DE102017212565B4 - Method for producing a continuous surface area, irradiation device and processing machine - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Erzeugen eines zusammenhängenden Flächenbereichs (2) eines dreidimensionalen Bauteils (20) durch Bestrahlen einer Pulverschicht (3) mit mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen (4a,b; 4a-e), insbesondere mit mindestens zwei Laserstrahlen, umfassend:Aufteilen eines primären Bearbeitungsstrahls (4) auf die mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen (4a,b; 4a-e),Führen der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen (4a,b; 4a-e) zu einer gemeinsamen Scannereinrichtung (5) zum Ausrichten der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen (4a,b; 4a-e) über denselben oder dieselben Scannerspiegel (6a, 6b) auf unterschiedliche Positionen (P1, P2; P1 bis P5) in einer Bearbeitungsebene (E) der Scannereinrichtung (5), in welcher der zusammenhängende Flächenbereich (2) sich befindet, wobei das Erzeugen des zusammenhängenden Flächenbereichs (2), der für die Bestrahlung in eine Mehrzahl von bevorzugt rhomboiden, insbesondere rautenförmigen, rechteckigen oder quadratischen Teilbereichen (T1 bis T6; T1, T2) aufgeteilt ist, umfasst:Simultanes Verändern der Positionen (P1, P2; P1 bis P5) der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen (4a,b; 4a-e) in mindestens zwei unterschiedlichen Teilbereichen (T3, T4) des zusammenhängenden Flächenbereichs (2), bis die Pulverschicht (3) in den mindestens zwei Teilbereichen (T3, T4) vollständig aufgeschmolzen ist, sowieSimultanes Verändern der Positionen (P1, P2; P1 bis P5) der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen (4a,b) oder von mindestens zwei weiteren Bearbeitungsstrahlen (25a-e) in mindestens zwei unterschiedlichen weiteren Teilbereichen (T5, T6) des zusammenhängenden Flächenbereichs (2), bis die Pulverschicht (3) in den mindestens zwei weiteren Teilbereichen (T5, T6) vollständig aufgeschmolzen ist.Method for producing a coherent surface area (2) of a three-dimensional component (20) by irradiating a powder layer (3) with at least two processing beams (4a,b; 4a-e), in particular with at least two laser beams, comprising: dividing a primary processing beam (4) into the at least two processing beams (4a,b; 4a-e), guiding the at least two processing beams (4a,b; 4a-e) to a common scanner device (5) for aligning the at least two processing beams (4a,b; 4a-e) via the same scanner mirror(s) (6a, 6b) to different positions (P1, P2; P1 to P5) in a processing plane (E) of the scanner device (5) in which the coherent surface area (2) is located, wherein the production of the coherent surface area (2), which is divided into a plurality of preferably rhomboid, in particular diamond-shaped, rectangular or square partial areas for the irradiation (T1 to T6; T1, T2), comprises:Simultaneous changing of the positions (P1, P2; P1 to P5) of the at least two processing beams (4a,b; 4a-e) in at least two different partial areas (T3, T4) of the contiguous surface area (2) until the powder layer (3) in the at least two partial areas (T3, T4) has completely melted, andSimultaneous changing of the positions (P1, P2; P1 to P5) of the at least two processing beams (4a,b) or of at least two further processing beams (25a-e) in at least two different further partial areas (T5, T6) of the contiguous surface area (2) until the powder layer (3) in the at least two further partial areas (T5, T6) has completely melted.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines zusammenhängenden Flächenbereichs eines dreidimensionalen Bauteils durch Bestrahlen einer Pulverschicht mit mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen, insbesondere mittels mindestens zwei Laserstrahlen. Die Erfindung betrifft auch eine Bestrahlungseinrichtung für eine Bearbeitungsmaschine zum Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen durch Bestrahlen von Pulverschichten, umfassend: eine Strahlteilereinrichtung zur Aufteilung eines primären Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, auf mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen, insbesondere auf mindestens zwei Laserstrahlen, sowie eine Scannereinrichtung zum Ausrichten der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen auf unterschiedliche Positionen in einer Bearbeitungsebene der Scannereinrichtung, sowie eine Bearbeitungsmaschine mit einer solchen Bestrahlungseinrichtung.The present invention relates to a method for producing a continuous surface area of a three-dimensional component by irradiating a powder layer with at least two processing beams, in particular by means of at least two laser beams. The invention also relates to an irradiation device for a processing machine for producing three-dimensional components by irradiating powder layers, comprising: a beam splitter device for splitting a primary processing beam, in particular a laser beam, into at least two processing beams, in particular into at least two laser beams, and a scanner device for aligning the at least two processing beams to different positions in a processing plane of the scanner device, and a processing machine with such an irradiation device.
Dreidimensionale Bauteile können durch so genannte generative Fertigungsverfahren (auch als Additive-Manufacturing-Verfahren bezeichnet) hergestellt werden. Bei derartigen Verfahren wird das dreidimensionale Bauteil schichtweise bzw. lagenweise generiert. Beim so genannten selektiven Laserschmelzen bzw. Lasersintern (auch als Laser Metal Fusion, LMF, bezeichnet) wird zu diesem Zweck ein Pulverwerkstoff lokal durch einen hochenergetischen Bearbeitungsstrahl, insbesondere einen Laserstrahl, aufgeschmolzen, um eine Schicht des dreidimensionalen Bauteils zu erzeugen. Der hochenergetische Bearbeitungsstrahl, beispielsweise in Form des Laserstrahls, kann eine Leistung in der Größenordnung von mehreren hundert Watt aufweisen.Three-dimensional components can be manufactured using so-called generative manufacturing processes (also known as additive manufacturing processes). In such processes, the three-dimensional component is generated layer by layer. In so-called selective laser melting or laser sintering (also known as laser metal fusion, LMF), a powder material is locally melted by a high-energy processing beam, in particular a laser beam, in order to produce a layer of the three-dimensional component. The high-energy processing beam, for example in the form of a laser beam, can have an output in the order of several hundred watts.
Zur Erhöhung der Effizienz bzw. der Aufbaurate bei der Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen ist es bekannt, zwei oder mehr Bearbeitungsstrahlen, insbesondere zwei oder mehr Laserstrahlen, zu verwenden, die von einer entsprechenden Anzahl von Strahlquellen erzeugt werden und die über getrennte Scannereinrichtungen auf einen (gemeinsamen) Bearbeitungsbereich ausgerichtet werden. Bauraumbedingt lässt sich in einer Bearbeitungsmaschine bzw. in einer Bestrahlungseinrichtung nur eine begrenzte Anzahl von Stahlablenkeinrichtungen beispielsweise in Form von Scanner-Optiken unterbringen. Um dennoch eine möglichst effiziente (schnelle) Belichtung zu erreichen, kann ein (primärer) Bearbeitungsstrahl mittels einer Strahlteilereinrichtung in zwei oder mehr Bearbeitungsstrahlen aufgeteilt werden.In order to increase the efficiency or the build rate in the production of three-dimensional components, it is known to use two or more processing beams, in particular two or more laser beams, which are generated by a corresponding number of beam sources and which are directed to a (common) processing area via separate scanner devices. Due to the space available, only a limited number of beam deflection devices, for example in the form of scanner optics, can be accommodated in a processing machine or in an irradiation device. In order to achieve the most efficient (fast) exposure possible, a (primary) processing beam can be split into two or more processing beams using a beam splitter device.
In der
Zur effizienten Herstellung eines dreidimensionalen Bauteils ist es aus der
Die
Weiterer Stand der Technik ist aus
Aufgabe der Erfindungtask of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine Bestrahlungseinrichtung und eine Bearbeitungsmaschine mit einer solchen Bestrahlungseinrichtung anzugeben, mit denen eine effiziente Herstellung von zusammenhängenden Flächenbereichen eines dreidimensionalen Bauteils möglich ist.The invention is based on the object of specifying a method of the type mentioned at the outset as well as an irradiation device and a processing machine with such an irradiation device, with which an efficient production of connected surface areas of a three-dimensional component is possible.
