WO2021069441A1

WO2021069441A1 - Laservorrichtung zur erzeugung von laserstrahlung sowie 3d-druck-vorrichtung mit einer derartigen laservorrichtung

Info

Publication number: WO2021069441A1
Application number: PCT/EP2020/077999
Authority: WO
Inventors: Aliaksei KRASNABERSKI; Stephan Schneider
Original assignee: LIMO GmbH
Priority date: 2019-10-07
Filing date: 2020-10-06
Publication date: 2021-04-15
Also published as: CN114631047A; US20240066630A1; JP2022551621A; EP4041479A1; KR20220044570A

Abstract

Laservorrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung, die in einer Arbeitsebene (11) eine Intensitätsverteilung mit einer Mehrzahl von Intensitätsmaxima aufweist, umfassend eine Laserlichtquelle (1), die im Betrieb der Laservorrichtung eine Laserstrahlung (2) aussendet, die in einer ersten Ebene (5) eine l inienförmige oder f lächenförmige Intensitätsverteilung (6) mit einer Mehrzahl von Intensitätsmaxima (7) bildet, wobei die Intensitätsmaxima (7) in mindestens einer Querrichtung, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung (2) ist, zumindest tei lweise einen ersten Abstand (d1) zueinander aufweisen, sowie weiterhin umfassend eine Projektionsvorrichtung (8), die die erste Ebene (5) derart in die Arbeitsebene (11) abbildet, dass in der Arbeitsebene (11) eine l inienförmige oder f lächenförmige Intensitätsverteilung (6') mit einer Mehrzahl von Intensitätsmaxima (7') gebildet wird.

Description

„Laservorrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung sowie 3D- Druck-Vorrichtung mit einer derartigen Laservorrichtung“

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laservorrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung, die in einer Arbeitsebene eine Intensitätsverteilung mit einer Mehrzahl von Intensitätsmaxima aufweist, sowie eine 3D-Druck-Vorrichtung mit einer derartigen Laservorrichtung.

Definitionen: In Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung meint m ittlere Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung, insbesondere wenn diese keine ebene Welle ist oder zum indest teilweise divergent ist.

Mit Laserstrahl, Lichtstrahl, Teilstrahl oder Strahl ist, wenn nicht ausdrücklich anderes angegeben ist, kein idealisierter Strahl der geometrischen Optik gemeint, sondern ein realer Lichtstrahl, wie beispielsweise ein Laserstrahl m it einem Gauß-Profil oder einem modifizierten Gauß-Profil, der keinen infinitesimal kleinen, sondern einen ausgedehnten Strahlquerschnitt aufweist. Mit M-Profil wird ein Intensitätsprofil von Laserstrahlung bezeichnet, deren Querschnitt in der Mitte eine geringere Intensität als in einem oder mehreren außerm ittigen Bereichen aufweist. Mit Top-Hat-Verteilung oder Top- Hat-Intensitätsverteilung oder Top-Hat-Profil ist eine

Intensitätsverteilung gemeint, die sich zum indest hinsichtlich einer Richtung im Wesentlichen durch eine Rechteckfunktion (rect (x)) beschreiben lässt. Dabei sollen reale Intensitätsverteilungen, die Abweichungen von einer Rechteckfunktion im Prozentbereich beziehungsweise geneigte Flanken aufweisen, ebenfalls als Top-Hat- Verteilung oder Top-Hat-Profil bezeichnet werden.

Eine Laservorrichtung der eingangs genannten Art sowie eine 3D- Druck-Vorrichtung der eingangs genannten Art sind beispielsweise aus der WO 2015/134075 A2 bekannt. Bei der darin beschriebenen 3D-Druck-Vorrichtung wird eine Mehrzahl von Halbleiterlaser verwendet, deren Licht in eine Mehrzahl von Lichtleitfasern eingekoppelt wird. Die aus den Lichtleitfasern austretende Laserstrahlung wird zur gezielten Beaufschlagung eines Ausgangsmaterials für den 3D-Druck verwendet, das in einem Arbeitsbereich der 3D-Druck-Vorrichtung angeordnet ist.

Als nachteilig bei aus dem Stand der Technik bekannten Laservorrichtungen und 3D-Druck-Vorrichtungen m it Lichtleifasern, aus denen die für den 3D-Druck benötigte Laserstrahlung austritt, erweist es sich, dass in der Regel nur ein geringer Arbeitsabstand erreicht werden kann. Das kann zur Beschädigung oder einer Kontam inierung der verwendeten Optiken führen. Weiterhin ergeben sich zwischen den einzelnen für den 3D-Druck verwendeten Pixeln Abstände, weil die Abstände der Kerne der Lichtleitfasern vergleichsweise groß sind und zwischen den Kernen die Mäntel benachbarter Lichtleitfasern angeordnet sind. Weiterhin ist die Pixelgröße häufig zu groß, so dass keine gute Auflösung erreicht werden kann.

Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer Laservorrichtung der eingangs genannten Art sowie einer 3D-Druck-Vorrichtung der eingangs genannten Art, die eine kleinere Pixelgröße in der Arbeitsebene und/oder einen größeren Arbeitsabstand ermöglichen.

Dies wird erfindungsgemäß durch eine Laservorrichtung der eingangs genannten Art m it den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine 3D-Druck-Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 28 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung. Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Laservorrichtung eine Laserlichtquelle umfasst, die im Betrieb der Laservorrichtung eine Laserstrahlung aussendet, die in einer ersten Ebene eine linienförm ige oder flächenförm ige Intensitätsverteilung m it einer Mehrzahl von Intensitätsmaxima bildet, wobei die Intensitätsmaxima in m indestens einer Querrichtung, die senkrecht zur m ittleren Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung ist, zum indest teilweise einen ersten Abstand zueinander aufweisen, wobei die Laservorrichtung weiterhin eine Projektionsvorrichtung umfasst, die die erste Ebene derart in die Arbeitsebene abbildet, dass in der Arbeitsebene eine linienförm ige oder flächenförm ige Intensitätsverteilung mit einer Mehrzahl von Intensitätsmaxima gebildet wird.

Insbesondere können die Intensitätsmaxima der Intensitätsverteilung in der ersten Ebene in m indestens einer Querrichtung, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung ist, zum indest teilweise einen ersten Abstand zueinander aufweisen, wobei die Projektionsvorrichtung die erste Ebene derart verkleinert in die Arbeitsebene abbilden kann, dass die Intensitätsmaxima der Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene in m indestens einer Querrichtung, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung ist, zum indest teilweise einen zweiten Abstand zueinander aufweisen, der kleiner als der erste Abstand ist. Dabei können die Intensitätsmaxima in der Arbeitsebene in der m indestens einen Querrichtung sämtlich den zweiten Abstand zueinander aufweisen. Weiterhin kann die von der Projektionsvorrichtung erzielte Verkleinerung zwischen 1 und 20 betragen.

Durch die Verkleinerung kann die Größe der Intensitätsmaxima beziehungsweise die Pixelgröße in der Arbeitsebene deutlich reduziert werden. Auch die Abstände zwischen den einzelnen Intensitätsmaxima können dadurch verkleinert werden. Insbesondere können dabei die Lücken zwischen den Intensitätsmaxima entsprechend gefüllt werden. Beispielsweise kann die Pixelgröße deutlich kleiner als 100 pm beziehungsweise sogar kleiner als der Durchmesser der Kerne der Lichtleitfasern sein. Es kann vorgesehen sein, dass der Arbeitsabstand zwischen der Projektionsvorrichtung und der Arbeitsebene größer als 50 mm ist, insbesondere größer als 100 mm ist, vorzugsweise gleich oder größer als 200 mm ist. Insbesondere durch eine verkleinernde Projektionsvorrichtung wird der Arbeitsabstand entsprechend vergrößert, so dass beispielsweise Abstände von mehr als 200 mm erreicht werden können. Dadurch kann eine Beschädigung oder Kontam inierung der verwendeten Optiken verm ieden werden. Weiterhin ergibt sich eine vergrößerte Schärfentiefe in der Arbeitsebene.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Intensitätsmaxima der Intensitätsverteilung in der ersten Ebene in m indestens einer Querrichtung, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung ist, zum indest teilweise einen ersten Abstand zueinander aufweisen, wobei die Projektionsvorrichtung die erste Ebene derart in die Arbeitsebene abbilden kann, dass die Intensitätsmaxima der Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene in m indestens einer Querrichtung, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung ist, zum indest teilweise einen zweiten Abstand zueinander aufweisen, der größer als der erste Abstand ist oder der gleich dem ersten Abstand ist. Dabei kann die Projektionsvorrichtung beispielsweise eine Vergrößerung zwischen 1 und 5 oder eine Vergrößerung von 1 erzielen.

