularly advantageous in the collimated beam path of the primary processing beam, so that the beam splitter preferably in the collimated beam path of the primary
  • Processing beam is arranged.
  • the processing beams generated by splitting are each aligned at an angle to each other, in the deflection of the
  • Processing beams on the scanner device is typically maintained. It is alternatively or additionally possible, the processing beams in the
  • the beam splitter device for splitting the primary processing beam by deflecting at least a portion of the
  • Beam cross section of the primary processing beam (preferably under a
  • the beam splitter device can serve to divert half of the beam cross-section-and thus half the power-of the processing beam by the beam splitter device covering only one half of the beam profile.
  • the beam splitter device is as for the primary
  • the wedge plate can serve for deflecting a portion of the beam cross section at a Differenzkwinkel, which is usually maintained up to the working plane. Due to the wedge angle of the wedge plate is at a given refractive index of the transparent material the wedge plate, such as quartz glass, the differential angle set. In particular, the wedge angle can be determined such that the distance of the positions of the at least two machining beams in the machining plane corresponds to an integral multiple of the edge length of an irradiated partial area.
  • the wedge angle is preferably set such that the distance between the positions corresponds to twice or three times the edge length of a respective partial area in the first direction, so that a gap of one or two partial areas remains between the simultaneously irradiated partial areas during the irradiation.
  • the wedge plate is ideally located in the collimated beam path of the primary
  • Focusing arranged, i. the focus is not primary
  • the beam splitter device is designed as a diffractive optical element, for example as a diffraction grating or the like.
  • the diffractive optical element can be used to divide the primary processing beam into a plurality of processing beams, which ideally have identical properties and only differ in the respective angles at which they impinge on the scanner device.
  • the diffractive optical element for example, five laser beams produce, each having a power of 100 W and a diameter of 100 ⁇ . Be the five processing beams side by side and in parallel within an irradiated
  • the irradiation device comprises a movement device for at least partial movement of the
  • the wedge plate can be introduced into the beam path of the primary processing beam so that it covers only half the beam cross-section. For quickly moving the wedge plate into the
  • the movement device can in particular perform a rotary or a pivoting movement of the wedge plate about a rotation axis.
  • the moving device can be used for this purpose
  • the movement device can be designed to move a respective diffractive optical element into and out of the beam path of the primary processing beam with a linear movement and / or with a rotational movement.
  • a linear movement and / or with a rotational movement For the control of the movement device may also described above
  • Control device can be used.
  • the irradiation device has a
  • Focus position correction device for correcting the focus positions of the
  • Processing beams which is arranged in the beam path of the primary processing beam.
  • the focus position correction in the primary machining beam depending on the position in the machining plane can be performed.
  • a focus position correction device for example, serve a so-called varioSCAN focusing device, as offered by the company. Scanlab GmbH.
  • the irradiation device has a preferably telecentric F-theta objective for focusing the processing beams in the processing plane.
  • An F-theta lens is a special type of lens used in scanner applications.
  • Scanner device is dependent to be reduced.
  • the processing beams (substantially) regardless of the deflection angle and thus regardless of the location in the edit field always perpendicular to the
  • At least one beam source in particular at least one laser source, for generating the at least one primary processing beam and the primary laser beam may have.
  • laser sources having a power in the range of more than 100 W can be used.
  • Another aspect relates to a processing machine for producing three-dimensional components by irradiation of powder layers, comprising: an irradiation device, as described above, as well as a
  • Powder layer can be arranged.
  • the processing machine can be designed, for example, as described in EP 3 023 228 A1, which is incorporated herein by reference in its entirety.
  • Processing chamber is provided a production space in which at the height of the working plane typically a work surface is arranged.
  • Processing area of the irradiation device is formed in a part of the work surface in which a building platform area is provided for providing a powder bed whose uppermost powder layer lies in the working plane.
  • a powder reservoir area with a powder reservoir can be provided in the processing chamber.
  • Processing chamber arranged pusher may serve to transfer the powder from the powder reservoir into the building platform area.
  • the processing machine has a A supply device for providing a gas flow, in a provided for providing a powder bed building platform area over the
  • Machining plane flows, and the flow direction is preferably at least partially directed against the direction of movement of the processing beams and / or is formed in the control device, the order of irradiation of the subregions as a function of the distance of the respective
  • the gas stream can be used to remove smoke from the processing chamber, as in EP 3 023 228 A1 cited above.
  • the gas system used to provide the gas stream can be designed, for example, as described in EP 3 023 228 A1.
  • the irradiation can take place, for example, in the manner described in WO 2014/125280 A1, even if this slows down the irradiation.
  • 1 a is a schematic representation of an irradiation device with a
  • Beam splitting device for splitting a primary machining beam into two machining beams which are aligned at different positions in a machining plane
  • Fig. 1 b shows a detail of the beam splitter device in the form of a wedge plate for
  • Machining beam a schematic representation of a processing machine for
  • FIG. 1 a, FIG. 3 a, b schematic representations of partial regions of a
  • Fig. 5a, b are schematic representations of the irradiation of a circular
  • Fig. 6 is a schematic representation of the irradiation of a
  • FIG. 1a shows an irradiation device 1 for a processing machine not shown in FIG. 1a.
  • the irradiation device 1 is used for irradiating a continuous surface region 2 of a powder layer 3, which is rectangular in the example shown.
  • a powder layer 3 which is rectangular in the example shown.
  • For the irradiation is the
  • Irradiation device 1 of a non-illustrated in Fig. 1 beam source in the form of a laser source, a primary processing beam 4 in the form of a
  • the irradiation device 1 has a scanner device 5 with two rotatable scanner mirrors 6a, 6b (galvano mirrors), which serve to deflect the primary processing beam 4 or two processing beams 4a, 4b into which the processing beam 4 at a beam splitter device in the form a transparent wedge plate 7 is divided.
  • the wedge plate 7 can with the aid of a movement device 8 in the example shown in the circular circular beam cross section A of the primary processing beam 4 into and out of the
  • Beam cross-section A of the primary processing beam 4 are moved out.
  • the wedge plate 7 is only partially in the Beam cross section A of the primary processing beam 4 is moved into, until it covers the half A / 2 of the beam cross section A, as can be seen in Fig. 1 b. In this way, the power of the primary machining beam 4 is equally divided between the two machining beams 4a, 4b.
  • the wedge plate 7 has a wedge angle ⁇ , which causes the second
  • Processing beam 4b relative to the first processing beam 4a (and compared to the primary processing beam 4) is deflected at a differential angle ⁇ .
  • the difference angle ⁇ depends on the wedge angle ⁇ and the refractive index of the material of the wedge plate 7 in a manner known to those skilled in the art.
  • Differential angle ⁇ is at twice the deflection or reflection of
  • Scanner device 5 maintained so that the two processing beams 4a, 4b at different positions P1, P2 in the contiguous
  • the difference angle ⁇ is in the XZ plane of an XYZ coordinate system, i. the two positions P1, P2 of the two processing beams 4a, 4b are spaced apart in a first direction, which will be referred to as the X direction, at a distance 2 L.
  • Processing jets 4a, 4b on the powder layer 3 hang next to the
  • Difference angle ⁇ also from the (known) distance of the processing plane E of the irradiation device 1 and from the scanner device 5 from.
  • Machining plane E lies in the XY plane of the XYZ coordinate system in the example shown.
  • the movement device 8 is designed to rotate the wedge plate 7 about a rotation axis extending parallel to the beam direction of the primary processing beam 4. It turned out that with the help of a
  • Rotary movement of the wedge plate 7 particularly fast in the beam cross-section A of the primary processing beam 4 in and out of this can be moved out.
  • This is advantageous in order to enable the fastest possible switching between irradiation of the powder layer 3 with the primary processing beam 4 and irradiation of the powder layer 3 with the two processing beams 4a, 4b.
  • a (static) focusing device 9 in the form of a focusing lens is arranged in the beam path of the two processing beams 4a, 4b downstream of the beam splitter device 7 in order to move the
  • Beam path of the primary processing beam 4 is a focus position correcting means 10 which is used for (dynamic) correction of the focus positions F1, F2 of the two processing beams 4a, 4b (in the beam direction), to ensure that the focus positions F1, F2 as in Fig. 1 a is shown in the processing plane E.
  • the focus position correcting device 10 is required because the focused by the focusing lens 9 and of the
  • Scanner device 5 deflected processing beams 4a, 4b would be focused in a spherical shell and not in the processing plane E as desired.
  • Focus position correcting device 10 is in the primary machining beam 4
  • Machining plane E have a relatively small distance 2 L, which is typically less than about 1, 0 mm, so that an individual
  • Focus position correction of the two processing beams 4a, 4b can be dispensed with.
  • a so-called varioSCAN focusing device as marketed by the company Scanlab GmbH, can serve as focus position correction device 10.
  • Edge contour 1 1 surrounded, which corresponds to the outer contour of a layer of the three-dimensional component to be generated during the irradiation of the powder layer 3.
  • the entire surface within the edge contour 1 1 is to be irradiated.
  • the area within the edge contour 1 1 is divided in the example shown in the contiguous surface area 2, which is irradiated by means of the two processing beams 4 a, 4 b, and in an edge region 12 which is formed between the contiguous surface area 2 and the edge contour 1 1.
  • the contiguous surface area 2 is irradiated simultaneously by means of the two processing beams 4a, 4b, as described in more detail below.
  • the edge region 12 and the edge contour 1 1, however, are irradiated with the primary processing beam 4, including the beam splitter 7 with Help the movement device 8 is removed from the beam path of the primary processing beam 4.
  • the rectangular continuous area 2 in the example shown is subdivided for the irradiation into a plurality of quadratic subregions, in total eight subareas in the longitudinal direction (X direction) and in three subareas in the transverse direction (Y direction) of the connected one
  • the partial regions T1, T2,... Have a length L in the X direction, which may be, for example, 1.0 mm, and an identical length in the Y direction.
  • the subregions T1, T2, ... may have another, e.g. have rectangular geometry.
  • the sections T1, T2, ... another, e.g. rhomboid, diamond-shaped or have a basically arbitrary geometry, provided that they are arranged in a regular arrangement in the manner of a grid or a matrix.
  • the two processing beams 4a, 4b offset in the X-direction in the processing plane E are used to simultaneously produce two square partial regions T3, T4 of the
  • Processing beams 4a, 4b in the processing plane E a distance 2 L to each other, i. a distance equal to twice the length L of a respective partial area T1 to T6.
  • the simultaneous irradiation of two subregions T3, T4, which are not arranged immediately adjacent, has proven to be advantageous with regard to the heat balance of the melt of the powder layer 3.
  • the distance between the two processing beams 4a, 4b in the X direction another integer multiple, for example, four times, the length L of a respective
  • Subarea T1 to T6 correspond.
  • the number of partial areas into which the contiguous surface area 2 is divided in the X direction should be divisible by the integer multiple of the length L of a respective partial area T1 to T6. This is usually possible because the length L of the subregions T1 to T6 in certain limits can be freely chosen.
  • Subareas T3, T4 is completely melted.
  • the two processing beams 4a, 4b are moved in a scanning movement over the entire edge length L of the subregions T3, T4 in the Y direction.
  • the edge of the respective sub-area T3, T4 there is a reversal of motion, in which the two processing beams 4a, 4b are displaced slightly in the X-direction in order to drive off an adjacent track or track in the Y-direction in a scanning movement. This is followed by another reversal of the movement of the two
  • Processing beams 4a, 4b are first moved in the fifth and sixth portions T5, T6, i. their positions P1, P2 in the processing plane E are suitably changed. In the repositioning of the two processing beams 4a, 4b, these are typically turned off by a in Fig. 1 a not
  • Positions P1, P2 of the two processing beams 4a, 4b are selected at the end of the irradiation of the third and fourth subregions T3, T4 so that they are positioned in a corner of the third and fourth subregions T3, T4, which is also a corner of the fifth and the sixth portion T5, T6 forms.
  • the irradiation of the fifth and sixth portions T5, T6 may be immediately followed by the irradiation of the third and fourth portions T3, T4.
  • the irradiation of the fifth and sixth sub-areas T5, T6 takes place as described above, ie by simultaneously changing the positions P1, P2 of the two processing beams 4a, 4b in the fifth and sixth sub-areas T5, T6, until they are complete are melted. Accordingly, the remaining portions of the contiguous surface area 2 are irradiated, for example, the first and the second in Fig. 1 a shown portion T1, T2, to the entire
  • contiguous surface area 2 form the gaps between the first and the second partial area T1, T2, the third and the fourth partial area T4, T5, the fifth and the sixth partial area T5, T6, etc., with the aid of the two
  • Processing beams 4a, 4b are processed by these are moved in the Y direction and not in the X direction simultaneously.
  • the Y direction Processing beams 4a, 4b are processed by these are moved in the Y direction and not in the X direction simultaneously.
  • Irradiation device 1 have a further beam splitting device
  • Positions P1, P2 are offset in the processing plane E in the Y direction.
  • the edge region 12 and the edge contour 1 1 can be irradiated with the primary processing beam 4 in order to completely irradiate the surface located within the edge contour 11.
  • Beam splitter 7 takes place in the example shown by means of a control device 14 of the irradiation device 1 shown in Fig. 2.
  • the orientation of the X direction and the Y direction in the processing plane E is basically arbitrary.
  • the positive Y-direction coincides with the flow direction of a protective gas flow 13, which is guided over the powder layer 3.
  • the protective gas stream 13 is guided in a processing chamber 16 of a processing machine 15 shown in FIG. 2 over the powder layer 3, which forms the uppermost layer of a powder bed 19, in which a three-dimensional component 20, more precisely the layers already produced
  • the powder bed 19 is formed in a building platform area 17, which has, for example, a cylindrical construction platform with a punch, on the upper side of which the working plane E is formed, which is formed by the irradiation device 1 in the manner described above is irradiated.
  • the processing machine 15 also has a beam source 23 in the form of a laser source for generating the primary processing beam 4.
  • the processing machine 15 also has a supply device 21 for the provision of the protective gas stream 13, which is indicated in Fig. 1 a.
  • the protective gas flow 13 may have a flow direction in a positive or negative X direction or be oriented in another way.
  • the protective gas stream 13 is passed over the building platform region 17 in order to keep away smoke from the irradiation device 1 arranged above it, for example from a window formed there.
  • the provisioning device 21 can
  • Processing beams 4a, 4b is directed in the processing plane E, in the synchronous movement of the processing beams 4a, 4b in the Y direction, as shown in Fig. 1a, the exposure of the subregions T1 to T6 carried out by the processing beams 4a , 4b synchronously only in the negative Y direction via the respectively jointly illuminated partial regions T1, T2; T3, T4; T5, T6 are moved, i. it eliminates the opposite movement in the positive Y-direction, as shown in the cited above WO 2014/125280 A1. It is also possible to determine the order of irradiation of the subregions T1, T2,... As a function of
  • Flow direction + Y are irradiated in front of portions T1, T2, ..., which have a smaller distance to the supply device 21 in the flow direction + Y.
  • powder is first taken from a powder reservoir container 22 arranged in the processing chamber 16 and transferred into the building platform region 17 from a powder reservoir region 18 in which the powder reservoir container 22 is located.
  • a non-illustrated for this purpose Used pusher which transfers the powder from the powder reservoir portion 18 in the building platform area 17 by the powder is moved on the top of a working plane located in the working plane E.
  • the stamp in the building platform area 17 and thus the powder bed 19 is shifted parallel downwards by the layer thickness of a powder layer, as indicated in FIG. 2 by an arrow, before the irradiation of the (new) powder layer 3 in the building platform area 17 is carried out.
  • a processing area B for carrying out the irradiation of the powder layer 3 is bounded laterally by the building cylinder of the building platform area 17.