Gegenstand der Erfindungsubject matter of the invention
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, eine Bestrahlungseinrichtung gemäß Anspruch 10 und eine Bearbeitungsmaschine gemäß Anspruch 19 gelöst.This object is achieved by a method according to
Das Verfahren ermöglicht eine Geschwindigkeitssteigerung bei der Belichtung von vergleichsweise großen zusammenhängenden Flächen, indem die Leistung des primären Bearbeitungsstrahls auf die zwei oder mehr Bearbeitungsstrahlen aufgeteilt wird. Im Gegensatz zu dem in der
Die zwei oder mehr Bearbeitungsstrahlen verlaufen annähernd parallel zueinander (typischerweise unter einem kleinen Winkel) und werden über dieselbe Strahlteilereinrichtung, d.h. über denselben bzw. dieselben (Scanner-)Spiegel, auf die Bearbeitungsebene ausgerichtet. Die (fokussierten) Bearbeitungsstrahlen treffen in der Bearbeitungsebene an unterschiedlichen (Fokus-)Positionen auf, wobei der Abstand zwischen den (Fokus-)Positionen typischerweise vergleichsweise gering ist und beispielsweise bei weniger als ca. 1,0 mm liegen kann. Auch der Differenzwinkel zwischen den beiden an der Scannereinrichtung umgelenkten Bearbeitungsstrahlen ist typischerweise vergleichsweise gering und liegt in der Regel bei weniger als ca. 1°.The two or more processing beams run approximately parallel to one another (typically at a small angle) and are aligned with the processing plane via the same beam splitter device, i.e. via the same (scanner) mirror(s). The (focused) processing beams impinge on the processing plane at different (focus) positions, whereby the distance between the (focus) positions is typically comparatively small and can be, for example, less than approximately 1.0 mm. The difference angle between the two processing beams deflected at the scanner device is also typically comparatively small and is usually less than approximately 1°.
Bei dem Verfahren wird ein zusammenhängender Flächenbereich des dreidimensionalen Bauteils erzeugt bzw. belichtet, indem dieser (beispielsweise in einem vorausgehenden Verfahrensschritt) in eine Mehrzahl von Teilbereichen aufgeteilt wird. Die Mehrzahl von Teilbereichen bildet typischerweise eine regelmäßige, rasterförmige Anordnung, beispielsweise in der Art eines Schachbretts, welche den zusammenhängenden Flächenbereich überdeckt. Die Teilbereiche überlappen sich idealer Weise nicht und grenzen idealer Weise unmittelbar aneinander an. Da die Winkel, unter dem die Bearbeitungsstrahlen auf die Pulverschicht treffen, in Abhängigkeit von der Position in dem Bearbeitungsbereich variieren, kann es ggf. zu einer (ungewollten) teilweisen Überlappung benachbarter Teilbereiche in einer Größenordnung in der Regel maximal ca. 10 % der jeweiligen Kantenlänge (Länge bzw. Breite) der Teilbereiche kommen.In the process, a continuous surface area of the three-dimensional component is created or exposed by dividing it (for example in a preceding process step) into a plurality of sub-areas. The plurality of sub-areas typically forms a regular, grid-like arrangement, for example in the manner of a checkerboard, which covers the continuous surface area. Ideally, the sub-areas do not overlap and ideally border directly on one another. Since the angle at which the processing beams hit the powder layer vary depending on the position in the processing area, there may be an (unwanted) partial overlap of adjacent sub-areas on a scale of usually a maximum of approx. 10% of the respective edge length (length or width) of the sub-areas.
Die Positionen der beiden Bearbeitungsstrahlen können in unterschiedlichen Teilbereichen liegen, so dass durch die simultane Veränderung der Positionen der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen zwei oder mehr Teilbereiche gleichzeitig belichtet werden. Die Positionen der zwei oder mehr Bearbeitungsstrahlen können aber auch in ein- und demselben Teilbereich liegen, der aufgrund der Verwendung von zwei oder mehr Bearbeitungsstrahlen schneller aufgeschmolzen werden kann als bei der Verwendung eines einzelnen Bearbeitungsstrahls. Der bzw. die weiteren Teilbereiche, die nachfolgend oder - mit Hilfe von weiteren Bearbeitungsstrahlen - simultan belichtet werden, grenzen typischerweise nicht unmittelbar an den oder die in dem vorausgehenden Schritt belichteten Teilbereiche an, da dies für den Wärmehaushalt des geschmolzenen Pulvermaterials nicht ideal ist. Daher kann zwischen den Schritten des Aufschmelzens des oder der Teilbereiche und des nachfolgenden Aufschmelzens des oder der weiteren Teilbereiche eine Veränderung der Ausrichtung der Bearbeitungsstrahlen in der Bearbeitungsebene mittels der Scannereinrichtung vorgenommen werden, bei welcher die Bearbeitungsstrahlen nicht aktiviert sind. Nach der Veränderung der Ausrichtung werden die Bearbeitungsstrahlen erneut eingeschaltet, um den bzw. die weiteren Teilbereiche zu belichten.The positions of the two processing beams can be in different sub-areas, so that two or more sub-areas are exposed simultaneously by simultaneously changing the positions of the at least two processing beams. However, the positions of the two or more processing beams can also be in one and the same sub-area, which can be melted more quickly due to the use of two or more processing beams than when using a single processing beam. The additional sub-area(s) that are subsequently or simultaneously exposed with the help of additional processing beams typically do not directly border on the sub-area(s) exposed in the previous step, as this is not ideal for the heat balance of the molten powder material. Therefore, between the steps of melting the sub-area(s) and the subsequent melting of the additional sub-area(s), a change in the alignment of the processing beams in the processing plane can be made using the scanner device in which the processing beams are not activated. After the alignment has been changed, the processing beams are switched on again to expose the other partial area(s).
Bei einer Variante ist der zusammenhängende Flächenbereich von einer Randkontur einer Schicht des dreidimensionalen Bauteils umgeben, wobei die Randkontur und/oder ein zwischen der Randkontur und dem zusammenhängenden Flächenbereich gebildeter Randbereich mit dem primären Bearbeitungsstrahl, insbesondere mit dem primären Laserstrahl, oder mit einem weiteren Bearbeitungsstrahl, insbesondere mit einem weiteren Laserstrahl, bestrahlt wird. In der Regel stimmt die Randkontur der Schicht des herzustellenden dreidimensionalen Bauteils nicht mit der Randkontur des zusammenhängenden Flächenbereichs überein, so dass zwischen der Randkontur und dem zusammenhängenden Flächenbereich ein Randbereich verbleibt. Der Randbereich weist typischerweise eine Geometrie bzw. eine Fläche auf, in die kein Teilbereich des zusammenhängenden Flächenbereichs mehr hineinpasst. Der Randbereich wird daher typischerweise mit einem einzigen Bearbeitungsstrahl bestrahlt bzw. aufgeschmolzen. Zu diesem Zweck kann der primäre Bearbeitungsstrahl verwendet werden, der in diesem Fall nicht in mehrere Bearbeitungsstrahlen aufgeteilt wird, oder es kann ein weiterer Bearbeitungsstrahl verwendet werden, der von einer weiteren Strahlquelle erzeugt wird und/oder der über eine weitere Scannereinrichtung auf die Bearbeitungsebene ausgerichtet wird. Wird der primäre Bearbeitungsstrahl verwendet, ist es günstig, wenn eine möglichst dynamische, schnelle Umschaltung zwischen den mehreren Bearbeitungsstrahlen und dem primären Bearbeitungsstrahl erfolgen kann. Zu diesem Zweck kann eine Strahlteilereinrichtung vorgesehen werden, die schnell in den Strahlengang des primären Bearbeitungsstrahls hinein und wieder aus diesem heraus bewegt werden kann. Die Verwendung eines einzigen, nicht aufgeteilten Bearbeitungsstrahls ist ebenfalls günstig, um die Randkontur der Schicht des zweidimensionalen Bauteils zu belichten.In one variant, the continuous surface area is surrounded by an edge contour of a layer of the three-dimensional component, wherein the edge contour and/or an edge region formed between the edge contour and the continuous surface area is irradiated with the primary processing beam, in particular with the primary laser beam, or with a further processing beam, in particular with a further laser beam. As a rule, the edge contour of the layer of the three-dimensional component to be produced does not match the edge contour of the continuous surface area, so that a edge region remains between the edge contour and the continuous surface area. The edge region typically has a geometry or a surface into which no part of the continuous surface area fits. The edge region is therefore typically irradiated or melted with a single processing beam. For this purpose, the primary processing beam can be used, which in this case is not split into several processing beams, or a further processing beam can be used, which is generated by a further beam source and/or which is aligned to the processing plane via a further scanner device. If the primary processing beam is used, it is advantageous if the switching between the several processing beams and the primary processing beam can be as dynamic and fast as possible. For this purpose, a beam splitter device can be provided, which can be quickly divided into the beams can be moved in and out of the primary processing beam. The use of a single, non-split processing beam is also advantageous for exposing the edge contour of the layer of the two-dimensional component.
