WO2020160726A1 - Vorrichtung zum generativen aufbauen eines bauteils - Google Patents

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distortion optics
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Christian Liebl
Steffen Schlothauer
Johannes Casper
Katrin Friedberger
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Definitions

  • the present invention relates to a device for the generative construction of a component.
  • Generative manufacturing processes not only allow prototypes to be built quickly, but also components or components with certain material properties that are otherwise difficult to manufacture due to their geometry, for example.
  • the structure is built up in layers, and geometries can also be created which, for example, would not be accessible with a casting process.
  • powder bed processes the material is kept in powder form and applied layer by layer sequentially. After each layer has been applied, it is selectively irradiated and thus solidified in a desired area by melting the powder as a result of the irradiation. The next layer of powder is then applied and consolidated in areas according to the component geometry to be produced.
  • a corresponding manufacturing device has a material receptacle in which the informally or neutrally stored material is arranged.
  • a beam source is provided for irradiation, the beam of which can be moved over the material receptacle, that is to say over a construction area, by means of a tilting unit.
  • a respective layer on the building surface can be irradiated in a specific area and the material can thus be consolidated in certain areas.
  • the present invention is based on the technical problem of specifying a particularly advantageous device for the generative construction of a component.
  • this is achieved according to the invention with the device according to claim 1.
  • this has distortion optics, via which the beam is guided in front of the construction area.
  • the distortion optics With the distortion optics, the cross-sectional profile of the beam is distorted in the event of an oblique incidence on the construction area. In this way, a distortion of the spot shape can be counteracted, which arises in the case of an inclined incident beam for reasons of geometry.
  • the beam for example, as a cylinder, an elliptical shape (oblique cylinder section) results on the construction surface at the oblique incidence.
  • the coupled energy can then be e.g. B. vary in size depending on the scanning direction.
  • the beam can be distorted in front of the construction area in such a way that a distortion due to the oblique incidence is compensated, so the resulting spot is distortion-free.
  • the distortion of the spot in the event of an oblique incidence is counteracted by creating a cross-sectional profile of the beam with the distortion optics is compressed in a plane of incidence and / or is widened in a transverse plane perpendicular to the plane of incidence.
  • the plane of incidence is spanned by the beam, in particular its center axis, together with a surface normal on the building surface.
  • the central axis lies in the middle of the beam and penetrates the construction area where the surface normal has its base point
  • the transverse plane perpendicular to the plane of incidence also contains the central axis of the ray; in other words, the center axis of the ray is the intersection of the incidence and transverse planes.
  • the cross-sectional profile of the beam is viewed in a plane perpendicular to its center axis, namely in front of the construction area (before the beam hits the construction area).
  • upstream and downstream generally refer to the direction of radiation, i.e. the path of the beam from the beam source to the building area. As far as reference is made to the propagation of the beam or its profile, this should be read with regard to the device to the effect that it is set up for an operation in which such a beam propagation takes place.
  • the beam has a circular cross-sectional profile upstream of the distortion optics and an elliptical cross-sectional profile downstream of the distortion optics. If such an elliptically distorted beam hits the construction area, this results in a circular spot.
  • the elliptical cross-sectional profile can in particular be oriented in such a way that a line of intersection with the plane of incidence results in the small semi-axis and a line of intersection with the transverse plane results in the large semi-axis.
  • the distortion optics are adaptive, so the strength of the distortion can be adjusted.
  • the beam or its cross-sectional profile can thus be more distorted the more obliquely it falls on the building surface, i.e. the greater the angle of incidence.
  • the latter is taken between the center axis of the beam and a surface normal placed in the construction area in the spot.
  • a spot of the same shape can be created anywhere on the construction area preferably also of the same size (radius or diameter) and intensity distribution.
  • a dynamic focusing unit is also provided with which the beam cross-section can be reduced and enlarged without distortion.
  • the beam can be focused to different degrees at different angles of incidence in order to counteract a variation in the spot size that would result from the different degrees of distortion. If the beam hits the construction area at a larger angle of incidence and is correspondingly more distorted with the distortion optics, the same spot size can be achieved as a result of a stronger focusing as with a smaller angle of incidence, at which the beam is less distorted and with the degree of distortion the focus unit is also less focused.
  • a lens system (rotationally symmetrical about the optical axis), for example, can be provided as the focusing unit, the different focusing being able to be achieved by a relative offset of the lenses.
  • the beam can also be an electron beam, which is adjusted in the distortion optics with electron lenses.
  • a laser source is provided as the beam source, which emits a laser beam during operation.
  • the cross-sectional profile of the laser beam is preferably round, the intensity distribution is typically Gaussian.
  • the laser source can be, for example, a CO2 laser, Nd: Y ⁇ G laser or Yb fiber laser or also a diode laser.
  • the distortion optics can also be implemented in a reflective manner, that is to say via a mirror system.
  • it is a refractive optic, that is, the beam is formed by refraction.
  • the distortion optics have a first and a second prism which form an anamorphic pair of prisms.
  • the laser beam penetrates this, resulting in differently sized image scales on two mutually perpendicular axes (in the case of the ellipse, these are the small and the major semi-axis).
  • the first and the second prism are preferably mounted such that they can be tilted relative to one another, it being possible to change the ratio of the imaging scales by changing the relative tilting. If the laser beam strikes the building surface at a small angle, only a small difference in the imaging scales is required for compensation, whereas a larger difference is set for a large angle of incidence.
  • a distortion of the laser beam can also be achieved by means of cylindrical lenses which are arranged one after the other in the beam path.