  • Dimension of the processing area B which may be for example about 30 cm, is adapted to the (maximum) deflection angle ⁇ of the primary processing beam 4 by the scanner device 5, i. the scanner mirrors 6a, 6b can be rotated so far about their respective axis of rotation that each location of the
  • Machining area B can be achieved in the processing level E.
  • the distance between the two positions P1, P2 in the working plane E depends on the deflection angle ⁇ of the scanner device 5 shown in Fig. 2 for the two processing jets 4a, 4b, i. thereof, at which point of the processing area B the two processing beams 4a, 4b strike the working plane E.
  • Fig. 3a shows the two processing beams 4a, 4b at a first
  • 3b shows the two processing beams 4a, 4b at a second, slightly larger differential angle 62, in which the two subregions T1, T2 in the middle M of the processing area B directly adjoin one another, while the two subregions T1, T2 at the edge of the processing area B are slightly spaced apart, for example, about 1 mm.
  • the irradiation in the center M of the processing area B is less effective, because the partial areas T1, T2 overlap and in the overlapping area a double irradiation of
  • Powder layer 3 takes place.
  • the two partial regions T1, T2 do not overlap in the middle M of the processing region B, but as a rule they are additionally irradiated with the primary
  • FIG. 4 shows a processing machine 15, which differs from the processing machine 15 shown in FIG.
  • Irradiation device 1 differs, and in that the
  • the first beam source 23 generates a first primary processing beam 4, which in the example shown on a beam splitter device in the form of a diffractive optical element 24 (diffraction grating) in five
  • Processing beams 4a-e is divided, which are aligned via a scanner device 5 on the processing plane E or deflected in the direction of the processing plane E.
  • the second beam source 23a generates a further (second) primary processing beam 25, which at a further (second)
  • Beam splitter 24 a which is also designed as a diffractive optical element, is divided into five further processing beams 25 a-e, which are aligned via a further scanner device 25 b on the processing plane E.
  • the third beam source 23b generates another (third) primary Processing beam 26, which is aligned via a third scanner device 5b on the processing plane E.
  • the two beam splitting devices in the form of the diffractive optical elements 24, 24a can also be introduced into the beam path of the primary beam
  • Processing beam 4 and the other primary processing beam 4a are moved in and out of this again, including corresponding
  • Moving means 8, 8a are provided which allow in the example shown a linear movement of the diffractive optical elements 24, 24a.
  • the two beam splitting devices 24, 24a are arranged such that the division of the respective primary machining beams 4, 25 onto the respective five machining beams 4a-e, 25a-e in two mutually perpendicular directions (X-direction or Y-direction) takes place, so that the positions P1 to P5 of the processing beams 4a-e in the processing plane E in the X direction are spaced from each other, while the positions P1 to P5 of the other processing beams 25a-e in the processing plane E in Y-direction are spaced from each other.
  • a telecentric F-theta objective 27 is used for focusing the processing beams 4a-e, the further processing beams 25a-e and the (third) primary processing beam 26 in the processing plane E.
  • Machining beams 25a-e and the primary machining beam 26, due to the telecentricity, are always perpendicular to the working plane E, irrespective of the location on the machining field, so that in the case of that shown in FIG
  • Irradiation device 1 virtually no location-dependent variation of the distances between the positions P1 to P5, ... occurs. It is understood that one
  • Irradiation device can be used.
  • an irradiation can be carried out in which only the three primary processing beams 4, 25, 26 are used, as shown in FIG. 5a ,
  • the area bounded by the circular edge contour 1 1 is divided into quadratic subregions T or at the edge of the circular surface by the circular edge contour 1 1 limited subregions T.
  • Each of the partial regions T is irradiated with one of the three primary processing beams 4, 25, 26 until the corresponding partial region T has been completely melted.
  • the subregions T are traversed in a scanning movement, as described above in connection with FIG. 1a.
  • the assignment of the three primary processing beams 4, 25, 26 to the subregions T is basically arbitrary. Also, one and the same processing beam 4, 25, 26 can drive some of the subregions T with a scanning movement in the Y direction, while others of the subregions T are traversed with a scanning movement in the X direction, etc.
  • FIG. 5b shown irradiation of the surface formed within the circular edge contour 1 1 is - unlike that shown in Fig. 5a - initially defined a contiguous area 2, the means of the split
  • Processing beams 4a-e, 25a-e is irradiated, as will be described in more detail below.
  • Edge region 12 and the edge contour 1 are irradiated by means of the third primary processing beam 26.
  • the edge region 12 is subdivided into third subregions T3, which are successively separated from the third primary
  • Processing beam 26 are irradiated.
  • the contiguous surface region 2 comprises twelve quadratic subregions T1, T2 and four subregions T1, T2, which in one direction (X direction or Y direction) are only half the edge length of the square subregions T1, T2 have.
  • a respective first partial area T1 is respectively the first (primary) processing beam 4 or the five (first) processing beams 4a-e are associated, while a respective second portion T2 is assigned the second primary processing beam 25 and the five (second) processing beams 25a-e, respectively.
  • the first primary machining beam 4 is split into five machining beams 4a-e whose positions P1 to P5 are spaced from each other in the X direction.
  • the five processing beams 4a-e are not irradiated simultaneously to different subareas T3, T4, but onto the same first subarea T1, in each case in FIG X direction offset, as can be seen in Fig. 5b with reference to the arrows.
  • machining beams 4a-e are moved in a parallel offset manner in the X-direction in a scanning movement in Y-direction over the entire edge length of a respective first partial area T1.
  • a reversal of motion takes place with a lateral offset in the X direction, before the five processing beams 4a-e are moved in opposite directions in the Y direction.
  • the irradiation of the second partial areas T2 by means of the second processing beams 25a-e is analogous to the irradiation of the first partial areas T1, with the difference that the X direction and the Y direction are reversed.
  • the small first partial regions T1 are irradiated with the five processing beams 4a-e in a single scanning movement in order to completely melt them, ie. In this case no reversal of movement is required. The same applies to the irradiation of the small second subregions T2 with the second five processing beams 25a-e.
  • the five processing beams 4a-e, 25a-e in the processing plane E each have approximately the same diameter on like the two primary ones
  • Processing beams 4a-e, 25a-e in a cross-over swept area in the working plane E are increased by five times, ie, for example, from a width of 100 ⁇ to a width of 500 ⁇ . This way, in the same time the fivefold surface are melted than with a respective primary processing beam 4, 25. It is understood that instead of five
  • Processing beams 4a-e, 25a-e, a larger or smaller number of processing beams can be used to a respective first
  • Subarea T1 and a respective second portion T2 to be irradiated are identical to Subarea T1 and a respective second portion T2 to be irradiated.
  • a single primary machining beam 4 can also be used for this purpose, in the beam path of which either the first diffractive optical element 24 or the second diffractive optical element 24a can be introduced in order to irradiate the first partial regions T1 or around the second partial regions T2.
  • the irradiation of the partial areas T1, T2 is effected sequentially, while in the case of the processing machine 15 shown in FIG. 4, the irradiation of the first partial areas T1 and the second partial areas T2 can be performed in parallel in time.
  • Fig. 6 shows an example of a contiguous area 2 which is not square but rhomboid, i. has parallelogram-shaped portions T1, T2.
  • the length L of the subareas T1, T2 deviates in the example shown from the width B of the subareas, but it is also possible that the length L and the width B of the subregions T1, T2 match, so that they are diamond-shaped.
  • a respective first partial area T1 is irradiated in the manner described above in connection with FIG. 5b with two first processing beams 4a, 4b offset in the X direction.
  • a respective second partial region T2 is irradiated by means of two second processing beams 25a, 25b offset in the Y direction, specifically in the X 'direction, which corresponds to the direction of the long outer edge of the rhomboid partial regions T1, T2.
  • the movement of the second processing beams 25a, 25b over the second portions T2 is thus in a direction (X'-direction) that is not perpendicular to the direction (Y-direction) along which the first ones Processing beams 4a, 4b are moved over the first portions T1.
  • the distance between the first processing jets 4a, 4b is preferably as far as possible kept the same size as the distance between the second processing beams 25a, 25b. If an equal distance is not possible due to unequal side lengths of the partial regions T1, T2, the distances between the first processing beams 4a, 4b and second processing beams 25a, 25b are kept as similar as possible.

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Abstract

Ein Verfahren zum Erzeugen eines zusammenhängenden Flächenbereichs (2) eines dreidimensionalen Bauteils durch Bestrahlen einer Pulverschicht (3), umfassend: Aufteilen eines primären Bearbeitungsstrahls (4) auf mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen (4a, b), Führen der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen (4a, b) zu einer gemeinsamen Scannereinrichtung (5) zum Ausrichten der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen (4a, b) über denselben oder dieselben Scannerspiegel (6a, 6b) auf unterschiedliche Positionen (P1, P2) in einer Bearbeitungsebene (E) der Scannereinrichtung (5) mit dem zusammenhängenden Flächenbereich (2), wobei das Erzeugen des zusammenhängenden Flächenbereichs (2) umfasst: Simultanes Verändern der Positionen (P1, P2) der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen (4a, b) in einem Teilbereich oder in mindestens zwei unterschiedlichen Teilbereichen (T3, T4) des zusammenhängenden Flächenbereichs (2), bis die Pulverschicht (3) in dem Teilbereich oder in den mindestens zwei Teilbereichen (T3, T4) vollständig aufgeschmolzen ist, sowie simultanes Verändern der Positionen (P1, P2) der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen (4a, b) oder von mindestens zwei weiteren Bearbeitungsstrahlen in einem weiteren Teilbereich oder in mindestens zwei unterschiedlichen weiteren Teilbereichen (T5, T6) des zusammenhängenden Flächenbereichs (2), bis die Pulverschicht (3) in dem weiteren Teilbereich oder in den mindestens zwei weiteren Teilbereichen (T5, T6) vollständig aufgeschmolzen ist.

Description

Verfahren zum Erzeugen eines zusammenhängenden Flächenbereichs Bestrahlungseinrichtung und Bearbeitungsmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines
zusammenhängenden Flächenbereichs eines dreidimensionalen Bauteils durch Bestrahlen einer Pulverschicht mit mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen, insbesondere mittels mindestens zwei Laserstrahlen. Die Erfindung betrifft auch eine Bestrahlungseinrichtung für eine Bearbeitungsmaschine zum Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen durch Bestrahlen von Pulverschichten, umfassend: eine Strahlteilereinrichtung zur Aufteilung eines primären Bearbeitungsstrahls,
insbesondere eines Laserstrahls, auf mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen, insbesondere auf mindestens zwei Laserstrahlen, sowie eine Scannereinrichtung zum Ausrichten der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen auf unterschiedliche Positionen in einer Bearbeitungsebene der Scannereinrichtung, sowie eine
Bearbeitungsmaschine mit einer solchen Bestrahlungseinrichtung. Dreidimensionale Bauteile können durch so genannte generative
Fertigungsverfahren (auch als Additive-Manufacturing-Verfahren bezeichnet) hergestellt werden. Bei derartigen Verfahren wird das dreidimensionale Bauteil schichtweise bzw. lagenweise generiert. Beim so genannten selektiven
Laserschmelzen bzw. Lasersintern (auch als Laser Metal Fusion, LMF, bezeichnet) wird zu diesem Zweck ein Pulverwerkstoff lokal durch einen hochenergetischen Bearbeitungsstrahl, insbesondere einen Laserstrahl, aufgeschmolzen, um eine Schicht des dreidimensionalen Bauteils zu erzeugen. Der hochenergetische
Bearbeitungsstrahl, beispielsweise in Form des Laserstrahls, kann eine Leistung in der Größenordnung von mehreren hundert Watt aufweisen.
Zur Erhöhung der Effizienz bzw. der Aufbaurate bei der Herstellung von
dreidimensionalen Bauteilen ist es bekannt, zwei oder mehr Bearbeitungsstrahlen, insbesondere zwei oder mehr Laserstrahlen, zu verwenden, die von einer
entsprechenden Anzahl von Strahlquellen erzeugt werden und die über getrennte Scannereinrichtungen auf einen (gemeinsamen) Bearbeitungsbereich ausgerichtet werden. Bauraumbedingt lässt sich in einer Bearbeitungsmaschine bzw. in einer Bestrahlungseinrichtung nur eine begrenzte Anzahl von Stahlablenkeinrichtungen beispielsweise in Form von Scanner-Optiken unterbringen. Um dennoch eine möglichst effiziente (schnelle) Belichtung zu erreichen, kann ein (primärer)
Bearbeitungsstrahl mittels einer Strahlteilereinrichtung in zwei oder mehr
Bearbeitungsstrahlen aufgeteilt werden. In der WO 2015/191257 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum selektiven Laserschmelzen beschrieben, bei denen zur Erhöhung der Effizienz bei der
Herstellung von Bauteilen mehrere Laserstrahlen simultan verwendet werden. Bei dem Verfahren wird eine Mehrzahl von Laserstrahlen auf ein einziges Galvanometer gelenkt, um eine entsprechende Mehrzahl von dreidimensionalen Strukturen bzw. Bauteilen in einem Pulverbett zu erzeugen. Die Mehrzahl von Laserstrahlen kann erzeugt werden, indem ein primärer Laserstrahl in die Mehrzahl von Laserstrahlen aufgeteilt wird. Jeder einzelne der Mehrzahl von Laserstrahlen kann vor dem Lenken auf das Galvanometer automatisch dynamisch fokussiert werden. Zur effizienten Herstellung eines dreidimensionalen Bauteils ist es aus der WO 2016/128430 A1 bekannt, eine Bestrahlungseinrichtung mit einer
Strahlformungseinrichtung zur Formung des Strahlprofils des Laserstrahls zu verwenden, bei dem die Länge und/oder die Breite des Strahlprofils in dem
Bearbeitungsfeld verändert werden können. Die Strahlformungseinheit kann zur zusätzlichen Formung des Strahlprofils mindestens ein weiteres optisches Element aufweisen, das beispielsweise als diffraktives optisches Element ausgebildet sein kann. Das diffraktive optische Element kann dazu dienen, die Hochenergiestrahlen, die auf das Bearbeitungsfeld treffen, aus einem einzelnen Hochenergiestrahl zu erzeugen. Das weitere optische Element kann auch als keilförmiges optisches Element ausgebildet sein, welches nur einen Teil des Strahlprofils überdeckt, um einen oder mehrere Profilbereiche des Strahlprofils von anderen Profilbereichen des Strahlprofils räumlich zu separieren. Die EP 2 875 897 B1 beschreibt ein Verfahren zum Steuern eines
Bestrahlungssystems, das eine Mehrzahl von Bestrahlungseinheiten umfasst. Bei dem Verfahren werden beispielsweise schachbrettartige Bestrahlungsmuster oder linien- bzw. streifenförmige Bestrahlungsmuster zum Erzeugen eines
zusammenhängenden Flächenbereichs verwendet.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine Bestrahlungseinrichtung und eine Bearbeitungsmaschine mit einer solchen Bestrahlungseinrichtung anzugeben, mit denen eine effiziente Herstellung von zusammenhängenden Flächenbereichen eines dreidimensionalen Bauteils möglich ist.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, umfassend: Aufteilen eines primären Bearbeitungsstrahls auf die mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen, Führen der mindestens zwei
Bearbeitungsstrahlen zu einer gemeinsamen Scannereinrichtung zum Ausrichten der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen auf unterschiedliche Positionen in einer Bearbeitungsebene der Scannereinrichtung, in welcher der zusammenhängende Flächenbereich sich befindet, wobei das Erzeugen des zusammenhängenden Flächenbereichs, der für die Bestrahlung in eine Mehrzahl von bevorzugt rhomboiden (d.h. parallelogrammförmigen), insbesondere rautenförmigen, rechteckigen oder quadratischen Teilbereichen aufgeteilt ist, umfasst: Simultanes Verändern der Positionen der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen in einem Teilbereich oder in mindestens zwei unterschiedlichen Teilbereichen des zusammenhängenden
Flächenbereichs, bis die Pulverschicht in dem Teilbereich oder in den mindestens zwei Teilbereichen vollständig aufgeschmolzen ist, sowie simultanes Verändern der Positionen der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen oder von mindestens zwei weiteren Bearbeitungsstrahlen in einem weiteren Teilbereich oder in mindestens zwei unterschiedlichen weiteren Teilbereichen des zusammenhängenden
Flächenbereichs, bis die Pulverschicht in dem weiteren Teilbereich oder in den mindestens zwei weiteren Teilbereichen vollständig aufgeschmolzen ist.