Bei einer weiteren Variante sind die unterschiedlichen Positionen der Bearbeitungsstrahlen in dem Teilbereich oder in den mindestens zwei Teilbereichen in der Bearbeitungsebene in einer ersten Richtung zueinander versetzt und das simultane Verändern der Positionen der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen in dem Teilbereich oder in den mindestens zwei Teilbereichen umfasst ein simultanes Bewegen der Bearbeitungsstrahlen in einer zweiten, bevorzugt zur ersten senkrechten Richtung in der Bearbeitungsebene. Die Außenkonturen der Teilbereiche verlaufen in diesem Fall typischerweise parallel zur ersten bzw. zur zweiten Richtung. Die Bearbeitungsstrahlen werden in diesem Fall typischerweise mit einer scannenden Bewegung in einer typischerweise geraden Linie entlang der Erstreckung bzw. der Breite des jeweiligen Teilbereichs in der zweiten Richtung bewegt. Am Rand des jeweiligen Teilbereichs erfolgt eine Bewegungsumkehr mit einem (geringfügigen) lateralen Versatz in der ersten Richtung, bevor die Bearbeitungsstrahlen in der ersten Richtung gegenläufig über die gesamte Breite des jeweiligen Teilbereichs bewegt werden. Für den Fall, dass mehrere Bearbeitungsstrahlen in ein- und demselben Teilbereich positioniert sind, kann es gegebenenfalls - d.h. bei geeigneter Dimensionierung des Teilbereichs - ausreichen, wenn die Bearbeitungsstrahlen nur ein einziges Mal in der zweiten Richtung über den Teilbereich bewegt werden, um diesen vollständig aufzuschmelzen.In a further variant, the different positions of the processing beams in the partial area or in the at least two partial areas in the processing plane are offset from one another in a first direction, and the simultaneous change in the positions of the at least two processing beams in the partial area or in the at least two partial areas comprises a simultaneous movement of the processing beams in a second direction, preferably perpendicular to the first direction in the processing plane. In this case, the outer contours of the partial areas typically run parallel to the first or second direction. In this case, the processing beams are typically moved in a scanning movement in a typically straight line along the extent or width of the respective partial area in the second direction. At the edge of the respective partial area, a reversal of movement takes place with a (slight) lateral offset in the first direction before the processing beams are moved in the opposite direction in the first direction across the entire width of the respective partial area. In the event that several processing beams are positioned in one and the same partial area, it may be sufficient - i.e. if the partial area is suitably dimensioned - if the processing beams are moved only once in the second direction over the partial area in order to melt it completely.
Bei einer weiteren Variante wird ein Gasstrom über die Pulverschicht geführt, dessen Strömungsrichtung bevorzugt zumindest teilweise der Bewegungsrichtung der Bearbeitungsstrahlen in der Bearbeitungsebene entgegen gerichtet ist und/oder bevorzugt erfolgt die Reihenfolge der Bestrahlung der Teilbereiche in Abhängigkeit vom Abstand der jeweiligen Teilbereiche in Strömungsrichtung von einer Bereitstellungseinrichtung zur Bereitstellung des Gasstroms. Bei dem Gasstrom kann es sich beispielsweise um einen Schutzgasstrom handeln, um optische Bauteile der Bestrahlungseinrichtung, beispielsweise ein Fenster, vor Verunreinigungen, beispielsweise vor Rußpartikeln, zu schützen, die sich bei der Bestrahlung des Pulvermaterials bilden. Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Bewegung, genauer gesagt die Bewegungsrichtung, der Bearbeitungsstrahlen bei der Belichtung nicht mit der Strömungsrichtung des Schutzgasstroms übereinstimmt, da durch den Schutzgasstrom Rußpartikel abgetragen werden, die in diesem Fall direkt vor dem bzw. vor den Bearbeitungsstrahlen auf der bestrahlten Pulverschicht abgelegt und aufgeschweißt würden.In a further variant, a gas stream is guided over the powder layer, the flow direction of which is preferably at least partially directed against the direction of movement of the processing beams in the processing plane and/or the order of irradiation of the sub-areas preferably takes place depending on the distance of the respective sub-areas in the flow direction from a supply device for providing the gas stream. The gas stream can, for example, be a protective gas stream in order to protect optical components of the irradiation device, for example a window, from contamination, for example from soot particles, which form when the powder material is irradiated. It has proven to be advantageous if the movement, or more precisely the direction of movement, of the processing beams during exposure does not coincide with the flow direction of the protective gas stream, since the protective gas stream removes soot particles which in this case would be deposited and welded onto the irradiated powder layer directly in front of the processing beam(s).
Um dieser Problematik zu begegnen, können die Teilbereiche in einer Reihenfolge bestrahlt werden, bei welcher der bzw. die in Strömungsrichtung des Gasstroms am weitesten von der Bereitstellungseinrichtung entfernt liegenden Teibereich(e) zuerst bestrahlt werden. Bevorzugt wird hierbei berücksichtigt, dass zwei direkt nebeneinander liegende Teilbereiche in der Regel nicht direkt nacheinander bestrahlt werden. Insbesondere nehmen die Bewegungsrichtungen der Bearbeitungsstrahlen in allen bestrahlten Teilbereichen in der Bearbeitungsebene den jeweils gleichen Winkel zur Strömungsrichtung des Gasstroms ein.To counteract this problem, the sub-areas can be irradiated in a sequence in which the sub-area(s) furthest away from the supply device in the direction of flow of the gas flow are irradiated first. Preferably, it is taken into account that two sub-areas directly next to each other are generally not irradiated one after the other. In particular, the directions of movement of the processing beams in all irradiated sub-areas in the processing plane assume the same angle to the direction of flow of the gas flow.
Für den Fall, dass die zweite Richtung, entlang derer die Belichtung erfolgt, parallel oder annähernd parallel zum Schutzgasstrom verläuft, kann die Bewegung der Bearbeitungsstrahlen entlang der zweiten Richtung, z.B. der Y-Richtung, nur mit einer Orientierung (positiver oder negativer Y-Richtung) erfolgen. Beispielsweise können für den Fall, dass die Strömungsrichtung des Schutzgasstroms in negativer Y-Richtung verläuft, die Bearbeitungsstrahlen nur in positiver Y-Richtung bewegt werden, wie dies beispielsweise in der
Bei einer weiteren Variante weisen die Positionen der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen in der ersten Richtung einen Abstand voneinander auf, der im Wesentlichen einem (typischerweise von Eins verschiedenen) ganzzahligen Vielfachen der Erstreckung eines jeweiligen Teilbereichs in der ersten Richtung entspricht. Wie weiter oben beschrieben wurde, hat es sich als günstig erwiesen, wenn bei der Belichtung eines zusammenhängenden Flächenbereichs die erforderliche Laserleistung in Form von in sich geschlossenen rhomboiden, beispielsweise rautenförmigen, quadratischen oder rechteckigen Teilbereichen eingebracht wird. Die parallele Belichtung von zwei unmittelbar benachbarten Teilbereichen hat sich hinsichtlich des Wärmehaushalts der Schmelze zwar als eher ungünstig herausgestellt, ist aber in bestimmten Fällen ebenfalls möglich bzw. sinnvoll. Für die parallele Bestrahlung von zwei Teilbereichen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zwischen den mit den zwei oder mehr Bearbeitungsstrahlen simultan bestrahlten Teilbereichen eine Lücke von mindestens einem Teilbereich gebildet ist. Vor der Bestrahlung der weiteren Teilbereiche, welche die Lücken zwischen den bestrahlten Teilbereichen bilden, werden in der Regel weitere Teilbereiche des zusammenhängenden Flächenbereichs bestrahlt, die auch in der zweiten Richtung zu den bereits bestrahlten Teilbereichen versetzt sind. Idealerweise entspricht der Abstand der Positionen der Bearbeitungsstrahlen voneinander exakt einem (von Eins verschiedenen) ganzzahligen Vielfachen, insbesondere einem geradzahligen ganzzahligen Vielfachen, beispielsweise genau zwei Mal oder genau vier Mal, ggf. aber auch einem nicht geradzahligen Vielfachen, beispielsweise drei Mal, fünf Mal ... der Erstreckung eines jeweiligen Teilbereichs. Wie weiter oben beschrieben wurde, kommt es abhängig von der Position der Bearbeitungsstrahlen in der Bearbeitungsebene in der ersten Richtung ggf. zu einer unerwünschten teilweisen Überlappung der Teilbereiche. Unter einem Abstand, der im Wesentlichen einem ganzzahligen Vielfachen der Erstreckung eines jeweiligen Teilbereichs in der ersten Richtung entspricht, wird im Sinne dieser Anmeldung ein Abstand verstanden, der um +/- 10 % von der Erstreckung (Kantenlänge) eines jeweiligen Teilbereichs in der ersten Richtung abweicht.In a further variant, the positions of the at least two processing beams in the first direction are spaced apart from one another by a distance that essentially corresponds to an integer multiple (typically different from one) of the extent of a respective partial area in the first direction. As described above, it has proven to be advantageous if, when exposing a contiguous surface area, the required laser power is introduced in the form of self-contained rhomboid, for example diamond-shaped, square or rectangular partial areas. The parallel exposure of two immediately adjacent partial areas has proven to be rather unfavorable with regard to the heat balance of the melt, but is also possible or useful in certain cases. For the parallel irradiation of two partial areas, it has proven to be advantageous if a gap of at least one partial area is formed between the partial areas simultaneously irradiated with the two or more processing beams. Before irradiating the other sub-areas that form the gaps between the irradiated sub-areas, other sub-areas of the connected surface area are usually irradiated, which are also offset in the second direction from the already irradiated sub-areas. Ideally, the distance between the positions of the Processing beams are spaced apart from each other by exactly an integer multiple (other than one), in particular an even-numbered integer multiple, for example exactly twice or exactly four times, but possibly also a non-even-numbered multiple, for example three times, five times... the extent of a respective sub-area. As described above, depending on the position of the processing beams in the processing plane in the first direction, there may be an undesirable partial overlap of the sub-areas. For the purposes of this application, a distance that essentially corresponds to an integer multiple of the extent of a respective sub-area in the first direction is understood to mean a distance that deviates by +/- 10% from the extent (edge length) of a respective sub-area in the first direction.