  • convex cylindrical lenses can be provided, so that the cross-sectional profile 1 can be expanded. In the plane in which the cylinder axes lie, however, it remains unchanged. This results in the desired asymmetry of the image, i.e. the distortion.
  • the cylinder lenses can be arranged, for example, telecentrically, preferably both on the beam source side and on the building surface side.
  • the cylindrical lenses in the distortion optics are mounted so as to be displaceable relative to one another, so their spacing in the direction of radiation can be changed.
  • one cylindrical lens can be arranged in a stationary manner in the distortion optics and only the other lens can be mounted so that it can be displaced (however, both lenses can also be mounted so as to be displaceable).
  • the distortion optics have a diaphragm through which the laser beam passes.
  • the diaphragm limits the cross-sectional profile of the laser beam on two mutually perpendicular axes to a different extent, namely, in the case of the preferred circular or elliptical shape, more on the small semiaxis.
  • a part of the beam is cut away there in order to set the desired cross-sectional profile.
  • the diaphragm can in particular be a field diaphragm.
  • An arrangement or a structure as a spatial filter can be preferred, that is to say a converging lens can be arranged in front of the diaphragm.
  • the diaphragm is adjustable, so the profile of its diaphragm opening can be changed. This does not apply, or not only, to the opening width, but in particular to the opening ratio on two mutually perpendicular axes. The change is greater on one axis than on the other, so, for example, ellipses with a different ratio of small to large semiaxes can be set (up to a circular shape). The beam incident at a large angle can thus be more distorted than the beam incident at a small angle or perpendicularly.
  • the tilting unit is a tiltably mounted mirror, for example a galvanometrically mounted scanner mirror.
  • the tiltable mirror is preferably arranged essentially centrally above the construction area, so that a perpendicularly incident beam hits the construction area in the center.
  • the angles of incidence towards the edges of the building area are correspondingly larger.
  • the distortion optics are preferably located in front of the tilting unit, that is to say in particular the tiltably mounted mirror. If a dynamic focusing unit is provided in a preferred embodiment, it can be located in front of the distortion optics, that is between
  • Beam source and distortion optics In general, one advantage of the device according to the invention can lie in a comparatively compact arrangement of beam source, tilting unit and distortion optics. If the beam is formed upstream of the tilting unit, the tilting unit does not have to move a large weight, which simplifies the suspension etc. In order to obtain a constant spot shape over the construction area in a way that is alternative to the present subject matter, the beam could, for example, also be guided onto the construction area via a telecentric F-theta lens. Due to the imaging into infinity, the beam would always fall perpendicularly onto the construction area, regardless of the position. However, such a lens would have to be almost as large as the construction area and could at best be manufactured with great effort and thus cost-intensively.
  • the invention also relates to a method for the generative build-up of a component.
  • a material held in an informal or neutral shape is then arranged, in general, for example, also a liquid, preferably a powder, in particular a metal powder.
  • the construction area is on the surface of the material (on the surface of the respective processed layer).
  • To solidify a certain range of the beam is then moved by means of the tilting unit on the construction area, 'there is irradiated for solidification.
  • the cross-sectional profile 1 is compressed in the incidence plane and / or expanded in the transverse plane.
  • the invention also relates to the use of a device disclosed in the present case for the generative construction of a component which is designed as part of an axial flow machine, in particular an aircraft engine.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention in a schematic, partially cut side view
  • FIG. 2 spot shapes on a construction surface of the device according to FIG. 1, without adaptation by the distortion optics;
  • FIG. 3 shows possibilities for adapting the cross-sectional profile with the distortion optics
  • FIG. 4 shows a first possibility for designing distortion optics
  • FIG. 5 shows a second possibility for designing distortion optics
  • FIG. 6 shows a third possibility for designing distortion optics.
  • FIG. 1 shows a device 1 for the generative construction of a component 2 from a material 3 which is held in powder form.
  • the material 3 is arranged in a material receptacle 4; it is solidified in layers on a construction surface 5 by melting the powder. Then the part of the component 2 that has been produced up to now is lowered (not shown in detail) and the next powder layer is applied and solidified on the construction surface 5.
  • the solidification takes place by irradiation with a beam 6, namely a laser beam.
  • This process is also known as selective laser beam melting (SLM).
  • a beam source 7, in the present case a laser source, is provided for emitting the beam 6.
  • a tilting unit 8 which in the present case is equipped with galvanometrically mounted scanner mirrors.
  • the beam 6 arrives at a corresponding X / Y position of the building surface 5. In the situation shown in FIG. 1, it is deflected towards the edge; Time).
  • FIG. 2 shows the construction area 5 in a top view, that is, looking at it from above against the Z direction in FIG.
  • a spot 20 (dotted) can be seen which the beam 6 generates upon central incidence.
  • a spot 21 is shown, which the beam 6 generates on the edge of the construction area 5. Because of the oblique incidence there, the spot 21 is no longer circular, but rather elliptical. If such a spot 21 is moved over the construction area 5, the coupled-in energy depends on the scanning direction; compare the introduction to the description in detail.
  • distortion optics 10 are therefore arranged in the beam path which a cross-sectional profile 6.1 of the beam 6 is distorted.
  • the cross-sectional profile 1 6.1 is viewed in a section perpendicular to the central axis 6.2 of the beam 6, without distortion it is circular.
  • FIG. 3 illustrates how the cross-sectional profile 6.1 can be adapted in the case of the oblique incidence, so that a round profile results on the construction surface 5 despite the oblique incidence.
