WO2019091801A1 - Bearbeitungsmaschine zum schichtweisen herstellen von dreidimensionalen bauteilen und verfahren zum erwärmen eines pulvers - Google Patents

Bearbeitungsmaschine zum schichtweisen herstellen von dreidimensionalen bauteilen und verfahren zum erwärmen eines pulvers Download PDF

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Markus Pieger
Matthias Allenberg-Rabe
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Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a processing machine for producing three-dimensional components in layers by irradiating powder by means of a processing beam, in particular by means of a laser beam, comprising: a container with a lowerable, typically substantially
  • Irradiation device with a scanner device for aligning the
  • WO 2016/049621 A1 describes a system for preheating building material using a laser scanner in an additive manufacturing environment.
  • the system includes a laser scanner for directing a laser beam at a surface of the building material.
  • a computer control system is
  • the system may include a thermal sensor, for example an infrared camera, for determining the temperature distribution of the building material.
  • a thermal sensor for example an infrared camera
  • radiant heating e.g. be provided in the form of an infrared lamp to preheat the building material to a temperature which is lower than the desired temperature distribution.
  • the actual temperature distribution can be determined at least partially based on the heat distribution of an object that is to be manufactured from the building material.
  • EP 2 335 848 A1 describes an optical irradiation unit, the optical components for guiding and focusing a beam path of a first laser beam and an optical coupling unit for dividing the first laser beam into at least two partial beams and / or for coupling a second laser beam with a includes wavelength different from the wavelength of the first laser beam in the beam path of the first laser beam.
  • the second laser beam can be a diode laser beam which is coupled into the first laser beam in such a way that it impinges on the same point of the powder layer in order to locally preheat this point on the powder layer.
  • Raw material powder can be such a radiation unit as well as a variety of
  • the Device comprises a beam source for generating a beam with a first beam profile, a beam guiding device with a beam guiding optics for Conversion of the first beam profile into a second, adjustable beam profile, which is supplied to the irradiation area of the object, and a control device for controlling the beam shaping optics and / or Strahlquel! E for generating a desired temperature distribution in the irradiation region of the object.
  • the object may be arranged in a process chamber in a device for treating a surface of the object.
  • the irradiation area may be formed on a side of the object facing away from the surface to be treated.
  • a powder layer applied to a carrier is preheated by a radiant heater.
  • the radiant heater is designed to preheat the entire construction field and possibly a part of lying in a working plane worktop.
  • WO 2014/206573 A2 has disclosed a processing machine for generating a three-dimensional component by selective laser melting, which has a process chamber and at least one functional interface which extends into the process chamber and which has a process influencing device for acting on an already completed region of the component during the selective laser melting is binding bar.
  • the heat balance of the resulting component can be indirectly influenced during the selective laser melting by heating a base plate which serves to generate the three-dimensional component in layers.
  • the invention has for its object to provide a processing machine and a method for heating a powder, which allow a very homogeneous temperature distribution of the powder in the region of
  • the irradiation device comprises a heating device, which comprises a Schustrahlungsquelie for generating a
  • the heating beam is typically not deflected in the scanner device, i. the heater does not hit the scanner mirror (s). Rather, the radiant heat source is generally designed for stationary alignment of the jet axis of the heating jet at the same point of the processing field. Also, the orientation (angle) of the jet axis of the heating beam relative to the machining field is typically constant.
  • the inventors have recognized that even with a homogeneous heat input into the powder due to the geometric conditions, a high gradient of the temperature within the powder can occur. This also applies to the case where a further heating device (see below) is provided for the typically homogeneous heating of the powder from below, for example by heating the usually approximately plate-shaped carrier: Also in this case, due to the large radiating surface ( Lateral surface and top surface or
  • the further heating device is designed to supply the heating power only over the underside of the carrier, for example a substrate or base plate of the carrier, since the bottom depending on the material thickness of the plate-shaped carrier only about one third of the total Surface of the carrier corresponds.
  • the occurrence of a temperature gradient in the powder is particularly problematic at the top of the powder or the powder bed, on which the powder is irradiated with the processing beam. Heat losses of the heat input into the powder are caused by
  • the temperature distribution in the processing field ie at the top of the powder, may be a Gaussian substantially symmetrical with respect to the vertical center axis of the container Distribution.
  • the inhomogeneous temperature distribution of the powder in the processing field is at least partially homogenized in that the heating device supplies heat to the cooler partial regions of the powder in a targeted manner in order to increase the temperature distribution of the generally circular one
  • Has processing field a circular geometry has for this purpose the use of a (circular) annular beam profile of the heating beam as
  • annular Strahiprofil is understood in the context of this application, a beam profile in which the maximum of the intensity distribution is not assumed in the center of the beam profile, but along a typically annular area which is spaced from the center of the beam profile.
  • Beam profile or its intensity distribution is typically rotationally symmetric to the center of the beam profile.
  • the intensity distribution of the annular beam profile may additionally vary in the circumferential direction, i. There are angular ranges of the annular beam profile with higher and lower
  • Construction cylinder outside subregions has become the generation of a
  • annular intensity distribution of the heating beam proved to be advantageous, whose diameter or size approximately coincides with the diameter or with the size of the machining field.
  • Such an annular beam profile can with the aid of a beam shaping optics from a heating beam with a example in the Essentially Gaussian beam profile can be generated.
  • the heating jet can be coupled into the process chamber through a common window with the processing beam which is used for irradiating the powder for the layer-by-layer production of the three-dimensional component.
  • the processing beam which is used for irradiating the powder for the layer-by-layer production of the three-dimensional component.
  • the beam axis of the heating jet typically always hits the center of the processing field or the beam axis of the heating beam is typically always aligned perpendicular to the working plane.
  • Beam profile of the heating beam in the working plane typically the size of the processing field, i. the size or the diameter of the opening of the
  • the processing machine comprises another
  • Heating means for heating the powder from below by heating the carrier By additionally heating the powder from below, the heating time can be shortened. With the help of the heating jet, the powder can be additionally heated, in particular in the subregions of the processing field, in which the powder cools too much from below during the heating, so that the total temperature distribution in the powder is as homogeneous as possible.
  • Temperature distribution which is generated when heating the powder from below, may in particular be a substantially radially Gaussian temperature distribution.
  • the further heating device for heating the carrier at least one infrared radiation source and / or at least one embedded in the carrier heating element.
  • the further heating means for heating the powder from below may be a (infrared) radiant heater spaced from the support and typically under the support
  • the further heating means may comprise a heat pipe heating, i. one or more heating elements or
  • Radiator which are usually arranged on the underside of the carrier and pressed into the carrier. In both cases, the heating power from the further heating device is supplied to the carrier only from its underside.
  • the beam shaping optics is formed, a
  • Adjust or change the intensity distribution of the second beam profile of the heating beam As described above, in the layered production of the three-dimensional component of the carrier is gradually lowered, so that increases over the support in height with increasing process duration
  • Powder bed forms. Since the powder bed conducts the heat poorly, but the parts of the powder bed melted during the production of the three-dimensional component conduct the heat well, it may become Gaussian in the radial direction during the manufacturing process
  • Intensity distribution of the second beam profile is also useful to adapt the second beam profile to different powder materials, if they
  • the size or the diameter of a Beam profile range can be adjusted around the beam axis or about the center of the beam profile, in which the intensity of the heating beam is below an intensity threshold, which may for example be about 90% of the maximum intensity of the heating radiation in the beam profile.
  • an intensity threshold which may for example be about 90% of the maximum intensity of the heating radiation in the beam profile.
  • a distance between the beam axis of the heating beam and an annular beam profile range can be set at which the beam profile has its maximum intensity.
  • the beam shaping optics is formed, an intensity difference between a minimum intensity and a maximum
  • Intensity or a (local) intensity minimum typically occupies the second beam profile on the beam axis of the heating beam, i. in the center of
  • Beam profile on.
  • the intensity difference can be varied so that it produces a temperature difference between the center and the radial edge region of the powder in the processing field that between small
  • Temperature differences of e.g. a few Kelvin and large temperature differences of, for example, about 50 K to 100 K varies.
  • the intensity difference can in particular also be set as a function of a construction progress in the production of the three-dimensional component, in particular as a function of the (cross-sectional) geometry of the component to be produced, since the
  • Thermal conductivity of the powder material is different from the thermal conductivity of the already produced layers of the three-dimensional component.
  • An adjustment of the intensity distribution of the beam profile of the heating beam for example, by the use of in the
  • Beam shaping optics provided axicon can be achieved, as described in more detail below.
  • the beam-shaping optical system is designed to produce a second beam profile of the heating beam, in which a minimum intensity of the heating beam on the beam axis of the heating beam is at least 60% of a maximum intensity of the heating beam. It has proved to be advantageous if the second beam profile has a not too inhomogeneous intensity distribution which increases in the radial direction to the outer edge of the beam profile, i. the intensity of the heating beam should not drop too much in the center of the intensity distribution.
  • An intensity distribution with such a beam profile can
  • Beam shaping optics provided axicon generated.
  • the beam-shaping optical system for generating the second, annular beam profile has at least one axicon.
  • the axicon which may for example be formed of quartz glass, converts the collimated
  • Heating beam having an example Gaussian beam profile, in an annular beam profile with a predetermined by the apex angle of the axicon divergence.
  • the divergent heating beam with the annular beam profile can subsequently be collimated on a further optical element of the beam-shaping optical system, for example on a lens.
  • the beam-shaping optical system has two axicons whose distance to change the intensity distribution of the second beam profile of the heating beam can be adjusted.
  • the first axicon may be a plano-convex axicon that produces the annular beam profile, as shown above.
  • the second axicon can be a plano-concave axicon, which in particular can have the same apex angle as the first axicon.
  • a collimated on the first axicon impinges the heating beam after the second axicon again collimated but has in the center of the beam profile or in the Area of the beam axis of the heating beam but almost no more intensity.
  • the beam-shaping optics may have other optical elements instead of axicons in order to convert the first, for example Gaussian, beam profile into a second, in particular annular, beam profile, for example in the form of diffractive optical elements. Also it is possible to change the first, for example Gaussian, beam profile into a second, in particular annular, beam profile, for example in the form of diffractive optical elements. Also it is possible to change the first, for example Gaussian, beam profile into a second, in particular annular, beam profile, for example in the form of diffractive optical elements. Also it is possible to change the first, for example Gaussian, beam profile into a second, in particular annular, beam profile, for example in the form of diffractive optical elements. Also it is possible to change the first, for example Gaussian, beam profile into a second, in particular annular, beam profile, for example in the form of diffractive optical elements. Also it is possible to change the first, for example Gaussian, beam profile into a second, in particular annular, beam
  • Intensity distribution of the Strahiprofils with respect to the beam axis of the heating beam to realize in other ways, for example by different diffractive optical elements are introduced into the beam path of the heating beam.
  • the heat radiation source is designed to generate the heating beam with an adjustable power.
  • the adjustment of the power can be done for example by adjusting the current which is supplied to the radiant heat source for generating the heating jet.
  • Adjusting the power of the radiant heat source may alternatively or in addition to changing the intensity distribution of the beam profile also be made to adapt to a shallower or steeper Gaussian temperature distribution in the powder, which is generated by the heating of the powder from below by means of the further heater to total in To produce the most homogeneous temperature distribution in the powder in the processing field.
  • the heat radiation source has a plurality of laser diodes for generating the heating radiation.
  • the performance of laser diodes can be adjusted or regulated in a particularly simple manner.
  • the laser diodes may be pump diodes used to pump e.g. be used by solid state lasers and are available in large quantities and thus cost. Also, laser diodes have a directional
  • infrared radiators in particular quartz radiators, may also be used in the heat radiation source.
  • quartz emitters are difficult to control, in contrast to laser radiation, which can be ideally shaped and controlled to where it is needed.