Es kann vorgesehen sein, dass die Projektionsvorrichtung eine telezentrische Projektionsvorrichtung ist, insbesondere eine beidseitig telezentrische Projektionsvorrichtung ist. Durch eine telezentrische Projektionsvorrichtung können gleichmäßige Winkelverteilungen der Laserstrahlung in der Arbeitsebene erreicht werden. Die gleichmäßigen Winkelverteilungen führen bei einem 3D-Druck zu gleichmäßigen Temperaturverteilungen des aufzuheizenden Ausgangsmaterials. Im Vergleich zu einer nichttelezentrischen Projektionsvorrichtung weist eine telezentrische Projektionsvorrichtung eine größere Schärfentiefe und geringere Verzeichnungen auf.

Es besteht die Möglichkeit, dass mindestens ein Bauteil der Projektionsvorrichtung zylindrisch geformt ist. Alternativ oder zusätzlich kann m indestens ein Bauteil der Projektionsvorrichtung zylindrisch oder sphärisch oder asphärisch geformt sein. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass m indestens ein Bauteil der Projektionsvorrichtung ein Mikrolinsenarray ist. Es kann vorgesehen sein, dass das m indestens eine Mikrolinsenarray ein refraktives, reflektierendes oder holographisches optisches Element ist oder ein optisches Element m it einer kontinuierlichen Oberfläche oder ein binäres oder ein mehrstufig diffraktives optisches Element ist. Es besteht die Möglichkeit, dass die Laserlichtquelle m indestens einen Faserlaser umfasst. Alternativ können auch andere Laserlichtquellen wie beispielsweise Laserdiodenbarren oder dergleichen vorgesehen werden.

Es kann vorgesehen sein, dass die Laserlichtquelle eine Mehrzahl von Lichtleitfasern umfasst, aus deren Enden jeweils eine Teilstrahlung der Laserstrahlung austritt, wobei die Lichtleitfasern insbesondere Single-Mode-Fasern oder Large-Mode-Area-Fasern oder Few-Mode- Fasern sind. Die Beugungsmaßzahl M² derartiger Lichtquellen kann, insbesondere für die Nutzung m it einem Konverter, kleiner als 2, vorzugsweise kleiner als 1 , 5 sein.

Die Laserlichtquelle kann eine Halterung m it einer Mehrzahl von Nuten, insbesondere V-förm igen Nuten, aufweisen, wobei eine jede der Lichtleitfasern in einer der Nuten angeordnet ist. Durch die

Halterung in V-Nuten können die Lichtleitfasern präzise zueinander positioniert werden. Dadurch kann ein sehr konstanter Überlapp der einzelnen Intensitätsmaxima von beispielsweise lediglich 1 pm in der Arbeitsebene realisiert werden. Um die Genauigkeit der Positionierung zu verbessern, kann der die V-Nuten aufweisende Teil der Halterung einstückig ausgebildet sind.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass ein eindimensionales oder zweidimensionales Array von Lichtleitfasern dadurch gebildet wird, dass die Lichtleitfasern beziehungsweise deren Enden direkt, beispielsweise durch Verkleben und/oder Spleißen, m it einem optischen Bauteil oder m it einem Fenster verbunden werden, insbesondere wobei durch die Verbindung der Lichtleitfasern mit dem optischen Bauteil oder dem Fenster eine, vorzugsweise einstückige, optische Komponente geschaffen wird. Bei dem optischen Bauteil kann es sich um das erste in Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung hinter der Laserlichtquelle angeordnete optische Bauteil handeln. Das Fenster kann beispielsweise Teil eines Faserhalters oder Faserträgers sein.

Es besteht die Möglichkeit, dass die in der ersten Ebene erzeugten Intensitätsmaxima jeweils von der aus einer der Lichtleitfasern ausgetretenen Teilstrahlung gebildet werden. Es können dabei geeignete Optikm ittel vorgesehen sein, um die Teilstrahlungen in die erste Ebene zu fokussieren. Es kann vorgesehen sein, dass die Teilstrahlungen in den einzelnen Lichtleitfasern ein Modenprofil aufweisen, das einem Bessel-Profil oder einem Gauß-Profil oder einem M-Profil oder einem Top-Hat-Profil entspricht. Weiterhin können die Intensitätsmaxima in der Arbeitsebene jeweils ein gaußförm iges oder ein supergaußförm iges oder ein Top-Hat-Profil oder ein M-Profil oder ein prozessoptim iertes Profil aufweisen. Insbesondere kann in der Arbeitsebene ein beliebiges Profil generiert werden, dass von den genannten Profilen abweichen kann. Vorzugsweise kann das Profil der Intensitätsverteilungen in Abhängigkeit von den zu bearbeitenden Materialien geändert werden.

Es besteht die Möglichkeit, dass die Laservorrichtung m indestens einen Konverter umfasst, der das Intensitätsprofil der Laserstrahlung oder einer oder mehrerer der Teilstrahlungen ändern kann, wobei der Konverter beispielsweise ein Gauß-Profil in ein Top-Hat-Profil umwandeln kann.

Es kann vorgesehen sein, dass der m indestens eine Konverter als 2D- Gauß-zu-Airy-Disc-Functions-Konverter ausgebildet ist, insbesondere als axialsymmetrische binäre Phasenplatte, oder dass der m indestens eine Konverter als 1 D-Gauß-zu-Sinc-Funktions-Konverter ausgebildet ist, insbesondere als zwei zylindrische binäre Phasenplatten, die senkrecht zueinander ausgerichtet sind.

Insbesondere kann eine Mehrzahl von Konvertern vorgesehen sein, die in einem eindimensionalen oder einem zweidimensionalen Array angeordnet sind. Ein derartiges Array von Konvertern könnte zwischen der Laserlichtquelle und der Projektionsvorrichtung angeordnet sein. Es kann vorgesehen sein, dass der m indestens eine Konverter in die Projektionsvorrichtung integriert ist. In diesem Fall könnte ein einzelner Konverter anstelle eines Arrays von Konvertern verwendet werden. Es besteht die Möglichkeit, dass die Intensitätsmaxima in der

Arbeitsebene jeweils einen kreisförmigen oder einen quadratischen oder einen hexagonalen Umriss aufweisen. Dabei sind beispielsweise quadratische Umrisse vorteilhaft, weil zwischen ihnen Lücken verm ieden werden können. Auch durch die Veränderung der Form der Pixel in der Arbeitsebene kann eine Anpassung an die zu bearbeitenden Materialien vorgenommen werden.

Es kann vorgesehen sein, dass die Laservorrichtung m indestens ein Kollimationselement, insbesondere eine Mehrzahl von Kollimationselementen, zur Kollimation der aus der Laserlichtquelle austretenden Laserstrahlung umfasst. Dabei kann die Mehrzahl von Kollimationselementen in einem eindimensionalen oder einem zweidimensionalen Array angeordnet sein, das insbesondere ein Linsenarray ist. Die Kollimationselemente können die Divergenz der Laserstrahlung verringern. Wenn die Kollimationselemente als gekreuzte Zylinderlinse ausgebildet sind, können Zwischenräume zwischen einzelnen Teilstrahlen verkleinert werden.

Es besteht die Möglichkeit, dass die Mehrzahl von Intensitätsmaxima in der Arbeitsebene einzeln oder in Gruppen an- oder abgeschaltet werden kann, insbesondere durch entsprechende Ansteuerung der Laserlichtquelle. Dadurch ergeben sich einzeln adressierbare Pixel in der Arbeitsebene für den 3D-Druck. Insbesondere können die einzelnen Pixel beziehungsweise Intensitätsmaxima in der Arbeitsebene bis zu mehreren 100 W Leistung pro Pixel aufweisen. Mit einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung können in der Arbeitsebene linienförmige oder flächenförmige Intensitätsverteilungen erzeugt werden.

Es kann vorgesehen sein, dass die Laservorrichtung Mittel zur Überlagerung einzelner von der Laserlichtquelle ausgehender Teilstrahlungen in einzelne Pixel in der ersten Ebene umfasst und/oder dass die Laservorrichtung Mittel zur Aufteilung einzelner oder sämtlicher von der Laserlichtquelle ausgehender Teilstrahlungen in mehrere Pixel in der ersten Ebene umfasst.