Die Geometrie bzw. die Fläche der jeweiligen Teilbereiche, welche den zusammenhängenden Flächenbereich bilden, ist in der Regel gleich groß. Es ist aber auch möglich, dass der zusammenhängende Flächenbereich mehrere Arten von beispielsweise rechteckigen Teilbereichen aufweist, die sich in ihrem Flächeninhalt unterscheiden, beispielsweise in ihrer Breite und/oder in ihrer Länge. Die Längen und/oder die Breiten der jeweiligen Teilbereiche können in diesem Fall jeweils ein ganzzahliges Verhältnis zueinander aufweisen, so dass zwei oder mehr der Teilbereiche sich zu einem größeren Teilbereich ergänzen. Die Verwendung von kleineren Teilbereichen kann insbesondere am Rand des zusammenhängenden Flächenbereichs vorteilhaft sein, um diesen möglichst gut an die umgebende Randkontur anzupassen.The geometry or the area of the respective sub-areas that form the connected surface area is usually the same size. However, it is also possible for the connected surface area to have several types of, for example, rectangular sub-areas that differ in their surface area, for example in their width and/or length. In this case, the lengths and/or widths of the respective sub-areas can each have an integer ratio to one another, so that two or more of the sub-areas complement each other to form a larger sub-area. The use of smaller sub-areas can be advantageous, particularly at the edge of the connected surface area, in order to adapt it as well as possible to the surrounding edge contour.
Bei einer weiteren Variante wird ein Differenzwinkel zwischen den mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen in der ersten Richtung beim Ausrichten der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen auf unterschiedliche Positionen in der Bearbeitungsebene, deren Abstand in der Bearbeitungsebene abhängig von einem Umlenkwinkel der Scannereinrichtung ortsabhängig variiert, derart gewählt, dass entweder benachbarte Teilbereiche in der Mitte des Bearbeitungsbereichs in der ersten Richtung aneinander angrenzen oder benachbarte Teilbereiche am Rand des Bearbeitungsbereichs in der ersten Richtung aneinander angrenzen. Um die beiden Bearbeitungsstrahlen auf unterschiedliche Positionen in der Bearbeitungsebene auszurichten, ist es erforderlich, dass diese unter einem (geringfügig) unterschiedlichen Winkel aus der Scannereinrichtung austreten, der in einer Umlenkebene gemessen wird, die entlang der ersten Richtung verläuft.In a further variant, a difference angle between the at least two processing beams in the first direction when aligning the at least two processing beams to different positions in the processing plane, the distance in the processing plane of which varies depending on the location depending on a deflection angle of the scanner device, is selected such that either adjacent sub-areas in the middle of the processing area adjoin one another in the first direction or adjacent sub-areas at the edge of the processing area adjoin one another in the first direction. In order to align the two processing beams to different positions in the processing plane, it is necessary for them to emerge from the scanner device at a (slightly) different angle, which is measured in a deflection plane that runs along the first direction.
In der Mitte des Bearbeitungsbereichs ist einer der Bearbeitungsstrahlen senkrecht zur Bearbeitungsebene ausgerichtet, was einem Umlenkwinkel von 0° entspricht. Am Rand des Bearbeitungsbereichs ist einer der Bearbeitungsstrahlen unter einem Ablenkwinkel von beispielsweise ca. 20° ausgerichtet, welcher dem maximal möglichen Umlenkwinkel durch die Scannereinrichtung entspricht. Bei der Umlenkung von beispielsweise zwei Bearbeitungsstrahlen kommt es zu einer Veränderung des Abstandes zwischen den (Fokus-)Positionen der beiden Bearbeitungsstrahlen abhängig vom Umlenkwinkel und somit von den Positionen der Bearbeitungsstrahlen in der Bearbeitungsebene in der ersten Richtung. Der Abstand bzw. das Versatzmaß zwischen den (Fokus-)Positionen und somit zwischen den beiden simultan bestrahlten Teilbereichen wird umso größer, je weiter die Bearbeitungsstrahlen in der Umlenkebene in Richtung des Randes des Bearbeitungsbereichs verschwenkt werden. Bei einem festen Differenzwinkel zwischen den beiden Bearbeitungsstrahlen kann das Versatzmaß bzw. der Abstand zwischen den beiden Bearbeitungsstrahlen am Rand des Bearbeitungsbereichs derart eingestellt werden, dass sich zwei benachbarte Teilbereiche nach der Belichtung berühren bzw. unmittelbar aneinander angrenzen. Beim Verschwenken nach innen steigt der Überlappfaktor zwischen benachbarten belichteten Teilbereichen kontinuierlich an, d.h. zwei benachbarte Teilbereiche und auch die Einzelbahnen überlappen sich in der Mitte des Bearbeitungsbereichs stärker als am Rand des Bearbeitungsbereichs. Im Bestrahlungsprozess bedeutet dies eine Reduzierung der Effektivität zur Mitte des Bearbeitungsbereichs hin, da der unter einem größeren Umlenkwinkel umgelenkte, nachlaufende Bearbeitungsstrahl ein Teil eines bereits belichteten Teilbereichs ein zweites Mal belichtet, d.h. dass die beiden Teilbereiche sich in der Mitte des Bearbeitungsbereichs teilweise (in der Regel um nicht mehr als ca. 10 % der jeweiligen Erstreckung der Teilbereiche) überlappen. Wie weiter oben dargestellt wurde, werden typischerweise zwei benachbarte Teilbereiche nicht simultan bestrahlt, vielmehr besteht zwischen den bestrahlten Teilbereichen eine Lücke von mindestens einem Teilbereich. Der Differenzwinkel wird daher typischerweise so gewählt, dass zwischen den beiden simultan bestrahlten Teilbereichen eine entsprechende Lücke verbleibt, die in der Mitte des Bearbeitungsbereichs genau der Breite eines (oder ggf. mehrerer) Teilbereiche entspricht.In the middle of the processing area, one of the processing beams is aligned perpendicular to the processing plane, which corresponds to a deflection angle of 0°. At the edge of the processing area, one of the processing beams is aligned at a deflection angle of, for example, approx. 20°, which corresponds to the maximum possible deflection angle by the scanner device. When, for example, two processing beams are deflected, the distance between the (focus) positions of the two processing beams changes depending on the deflection angle and thus on the positions of the processing beams in the processing plane in the first direction. The distance or offset between the (focus) positions and thus between the two simultaneously irradiated partial areas becomes greater the further the processing beams in the deflection plane are pivoted towards the edge of the processing area. With a fixed difference angle between the two processing beams, the offset or the distance between the two processing beams at the edge of the processing area can be set in such a way that two adjacent partial areas touch each other after exposure or are immediately adjacent to each other. When swiveling inwards, the overlap factor between adjacent exposed partial areas increases continuously, i.e. two adjacent partial areas and also the individual tracks overlap more in the middle of the processing area than at the edge of the processing area. In the irradiation process, this means a reduction in effectiveness towards the middle of the processing area, since the trailing processing beam deflected at a larger deflection angle exposes part of an already exposed partial area a second time, i.e. the two partial areas partially overlap in the middle of the processing area (usually by no more than approx. 10% of the respective extension of the partial areas). As described above, typically two adjacent sub-areas are not irradiated simultaneously, but rather there is a gap of at least one sub-area between the irradiated sub-areas. The difference angle is therefore typically chosen so that a corresponding gap remains between the two simultaneously irradiated sub-areas, which corresponds exactly to the width of one (or possibly several) sub-areas in the middle of the processing area.