  • the radiant heat source has a plurality of optical fibers, wherein a respective fiber end side of an optical fiber is coupled to a respective laser diode, and wherein fiber ends of the optical fibers form a fiber bundle for the outlet of the heating beam.
  • laser diodes are preferably used, which already have a coupling into a respective pump or optical fiber anyway.
  • the number of laser diodes can be selected, for example, so that a total power of the radiant heat source between about 100 W and about 3000 W is generated.
  • the laser diodes or the optical fibers are in this case arranged such that the optical fibers converge in a fiber bundle, so that the bundle of the outlet-side ends of the optical fibers serve for the further beam guidance of the heating beam as a pixel or as an image spot. This facilitates the supply of the laser power to the beam-forming optical system described above, which makes a spatial reorientation of the laser power or the laser energy of the heating beam.
  • the laser light generated by the laser diodes exits from the optical fibers bundled in the fiber bundle with a divergence angle which is less than or equal to the acceptance angle of the optical fibers.
  • the heating jet can of a
  • the processing machine comprises a
  • Sensor device for the spatially resolved detection of an actual temperature distribution of the powder in the processing field.
  • the observation of the processing field can by the beam path of the heating beam or the
  • the camera which can be designed in particular as a thermal imaging camera, makes it possible to measure the actual temperature distribution with spatial resolution and thus to detect deviations from a desired temperature distribution, which is typically a homogeneous desired temperature distribution in the processing field.
  • the processing machine comprises a control and / or regulating device for adjusting the power of the heat radiation source and / or the intensity distribution of the beam profile of the heating beam as a function of a construction progress in the production of the three-dimensional component and / or in dependence on the spatially resolved detected Ist temperature spread.
  • the temperature distribution of the powder in the working plane may vary depending on the progress of the construction, i. depending on the number of already generated layers of the three-dimensional component and additionally in time depending on the geometry of these layers.
  • Control device the time course of the performance and / or the
  • Intensity distribution of the heating beam can set such that during the entire manufacturing process as homogeneous a temperature distribution of the powder is generated in the working plane.
  • a regulation of the power Radiation source and / or the intensity distribution of the heating beam done.
  • control and / or regulating device is designed to regulate the actual temperature distribution in the processing field to a (preferably) homogeneous desired temperature distribution in the processing field, i. the
  • Temperature distribution should be the same at each location of the edit field.
  • a homogeneous temperature distribution is understood to mean a temperature distribution in which the difference between a maximum temperature and a minimum temperature is less than about 30 K.
  • processing beam runs in the
  • the heating beam can be radiated together with the processing beam through a common window in the process chamber. For this purpose, it is usually necessary or favorable if the beam path of the processing beam and the beam path of the heating jet overlap. Regardless of whether the beam path of the heating beam overlaps with the beam path of the processing beam or not, which can after the
  • Beam shaping optics usually koilim Of heating beam are focused, for example, with the aid of a focusing optical element in an intermediate focus, so that this divergent exits the irradiation device and travels the space to the working plane with divergent propagation.
  • Beam shaping optics usually koilim Of heating beam are focused, for example, with the aid of a focusing optical element in an intermediate focus, so that this divergent exits the irradiation device and travels the space to the working plane with divergent propagation.
  • insects may be arranged a (narrow) aperture through which passes the heating steel to the scanner or the mirror of the scanner device before the
  • the diaphragm can be arranged between two scanner mirrors of the scanner device, which are used to deflect the processing beam.
  • the distance between the intermediate focus or between the focusing optical element and the working plane is selected so that the edge of the beam profile of the heating beam approximately corresponds to the edge of the processing field.
  • the diameter of the beam profile of the heating jet in the corresponds Machining level typically substantially the diameter of the
  • a further aspect of the invention also relates to a method of the type mentioned above for heating a powder, comprising: generating a heating beam with a first beam profile, converting the first beam profile of the heating beam into a second, in particular annular, beam profile, and heating the powder from above by aligning of the heating beam with the second beam profile on
  • Processing field of the processing machine on which an opening of the container is formed comprises heating the powder from below by heating the lowerable carrier to which the powder is applied.
  • annular in particular an annular portion, act in which by means of the heating beam with the annular
  • Beam profile the powder additional heat can be supplied.
  • a dual heating of the powder from below and from above shortens the heating time for the powder.
  • the method comprises: changing a power of the heating beam and / or an intensity distribution of the beam profile of the heating beam as a function of a construction progress in the production of the three-dimensional component and / or in dependence on a spatially resolved actual temperature distribution of the powder in the processing field.
  • the power of the heating beam or a heat radiation source for generating the heating beam and / or the intensity distribution of the beam profile of the heating beam can be adjusted or controlled in dependence on the construction progress such that in the processing field during the entire duration of
  • Manufacturing process sets a (nearly) homogeneous temperature distribution.
  • a control can be effected on the most homogeneous desired temperature distribution of the powder in the processing field.
  • Fig. 1 a is a schematic representation of a processing machine for
  • an irradiation device which has a heat radiation source for generating a heating beam and a beam shaping optics, and a schematic representation analogous to Fig. 1a, in which the beam shaping optics is formed, an intensity distribution of a beam profile of the heating beam in the radial direction with respect to the beam axis of the heating jet to adjust or change.
  • FIG. 1a shows an exemplary structure of a processing machine 1 for
  • the processing machine 1 has an irradiation device 4 which has a laser source 5 in the form of a fiber laser for producing a processing beam 6 in the form of a laser beam.
  • the laser beam is a high-power machining beam 6 which is used for the irradiation or local melting of the powder 3.
  • the processing beam 6 first passes through a focusing device 7 in the form of a lens for the irradiation of the powder 3 and subsequently enters a
  • Scanner device 8 the two scanner mirrors 9a, 9b in the form of
  • Galvanometer mirrors has.
  • the scanner device 8 serves to position the processing beam 6 in an operating field B of the scanner device 8, the extent of which in the example shown in FIG. 1 a substantially corresponds to the lateral extent of the powder bed or of the powder 3.
  • Processing field B by means of the processing beam 6 or by means of
  • Irradiation device 4 can be irradiated is limited by the maximum deflection of the two scanner mirrors 9a, 9b.
  • the powder 3 is arranged in an upwardly open container 10 (also called a construction cylinder) which extends in one
  • Process chamber 1 of the processing machine 1 is located. For irradiation of the
  • a carrier 12 which forms the bottom of the container 10 can be lowered in the vertical direction Z of an XYZ coordinate system and lifted by acting on the carrier 12 by means of a drive not shown in detail.
  • the carrier 12 may be formed in one piece, as shown in Fig. 1a, but it depends on the nature of the powder 3 and the
  • Manufacturing process also possible to use a multi-part support 12 having a (not shown) base plate, which closes the container 10 down and to which a piston-shaped part of the support 12 connects.
  • a base plate which closes the container 10 down and to which a piston-shaped part of the support 12 connects.
  • the base plate also not shown
  • Construction platform mounted on which the three-dimensional component 2 is constructed.
  • the processing field B forms a portion of a working plane E, which is formed on the top of a worktop 14, which surrounds the container 10 on all sides.
  • the worktop 14 is arranged in the process chamber 11 that the top of the worktop 14 is located in the working plane E.
  • the uppermost layer of the powder 3 or of the powder bed, which is arranged in the processing field B in the processing plane E, is irradiated with the aid of the processing beam 6. This is the powder 3 selectively melted and solidified in the areas corresponding to the cross section of the respective layer to be produced of the three-dimensional component 2.
  • Scanner device 8 and thus remains to the focusing lens 7, which focuses the processing beam 6 in the processing plane E, is lowered to apply a new layer of the powder 3, the carrier 14 by the thickness of a powder layer, as indicated in Fig. 1 by an arrow.
  • a transport device not shown, which may for example have a slide, additional powder 3 is removed from a likewise arranged in the process chamber 11 reservoir 15 and along the top of
  • Worktop 14 is transported to an upper opening 10a of the container 10 to form there another powder layer for the production of the three-dimensional component 2, which is subsequently irradiated with the processing beam 6.
  • a further heating device 16 which heats the carrier 12 and the powder 3 heated from below.
  • the further heating means 16 for this purpose, a plate-shaped
  • Heating element 17, which is designed as a heating resistor and which is pressed into the carrier 12.
  • the further heating device 16 forms in this case an electrical resistance heating, which acts on the heating element 17 with a current in order to heat the powder 3 as homogeneously as possible from below.
  • a further heating device 16 in the form of a resistance heating another type of further heating device 16 may be used, which has at least one heating element which is in contact with the carrier 12.
  • Container 10 is accepted.
  • a temperature distribution similar to a conical or frusto-conical temperature distribution may also be formed.
  • a homogeneous (actual) temperature distribution Ti (r) (r: distance from the vertical center axis of the container 10) over the entire, in the example shown circular machining field B has.
  • Such a temperature distribution Ti (r) can generally not be generated by means of the further heating device 16 described above, which heats the powder 3 from below.
  • the heater 18 includes a heat radiation source 19 for generating a heating beam 20 which is aligned with the processing field B to heat the powder 3 in the processing field B from above.
  • the divergently emerging from the radiant heat source 19 heating beam 20 is first collimated by means of a converging lens 21.
  • the heating beam 20 is generated by the heat radiation source 19 with a first beam profile S1, whose Gaussian intensity distribution in respect of a beam axis 20a of the heating beam 20 by means of a beam shaping optics 22 in a second , annular beam profile S2 is transformed.
  • the intensity maximum of the radial intensity distribution l (r) of the heating beam 20 is from the beam axis 20a is spaced, ie this is not located as in the first Strahiprofil S1 in the center or on the beam axis 20a of the heating beam 20th
  • the beam shaping optical system 22 shown in FIG. 1a has a plano-convex axicon 23 which converts the first beam profile S1 of the heating beam 20 collimated into the beam shaping optical system 22 into the second, annular beam profile S2.
  • An apex angle of the plano-convex axicon 23 is chosen such that a minimum
  • Intensity I IN of the second beam profile S2 on the beam axis 20a of the heating beam 20 is not more than 60% of a maximum intensity IMAX of the second beam profile S2 of the heating beam 20.
  • the heating beam 20, which runs divergent after the axicon 23, is collimated by means of a further converging lens 24.
  • the collimated heating beam 20 is focused by means of a focusing lens 25 via a deflection mirror 26 to an intermediate focus F, on which a diaphragm 27 is arranged.
  • the diaphragm 27 is arranged between the two scanner mirrors 9 a, 9 b of the scanner device 8.
  • the heating jet 20 diverges and diverges on the processing field B in the working plane E to heat the powder 3.
  • the focusing lens 25 is arranged at such a distance with respect to the working plane E, that the (outer) diameter of the heating beam 20 substantially corresponds to the diameter of the opening 10 a of the container 10 and thus the diameter of the machining field B.
  • the powder 3 is additionally heated in an annular region around the central axis of the container 10. In this way, the powder 3 in the typically at the edge of the
  • Edit field B also varies over time.
  • the substantially Gaussian temperature distribution Ti (r) which is formed due to the heating of the powder 3 from below by means of the further heating device 16 in the processing field B, can therefore be flatter or steeper time-dependent. Order throughout
  • Regulating device 32 which is adapted to adjust the power P of the heat radiation source 19 or during the manufacturing process to change such that by the heating of the powder 3 from below by means of the further heater 16 and by the heating of the powder 3 from above with the help the heater 18 and with the aid of the heating beam 20 is a substantially homogeneous
  • Temperature distribution Ti (r) is generated in the machining field B.
  • the control and / or regulating device 32 for this purpose, the power P of the heat radiation source 19 during the manufacturing process in dependence on data on the time course of the actual temperature distribution Ti (t) in the processing field B, in a previous manufacturing process a three-dimensional component 2 with identical geometry (but without the heating of the powder 3 from above) or due to simulations of the heat distribution in the container 10 or in the processing field B were determined.