Die Überlagerung kann beispielsweise auf geometrische oder optische Weise erfolgen. Alternativ kann auch über Polarisationskoppler oder Wellenlängenkoppler eine Überlagerung erreicht werden. Die Überlagerung mehrerer Teilstrahlen zu einem Pixel kann vorteilhaft sein, um beispielsweise eine Leistungsskalierung zu ermöglichen oder um die Belastungen von kritischen optischen Elementen zu verringern oder um bei Ausfall einzelner Kanäle über einen oder mehrere Reservekanäle zu verfügen.

Das Aufteilen von Teilstrahlungen in mehrere Pixel kann beispielsweise bei einer parallelen Prozessierung vorteilhaft sein.

Es besteht die Möglichkeit, dass die Laservorrichtung m indestens eine Fourierlinse und/oder m indestens ein Array von Fourierlinsen umfasst, die insbesondere zwischen der Laserlichtquelle und der ersten Ebene angeordnet sind. Die m indestens eine Fourierlinse und/oder das m indestens eine Array von Fourierlinsen können beispielsweise als Mittel zur Überlagerung einzelner von der Laserlichtquelle ausgehender Teilstrahlungen in einzelne Pixel in der ersten Ebene dienen. Es kann vorgesehen sein, dass mehrere Untersysteme der Laservorrichtung, die beispielsweise mehrere aus Pixeln bestehende Laserlinien erzeugen, parallel betrieben werden können.

Gemäß Anspruch 28 ist vorgesehen, dass die Laservorrichtung eine erfindungsgemäße Laservorrichtung ist. Eine erfindungsgemäße

Laservorrichtung stellt eine industriell sehr attraktive Lösung dar, m it der insbesondere ein 3D-Druck m it metallischen Ausgangsmaterialien durchgeführt werden kann.

Dabei kann die Arbeitsebene der Laservorrichtung dem Arbeitsbereich der 3D-Druck-Vorrichtung entsprechen. Die Scannvorrichtung kann so ausgebildet sein, dass die Laserstrahlung relativ zu dem Arbeitsbereich oder der Arbeitsbereich relativ zu der Laserstrahlung bewegt wird.

Insbesondere kann dabei die von der Laservorrichtung erzeugte Laserstrahlung von der Scannvorrichtung als Ganzes abgelenkt werden, wobei die Scannvorrichtung beispielsweise als Galvanoscanner ausgebildet ist. Dies ist insbesondere wegen der mit der erfindungsgemäßen Laservorrichtung erzeugbaren guten Strahlqualität, dem großen Arbeitsabstand und der großen Schärfentiefe in der Arbeitsebene möglich.

Es entfällt also die Notwendigkeit, jede einzelne Teilstrahlung m it beispielsweise einem einzelnen Spiegel abzulenken. Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen: Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung;

Fig. 2a eine erste Intensitätsverteilung einer mit einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung in einer Arbeitsebene erzeugten Laserstrahlung;

Fig. 2b eine zweite Intensitätsverteilung einer m it einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung in einer Arbeitsebene erzeugten Laserstrahlung;

Fig. 3a eine dritte Intensitätsverteilung einer m it einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung in einer Arbeitsebene erzeugten Laserstrahlung;

Fig. 3b eine vierte Intensitätsverteilung einer m it einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung in einer Arbeitsebene erzeugten Laserstrahlung;

Fig. 4 eine fünfte Intensitätsverteilung einer m it einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung in einer Arbeitsebene erzeugten Laserstrahlung;

Fig. 5 eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung; Fig. 6 eine schematische Seitenansicht einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung;

Fig. 7a eine sechste Intensitätsverteilung einer mit einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung in einer Arbeitsebene erzeugten Laserstrahlung;

Fig. 7b ein Diagramm , das die sechste Intensitätsverteilung gemäß Fig. 7a verdeutlicht;

Fig. 7c eine siebte Intensitätsverteilung einer m it einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung in einer Arbeitsebene erzeugten Laserstrahlung;

Fig. 7d ein Diagramm , das die siebte Intensitätsverteilung gemäß Fig. 7c verdeutlicht;

Fig. 8 eine schematische Seitenansicht einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung;

Fig. 9 eine schematische Seitenansicht einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung;

Fig. 10 eine schematische Seitenansicht einer sechsten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung;

Fig. 1 1 eine schematische Seitenansicht einer siebten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung; Fig. 12 eine schematische Seitenansicht einer achten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung;

Fig. 13 eine schematische Seitenansicht einer neunten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung;

Fig. 14 eine schematische Seitenansicht einer zehnten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung;

Fig. 15 eine schematische Seitenansicht einer elften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung;

Fig. 16 eine achte Intensitätsverteilung einer m it einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung in einer Arbeitsebene erzeugten Laserstrahlung;

Fig. 17 eine schematische Seitenansicht einer zwölften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung;

Fig. 18 eine schematische Seitenansicht eines Details einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen 3D-Druck- Vorrichtung;

Fig. 19 eine schematische Seitenansicht eines Details einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen 3D- Druck-Vorrichtung; Fig. 20 eine schematische Seitenansicht eines Details einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen 3D-Druck- Vorrichtung;

Fig. 21 a eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer Projektionsvorrichtung einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung, wobei einige beispielhafte Strahlen einer sich durch die Projektionsvorrichtung hindurchbewegenden Laserstrahlung eingezeichnet sind;

Fig. 21 b eine schematische Seitenansicht der Projektionsvorrichtung gemäß Fig. 21 a, bei der die sich durch die Projektionsvorrichtung hindurchbewegende Laserstrahlung eingezeichnet ist;

Fig. 21 c eine um 90° gedrehte schematische Seitenansicht der Projektionsvorrichtung gemäß Fig. 21 a, bei der die sich durch die Projektionsvorrichtung hindurchbewegende Laserstrahlung eingezeichnet ist;

Fig. 22a eine schematische Seitenansicht einer zweiten

Ausführungsform einer Projektionsvorrichtung einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung, wobei einige beispielhafte Strahlen einer sich durch die Projektionsvorrichtung hindurchbewegenden Laserstrahlung eingezeichnet sind;

Fig. 22b eine schematische Seitenansicht der Projektionsvorrichtung gemäß Fig. 22a, bei der die sich durch die

Projektionsvorrichtung hindurchbewegende Laserstrahlung eingezeichnet ist; Fig. 22c eine um 90° gedrehte schematische Seitenansicht der Projektionsvorrichtung gemäß Fig. 22a, bei der die sich durch die Projektionsvorrichtung hindurchbewegende Laserstrahlung eingezeichnet ist; Fig. 23a eine schematische Seitenansicht einer dritten

Fig. 23b eine schematische Seitenansicht der Projektionsvorrichtung gemäß Fig. 23a, bei der die sich durch die Projektionsvorrichtung hindurchbewegende Laserstrahlung eingezeichnet ist; Fig. 23c eine um 90° gedrehte schematische Seitenansicht der

Projektionsvorrichtung gemäß Fig. 23a, bei der die sich durch die Projektionsvorrichtung hindurchbewegende Laserstrahlung eingezeichnet ist;

Fig. 24 eine schematische Seitenansicht eines Details einer dreizehnten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung.

In den Figuren sind gleiche oder funktional gleiche Teile m it gleichen Bezugszeichen versehen. In einige der Figuren ist ein kartesisches Koordinatensystem eingezeichnet.

Die in Fig. 1 abgebildete erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung umfasst eine Laserlichtquelle 1 zu Erzeugung einer in Fig. 1 lediglich schematisch angedeuteten Laserstrahlung 2. Die Laserlichtquelle 1 ist insbesondere als Array von Lasern, vorzugsweise als Array von Faserlasern m it einer Mehrzahl von Lichtleitfasern 3 ausgebildet, aus denen jeweils eine Teilstrahlung der Laserstrahlung 2 austritt. Die Dauerstrich- Ausgangsleistung der Laserlichtquelle 1 kann beispielsweise zwischen 1 W und 1000 W betragen. Die Wellenlänge der von der Laserlichtquelle 1 ausgesandten Laserstrahlung 2 kann beispielweise 1080 nm betragen.

Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass anstelle einer Mehrzahl von Faserlasern eine Mehrzahl von anderen Lasern wie beispielsweise ein Laserdiodenbarren m it einer Mehrzahl von Emittern vorgesehen ist, deren Licht jeweils in eine Lichtleitfaser eingekoppelt wird.