  • the cross-sectional profile 6.1 can be compressed in a plane of incidence 30 (small ellipse) and / or widened in a transversal plane 31 (large ellipse).
  • the plane of incidence 30 is spanned by the central axis 6.1 of the beam 6 together with a surface normal 11, see FIG. 1.
  • the transverse plane 31 lies perpendicular thereto and also includes the central axis 6.1.
  • the device 1 (dashed lines in Figure 2) a correspondingly larger diameter.
  • the device 1 according to FIG. 1 additionally has a dynamic focusing unit 12. This is equipped with lenses, the relative distance of which is changed as a function of the deflection of the beam 6, so that the edge side is focused more strongly than in the middle.
  • the laser beam reaches the tilting unit 8 from the beam source 7 via the dynamic focusing unit 12 and the distortion optics 10. From there it is coupled into the process chamber 14 through a protective glass 13.
  • the distortion optics 10 are discussed.
  • FIG. 4 shows distortion optics 10 which have a first prism 40 and a second prism 41.
  • the prisms 40, 41 form an anamorphic pair of prisms, the cross-sectional profile 6.1 is widened on the axis 42, but not on the axis 43.
  • the prisms 40, 41 are mounted tiltably, by changing the inclination, that is to say the angle 44, 45, the distortion (expansion on the axis 42) can be changed.
  • the cross-sectional profile 6.1 can thus be increasingly distorted as the angle of incidence 15 increases, depending on the X / Y position on the building surface 5.
  • FIG. 5 shows distortion optics 10 with a first cylinder lens 50 and a second cylinder lens 51.
  • the cylinder lenses 50, 51 are constructed with translational symmetry perpendicular to the plane of the drawing.
  • the arrangement of the cylindrical lenses 50, 51 is telecentric on both sides (object and image point at infinity).
  • the second cylindrical lens 51 is mounted displaceably in the distortion optics 5 10, the distance to the focal plane
  • the distortion 52 of the first cylinder lens 50 can be changed. If the second cylinder lens 51 is replaced to the left in FIG. 5, the distortion becomes less, the cross-sectional profile 6.1 is therefore widened less on the axis 42. On the other hand, if the second cylinder lens 51 is shifted to the right, the distortion increases. This allows an io. adaptive distortion which increases with increasing angle of incidence 15.
  • FIG. 6 shows a further possibility for constructing distortion optics 10, the cross-sectional profile 6.1 being adapted with a diaphragm 60.
  • the diaphragm 60 is provided with an elliptical, adjustable diaphragm opening 61. By adjusting the aperture 61, the cross-sectional profile 6.1 can be varied between a circular shape and an ellipse spread out on the axis 42.
  • a converging lens 62 is provided upstream of the diaphragm 60; the arrangement represents a so-called spatial filter. With a collimating lens 63, the beam is collimated again downstream of the spatial filter 60, 62.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum generativen Aufbauen eines Bauteils (2), mit einer Werkstoffaufnahme (4) zum Aufnehmen eines formlos oder formneutral vorgehaltenen Werkstoffs (3), einer Strahlquelle (7) zur Emission eines Strahls (6) zum Bestrahlen der Werkstoffaufnahme (4) an einer Baufläche (5), einer Verkippeinheit (8), mittels welcher der Strahl (6) über die Baufläche (5) bewegbar ist, und einer Verzerroptik (10), über welche der Strahl (6) der Baufläche (5) vorgelagert geführt ist, wobei die Verzerroptik (10) den Strahl (6) bei einem schrägen Einfall auf die Baufläche (5) solchermaßen verzerrt, dass ein Querschnittsprofil (6.1) des Strahls (6) - in einer Einfallsebene (30), die von dem Strahl (6) und einer Flächennormalen (11) auf der Baufläche (5) aufgespannt wird, gestaucht wird, und/oder - in einer zu der Einfallsebene (30) senkrechten Transversalebene (31) geweitet wird.

Description

VORRICHTUNG ZUM GENERATIVEN AUFBAUEN EINES BAUTEILS BESCHREIBUNG Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum generativen Aufbauen eines Bauteils.
Stand der Technik
Generative Fertigungs verfahren erlauben nicht nur einen schnellen Aufbau von Prototypen, sondern es können bspw. auch aufgrund ihrer Geometrie anderweitig schwer herzustellende Bauteile bzw. Bauteile mit bestimmten Materialeigenschaften hergestellt werden. Der Aufbau erfolgt schichtweise, und es lassen sich auch Geometrien erzeugen, die bspw. mit einem gießtechnischen Verfahren nicht zugänglich wären. Bei sogenannten Pulverbettverfahren wird der Werkstoff in Pulverform vorgehalten und sequenziell Schicht für Schicht aufgetragen. Nach dem Aufträgen einer jeweiligen Schicht wird diese selektiv bestrahlt und so in einem gewünschten Bereich verfestigt, durch Aufschmelzen des Pulvers infolge der Bestrahlung. Anschließend wird die nächste Pulverschicht aufgetragen und gemäß der herzustellenden Bauteilgeometrie bereichsweise verfestigt.
Eine entsprechende Fertigungsvorrichtung weist eine Werkstoffaufnahme auf, in welcher der formlos bzw. -neutral vorgehaltene Werkstoff angeordnet wird. Zur Bestrahlung ist eine Strahlquelle vorgesehen, deren Strahl mittels einer Verkippeinheit über die Werkstoffaufnahme, also über eine Baufläche bewegt werden kann. In Verbindung mit einem selektiven Ein- und Ausschalten der Bestrahlung kann eine jeweilige Schicht an der Baufläche jeweils in einem bestimmten Bereich bestrahlt ünd kann der Werkstoff damit bereichsweise verfestigt werden.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Darstellung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine besonders vorteilhafte Vorrichtung zum generativen Aufbaüen eines Bauteils anzugeben.