  • the processing machine 1 has a
  • Sensor device 31 in the form of a thermal imaging camera, which is designed to detect the actual temperature distribution Ti (r) of the powder 3 in the processing field B instantaneously.
  • the beam path of the sensor device 31 is coupled for this purpose via a partially transmissive mirror in the beam path of the processing beam 6.
  • the control and / or regulating device 32 the power P of the radiant heat source 19 in
  • control and / or regulating device 32 can set a current that corresponds to a plurality of
  • Laser diode 28 is supplied, which form part of the heat radiation source 19.
  • the number of laser diodes 28 of the heat radiation source 19 is selected so that they can produce a total maximum power P of the heating beam 20 between about 100 W and about 3000 W.
  • the heat radiation source 19 also has a number of optical fibers 29 corresponding to the number of laser diodes 28.
  • the input-side fiber end 29a of a respective optical fiber 29 is coupled to an associated laser diode 28 for coupling the laser radiation generated by the laser diode 28 into the optical fiber 29.
  • Exit-side fiber ends 29b of the optical fibers 29 are disposed adjacent to each other in a common plane and form a fiber bundle 30 for focusing the laser radiation of the laser diodes 28 into a spot from which the heating beam 20 emanates at a divergence angle smaller than the acceptance angle of
  • Optical fibers 29 As described above, the heating beam 20 emanating from the fiber ends 29a is collimated by the converging lens 21 spaced apart its focal length f to the plane with the fiber ends 29b of the optical fibers 29 is arranged.
  • Beam shaping optics 22 of FIG. 1 a substantially in that instead of an axicon 23 two axons 23a, b are used:
  • the first, plano-convex axicon 23a corresponds to the axicon 23 of the beam-shaping optics 22 of Fig. 1a, the second, plano-concave axicon 23b replaces the collimating lens 24 of FIG
  • Beamforming optics 22 of FIG. 1 a Beamforming optics 22 of FIG. 1 a.
  • the second axicon 23b has the same apex angle as the first axicon 23a, so that the heating beam 20 collimated before the first axicon 23a also runs in a collimated manner after the second axicon 23b.
  • the distance L between the first axicon 23a and the second axicon 23b along the beam axis 20a of the heating beam 20 can be changed or adjusted by means of at least one displacement device (not illustrated in the drawing). In this way, for example, a
  • a distance between the beam axis 20a of the heating beam 20 and the annular beam profile area can be set, at which the second
  • Beam profile S2 has its maximum intensity IMAX.
  • the further heating device 16 for heating the powder 3 from below comprises an infrared radiation source 17 a,
  • the further heating device 16 for heating the powder 3 from below can also have other types of heating elements, which may have a temperature distribution Ti (r) in the
  • annular beam profile S2 with a suitable, not mandatory
  • rotationally symmetrical intensity distribution l (r) are generated in order to additionally heat the powder 3 at the points at which the powder 3 is not sufficiently heated when heating from below or cools too much.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bearbeitungsmaschine (1) zum schichtweisen Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen (2) durch Bestrahlen von Pulver (3) mittels eines Bearbeitungsstrahls (6), insbesondere mittels eines Laserstrahls, umfassend: einen Behälter (10) mit einem absenkbaren Träger (12) zur Aufbringung des Pulvers (3), sowie eine Bestrahlungseinrichtung (4) mit einer Scannereinrichtung (8) zum Ausrichten des Bearbeitungsstrahls (6) auf ein Bearbeitungsfeld (B) an einer Öffnung (10a) des Behälters (10) zum schichtweisen Herstellen des dreidimensionalen Bauteils (2) durch Bestrahlen des Pulvers (3). Die Bestrahlungseinrichtung (4) weist eine Heizeinrichtung (18) auf, die eine Heizstrahlungsquelle (19) zum Erzeugen eines Heizstrahls (20) zum Erwärmen des Pulvers (3) von oben durch Ausrichten des Heizstrahls (20) auf das Bearbeitungsfeld (B) sowie eine Strahlformungsoptik (22) aufweist, die ausgebildet ist, ein erstes Strahlprofil (S1) des Heizstrahls (20) in ein zweites, insbesondere ringförmiges Strahlprofil (S2) des Heizstrahls (20) umzuwandeln. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Erwärmen eines Pulvers (3) in einer solchen Bearbeitungsmaschine (1).

Description

Bearbeitungsmaschine zum schichtweisen Herstellen von dreidimensionalen
Bauteilen und Verfahren zum Erwärmen eines Pulvers
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bearbeitungsmaschine zum schichtweisen Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen durch Bestrahlen von Pulver mittels eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere mittels eines Laserstrahls, umfassend: einen Behälter mit einem absenkbaren, typischerweise im Wesentlichen
plattenförmigen Träger zur Aufbringung des Pulvers, sowie eine
Bestrahlungseinrichtung mit einer Scannereinrichtung zum Ausrichten des
Bearbeitungsstrahls auf ein Bearbeitungsfeld an einer Öffnung des Behälters zum schichtweisen Herstellen des dreidimensionalen Bauteils durch Bestrahlen des Pulvers. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Erwärmen eines Pulvers, das in einer Bearbeitungsmaschine zum schichtweisen Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen auf einen absenkbaren Träger eines Behälters aufgebracht ist. Die WO 2016/049621 A1 beschreibt ein System für das Vorheizen von Baumaterial unter Verwendung eines Laser-Scanners in einer Additive-Manufacturing-Umgebung. Das System weist einen Laser-Scanner auf, um einen Laserstrahl gezielt auf eine Oberfläche des Baumaterials zu richten. Ein Computer-Kontrollsystem ist
ausgebildet, anhand einer Soll-Temperaturverteilung und einer Ist- Temperaturverteilung des Baumaterials einen oder mehrere Teilbereiche der
Oberfläche des Baumaterials für das Vorheizen zu bestimmen und den Laser- Scanner anzusteuern, den Laserstrahl auf den einen oder die mehreren Teilbereiche auszurichten. Das System kann einen Wärmesensor, beispielsweise eine Infrarot- Kamera, zur Bestimmung der Temperaturverteilung des Baumaterials aufweisen. Es kann eine Strahlungsheizung z.B. in Form einer Infrarot-Lampe vorgesehen sein, um das Baumaterial auf eine Temperatur vorzuheizen, die niedriger ist als die Soll- Temperaturverteilung. Die Ist-Temperaturverteilung kann zumindest teilweise anhand der Wärmeverteilung eines Objekts bestimmt werden, das aus dem Baumaterial hergestellt werden soll.
Die EP 2 335 848 A1 beschreibt eine optische Bestrahlungseinheit, die optische Komponenten zum Führen und Fokussieren eines Strahlengangs eines ersten Laserstrahls sowie eine optische Teil- bzw. Koppeleinheit zum Aufteilen des ersten Laserstrahls in zumindest zwei Teilstrahlen und/oder zum Einkoppeln eines zweiten Laserstahls mit einer von der Wellenlänge des ersten Laserstrahls verschiedenen Wellenlänge in den Strahlengang des ersten Laserstrahls umfasst. Bei dem zweiten Laserstrahl kann es sich um einen Diodenlaserstrahl handeln, der so in den ersten Laserstrahl eingekoppelt wird, dass er auf den gleichen Punkt der Pulverschicht auftrifft, um diesen Punkt auf der Pulverschicht ortsselektiv vorzuheizen. Eine Anlage zur Herstellung von Werkstücken durch Bestrahlen von Pulverschichten eines
Rohstoffpulvers kann eine solche Bestrahlungseinheit sowie eine Vielzahl von
Diodenlasern aufweisen, die über der Pulverschicht angeordnet und dazu
ausgebildet sind, die Pulverschicht homogen vorzuheizen.
Die DE 10 2015 215 645 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erwärmung eines Objekts durch Bestrahlen mit einer Bestrahlungsquelle. Die
Vorrichtung umfasst eine Strahlquelle zur Erzeugung eines Strahls mit einem ersten Strahlprofil, eine Strahlführungseinrichtung mit einer Strahlführungsoptik zur Umformung des ersten Strahlprofils in ein zweites, einstellbares Strahlprofil, das dem Bestrahlungsbereich des Objekts zugeführt wird, sowie eine Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung der Strahlformungsoptik und/oder der Strahlquel!e zur Erzeugung einer Soll-Temperaturverteilung in dem Bestrahlungsbereich des Objekts. Das Objekt kann in einer Prozesskammer in einer Vorrichtung zur Behandlung einer Oberfläche des Objekts angeordnet sein. Der Bestrahlungsbereich kann an einer der zu behandelnden Oberfläche abgewandten Seite des Objekts gebildet sein.
Aus der DE 10 2015 213 103 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Herstellen eines dreidimensionalen Objekts bekannt geworden, bei denen eine auf einen Träger aufgebrachte Pulverschicht durch eine Strahlungsheizung vorgeheizt wird. Die Strahlungsheizung ist dazu ausgelegt, das gesamte Baufeld sowie ggf. einen Teil einer in einer Arbeitsebene liegenden Arbeitsplatte vorzuheizen. Aus der WO 2014/206573 A2 ist eine Bearbeitungsmaschine zum Generieren eines dreidimensionalen Bauteils durch selektives Laserschmelzen bekannt geworden, die eine Prozesskammer sowie mindestens eine Funktionsschnittstelle aufweist, die sich in die Prozesskammer erstreckt und die mit einer Prozessbeeinflussungseinrichtung zum Einwirken auf einen bereits fertiggestellten Bereich des Bauteils während des selektiven Laserschmelzens verbind bar ist. Der Wärmehaushalt des entstehenden Bauteils kann während des selektiven Laserschmelzens indirekt beeinflusst werden, indem eine Grundplatte beheizt wird, die zum schichtweisen Generieren des dreidimensionalen Bauteils dient. Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bearbeitungsmaschine sowie ein Verfahren zum Erwärmen eines Pulvers bereitzustellen, die es ermöglichen, eine möglichst homogene Temperaturverteilung des Pulvers im Bereich des
Bearbeitungsfeldes zu erzeugen.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Bearbeitungsmaschine der eingangs genannten Art gelöst, bei der die Bestrahlungseinrichtung eine Heizeinrichtung aufweist, die eine Heizstrahlungsquelie zum Erzeugen eines
Heizstrahls zum Erwärmen des Pulvers von oben durch Ausrichten des Heizstrahls auf das Bearbeitungsfeld sowie eine Strahlformungsoptik aufweist, die ausgebildet ist, ein erstes Strahlprofil des Heizstrahls in ein zweites, insbesondere ringförmiges Strahlprofil der Heizstrahls umzuwandeln. Der Heizstrahl wird typischerweise nicht in der Scannereinrichtung abgelenkt, d.h. der Heizstrahl trifft nicht auf den oder die Scannerspiegel der Scannereinrichtung. Die Heizstrahlungsquelie ist vielmehr in der Regel zum ortsfesten Ausrichten der Strahlachse des Heizstrahls an denselben Punkt des Bearbeitungsfeldes ausgebildet. Auch die Ausrichtung (der Winkel) der Strahlachse des Heizstrahls relativ zum Bearbeitungsfeld ist typischerweise konstant.
Die Erfinder haben erkannt, dass es auch bei einer homogenen Wärmezuführung in das Pulver aufgrund der geometrischen Gegebenheiten zu einem starken Gradienten der Temperatur innerhalb des Pulvers kommen kann. Dies gilt auch für den Fall, dass eine weitere Heizeinrichtung (s.u.) zum typischerweise homogenen Erwärmen des Pulvers von unten, beispielsweise durch das Aufheizen des in der Regel annähernd plattenförmigen Trägers, vorgesehen ist: Auch in diesem Fall kommt es aufgrund der großen abstrahlenden Fläche (Mantelfläche und Deckfläche bzw.