Die Lichtleitfasern 3 sind im abgebildeten Ausführungsbeispiel in einer Richtung, die der vertikalen Richtung in Fig. 1 entspricht, nebeneinander angeordnet. Es ergibt sich also ein eindimensionales Array von Lichtleitfasern 3, aus deren Enden jeweils eine der Teilstrahlungen austritt. Dabei kann der Mittenabstand der Lichtleitfasern zueinander zwischen 20 pm und mehreren Millimetern betragen.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Lichtleitfasern 3 nicht in einer Richtung nebeneinander angeordnet sind sondern in zwei, insbesondere zueinander senkrechten, Richtungen nebeneinander angeordnet sind. In diesem Fall ergibt sich ein zweidimensionales Array von Lichtleitfasern 3, aus deren Enden jeweils eine der

Teilstrahlungen austritt. Auch dabei kann der Mittenabstand der Lichtleitfasern zueinander zwischen 20 pm und mehreren Millimetern betragen. Die Laserlichtquelle 1 umfasst insbesondere eine nicht abgebildete Halterung m it einer Mehrzahl von V-förm igen Nuten, die äquidistant zueinander angeordnet sind. Dabei ist eine jede der Lichtleitfasern 3 in einer der Nuten angeordnet. Die Halterung kann insbesondere aus Silikon oder Glas bestehen.

Durch diese Halterung in V-Nuten können die Lichtleitfasern 3 präzise zueinander positioniert werden. Um die Genauigkeit der Positionierung zu verbessern kann der die V-Nuten aufweisende Teil der Halterung einstückig ausgebildet sind. Es besteht alternativ die Möglichkeit, ein eindimensionales oder zweidimensionales Array von Lichtleitfasern dadurch zu bilden, dass die Lichtleitfasern beziehungsweise deren Enden direkt, beispielsweise durch Verkleben und/oder Spleißen, m it einem optischen Bauteil verbunden werden. Dabei kann es sich bei dem optischen Bauteil um das erste in Ausbreitungsrichtung der

Laserstrahlung hinter der Laserlichtquelle angeordnete optische Bauteil handeln. Alternativ können die Lichtleitfasern auch m it einem Fenster verbunden werden, das beispielsweise Teil eines Faserhalters oder Faserträgers ist. Insbesondere kann durch die Verbindung der Lichtleitfasern mit dem optischen Bauteil oder dem Fenster eine, vorzugsweise einstückige, optische Komponente geschaffen werden.

Der Durchmesser des in Fig. 1 angedeuteten Kerns 4 der Lichtleitfasern 3 kann zwischen einigen pm und 100 pm oder mehr betragen. Das Modenprofil der Laserstrahlung in einer jeder der Lichtleitfasern 3 kann ein Bessel-Profil oder ein Gauß-Profil oder ein Quasi-Gauß-Profil oder ein M-Profil sein. Die aus den Faserenden austretende Laserstrahlung 2 bildet in einer ersten Ebene 5 eine in Fig. 1 schematisch angedeutete Intensitätsverteilung 6, die eine Mehrzahl von zueinander beabstandeten Intensitätsmaxima 7 aufweist. Die Intensitätsmaxima 7 können dabei jeweils beispielsweise ein Gaußprofil aufweisen. Ein jedes dieser Intensitätsmaxima 7 wird dabei von einer der Teilstrahlungen gebildet die aus einem der Enden der Lichtleitfasern 3 austreten. Die Halbwertsbreite (FWHM) der einzelnen Intensitätsmaxima 7 kann zwischen 10 pm und mehr als 1 mm betragen. Der erste Abstand di dieser Intensitätsmaxima 7 zueinander in Fig. 1 angedeutet.

Die Laservorrichtung umfasst weiterhin eine Projektionsvorrichtung 8, die in Fig. 1 lediglich durch ein Rechteck angedeutet ist. Die Projektionsvorrichtung 8 ist insbesondere eine telezentrische, vorzugsweise eine beidseitig telezentrische Projektionsvorrichtung.

Die numerische Apertur der Projektionsvorrichtung 8 kann zwischen 0,001 und 0, 1 oder mehr betragen.

Die Projektionsvorrichtung 8 kann m indestens ein refraktives Bauteil und/oder m indestens ein diffraktives Bauteil und/oder m indestens ein reflektives Bauteil umfassen. Es besteht die Möglichkeit, dass m indestens ein Bauteil der Projektionsvorrichtung zylindrisch oder sphärisch oder asphärisch geformt ist. Es kann vorgesehen sein, dass m indestens ein Bauteil der Projektionsvorrichtung 8 ein Mikrolinsenarray ist. Das m indestens eine Mikrolinsenarray kann ein refraktives, reflektierendes oder holographisches optisches Element sein oder ein optisches Element m it einer kontinuierlichen Oberfläche oder ein binäres oder ein mehrstufig diffraktives optisches Element sein. Die Projektionsvorrichtung 8 kann m indestens ein Bauteil umfassen, das zur Korrektur von chromatischer Aberration dient. Die Projektionsvorrichtung 8 kann eine Zoom-Funktion aufweisen, um die Größe von Pixeln in der Arbeitsebene oder Liniengrößen anzupassen. Die Projektionsvorrichtung 8 kann m indestens ein der Faltung des

Strahlengangs dienendes Bauteil umfassen, wie beispielsweise einen Spiegel, um die Länge der Projektionsvorrichtung zu verringern. Um Laserstrahlungen mit Leistungen von beispielsweise mehr als 10 kW zu projizieren kann die Projektionsvorrichtung 8 m indestens ein Bauteil m it einer Kühlfunktion umfassen.

Beispiele für komplex aufgebaute Projektionsvorrichtungen finden sich in der DE 198 184 44 A1 und der US 6 560 031 B1 .

Die in Fig. 1 abgebildete erste Ausführungsform einer Projektionsvorrichtung 8 bildet die erste Ebene 5 in die Arbeitsebene 1 1 ab. Dabei führt die Projektionsvorrichtung 8 eine verkleinerte

Abbildung durch. Die Intensitätsverteilung 6‘ der Laserstrahlung 2 in der Arbeitsebene 1 1 wird dadurch gegenüber der Intensitätsverteilung 6 in der ersten Ebene 5 komprim iert. Der zweite Abstand d2 der Intensitätsmaxima 7‘ zueinander in der Arbeitsebene 1 1 ist kleiner als der erste Abstand di der Intensitätsmaxima 7 in der ersten Ebene 5. Die Verkleinerung der Projektionsvorrichtung 8 kann beispielsweise zwischen 1 und 20 betragen.

Die Projektionsvorrichtung 8 erhöht weiterhin den Arbeitsabstand der Arbeitsebene 1 1 von der Laservorrichtung. Die Größe der Intensitätsmaxima 7‘ in der Arbeitsebene 1 1 kann auch dadurch beeinflusst werden, dass eine zu der Arbeitsebene 1 1 beabstandete Arbeitsebene gewählt wird, in die eine zu der ersten Ebene benachbarte Ebene abgebildet wird. In Fig. 1 sind dazu beispielhaft zwei zu der ersten Ebene 5 benachbarte Ebenen 5‘, 5“ und zwei zu der Arbeitsebene 1 1 benachbarte Ebenen 1 1 “, 1 1 ' eingezeichnet.

Die in der Arbeitsebene 1 1 erzeugten Intensitätsmaxima 7' der Laserstrahlung können als Pixel einer Laserstrahlung angesehen werden, die für eine 3D-Druck-Vorrichtung zur Erzeugung eines räumlich ausgedehnten Produkts verwendet wird. Dazu kann die Arbeitsebene 1 1 in einem Arbeitsbereich einer 3D-Druck-Vorrichtung angeordnet sein, wobei dem Arbeitsbereich m it der Laserstrahlung zu beaufschlagendes Ausgangsmaterial für den 3D-Druck zugeführt werden kann.

Aufgrund der Restdivergenz der Teilstrahlungen ändert sich die Ausdehnung der Teilstrahlungen leicht von der Ebene 5 zu der Ebene 5". Da eine telezentrische Projektionsvorrichtung 8 im Unterschied zu einer nicht telezentrischen Projektionsvorrichtung eine große Schärfentiefe aufgrund desselben Vergrößerungsfaktors für die

Ebenen 1 1 bis 1 1" aufweist, ist der zweite Abstand d2 für die Ebenen 1 1 bis 1 1" mehr oder weniger gleich, wohingegen sich die Größe der einzelnen Teilstrahlen in den Ebenen 1 1 bis 1 1" aufgrund der Restdivergenz wie für die Ebenen 5 bis 5" leicht voneinander unterscheidet.