Das Verfahren ermöglicht eine Geschwindigkeitssteigerung bei der Belichtung von vergleichsweise großen zusammenhängenden Flächen, indem die Leistung des primären Bearbeitungsstrahls auf die zwei oder mehr Bearbeitungsstrahlen aufgeteilt wird. Im Gegensatz zu dem in der WO 2015/191257 A1 beschriebenen Verfahren wird die Aufteilung auf mehrere Bearbeitungsstrahlen somit nicht dazu verwendet, mehrere identische, räumlich getrennte Bauteile herzustellen, sondern um einen zusammenhängenden Flächenbereich einer Schicht ein- und desselben Bauteils zu erzeugen.
Die zwei oder mehr Bearbeitungsstrahlen verlaufen annähernd parallel zueinander (typischerweise unter einem kleinen Winkel) und werden über dieselbe
Scannereinrichtung, d.h. über denselben bzw. dieselben (Scanner-)Spiegel, auf die Bearbeitungsebene ausgerichtet. Die (fokussierten) Bearbeitungsstrahlen treffen in der Bearbeitungsebene an unterschiedlichen (Fokus-)Positionen auf, wobei der
Abstand zwischen den (Fokus-)Positionen typischerweise vergleichsweise gering ist und beispielsweise bei weniger als ca. 1 ,0 mm liegen kann. Auch der Differenzwinkel zwischen den beiden an der Scannereinrichtung umgelenkten Bearbeitungsstrahlen ist typischerweise vergleichsweise gering und liegt in der Regel bei weniger als ca. 1 °.
Bei dem Verfahren wird ein zusammenhängender Flächenbereich des
dreidimensionalen Bauteils erzeugt bzw. belichtet, indem dieser (beispielsweise in einem vorausgehenden Verfahrensschritt) in eine Mehrzahl von Teilbereichen aufgeteilt wird. Die Mehrzahl von Teilbereichen bildet typischerweise eine
regelmäßige, rasterformige Anordnung, beispielsweise in der Art eines Schachbretts, welche den zusammenhängenden Flächenbereich überdeckt. Die Teilbereiche überlappen sich idealer Weise nicht und grenzen idealer Weise unmittelbar aneinander an. Da die Winkel, unter dem die Bearbeitungsstrahlen auf die
Pulverschicht treffen, in Abhängigkeit von der Position in dem Bearbeitungsbereich variieren, kann es ggf. zu einer (ungewollten) teilweisen Überlappung benachbarter Teilbereiche in einer Größenordnung in der Regel maximal ca. 10 % der jeweiligen Kantenlänge (Länge bzw. Breite) der Teilbereiche kommen.
Die Positionen der beiden Bearbeitungsstrahlen können in unterschiedlichen
Teilbereichen liegen, so dass durch die simultane Veränderung der Positionen der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen zwei oder mehr Teilbereiche gleichzeitig belichtet werden. Die Positionen der zwei oder mehr Bearbeitungsstrahlen können aber auch in ein- und demselben Teilbereich liegen, der aufgrund der Verwendung von zwei oder mehr Bearbeitungsstrahlen schneller aufgeschmolzen werden kann als bei der Verwendung eines einzelnen Bearbeitungsstrahls. Der bzw. die weiteren Teilbereiche, die nachfolgend oder - mit Hilfe von weiteren Bearbeitungsstrahlen - simultan belichtet werden, grenzen typischerweise nicht unmittelbar an den oder die in dem vorausgehenden Schritt belichteten Teilbereiche an, da dies für den
Wärmehaushalt des geschmolzenen Pulvermaterials nicht ideal ist. Daher kann zwischen den Schritten des Aufschmelzens des oder der Teilbereiche und des nachfolgenden Aufschmelzens des oder der weiteren Teilbereiche eine Veränderung der Ausrichtung der Bearbeitungsstrahlen in der Bearbeitungsebene mittels der Scannereinrichtung vorgenommen werden, bei welcher die Bearbeitungsstrahlen nicht aktiviert sind. Nach der Veränderung der Ausrichtung werden die
Bearbeitungsstrahlen erneut eingeschaltet, um den bzw. die weiteren Teilbereiche zu belichten. Bei einer Variante ist der zusammenhängende Flächenbereich von einer Randkontur einer Schicht des dreidimensionalen Bauteils umgeben, wobei die Randkontur und/oder ein zwischen der Randkontur und dem zusammenhängenden
Flächenbereich gebildeter Randbereich mit dem primären Bearbeitungsstrahl, insbesondere mit dem primären Laserstrahl, oder mit einem weiteren
Bearbeitungsstrahl, insbesondere mit einem weiteren Laserstrahl, bestrahlt wird. In der Regel stimmt die Randkontur der Schicht des herzustellenden dreidimensionalen Bauteils nicht mit der Randkontur des zusammenhängenden Flächenbereichs überein, so dass zwischen der Randkontur und dem zusammenhängenden
Flächenbereich ein Randbereich verbleibt. Der Randbereich weist typischerweise eine Geometrie bzw. eine Fläche auf, in die kein Teilbereich des
zusammenhängenden Flächenbereichs mehr hineinpasst. Der Randbereich wird daher typischerweise mit einem einzigen Bearbeitungsstrahl bestrahlt bzw.
aufgeschmolzen. Zu diesem Zweck kann der primäre Bearbeitungsstrahl verwendet werden, der in diesem Fall nicht in mehrere Bearbeitungsstrahlen aufgeteilt wird, oder es kann ein weiterer Bearbeitungsstrahl verwendet werden, der von einer weiteren Strahlquelle erzeugt wird und/oder der über eine weitere
Scannereinrichtung auf die Bearbeitungsebene ausgerichtet wird. Wird der primäre Bearbeitungsstrahl verwendet, ist es günstig, wenn eine möglichst dynamische, schnelle Umschaltung zwischen den mehreren Bearbeitungsstrahlen und dem primären Bearbeitungsstrahl erfolgen kann. Zu diesem Zweck kann eine
Strahlteilereinrichtung vorgesehen werden, die schnell in den Strahlengang des primären Bearbeitungsstrahls hinein und wieder aus diesem heraus bewegt werden kann. Die Verwendung eines einzigen, nicht aufgeteilten Bearbeitungsstrahls ist ebenfalls günstig, um die Randkontur der Schicht des zweidimensionalen Bauteils zu belichten.
Bei einer weiteren Variante sind die unterschiedlichen Positionen der
Bearbeitungsstrahlen in dem Teilbereich oder in den mindestens zwei Teilbereichen in der Bearbeitungsebene in einer ersten Richtung zueinander versetzt und das simultane Verändern der Positionen der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen in dem Teilbereich oder in den mindestens zwei Teilbereichen umfasst ein simultanes Bewegen der Bearbeitungsstrahlen in einer zweiten, bevorzugt zur ersten senkrechten Richtung in der Bearbeitungsebene. Die Außenkonturen der Teilbereiche verlaufen in diesem Fall typischerweise parallel zur ersten bzw. zur zweiten Richtung. Die Bearbeitungsstrahlen werden in diesem Fall typischerweise mit einer scannenden Bewegung in einer typischerweise geraden Linie entlang der Erstreckung bzw. der Breite des jeweiligen Teilbereichs in der zweiten Richtung bewegt. Am Rand des jeweiligen Teilbereichs erfolgt eine Bewegungsumkehr mit einem (geringfügigen) lateralen Versatz in der ersten Richtung, bevor die
Bearbeitungsstrahlen in der ersten Richtung gegenläufig über die gesamte Breite des jeweiligen Teilbereichs bewegt werden. Für den Fall, dass mehrere
Bearbeitungsstrahlen in ein- und demselben Teilbereich positioniert sind, kann es gegebenenfalls - d.h. bei geeigneter Dimensionierung des Teilbereichs - ausreichen, wenn die Bearbeitungsstrahlen nur ein einziges Mal in der zweiten Richtung über den Teilbereich bewegt werden, um diesen vollständig aufzuschmelzen. Bei einer weiteren Variante wird ein Gasstrom über die Pulverschicht geführt, dessen Strömungsrichtung bevorzugt zumindest teilweise der Bewegungsrichtung der Bearbeitungsstrahlen in der Bearbeitungsebene entgegen gerichtet ist und/oder bevorzugt erfolgt die Reihenfolge der Bestrahlung der Teilbereiche in Abhängigkeit vom Abstand der jeweiligen Teilbereiche in Strömungsrichtung von einer
Bereitstellungseinrichtung zur Bereitstellung des Gasstroms. Bei dem Gasstrom kann es sich beispielsweise um einen Schutzgasstrom handeln, um optische Bauteile der Bestrahlungseinrichtung, beispielsweise ein Fenster, vor Verunreinigungen, beispielsweise vor Rußpartikeln, zu schützen, die sich bei der Bestrahlung des Pulvermaterials bilden. Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Bewegung, genauer gesagt die Bewegungsrichtung, der Bearbeitungsstrahlen bei der Belichtung nicht mit der Strömungsrichtung des Schutzgasstroms übereinstimmt, da durch den Schutzgasstrom Rußpartikel abgetragen werden, die in diesem Fall direkt vor dem bzw. vor den Bearbeitungsstrahlen auf der bestrahlten Pulverschicht abgelegt und aufgeschweißt würden.
Um dieser Problematik zu begegnen, können die Teilbereiche in einer Reihenfolge bestrahlt werden, bei welcher der bzw. die in Strömungsrichtung des Gasstroms am weitesten von der Bereitstellungseinrichtung entfernt liegenden Teibereich(e) zuerst bestrahlt werden. Bevorzugt wird hierbei berücksichtigt, dass zwei direkt nebeneinander liegende Teilbereiche in der Regel nicht direkt nacheinander bestrahlt werden. Insbesondere nehmen die Bewegungsrichtungen der Bearbeitungsstrahlen in allen bestrahlten Teilbereichen in der Bearbeitungsebene den jeweils gleichen Winkel zur Strömungsrichtung des Gasstroms ein.
Für den Fall, dass die zweite Richtung, entlang derer die Belichtung erfolgt, parallel oder annähernd parallel zum Schutzgasstrom verläuft, kann die Bewegung der Bearbeitungsstrahlen entlang der zweiten Richtung, z.B. der Y-Richtung, nur mit einer Orientierung (positiver oder negativer Y-Richtung) erfolgen. Beispielsweise können für den Fall, dass die Strömungsrichtung des Schutzgasstroms in negativer Y-Richtung verläuft, die Bearbeitungsstrahlen nur in positiver Y-Richtung bewegt werden, wie dies beispielsweise in der WO 2014/125280 A1 im Detail beschrieben ist, welche durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird. Bei einer weiteren Variante weisen die Positionen der mindestens zwei
Bearbeitungsstrahlen in der ersten Richtung einen Abstand voneinander auf, der im Wesentlichen einem (typischerweise von Eins verschiedenen) ganzzahligen
Vielfachen der Erstreckung eines jeweiligen Teilbereichs in der ersten Richtung entspricht. Wie weiter oben beschrieben wurde, hat es sich als günstig erwiesen, wenn bei der Belichtung eines zusammenhängenden Flächenbereichs die
erforderliche Laserleistung in Form von in sich geschlossenen rhomboiden, beispielsweise rautenförmigen, quadratischen oder rechteckigen Teilbereichen eingebracht wird. Die parallele Belichtung von zwei unmittelbar benachbarten
Teilbereichen hat sich hinsichtlich des Wärmehaushalts der Schmelze zwar als eher ungünstig herausgestellt, ist aber in bestimmten Fällen ebenfalls möglich bzw.
sinnvoll. Für die parallele Bestrahlung von zwei Teilbereichen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zwischen den mit den zwei oder mehr
Bearbeitungsstrahlen simultan bestrahlten Teilbereichen eine Lücke von mindestens einem Teilbereich gebildet ist. Vor der Bestrahlung der weiteren Teilbereiche, welche die Lücken zwischen den bestrahlten Teilbereichen bilden, werden in der Regel weitere Teilbereiche des zusammenhängenden Flächenbereichs bestrahlt, die auch in der zweiten Richtung zu den bereits bestrahlten Teilbereichen versetzt sind.
Idealerweise entspricht der Abstand der Positionen der Bearbeitungsstrahlen voneinander exakt einem (von Eins verschiedenen) ganzzahligen Vielfachen, insbesondere einem geradzahligen ganzzahligen Vielfachen, beispielsweise genau zwei Mal oder genau vier Mal, ggf. aber auch einem nicht geradzahligen Vielfachen, beispielsweise drei Mal, fünf Mal ... der Erstreckung eines jeweiligen Teilbereichs. Wie weiter oben beschrieben wurde, kommt es abhängig von der Position der Bearbeitungsstrahlen in der Bearbeitungsebene in der ersten Richtung ggf. zu einer unerwünschten teilweisen Überlappung der Teilbereiche. Unter einem Abstand, der im Wesentlichen einem ganzzahligen Vielfachen der Erstreckung eines jeweiligen Teilbereichs in der ersten Richtung entspricht, wird im Sinne dieser Anmeldung ein Abstand verstanden, der um +/- 10 % von der Erstreckung (Kantenlänge) eines jeweiligen Teilbereichs in der ersten Richtung abweicht.
Die Geometrie bzw. die Fläche der jeweiligen Teilbereiche, welche den
zusammenhängenden Flächenbereich bilden, ist in der Regel gleich groß. Es ist aber auch möglich, dass der zusammenhängende Flächenbereich mehrere Arten von beispielsweise rechteckigen Teilbereichen aufweist, die sich in ihrem Flächeninhalt unterscheiden, beispielsweise in ihrer Breite und/oder in ihrer Länge. Die Längen und/oder die Breiten der jeweiligen Teilbereiche können in diesem Fall jeweils ein ganzzahliges Verhältnis zueinander aufweisen, so dass zwei oder mehr der
Teilbereiche sich zu einem größeren Teilbereich ergänzen. Die Verwendung von kleineren Teilbereichen kann insbesondere am Rand des zusammenhängenden Flächenbereichs vorteilhaft sein, um diesen möglichst gut an die umgebende
Randkontur anzupassen.
Bei einer weiteren Variante wird ein Differenzwinkel zwischen den mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen in der ersten Richtung beim Ausrichten der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen auf unterschiedliche Positionen in der Bearbeitungsebene, deren Abstand in der Bearbeitungsebene abhängig von einem Umlenkwinkel der Scannereinrichtung ortsabhängig variiert, derart gewählt, dass entweder benachbarte Teilbereiche in der Mitte des Bearbeitungsbereichs in der ersten Richtung
aneinander angrenzen oder benachbarte Teilbereiche am Rand des
Bearbeitungsbereichs in der ersten Richtung aneinander angrenzen. Um die beiden Bearbeitungsstrahlen auf unterschiedliche Positionen in der Bearbeitungsebene auszurichten, ist es erforderlich, dass diese unter einem (geringfügig)
unterschiedlichen Winkel aus der Scannereinrichtung austreten, der in einer Umlenkebene gemessen wird, die entlang der ersten Richtung verläuft.