Alternativ kann der Differenzwinkel derart eingestellt werden, dass sich in der Nulllage, d.h. in der Mitte des Bearbeitungsbereichs, kein lateraler Versatz zwischen in der ersten Richtung benachbarten Teilbereichen ergibt, d.h. dass diese in der Mitte des Bearbeitungsbereichs unmittelbar aneinander angrenzen. Dieser laterale Versatz bzw. Abstand nimmt beim Verschwenken der beiden Bearbeitungsstrahlen mit zunehmendem Umlenkwinkel zu und kann so gewählt werden, dass zwei benachbarte Teilbereiche am Rand des Bearbeitungsbereichs geringfügig voneinander beabstandet sind. Hierbei kann ausgenutzt werden, dass durch eine geeignete Online-Kalibrierung die tatsächlichen (Fokus-)Positionen der Bearbeitungsstrahlen im gesamten Bearbeitungsbereich vermessen werden können und somit bekannt sind. Das variable Versatzmaß bzw. der Abstand zwischen jeweils zwei der belichteten Teilbereiche in der ersten Richtung am Rand bzw. in der Nähe des Randes des Bearbeitungsbereichs ist somit ebenfalls bekannt und kann parallel zur Erzeugung der Teilbereiche mit einem weiteren Bearbeitungsstrahl oder im Nachgang mit einem einzelnen Bearbeitungsstrahl, beispielsweise mit dem primären Bearbeitungsstrahl, belichtet bzw. ausgeglichen werden, um den zusammenhängenden Flächenbereich zu bilden.Alternatively, the difference angle can be set in such a way that in the zero position, i.e. in the middle of the processing area, there is no lateral offset between adjacent sub-areas in the first direction, i.e. that they are directly adjacent to each other in the middle of the processing area. This lateral offset or distance increases when the two processing beams are swiveled with increasing deflection angle and can be selected in such a way that two adjacent sub-areas at the edge of the processing area are slightly spaced apart from each other. This makes it possible to take advantage of the fact that the actual (focus) positions of the processing beams in the entire processing area can be measured and are therefore known by means of suitable online calibration. The variable offset dimension or the distance between two of the exposed partial areas in the first direction at the edge or near the edge of the processing area is therefore also known and can be exposed or compensated for in parallel with the generation of the partial areas with another processing beam or subsequently with a single processing beam, for example with the primary processing beam, in order to form the connected surface area.
Gegebenenfalls kann der Differenzwinkel bzw. es können die Differenzwinkel zwischen den mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen, die zur Belichtung von unterschiedlichen Teilbereichen dienen, abhängig von den Umlenkwinkeln bzw. von der Lage der (Fokus-)Positionen in der ersten Richtung in dem Bearbeitungsbereich variiert werden. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine (schnelle) Strahlteilereinrichtung zur Aufteilung des primären Bearbeitungsstrahls in die mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen verwendet werden, welche eine Einstellung des Differenzwinkels ermöglicht. Zu diesem Zweck kann die Strahlteilereinrichtung beispielsweise unterschiedlich ausgebildete Strahlteiler-Elemente aufweisen, die wahlweise in den Strahlengang des primären Bearbeitungsstrahls eingebracht werden können, beispielsweise Keilplatten mit unterschiedlichen Keilwinkeln (s.u.).If necessary, the difference angle or the difference angles between the at least two processing beams that serve to expose different partial areas can be varied depending on the deflection angles or the position of the (focus) positions in the first direction in the processing area. For this purpose, for example, a (fast) beam splitter device can be used to split the primary processing beam into the at least two processing beams, which enables the difference angle to be adjusted. For this purpose, the beam splitter device can, for example, have differently designed beam splitter elements that can be optionally introduced into the beam path of the primary processing beam, for example wedge plates with different wedge angles (see below).
Alternativ zur Variation des Differenzwinkels kann ein bevorzugt telezentrisches F-Theta-Objektiv zur Fokussierung der Bearbeitungsstrahlen (sowie ggf. von weiteren Bearbeitungsstrahlen) in der Bearbeitungsebene verwendet werden. Bei der Verwendung eines telezentrischen Objektivs sind die Bearbeitungsstrahlen stets senkrecht zur Bearbeitungsebene ausgerichtet, so dass nahezu keine ortsabhängige Variation des Abstandes der Bearbeitungsstrahlen in der Bearbeitungsebene auftritt.As an alternative to varying the difference angle, a preferably telecentric F-Theta lens can be used to focus the processing beams (and possibly other processing beams) in the processing plane. When using a telecentric lens, the processing beams are always aligned perpendicular to the processing plane, so that there is almost no location-dependent variation in the distance between the processing beams in the processing plane.
Bei einer weiteren Variante sind die Positionen der Bearbeitungsstrahlen oder der weiteren Bearbeitungsstrahlen in dem weiteren Teilbereich oder in den mindestens zwei weiteren Teilbereichen in einer zweiten Richtung zueinander versetzt und das simultane Verändern der Positionen der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen oder der mindestens zwei weiteren Bearbeitungsstrahlen in dem weiteren Teilbereich oder in den mindestens zwei weiteren Teilbereichen umfasst ein simultanes Bewegen der Bearbeitungsstrahlen oder der weiteren Bearbeitungsstrahlen in einer ersten, bevorzugt zur zweiten senkrechten Richtung. Es kann günstig sein, wenn manche (erste) Teilbereiche entlang der ersten Richtung abgescannt werden, während weitere (zweite) Teilbereiche ggf. simultan entlang einer zweiten, zur ersten senkrechten Richtung abgescannt werden.In a further variant, the positions of the processing beams or the further processing beams in the further sub-area or in the at least two further sub-areas are offset from one another in a second direction, and the simultaneous change in the positions of the at least two processing beams or the at least two further processing beams in the further sub-area or in the at least two further sub-areas comprises a simultaneous movement of the processing beams or the further processing beams in a first direction, preferably perpendicular to the second direction. It can be advantageous if some (first) sub-areas are scanned along the first direction, while other (second) sub-areas are possibly scanned simultaneously along a second direction perpendicular to the first.
Bei einem zusammenhängenden Flächenbereich, der in der Art eines Schachbretts in rhomboide, beispielsweise rautenförmige, quadratische oder rechteckige Teilbereiche eingeteilt ist, können beispielsweise die „weißen“ Teilbereiche in der ersten Richtung abgescannt werden, während die „schwarzen“ Teilbereiche in der zweiten Richtung abgescannt werden, oder umgekehrt. Zu diesem Zweck kann ein- und derselbe primäre Bearbeitungsstrahl mit Hilfe von zwei unterschiedlichen Strahlteilereinrichtungen, die wahlweise in den Strahlengang eingebracht werden können, zunächst in der ersten Richtung und nachfolgend in der zweiten Richtung aufgeteilt werden. Gegebenenfalls kann zu diesem Zweck ein- und dieselbe Strahlteilereinrichtung verwendet werden, die um eine Drehachse, die entlang der Strahlrichtung des primären Bearbeitungsstrahls verläuft, um 90° gedreht wird. Für die Aufteilung des primären Bearbeitungsstrahls bzw. des weiteren primären Bearbeitungsstrahls auf mehrere Teilstrahlen kann beispielsweise eine Strahlteilereinrichtung in Form eines diffraktiven optischen Elements verwendet werden.In the case of a continuous surface area which is divided into rhomboidal, for example diamond-shaped, square or rectangular sub-areas in the manner of a chessboard, the "white" sub-areas can, for example, be scanned in the first direction, while the "black" sub-areas are scanned in the second direction, or vice versa. For this purpose, one and the same primary processing beam can be split first in the first direction and then in the second direction using two different beam splitter devices which can optionally be introduced into the beam path. If necessary, one and the same beam splitter device can be used for this purpose, which is rotated by 90° about an axis of rotation which runs along the beam direction of the primary processing beam. For example, a beam splitter device in the form of a diffractive optical element can be used to split the primary processing beam or the further primary processing beam into several sub-beams.