Dies ist ein wichtiger Vorteil für die Materialverarbeitung, weil eine optimale Pixelgröße nicht nur durch die optische Pixelgröße und/oder das Intensitätsprofil, sondern auch durch die physikalischen Eigenschaften der zu verarbeitenden Materialien wie beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit und die Dichte des zu bearbeitenden Materials bestimmt wird. Die Größe der Teilstrahlungen beziehungsweise der Pixel kann dadurch angepasst werden, dass einfach von einer Ebene 1 1 zu einer anderen Ebene 1 1 ‘, 1 1" gewechselt wird. Dies kann beispielsweise ein Wechsel von einer Ebene 1 1 , 1 1 ‘, 1 1 “ m it der besten Homogenität der Linienintensität zu einer anderen Ebene 1 1 ,

1 1 ‘ , 1 1“ sein, in der die Größe der Teilstrahlungen beziehungsweise der Pixel eine andere ist, beispielsweise in der die Größe der Teilstrahlungen beziehungsweise der Pixel kleiner als der Abstand d2 ist.

Die einzelnen Intensitätsmaxima 7‘ beziehungsweise Pixel der für den 3D-Druck verwendeten Laserstrahlung 2 können gezielt an- und abgeschaltet werden. Diese An- oder Abschalten der Pixel kann insbesondere durch entsprechende Ansteuerung der Laserlichtquelle 1 erreicht werden. Beispielsweise können dazu einzelne der

Faserlaser ein- oder ausgeschaltet werden.

Der Querschnitt der Intensitätsmaxima 7‘ beziehungsweise der Pixel ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 kreisförm ig. Der Querschnitt wird in Fig. 1 durch die nebeneinander angeordneten Kreise 12 angedeutet.

Fig. 2a zeigt eine linienförm ige Intensitätsverteilung 6‘ der Laserstrahlung 2 in der Arbeitsebene 1 1 in einem Zustand, in dem sämtliche Pixel beziehungsweise Intensitätsmaxima 7‘ vorhanden sind. Demgegenüber zeigt Fig. 2b die Intensitätsverteilung 6‘ in einem Zustand, in dem jedes zweite Pixel ausgeschaltet ist.

Fig. 3a und Fig. 3b zeigen einen ähnlichen Vergleich für eine Laservorrichtung, die eine flächenförm ige Intensitätsverteilung 6‘ in der Arbeitsebene 1 1 generiert. Die einzelnen Pixel beziehungsweise Intensitätsmaxima 7‘ sind dabei in zwei zueinander senkrechten Richtungen, die in der Zeichenebene liegen, nebeneinander angeordnet. Dabei zeigt Fig. 3a die Intensitätsverteilung 6‘ der Laserstrahlung 2 in der Arbeitsebene 1 1 in einem Zustand, in dem sämtliche Pixel beziehungsweise Intensitätsmaxima 7‘ vorhanden sind. Demgegenüber zeigt Fig. 3b die Intensitätsverteilung 6‘ in einem Zustand, in dem jedes zweite Pixel ausgeschaltet ist.

Fig. 4 zeigt eine flächenförmige Intensitätsverteilung 6‘ in der Arbeitsebene 1 1 , bei der die Pixel beziehungsweise Intensitätsmaxima 7‘ hexagonal dicht gepackt sind.

Die in Fig. 5 abgebildete Ausführungsform entspricht im Wesentlichen derjenigen in Fig. 1 . Im Unterschied dazu umfasst die Ausführungsform gemäß Fig. 5 ein schematisch angedeutetes zusätzliches Array 13 von optischen Elementen 14 zwischen der Laserlichtquelle 1 und der Projektionsvorrichtung 8. Die optischen Elemente 14 können Kollimationslinsen sein, um die aus der Laserlichtquelle 1 austretende Laserstrahlung 2 zu kollim ieren. Alternativ oder zusätzlich können die optischen Elemente 14 auch Abbildungselemente oder Teleskopelemente sein, um die Tiefenschärfe einer in der ersten Ebene 5 erzeugten Fokusebene zu vergrößern. Die optischen Elemente 14 können beispielsweise die Faserenden in die erste Ebene 5 abbilden. Die optischen Elemente 14 können zylindrisch oder sphärisch geformt sein.

Es besteht die Möglichkeit, anstelle eines Arrays 13 von optischen Elementen 14 zwei oder mehr als zwei Arrays 13 von optischen Elementen 14 vorzusehen. Bei der Verwendung zweier Arrays 13 können die optischen Elemente 14 der beiden Arrays 13 beispielsweise zueinander gekreuzte Zylinderlinsen sein.

Die in Fig. 6 abgebildete Ausführungsform entspricht im Wesentlichen derjenigen in Fig. 5. Im Unterschied dazu umfasst die

Ausführungsform gemäß Fig. 6 ein zusätzliches Array 15 von Konvertern 16 und ein zusätzliches Array 17 von Fourierlinsen 18. Die Konverter 16 können zusammen mit den Fourierlinsen 18 das Intensitätsprofil der Laserstrahlung 2 oder einer oder mehrerer der Teilstrahlungen ändern, wobei ein jeder der Konverter 16 beispielsweise ein Gauß-Profil in ein Top-Hat-Profil umwandeln kann. Alternativ kann ein jeder der Konverter 16 beispielsweise ein Gauß- Profil in ein M-Profil umwandeln.

Es kann ein Konverter vorgesehen sein, der als 2D-Gauß-zu-Airy- Disc-Functions-Konverter ausgebildet ist. Dabei entspricht eine Airy- Disc-Funktion ~Ji (r)/r, wobei Ji eine Besselfunktion der ersten Art ist. Derartige Airy-Disc-Funktionen sind beispielsweise in der US 9 285 593 B1 beschrieben. Ein Beispiel eines 2D-Gauß-zu-Airy-Disc-

Functions-Konverters ist eine axialsymmetrische binäre Phasenplatte. Eine derartige Phasenplatte ist in der US 5 300 756 beschrieben.

Es kann auch ein Konverter vorgesehen sein, der als 1 D-Gauß-zu- Sinc-Funktions-Konverter ausgebildet ist. Dabei entspricht eine Sinc- Funktion 5ίh(pc)/pc. Ein Beispiel eines 1 D-Gauß-zu-Sinc-Funktions- Konverter sind zwei zylindrische binäre Phasenplatten, die senkrecht zueinander ausgerichtet sind.

Ein solcher Konverter wie beispielsweise ein 2D-Konverter oder zwei senkrecht zueinander ausgerichtete 1 D-Platten wird zusammen m it einer Fourier-Linse als Gauß-zu-Tophat-Konverter oder Gauß-zu-M- Form-Konverter verwendet.

Es besteht durchaus die Möglichkeit, mehr als ein Array 13 von optischen Elementen 14 und/oder mehr als ein Array 15 von Konvertern 16 und/oder mehr als ein Array 17 von Fourierlinsen 18 vorzusehen. Fig. 6 deutet schematisch an, dass die Intensitätsmaxima 7 in der ersten Ebene 5 und die Intensitätsmaxima 7‘ in der Arbeitsebene 1 1 eine Top-Hat-Form aufweisen.

Fig. 7a und Fig. 7b zeigen eine linienförm ige Intensitätsverteilung 6‘ der Laserstrahlung 2 in der Arbeitsebene 1 1 in einem Zustand, in dem sämtliche Pixel beziehungsweise Intensitätsmaxima 7‘ vorhanden sind. Demgegenüber zeigen Fig. 7c und Fig. 7d die Intensitätsverteilung 6‘ in einem Zustand, in dem jedes zweite Pixel ausgeschaltet ist. Dadurch wird deutlich, dass die Intensitätsmaxima 7‘ in Fig. 7d ein Top-Hat-Profil aufweisen.

Die in Fig. 8 abgebildete Ausführungsform entspricht im Wesentlichen derjenigen in Fig. 6. Im Unterschied dazu umfasst die Ausführungsform gemäß Fig. 8 nur ein Array 13 von optischen Elementen 14, die beispielsweise als Kollimationslinsen ausgebildet sein können, sowie ein zusätzliches Array 15 von Konvertern 16, wobei die Fourierlinsen in dieses Array 15 integriert sind.

Die in Fig. 9 abgebildete Ausführungsform entspricht im Wesentlichen derjenigen in Fig. 8. Im Unterschied dazu umfasst die Ausführungsform gemäß Fig. 9 nur ein Array 13 von optischen Elementen 14, die beispielsweise als Kollimationslinsen ausgebildet sein können, wobei die Konverter und die Fourierlinsen in dieses Array 15 integriert sind.