In der Mitte des Bearbeitungsbereichs ist einer der Bearbeitungsstrahlen senkrecht zur Bearbeitungsebene ausgerichtet, was einem Umlenkwinkel von 0° entspricht. Am Rand des Bearbeitungsbereichs ist einer der Bearbeitungsstrahlen unter einem Ablenkwinkel von beispielsweise ca. 20° ausgerichtet, welcher dem maximal möglichen Umlenkwinkel durch die Scannereinrichtung entspricht. Bei der
Umlenkung von beispielsweise zwei Bearbeitungsstrahlen kommt es zu einer
Veränderung des Abstandes zwischen den (Fokus-)Positionen der beiden
Bearbeitungsstrahlen abhängig vom Umlenkwinkel und somit von den Positionen der Bearbeitungsstrahlen in der Bearbeitungsebene in der ersten Richtung. Der Abstand bzw. das Versatzmaß zwischen den (Fokus-)Positionen und somit zwischen den beiden simultan bestrahlten Teilbereichen wird umso größer, je weiter die
Bearbeitungsstrahlen in der Umlenkebene in Richtung des Randes des
Bearbeitungsbereichs verschwenkt werden. Bei einem festen Differenzwinkel zwischen den beiden Bearbeitungsstrahlen kann das Versatzmaß bzw. der Abstand zwischen den beiden Bearbeitungsstrahlen am Rand des Bearbeitungsbereichs derart eingestellt werden, dass sich zwei benachbarte Teilbereiche nach der
Belichtung berühren bzw. unmittelbar aneinander angrenzen. Beim Verschwenken nach innen steigt der Überlappfaktor zwischen benachbarten belichteten
Teilbereichen kontinuierlich an, d.h. zwei benachbarte Teilbereiche und auch die Einzelbahnen überlappen sich in der Mitte des Bearbeitungsbereichs stärker als am Rand des Bearbeitungsbereichs. Im Bestrahlungsprozess bedeutet dies eine
Reduzierung der Effektivität zur Mitte des Bearbeitungsbereichs hin, da der unter einem größeren Umlenkwinkel umgelenkte, nachlaufende Bearbeitungsstrahl ein Teil eines bereits belichteten Teilbereichs ein zweites Mal belichtet, d.h. dass die beiden Teilbereiche sich in der Mitte des Bearbeitungsbereichs teilweise (in der Regel um nicht mehr als ca. 10 % der jeweiligen Erstreckung der Teilbereiche) überlappen. Wie weiter oben dargestellt wurde, werden typischerweise zwei benachbarte Teilbereiche nicht simultan bestrahlt, vielmehr besteht zwischen den bestrahlten Teilbereichen eine Lücke von mindestens einem Teilbereich. Der Differenzwinkel wird daher typischerweise so gewählt, dass zwischen den beiden simultan bestrahlten
Teilbereichen eine entsprechende Lücke verbleibt, die in der Mitte des
Bearbeitungsbereichs genau der Breite eines (oder ggf. mehrerer) Teilbereiche entspricht.
Alternativ kann der Differenzwinkel derart eingestellt werden, dass sich in der Nulllage, d.h. in der Mitte des Bearbeitungsbereichs, kein lateraler Versatz zwischen in der ersten Richtung benachbarten Teilbereichen ergibt, d.h. dass diese in der Mitte des Bearbeitungsbereichs unmittelbar aneinander angrenzen. Dieser laterale Versatz bzw. Abstand nimmt beim Verschwenken der beiden Bearbeitungsstrahlen mit zunehmendem Umlenkwinkel zu und kann so gewählt werden, dass zwei
benachbarte Teilbereiche am Rand des Bearbeitungsbereichs geringfügig
voneinander beabstandet sind. Hierbei kann ausgenutzt werden, dass durch eine geeignete Online-Kalibrierung die tatsächlichen (Fokus-)Positionen der
Bearbeitungsstrahlen im gesamten Bearbeitungsbereich vermessen werden können und somit bekannt sind. Das variable Versatzmaß bzw. der Abstand zwischen jeweils zwei der belichteten Teilbereiche in der ersten Richtung am Rand bzw. in der Nähe des Randes des Bearbeitungsbereichs ist somit ebenfalls bekannt und kann parallel zur Erzeugung der Teilbereiche mit einem weiteren Bearbeitungsstrahl oder im Nachgang mit einem einzelnen Bearbeitungsstrahl, beispielsweise mit dem primären Bearbeitungsstrahl, belichtet bzw. ausgeglichen werden, um den
zusammenhängenden Flächenbereich zu bilden.
Gegebenenfalls kann der Differenzwinkel bzw. es können die Differenzwinkel zwischen den mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen, die zur Belichtung von unterschiedlichen Teilbereichen dienen, abhängig von den Umlenkwinkeln bzw. von der Lage der (Fokus-)Positionen in der ersten Richtung in dem Bearbeitungsbereich variiert werden. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine (schnelle)
Strahlteilereinrichtung zur Aufteilung des primären Bearbeitungsstrahls in die mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen verwendet werden, welche eine Einstellung des Differenzwinkels ermöglicht. Zu diesem Zweck kann die Strahlteilereinrichtung beispielsweise unterschiedlich ausgebildete Strahlteiler-Elemente aufweisen, die wahlweise in den Strahlengang des primären Bearbeitungsstrahls eingebracht werden können, beispielsweise Keilplatten mit unterschiedlichen Keilwinkeln (s.u.).
Alternativ zur Variation des Differenzwinkels kann ein bevorzugt telezentrisches F- Theta-Objektiv zur Fokussierung der Bearbeitungsstrahlen (sowie ggf. von weiteren Bearbeitungsstrahlen) in der Bearbeitungsebene verwendet werden. Bei der
Verwendung eines telezentrischen Objektivs sind die Bearbeitungsstrahlen stets senkrecht zur Bearbeitungsebene ausgerichtet, so dass nahezu keine ortsabhängige Variation des Abstandes der Bearbeitungsstrahlen in der Bearbeitungsebene auftritt.
Bei einer weiteren Variante sind die Positionen der Bearbeitungsstrahlen oder der weiteren Bearbeitungsstrahlen in dem weiteren Teilbereich oder in den mindestens zwei weiteren Teilbereichen in einer zweiten Richtung zueinander versetzt und das simultane Verändern der Positionen der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen oder der mindestens zwei weiteren Bearbeitungsstrahlen in dem weiteren Teilbereich oder in den mindestens zwei weiteren Teilbereichen umfasst ein simultanes Bewegen der Bearbeitungsstrahlen oder der weiteren Bearbeitungsstrahlen in einer ersten, bevorzugt zur zweiten senkrechten Richtung. Es kann günstig sein, wenn manche (erste) Teilbereiche entlang der ersten Richtung abgescannt werden, während weitere (zweite) Teilbereiche ggf. simultan entlang einer zweiten, zur ersten senkrechten Richtung abgescannt werden.
Bei einem zusammenhängenden Flächenbereich, der in der Art eines Schachbretts in rhomboide, beispielsweise rautenförmige, quadratische oder rechteckige
Teilbereiche eingeteilt ist, können beispielsweise die„weißen" Teilbereiche in der ersten Richtung abgescannt werden, während die„schwarzen" Teilbereiche in der zweiten Richtung abgescannt werden, oder umgekehrt. Zu diesem Zweck kann ein- und derselbe primäre Bearbeitungsstrahl mit Hilfe von zwei unterschiedlichen
Strahlteilereinrichtungen, die wahlweise in den Strahlengang eingebracht werden können, zunächst in der ersten Richtung und nachfolgend in der zweiten Richtung aufgeteilt werden. Gegebenenfalls kann zu diesem Zweck ein- und dieselbe
Strahlteilereinrichtung verwendet werden, die um eine Drehachse, die entlang der Strahlrichtung des primären Bearbeitungsstrahls verläuft, um 90° gedreht wird. Für die Aufteilung des primären Bearbeitungsstrahls bzw. des weiteren primären
Bearbeitungsstrahls auf mehrere Teilstrahlen kann beispielsweise eine
Strahlteilereinrichtung in Form eines diffraktiven optischen Elements verwendet werden.
Bei einer Weiterbildung umfasst das Verfahren zusätzlich: Aufteilen eines weiteren primären Bearbeitungsstrahls auf die mindestens zwei weiteren
Bearbeitungsstrahlen, sowie Führen der mindestens zwei weiteren
Bearbeitungsstrahlen zu einer weiteren gemeinsamen Scannereinrichtung zum Ausrichten der mindesten zwei weiteren Bearbeitungsstrahlen auf unterschiedliche Positionen in der Bearbeitungsebene. Für die Bestrahlung der weiteren Teilbereiche kann ein weiterer primärer Bearbeitungsstrahl verwendet werden, der auf zwei oder mehr, beispielsweise auf fünf oder mehr, weitere Bearbeitungsstrahlen aufgeteilt wird. Wie weiter oben dargestellt wurde, können die weiteren Bearbeitungsstrahlen zur Bestrahlung der„schwarzen" Teilbereiche verwendet werden, die in der zweiten Richtung abgescannt werden, während die Bearbeitungsstrahlen, in welche der primäre Bearbeitungsstrahl aufgeteilt wird, zur Bestrahlung der„weißen" Teilbereiche verwendet werden können, oder umgekehrt. Insbesondere hat es sich in diesem Fall als günstig erwiesen, wenn die zwei oder mehr Bearbeitungsstrahlen dazu
verwendet werden, simultan ein- und denselben Teilbereich zu bestrahlen, beispielsweise indem zwei oder mehr parallele Bearbeitungsstrahlen über die ganze Breite des jeweiligen Teilbereichs bewegt werden, bevor eine Richtungsumkehr stattfindet und die zwei oder mehr Bearbeitungsstrahlen gegenläufig bewegt werden.
Auch bei dieser Variante kann ein (nicht aufgeteilter) Bearbeitungsstrahl dazu verwendet werden, diejenigen Bereiche einer Schicht des dreidimensionalen Bauteils zu bearbeiten, die für die Bestrahlung durch die aufgeteilten Bearbeitungsstrahlen ungeeignet sind. Beispielsweise kann es sich hierbei um die (Rand-)Kontur(en) der Schicht des dreidimensionalen Bauteils oder um den Randbereich zwischen dem zusammenhängenden Flächenbereich und der Randkontur handeln bzw.
grundsätzlich um alle Bereiche, die zu schmal oder zu unförmig für die Bestrahlung mit zwei oder mehr parallel über die Bearbeitungsebene bewegten
Bearbeitungsstrahlen sind.
Bei einer weiteren Variante wird eine Fokuslagen-Korrektur zur Korrektur der Fokus- Positionen der Bearbeitungsstrahlen im Strahlengang des primären
Bearbeitungsstrahls vorgenommen. Die Fokus-Positionen der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen entlang ihrer jeweiligen Strahlrichtung sollten idealerweise in der Bearbeitungsebene liegen. Aufgrund der Umlenkung mit Hilfe der
Scannerspiegel (ohne Verwendung eines F-Theta-Objektivs) liegen die Fokus- Positionen der Bearbeitungsstrahlen bei der Verschwenkung des bzw. der Scannerspiegel auf einer Kugeloberfläche, d.h. nicht exakt in der
Bearbeitungsebene. Um die Variation der Fokus-Position (senkrecht zur
Bearbeitungsebene) über den Bearbeitungsbereich zu kompensieren, kann eine Fokuslagen-Korrektur vorgenommen werden, welche die sphärische Abweichung des Scannerfeldes beispielsweise durch schnelle Ausgleichs-Bewegungen einer im Strahlengang des primären Bearbeitungsstrahls angeordneten Linse korrigiert, die in Strahlrichtung des primären Bearbeitungsstrahls verschoben wird, was eine schnelle Fokuslagenverschiebung zur Folge hat. Die bewegbare bzw. verschiebbare Linse kann beispielsweise in eine Fokuslagen-Korrektureinrichtung bzw. -Optik angeordnet sein. Aufgrund des vergleichsweise geringen Differenzwinkels zwischen den
Bearbeitungsstrahlen ist es ausreichend, die Fokuslagen-Korrektur für den primären Bearbeitungsstrahl vorzunehmen, d.h. es kann auf eine individuelle Fokuslagen- Korrektur jedes einzelnen der Bearbeitungsstrahlen verzichtet werden.
Steuerungstechnisch kann für die Fokuslagen-Korrektur bzw. allgemein der
Schwerpunkt bzw. der Mittelwert aus den Positionen der Bearbeitungsstrahlen in der Bearbeitungsebene für die Bahnsteuerung verwendet werden, d.h. der Mittelwert wird als Bewegungsbahn des (primären) Bearbeitungsstrahls verwendet. Die
Steuerung kann in diesem Fall (im Wesentlichen) auf eine solche Weise erfolgen, als ob nur der primäre Bearbeitungsstrahl für die Bestrahlung verwendet würde.
Insbesondere kann die Schwerpunktbahn als Vorgabe für die Bestimmung der Fokuslagen-Korrektur verwendet werden. Die Erfindung betrifft auch eine Bestrahlungseinrichtung der eingangs genannten Art, die eine Steuerungseinrichtung, aufweist, die ausgebildet bzw. programmiert ist, die Positionen der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen in einem Teilbereich oder in mindestens zwei Teilbereichen eines zusammenhängenden Flächenbereichs, der für die Bestrahlung in eine Mehrzahl von bevorzugt rhomboiden, insbesondere rautenförmigen, rechteckigen oder quadratischen Teilbereichen aufgeteilt ist, simultan zu verändern, bis die Pulverschicht in dem Teilbereich oder in den mindestens zwei Teilbereichen vollständig aufgeschmolzen ist, und die ausgebildet ist, die Positionen der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen oder von mindestens zwei weiteren Bearbeitungsstrahlen in einem weiteren Teilbereich oder in mindestens zwei unterschiedlichen weiteren Teilbereichen des
zusammenhängenden Flächenbereichs simultan zu verändern, bis die Pulverschicht in dem weiteren Teilbereich oder in den mindestens zwei weiteren Teilbereichen vollständig aufgeschmolzen ist.
Die Steuerungseinrichtung ist somit ausgebildet bzw. programmiert, das weiter oben beschriebene Verfahren zur Erzeugung des zusammenhängenden Flächenbereichs auszuführen. Entsprechend kann die Steuerungseinrichtung auch ausgebildet bzw. programmiert sein, die weiter oben beschriebenen Varianten des Verfahrens auszuführen. Die Steuerungseinrichtung wirkt für die simultane Veränderung der Positionen der (weiteren) Bearbeitungsstrahlen auf die Scannereinrichtung, genauer gesagt auf den bzw. auf die beiden Scanner-Spiegel der Scannereinrichtung ein.
Bei einer Ausführungsform weist die Bestrahlungseinrichtung eine weitere
Strahlteilereinrichtung zur Aufteilung eines weiteren primären Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines weiteren Laserstrahls, auf mindestens zwei weitere
Bearbeitungsstrahlen, insbesondere auf mindestens zwei weiteren Laserstrahlen, sowie eine weitere Scannereinrichtung zum Ausrichten der mindestens zwei weiteren Bearbeitungsstrahlen auf unterschiedliche Positionen in der Bearbeitungsebene auf.