Dies wird erfindungsgemäß mit der Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Diese weist zusätzlich zu Strahlquelle und Verkippeinheit eine Verzerroptik auf, über wel- che der Strahl der Baufläche vorgelagert geführt wird. Mit der Verzerroptik wird das Querschnittsprofil des Strahls bei einem schrägen Einfall auf die Baufläche verzerrt. Damit kann einer Verzerrung der Spotform entgegengewirkt werden, die sich bei einem schräg einfallenden Strahl aus Geometriegründen ergibt. Stellt man sich den Strahl bspw. als Zylinder vor, resultiert auf der Baufläche bei dem schrägen Einfall eine elliptische Form (schräger Zylinderschnitt). Bei einem solchen elliptischen oder generell verzerrten Spot kann die eingekoppelte Energie dann z. B. abhängig von der Scanrichtung unterschiedlich groß sein. So wird bspw. bei einer Bewegung entlang der großen Ellipsenhalbachse (longitudinal) lokal mehr Energie eingebracht als bei einer Bewegung entlang der kleinen Ellipsenhalbachse (transversal). Dieser Proble- matik kann mit der Verzerroptik vorgebeugt werden. Vereinfacht zusammengefasst kann der Strahl damit der Baufläche vorgelagert so verzerrt werden, dass eine Verzerrung infolge des schrägen Einfalls kompensiert wird, der resultierende Spot also verzerrungsfrei ist.
Weitere bevorzugte Ausfuhrungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Verfahrens- und Vorrichtungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Wird bspw. eine bestimmte verfahrensgemäße Ausgestaltung beschrieben, ist dies auch auf eine Vorrichtung zu lesen, die zur Durchführung eines entsprechen- den Verfahrens eingerichtet ist.
Im Einzelnen wird der Verzerrung des Spots bei schrägem Einfall entgegengewirkt, indem mit der Verzerroptik ein Querschnittsprofil des Strahls in einer Einfallsebene gestaucht wird und/oder in einer zu der Einfallsebene senkrechten Transversalebene geweitet wird.
Die Einfallsebene spannt der Strahl, insbesondere seine Mittenachse, gemeinsam mit einer Flächennormalen auf der Baufläche auf. Die Mittenachse liegt mittig im Strah- lund durchsetzt die Baufläche dort, wo die Flächennormale ihren Fußpunkt hat
(mittig im Spot). Die zur Einfallsebene senkrechte Transversalebene beinhaltet ebenfalls die Mittenachse des Strahls; in anderen Worten ergibt sich die Mittenachse des Strahls als Schnittlinie von Einfalls- und Transversalebene.
Das Querschnittsprofil des Strahls wird in einer zu dessen Mittenachse senkrechten Ebene betrachtet, und zwar der Baufläche vorgelagert (bevor der Strahl auf die Bau fläche trifft). Die Angaben„vorgelagert“ und„nachgelagert“ beziehen sich generell auf die Strahlungsrichtung, also den Pfad des Strahls von der Strahlquelle zur Bau fläche. Soweit auf die Ausbreitung des Strahls bzw. dessen Profil Bezug genommen wird, ist dies hinsichtlich der Vorrichtung dahingehend zu lesen, dass diese für einen Betrieb eingerichtet ist, in dem eine solche Strahlausbreitung erfolgt.
In bevorzugter Ausgestaltung hat der Strahl der Verzerroptik vorgelagert ein kreis förmiges und der Verzerroptik nachgelagert ein ellipsenförmiges Querschnittsprofil. Trifft ein solcher, ellipsenförmig verzerrter Strahl dann auf die Baufläche, ergibt dies dort einen kreisförmigen Spot. Das ellipsenförmige Querschnittsprofil kann dabei insbesondere derart orientiert sein, dass eine Schnittlinie mit der Einfallsebene die kleine Halbachse ergibt und eine Schnittlinie mit der Transversalebene die große Halbachse ergibt.
Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist die Verzerroptik adaptiv, lässt sich also die Stärke der Verzerrung einstellen. Der Strahl bzw. dessen Querschnittsprofil kann damit umso stärker verzerrt werden, je schräger er auf die Baufläche fällt, je größer also der Einfallswinkel ist. Letzterer wird zwischen der Mittenachse des Strahls und einer im Spot in die Baufläche gelegten Flächennormalen genommen. Mit der Adaption kann überall auf der Baufläche ein Spot der gleichen Form erzeugt werden, vorzugsweise auch derselben Größe (Radius bzw. Durchmesser) und Inten- sitätsverteilung.
In bevorzugter Ausgestaltung ist zusätzlich eine dynamische Fokussiereinheit vorgesehen, mit welcher sich der Strahlquerschnitt ohne Verzerrung verkleinern und ver- großem lässt. Damit kann der Strahl bei unterschiedlichen Einfallswinkeln unter schiedlich stark fokussiert werden, um einer Variation der Spotgröße, die sich infolge der unterschiedlich starken Verzerrung ergeben würde, entgegenzuwirken. Fällt der Strahl also unter einem größeren Einfallswinkel auf die Baufläche und wird er mit der Verzerroptik entsprechend stärker verzerrt, kann durch eine stärkere Fokussie- rung im Ergebnis dieselbe Spotgröße wie bei einem kleineren Einfallswinkel erreicht werden, bei dem der Strahl mit der Verzerreinheit weniger verzerrt und auch mit der Fokussiereinheit weniger fokussiert wird. Als Fokussiereinheit kann bspw. ein (um die optische Achse rotationssymmetrisches) Linsensystem vorgesehen sein, wobei sich die unterschiedliche Fokussierung durch einen Relativversatz der Linsen errei- chen lässt.