Bei einer Weiterbildung umfasst das Verfahren zusätzlich: Aufteilen eines weiteren primären Bearbeitungsstrahls auf die mindestens zwei weiteren Bearbeitungsstrahlen, sowie Führen der mindestens zwei weiteren Bearbeitungsstrahlen zu einer weiteren gemeinsamen Scannereinrichtung zum Ausrichten der mindesten zwei weiteren Bearbeitungsstrahlen auf unterschiedliche Positionen in der Bearbeitungsebene. Für die Bestrahlung der weiteren Teilbereiche kann ein weiterer primärer Bearbeitungsstrahl verwendet werden, der auf zwei oder mehr, beispielsweise auf fünf oder mehr, weitere Bearbeitungsstrahlen aufgeteilt wird. Wie weiter oben dargestellt wurde, können die weiteren Bearbeitungsstrahlen zur Bestrahlung der „schwarzen“ Teilbereiche verwendet werden, die in der zweiten Richtung abgescannt werden, während die Bearbeitungsstrahlen, in welche der primäre Bearbeitungsstrahl aufgeteilt wird, zur Bestrahlung der „weißen“ Teilbereiche verwendet werden können, oder umgekehrt. Insbesondere hat es sich in diesem Fall als günstig erwiesen, wenn die zwei oder mehr Bearbeitungsstrahlen dazu verwendet werden, simultan ein- und denselben Teilbereich zu bestrahlen, beispielsweise indem zwei oder mehr parallele Bearbeitungsstrahlen über die ganze Breite des jeweiligen Teilbereichs bewegt werden, bevor eine Richtungsumkehr stattfindet und die zwei oder mehr Bearbeitungsstrahlen gegenläufig bewegt werden.In a further development, the method additionally comprises: splitting a further primary processing beam between the at least two further processing beams, and guiding the at least two further processing beams to a further common scanner device for aligning the at least two further processing beams to different positions in the processing plane. To irradiate the further partial areas, a further primary processing beam can be used, which is split between two or more, for example five or more, further processing beams. As explained above, the further processing beams can be used to irradiate the "black" partial areas that are scanned in the second direction, while the processing beams into which the primary processing beam is split can be used to irradiate the "white" partial areas, or vice versa. In particular, it has proven to be advantageous in this case if the two or more processing beams are used to simultaneously irradiate one and the same partial area, for example by moving two or more parallel processing beams across the entire width of the respective partial area before a reversal of direction takes place and the two or more processing beams are moved in opposite directions.
Auch bei dieser Variante kann ein (nicht aufgeteilter) Bearbeitungsstrahl dazu verwendet werden, diejenigen Bereiche einer Schicht des dreidimensionalen Bauteils zu bearbeiten, die für die Bestrahlung durch die aufgeteilten Bearbeitungsstrahlen ungeeignet sind. Beispielsweise kann es sich hierbei um die (Rand-)Kontur(en) der Schicht des dreidimensionalen Bauteils oder um den Randbereich zwischen dem zusammenhängenden Flächenbereich und der Randkontur handeln bzw. grundsätzlich um alle Bereiche, die zu schmal oder zu unförmig für die Bestrahlung mit zwei oder mehr parallel über die Bearbeitungsebene bewegten Bearbeitungsstrahlen sind.In this variant, too, a (non-split) processing beam can be used to process those areas of a layer of the three-dimensional component that are unsuitable for irradiation by the split processing beams. For example, this can be the (edge) contour(s) of the layer of the three-dimensional component or the edge area between the connected surface area and the edge contour or, in principle, all areas that are too narrow or too misshapen for irradiation with two or more processing beams moving parallel across the processing plane.
Bei einer weiteren Variante wird eine Fokuslagen-Korrektur zur Korrektur der Fokus-Positionen der Bearbeitungsstrahlen im Strahlengang des primären Bearbeitungsstrahls vorgenommen. Die Fokus-Positionen der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen entlang ihrer jeweiligen Strahlrichtung sollten idealerweise in der Bearbeitungsebene liegen. Aufgrund der Umlenkung mit Hilfe der Scannerspiegel (ohne Verwendung eines F-Theta-Objektivs) liegen die Fokus-Positionen der Bearbeitungsstrahlen bei der Verschwenkung des bzw. der Scannerspiegel auf einer Kugeloberfläche, d.h. nicht exakt in der Bearbeitungsebene. Um die Variation der Fokus-Position (senkrecht zur Bearbeitungsebene) über den Bearbeitungsbereich zu kompensieren, kann eine Fokuslagen-Korrektur vorgenommen werden, welche die sphärische Abweichung des Scannerfeldes beispielsweise durch schnelle Ausgleichs-Bewegungen einer im Strahlengang des primären Bearbeitungsstrahls angeordneten Linse korrigiert, die in Strahlrichtung des primären Bearbeitungsstrahls verschoben wird, was eine schnelle Fokuslagenverschiebung zur Folge hat. Die bewegbare bzw. verschiebbare Linse kann beispielsweise in eine Fokuslagen-Korrektureinrichtung bzw. -Optik angeordnet sein. Aufgrund des vergleichsweise geringen Differenzwinkels zwischen den Bearbeitungsstrahlen ist es ausreichend, die Fokuslagen-Korrektur für den primären Bearbeitungsstrahl vorzunehmen, d.h. es kann auf eine individuelle Fokuslagen-Korrektur jedes einzelnen der Bearbeitungsstrahlen verzichtet werden.In another variant, a focus position correction is carried out to correct the focus positions of the processing beams in the beam path of the primary processing beam. The focus positions of the at least two processing beams along their respective beam direction should ideally be in the processing plane. Due to the deflection using the scanner mirror (without using an F-Theta lens), the focus positions of the processing beams are on a spherical surface when the scanner mirror(s) are pivoted, i.e. not exactly in the processing plane. In order to compensate for the variation in the focus position (perpendicular to the processing plane) across the processing area, a focus position correction can be carried out, which corrects the spherical deviation of the scanner field, for example by rapid compensating movements of a lens arranged in the beam path of the primary processing beam, which is moved in the beam direction of the primary processing beam, resulting in a rapid focus position shift. The movable or displaceable lens can, for example, be arranged in a focus position correction device or optics. Due to the comparatively small difference angle between the processing beams, it is sufficient to carry out the focus position correction for the primary processing beam, i.e. an individual focus position correction for each of the processing beams can be dispensed with.
Steuerungstechnisch kann für die Fokuslagen-Korrektur bzw. allgemein der Schwerpunkt bzw. der Mittelwert aus den Positionen der Bearbeitungsstrahlen in der Bearbeitungsebene für die Bahnsteuerung verwendet werden, d.h. der Mittelwert wird als Bewegungsbahn des (primären) Bearbeitungsstrahls verwendet. Die Steuerung kann in diesem Fall (im Wesentlichen) auf eine solche Weise erfolgen, als ob nur der primäre Bearbeitungsstrahl für die Bestrahlung verwendet würde. Insbesondere kann die Schwerpunktbahn als Vorgabe für die Bestimmung der Fokuslagen-Korrektur verwendet werden.In terms of control technology, the center of gravity or the mean value of the positions of the processing beams in the processing plane can be used for the path control for the focus position correction or in general, i.e. the mean value is used as the movement path of the (primary) processing beam. In this case, the control can be carried out (essentially) in such a way as if only the primary processing beam were used for the irradiation. In particular, the center of gravity path can be used as a specification for determining the focus position correction.
Die Erfindung betrifft auch eine Bestrahlungseinrichtung der eingangs genannten Art, die eine Steuerungseinrichtung, aufweist, die ausgebildet bzw. programmiert ist, die Positionen der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen in einem Teilbereich oder in mindestens zwei Teilbereichen eines zusammenhängenden Flächenbereichs, der für die Bestrahlung in eine Mehrzahl von bevorzugt rhomboiden, insbesondere rautenförmigen, rechteckigen oder quadratischen Teilbereichen aufgeteilt ist, simultan zu verändern, bis die Pulverschicht in dem Teilbereich oder in den mindestens zwei Teilbereichen vollständig aufgeschmolzen ist, und die ausgebildet ist, die Positionen der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen oder von mindestens zwei weiteren Bearbeitungsstrahlen in einem weiteren Teilbereich oder in mindestens zwei unterschiedlichen weiteren Teilbereichen des zusammenhängenden Flächenbereichs simultan zu verändern, bis die Pulverschicht in dem weiteren Teilbereich oder in den mindestens zwei weiteren Teilbereichen vollständig aufgeschmolzen ist.The invention also relates to an irradiation device of the type mentioned at the outset, which has a control device which is designed or programmed to simultaneously change the positions of the at least two processing beams in a partial area or in at least two partial areas of a continuous surface area which is divided into a plurality of preferably rhomboid, in particular diamond-shaped, rectangular or square partial areas for the irradiation, until the powder layer in the partial area or in the at least two partial areas has completely melted, and which is designed to simultaneously change the positions of the at least two processing beams or of at least two further processing beams in a further partial area or in at least two different further partial areas of the continuous surface area until the powder layer in the further partial area or in the at least two further partial areas has completely melted.