Oberseite des plattenförmigen Trägers) bei gleichzeitig begrenzter Möglichkeit der Wärmezuführung zu einem starken Gradienten der Temperatur innerhalb des
Pulvers. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass die weitere Heizeinrichtung ausgebildet ist, die Heizleistung nur über die Unterseite des Trägers, beispielsweise einer Substrat- bzw. Grundplatte des Trägers zuzuführen, da die Unterseite je nach Materialstärke des plattenförmigen Trägers nur ca. einem Drittel der gesamten Oberfläche des Trägers entspricht. Das Auftreten eines Temperaturgradienten in dem Pulver ist insbesondere an der Oberseite des Pulvers bzw. des Pulverbetts problematisch, an dem das Pulver mit dem Bearbeitungsstrahl bestrahlt wird. Wärmeverluste der in das Pulver eingebrachten Heizleistung entstehen durch
Konvektion, insbesondere durch eine Wärmeabgabe an das sich bewegende, umgebende Gas, durch Wärmeleitung über das in der Regel metallische Pulver direkt an die in der Regel gekühlte Wand des Behälters sowie durch
Strahlungsverluste an alle angrenzenden Oberflächen. Wird der Träger im Laufe des schichtweisen Aufbauprozesses des dreidimensionalen Bauteils in den Behälter abgesenkt, so führen die beschriebenen Wärmeveriuste zu einem inhomogenen Wärmehaushalt bzw. zu einer inhomogenen Temperaturverteilung in dem Behälter, insbesondere an der Oberseite des Pulvers bzw. des Pulverbetts. Insbesondere für den Fall, dass der Behälter eine im Wesentlichen (kreis-)zylindrische Geometrie aufweist, kann es sich bei der Temperaturverteilung in dem Bearbeitungsfeld, d.h. an der Oberseite des Pulvers, um eine in Bezug auf die vertikale Mittenachse des Behälters im Wesentlichen symmetrische Gauß-Verteilung handeln. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die inhomogene Temperaturverteilung des Pulvers in dem Bearbeitungsfeld zumindest teilweise dadurch zu homogenisieren, dass die Heizeinrichtung den kühleren Teilbereichen des Pulvers gezielt Wärme zuführt, um die Temperaturverteilung des in der Regel kreisförmigen
Bearbeitungsfeldes zu homogenisieren. Insbesondere für den Fall, dass das
Bearbeitungsfeld eine kreisförmige Geometrie aufweist, hat sich zu diesem Zweck die Verwendung eines (kreis-)ringförmigen Strahlprofils des Heizstrahls als
besonders geeignet herausgestellt.
Unter einem ringförmigen Strahiprofil wird im Sinne dieser Anmeldung ein Strahlprofil verstanden, bei dem das Maximum der Intensitätsverteilung nicht im Zentrum des Strahlprofils angenommen wird, sondern entlang eines typischerweise ringförmigen Bereichs, der vom Zentrum des Strahlprofils beabstandet ist. Das ringförmige
Strahlprofil bzw. dessen Intensitätsverteilung ist typischerweise rotationssymmetrisch zum Zentrum des Strahlprofils. Gegebenenfalls kann die Intensitätsverteilung des ringförmigen Strahlprofils zusätzlich in Umfangsrichtung variieren, d.h. es existieren Winkelbereiche des ringförmigen Strahlprofils mit höherer und mit geringerer
Intensität.
Für die Erwärmung der in Bezug auf die Mittenachse des Behälters bzw. des
Bauzylinders außen liegenden Teilbereiche hat sich die Erzeugung einer
ringförmigen Intensitätsverteilung des Heizstrahls als vorteilhaft erwiesen, deren Durchmesser bzw. Größe annähernd mit dem Durchmesser bzw. mit der Größe des Bearbeitungsfeldes übereinstimmt. Ein solches ringförmiges Strahlprofil kann mit Hilfe einer Strahlformungsoptik aus einem Heizstrahl mit einem beispielsweise im Wesentlichen gaußförmigen Strahlprofil erzeugt werden. Durch die Erwärmung des Pulvers von oben mit einem Heizstrahl mit ringförmigem Strahlprofil kann - insbesondere in Kombination mit einer zusätzlichen Erwärmung des Pulvers von unten - bereits eine ungefähr homogene Temperaturverteilung in dem Pulverbett bzw. in dem Pulver erzeugt werden, das auf Höhe der Bearbeitungsebene
angeordnet ist, ohne dass zu diesem Zweck eine komplexe Regelung erforderlich ist.
Es hat sich hierbei als günstig erwiesen, den Heizstrahl in der
Bestrahlungseinrichtung zu erzeugen und durch ein Fenster in eine Prozesskammer einzukoppeln, in der das Pulver angeordnet ist. Der Heizstrahl kann insbesondere mit dem Bearbeitungsstrahl, der zum Bestrahlen des Pulvers für das schichtweise Herstellen des dreidimensionalen Bauteils verwendet wird, durch ein gemeinsames Fenster in die Prozesskammer eingekoppelt werden. Im Gegensatz zum
Bearbeitungsstrahl, der mit Hilfe der Scannereinrichtung auf unterschiedliche Punkte des Bearbeitungsfeldes ausgerichtet wird, trifft die Strahlachse des Heizstrahls typischerweise stets die Mitte des Bearbeitungsfeldes bzw. die Strahlachse des Heizstrahls ist typischerweise stets senkrecht zur Bearbeitungsebene ausgerichtet. Wie weiter oben beschrieben wurde, entspricht der Außendurchmesser des
Strahlprofils des Heizstrahls in der Bearbeitungsebene typischerweise der Größe des Bearbeitungsfeldes, d.h. der Größe bzw. dem Durchmesser der Öffnung des
Behälters.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Bearbeitungsmaschine eine weitere
Heizeinrichtung zum Erwärmen des Pulvers von unten durch Aufheizen des Trägers. Durch das zusätzliche Erwärmen des Pulvers von unten kann die Aufheizzeit verkürzt werden. Mit Hilfe des Heizstrahls kann das Pulver insbesondere in den Teilbereichen des Bearbeitungsfeldes zusätzlich erwärmt werden, in denen sich das Pulver bei der Erwärmung von unten zu stark abkühlt, so dass sich insgesamt eine möglichst homogene Temperaturverteilung in dem Pulver einstellt. Bei der
Temperaturverteilung, die beim Erwärmen des Pulvers von unten erzeugt wird, kann es sich insbesondere um eine im Wesentlichen in radialer Richtung Gauß-förmige Temperaturverteilung handeln.
Bei einer Weiterbildung weist die weitere Heizeinrichtung zum Aufheizen des Trägers mindestens eine Infrarot-Strahlungsquelle und/oder mindestens ein in den Träger eingebettetes Heizelement auf. Bei der weiteren Heizeinrichtung zum Erwärmen des Pulvers von unten kann es sich um eine (Infrarot-)Strahlungsheizung handeln, die von dem Träger beabstandet ist und die typischerweise unter dem Träger
angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann die weitere Heizeinrichtung eine Wärmeleitungsheizung aufweisen, d.h. eines oder mehrere Heizelemente bzw.
Heizkörper, die üblicherweise an der Unterseite des Trägers angeordnet und in den Träger eingepresst sind. In beiden Fällen wird die Heizleistung von der weiteren Heizeinrichtung dem Träger lediglich von seiner Unterseite her zugeführt.
Bei einer Ausführungsform ist die Strahlformungsoptik ausgebildet, eine
Intensitätsverteilung des zweiten Strahlprofils des Heizstrahls einzustellen bzw. zu verändern. Wie weiter oben beschrieben wurde, wird beim schichtweisen Herstellen des dreidimensionalen Bauteils der Träger schrittweise abgesenkt, so dass sich über dem Träger ein mit zunehmender Prozessdauer in der Höhe zunehmendes
Pulverbett ausbildet. Da das Pulverbett die Wärme schlecht leitet, aber die bei der Herstellung des dreidimensionalen Bauteils aufgeschmolzenen Teilbereiche des Pulverbetts die Wärme gut leiten, kann es während des Herstellungsprozesses zu einer zeitabhängigen Verzerrung der in radialer Richtung Gauß-förmigen
Temperaturverteilung kommen, die durch die Erwärmung des Pulvers von unten erzeugt wird. Vereinfacht betrachtet führt eine solche Verzerrung dazu, dass die Gauß-förmige Verteilung flacher oder steiler ausfällt. Für die Homogenisierung hat es sich daher als günstig erwiesen, wenn die räumliche Verteilung der Intensität der Strahlung innerhalb des Strahlprofils eingestellt werden kann, insbesondere in radialer Richtung, d.h. in Bezug auf die Strahlachse des Heizstrahls, um die flachere bzw. steilere Gauß-förmige Verteilung, die durch die weitere Heizeinrichtung erzeugt wird, zu berücksichtigen und auf diese Weise insgesamt eine möglichst homogene Temperaturverteilung in dem Pulver zu erhalten. Die Einstellung der
Intensitätsverteilung des zweiten Strahlprofils ist auch sinnvoll, um das zweite Strahlprofil an unterschiedliche Pulvermaterialien anzupassen, falls diese
unterschiedliche Wärmeleitwerte aufweisen.
Bei der Einstellung der Intensitätsverteilung eines zweiten, ringförmigen Strahlprofils des Heizstrahls kann beispielsweise die Größe bzw. der Durchmesser eines Strahlprofilbereichs um die Strahlachse bzw. um die Mitte des Strahlprofils eingestellt werden, in dem die Intensität des Heizstrahls unter einem Intensitätsschwellwert liegt, der beispielsweise bei ca. 90% der maximalen Intensität der Heizstrahlung in dem Strahlprofil liegen kann. Alternativ oder zusätzlich kann bei der Einstellung der Intensitätsverteilung des Strahlprofils ein Abstand zwischen der Strahlachse des Heizstrahls und einem ringförmigen Strahlprofilbereich eingestellt werden, an dem das Strahlprofil seine maximale Intensität aufweist.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Strahlformungsoptik ausgebildet, eine Intensitätsdifferenz zwischen einer minimalen Intensität und einer maximalen
Intensität des zweiten Strahlprofils des Heizstrahls einzustellen. Die minimale
Intensität bzw. ein (lokales) Intensitäts-Minimum nimmt das zweite Strahlprofil typischerweise auf der Strahlachse des Heizstrahls, d.h. im Zentrum des
Strahlprofils, an. In Abhängigkeit von der Art des verwendeten Pulvermaterials, insbesondere von dessen Wärmeleitwert, kann es sinnvoll sein, einen Heizstrahl zu erzeugen, bei dem die Intensitätsdifferenz derart variiert werden kann, dass dieser einen Temperaturunterschied zwischen dem Zentrum und dem radialen Randbereich des Pulvers in dem Bearbeitungsfeld erzeugt, der zwischen kleinen
Temperaturdifferenzen von z.B. wenigen Kelvin und großen Temperaturdifferenzen von beispielsweise ca. 50 K bis 100 K variiert. Die Intensitätsdifferenz kann insbesondere auch in Abhängigkeit von einem Baufortschritt bei der Herstellung des dreidimensionalen Bauteils, insbesondere in Abhängigkeit von der (Querschnitts- )Geometrie des herzustellenden Bauteils, eingestellt werden, da sich die
Wärmeleitfähigkeit des Pulvermaterials von der Wärmeleitfähigkeit der bereits hergestellten Schichten des dreidimensionalen Bauteils unterscheidet. Für den Fall, dass bei der Herstellung des Bauteils bzw. von mehreren Bauteilen zunächst
Schichten hergestellt werden, die einen vergleichsweise großen, ggf. über das gesamte Bearbeitungsfeld verteilten Querschnitt aufweisen, ist aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des aufgeschmolzenen Pulverschichen die Wärme in dem
Bearbeitungsfeld im Wesentlichen homogen verteilt, fällt aber in den Randbereichen des Bearbeitungsfeldes stärker ab. In diesem Fall kann es günstig sein, eine vergleichsweise große Intensitätsdifferenz zu erzeugen. Wird das bzw. werden die hergestellten Bauteile nach oben hin filigraner, stellt sich eine stärker kontinuierlich in Richtung des Randes des Bearbeitungsfeldes abfallende Temperaturverteilung ein. In diesem Fall ist es günstig, wenn die Intensitätsdifferenz des zweiten Strahlprofils nicht zu groß ist. Eine Einstellung der Intensitätsverteilung des Strahlprofils des Heizstrahls kann beispielsweise durch die Verwendung von in der
Strahlformungsoptik vorgesehenen Axicons erreicht werden, wie weiter unten näher beschrieben wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Strahlformungsoptik ausgebildet, ein zweites Strahlprofil des Heizstrahls zu erzeugen, bei dem eine minimale Intensität des Heizstrahls auf der Strahlachse des Heizstrahls mindestens 60% einer maximalen Intensität des Heizstrahls beträgt. Es hat sich als günstig erwiesen, wenn das zweite Strahlprofil eine nicht zu stark inhomogene Intensitätsverteilung aufweist, die in radialer Richtung zum äußeren Rand des Strahlprofils ansteigt, d.h. die Intensität des Heizstrahls sollte im Zentrum der Intensitätsverteilung nicht zu stark abfallen. Eine Intensitätsverteilung mit einem solchen Strahlprofil kann
beispielsweise durch die Wahl eines geeigneten Apexwinkels eines in der
Strahlformungsoptik vorgesehenen Axicons erzeugt werden.