Im Allgemeinen kann es sich bei dem Strahl auch um einen Elektronenstrahl handeln, der in der Verzerroptik mit Elektronenlinsen angepasst wird. In bevorzugter Ausgestaltung ist als Strahlquelle jedoch eine Laserquelle vorgesehen, die im Betrieb einen Laserstrahl emittiert. Das Querschnittsprofil des Laserstrahls ist bevorzugt rund, die Intensitätsverteilung ist typischerweise gaußförmig. Bei der Laserquelle kann es sich bspw. um einen CO2-Laser, Nd:YÄG-Laser bzw. Yb-Faserlaser oder auch einen Diodenlaser handeln.
Prinzipiell kann die Verzerroptik auch reflektiv, also über ein Spiegelsystem realisiert sein. In bevorzugter Ausgestaltung handelt es sich um eine refraktive Optik, wird der Strahl also durch Brechung geformt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Verzerroptik ein erstes und ein zweites Prisma auf, die ein anamorphisches Prismenpaar bilden. Der Laserstrahl durchsetzt dieses, wobei sich auf zwei zueinander senkrechten Achsen verschieden große Abbildungsmaßstäbe ergeben (im Falle der Ellipse sind dies die kleine und die große Halbachse). Bevorzugt sind das erste und das zweite Prisma relativ zueinander verkippbar gelagert, wobei sich durch eine Änderung der Relativverkippung das Verhältnis der Abbildungsmaßstäbe verändern lässt. Fällt der Laserstrahl unter einem kleinen Winkel auf die Baufläche, ist nur eine geringe Differenz der Abbildungs- maßstäbe zur Kompensation erforderlich, wohingegen bei einem großen Einfallswinkel eine größere Differenz eingestellt wird.
Eine Verzerrung des Laserstrahls lässt sich auch mittels Zylinderlinsen erreichen, die aufeinanderfolgend in dem Strahlengang angeordnet sind. Es können bspw. konvexe Zylinderlinsen vorgesehen sein, das Querschnittsprofi 1 kann damit aufgeweitet wer- den. In der Ebene, in welcher die Zylinderachsen liegen, bleibt es hingegen unverän dert. Damit ergibt sich die gewünschte Asymmetrie der Abbildung, also die Verzer rung. In einer zur besagten Zylinderachse senkrechten Schnittebene betrachtet können die Zylinderlinsen bspw. telezentrisch angeordnet sein, bevorzugt sowohl strahlquellenseitig als auch bauflächenseitig. In bevorzugter Ausgestaltung sind die Zylinderlinsen in der Verzerroptik relativ zueinander versetzbar gelagert, lässt sich also ihr Abstand in Strahlungsrichtung verän dern. Damit kann eine adaptive Anpassung des Querschnittsprofils vorgenommen werden, also eine stärkere Verzerrung bei großen und eine geringere Verzerrung bei kleinen Einfallswinkeln. Im Einzelnen kann dazu die eine Zylinderlinse ortsfest in der Verzerroptik angeordnet und nur die andere Linse versetzbar gelagert sein (es können aber auch beide Linsen versetzbar gelagert werden).
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform weist die Verzerroptik eine Blende auf, die der Laserstrahl durchsetzt. Dabei begrenzt die Blende das Querschnittsprofil des Laserstrahls auf zwei zueinander senkrechten Achsen unterschied- lieh stark, nämlich im Falle der bevorzugten Kreis- bzw. Ellipsenform stärker auf der kleinen Halbachse. Bildlich gesprochen wird also dort ein Teil des Strahls weggeschnitten, um das gewünschte Querschnittspro.fi 1 einzustellen. Die Blende kann ins besondere eine Feldblende sein. Bevorzugt kann eine Anordnung bzw. ein Aufbau als Raumfilter sein, kann also der Blende vorgelagert eine Sammellinse angeordnet sein. Diese bündelt den Strahl entsnrechend klein kann die Rlendenöffnunp pewählt werden (mit einem Durchmesser von nur einigen 10 miti auch als Pinhole bezeichnet). ln bevorzugter Ausgestaltung ist die Blende verstellbar, lässt sich also das Profil ihrer Blendenöffnung verändern. Dies betrifft nicht bzw. nicht nur die Öffhungsweite, sondern insbesondere das Öffnungsverhältnis auf zwei zueinander senkrechten Achsen. Auf der einen Achse ist die Änderung größer als auf der anderen, es können sich also bspw. Ellipsen mit unterschiedlichem Verhältnis von kleiner zu großer Halbachse einstellen lassen (bis hin zu einer Kreisform). Damit kann der unter großem Winkel einfallende Strähl stärker verzerrt werden als der unter kleinem Winkel bzw. senkrecht einfallende Strahl.