Die Steuerungseinrichtung ist somit ausgebildet bzw. programmiert, das weiter oben beschriebene Verfahren zur Erzeugung des zusammenhängenden Flächenbereichs auszuführen. Entsprechend kann die Steuerungseinrichtung auch ausgebildet bzw. programmiert sein, die weiter oben beschriebenen Varianten des Verfahrens auszuführen. Die Steuerungseinrichtung wirkt für die simultane Veränderung der Positionen der (weiteren) Bearbeitungsstrahlen auf die Scannereinrichtung, genauer gesagt auf den bzw. auf die beiden Scanner-Spiegel der Scannereinrichtung ein.The control device is thus designed or programmed to carry out the method described above for generating the connected surface area. The control device can also be designed or programmed accordingly to carry out the variants of the method described above. The control device acts on the scanner device, or more precisely on the two scanner mirrors of the scanner device, for the simultaneous change in the positions of the (further) processing beams.
Bei einer Ausführungsform weist die Bestrahlungseinrichtung eine weitere Strahlteilereinrichtung zur Aufteilung eines weiteren primären Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines weiteren Laserstrahls, auf mindestens zwei weitere Bearbeitungsstrahlen, insbesondere auf mindestens zwei weiteren Laserstrahlen, sowie eine weitere Scannereinrichtung zum Ausrichten der mindestens zwei weiteren Bearbeitungsstrahlen auf unterschiedliche Positionen in der Bearbeitungsebene auf.In one embodiment, the irradiation device has a further beam splitter device for splitting a further primary processing beam, in particular a further laser beam, into at least two further processing beams, in particular into at least two further laser beams, as well as a further scanner device for aligning the at least two further processing beams to different positions in the processing plane.
Die Bestrahlungseinrichtung kann beispielsweise zwei identisch aufgebaute Scannereinrichtungen aufweisen, die so angeordnet sind, dass deren Scanbereiche bzw. deren Bearbeitungsfelder sich in der Bearbeitungsebene überlappen. Mittels der weiteren Bearbeitungsstrahlen können beispielsweise auf die weiter oben beschriebene Weise die „schwarzen“ oder die „weißen“ Teilbereiche eines schachbrettartigen zusammenhängenden Flächenbereichs bestrahlt werden. Wie weiter oben beschrieben wurde, muss ein solcher schachbrettartiger Flächenbereich nicht zwingend quadratische Teilbereiche aufweisen, sondern kann beispielsweise rhomboide, insbesondere rautenförmige, rechteckige oder quadratische Teilbereiche aufweisen. Insbesondere kann die weitere Strahlteilereinrichtung ausgebildet sein, den weiteren primären Bearbeitungsstrahl in der zweiten Richtung aufzuteilen, so dass die weiteren Bearbeitungsstrahlen auf in der zweiten Richtung unterschiedliche Positionen in der Bearbeitungsebene ausgerichtet werden, während die Strahlteilereinrichtung ausgebildet ist, den primären Bearbeitungsstrahl in einer ersten Richtung aufzuteilen, so dass die Bearbeitungsstrahlen auf unterschiedliche Positionen in der ersten, bevorzugt zur zweiten senkrechten Richtung ausgerichtet werden.The irradiation device can, for example, have two identically constructed scanner devices that are arranged in such a way that their scanning areas or their processing fields overlap in the processing plane. Using the additional processing beams, the “black” or “white” sub-areas of a checkerboard-like, connected surface area can be irradiated, for example, in the manner described above. As described above Such a checkerboard-like surface area does not necessarily have to have square sub-areas, but can have rhomboidal, in particular diamond-shaped, rectangular or square sub-areas, for example. In particular, the further beam splitter device can be designed to split the further primary processing beam in the second direction, so that the further processing beams are aligned to different positions in the processing plane in the second direction, while the beam splitter device is designed to split the primary processing beam in a first direction, so that the processing beams are aligned to different positions in the first direction, preferably perpendicular to the second direction.
Bei einer Ausführungsform ist die Strahlteilereinrichtung zur Aufteilung des primären Bearbeitungsstrahls auf die mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen durch Aufteilen eines Strahlquerschnitts des primären Bearbeitungsstrahls ausgebildet. In diesem Fall erfolgt die Strahlteilung somit nicht durch einen Polarisations-Strahlteiler, bei dem in der Regel der gesamte Strahlquerschnitt in zwei zueinander senkrechte Polarisationsanteile aufgeteilt wird. Die Aufteilung des primären Bearbeitungsstrahls auf die mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen hat sich insbesondere im kollimierten Strahlengang des primären Bearbeitungsstrahls als vorteilhaft erwiesen, so dass die Strahlteilereinrichtung bevorzugt im kollimierten Strahlengang des primären Bearbeitungsstrahls angeordnet ist. Für die Aufteilung des Strahlquerschnitts ist es günstig, wenn die durch das Aufteilen erzeugten Bearbeitungsstrahlen jeweils unter einem Winkel zueinander ausgerichtet werden, der bei der Umlenkung der Bearbeitungsstrahlen an der Scannereinrichtung typischerweise erhalten bleibt. Es ist alternativ oder zusätzlich auch möglich, die Bearbeitungsstrahlen bei der Aufteilung an der Strahlteilereinrichtung lateral zueinander zu versetzen.In one embodiment, the beam splitter device is designed to split the primary processing beam into the at least two processing beams by splitting a beam cross-section of the primary processing beam. In this case, the beam splitting is therefore not carried out by a polarization beam splitter, in which the entire beam cross-section is usually split into two mutually perpendicular polarization components. The splitting of the primary processing beam into the at least two processing beams has proven to be advantageous in particular in the collimated beam path of the primary processing beam, so that the beam splitter device is preferably arranged in the collimated beam path of the primary processing beam. For the splitting of the beam cross-section, it is advantageous if the processing beams generated by the splitting are each aligned at an angle to one another, which is typically maintained when the processing beams are deflected at the scanner device. Alternatively or additionally, it is also possible to offset the processing beams laterally from one another when splitting at the beam splitter device.
Bei einer Weiterbildung ist die Strahlteilereinrichtung zur Aufteilung des primären Bearbeitungsstrahls durch Umlenkung mindestens eines Teilbereichs des Strahlquerschnitts des primären Bearbeitungsstrahls (bevorzugt unter einem Differenzkwinkel zur Strahlrichtung des primären Bearbeitungsstrahls) ausgebildet. Die Strahlteilereinrichtung kann in diesem Fall beispielsweise dazu dienen, die Hälfte des Strahlquerschnitts - und damit die Hälfte der Leistung - des Bearbeitungsstrahls umzulenken, indem die Strahlteilereinrichtung nur eine Hälfte des Strahlprofils überdeckt.In a further development, the beam splitter device is designed to split the primary processing beam by deflecting at least a portion of the beam cross-section of the primary processing beam (preferably at a differential angle to the beam direction of the primary processing beam). In this case, the beam splitter device can be used, for example, to deflect half of the beam cross-section - and thus half of the power - of the processing beam by the beam splitter device covering only half of the beam profile.
Bei einer Weiterbildung ist die Strahlteilereinrichtung als für den primären Bearbeitungsstrahl transparente Keilplatte ausgebildet. Die Keilplatte kann zur Umlenkung eines Teilbereichs des Strahlquerschnitts unter einem Differenzkwinkel dienen, der in der Regel bis zur Bearbeitungsebene beibehalten wird. Durch den Keilwinkel der Keilplatte wird bei gegebener Brechzahl des transparenten Materials der Keilplatte, z.B. Quarzglas, der Differenzwinkel festgelegt. Der Keilwinkel kann insbesondere so festgelegt werden, dass der Abstand der Positionen der mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen in der Bearbeitungsebene einem ganzzahligen Vielfachen der Kantenlänge eines bestrahlten Teilbereichs entspricht. Bevorzugt wird der Keilwinkel so festgelegt, dass der Abstand zwischen den Positionen dem Doppelten oder dem Dreifachen der Kantenlänge eines jeweiligen Teilbereichs in der ersten Richtung entspricht, so dass bei der Bestrahlung eine Lücke von einem oder von zwei Teilbereichen zwischen den simultan bestrahlten Teilbereichen verbleibt. Die Keilplatte wird idealerweise im kollimierten Strahlengang des primären Bearbeitungsstrahls nach einer ggf. erfolgenden Aufweitung und vor der Fokussierung angeordnet, d.h. die Fokussierung erfolgt nicht am primären Bearbeitungsstrahl, sondern an den mindestens zwei Bearbeitungsstrahlen nach der Aufteilung.In a further development, the beam splitter device is designed as a wedge plate that is transparent to the primary processing beam. The wedge plate can be used to deflect a partial area of the beam cross-section at a differential angle that is generally maintained up to the processing plane. The wedge angle of the wedge plate determines the differential angle for a given refractive index of the transparent material of the wedge plate, e.g. quartz glass. The wedge angle can in particular be set such that the distance between the positions of the at least two processing beams in the processing plane corresponds to an integer multiple of the edge length of an irradiated partial area. The wedge angle is preferably set such that the distance between the positions corresponds to twice or three times the edge length of a respective partial area in the first direction, so that during irradiation a gap of one or two partial areas remains between the simultaneously irradiated partial areas. The wedge plate is ideally arranged in the collimated beam path of the primary processing beam after any expansion and before focusing, i.e. focusing does not take place on the primary processing beam, but on the at least two processing beams after division.