Die Bestrahlungseinrichtung kann beispielsweise zwei identisch aufgebaute
Scannereinrichtungen aufweisen, die so angeordnet sind, dass deren Scanbereiche bzw. deren Bearbeitungsfelder sich in der Bearbeitungsebene überlappen. Mittels der weiteren Bearbeitungsstrahlen können beispielsweise auf die weiter oben beschriebene Weise die„schwarzen" oder die„weißen" Teilbereiche eines
schachbrettartigen zusammenhängenden Flächenbereichs bestrahlt werden. Wie weiter oben beschrieben wurde, muss ein solcher schachbrettartiger Flächenbereich nicht zwingend quadratische Teilbereiche aufweisen, sondern kann beispielsweise rhomboide, insbesondere rautenförmige, rechteckige oder quadratische Teilbereiche aufweisen. Insbesondere kann die weitere Strahlteilereinrichtung ausgebildet sein, den weiteren primären Bearbeitungsstrahl in der zweiten Richtung aufzuteilen, so dass die weiteren Bearbeitungsstrahlen auf in der zweiten Richtung unterschiedliche Positionen in der Bearbeitungsebene ausgerichtet werden, während die
Strahlteilereinrichtung ausgebildet ist, den primären Bearbeitungsstrahl in einer ersten Richtung aufzuteilen, so dass die Bearbeitungsstrahlen auf unterschiedliche Positionen in der ersten, bevorzugt zur zweiten senkrechten Richtung ausgerichtet werden. Bei einer Ausführungsform ist die Strahlteilereinrichtung zur Aufteilung des primären Bearbeitungsstrahls auf die mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen durch Aufteilen eines Strahlquerschnitts des primären Bearbeitungsstrahls ausgebildet. In diesem Fall erfolgt die Strahlteilung somit nicht durch einen Polarisations-Strahlteiler, bei dem in der Regel der gesamte Strahlquerschnitt in zwei zueinander senkrechte Polarisationsanteile aufgeteilt wird. Die Aufteilung des primären Bearbeitungsstrahls auf die mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen hat sich insbesondere im kollimierten Strahlengang des primären Bearbeitungsstrahls als vorteilhaft erwiesen, so dass die Strahlteilereinrichtung bevorzugt im kollimierten Strahlengang des primären
Bearbeitungsstrahls angeordnet ist. Für die Aufteilung des Strahlquerschnitts ist es günstig, wenn die durch das Aufteilen erzeugten Bearbeitungsstrahlen jeweils unter einem Winkel zueinander ausgerichtet werden, der bei der Umlenkung der
Bearbeitungsstrahlen an der Scannereinrichtung typischerweise erhalten bleibt. Es ist alternativ oder zusätzlich auch möglich, die Bearbeitungsstrahlen bei der
Aufteilung an der Strahlteilereinrichtung lateral zueinander zu versetzen.
Bei einer Weiterbildung ist die Strahlteilereinrichtung zur Aufteilung des primären Bearbeitungsstrahls durch Umlenkung mindestens eines Teilbereichs des
Strahlquerschnitts des primären Bearbeitungsstrahls (bevorzugt unter einem
Differenzkwinkel zur Strahlrichtung des primären Bearbeitungsstrahls) ausgebildet. Die Strahlteilereinrichtung kann in diesem Fall beispielsweise dazu dienen, die Hälfte des Strahlquerschnitts - und damit die Hälfte der Leistung - des Bearbeitungsstrahls umzulenken, indem die Strahlteilereinrichtung nur eine Hälfte des Strahlprofils überdeckt. Bei einer Weiterbildung ist die Strahlteilereinrichtung als für den primären
Bearbeitungsstrahl transparente Keilplatte ausgebildet. Die Keilplatte kann zur Umlenkung eines Teilbereichs des Strahlquerschnitts unter einem Differenzkwinkel dienen, der in der Regel bis zur Bearbeitungsebene beibehalten wird. Durch den Keilwinkel der Keilplatte wird bei gegebener Brechzahl des transparenten Materials der Keilplatte, z.B. Quarzglas, der Differenzwinkel festgelegt. Der Keilwinkel kann insbesondere so festgelegt werden, dass der Abstand der Positionen der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen in der Bearbeitungsebene einem ganzzahligen Vielfachen der Kantenlänge eines bestrahlten Teilbereichs entspricht. Bevorzugt wird der Keilwinkel so festgelegt, dass der Abstand zwischen den Positionen dem Doppelten oder dem Dreifachen der Kantenlänge eines jeweiligen Teilbereichs in der ersten Richtung entspricht, so dass bei der Bestrahlung eine Lücke von einem oder von zwei Teilbereichen zwischen den simultan bestrahlten Teilbereichen verbleibt. Die Keilplatte wird idealerweise im kollimierten Strahlengang des primären
Bearbeitungsstrahls nach einer ggf. erfolgenden Aufweitung und vor der
Fokussierung angeordnet, d.h. die Fokussierung erfolgt nicht am primären
Bearbeitungsstrahl, sondern an den mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen nach der Aufteilung. Bei einer weiteren, alternativen Weiterbildung ist die Strahlteilereinrichtung als diffraktives optisches Element ausgebildet, beispielsweise als Beugungsgitter oder dergleichen. Das diffraktive optische Element kann insbesondere dazu dienen, den primären Bearbeitungsstrahl in mehrere Bearbeitungsstrahlen aufzuteilen, die idealer Weise identische Eigenschaften aufweisen und sich lediglich in den jeweiligen Winkeln unterscheiden, unter denen diese auf die Scannereinrichtung auftreffen. Aus einem primären Laserstrahl, der z.B. 500 W Leistung und einen Fokus-Durchmesser in der Bearbeitungsebene von ca. 100 μιτι aufweist, kann das diffraktive optische Element beispielsweise fünf Laserstrahlen erzeugen, die eine Leistung von jeweils 100 W und einen Durchmesser von ebenfalls 100 μιτι aufweisen. Werden die fünf Bearbeitungsstrahlen nebeneinander und parallel innerhalb eines bestrahlten
Teilbereichs bewegt, wird ein Streifen bzw. eine Fläche mit einer Breite von ca. 500 μιτι aufgeschmolzen. Auf diese Weise lässt sich in gleicher Zeit fünf Mal so viel Material aufschmelzen als mit dem primären Bearbeitungsstrahl, der lediglich einen Durchmesser von 100 μιτι aufweist.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Bestrahlungseinrichtung eine Bewegungseinrichtung zur zumindest teilweisen Bewegung der
Strahlteilereinrichtung in den Strahlquerschnitt des primären Bearbeitungsstrahls hinein und aus dem Strahlquerschnitt des primären Bearbeitungsstrahls heraus. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann die Keilplatte so in den Strahlengang des primären Bearbeitungsstrahls eingebracht werden, dass diese nur den halben Strahlquerschnitt überdeckt. Für das schnelle Bewegen der Keilplatte in den
Strahlengang hinein und aus diesem heraus kann die Bewegungseinrichtung insbesondere eine Dreh- bzw. eine Schwenkbewegung der Keilplatte um eine Drehachse ausführen. Die Bewegungseinrichtung kann zu diesem Zweck
beispielsweise als schnelle so genannte Keilweiche ausgebildet sein, wie sie zur Einkopplung in eine 2 in 1 -Faser verwendet wird. Die Bewegungseinrichtung kann ausgebildet sein, ein jeweiliges diffraktives optisches Element mit einer linearen Bewegung und/oder mit einer Drehbewegung in den Strahlengang des primären Bearbeitungsstrahls hinein und aus diesem heraus zu bewegen. Für die Steuerung der Bewegungseinrichtung kann ebenfalls die weiter oben beschriebene
Steuerungseinrichtung verwendet werden. Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Bestrahlungseinrichtung eine
Fokuslagen-Korrektureinrichtung zur Korrektur der Fokus-Positionen der
Bearbeitungsstrahlen auf, die im Strahlengang des primären Bearbeitungsstrahls angeordnet ist. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann aufgrund des bzw. der vergleichsweise geringen Differenzwinkel der Bearbeitungsstrahlen die von der Position in der Bearbeitungsebene abhängige Fokuslagen-Korrektur im primären Bearbeitungsstrahl durchgeführt werden. Als Fokuslagen-Korrektureinrichtung kann beispielsweise eine so genannte varioSCAN-Fokussiereinrichtung dienen, wie sie von der Fa. Scanlab GmbH angeboten wird. Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Bestrahlungseinrichtung ein bevorzugt telezentrisches F-Theta-Objektiv zur Fokussierung der Bearbeitungsstrahlen in der Bearbeitungsebene auf. Bei einem F-Theta-Objektiv handelt es sich um eine spezielle Art von Objektiv, das für Scanner-Anwendungen verwendet wird. Ein F- Theta-Objektiv erzeugt im Gegensatz zu einem abbildenden (Kamera-)Objektiv eine gewollte linienförmige Verzeichnung, um die F-Theta-Bedingung f * θ = X zu erfüllen, wobei X den Abstand von der Mitte des Bearbeitungsfeldes in der
Bearbeitungsebene, f die Brennweite des F-Theta-Objektivs und Θ den Winkel bezeichnen, unter dem der jeweilige Bearbeitungsstrahl in der Eintrittspupillenebene des F-Theta-Objektivs zur optischen Achse des F-Theta-Objektivs ausgerichtet ist. Durch das F-Theta-Objektiv kann die ortsabhängige Variation des Abstands der Bearbeitungsstrahlen in der Bearbeitungsebene, die vom Umlenkwinkel der
Scannereinrichtung abhängig ist, reduziert werden. Bei der Verwendung eines telezentrischen F-Theta-Objektivs bzw. allgemein eines telezentrischen Objektivs treffen die Bearbeitungsstrahlen (im Wesentlichen) unabhängig vom Umlenkwinkel und somit unabhängig vom Ort im Bearbeitungsfeld stets senkrecht auf das
Bearbeitungsfeld, so dass praktisch keine ortsabhängige Variation des Abstandes zwischen den Bearbeitungsstrahlen in der Bearbeitungsebene mehr auftritt. Es versteht sich, dass die weiter oben beschriebene Bestrahlungseinrichtung bzw. eine Bearbeitungsmaschine, welche die Bestrahlungseinrichtung umfasst,
mindestens eine Strahlquelle, insbesondere mindestens eine Laserquelle, zur Erzeugung des mindestens einen primären Bearbeitungsstrahls bzw. des primären Laserstrahls aufweisen kann. Insbesondere können Laserquellen verwendet werden, die eine Leistung im Bereich von mehr als 100 W aufweisen.
Ein weiterer Aspekt betrifft eine Bearbeitungsmaschine zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen durch Bestrahlen von Pulverschichten, umfassend: eine Bestrahlungseinrichtung, wie sie weiter oben beschrieben ist, sowie eine
Bearbeitungskammer mit einer Bearbeitungsebene, in der die zu bestrahlende
Pulverschicht anordenbar ist. Die Bearbeitungsmaschine kann beispielsweise wie in der EP 3 023 228 A1 beschrieben ist ausgebildet sein, welche durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird. In der
Bearbeitungskammer wird ein Fertigungsraum bereitgestellt, in dem auf der Höhe der Bearbeitungsebene typischerweise eine Arbeitsfläche angeordnet ist. Der
Bearbeitungsbereich der Bestrahlungseinrichtung ist in einem Teil der Arbeitsfläche gebildet, in dem ein Bauplattformbereich zur Bereitstellung eines Pulverbetts vorgesehen ist, dessen oberste Pulverschicht in der Bearbeitungsebene liegt. Für die Bereitstellung des Pulvers kann in der Bearbeitungskammer ein Pulverreservoir- Bereich mit einem Pulvervorratsbehälter vorgesehen sein. Eine in der
Bearbeitungskammer angeordnete Schiebevorrichtung kann zur Überführung des Pulvers von dem Pulvervorratsbehälter in den Bauplattformbereich dienen.
Bei einer Ausführungsform weist die Bearbeitungsmaschine eine Bereitstellungseinrichtung zum Bereitstellen eines Gasstroms auf, der in einem zur Bereitstellung eines Pulverbetts vorgesehenen Bauplattformbereich über die
Bearbeitungsebene strömt, und dessen Strömungsrichtung bevorzugt zumindest teilweise der Bewegungsrichtung der Bearbeitungsstrahlen entgegen gerichtet ist und/oder bei der der Steuerungseinrichtung ausgebildet ist, die Reihenfolge der Bestrahlung der Teilbereiche in Abhängigkeit vom Abstand der jeweiligen
Teilbereiche in Strömungsrichtung von einer Bereitstellungseinrichtung zur
Bereitstellung des Gasstroms festzulegen. Der Gasstrom kann wie in der oben zitierten EP 3 023 228 A1 zum Entfernen von Rauch aus der Bearbeitungskammer dienen. Das zur Bereitstellung des Gasstroms verwendete Gassystem kann beispielsweise wie in der EP 3 023 228 A1 beschrieben ist ausgebildet sein. Um sicherzustellen, dass die Bewegung der Bearbeitungsstrahlen zumindest teilweise der Strömungsrichtung des Gasstroms entgegen gerichtet ist, kann die Bestrahlung beispielsweise auf die in der WO 2014/125280 A1 beschriebene Weise erfolgen, auch wenn dies die Bestrahlung verlangsamt.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 a eine schematische Darstellung einer Bestrahlungseinrichtung mit einer
Strahlteilereinrichtung zur Aufteilung eines primären Bearbeitungsstrahls in zwei Bearbeitungsstrahlen, die auf unterschiedliche Positionen in einer Bearbeitungsebene ausgerichtet werden,
Fig. 1 b ein Detail der Strahlteilereinrichtung in Form einer Keilplatte zur
Umlenkung der Hälfte des Strahlquerschnitts des primären
Bearbeitungsstrahls, eine schematische Darstellung einer Bearbeitungsmaschine zum
Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen durch Bestrahlen von Pulverschichten mit der Bestrahlungseinrichtung gemäß Fig. 1 a, Fig. 3a, b schematische Darstellungen von Teilbereichen eines
zusammenhängenden Flächenbereichs in der Mitte und am Rand eines Bearbeitungsbereichs einer Scannereinrichtung, eine schematische Darstellung einer Bearbeitungsmaschine mit einer Bestrahlungseinrichtung mit drei Strahlquellen,
Fig. 5a, b schematische Darstellungen der Bestrahlung eines kreisförmigen
Flächenbereichs einer Schicht eines dreidimensionalen Bauteils mit der Bearbeitungsmaschine von Fig. 4, sowie
Fig. 6 eine schematische Darstellung der Bestrahlung eines
zusammenhängenden Flächenbereichs mit einer Mehrzahl von rhomboiden Teilbereichen. Fig. 1a zeigt eine Bestrahlungseinrichtung 1 für eine in Fig. 1 a nicht dargestellte Bearbeitungsmaschine. Die Bestrahlungseinrichtung 1 dient zum Bestrahlen eines zusammenhängenden Flächenbereichs 2 einer Pulverschicht 3, der im gezeigten Beispiel rechteckig ausgebildet ist. Für die Bestrahlung wird der
Bestrahlungseinrichtung 1 von einer in Fig. 1 nicht bildlich dargestellten Strahlquelle in Form einer Laserquelle ein primärer Bearbeitungsstrahl 4 in Form eines
Laserstrahls zugeführt. Die Bestrahlungseinrichtung 1 weist eine Scannereinrichtung 5 mit zwei drehbaren Scanner-Spiegeln 6a, 6b (Galvano-Spiegeln) auf, die zur Umlenkung des primären Bearbeitungsstrahls 4 bzw. von zwei Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b dienen, in die der Bearbeitungsstrahl 4 an einer Strahlteilereinrichtung in Form einer transparenten Keilplatte 7 aufgeteilt wird. Die Keilplatte 7 kann mit Hilfe einer Bewegungseinrichtung 8 in den im gezeigten Beispiel kreisförmigen Strahlquerschnitt A des primären Bearbeitungsstrahls 4 hinein und auch wieder aus dem
Strahlquerschnitt A des primären Bearbeitungsstrahls 4 heraus bewegt werden. Bei dem in Fig. 1 a gezeigten Beispiel wird die Keilplatte 7 nur teilweise in den Strahlquerschnitt A des primären Bearbeitungsstrahls 4 hinein bewegt, und zwar bis diese die Hälfte A / 2 des Strahlquerschnitts A überdeckt, wie dies in Fig. 1 b zu erkennen ist. Auf diese Weise wird die Leistung des primären Bearbeitungsstrahls 4 zu gleichen Teilen auf die beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b aufgeteilt.