Bei einer Ausführungsform weist die Strahlformungsoptik zur Erzeugung des zweiten, ringförmigen Strahlprofils mindestens ein Axicon auf. Das Axicon, welches beispielsweise aus Quarzglas gebildet sein kann, wandelt den kollimierten
Heizstrahl, der ein beispielsweise Gauß-förmiges Strahlprofil aufweist, in ein ringförmiges Strahlprofil mit einer durch den Apexwinkel des Axicons vorgegebenen Divergenz um. Der divergente Heizstrahl mit dem ringförmigen Strahlprofil kann nachfolgend an einem weiteren optischen Element der Strahlformungsoptik, beispielsweise an einer Linse, kollimiert werden.
Bei einer Weiterbildung weist die Strahlformungsoptik zwei Axicons auf, deren Abstand zur Veränderung der Intensitätsverteilung des zweiten Strahlprofils des Heizstrahls einstellbar ist. Bei dem ersten Axicon kann es sich um ein plankonvexes Axicon handeln, welches das ringförmige Strahlprofil erzeugt, wie dies weiter oben dargestellt ist. Bei dem zweiten Axicon kann es sich um ein plankonkaves Axicon handeln, welches insbesondere denselben Apexwinkel aufweisen kann wie das erste Axicon. Ein auf das erste Axicon kollimiert auftreffender Heizstrahl verläuft nach dem zweiten Axicon wieder kollimiert weist aber im Zentrum des Strahlprofils bzw. im Bereich der Strahlachse des Heizstrahls aber nahezu keine Intensität mehr auf. Durch die Veränderung des Abstandes zwischen den beiden Axicons kann die Größe bzw. der Durchmesser des Profilbereichs eingestellt werden, in dem der Heizstrahl praktisch keine Intensität mehr aufweist. Gleichzeitig kann auf diese Weise auch der Abstand zwischen der Strahlachse des Heizstrahls und einem ringförmigen Strahlprofilbereich eingestellt werden, an dem das Strahlprofil seine maximale Intensität aufweist, sowie die Intensitätsdifferenz zwischen einer minimalen Intensität und einer maximalen Intensität des Strahlprofils. Es versteht sich, dass die Strahlformungsoptik an Stelle von Axicons andere optische Elemente aufweisen kann, um das erste, beispielsweise gaußförmige Strahlprofil in ein zweites, insbesondere ringförmiges Strahlprofil umzuwandeln, beispielsweise in Form von diffraktiven optischen Elementen. Auch ist es möglich, die Veränderung der
Intensitätsverteilung des Strahiprofils in Bezug auf die Strahlachse des Heizstrahls auf andere Weise zu realisieren, beispielsweise indem unterschiedliche diffraktive optische Elemente in den Strahlengang des Heizstrahls eingebracht werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Heizstrahlungsquelle ausgebildet, den Heizstrahl mit einer einstellbaren Leistung zu erzeugen. Die Einstellung der Leistung kann beispielsweise durch eine Einstellung des Stroms erfolgen, welcher der Heizstrahlungsquelle zur Erzeugung des Heizstrahls zugeführt wird. Durch die
Einstellung der Leistung der Heizstrahlungsquelle kann alternativ oder zusätzlich zur Veränderung der Intensitätsverteilung des Strahlprofils ebenfalls eine Anpassung an eine flachere oder steilere Gauß-förmige Temperaturverteilung in dem Pulver erfolgen, die durch die Erwärmung des Pulvers von unten mittels der weiteren Heizeinrichtung erzeugt wird, um insgesamt in dem Bearbeitungsfeld eine möglichst homogene Temperaturverteilung in dem Pulver zu erzeugen.
Bei einer Ausführungsform weist die Heizstrahlungsquelle zur Erzeugung der Heizstrahlung eine Mehrzahl von Laserdioden auf. Die Leistung von Laserdioden kann auf besonders einfache Weise eingestellt bzw. geregelt werden. Insbesondere kann es sich bei den Laserdioden um Pumpdioden handeln, die zum Pumpen z.B. von Festkörperlasern verwendet werden und die in großen Stückzahlen und somit kostengünstig verfügbar sind. Auch weisen Laserdioden eine gerichtete
Abstrahlcharakteristik auf, so dass sich Laserstrahlung, die von Laserdioden erzeugt wird, auf einfache Weise bündeln lässt. An Stelle von Laserdioden können in der Heizstrahlungsquelle ggf. auch Infrarotstrahler, insbesondere Quarzstrahler, verwendet werden. Die Abstrahlcharakteristik von Quarzstrahlern ist jedoch schlecht kontrollierbar, ganz im Gegensatz zu Laserstrahlung, die sich ideal formen und kontrolliert dorthin lenken lässt, wo sie benötigt wird.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform weist die Heizstrahlungsquelle eine Mehrzahl von Lichtleitfasern auf, wobei ein jeweiliges eintrittsseitiges Faserende einer Lichtleitfaser mit einer jeweiligen Laserdiode gekoppelt ist, und wobei austrittsseitige Faserenden der Lichtleitfasern ein Faserbündel zum Austritt des Heizstrahls bilden. In diesem Fall werden bevorzugt Laserdioden verwendet, die ohnehin bereits über eine Einkopplung in eine jeweilige Pump- bzw. Lichtleitfaser verfügen. Die Anzahl der Laserdioden kann beispielsweise so gewählt werden, dass eine Gesamtleistung der Heizstrahlungsquelle zwischen ca. 100 W und ca. 3000 W erzeugt wird. Die Laserdioden bzw. die Lichtleitfasern sind hierbei derart angeordnet, dass die Lichtleitfasern in einem Faserbündel zusammenlaufen, so dass das Bündel der austrittsseitigen Enden der Lichtleitfasern für die weitere Strahlführung des Heizstrahls als Bildpunkt bzw. als Bildfleck dienen. Dies erleichtert die Zuführung der Laserleistung zu der weiter oben beschriebenen Strahlformungsoptik, die eine räumliche Umorientierung der Laserleistung bzw. der Laserenergie des Heizstrahls vornimmt.
Das von den Laserdioden erzeugte Laserlicht tritt aus den in dem Faserbündel gebündelten Lichtleitfasern mit einem Divergenzwinkel aus, der kleiner oder gleich dem Akzeptanzwinkel der Lichtleitfasern ist. Der Heizstrahl kann von einem
optischen Element, beispielsweise von einer Sammellinse, kollimiert werden, die im Abstand ihrer Brennweite von den austrittseitigen Faserenden angeordnet ist, bevor dieser in die Strahlformungsoptik eintritt. Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Bearbeitungsmaschine eine
Sensoreinrichtung, insbesondere eine Kamera, zur ortsaufgelösten Erfassung einer Ist-Temperaturverteilung des Pulvers in dem Bearbeitungsfeld. Die Beobachtung des Bearbeitungsfeldes kann durch den Strahlengang des Heizstrahls oder des
Bearbeitungsstrahls hindurch erfolgen, es ist aber grundsätzlich auch möglich, die Sensoreinrichtung an einer - nahezu beliebigen - anderen Stelle oberhalb bzw. seitlich versetzt zu dem Bearbeitungsfeld zu positionieren. Die Kamera, die insbesondere als Wärmebildkamera ausgebildet sein kann, ermöglicht es, die Ist- Temperaturverteilung ortsaufgelöst zu messen und somit Abweichungen von einer Soll-Temperaturverteilung zu erkennen, bei der es sich typischerweise um eine homogene Soll-Temperaturverteilung in dem Bearbeitungsfeld handelt.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Bearbeitungsmaschine eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung zur Einstellung der Leistung der Heizstrahlungsquelle und/oder der Intensitätsverteilung des Strahlprofiis des Heizstrahls in Abhängigkeit von einem Baufortschritt bei der Herstellung des dreidimensionalen Bauteils und/oder in Abhängigkeit von der ortsaufgelöst erfassten Ist-Temperaturverteilung. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann sich die Temperaturverteilung des Pulvers in der Bearbeitungsebene in Abhängigkeit vom Baufortschritt, d.h. in Abhängigkeit von der Anzahl der bereits erzeugten Schichten des dreidimensionalen Bauteils sowie zusätzlich in Abhängigkeit von der Geometrie dieser Schichten zeitlich verändern.
Um diese zeitliche Veränderung zu berücksichtigen und möglichst zu jedem
Zeitpunkt des Herstellungsprozesses eine homogene Temperaturverteilung des
Pulvers in dem Bearbeitungsfeld zu erzeugen, kann eine Steuerung der Leistung der Heizstrahlungsquelle und/oder der Intensitätsverteilung des Heizstrahls in
Abhängigkeit vom Baufortschritt erfolgen. Für die Steuerung kann auf Korrektur- Daten zurückgegriffen werden, die vor der Durchführung des Herstellungsprozesses empirisch oder durch Simulationen ermittelt wurden. Die Korrektur-Daten
berücksichtigen die zeitliche Entwicklung der Temperaturverteilung des Pulvers in der Bearbeitungsfeld bei der Heizung des Pulvers von der Unterseite sowie durch den Bearbeitungsstrahl beim Aufschmelzen des Pulvers, so dass die
Steuereinrichtung den zeitlichen Verlauf der Leistung und/oder die
Intensitätsverteilung des Heizstrahls derart einstellen kann, dass während des gesamten Herstellungsprozesses eine möglichst homogene Temperaturverteilung des Pulvers in der Bearbeitungsebene erzeugt wird. Alternativ oder zusätzlich kann anhand der mit Hilfe der Sensoreinrichtung instanten gemessenen, ortsabhängigen Ist-Temperaturverteilung in der Bearbeitungsebene eine Regelung der Leistung der Heizstrahlungsquelle und/oder der Intensitätsverteilung des Heizstrahls erfolgen.
Bei einer Weiterbildung ist die Steuer und/oder Regeleinrichtung ausgebildet, die Ist- Temperaturverteilung in dem Bearbeitungsfeld auf eine (möglichst) homogene Soll- Temperaturverteilung in dem Bearbeitungsfeld zu regeln, d.h. die
Temperaturverteilung sollte an jedem Ort des Bearbeitungsfeldes gleich groß sein. Im Sinne dieser Anmeldung wird unter einer homogenen Temperaturverteilung eine Temperaturverteilung verstanden, bei welcher die Differenz zwischen einer maximalen Temperatur und einer minimalen Temperatur bei weniger als ca. 30 K liegt.