Die in Fig. 10 abgebildete Ausführungsform entspricht im Wesentlichen derjenigen in Fig. 6. Im Unterschied dazu ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 10 der Querschnitt der

Intensitätsmaxima 7‘ beziehungsweise der Pixel quadratisch. Der Querschnitt wird in Fig. 10 durch die nebeneinander angeordneten Quadrate 19 angedeutet. Ein quadratischer Querschnitt der Intensitätsmaxima 7‘ kann beispielsweise durch die Verwendung gekreuzter Zylinderlinsen anstelle sphärischer oder asphärischer kreisförm iger Linsen erreicht werden. Hierbei kann es sich um die Linsen der Arrays 13, 17 handeln. Die in Fig. 1 1 abgebildete Ausführungsform entspricht im

Wesentlichen derjenigen in Fig. 8. Im Unterschied dazu ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 1 der Querschnitt der Intensitätsmaxima 7‘ beziehungsweise der Pixel quadratisch. Der Querschnitt wird in Fig. 1 1 durch die nebeneinander angeordneten Quadrate 19 angedeutet.

Die in Fig. 12 abgebildete Ausführungsform entspricht im Wesentlichen derjenigen in Fig. 9. Im Unterschied dazu ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 12 der Querschnitt der Intensitätsmaxima 7‘ beziehungsweise der Pixel quadratisch. Der Querschnitt wird in Fig. 12 durch die nebeneinander angeordneten Quadrate 19 angedeutet.

Es besteht durchaus die Möglichkeit, anstelle eines kreisförm igen oder eines quadratischen Querschnitts für die Intensitätsverteilungen 7‘ einen hexagonalen Querschnitt vorzusehen. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 13 ist innerhalb der

Projektionsvorrichtung 8 ein Konverter 20 vorgesehen, der das Intensitätsprofil 6 sämtlicher Teilstrahlungen der Laserstrahlung 2 ändern kann. Der Konverter 20 kann beispielsweise ein Gauß-Profil in ein Top-Hat-Profil oder ein Gauß-Profil in ein M-Profil umwandeln. Bei der konkreten Ausführungsform weisen die Intensitätsmaxima 7 in der ersten Ebene 5 ein Gauß-Profil und die Intensitätsmaxima 7‘ in der Arbeitsebene 1 1 ein Top-Hat-Profil auf. Der Konverter 20 kann als 2D-Gauß-zu-Airy-Disc-Functions-Konverter ausgebildet sein. Ein Beispiel eines 2D-Gauß-zu-Airy-Disc-Functions- Konverters ist eine axialsymmetrische binäre Phasenplatte. Der Konverter 20 kann auch als 1 D-Gauß-zu-Sinc-Funktions-Konverter ausgebildet sein. Ein Beispiel eines 1 D-Gauß-zu-Sinc-Funktions-

Konverter sind zwei zylindrische binäre Phasenplatten, die senkrecht zueinander ausgerichtet sind. In beiden Fällen kann die zweite H ä Ifte der Projektionslinse 8, die hinter dem Konverter 20 angeordnet ist, als Fourier-Linse dienen. Es kann jedoch alternativ eine andere Fourierlinse vorgesehen sein.

Der Konverter 20 ist in der Projektionsvorrichtung 8 an einem Ort angeordnet, an dem üblicherweise Aperturblenden vorgesehen sind.

Die in Fig. 14 abgebildete Ausführungsform entspricht im Wesentlichen derjenigen in Fig. 13. Im Unterschied dazu umfasst die Ausführungsform gemäß Fig. 14 ein schematisch angedeutetes zusätzliches Arrays 13 von optischen Elementen 14 zwischen der Laserlichtquelle 1 und der Projektionsvorrichtung 8. Die optischen Elemente 14 können Kollimationslinsen sein, um die aus der Laserlichtquelle 1 austretenden Laserstrahlung 2 zu kollimieren. Alternativ oder zusätzlich können die optischen Elemente 14 auch Abbildungselemente oder Teleskopelemente sein, um die Tiefenschärfe einer in der ersten Ebene 5 erzeugten Fokusebene zu vergrößern. Die optischen Elemente 14 können beispielsweise die Faserenden in die erste Ebene 5 abbilden. Die optischen Elemente 14 können zylindrisch oder sphärisch geformt sein.

Es besteht die Möglichkeit, anstelle eines Arrays 13 von optischen Elementen 14 zwei Arrays 13 von optischen Elementen 14 vorzusehen. Die in Fig. 15 abgebildete Ausführungsform entspricht im Wesentlichen derjenigen in Fig. 13. Im Unterschied dazu ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 15 der Querschnitt der Intensitätsmaxima 7‘ beziehungsweise der Pixel quadratisch. Der Querschnitt wird in Fig. 15 durch die nebeneinander angeordneten Quadrate 19 angedeutet.

Fig. 16 zeigt eine von der Laservorrichtung gemäß Fig. 15 erzeugbare flächenförm ige beziehungsweise rechteckige Intensitätsverteilung 6‘ der Laserstrahlung 2 in der Arbeitsebene 1 1 . Es können beispielsweise 5 mal 150 Pixel mit einem Top-Hat-Profil und einem

Durchmesser von mehr als 100 pm vorgesehen sein. In dem in Fig. 16 abgebildeten Zustand ist jedes zweite Pixel beziehungsweise Intensitätsmaximum 7‘ ausgeschaltet.

Die in Fig. 17 abgebildete Ausführungsform entspricht im Wesentlichen derjenigen in Fig. 14. Im Unterschied dazu ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 17 der Querschnitt der Intensitätsmaxima 7‘ beziehungsweise der Pixel quadratisch. Der Querschnitt wird in Fig. 17 durch die nebeneinander angeordneten Quadrate 19 angedeutet. Bei der in Fig. 18 abgebildeten Ausführungsform einer 3D-Druck- Vorrichtung ist zusätzlich zu einer Laservorrichtung eine lediglich schematisch angedeutete Scannvorrichtung 21 vorgesehen, mit der die Laserstrahlung 2 in der Arbeitsebene 1 1 bewegt werden kann. Die Scannvorrichtung 21 kann beispielsweise als Polygon-Scanner oder als Galvanometer-Scanner ausgebildet sein. Die Scannvorrichtung 21 ist im in Fig. 18 abgebildeten Ausführungsbeispiel zwischen der Projektionsvorrichtung 8 und der Arbeitsebene 1 1 angeordnet. Die Arbeitsebene 1 1 der Laservorrichtung kann einem Arbeitsbereich der 3D-Druck-Vorrichtung entsprechen, dem m it der Laserstrahlung 2 zu beaufschlagendes Ausgangsmaterial für den 3D-Druck zugeführt werden kann. In der Laservorrichtung gemäß Fig. 18 sind sämtliche der in den Fig.

1 , Fig. 5, Fig. 6, Fig. 8 bis Fig. 15 und Fig. 17 dargestellten Alternativen angedeutet. Es finden sich dort also sowohl die Arrays 13, 15, 17 vor der Projektionsvorrichtung 8 als auch ein gemeinsamer Konverter 20 in der Projektionsvorrichtung 8. Weiterhin sind in der Arbeitsebene 1 1 sowohl Kreise 12 als auch Quadrate 19 als mögliche Querschnittsform der Pixel angedeutet. Weiterhin sind in der Arbeitsebene sowohl Intensitätsmaxima 7‘m it einem Gauß-Profil als auch Intensitätsmaxima 7‘ m it einem Top-Hat-Profil angedeutet.

Es angemerkt werden, dass es sich dabei um Alternativen handelt, die nicht sämtlich gleichzeitig beziehungsweise in einem Aufbau verwirklicht werden können oder sollen. Vielmehr sollen die unter Bezugnahme auf die Fig. 1 , Fig. 5, Fig. 6, Fig. 8 bis Fig. 15 und Fig.

17 diskutierten Ausführungsformen in die 3D-Druck-Vorrichtung gemäß Fig. 18 integriert werden können. Die in Fig. 19 abgebildete Ausführungsform entspricht im

Wesentlichen derjenigen in Fig. 18. Im Unterschied dazu ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 19 die Scannvorrichtung 21 in der Projektionsvorrichtung 8 angeordnet, insbesondere zwischeneinem ersten Teil 9 und einem zweiten Teil 10 der Projektionsvorrichtung 8. Dabei ist der gemeinsame Konverter 20 zwischen der

Scannvorrichtung 21 und dem zweiten Teil 10 vorgesehen. Die beiden Teile 9, 10 können eine fouriertransform ierende Vorrichtung bilden. Dabei kann der erste Teil 9 beispielsweise eine Zoom-Funktion haben. Weiterhin kann der zweite Teil 10 beispielsweise als F-Theta- Objektiv oder als Flachfeldlinse dienen.