Die Verkippeinheit ist in bevorzugter Ausgestaltung ein verkippbar gelagerter Spiegel, bspw. ein galvanometrisch gelagerter Scannerspiegel. Der verkippbar gelagerte Spiegel ist bevorzugt oberhalb der Baufläche im Wesentlichen mittig angeordnet, sodass ein senkrecht einfallender Strahl die Baufläche mittig trifft. Entsprechend werden die Einfallswinkel zu den Rändern der Baufläche hin größer. Die Verzerroptik ist der Verkippeinheit bevorzugt vorgelagert, also insbesondere dem verkippbar gelagerten Spiegel. Sofern in bevorzugter Ausgestaltung eine dynamische Fokussiereinheit vorgesehen ist, kann diese der Verzerroptik vorgelagert sein, also zwischen
Strahlquelle und Verzerroptik. Generell kann ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer vergleichsweise kompakten Anordnung von Strahlquelle, Verkippeinheit und Verzerroptik liegen. Wird die Strahlformung der Verkippeinheit vorgelagert vorgenommen, muss mit der Verkippeinheit kein großes Gewicht bewegt werden, was die Aufhängung etc. vereinfacht. Um in einer zum vorliegenden Gegenstand alternativen Weise eine über die Baufläche konstante Spotform zu erhalten, ließe sich der Strahl bspw. auch über eirie telezentrische F -Theta-Linse auf die Baufläche führen. Aufgrund der Abbildung ins Unendliche würde der Strahl unabhängig von der Position immer senkrecht auf die Baufläche fallen. Eine solche Linse müsste jedoch fast so groß sein wie die Baufläche und ließe sich allenfalls unter großem Aufwand und damit kostenin- tensiv hersteilen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum generativen Aufbauen eines Bauteils ln der Werkstoffaufnahme ist dann ein formlos oder formneutral vorgehaltener Werkstoff angeordnet, im Allgemeinen bspw. auch eine Flüssigkeit, bevorzugt ein Pulver, insbesondere ein Metallpulver. Die Baufläche liegt an der Oberfläche des 5 Werkstoffs (an der Oberfläche der jeweilig bearbeiteten Schicht). Zur Verfestigung eines bestimmten Bereichs wird dann der Strahl mittels der Verkippeinheit über die Baufläche bewegt,’ dort wird zur Verfestigung bestrahlt. Ferner wird zur Kompensation einer Verzerrung bei schrägem Einfall das Querschnittsprofi 1 in der Einfallsebe ne gestaucht und/oder in der Transversalebene geweitet. Im Übrigen wird ausdrück-0 lieh auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen, die auch im Falle des Verfahrens von Interesse sein können.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer vorliegend offenbarten Vorrich- ' tung zum generativen Aufbauen eines Bauteils, das als Bestandteil einer axialen Strömungsmaschine ausgelegt ist, insbesondere eines Flugtriebwerks.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen 5 Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
Im Einzelnen zeigt 0 Figur 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer schematischen, teilweise ge schnittenen Seitenansicht;
Figur 2 Spotformen auf einer Baufläche der Vorrichtung gemäß Fig. 1 , ohne Anpassung durch die Verzerroptik;
Figur 3 zeigt Möglichkeiten zur Anpassung des Querschnittsprofils mit der Verzerr5 optik;
Figur 4 zeigt eine erste Möglichkeit zur Gestaltung einer Verzerroptik; Figur 5 zeigt eine zweite Möglichkeit zur Gestaltung einer Verzerroptik;
Figur 6 zeigt eine dritte Möglichkeit zur Gestaltung einer Verzerroptik.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum generativen Aufbauen eines Bauteils 2 aus einem Werkstoff 3, der pulverförmig vorgehalten wird. Der Werkstoff 3 ist in einer Werkstoffaufnahme 4 angeordnet, er wird an einer Baufläche 5 schichtweise durch Aufschmelzen des Pulvers verfestigt. Anschließend wird der bislang hergestellte Teil des Bauteils 2 abgesenkt (nicht im Einzelnen dargestellt) und wird die nächste Pulverschicht aufgetragen und an der Baufläche 5 verfestigt.
Die Verfestigung erfolgt durch Bestrahlen mit einem Strahl 6, nämlich einem Laser- strahl. Dieses Verfahren wird auch als selektives Laserstrahlschmelzen (SLM) bezeichnet. Zur Emission des Strahls 6 ist eine Strahlquelle 7 vorgesehen, vorliegend eine Laserquelle. Lfm den Strahl 6 auf unterschiedliche Bereiche der Baufläche 5 lenken zu können, wird er über eine Verkippeinheit 8 geführt, die vorliegend mit galvanometrisch gelagerten Scannerspiegeln ausgestattet ist. In Abhängigkeit von der Kippstellung der Spiegel gelangt der Strahl 6 auf eine entsprechende X/Y-Position der Baufläche 5. In der in Figur 1 gezeigten Situation ist, er zum Rand hin ausgelenkt, punktiert ist ein zum Vergleich mittiger Einfall gezeigt (in einem anderen Zeitpunkt).
Im Folgenden wird zunächst auf Figur 2 verwiesen, bevor Figur 1 weiter im Detail diskutiert wird. Figur 2 zeigt die Baufläche 5 in einer Aufsicht, also entgegen der Z- Richtung in Figur 1 von oben darauf blickend. Zu erkennen ist ein Spot 20 (punktiert), den der Strahl 6 bei mittigem Einfall erzeugt. Ferner ist ein Spot 21 gezeigt, den der Strahl 6 am Rand der Baufläche 5 erzeugt. Aufgrund des schrägen Einfalls dort ist der Spot 21 nicht mehr kreis-, sondern ellipsenförmig. Wird ein solcher Spot 21 über die Baufläche 5 bewegt, hängt die eingekoppelte Energie von der Scanrich- tung ab, vergleiche die Beschreibungseinleitung im Detail.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die nun wieder unter Verweis auf Figur 1 beschrieben wird, ist deshalb eine Verzerroptik 10 im Strahlengang angeordnet, mit der ein Querschnitsprofil 6.1 des Strahls 6 verzerrt wird. Das Querschnittsprofi 1 6.1 wird in einem Schnitt senkrecht zur Mittenachse 6.2 des Strahls 6 betrachtet, ohne Verzerrung ist es kreisrund.