Bei einer weiteren Ausführungsform verläuft der Bearbeitungsstrahl in der
Bestrahlungseinrichtung, insbesondere in der Scannereinrichtung, durch den
Heizstrahl hindurch. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann der Heizstrahl zusammen mit dem Bearbeitungsstrahl durch ein gemeinsames Fenster in die Prozesskammer eingestrahlt werden. Zu diesem Zweck ist es in der Regel erforderlich bzw. günstig, wenn sich der Strahlengang des Bearbeitungsstrahls und der Strahlengang des Heizstrahls überschneiden. Unabhängig davon, ob der Strahlengang des Heizstrahls sich mit dem Strahlengang des Bearbeitungsstrahls überschneidet oder nicht, kann der nach der
Strahlformungsoptik in der Regel koilimierte Heizstrahl beispielsweise mit Hilfe eines fokussierenden optischen Elements in einen Zwischenfokus fokussiert werden, so dass dieser divergent aus der Bestrahlungseinrichtung austritt und den Raum bis zur Bearbeitungsebene mit divergenter Ausbreitung zurücklegt. Im Bereich des
Zwischenfokus kann eine (enge) Blende angeordnet sein, durch die der Heizstahl verläuft, um den bzw. die Scanner-Spiegel der Scannereinrichtung vor der
räumlichen Strahlausbreitung des Heizstrahls zu schützen. Die Blende kann insbesondere zwischen zwei Scanner-Spiegeln der Scannereinrichtung angeordnet sein, die zur Ablenkung des Bearbeitungsstrahls verwendet werden. Der Abstand zwischen dem Zwischenfokus bzw. zwischen dem fokussierenden optischen Element und der Bearbeitungsebene ist so gewählt, dass der Rand des Strahlprofils des Heizstrahls annähernd dem Rand des Bearbeitungsfeldes entspricht. Mit anderen Worten entspricht der Durchmesser des Strahlprofils des Heizstrahls in der Bearbeitungsebene typischerweise im Wesentlichen dem Durchmesser des
Bearbeitungsfeldes.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft auch ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Erwärmen eines Pulvers, umfassend: Erzeugen eines Heizstrahls mit einem ersten Strahlprofil, Umwandeln des ersten Strahlprofils des Heizstrahls in ein zweites, insbesondere ringförmiges Strahlprofil, sowie Erwärmen des Pulvers von oben durch Ausrichten des Heizstrahls mit dem zweiten Strahlprofil auf ein
Bearbeitungsfeld der Bearbeitungsmaschine, an dem eine Öffnung des Behälters gebildet ist. Bevorzugt umfasst das Verfahren das Erwärmen des Pulvers von unten durch Aufheizen des absenkbaren Trägers, auf den das Pulver aufgebracht ist.
Auch bei dem Verfahren erfolgt ein unterstützendes Erwärmen des Pulvers von oben in denjenigen Teilbereichen des Bearbeitungsfeldes, in denen sich das Pulver zu stark abkühlt. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann es sich hierbei
beispielsweise um einen ringförmigen, insbesondere um einen kreisringförmigen Teilbereich, handeln, in dem mit Hilfe des Heizstrahls mit dem ringförmigen
Strahlprofil dem Pulver zusätzliche Wärme zugeführt werden kann. Durch eine duale Heizung des Pulvers von unten und von oben verkürzt sich die Aufheizzeit für das Pulver.
Bei einer Variante umfasst das Verfahren: Verändern einer Leistung der Heizstrahls und/oder einer Intensitätsverteilung des Strahlprofils des Heizstrahls in Abhängigkeit von einem Baufortschritt bei der Herstellung des dreidimensionalen Bauteils und/oder in Abhängigkeit von einer ortsaufgelöst erfassten Ist-Temperaturverteilung des Pulvers in dem Bearbeitungsfeld. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann/können die Leistung des Heizstrahls bzw. einer Heizstrahlungsquelle zur Erzeugung des Heizstrahls und/oder die Intensitätsverteilung des Strahlprofils des Heizstrahls in Abhängigkeit vom Baufortschritt derart eingestellt bzw. gesteuert werden, dass sich in dem Bearbeitungsfeld während der gesamten Dauer des
Herstellungsprozesses eine (annähernd) homogene Temperaturverteilung einstellt. Alternativ oder zusätzlich kann anhand der (instantan) ortsaufgelöst erfassten Ist- Temperaturverteilung in dem Bearbeitungsfeld eine Regelung auf eine möglichst homogene Soll-Temperaturverteilung des Pulvers in dem Bearbeitungsfeld erfolgen. 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 Bearbeitungsmaschine zum
Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen durch Bestrahlen von Pulver mittels einer Bestrahlungseinrichtung, die eine Heizstrahlungsquelle zur Erzeugung eines Heizstrahls und eine Strahlformungsoptik aufweist, sowie eine schematische Darstellung analog zu Fig. 1a, bei welcher die Strahlformungsoptik ausgebildet ist, eine Intensitätsverteilung eines Strahlprofils des Heizstrahls in radialer Richtung in Bezug auf die Strahlachse des Heizstrahls einzustellen bzw. zu verändern.
In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw.
funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet. Fig. 1a zeigt einen beispielhaften Aufbau einer Bearbeitungsmaschine 1 zum
Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils 2 durch Bestrahlen von metallischem Pulver 3, das bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel ein Pulverbett bildet, in welches das dreidimensionale Bauteil 2 bzw. dessen bereits fertiggestellter, in Fig. 1a dargestellter Volumenbereich eingebettet ist. Die Bearbeitungsmaschine 1 weist eine Bestrahlungseinrichtung 4 auf, die eine Laserquelle 5 in Form eines Faserlasers zur Erzeugung eines Bearbeitungsstrahls 6 in Form eines Laserstrahls aufweist. Bei dem Laserstrahl handelt es sich im gezeigten Beispiel um einen Bearbeitungsstrahl 6 mit hoher Leistung, der für die Bestrahlung bzw. zum lokalen Aufschmelzen des Pulvers 3 verwendet wird. Der Bearbeitungsstrahl 6 durchläuft für die Bestrahlung des Pulvers 3 zunächst eine Fokussiereinrichtung 7 in Form einer Linse und tritt nachfolgend in eine
Scannereinrichtung 8 ein, die zwei Scannerspiegel 9a, 9b in Form von
Galvanometer-Spiegeln aufweist. Die Scannereinrichtung 8 dient zur Positionierung des Bearbeitungsstrahls 6 in einem Bearbeitungsfeld B der Scannereinrichtung 8, dessen Ausdehnung bei dem in Fig. 1a gezeigten Beispiel im Wesentlichen der lateralen Erstreckung des Pulverbetts bzw. des Pulvers 3 entspricht. Das
Bearbeitungsfeld B, das mittels des Bearbeitungsstrahls 6 bzw. mittels der
Bestrahlungseinrichtung 4 bestrahlt werden kann, ist durch die maximale Auslenkung der beiden Scannerspiegel 9a, 9b begrenzt.
Wie in Fig. 1a ebenfalls zu erkennen ist, ist das Pulver 3 in einem nach oben offenen Behälter 10 (auch Bauzylinder genannt) angeordnet, der sich in einer
Prozesskammer 1 der Bearbeitungsmaschine 1 befindet. Zur Einstrahlung des
Bearbeitungsstrahls 6 in die Prozesskammer 11 weist die Wand der Prozesskammer 11 ein Fenster 13 auf. Ein Träger 12, der den Boden des Behälters 10 bildet, kann in vertikaler Richtung Z eines XYZ-Koordinatensystems abgesenkt sowie angehoben werden, indem auf den Träger 12 mittels eines nicht näher gezeigten Antriebs eingewirkt wird. Der Träger 12 kann einteilig ausgebildet sein, wie dies in Fig. 1a dargestellt ist, es ist aber abhängig von der Art des Pulvers 3 und des
Herstellungsprozesses auch möglich, einen mehrteiligen Träger 12 zu verwenden, der eine (nicht bildlich dargestellte) Grundplatte aufweist, die den Behälter 10 nach unten abschließt und an die sich ein kolbenförmiger Teil des Trägers 12 anschließt. Gegebenenfalls kann auf der Grundplatte eine ebenfalls nicht näher dargestellte
Bauplattform angebracht sein, auf der das dreidimensionale Bauteil 2 aufgebaut wird.
Das Bearbeitungsfeld B bildet einen Teilbereich einer Bearbeitungsebene E, die an der Oberseite einer Arbeitsplatte 14 gebildet ist, welche den Behälter 10 allseitig umgibt. Die Arbeitsplatte 14 ist so in der Prozesskammer 11 angeordnet, dass die Oberseite der Arbeitsplatte 14 in der Bearbeitungsebene E liegt. Zur Herstellung einer Schicht des dreidimensionalen Bauteils 2 wird die oberste Schicht des Pulvers 3 bzw. des Pulverbetts, die in dem Bearbeitungsfeld B in der Bearbeitungsebene E angeordnet ist, mit Hilfe des Bearbeitungsstrahls 6 bestrahlt. Hierbei wird das Pulver 3 selektiv in den Bereichen aufgeschmolzen und verfestigt, die dem Querschnitt der jeweils herzustellenden Schicht des dreidimensionalen Bauteils 2 entsprechen.
Da das Bearbeitungsfeld B, in dem das Pulver 3 aufgeschmolzen wird, bei der Herstellung des dreidimensionalen Bauteils 2 in konstantem Abstand zur
Scannereinrichtung 8 und somit zur fokussierenden Linse 7 verbleibt, welche den Bearbeitungsstrahl 6 in die Bearbeitungsebene E fokussiert, wird zum Auftragen einer neuen Schicht des Pulvers 3 der Träger 14 um die Dicke einer Pulverschicht abgesenkt, wie in Fig. 1 durch einen Pfeil angedeutet ist. Mit Hilfe einer nicht bildlich dargestellten Transporteinrichtung, die beispielsweise einen Schieber aufweisen kann, wird zusätzliches Pulver 3 aus einem ebenfalls in der Prozesskammer 11 angeordneten Vorratsbehälter 15 entnommen und entlang der Oberseite der
Arbeitsplatte 14 zu einer oberen Öffnung 10a des Behälters 10 transportiert, um dort eine weitere Pulverschicht zur Herstellung des dreidimensionalen Bauteils 2 zu bilden, die nachfolgend mit dem Bearbeitungsstrahl 6 bestrahlt wird.
Für das Vorheizen bzw. das Erwärmen des Pulvers 3 weist die
Bearbeitungsmaschine 1 eine weitere Heizeinrichtung 16 auf, die den Träger 12 aufheizt und das Pulver 3 von unten erwärmt. Bei dem in Fig. 1a gezeigten Beispiel weist die weitere Heizeinrichtung 16 zu diesem Zweck ein plattenförmiges
Heizelement 17 auf, das als Heizwiderstand ausgebildet ist und das in den Träger 12 eingepresst ist. Die weitere Heizeinrichtung 16 bildet in diesem Fall eine elektrische Widerstandsheizung, welche das Heizelement 17 mit einem Strom beaufschlagt, um das Pulver 3 möglichst homogen von unten zu beheizen. An Stelle einer weiteren Heizeinrichtung 16 in Form einer Widerstandsheizung kann auch eine andere Art von weiterer Heizeinrichtung 16 verwendet werden, die mindestens ein Heizelement aufweist, das mit dem Träger 12 in Kontakt steht. Beispielsweise können zu diesem Zweck auch Heizelemente verwendet werden, die von einer Flüssigkeit durchströmt werden.