Die Keilplatte 7 weist einen Keilwinkel γ auf, der bewirkt, dass der zweite
Bearbeitungsstrahl 4b gegenüber dem ersten Bearbeitungsstrahl 4a (und gegenüber dem primären Bearbeitungsstrahl 4) unter einem Differenzwinkel δ umgelenkt wird. Der Differenzwinkel δ hängt in einer für den Fachmann bekannten Weise vom Keilwinkel γ und vom Brechungsindex des Materials der Keilplatte 7 ab. Der
Differenzwinkel δ wird bei der zweifachen Umlenkung bzw. Reflexion der
Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b an den beiden Scanner-Spiegeln 6a, 6b der
Scannereinrichtung 5 beibehalten, so dass die beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b an unterschiedlichen Positionen P1 , P2 in dem zusammenhängenden
Flächenbereich 2 auf die Pulverschicht 3 treffen. Im gezeigten Beispiel verläuft der Differenzwinkel δ in der XZ-Ebene eines XYZ-Koordinatensystems, d.h. die beiden Positionen P1 , P2 der beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b sind in einer ersten Richtung, die nachfolgend als X-Richtung bezeichnet wird, in einem Abstand 2 L voneinander beabstandet. Der Abstand 2 L der Positionen P1 , P2 der beiden
Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b auf der Pulverschicht 3 hängt neben dem
Differenzwinkel δ auch vom (bekannten) Abstand der Bearbeitungsebene E von der Bestrahlungseinrichtung 1 bzw. von der Scannereinrichtung 5 ab. Die
Bearbeitungsebene E liegt im gezeigten Beispiel in der XY-Ebene des XYZ- Koordinatensystems.
Die Bewegungseinrichtung 8 ist im gezeigten Beispiel zur Drehung der Keilplatte 7 um eine parallel zur Strahlrichtung des primären Bearbeitungsstrahls 4 verlaufende Drehachse ausgebildet. Es hat sich herausgestellt, dass mit Hilfe einer
Drehbewegung die Keilplatte 7 besonders schnell in den Strahlquerschnitt A des primären Bearbeitungsstrahls 4 hinein und wieder aus diesem heraus bewegt werden kann. Dies ist vorteilhaft, um ein möglichst schnelles Umschalten zwischen einer Bestrahlung der Pulverschicht 3 mit dem primären Bearbeitungsstrahl 4 und einer Bestrahlung der Pulverschicht 3 mit den beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b zu ermöglichen. Wie in Fig. 1 a ebenfalls zu erkennen ist, ist im Strahlengang der beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b nach der Strahlteilereinrichtung 7 eine (statische) Fokussiereinrichtung 9 in Form einer Fokussierlinse angeordnet, um die
Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b in der Bearbeitungsebene E zu fokussieren. Im
Strahlengang des primären Bearbeitungsstrahls 4 ist eine Fokuslagen- Korrektureinrichtung 10 angeordnet, die zur (dynamischen) Korrektur der Fokus- Positionen F1 , F2 der beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b (in Strahlrichtung) dient, um sicherzustellen, dass die Fokus-Positionen F1 , F2 wie in Fig. 1 a dargestellt ist in der Bearbeitungsebene E liegen. Die Fokuslagen-Korrektureinrichtung 10 ist erforderlich, da die von der Fokussierlinse 9 fokussierten und von der
Scannereinrichtung 5 umgelenkten Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b in einer Kugelschale und nicht wie gewünscht in der Bearbeitungsebene E fokussiert würden. Die
Fokuslagen-Korrektureinrichtung 10 ist im primären Bearbeitungsstrahl 4
angeordnet, da die Positionen P1 , P2 der Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b in der
Bearbeitungsebene E einen vergleichsweise geringen Abstand 2 L aufweisen, der typischerweise bei weniger als ca. 1 ,0 mm liegt, so dass auf eine individuelle
Fokuslagen-Korrektur der beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b verzichtet werden kann. Als Fokuslagen-Korrektureinrichtung 10 kann beispielsweise eine so genannte varioSCAN-Fokussiereinrichtung dienen, wie sie von der Fa. Scanlab GmbH vertrieben wird.
Der in Fig. 1 a gezeigte zusammenhängende Flächenbereich 2 ist von einer
Randkontur 1 1 umgeben, die der Außenkontur einer Schicht des dreidimensionalen Bauteils entspricht, die bei der Bestrahlung der Pulverschicht 3 erzeugt werden soll. Zur Herstellung des dreidimensionalen Bauteils soll die gesamte Fläche innerhalb der Randkontur 1 1 bestrahlt werden. Die Fläche innerhalb der Randkontur 1 1 ist im gezeigten Beispiel in den zusammenhängenden Flächenbereich 2 aufgeteilt, welcher mit Hilfe der beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b bestrahlt wird, sowie in einen Randbereich 12, der zwischen dem zusammenhängenden Flächenbereich 2 und der Randkontur 1 1 gebildet ist. Der zusammenhängende Flächenbereich 2 wird mittels der beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b simultan bestrahlt, wie weiter unten näher beschrieben ist. Der Randbereich 12 sowie die Randkontur 1 1 werden hingegen mit dem primären Bearbeitungsstrahl 4 bestrahlt, wozu die Strahlteilereinrichtung 7 mit Hilfe der Bewegungseinrichtung 8 aus dem Strahlengang des primären Bearbeitungsstrahls 4 entfernt wird.
Der im gezeigten Beispiel rechteckige zusammenhängende Flächenbereich 2 wird für die Bestrahlung in eine Mehrzahl von quadratischen Teilbereichen aufgeteilt, und zwar in insgesamt acht Teilbereiche in Längsrichtung (X-Richtung) und in drei Teilbereiche in Querrichtung (Y-Richtung) des zusammenhängenden
Flächenbereichs 2, von denen sechs Teilbereiche T1 bis T6 in Fig. 1 a dargestellt sind. Die Teilbereiche T1 , T2, ... weisen eine Länge L in X-Richtung auf, die beispielsweise 1 ,0 mm betragen kann, und eine identische Länge in Y-Richtung. Anders als in Fig. 1 a dargestellt ist, können die Teilbereiche T1 , T2, ... eine andere, z.B. rechteckige Geometrie aufweisen. Es ist auch möglich, dass die Teilbereiche T1 , T2, ... eine andere, z.B. rhomboide, rautenförmige oder eine grundsätzlich beliebige Geometrie aufweisen, sofern diese in einer regelmäßigen Anordnung in der Art eines Gitters bzw. einer Matrix angeordnet sind.
Wie in Fig. 1 a ebenfalls zu erkennen ist, werden die beiden in X-Richtung in der Bearbeitungsebene E zueinander versetzten Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b dazu verwendet, um simultan zwei quadratische Teilbereiche T3, T4 des
zusammenhängenden Flächenbereichs 2 zu bestrahlen, zwischen denen eine Lücke gebildet ist, der genau die Größe eines Teilbereichs T1 bis T6 aufweist. Wie weiter oben beschrieben wurde, weisen die Positionen P1 , P2 der beiden
Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b in der Bearbeitungsebene E einen Abstand 2 L zueinander auf, d.h. einen Abstand, der dem Zweifachen der Länge L eines jeweiligen Teilbereichs T1 bis T6 entspricht. Die simultane Bestrahlung von zwei Teilbereichen T3, T4, die nicht unmittelbar benachbart angeordnet sind, hat sich hinsichtlich des Wärmehaushalts der Schmelze der Pulverschicht 3 als vorteilhaft herausgestellt. Anders als in Fig. 1 a dargestellt ist, kann der Abstand zwischen den beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b in X-Richtung einem anderen ganzzahligen Vielfachen, beispielsweise dem Vierfachen, der Länge L eines jeweiligen
Teilbereichs T1 bis T6 entsprechen. Die Anzahl der Teilbereiche, in die der zusammenhängende Flächenbereich 2 in der X-Richtung eingeteilt wird, sollte durch das ganzzahlige Vielfache der Länge L eines jeweiligen Teilbereichs T1 bis T6 teilbar sein. Dies ist in der Regel möglich, da die Länge L der Teilbereiche T1 bis T6 in gewissen Grenzen frei gewählt werden kann.
Für die Bestrahlung der beiden Teilbereiche T3, T4 werden die Positionen P1 , P2 der beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b in der Bearbeitungsebene E simultan mit Hilfe der Scannereinrichtung 5 verändert, bis die Pulverschicht 3 in den beiden
Teilbereichen T3, T4 vollständig aufgeschmolzen ist. Im gezeigten Beispiel werden beim simultanen Verändern der Positionen P1 , P2 der beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b die beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b in einer scannenden Bewegung über die gesamte Kantenlänge L der Teilbereiche T3, T4 in Y-Richtung bewegt. Am Rand des jeweiligen Teilbereichs T3, T4 erfolgt eine Bewegungsumkehr, bei der die beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b geringfügig in X-Richtung versetzt werden, um eine benachbarte Bahn bzw. Spur in Y-Richtung in einer scannenden Bewegung abzufahren. Anschließend erfolgt eine erneute Bewegungsumkehr der beiden
Bearbeitungsstrahlen in X-Richtung. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis die beiden Teilbereiche T3, T4 vollständig, d.h. über deren gesamte Fläche,
aufgeschmolzen sind.
Nach dem Bestrahlen des dritten und vierten Teilbereichs T3, T4 werden mittels der beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b zwei weitere Teilbereiche, nämlich der fünfte und sechste Teilbereich T5, T6 bestrahlt. Zu diesem Zweck werden die beiden
Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b zunächst in dem fünften und sechsten Teilbereich T5, T6 bewegt, d.h. deren Positionen P1 , P2 in der Bearbeitungsebene E werden geeignet verändert. Bei der Neu-Positionierung der beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b werden diese typischerweise abgeschaltet, indem eine in Fig. 1 a nicht
dargestellte Strahlquelle kurzzeitig deaktiviert wird. Gegebenenfalls können die
Positionen P1 , P2 der beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b am Ende der Bestrahlung des dritten und vierten Teilbereichs T3, T4 so gewählt werden, dass diese in einer Ecke des dritten bzw. des vierten Teilbereichs T3, T4 positioniert sind, die auch eine Ecke des fünften und des sechsten Teilbereichs T5, T6 bildet. In diesem Fall kann die Bestrahlung des fünften und sechsten Teilbereichs T5, T6 sich unmittelbar an die Bestrahlung des dritten und vierten Teilbereichs T3, T4 anschließen. Die Bestrahlung des fünften und sechsten Teilbereichs T5, T6 erfolgt wie oben beschrieben, d.h. durch simultanes Verändern der Positionen P1 , P2 der beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b in dem fünften und sechsten Teilbereich T5, T6, bis diese vollständig aufgeschmolzen sind. Entsprechend werden auch die übrigen Teilbereiche des zusammenhängenden Flächenbereichs 2 bestrahlt, beispielsweise der erste und der zweite in Fig. 1 a dargestellte Teilbereich T1 , T2, bis der gesamte
zusammenhängende Flächenbereich 2 bestrahlt ist.
Gegebenenfalls können diejenigen Teilbereiche, welche in dem
zusammenhängenden Flächenbereich 2 die Lücken zwischen dem ersten und dem zweiten Teilbereich T1 , T2, dem dritten und dem vierten Teilbereich T4, T5, dem fünften und dem sechsten Teilbereich T5, T6 etc. bilden, mit Hilfe der beiden
Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b bearbeitet werden, indem diese in Y-Richtung und nicht in X-Richtung simultan bewegt werden. Zu diesem Zweck kann die
Bestrahlungseinrichtung 1 eine weitere Strahlteilereinrichtung aufweisen,
beispielsweise in Form einer weiteren, um 90° gedrehten Keilplatte, um den primären Bearbeitungsstrahl 4 in zwei Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b aufzuteilen, deren
Positionen P1 , P2 in der Bearbeitungsebene E in Y-Richtung versetzt sind.
In einem nachfolgenden oder vorausgehenden Schritt können der Randbereich 12 sowie die Randkontur 1 1 mit dem primären Bearbeitungsstrahl 4 bestrahlt werden, um die innerhalb der Randkontur 1 1 befindliche Fläche vollständig zu bestrahlen. Die Koordination der Bewegungen der Scanner-Spiegel 6a, 6b sowie der
Strahlteilereinrichtung 7 erfolgt bei dem gezeigten Beispiel mittels einer in Fig. 2 dargestellten Steuerungseinrichtung 14 der Bestrahlungseinrichtung 1 .
Die Orientierung der X-Richtung und der Y-Richtung in der Bearbeitungsebene E ist grundsätzlich beliebig. Im gezeigten Beispiel stimmt die positive Y-Richtung mit der Strömungsrichtung eines Schutzgasstroms 13 überein, der über die Pulverschicht 3 geführt wird. Der Schutzgasstrom 13 wird in einer Bearbeitungskammer 16 einer in Fig. 2 dargestellten Bearbeitungsmaschine 15 über die Pulverschicht 3 geführt, welche die oberste Schicht eines Pulverbetts 19 bildet, in dem ein dreidimensionales Bauteil 20, genauer gesagt die bereits hergestellten Schichten des
dreidimensionalen Bauteils 20 eingebettet sind. Das Pulverbett 19 ist in einem Bauplattformbereich 17 gebildet, der eine beispielsweise zylindrische Bauplattform mit einem Stempel aufweist, an deren Oberseite die Bearbeitungsebene E gebildet ist, die von der Bestrahlungseinrichtung 1 auf die weiter oben beschriebene Weise bestrahlt wird. Die Bearbeitungsmaschine 15 weist auch eine Strahlquelle 23 in Form einer Laserquelle zur Erzeugung des primären Bearbeitungsstrahls 4 auf.
Die Bearbeitungsmaschine 15 weist auch eine Bereitstellungseinrichtung 21 für die Bereitstellung des Schutzgasstroms 13 auf, die in Fig. 1 a angedeutet ist. Alternativ zur Bereitstellung eines Schutzgasstroms 13, der eine Strömungsrichtung in positive Y-Richtung aufweist, kann der Schutzgasstrom 13 eine Strömungsrichtung in positive oder negative X-Richtung aufweisen oder auf andere Weise orientiert sein. Der Schutzgasstrom 13 wird über den Bauplattformbereich 17 geführt, um Rauch von der darüber angeordneten Bestrahlungseinrichtung 1 , beispielsweise von einem dort gebildeten Fenster, fernzuhalten. Die Bereitstellungseinrichtung 21 kann
beispielsweise wie in der eingangs zitierten EP 3 023 228 A1 ausgebildet sein. Um zu gewährleisten, dass die Strömungsrichtung des Schutzgasstroms 13 (hier:
positive Y-Richtung) zumindest teilweise der Bewegungsrichtung der
Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b in der Bearbeitungsebene E entgegen gerichtet ist, kann bei einer synchronen Bewegung der Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b in Y-Richtung, wie sie in Fig. 1 a dargestellt ist, die Belichtung der Teilbereiche T1 bis T6 erfolgen, indem die Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b nur in negativer Y-Richtung synchron über die jeweils gemeinsam belichteten Teilbereiche T1 , T2; T3, T4; T5, T6 bewegt werden, d.h. es entfällt die gegenläufige Bewegung in positiver Y-Richtung, wie dies in der weiter oben zitierten WO 2014/125280 A1 dargestellt ist. Es ist ebenfalls möglich, die Reihenfolge der Bestrahlung der Teilbereiche T1 , T2, ... in Abhängigkeit vom
Abstand des jeweiligen Teilbereichs T1 , T2, ... in Strömungsrichtung +Y von der Bereitstellungseinrichtung 21 zu wählen. Hierbei können insbesondere Teilbereiche T1 , T2,... , die einen größeren Abstand zur Bereitstellungseinrichtung 21 in
Strömungsrichtung +Y aufweisen, vor Teilbereichen T1 , T2, ... bestrahlt werden, die einen geringeren Abstand zur Bereitstellungseinrichtung 21 in Strömungsrichtung +Y aufweisen. Für das Erzeugen einer neuen Schicht des dreidimensionalen Bauteils 20 wird zunächst aus einem in der Bearbeitungskammer 16 angeordneten Pulverreservoir- Behälter 22 Pulver entnommen und von einem Pulverreservoir-Bereich 18, in dem der Pulverreservoir-Behälter 22 sich befindet, in den Bauplattformbereich 17 verbracht. Im gezeigten Beispiel wird zu diesem Zweck eine nicht näher dargestellte Schiebevorrichtung verwendet, welche das Pulver von dem Pulverreservoir-Bereich 18 in den Bauplattformbereich 17 überführt, indem das Pulver auf der Oberseite einer in der Bearbeitungsebene E befindlichen Arbeitsfläche verschoben wird. Der Stempel in dem Bauplattformbereich 17 und somit das Pulverbett 19 wird parallel um die Schichtdicke einer Pulverschicht nach unten verschoben, wie in Fig. 2 durch einen Pfeil angedeutet ist, bevor die Bestrahlung der (neuen) Pulverschicht 3 in dem Bauplattformbereich 17 durchgeführt wird.