Figur 3 illustriert, wie das Querschnittsprofil 6.1 bei dem schrägen Einfall angepasst werden kann, sodass auf der Baufläche 5 trotz des schrägen Einfalls im Ergebnis ein rundes Profil resultiert. Das Querschnittsprofil 6.1 kann dafür in einer Einfallsebene 30 gestaucht (kleine Ellipse) und/oder in einer Transversalebene 31 geweitet werden (große Ellipse). Die Einfallsebene 30 wird von der Mitenachse 6.1 des Strahls 6 gemeinsam mit einer Flächennormalen 11 aufgespannt, vergleiche Figur 1. Die Trans- versalebene 31 liegt senkrecht dazu und beinhaltet ebenfalls die Mittenachse 6.1.
Wird das Querschnittsprofil 6.1 transversal geweitet, hat der resultierende Spot 22
(strichliert in Figur 2) einen entsprechend größeren, Durchmesser. Um die Spotgröße über die Baufläche 5 konstant zu halten, weist die Vorrichtung 1 gemäß Figur 1 zusätzlich eine dynamische Fokussiereinheit 12 auf. Diese ist mit Linsen ausgestatet, deren Relativabstand in Abhängigkeit von der Auslenkung des Strahls 6 verändert wird, sodass randseitig stärker als mitig fokussiert wird.
Wie aus Figur 1 ersichtlich, gelangt die Laserstrahl ung von der Strahlquelle 7 über die dynamische Fokussiereinheit 12 und die Verzerroptik 10 zu der Verkippeinheit 8. Von dort wird sie durch ein Schutzglas 13 in die Prozesskammer 14 gekoppelt. Im Folgenden werden unterschiedliche Möglichkeiten zum Aufbau der Verzerroptik 10 diskutiert.
Figur 4 zeigt eine Verzerroptik 10, die ein erstes Prisma 40 und ein zweites Prisma 41 aufweist. Die Prismen 40, 41 bilden ein anamorphisches Prismenpaar, das Querschnittsprofil 6.1 wird auf der Achse 42 geweitet, auf der Achse 43 hingegen nicht. Die Prismen 40, 41 sind verkippbar gelagert, durch Änderung der Schrägstellung, also der Winkel 44, 45, lässt sich die Verzerrung (Aufweitung auf der Achse 42) verändern. Damit kann das Querschnittsprofil 6.1 in Abhängigkeit von der X/Y - Position auf der Baufläche 5 mit zunehmendem Einfallswinkel 15 zunehmend verzerrt werden. Figur 5 zeigt eine Verzerroptik 10 mit einer ersten Zylinderlinse 50 und einer zweiten Zylinderlinse 51. Die Zylinderlinsen 50, 51 sind senkrecht zur Zeichenebene translationssymmetrisch aufgebaut. Die Anordnung der Zylinderlinsen 50, 51 ist beidseitig telezentrisch (Objekt- und Bildpunkt im Unendlichen). In der Verzerroptik 5 10 ist die zweite Zylinderlinse 51 versetzbar gelagert, der Abstand zur Brennebene
52 der ersten Zylinderlinse 50 ist veränderbar. Wird die zweite Zylinderlinse 51 in Figur 5 nach links yersetzt, so wird die Verzerrung geringer, das Querschnittsprofil 6.1 wird also auf der Achse 42 weniger stark geweitet. Wird die zweite Zylinderlinse 51 hingegen nach rechts versetzt, nimmt die Verzerrung zu. Damit lässt sich eine io. adaptive, mit zunehmendem Einfallswinkel 15 zunehmende Verzerrung erreichen.
Figur 6 zeigt eine weitere Möglichkeit zum Aufbau einer Verzerroptik 10, wobei das Querschnittsprofil 6.1 mit einer Blende 60 angepasst wird. Die Blende 60 ist mit einer elliptischen, verstellbaren Blendenöffnung 61 vorgesehen. Durch Verstellen der Blendenöffnung 61 kann das Querschnittsprofil 6.1 zwischen einer Kreisform und 15 einer auf der Achse 42 aufgespreizten Ellipse variiert werden.
Der Blende 60 vorgelagert ist eine Sammellinse 62 vorgesehen, die Anordnung stellt einen sogenannten Raumfilter dar. Mit einer Koljimationslinse 63 wird das Strahlenbündel dem Raumfilter 60, 62 nachgelagert wieder kollimiert.