Es hat sich gezeigt, dass die Heizung des Pulvers 3 von unten mit Hilfe der weiteren Heizeinrichtung 16 geometriebedingt in der Regel nicht zu einer homogenen
Temperaturverteilung des Pulvers 3 in dem Bearbeitungsfeld B führt. Vielmehr führen Wärmeverluste, die u.a. durch Konvektion, durch Wärmeleitung über das metallische Pulver 3 direkt an die in der Regel gekühlte Wand des Behälters 10 sowie durch Strahlungsverluste an alle angrenzenden Oberflächen entstehen, zu einer mit zunehmender Pulverfüllhöhe (d.h. mit zunehmendem Abstand zwischen der
Oberseite des Pulverbetts an der oberen Öffnung 10a und dem Träger 12) zunehmend inhomogenen Wärmeverteilung in dem Behälter 10. Wird der Träger 12 in den typischerweise zylinderförmigen Behälter 10 abgesenkt, so bildet sich typischerweise in dem Pulver 3 eine Temperaturverteilung aus, die einer Gauß- förmigen Temperaturverteilung ähnelt, wobei eine maximale Temperatur
typischerweise auf der in vertikaler Richtung verlaufenden Zylinderachse des
Behälters 10 angenommen wird. Alternativ kann sich auch eine Temperaturverteilung ausbilden, die einer kegelförmigen, oder kegelstumpfförmigen Temperaturverteilung ähnelt.
In der Regel ist es für die Herstellung des dreidimensionalen Bauteils 2 günstig, wenn das Pulver 3 eine möglichst homogene (Ist-)Temperaturverteilung Ti(r) (r: Abstand von der vertikal verlaufenden Mittelachse des Behälters 10) über das gesamte, im gezeigten Beispiel kreisförmige Bearbeitungsfeld B aufweist. Eine solche Temperaturverteilung Ti(r) kann mit Hilfe der weiter oben beschriebenen weiteren Heizeinrichtung 16, welche das Pulver 3 von unten erwärmt, in der Regel nicht erzeugt werden. Für die Erzeugung einer möglichst homogenen
Temperaturverteilung Ti(r) in dem Bearbeitungsfeld B weist die
Bearbeitungsmaschine 1 , genauer gesagt die Bestrahlungseinrichtung 4, daher eine Heizeinrichtung 18 auf, die nachfolgend näher beschrieben wird. Die Heizeinrichtung 18 umfasst eine Heizstrahlungsquelle 19 zum Erzeugen eines Heizstrahls 20, der auf das Bearbeitungsfeld B ausgerichtet wird, um das Pulver 3 in dem Bearbeitungsfeld B von oben zu erwärmen. Der aus der Heizstrahlungsquelle 19 divergent austretende Heizstrahl 20 wird zunächst mittels einer Sammellinse 21 kollimiert. Wie in Fig. 1a ebenfalls zu erkennen ist, wird der Heizstrahl 20 von der Heizstrahlungsquelle 19 mit einem ersten Strahlprofil S1 erzeugt, dessen im gezeigten Beispiel Gauß-förmige Intensitätsverteilung in Bezug auf eine Strahlachse 20a des Heizstrahls 20 mit Hilfe einer Strahlformungsoptik 22 in ein zweites, ringförmiges Strahlprofil S2 umgeformt wird. Bei dem ringförmigen Strahlprofil S2 ist das Intensitätsmaximum der radialen Intensitätsverteilung l(r) des Heizstrahls 20 von der Strahlachse 20a beabstandet ist, d.h. dieses befindet sich nicht wie bei dem ersten Strahiprofil S1 im Zentrum bzw. auf der Strahlachse 20a des Heizstrahls 20.
Für die Umwandlung des ersten Strahlprofils S1 in das zweite Strahlprofil S2 weist die in Fig. 1a gezeigte Strahlformungsoptik 22 ein plankonvexes Axicon 23 auf, welches das erste Strahlprofil S1 des in die Strahlformungsoptik 22 kollimiert eintretenden Heizstrahls 20 in das zweite, ringförmige Strahiprofil S2 umwandelt. Ein Apexwinkel des plankonvexen Axicons 23 ist so gewählt, dass eine minimale
Intensität I IN des zweiten Strahlprofils S2 auf der Strahlachse 20a des Heizstrahls 20 bei nicht mehr als 60% einer maximalen Intensität IMAX des zweiten Strahlprofils S2 des Heizstrahls 20 liegt. Der Heizstrahl 20, der nach dem Axicon 23 divergent verläuft, wird mit Hilfe einer weiteren Sammellinse 24 kollimiert. Der kollimierte Heizstrahl 20 wird mit Hilfe einer Fokussierlinse 25 über einen Umlenkspiegel 26 auf einen Zwischenfokus F fokussiert, an dem eine Blende 27 angeordnet ist. Wie in Fig. 1a zu erkennen ist, ist die Blende 27 zwischen den beiden Scannerspiegeln 9a, 9b der Scannereinrichtung 8 angeordnet.
Nach dem Zwischenfokus F verläuft der Heizstrahl 20 divergent und trifft divergent auf das Bearbeitungsfeld B in der Bearbeitungsebene E, um das Pulver 3 zu erwärmen. Die Fokussierlinse 25 ist in einem solchen Abstand in Bezug auf die Bearbeitungsebene E angeordnet, dass der (Außen-)Durchmesser des Heizstrahls 20 im Wesentlichen dem Durchmesser der Öffnung 10a des Behälters 10 und somit dem Durchmesser des Bearbeitungsfeldes B entspricht. Der Bearbeitungsstrahl 6, der mit Hilfe der Scannerspiegel 9a, b über das Bearbeitungsfeld B bewegt wird, verläuft durch den Heizstrahl 20 hindurch bzw. der Bearbeitungsstrahl 6 und der Heizstrahl 20 überschneiden sich beim Austritt aus der Scannereinrichtung 8.
Durch das Bestrahlen des Pulvers 3 in dem Bearbeitungsfeld B von oben mit Hilfe des Heizstrahls 20 mit dem ringförmigen Strahiprofil S2 wird das Pulver 3 zusätzlich in einem ringförmigen Bereich um die Mittelachse des Behälters 10 erwärmt. Auf diese Weise wird dem Pulver 3 in dem typischerweise am Rand des
Bearbeitungsfeldes B liegenden Teilbereich, in dem aus geometrischen Gründen eine erhöhte Wärmeabfuhr bei der Heizung des Pulvers 3 von unten erfolgt, gezielt Wärmeenergie zugeführt, um eine möglichst homogene, gleichförmige (Ist- )Temperaturverteilung Ti(r) in dem Bearbeitungsfeld B zu erzeugen.
Es hat sich gezeigt, dass bei der Erwärmung des Pulvers 3 in dem Bearbeitungsfeld B von unten mit Hilfe der weiteren Heizeinrichtung 16 die Temperaturverteilung Ti(r) in dem Bearbeitungsfeld B während des Herstellungsprozesses in der Regel nicht zeitlich konstant ist, und zwar aus folgenden Gründen: Einerseits weisen die
Schichten des dreidimensionalen Bauteils 2 eine gute Wärmeleitung auf, während das Pulver 3 selbst eine vergleichsweise geringe Wärmeleitung aufweist, so dass sich die Temperaturverteilung Ti(r) während der Herstellung des dreidimensionalen Bauteils 2 mit dem Baufortschritt, d.h. mit der Anzahl der bereits hergestellten
Schichten des dreidimensionalen Bauteils 2, verändert. Andererseits wird der Träger 12 während des Herstellungsprozesses des dreidimensionalen Bauteils 2 abgesenkt, wodurch die Temperaturverteilung Ti(r) in dem Pulverbett und somit in dem
Bearbeitungsfeld B ebenfalls zeitlich variiert. Die im Wesentlichen Gauß-förmige Temperaturverteilung Ti(r), die aufgrund der Erwärmung des Pulvers 3 von unten mit Hilfe der weiteren Heizeinrichtung 16 in dem Bearbeitungsfeld B gebildet wird, kann daher zeitabhängig flacher oder steiler ausfallen. Um während des gesamten
Herstellungsprozesses eine im Wesentlichen homogene Temperaturverteilung Ti(r) in dem Bearbeitungsfeld B zu erhalten, weist die Bearbeitungsmaschine 1 , im gezeigten Beispiel die Bestrahiungseinrichtung 4, eine Steuer- und/oder
Regeleinrichtung 32 auf, die ausgebildet ist, die Leistung P der Heizstrahlungsquelle 19 einzustellen bzw. während des Herstellungsprozesses derart zu verändern, dass durch die Erwärmung des Pulvers 3 von unten mit Hilfe der weiteren Heizeinrichtung 16 und durch die Erwärmung des Pulvers 3 von oben mit Hilfe der Heizeinrichtung 18 bzw. mit Hilfe des Heizstrahls 20 eine im Wesentlichen homogene
Temperaturverteilung Ti(r) in dem Bearbeitungsfeld B erzeugt wird.
Im einfachsten Fall stellt die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 32 zu diesem Zweck die Leistung P der Heizstrahlungsquelle 19 während des Herstellungsprozesses in Abhängigkeit von Daten über den zeitlichen Verlauf der Ist-Temperaturverteilung Ti(t) in dem Bearbeitungsfeld B, die in einem vorausgehenden Herstellungsprozess eines dreidimensionalen Bauteils 2 mit identischer Geometrie (aber ohne die Erwärmung des Pulvers 3 von oben) oder die aufgrund von Simulationen der Wärmeverteilung in dem Behälter 10 bzw. in dem Bearbeitungsfeld B ermittelt wurden. In diesem Fall kann auf eine Regelung der Leistung P der Heizstrahlungsquelle 19 verzichtet werden. Bei dem in Fig. 1 a gezeigten Beispiel weist die Bearbeitungsmaschine 1 eine
Sensoreinrichtung 31 in Form einer Wärmebild-Kamera auf, welche ausgebildet ist, die Ist-Temperaturverteilung Ti(r) des Pulvers 3 in dem Bearbeitungsfeld B instantan zu erfassen. Der Strahlengang der Sensoreinrichtung 31 wird zu diesem Zweck über einen teildurchlässigen Spiegel in den Strahlengang des Bearbeitungsstrahls 6 eingekoppelt. Bei der Verwendung der Sensoreinrichtung 31 kann die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 32 die Leistung P der Heizstrahlungsquelle 19 in
Abhängigkeit von der ortsaufgelöst erfassten Ist-Temperaturverteilung Ti(r) einstellen, und zwar derart, dass das ringförmige Strahlprofil S2 der Heizeinrichtung 18 einen zu der gemessenen Ist-Temperaturverteilung Ti(r) im Wesentlichen inverses Intensitätsprofil l(r) aufweist, so dass die Ist-Temperaturverteilung Ti(r) auf eine Soll- Temperaturverteilung Ts(r) mit einer über das gesamte Bearbeitungsfeld B möglichst konstanten Temperatur geregelt werden kann.