Ein Bearbeitungsbereich B für die Durchführung der Bestrahlung der Pulverschicht 3 ist seitlich durch den Bauzylinder des Bauplattformbereichs 17 begrenzt. Die
Abmessung des Bearbeitungsbereichs B, die beispielsweise bei ca. 30 cm liegen kann, ist an den (maximalen) Umlenkwinkel α des primären Bearbeitungsstrahls 4 durch die Scannereinrichtung 5 angepasst, d.h. die Scanner-Spiegel 6a, 6b können so weit um ihre jeweilige Drehachse gedreht werden, dass jeder Ort des
Bearbeitungsbereichs B in der Bearbeitungsebene E erreicht werden kann.
Wie in Fig. 3a,b dargestellt ist, hängt der Abstand zwischen den beiden Positionen P1 , P2 in der Bearbeitungsebene E vom in Fig. 2 dargestellten Umlenkwinkel α der Scannereinrichtung 5 für die beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b ab, d.h. davon, an welcher Stelle des Bearbeitungsbereichs B die beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b auf die Bearbeitungsebene E treffen. Wie sowohl in Fig. 3a als auch in Fig. 3b zu erkennen ist, nimmt der Abstand zwischen den beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b von der Mitte M des Bearbeitungsbereichs B zum seitlichen Rand des
Bearbeitungsbereichs B kontinuierlich zu. Entsprechend ist der Abstand zwischen zwei Teilbereichen T1 , T2, die von den beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b erzeugt werden, abhängig von der X-Koordinate entlang des Bearbeitungsbereichs B.
Der Differenzwinkel δ zwischen den beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b in X- Richtung kann durch die Wahl des Keilwinkels γ der Keilplatte 7 eingestellt werden. Fig. 3a zeigt die beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b bei einem ersten
Differenzwinkel δι , bei dem die beiden Teilbereiche T1 , T2 am Rand R des
Bearbeitungsbereichs B unmittelbar aneinander angrenzen, während diese in der Mitte M des Bearbeitungsbereichs B in X-Richtung geringfügig überlappen, und zwar in der Regel um einen Anteil der Länge L des jeweiligen Teilbereichs T1 , T2, der bei nicht mehr als ca. 10 % liegt. Fig. 3b zeigt die beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b bei einem zweiten, geringfügig größeren Differenzwinkel 62, bei dem die beiden Teilbereiche T1 , T2 in der Mitte M des Bearbeitungsbereichs B unmittelbar aneinander angrenzen, während die beiden Teilbereiche T1 , T2 am Rand des Bearbeitungsbereichs B geringfügig voneinander beabstandet sind, beispielsweise um ca. 1 mm.
Bei dem in Fig. 3a gezeigten ersten Differenzwinkel δι ist die Bestrahlung in der Mitte M des Bearbeitungsbereichs B weniger effektiv, weil die Teilbereiche T1 , T2 überlappen und in dem Überlappungsbereich eine doppelte Bestrahlung der
Pulverschicht 3 erfolgt. Bei dem in Fig. 3b gezeigten Differenzwinkel 62 überlappen sich die beiden Teilbereiche T1 , T2 in der Mitte M des Bearbeitungsbereichs B nicht, es ist allerdings in der Regel eine zusätzliche Bestrahlung mit dem primären
Bearbeitungsstrahl 4 erforderlich, um die Lücke zwischen den beiden Teilbereichen T1 , T2 am Rand R des Bearbeitungsbereichs B ebenfalls zu bestrahlen. Das weiter oben dargestellte Problem kann vermieden werden, wenn die Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b dazu verwendet werden, simultan ein- und denselben Teilbereich T1 bzw. T2 zu bestrahlen, wie weiter unten beschrieben wird. Fig. 4 zeigt eine Bearbeitungsmaschine 15, die sich von der in Fig. 2 gezeigten Bearbeitungsmaschine 15 im Wesentlichen durch die Ausgestaltung der
Bestrahlungseinrichtung 1 unterscheidet, sowie dadurch, dass die
Bearbeitungsmaschine 15 an Stelle einer einzigen Strahlquelle 23 drei Strahlquellen 23, 23a, 23b aufweist. Die erste Strahlquelle 23 erzeugt einen ersten primären Bearbeitungsstrahl 4, der im gezeigten Beispiel an einer Strahlteilereinrichtung in Form eines diffraktiven optischen Elements 24 (Beugungsgitter) in fünf
Bearbeitungsstrahlen 4a-e aufgeteilt wird, die über eine Scannereinrichtung 5 auf die Bearbeitungsebene E ausgerichtet bzw. in Richtung auf die Bearbeitungsebene E umgelenkt werden. Die zweite Strahlquelle 23a erzeugt einen weiteren (zweiten) primären Bearbeitungsstrahl 25, der an einer weiteren (zweiten)
Strahlteilereinrichtung 24a, die ebenfalls als diffraktives optisches Element ausgebildet ist, in fünf weitere Bearbeitungsstrahlen 25a-e aufgeteilt wird, die über eine weitere Scannereinrichtung 25b auf die Bearbeitungsebene E ausgerichtet werden. Die dritte Strahlquelle 23b erzeugt einen weiteren (dritten) primären Bearbeitungsstrahl 26, der über eine dritte Scannereinrichtung 5b auf die Bearbeitungsebene E ausgerichtet wird. Auf die Darstellung weiterer optischer Elemente der Bestrahlungseinrichtung 1 , die beispielsweise wie bei der in Fig.1 a gezeigten Bestrahlungseinrichtung 1 ausgebildet sein können, wurde in Fig. 4 aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.
Wie bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel können auch bei der in Fig. 4 gezeigten Bestrahlungseinrichtung 1 die beiden Strahlteilereinrichtungen in Form der diffraktiven optischen Elemente 24, 24a in den Strahlengang des primären
Bearbeitungsstrahls 4 bzw. des weiteren primären Bearbeitungsstrahls 4a hinein und wieder aus diesem heraus bewegt werden, wozu entsprechende
Bewegungseinrichtungen 8, 8a vorgesehen sind, die im gezeigten Beispiel eine lineare Bewegung der diffraktiven optischen Elemente 24, 24a ermöglichen. Wie in Fig. 4 ebenfalls angedeutet ist, sind die beiden Strahlteilereinrichtungen 24, 24a derart angeordnet, dass die Aufteilung der jeweiligen primären Bearbeitungsstrahlen 4, 25 auf die jeweils fünf Bearbeitungsstrahlen 4a-e, 25a-e in zwei zueinander senkrechten Richtungen (X-Richtung bzw. Y-Richtung) erfolgt, so dass auch die Positionen P1 bis P5 der Bearbeitungsstrahlen 4a-e in der Bearbeitungsebene E in X-Richtung voneinander beabstandet sind, während die Positionen P1 bis P5 der weiteren Bearbeitungsstrahlen 25a-e in der Bearbeitungsebene E in Y-Richtung zueinander beabstandet sind.
Bei der in Fig. 4 gezeigten Bestrahlungseinrichtung 1 dient ein telezentrisches F- Theta-Objektiv 27 zur Fokussierung der Bearbeitungsstrahlen 4a-e, der weiteren Bearbeitungsstrahlen 25a-e sowie des (dritten) primären Bearbeitungsstrahls 26 in der Bearbeitungsebene E. Die Bearbeitungsstrahlen 4a-e, die weiteren
Bearbeitungsstrahlen 25a-e und der primäre Bearbeitungsstrahl 26 treffen aufgrund der Telezentrie unabhängig vom Ort auf dem Bearbeitungsfeld stets senkrecht auf die Bearbeitungsebene E, so dass bei der in Fig. 4 gezeigten
Bestrahlungseinrichtung 1 praktisch keine ortsabhängige Variation der Abstände zwischen den Positionen P1 bis P5, ... auftritt. Es versteht sich, dass ein
(telezentrisches) F-Theta-Objektiv 27 auch bei der in Fig. 1 a gezeigten
Bestrahlungseinrichtung verwendet werden kann. Für die vollständige Bestrahlung einer von einer kreisförmigen Randkontur 1 1 umrandeten Fläche eines im gezeigten Beispiel zylindrischen dreidimensionalen Bauteils 20 kann eine Bestrahlung durchgeführt werden, bei welcher nur die drei primären Bearbeitungsstrahlen 4, 25, 26 verwendet werden, wie dies in Fig. 5a dargestellt ist. In diesem Beispiel wird die von der kreisförmigen Randkontur 1 1 begrenzte Fläche in quadratische Teilbereiche T bzw. am Rand der kreisförmigen Fläche durch die kreisförmige Randkontur 1 1 begrenzte Teilbereiche T aufgeteilt. Jeder der Teilbereiche T wird mit einem der drei primären Bearbeitungsstrahlen 4, 25, 26 bestrahlt, bis der entsprechende Teilbereich T vollständig aufgeschmolzen ist. In Fig. 5a sind die drei Bearbeitungsstrahlen 4, 25, 26, genauer gesagt deren
Bewegung in den Teilbereichen T durch unterschiedlich gestrichelte Pfeile
angedeutet. Die Teilbereiche T werden in einer scannenden Bewegung abgefahren, wie dies weiter oben in Zusammenhang mit Fig. 1 a beschrieben ist. Die Zuordnung der drei primären Bearbeitungsstrahlen 4, 25, 26 zu den Teilbereichen T ist grundsätzlich beliebig. Auch kann ein- und derselbe Bearbeitungsstrahl 4, 25, 26 manche der Teilbereiche T mit einer scannenden Bewegung in Y-Richtung abfahren, während andere der Teilbereiche T mit einer scannenden Bewegung in X-Richtung abgefahren werden, usw. Bei der in Fig. 5b gezeigten Bestrahlung der innerhalb der kreisförmigen Randkontur 1 1 gebildeten Fläche wird - anders als dies in Fig. 5a dargestellt ist - zunächst ein zusammenhängender Flächenbereich 2 definiert, der mittels der aufgeteilten
Bearbeitungsstrahlen 4a-e, 25a-e bestrahlt wird, wie weiter unten näher beschrieben wird. Der außerhalb des zusammenhängenden Flächenbereichs 2 befindliche
Randbereich 12 sowie die Randkontur 1 1 wird hingegen mittels des dritten primären Bearbeitungsstrahls 26 bestrahlt. Der Randbereich 12 ist im gezeigten Beispiel in dritte Teilbereiche T3 aufgeteilt, die nacheinander von dem dritten primären
Bearbeitungsstrahl 26 bestrahlt werden. Wie in Fig. 5b zu erkennen ist, weist der zusammenhängende Flächenbereich 2 zwölf quadratische Teilbereiche T1 , T2 sowie vier Teilbereiche T1 , T2 auf, die in einer Richtung (X-Richtung oder Y-Richtung) nur die halbe Kantenlänge der quadratischen Teilbereiche T1 , T2 aufweisen. Für die Bestrahlung ist einem jeweiligen ersten Teilbereich T1 jeweils der erste (primäre) Bearbeitungsstrahl 4 bzw. die fünf (ersten) Bearbeitungsstrahlen 4a-e zugeordnet, während einem jeweiligen zweiten Teilbereich T2 der zweite primäre Bearbeitungsstrahl 25 bzw. die fünf (zweiten) Bearbeitungsstrahlen 25a-e zugeordnet ist. Wie im Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben wurde, wird der erste primäre Bearbeitungsstrahl 4 auf fünf Bearbeitungsstrahlen 4a-e aufgeteilt, deren Positionen P1 bis P5 in X-Richtung voneinander beabstandet sind. Im Gegensatz zu dem in Fig. 1 a beschriebenen Beispiel werden die fünf Bearbeitungsstrahlen 4a-e bei dem in Fig. 5b gezeigten Beispiel nicht simultan auf unterschiedliche Teilbereiche T3, T4, sondern auf ein- und denselben ersten Teilbereich T1 eingestrahlt, und zwar jeweils in X-Richtung versetzt, wie dies in Fig. 5b anhand der Pfeile zu erkennen ist. Die fünf
Bearbeitungsstrahlen 4a-e werden ähnlich wie bei dem in Fig. 5a gezeigten Beispiel in X-Richtung parallel versetzt in einer scannenden Bewegung in Y-Richtung über die gesamte Kantenlänge eines jeweiligen ersten Teilbereichs T1 bewegt. Wie weiter oben im Zusammenhang mit Fig. 5a dargestellt wurde, erfolgt am Rand eines jeweiligen ersten Teilbereichs T1 eine Bewegungsumkehr mit einem lateralen Versatz in X-Richtung, bevor die fünf Bearbeitungsstrahlen 4a-e in Y-Richtung gegenläufig bewegt werden. Die Bestrahlung der zweiten Teilbereiche T2 mittels der zweiten Bearbeitungsstrahlen 25a-e erfolgt analog zur Bestrahlung der ersten Teilbereiche T1 , mit dem Unterschied, dass die X-Richtung und die Y-Richtung vertauscht sind. Wie in Fig. 5b ebenfalls zu erkennen ist, kann es ausreichend sein, wenn die kleinen ersten Teilbereiche T1 nur in einer einzigen scannenden Bewegung mit den fünf Bearbeitungsstrahlen 4a-e bestrahlt werden, um diese vollständig aufzuschmelzen, d.h. es ist in diesem Fall keine Bewegungsumkehr erforderlich. Gleiches gilt für die Bestrahlung der kleinen zweiten Teilbereiche T2 mit den zweiten fünf Bearbeitungsstrahlen 25a-e.
Durch die Aufteilung der beiden primären Bearbeitungsstrahlen 4, 25 auf die jeweils fünf Bearbeitungsstrahlen 4a-e, 25a-e mit Hilfe der diffraktiven optischen Elemente 24, 24a weisen die fünf Bearbeitungsstrahlen 4a-e, 25a-e in der Bearbeitungsebene E jeweils ungefähr denselben Durchmesser auf wie die beiden primären
Bearbeitungsstrahlen 4, 25. Auf diese Weise kann die Breite des von den
Bearbeitungsstrahlen 4a-e, 25a-e bei einer Überfahrt überstrichenen Bereichs in der Bearbeitungsebene E um das Fünffache gesteigert werden, d.h. beispielsweise von einer Breite von 100 μιτι auf eine Breite von 500 μιτι. Auf diese Weise kann in derselben Zeit die fünffache Fläche aufgeschmolzen werden als mit einem jeweiligen primären Bearbeitungsstrahl 4, 25. Es versteht sich, dass an Stelle von fünf
Bearbeitungsstrahlen 4a-e, 25a-e auch eine größere oder kleinere Anzahl von Bearbeitungsstrahlen verwendet werden kann, um einen jeweiligen ersten
Teilbereich T1 bzw. einen jeweiligen zweiten Teilbereich T2 zu bestrahlen.