Die in Fig. 20 abgebildete Ausführungsform entspricht im Wesentlichen derjenigen in Fig. 19. Im Unterschied dazu ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 20 vor der Scannvorrichtung 21 die

Projektionsvorrichtung 8 angeordnet, wobei die Scannvorrichtung 21 trotzdem insbesondere zwischen zwei schematisch angedeuteten Teilen 9, 10 und vor dem gemeinsamen Konverter 20 angeordnet sein kann. Auch in diesem Falle können die beiden Teile 9, 10 eine fouriertransform ierende Vorrichtung bilden. Dabei kann der erste Teil 9 beispielsweise eine Zoom-Funktion haben. Weiterhin kann der zweite Teil 10 beispielsweise als F-Theta-Objektiv oder als Flachfeldlinse dienen.

Es soll an dieser Stelle angemerkt werden, dass wenigstens eine der Komponenten 9, 10, 20 genutzt werden sollte, während die andere Komponenten optional sind.

Bei den in den Fig. 18 bis Fig. 20 abgebildeten Ausführungsformen von 3D-Druck-Vorrichtungen kann die von der Laservorrichtung erzeugte Laserstrahlung 2 von der Scannvorrichtung 21 als Ganzes abgelenkt werden.

In den Fig. 21 a bis Fig. 21 c ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Projektionsvorrichtung 8 abgebildet, die bei der Abbildung von der ersten Ebene 5 in die Arbeitsebene 1 1 eine Verkleinerung um einen Faktor 5 bewirkt. In der Projektionsvorrichtung 8 sind drei Gruppen 22, 23, 24 von jeweils m indestens einer Linse vorgesehen.

Dabei weisen die erste Gruppe 22 eine positive Brechkraft, die zweite Gruppe 23 eine negative Brechkraft und die dritte Gruppe 24 wiederum eine positive Brechkraft auf. Fig. 21 b und Fig. 21 c zeigen den Hindu rchtritt der Laserstrahlung 2 durch die Projektionsvorrichtung 8 in zwei zueinander senkrechten Richtungen x, y quer zur Ausbreitungsrichtung z.

In den Fig. 22a bis Fig. 22c ist eine ebenfalls bevorzugte Ausführungsform einer Projektionsvorrichtung 8 abgebildet, die eine 1 : 1 -Abbildung von der ersten Ebene 5 in die Arbeitsebene 1 1 bewirkt In der Projektionsvorrichtung 8 sind wiederum drei Gruppen 22, 23, 24 von jeweils m indestens einer Linse vorgesehen. Dabei weisen die erste Gruppe 22 eine positive Brechkraft, die zweite Gruppe 23 eine negative Brechkraft und die dritte Gruppe 24 wiederum eine positive Brechkraft auf.

Fig. 22b und Fig. 22c zeigen den Hindurchtritt der Laserstrahlung 2 durch die Projektionsvorrichtung 8 in zwei zueinander senkrechten Richtungen x, y quer zur Ausbreitungsrichtung z. Die in Fig. 23a bis Fig. 23c abgebildete Projektionsvorrichtung 8 entspricht derjenigen gemäß Fig. 22a bis Fig. 22c bis auf einen zusätzlichen Konverter 20, der in der Projektionsvorrichtung 8 an einem Ort angeordnet ist, an dem üblicherweise Aperturblenden vorgesehen sind. Der Konverter 20 besteht in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel aus zwei hintereinander angeordneten Gauß-to- Top-Hat-Konvertern, die gekreuzt zueinander angeordnet sind.

Fig. 23b und Fig. 23c zeigen den Hindurchtritt der Laserstrahlung 2 durch die Projektionsvorrichtung 8 in zwei zueinander senkrechten Richtungen x, y quer zur Ausbreitungsrichtung z. Die in Fig. 23a bis Fig. 23c abgebildete Ausführungsform kann einerseits als Projektionsvorrichtung beziehungsweise Abbildungsvorrichtung mit einem zusätzlichen Konverter angesehen werden. Alternativ kann die Ausführungsform auch so verstanden werden, dass zwischen einem ersten fouriertransformierenden Teil 25 und einem zweiten fouriertransform ierenden Teil 26 der Konverter 20 angeordnet ist.

Es soll an dieser Stelle angemerkt werden, dass die Projektionsvorrichtung 8 zwar in den Fig. 1 , 5, 6 und 8 bis 12 beziehungsweise in den Fig. 13 bis 18 und 20 jeweils gleich dargestellt wurde. Trotzdem kann aber die in einzelnen der Figuren dargestellte Projektionsvorrichtung 8 Komponenten oder einen Aufbau oder Eigenschaften aufweisen, die sich von denen einzelner anderer oder sämtlicher anderer Projektionsvorrichtungen 8 in den anderen Figuren unterscheiden. Weiterhin können sich durch eine unterschiedliche Umgebung der Projektionsvorrichtung 8, wie beispielsweise die Flinzufügung eines Arrays 13 (siehe dazu Fig. 1 und Fig. 5 oder Fig. 13 und Fig. 14), die Abbildungseigenschaften der Projektionsvorrichtung 8, wie beispielsweise der Abstand von der ersten Ebene 5 zur Arbeitsebene 1 1 , ändern, auch wenn in den Figuren der Abstand vereinfacht jeweils gleich eingezeichnet ist.

Es soll weiterhin angemerkt werden, dass durch die Abbildung von der ersten Ebene 5 in die Arbeitsebene 1 1 die Ordnung der nebeneinander angeordneten Intensitätsmaxima 7, 7‘ beziehungsweise der Pixel beibehalten oder geändert werden kann.

Es könnten also beispielsweise drei in der ersten Ebene 5 nebeneinander angeordnete Pixel a - b - c in der Arbeitsebene 1 1 ebenfalls in der Reihenfolge a‘ - b‘ - c‘ oder beispielsweise in der Reihenfolge c‘ - b‘ - a‘ oder beispielsweise in der Reihenfolge b‘ - a‘ - c‘ angeordnet sein.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 24 ist ein nicht abgebildetes zweidimensionales Array von beispielsweise 9 mal 150 Lichtleitfasern vorgesehen, von denen die in Fig. 24 ersichtliche Laserstrahlung 2 ausgeht. Die Ausführungsform umfasst zwei Arrays 13 von optischen Elementen 14, die als Zylinderlinsen ausgebildet sind und zur Kollimation dienen. Die Zylinderachsen der Zylinderlinsen auf den beiden Arrays 13 sind senkrecht zueinander ausgerichtet beziehungsweise als zueinander gekreuzte Zylinderlinsen ausgebildet.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 24 umfasst weiterhin zwei zueinander gekreuzte Arrays 15 von Konvertern 16. Weiterhin umfasst die Ausführungsform eine Fourierlinse 27 und ein sich daran anschließendes Array 17 von Fourierlinsen 18. Die Konverter 16 können zusammen mit den Fourierlinsen 18 das Intensitätsprofil der Laserstrahlung 2 oder einer oder mehrerer der Teilstrahlungen ändern, wobei ein jeder der Konverter 16 beispielsweise ein Gauß- Profil in ein Top-Hat-Profil umwandeln kann. Alternativ kann ein jeder der Konverter 16 beispielsweise ein Gauß-Profil in ein M-Profil umwandeln.

Die in der vertikalen Richtung in Fig. 24 nebeneinander verlaufenden neun Teilstrahlungen der Laserstrahlung 2 werden von der Fourierlinse 27 m iteinander in der ersten Ebene 5 kombiniert, so dass dort eine linienförm ige Intensitätsverteilung m it 1 mal 150 Pixeln erzeugt wird. Von der nicht abgebildeten Projektionsvorrichtung wird die Intensitätsverteilung aus der ersten Ebene 5 in die Arbeitsebene 1 1 abgebildet.