Für die Einstellung der Leistung P der Heizstrahlungsquelle 19 kann die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 32 einen Strom einstellen, der einer Mehrzahl von
Laserdioden 28 zugeführt wird, die einen Teil der Heizstrahlungsquelle 19 bilden. Die Anzahl der Laserdioden 28 der Heizstrahlungsquelle 19 ist so gewählt, dass diese insgesamt eine maximale Leistung P des Heizstrahls 20 zwischen ca. 100 W und ca. 3000 W erzeugen können. Die Heizstrahlungsquelle 19 weist auch eine der Anzahl von Laserdioden 28 entsprechende Anzahl von Lichtleitfasern 29 auf. Ein
eintrittsseitiges Faserende 29a einer jeweiligen Lichtleitfaser 29 ist mit einer zugehörigen Laserdiode 28 gekoppelt, um die von der Laserdiode 28 erzeugte Laserstrahlung in die Lichtleitfaser 29 einzukoppeln. Austrittsseitige Faserenden 29b der Lichtleitfasern 29 sind benachbart zueinander in einer gemeinsamen Ebene angeordnet und bilden ein Faserbündel 30 zur Bündelung der Laserstrahlung der Laserdioden 28 zu einem Fleck bzw. einem Bildpunkt, von dem der Heizstrahl 20 mit einem Divergenz-Winkel ausgeht, der kleiner ist als der Akzeptanzwinkel der
Lichtleitfasern 29. Wie weiter oben beschrieben wurde, wird der von den Faserenden 29a ausgehende Heizstrahl 20 von der Sammellinse 21 kollimiert, die im Abstand ihrer Brennweite f zu der Ebene mit den Faserenden 29b der Lichtleitfasern 29 angeordnet ist.
Um eine möglichst homogene Ist-Temperaturverteilung Ti(r) in dem Bearbeitungsfeld B zu erzeugen, ist es günstig, wenn zusätzlich (oder ggf. alternativ) zur Leistung P der Heizstrahiungsquelle 19 auch die (radiale) Intensitätsverteilung l(r) des ringförmigen Strahlprofils S2 des Heizstrahls 20 verändert werden kann, das von der Strahlformungsoptik 22 erzeugt wird. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine Strahlformungsoptik 22 verwendet werden, die wie in Fig. 1 b dargestellt ausgebildet ist. Die Strahlformungsoptik 22 von Fig. 1 b unterscheidet sich von der
Strahlformungsoptik 22 von Fig. 1 a im Wesentlichen dadurch, dass an Stelle eines Axicons 23 zwei Axicons 23a, b verwendet werden: Das erste, plankonvexe Axicon 23a entspricht hierbei dem Axicon 23 der Strahlformungsoptik 22 von Fig. 1 a, das zweite, plankonkave Axicon 23b ersetzt die Kollimationslinse 24 der
Strahlformungsoptik 22 von Fig. 1 a.
Das zweite Axicon 23b weist denselben Apexwinkel auf wie das erste Axicon 23a, so dass der vor dem ersten Axicon 23a kollimierte Heizstrahi 20 nach dem zweiten Axicon 23b ebenfalls kollimiert verläuft. Der Abstand L zwischen dem ersten Axicon 23a und dem zweiten Axicon 23b entlang der Strahlachse 20a des Heizstrahls 20 kann mit Hilfe mindestens einer nicht bildlich dargestellten Verschiebeeinrichtung verändert bzw. eingestellt werden. Auf diese Weise kann beispielsweise eine
Intensitätsdifferenz ΔΙ zwischen einer minimalen Intensität I IN auf der Strahlachse 20a des zweiten Strahlprofils 20 und einer maximalen Intensität I AX in einem typischerweise ringförmigen Strahlprofilbereich des zweiten Strahlprofils S2 eingestellt werden, der von der Strahlachse 20a beabstandet ist. Alternativ oder zusätzlich kann durch das Verändern des Abstands L zwischen den beiden Axicons 23a, 23b auch ein Abstand zwischen der Strahlachse 20a des Heizstrahls 20 und dem ringförmigen Strahlprofilbereich eingestellt werden, an dem das zweite
Strahlprofil S2 seine maximale Intensität IMAX aufweist.
Wie in Fig. 1 b durch einen Pfeil angedeutet ist, kann die Steuer- und/oder
Regeleinrichtung 32 für die Steuerung bzw. Regelung der Ist-Temperaturverteilung Ti(r) in dem Bearbeitungsfeld B auf eine möglichst homogene Soll- Temperaturvertei!ung Ts(r) auf die Strahlformungsoptik 22 einwirken, um den
Abstand L zwischen den beiden Axicons 23a, 23b und somit die Intensitätsverteilung l(r) des ringförmigen Strahlprofils S2 geeignet zu verändern. Wie in Fig. 1 b ebenfalls zu erkennen ist, weist die weitere Heizeinrichtung 16 zur Erwärmung des Pulvers 3 von unten eine Infrarot-Strahlungsquelle 17a,
beispielsweise in Form eines Quarzstrahlers, auf, um den Träger 12 an seiner Unterseite möglichst homogen zu erwärmen. Es versteht sich, dass die weitere Heizeinrichtung 16 zur Erwärmung des Pulvers 3 von unten auch andere Arten von Heizelementen aufweisen kann, die ggf. eine Temperaturverteilung Ti(r) in dem
Bearbeitungsfeld B erzeugen, die nicht Gauß-förmig ist. Auch in diesem Fall kann mit Hilfe der Heizeinrichtung 18 bzw. mit Hilfe der Strahlformungsoptik 22 ein
ringförmiges Strahlprofil S2 mit einer geeigneten, nicht zwingend
rotationssymmetrischen Intensitätsverteilung l(r) erzeugt werden, um das Pulver 3 gezielt an den Stellen zusätzlich zu erwärmen, an denen das Pulver 3 bei der Erwärmung von unten nicht ausreichend stark erwärmt wird bzw. sich zu stark abkühlt.

Claims

Patentansprüche
1. Bearbeitungsmaschine (1 ) zum schichtweisen Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen (2) durch Bestrahlen von Pulver (3) mittels eines Bearbeitungsstrahls (6), insbesondere mittels eines Laserstrahls, umfassend:
einen Behälter (10) mit einem absenkbaren Träger (12) zur Aufbringung des Pulvers (3),
eine Bestrahlungseinrichtung (4) mit einer Scannereinrichtung (8) zum Ausrichten des Bearbeitungsstrahls (6) auf ein Bearbeitungsfeld (B) an einer Öffnung (10a) des Behälters (10) zum schichtweisen Herstellen des dreidimensionalen Bauteils (2) durch Bestrahlen des Pulvers (3),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bestrahlungseinrichtung (4) eine Heizeinrichtung (18) aufweist, die eine Heizstrahlungsquelle (19) zum Erzeugen eines Heizstrahls (20) zum Erwärmen des Pulvers (3) von oben durch Ausrichten des Heizstrahls (20) auf das
Bearbeitungsfeld (B) sowie eine Strahlformungsoptik (22) aufweist, die
ausgebildet ist, ein erstes Strahlprofil (S1 ) des Heizstrahls (20) in ein zweites, insbesondere ringförmiges Strahlprofil (S2) des Heizstrahls (20) umzuwandeln.
2. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 1 , weiter umfassend: eine weitere
Heizeinrichtung (16) zum Erwärmen des Pulvers (3) von unten durch Aufheizen des Trägers (12).
3. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 2, bei dem die weitere Heizeinrichtung (16) zum Aufheizen des Trägers (12) mindestens eine Infrarot-Strahlungsquelle (17a) und/oder mindestens ein in den Träger (12) eingebettetes Heizelement (17) aufweist.
4. Bearbeitungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Strahlformungsoptik (22) ausgebildet ist, eine Intensitätsverteilung (l(r)) des zweiten Strahlprofils (S2) des Heizstrahls (20) einzustellen.
5. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 4, bei welcher die Strahlformungsoptik (22) ausgebildet ist, eine Intensitätsdifferenz (ΔΙ) zwischen einer minimalen Intensität (IMIN) und einer maximalen Intensität (IMAX) des zweiten Strahlprofils (S2) des Heizstrahls (20) einzustellen.
6. Bearbeitungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei weicher die Strahlformungsoptik (22) ausgebildet ist, ein zweites Strahlprofil (S2) des Heizstrahls (20) zu erzeugen, bei dem eine minimale Intensität (IMIN) des
Heizstrahls (20) auf einer Strahlachse (20a) des Heizstrahls (20) mindestens 60% einer maximalen Intensität (IMAX) des Heizstrahls (20) beträgt.
7. Bearbeitungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Strahlformungsoptik (22) zur Erzeugung des zweiten Strahlprofils (S2) mindestens ein Axicon (23; 23a,b) aufweist.
8. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 7, bei welcher die Strahlformungsoptik (22) zwei Axicons (23a, 23b) aufweist, deren Abstand (L) zur Veränderung der Intensitätsverteilung (l(r)) des zweiten Strahlprofils (S2) des Heizstrahls (20) einstellbar ist.
9. Bearbeitungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Heizstrahlungsquelle (19) ausgebildet ist, den Heizstrahl (20) mit einer einstellbaren Leistung (P) zu erzeugen.
10. Bearbeitungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Heizstrahlungsquelle (19) zur Erzeugung des Heizstrahls (20) eine Mehrzahl von Laserdioden (28) aufweist.
11. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 10, bei welcher die Heizstrahlungsquelle (19) eine Mehrzahl von Lichtleitfasern (29) aufweist, wobei ein jeweiliges eintrittsseitiges Faserende (29a) einer Lichtleitfaser (29) mit einer jeweiligen Laserdiode (28) gekoppelt ist, und wobei austrittsseitige Faserenden (29b) der Lichtleitfasern (29) ein Faserbündel (30) zum Austritt des Heizstrahls (20) bilden.
12. Bearbeitungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter
umfassend: eine Sensoreinrichtung (31 ), insbesondere eine Kamera, zur ortsaufgelösten Erfassung einer Ist-Temperaturverteilung (Ti(r)) des Pulvers (3) in dem Bearbeitungsfeld (B).
13. Bearbeitungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter
umfassend: eine Steuer- und/oder Regel-Einrichtung (32) zur Einstellung der Leistung (P) der Heizstrahlungsquelle (19) und/oder der Intensitätsverteilung (l(r)) des zweiten Strahlprofils (S2) des Heizstrahls (20) in Abhängigkeit von einem Baufortschritt bei der Herstellung des dreidimensionalen Bauteils (2) und/oder in Abhängigkeit von der ortsaufgelöst erfassten Ist-Temperaturverteilung (Ti(r)).
14. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 13, bei welcher die Steuer- und/oder
Regeleinrichtung (32) ausgebildet ist, die Ist-Temperaturverteilung (Ti(r)) in dem Bearbeitungsfeld (B) auf eine homogene Soll-Temperaturverteilung (Ts(r)) in dem Bearbeitungsfeld (B) zu regeln.
15. Bearbeitungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Bearbeitungsstrahl (6) durch den Heizstrahl (20) hindurch verläuft.
16. Verfahren zum Erwärmen eines Pulvers (3), das in einer Bearbeitungsmaschine (1 ) zum schichtweisen Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen (2) auf einen absenkbaren Träger (12) eines Behälters (10) aufgebracht ist, umfassend:
Erzeugen eines Heizstrahls (20) mit einem ersten Strahlprofil (S1 ),
Umwandeln des ersten Strahlprofils (S1 ) des Heizstrahls (20) in ein zweites, insbesondere ringförmiges Strahlprofil (S2), sowie
Erwärmen des Pulvers (3) von oben durch Ausrichten des Heizstrahls (20) mit dem zweiten Strahlprofil (S2) auf ein Bearbeitungsfeld (B) der
Bearbeitungsmaschine (1 ), an dem eine Öffnung (10a) des Behälters (10) gebildet ist, wobei das Verfahren bevorzugt weiter umfasst:
Erwärmen des Pulvers (3) von unten durch Aufheizen des absenkbaren Trägers (12), auf den das Pulver (3) aufgebracht ist.
17. Verfahren nach Anspruch 16, weiter umfassend:
Verändern einer Leistung (P) des Heizstrahls (20) und/oder einer
Intensitätsverteilung (l(r)) des zweiten Strahlprofils (S2) des Heizstrahls (20) in Abhängigkeit von einem Baufortschritt bei der Herstellung des dreidimensionalen Bauteils (2) und/oder in Abhängigkeit von einer ortsaufgelöst erfassten Ist- Temperaturverteilung (l(r)) des Pulvers (3) in dem Bearbeitungsfeld (B).
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