BEZUGSZEICHENLISTE
Vorrichtung 1
Bauteil 2
Werkstoff 3 Werkstoffaufnahme 4
Baufläche 5
Strahl 6
Querschnittsprofi l 6.1
Mittenachse 6.2 Strahlquelle 7
Verkippeinheit 8
Verzerroptik 1 0
Flächennormale 1 1
Fokussi.ereinheit 12 Schutzglas 13
Prozesskammer 14
Einfallswinkel 15
Spot (mittig) 20
Spot (am Rand) 2 1 Spot (kompensiert) 22 Einfallsebene 30 Transversalebene 31 Erstes Prisma 40 Zweites Prisma 41 Achse 42 Achse 43 Winkel 44 Winkel : 45
Erste Zylinderlinse 50 Zweite Zylinderlinse 51 Brennebene 52 Blende 60
Blendenöffnung 61
Sammellinse 62 Kollimationslinse 63

Claims

ANSPRÜCHE
1. Vorrichtung ( 1 ) zum generativen Aufbauen eines Bauteils (2), mit
einer Werkstoffaufnahme (4) zum Aufnehmen eines formlos oder formneutral vorgehaltenen Werkstoffs (3),
einer Strahlquelle (7) zur Emission eines Strahls (6) zum Bestrahlen der Werkstoffaufnahme (4) an einer Baufläche (5),
einer Verkippeinheit (8), mittels welcher der Strahl (6) über die Baufläche (5) bewegbar ist, und
einer Verzerroptik ( 10), über welche der Strahl (6) der Baufläche (5) vorgelagert geführt ist,
wobei die Verzerroptik ( 10) den Strahl (6) bei einem schrägen Einfall auf die Baufläche (5) solchermaßen verzerrt, dass ein Querschnittsprofil (6. 1 ) des Strahls (6)
in einer Einfallsebene (30), die von dem Strahl (6) und einer Flächen normalen ( 1 1 ) auf der Baufläche (5) aufgespannt wird, gestaucht wird, und/oder
in einer zu der Einfallsebene (30) senkrechten Transversalebene (31 ) geweitet wird.
2 Vorrichtung ( 1 ) nach Anspruch 1 , bei welcher bei dem schrägen Einfall das Querschnittsprofil (6.1) des Strahls (6) der Verzerroptik ( 10) nachgelagert ei ne Ellipsenform hat und der Strahl (6) auf der Baufläche (5) einen kreisförmigen Spot (22) erzeugt.
3. Vorrichtung ( 1 ) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Verzerroptik ( 10) adaptiv ausgelegt und die Vorrichtung ( 1) für einen Betrieb solchermaßen eingerichtet ist, dass der Strahl (6) mit der adaptiven Verzerroptik ( 10) mit zunehmendem Einfallswinkel (15) zunehmend verzerrt wird.
4. Vorrichtung ( 1 ) nach Anspruch 3, welche zusätzlich eine dynamische Fokussiereinheit (12) aufweist, über welche der Strahl (6) der Baufläche (5) vorgelagert geführt ist, wobei die Vorrichtung (1) für einen Betrieb solchermaßen eingerichtet ist, dass der Strahl (6) mit der dynamischen Fokussiereinheit (12) bei unterschiedlichen Einfallswinkeln (15) zum Angleich der auf der Bauflä che (5) erzeugten Spotgrößen unterschiedlich stark fokussiert wird.
5. Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Strahlquelle (7) eine Laserquelle und der Strahl (6) ein Laserstrahl ist.
6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, bei welcher die Verzerroptik (10) refraktiv ist und von dem Laierstrahl durchsetzt wird.
7. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 6, bei welcher die Verzerroptik ( 10) ein erstes Prisma (40) und ein zweites Prisma (41) aufweist, die ein anamorph isches
Prismenpaar (40, 41) bilden, welches der Laserstrahl bei· dem schrägen Einfall durchsetzt.
8. Vorrichtung (1) nach den Ansprüchen 3 und 7, bei welcher das erste und zweite Prisma (40, 41) in der Verzerroptik (10) relativ zueinander verkippbar gelagert sind und durch eine Änderung der Relativverkippung das Querschnittsprofil (6.1) des Laserstrahls in Abhängigkeit von dem Einfallswinkel (15) anpassbar ist.
9. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei welcher die Verzerroptik (10) eine erste Zylinderlinse (50) und eine zweite Zylinderlinse (51) aufweist, die der Laserstrahl bei dem schrägen Einfall durchsetzt.
1Ö. Vorrichtung ( 1 ) nach den Ansprüchen 3 und 9, bei welcher die erste und die zweite Zylinderlinse (50, 51) in der Verzerroptik
(10) relativ zueinander versetzbar gelagert sind und durch eine Änderung des Relativabstands das Quer- schnitsprofil (6.1) des Laserstrahl in Abhängigkeit von dem Einfallswinkel (15) anpassbar ist. '
1 1. ' Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei welcher die Verzerr- optik (10) eine Blende (60) aufweist, die der Laserstrahl bei dem schrägen
Einfall durchsetzt, wobei die Blende (60) das Querschnittsprofil (6.1) des Laserstrahls auf zwei zueinander senkrechten Achsen (42, 43) unterschiedlich stark begrenzt.
12. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 1 in Verbindung mit Anspruch 3, bei welcher. eine Blendenöffnung (61) der Blende (60) verstellbar ist.
13. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 12, bei welcher die Verkippeinheit (8) ein verkippbar gelagerter Spiegel ist, über welchen der Strahl (6) auf die Baufläche (5) geführt wird, wobei die Verzerroptik (10) dem Spiegel vorgelagert angeordnet ist.
14. Verfahren zum generativen Aufbauen eines Bauteils (2) mit einer Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem Verfahren - in der Werkstoffaufnahme (4) ein formloser oder formneutraler Werkstoff (3) angeordnet ist;
die Strahlquelle (7) einen Strahl (6) emittiert, der mit der Verkippeinheit (8) über die Baufläche (5) bewegt wird, wobei der Werkstoff (3) selektiv . bestrahlt wird;
- der Strahl (6) mit der Verzerroptik (10) bei einem schrägen Einfall auf die Baufläche (5) in der Einfallsebene (30) gestaucht und/oder in der Transversalebene (31) geweitet wird.
15. Verwendung einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zum generativen Aufbauen eines Bauteils (2), das Bestandteil einer axialen Strömungsmaschine ausgelegt ist, insbesondere eines Flugtriebwerks.
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