Claims

Patentansprüche:

1 . Laservorrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung, die in einer Arbeitsebene (1 1 ) eine Intensitätsverteilung m it einer Mehrzahl von Intensitätsmaxima aufweist, umfassend eine Laserlichtquelle (1 ), die im Betrieb der Laservorrichtung eine Laserstrahlung (2) aussendet, die in einer ersten Ebene (5) eine linienförm ige oder flächenförm ige Intensitätsverteilung (6) m it einer Mehrzahl von Intensitätsmaxima (7) bildet, eine Projektionsvorrichtung (8), die die erste Ebene (5) derart in die Arbeitsebene (1 1 ) abbildet, dass in der Arbeitsebene (1 1 ) eine linienförm ige oder flächenförmige Intensitätsverteilung (6‘) m it einer Mehrzahl von Intensitätsmaxima (7‘) gebildet wird.

2. Laservorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsmaxima (7) der Intensitätsverteilung (6) in der ersten Ebene (5) in m indestens einer Querrichtung, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung (2) ist, zum indest teilweise einen ersten Abstand (di ) zueinander aufweisen, wobei die Projektionsvorrichtung (8) die erste Ebene (5) derart verkleinert in die Arbeitsebene (1 1 ) abbildet, dass die Intensitätsmaxima (7‘) der Intensitätsverteilung (6‘) in der Arbeitsebene (1 1 ) in m indestens einer Querrichtung, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung (2) ist, zum indest teilweise einen zweiten Abstand (d2) zueinander aufweisen, der kleiner als der erste Abstand (di ) ist.

3. Laservorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsmaxima (7) der Intensitätsverteilung (6) in der ersten Ebene (5) in m indestens einer Querrichtung, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung (2) ist, zum indest teilweise einen ersten Abstand (d 1 ) zueinander aufweisen, wobei die Projektionsvorrichtung (8) die erste Ebene (5) derart in die Arbeitsebene (1 1 ) abbildet, dass die

Intensitätsmaxima (7‘) der Intensitätsverteilung (6‘) in der Arbeitsebene (1 1 ) in m indestens einer Querrichtung, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung (2) ist, zum indest teilweise einen zweiten Abstand (d2) zueinander aufweisen, der größer als der erste Abstand (di ) ist oder der gleich dem ersten Abstand (di ) ist.

4. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsmaxima (7‘) in der Arbeitsebene (1 1 ) in der m indestens einen Querrichtung sämtlich den zweiten Abstand (d2) zueinander aufweisen.

5. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Projektionsvorrichtung (8) erzielte Verkleinerung zwischen 1 und 20 beträgt oder dass die Projektionsvorrichtung (8) eine Vergrößerung zwischen 1 und 5 oder eine Vergrößerung von 1 erzielt.

6. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionsvorrichtung (8) eine telezentrische Projektionsvorrichtung ist, insbesondere eine beidseitig telezentrische Projektionsvorrichtung ist.

7. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass m indestens ein Bauteil der Projektionsvorrichtung (8) zylindrisch geformt ist.

8. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass m indestens ein Bauteil der Projektionsvorrichtung (8) ein Mikrolinsenarray ist.

9. Laservorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das m indestens eine Mikrolinsenarray ein refraktives, reflektierendes oder holographisches optisches Element ist oder ein optisches Element m it einer kontinuierlichen Oberfläche oder ein binäres oder ein mehrstufig diffraktives optisches Element ist.

10. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsabstand zwischen der Projektionsvorrichtung (8) und der Arbeitsebene (1 1 ) größer als 50 mm ist, insbesondere größer als 100 mm ist, vorzugsweise gleich oder größer als 200 mm ist.

1 1 . Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle (1 ) m indestens einen Faserlaser umfasst.

12. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle (1 ) eine Mehrzahl von Lichtleitfasern (3) umfasst, aus deren Enden jeweils eine Teilstrahlung der Laserstrahlung (2) austritt, wobei die Lichtleitfasern (3) insbesondere Single-Mode-Fasern oder Large-Mode-Area-Fasern oder Few-Mode-Fasern sind.

13. Laservorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle (1 ) eine Halterung m it einer Mehrzahl von Nuten, insbesondere V-förm igen Nuten, aufweist, wobei eine jede der Lichtleitfasern (3) in einer der Nuten angeordnet ist.

14. Laservorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein eindimensionales oder zweidimensionales Array von Lichtleitfasern (3) dadurch gebildet wird, dass die Lichtleitfasern (3) beziehungsweise deren Enden direkt, beispielsweise durch Verkleben und/oder Spleißen, m it einem optischen Bauteil oder m it einem Fenster verbunden werden, insbesondere wobei durch die Verbindung der Lichtleitfasern (3) m it dem optischen Bauteil oder dem Fenster eine, vorzugsweise einstückige, optische Komponente geschaffen wird.

15. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die in der ersten Ebene (5) erzeugten Intensitätsmaxima (7) jeweils von der aus einer der Lichtleitfasern (3) ausgetretenen Teilstrahlung gebildet werden.

16. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstrahlungen in den einzelnen

Lichtleitfasern (3) ein Modenprofil aufweisen, das einem Bessel- Profil oder einem Gauß-Profil oder einem M-Profil oder einem Top-Hat-Profil entspricht.

17. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsmaxima (7‘) in der Arbeitsebene (1 1 ) jeweils ein gaußförm iges oder ein supergaußförm iges oder ein Top-Hat-Profil oder ein M-Profil oder ein prozessoptimiertes Profil aufweisen.

18. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Laservorrichtung m indestens einen

Konverter (16, 20) umfasst, der das Intensitätsprofil (6) der Laserstrahlung (2) oder einer oder mehrerer der Teilstrahlungen ändern kann, wobei der Konverter (16, 20) beispielsweise ein Gauß-Profil in ein Top-Hat-Profil umwandeln kann.

19. Laservorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der m indestens eine Konverter (16, 20) als 2D-Gauß-zu- Airy-Disc-Functions-Konverter ausgebildet ist, insbesondere als axialsymmetrische binäre Phasenplatte, oder dass der m indestens eine Konverter (16, 20) als 1 D-Gauß-zu-Sinc- Funktions-Konverter ausgebildet ist, insbesondere als zwei zylindrische binäre Phasenplatten, die senkrecht zueinander ausgerichtet sind.

20. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Konvertern (16) vorgesehen sind, die in einem eindimensionalen oder einem zweidimensionalen Array (15) angeordnet sind.

21 . Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der m indestens eine Konverter (20) in die Projektionsvorrichtung (8) integriert ist.

22. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsmaxima (7‘) in der Arbeitsebene (1 1 ) jeweils einen kreisförmigen oder einen quadratischen oder einen hexagonalen Umriss aufweisen.

23. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Laservorrichtung m indestens ein Kollimationselement (14), insbesondere eine Mehrzahl von Kollimationselementen (14), zur Kollimation der aus der Laserlichtquelle austretenden Laserstrahlung umfasst.

24. Laservorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Kollimationselementen (14) in einem eindimensionalen oder einem zweidimensionalen Array (13) angeordnet ist, das insbesondere ein Linsenarray ist.

25. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Intensitätsmaxima (7‘) in der Arbeitsebene (1 1 ) einzeln oder in Gruppen an- oder abgeschaltet werden kann, insbesondere durch entsprechende Ansteuerung der Laserlichtquelle (1 ).

26. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Laservorrichtung Mittel zur Überlagerung einzelner von der Laserlichtquelle (1 ) ausgehender Teilstrahlungen in einzelne Pixel in der ersten Ebene (5) umfasst und/oder dass die Laservorrichtung Mittel zur Aufteilung einzelner oder sämtlicher von der Laserlichtquelle (1 ) ausgehender Teilstrahlungen in mehrere Pixel in der ersten Ebene (5) umfasst.

27. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Laservorrichtung m indestens eine Fourierlinse (27) und/oder m indestens ein Array (17) von Fourierlinsen (18) umfasst, die insbesondere zwischen der Laserlichtquelle (1 ) und der ersten Ebene (5) angeordnet sind.

28. 3D-Druck-Vorrichtung zur Erzeugung eines räumlich ausgedehnten Produkts, umfassend eine Laservorrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung (2), die in einer Arbeitsebene (1 1 ) eine Intensitätsverteilung (6‘) m it einer Mehrzahl von Intensitätsmaxima (7‘) aufweist, einen Arbeitsbereich, dem m it der Laserstrahlung (2) zu beaufschlagendes Ausgangsmaterial für den 3D-Druck zugeführt wird oder werden kann, wobei der Arbeitsbereich derart in der 3D-Druck-Vorrichtung angeordnet ist, dass die Laserstrahlung (2) auf den Arbeitsbereich auftrifft, sowie eine Scannvorrichtung (21 ), die die Laserstrahlung (2) gezielt unterschiedlichen Orten in dem Arbeitsbereich zuführen kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Laservorrichtung eine Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27 ist.