Für die Durchführung des im Zusammenhang mit Fig. 5b beschriebenen Verfahrens ist nicht zwingend eine Bestrahlungseinrichtung 1 bzw. eine Bearbeitungsmaschine 15 erforderlich, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist. Vielmehr kann gegebenenfalls auch ein einzelner primärer Bearbeitungsstrahl 4 zu diesem Zweck verwendet werden, in dessen Strahlengang wahlweise das erste diffraktive optische Element 24 oder das zweite diffraktive optische Element 24a eingebracht werden kann, um die ersten Teilbereiche T1 oder um die zweiten Teilbereiche T2 zu bestrahlen. In diesem Fall erfolgt somit die Bestrahlung der Teilbereiche T1 , T2 sequentiell, während bei der in Fig. 4 gezeigten Bearbeitungsmaschine 15 die Bestrahlung der ersten Teilbereiche T1 und der zweiten Teilbereiche T2 zeitlich parallel durchgeführt werden kann.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel für einen zusammenhängenden Flächenbereich 2, der keine quadratischen, sondern rhomboide, d.h. parallelogrammförmige Teilbereiche T1 , T2 aufweist. Die Länge L der Teilbereiche T1 , T2 weicht im gezeigten Beispiel von der Breite B der Teilbereiche ab, es ist aber auch möglich, dass die Länge L und die Breite B der Teilbereiche T1 , T2 übereinstimmt, so dass diese rautenförmig ausgebildet sind. Im gezeigten Beispiel wird ein jeweiliger erster Teilbereich T1 auf die weiter oben im Zusammenhang mit Fig. 5b beschriebene Weise mit zwei in X- Richtung zueinander versetzten ersten Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b bestrahlt.
Entsprechend wird ein jeweiliger zweiter Teilbereich T2 mit Hilfe von zwei in Y- Richtung zueinander versetzten zweiten Bearbeitungsstrahlen 25a, 25b bestrahlt, und zwar in X'-Richtung, die der Richtung der langen Außenkante der rhomboiden Teilbereiche T1 , T2 entspricht. Bei dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel erfolgt die Bewegung der zweiten Bearbeitungsstrahlen 25a, 25b über die zweiten Teilbereiche T2 somit in einer Richtung (X'-Richtung), die nicht senkrecht zu der Richtung (Y- Richtung) verläuft, entlang derer die ersten Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b über die ersten Teilbereiche T1 bewegt werden. Bevorzugt wird in den Teilbereichen T1 , T2 der Abstand zwischen den ersten Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b nach Möglichkeit gleich groß gehalten wie der Abstand zwischen den zweiten Bearbeitungsstrahlen 25a, 25b. Falls ein gleich großer Abstand auf Grund ungleicher Seitenlängen der Teilbereiche T1 , T2 nicht möglich ist, werden die Abstände zwischen den ersten Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b und zweiten Bearbeitungsstrahlen 25a, 25b möglichst ähnlich groß gehalten.
Es versteht sich, dass die Bestrahlung der jeweiligen Teilbereiche T1 , T2, ... nicht zwingend in einer scannenden Bewegung erfolgen muss, sondern dass das bei der Bestrahlung eines jeweiligen Teilbereichs T1 , T2, ... verwendete Muster
grundsätzlich beliebig ist, auch wenn die Verwendung einer scannenden Bewegung in der Regel günstig ist.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Erzeugen eines zusammenhängenden Flächenbereichs (2) eines dreidimensionalen Bauteils (20) durch Bestrahlen einer Pulverschicht (3) mit mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen (4a, b; 4a-e), insbesondere mit mindestens zwei Laserstrahlen, umfassend:
Aufteilen eines primären Bearbeitungsstrahls (4) auf die mindestens zwei
Bearbeitungsstrahlen (4a, b; 4a-e),
Führen der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen (4a, b; 4a-e) zu einer gemeinsamen Scannereinrichtung (5) zum Ausrichten der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen (4a, b; 4a-e) über denselben oder dieselben Scannerspiegel (6a, 6b) auf unterschiedliche Positionen (P1 , P2; P1 bis P5) in einer
Bearbeitungsebene (E) der Scannereinrichtung (5), in welcher der
zusammenhängende Flächenbereich (2) sich befindet, wobei das Erzeugen des zusammenhängenden Flächenbereichs (2), der für die Bestrahlung in eine Mehrzahl von bevorzugt rhomboiden, insbesondere rautenförmigen, rechteckigen oder quadratischen Teilbereichen (T1 bis T6; T1 , T2) aufgeteilt ist, umfasst:
Simultanes Verändern der Positionen (P1 , P2; P1 bis P5) der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen (4a, b; 4a-e) in einem Teilbereich (T1 ) oder in mindestens zwei unterschiedlichen Teilbereichen (T3, T4) des zusammenhängenden
Flächenbereichs (2), bis die Pulverschicht (3) in dem Teilbereich (T1 ) oder in den mindestens zwei Teilbereichen (T3, T4) vollständig aufgeschmolzen ist, sowie Simultanes Verändern der Positionen (P1 , P2; P1 bis P5) der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen (4a, b) oder von mindestens zwei weiteren
Bearbeitungsstrahlen (25a-e) in einem weiteren Teilbereich (T2) oder in mindestens zwei unterschiedlichen weiteren Teilbereichen (T5, T6) des
zusammenhängenden Flächenbereichs (2), bis die Pulverschicht (3) in dem weiteren Teilbereich (T2) oder in den mindestens zwei weiteren Teilbereichen (T5, T6) vollständig aufgeschmolzen ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem der zusammenhängende Flächenbereich (2) von einer Randkontur (1 1 ) des dreidimensionalen Bauteils (20) umgeben ist, wobei die Randkontur (1 1 ) und/oder ein zwischen der Randkontur (1 1 ) und dem zusammenhängenden Flächenbereich (2) gebildeter Randbereich (12) mit dem primären Bearbeitungsstrahl (4), insbesondere mit dem primären Laserstrahl, oder mit einem weiteren Bearbeitungsstrahl (26), insbesondere mit einem weiteren Laserstrahl, bestrahlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die unterschiedlichen Positionen (P1 , P2; P1 bis P5) der Bearbeitungsstrahlen (4a, b; 4a-e) in dem Teilbereich (T1 ) oder in den mindestens zwei Teilbereichen (T3, T4) in einer ersten Richtung (X) in der Bearbeitungsebene (E) zueinander versetzt sind und das simultane Verändern der Positionen (P1 , P2; P1 bis P5) der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen (4a, b; 4a-e) in dem Teilbereich (T1 ) oder in den mindestens zwei Teilbereichen (T3, T4) ein simultanes Bewegen der Bearbeitungsstrahlen (4a, b; 4a-e) in einer zweiten, bevorzugt zur ersten senkrechten Richtung (Y) in der
Bearbeitungsebene (E) umfasst.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem ein Gasstrom (13) über die Pulverschicht (3) geführt wird, dessen Strömungsrichtung (+Y) zumindest teilweise der
Bewegungsrichtung (-Y) der Bearbeitungsstrahlen (4a, b; 4a-e) entgegen gerichtet ist und/oder bei dem die Reihenfolge der Bestrahlung der Teilbereiche (T1 , T2, ...) bevorzugt in Abhängigkeit vom Abstand der jeweiligen Teilbereiche (T1 , T2, ... ) in Strömungsrichtung (+Y) von einer Bereitstellungseinrichtung (21 ) zur Bereitstellung des Gasstroms (13) erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, bei dem die Positionen (P1 , P2) der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen (4a, 4b) in der ersten Richtung (X) einen Abstand (2 L) voneinander aufweisen, der im Wesentlichen einem
ganzzahligen Vielfachen der Erstreckung (L) eines jeweiligen Teilbereichs (T3, T4) in der ersten Richtung (X) entspricht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem ein Differenzwinkel (δι , 62) zwischen den mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen (4a, 4b) in der ersten Richtung (X) beim Ausrichten der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen (4a, 4b) auf unterschiedliche Positionen (P1 , P2) in der Bearbeitungsebene (E), deren Abstand (A) in der Bearbeitungsebene (E) abhängig von einem Umlenkwinkel (a) der Scannereinrichtung (5) ortsabhängig variiert, so gewählt wird, dass entweder benachbarte Teilbereiche (T1 , T2) in der Mitte des Bearbeitungsbereichs (B) in der ersten Richtung (X) aneinander angrenzen oder benachbarte Teilbereiche (T1 , T2) am Rand des Bearbeitungsbereichs (B) in der ersten Richtung (X) aneinander angrenzen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Positionen (P1 bis P5) der Bearbeitungsstrahlen oder der weiteren Bearbeitungsstrahlen (25a-e) in dem weiteren Teilbereich (T2) oder in den mindestens zwei weiteren Teilbereichen in einer zweiten Richtung (Y) zueinander versetzt sind und das simultane Verändern der Positionen (P1 bis P5) der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen oder der mindestens zwei weiteren Bearbeitungsstrahlen (25a-e) in dem weiteren
Teilbereich (T2) oder in den mindestens zwei weiteren Teilbereichen ein simultanes Bewegen der Bearbeitungsstrahlen oder der weiteren
Bearbeitungsstrahlen (25a-e) in einer ersten, bevorzugt zur zweiten senkrechten Richtung (X) umfasst.
8. Verfahren nach Anspruch 7, weiter umfassend: Aufteilen eines weiteren primären Bearbeitungsstrahls (25) auf die mindestens zwei weiteren Bearbeitungsstrahlen (25a-e), sowie Führen der mindestens zwei weiteren Bearbeitungsstrahlen (25a- e) zu einer weiteren gemeinsamen Scannereinrichtung (5a) zum Ausrichten der mindesten zwei weiteren Bearbeitungsstrahlen (25a-e) auf unterschiedliche Positionen (P1 bis P5) in der Bearbeitungsebene (E).
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Fokuslagen- Korrektur zur Korrektur der Fokus-Positionen (F1 , F2) der Bearbeitungsstrahlen (4a, 4b) im Strahlengang des primären Bearbeitungsstrahls (4) vorgenommen wird.
10. Bestrahlungseinrichtung (1 ) für eine Bearbeitungsmaschine (15) zum Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen (20) durch Bestrahlen von Pulverschichten (3), umfassend: eine Strahlteilereinhchtung (7, 24) zur Aufteilung eines primären Bearbeitungsstrahls (4, 25), insbesondere eines Laserstrahls, auf mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen (4a, b; 4a-e), insbesondere auf mindestens zwei Laserstrahlen, sowie
eine Scannereinrichtung (5) zum Ausrichten der mindestens zwei
Bearbeitungsstrahlen (4a, b; 4a-e) über denselben oder dieselben Scannerspiegel (6a, 6b) der Scannereinrichtung (5) auf unterschiedliche Positionen (P1 , P2; P1 bis P5) in einer Bearbeitungsebene (E),
gekennzeichnet durch
eine Steuerungseinrichtung (14), die ausgebildet ist,
die Positionen (P1 , P2; P1 bis P5) der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen (4a, b; 4a-e) in einem Teilbereich (T1 ) oder in mindestens zwei Teilbereichen (T3, T4) eines zusammenhängenden Flächenbereichs (2), der für die Bestrahlung in eine Mehrzahl von bevorzugt rhomboiden, insbesondere rautenförmigen, rechteckigen oder quadratischen Teilbereichen (T1 bis T6; T1 , T2) aufgeteilt ist, simultan zu verändern, bis die Pulverschicht (3) in dem Teilbereich (T1 ) oder in den mindestens zwei Teilbereichen (T3, T4) vollständig aufgeschmolzen ist, und die ausgebildet ist, die Positionen (P1 , P2; P1 bis P5) der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen (4a, 4b) oder von mindestens zwei weiteren
Bearbeitungsstrahlen (25a-e) in einem weiteren Teilbereich (T2) oder in mindestens zwei unterschiedlichen weiteren Teilbereichen (T5, T6) des
zusammenhängenden Flächenbereichs (2) simultan zu verändern, bis die
Pulverschicht (3) in dem weiteren Teilbereich (T2) oder in den mindestens zwei weiteren Teilbereichen (T5, T6) vollständig aufgeschmolzen ist. Bestrahlungseinrichtung nach Anspruch 10, weiter umfassend:
eine weitere Strahlteilereinrichtung (24a) zur Aufteilung eines weiteren primären Bearbeitungsstrahls (25), insbesondere eines weiteren Laserstrahls, auf die mindestens zwei weiteren Bearbeitungsstrahlen (25a-e), insbesondere auf die mindestens zwei weiteren Laserstrahlen, sowie
eine weitere Scannereinrichtung (5a) zum Ausrichten der mindestens zwei weiteren Bearbeitungsstrahlen (25a-e) auf unterschiedliche Positionen (P1 bis P5) in der Bearbeitungsebene (E).
12. Bestrahlungseinrichtung nach Anspruch 10 oder 1 1 , bei der die
Strahlteilereinrichtung (7, 24) zur Aufteilung des primären Bearbeitungsstrahls (4, 25) auf die mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen (4a, 4b; 4a-e) durch Aufteilen eines Strahlquerschnitts (A) des primären Bearbeitungsstrahls (4, 25) ausgebildet ist.
13. Bestrahlungseinrichtung nach Anspruch 12, bei dem die Strahlteilereinrichtung (7) zur Aufteilung des primären Bearbeitungsstrahls (4) durch Umlenkung
mindestens eines Teilbereichs (A 12) des Strahlquerschnitts (A) des primären Bearbeitungsstrahls (4) ausgebildet ist.
14. Bestrahlungseinrichtung nach Anspruch 13, bei der die Strahlteilereinrichtung als für den primären Bearbeitungsstrahl (4) transparente Keilplatte (7) ausgebildet ist.
15. Bestrahlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die
Strahlteilereinrichtung als diffraktives optisches Element (24) ausgebildet ist.
16. Bestrahlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, weiter umfassend: eine Bewegungseinrichtung (8) zur zumindest teilweisen Bewegung der
Strahlteilereinrichtung (7, 24) in den Strahlquerschnitt (A) des primären
Bearbeitungsstrahls (4) hinein und aus dem Strahlquerschnitt (A) des primären Bearbeitungsstrahls (4) heraus.
17. Bestrahlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, weiter umfassend: eine Fokuslagen-Korrektureinrichtung (10) zur Korrektur der Fokus-Positionen (F1 , F2) der Bearbeitungsstrahlen (4a, 4b), die im Strahlengang des primären Bearbeitungsstrahls (4) angeordnet ist.
18. Bestrahlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, weiter umfassend: eine bevorzugt telezentrisches F-Theta-Objektiv (27) zur Fokussierung der Bearbeitungsstrahlen (4a, 4b) in der Bearbeitungsebene (E).
19. Bearbeitungsmaschine (15) zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen (20) durch Bestrahlen von Pulverschichten (3), umfassend:
eine Bestrahlungseinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, sowie eine Bearbeitungskannnner (16) mit einer Bearbeitungsebene (E), in der die zu bestrahlende Pulverschicht (3) anordenbar ist.
20. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 19, weiter umfassend: eine
Bereitstellungseinrichtung (21 ) zum Bereitstellen eines Gasstroms (13), der in einem für die Bereitstellung eines Pulverbetts (19) vorgesehenen
Bauplattformbereich (17) über die Bearbeitungsebene (E) strömt, und dessen Strömungsrichtung (+Y) bevorzugt zumindest teilweise der Bewegungsrichtung (- Y) der Bearbeitungsstrahlen (4a, b; 4a-e) entgegen gerichtet ist und/oder bei der die Steuerungseinrichtung (14) ausgebildet ist, die Reihenfolge der Bestrahlung der Teilbereiche (T1 , T2, ...) in Abhängigkeit vom Abstand der jeweiligen
Teilbereiche (T1 , T2, ... ) in Strömungsrichtung (+Y) von einer
Bereitstellungseinrichtung (21 ) zur Bereitstellung des Gasstroms (13) festzulegen.
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