Bei einer weiteren, alternativen Weiterbildung ist die Strahlteilereinrichtung als diffraktives optisches Element ausgebildet, beispielsweise als Beugungsgitter oder dergleichen. Das diffraktive optische Element kann insbesondere dazu dienen, den primären Bearbeitungsstrahl in mehrere Bearbeitungsstrahlen aufzuteilen, die idealer Weise identische Eigenschaften aufweisen und sich lediglich in den jeweiligen Winkeln unterscheiden, unter denen diese auf die Scannereinrichtung auftreffen. Aus einem primären Laserstrahl, der z.B. 500 W Leistung und einen Fokus-Durchmesser in der Bearbeitungsebene von ca. 100 µm aufweist, kann das diffraktive optische Element beispielsweise fünf Laserstrahlen erzeugen, die eine Leistung von jeweils 100 W und einen Durchmesser von ebenfalls 100 µm aufweisen. Werden die fünf Bearbeitungsstrahlen nebeneinander und parallel innerhalb eines bestrahlten Teilbereichs bewegt, wird ein Streifen bzw. eine Fläche mit einer Breite von ca. 500 µm aufgeschmolzen. Auf diese Weise lässt sich in gleicher Zeit fünf Mal so viel Material aufschmelzen als mit dem primären Bearbeitungsstrahl, der lediglich einen Durchmesser von 100 µm aufweist.In a further, alternative development, the beam splitter device is designed as a diffractive optical element, for example as a diffraction grating or the like. The diffractive optical element can be used in particular to split the primary processing beam into several processing beams, which ideally have identical properties and only differ in the respective angles at which they impinge on the scanner device. From a primary laser beam, which has, for example, 500 W power and a focus diameter in the processing plane of approx. 100 µm, the diffractive optical element can, for example, generate five laser beams, each with a power of 100 W and a diameter of also 100 µm. If the five processing beams are moved next to one another and in parallel within an irradiated partial area, a strip or an area with a width of approx. 500 µm is melted. In this way, five times as much material can be melted in the same amount of time as with the primary processing beam, which only has a diameter of 100 µm.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Bestrahlungseinrichtung eine Bewegungseinrichtung zur zumindest teilweisen Bewegung der Strahlteilereinrichtung in den Strahlquerschnitt des primären Bearbeitungsstrahls hinein und aus dem Strahlquerschnitt des primären Bearbeitungsstrahls heraus. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann die Keilplatte so in den Strahlengang des primären Bearbeitungsstrahls eingebracht werden, dass diese nur den halben Strahlquerschnitt überdeckt. Für das schnelle Bewegen der Keilplatte in den Strahlengang hinein und aus diesem heraus kann die Bewegungseinrichtung insbesondere eine Dreh- bzw. eine Schwenkbewegung der Keilplatte um eine Drehachse ausführen. Die Bewegungseinrichtung kann zu diesem Zweck beispielsweise als schnelle so genannte Keilweiche ausgebildet sein, wie sie zur Einkopplung in eine 2 in 1-Faser verwendet wird. Die Bewegungseinrichtung kann ausgebildet sein, ein jeweiliges diffraktives optisches Element mit einer linearen Bewegung und/oder mit einer Drehbewegung in den Strahlengang des primären Bearbeitungsstrahls hinein und aus diesem heraus zu bewegen. Für die Steuerung der Bewegungseinrichtung kann ebenfalls die weiter oben beschriebene Steuerungseinrichtung verwendet werden.In a further embodiment, the irradiation device comprises a movement device for at least partially moving the beam splitter device into the beam cross-section of the primary processing beam and out of the beam cross-section of the primary processing beam. As described above, the wedge plate can be introduced into the beam path of the primary processing beam in such a way that it only covers half the beam cross-section. For the rapid movement of the wedge plate into and out of the beam path, the movement device can in particular carry out a rotational or pivoting movement of the wedge plate about a rotational axis. For this purpose, the movement device can be designed, for example, as a fast so-called wedge switch, as is used for coupling into a 2 in 1 fiber. The movement device can be designed to move a respective diffractive optical element into and out of the beam path of the primary processing beam with a linear movement and/or with a rotational movement. The control device described above can also be used to control the movement device.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Bestrahlungseinrichtung eine Fokuslagen-Korrektureinrichtung zur Korrektur der Fokus-Positionen der Bearbeitungsstrahlen auf, die im Strahlengang des primären Bearbeitungsstrahls angeordnet ist. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann aufgrund des bzw. der vergleichsweise geringen Differenzwinkel der Bearbeitungsstrahlen die von der Position in der Bearbeitungsebene abhängige Fokuslagen-Korrektur im primären Bearbeitungsstrahl durchgeführt werden. Als Fokuslagen-Korrektureinrichtung kann beispielsweise eine so genannte varioSCAN-Fokussiereinrichtung dienen, wie sie von der Fa. Scanlab GmbH angeboten wird.In a further embodiment, the irradiation device has a focus position correction device for correcting the focus positions of the processing beams, which is arranged in the beam path of the primary processing beam. As described above, due to the comparatively small difference angle(s) of the processing beams, the focus position correction, which depends on the position in the processing plane, can be carried out in the primary processing beam. A so-called varioSCAN focusing device, such as that offered by Scanlab GmbH, can be used as the focus position correction device.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Bestrahlungseinrichtung ein bevorzugt telezentrisches F-Theta-Objektiv zur Fokussierung der Bearbeitungsstrahlen in der Bearbeitungsebene auf. Bei einem F-Theta-Objektiv handelt es sich um eine spezielle Art von Objektiv, das für Scanner-Anwendungen verwendet wird. Ein F-Theta-Objektiv erzeugt im Gegensatz zu einem abbildenden (Kamera-)Objektiv eine gewollte linienförmige Verzeichnung, um die F-Theta-Bedingung f * θ = X zu erfüllen, wobei X den Abstand von der Mitte des Bearbeitungsfeldes in der Bearbeitungsebene, f die Brennweite des F-Theta-Objektivs und θ den Winkel bezeichnen, unter dem der jeweilige Bearbeitungsstrahl in der Eintrittspupillenebene des F-Theta-Objektivs zur optischen Achse des F-Theta-Objektivs ausgerichtet ist. In a further embodiment, the irradiation device has a preferably telecentric F-theta lens for focusing the processing beams in the processing plane. An F-theta lens is a special type of lens that is used for scanner applications. In contrast to an imaging (camera) lens, an F-theta lens produces a desired linear distortion in order to fulfill the F-theta condition f * θ = X, where X is the distance from the center of the processing field in the processing plane, f is the focal length of the F-theta lens and θ is the angle at which the respective processing beam in the entrance pupil plane of the F-theta lens is aligned to the optical axis of the F-theta lens.
Durch das F-Theta-Objektiv kann die ortsabhängige Variation des Abstands der Bearbeitungsstrahlen in der Bearbeitungsebene, die vom Umlenkwinkel der Scannereinrichtung abhängig ist, reduziert werden. Bei der Verwendung eines telezentrischen F-Theta-Objektivs bzw. allgemein eines telezentrischen Objektivs treffen die Bearbeitungsstrahlen (im Wesentlichen) unabhängig vom Umlenkwinkel und somit unabhängig vom Ort im Bearbeitungsfeld stets senkrecht auf das Bearbeitungsfeld, so dass praktisch keine ortsabhängige Variation des Abstandes zwischen den Bearbeitungsstrahlen in der Bearbeitungsebene mehr auftritt.The F-Theta lens can reduce the location-dependent variation in the distance between the processing beams in the processing plane, which depends on the deflection angle of the scanner device. When using a telecentric F-Theta lens or a telecentric lens in general, the processing beams (essentially) always hit the processing field perpendicularly, regardless of the deflection angle and thus regardless of the location in the processing field, so that there is practically no location-dependent variation in the distance between the processing beams in the processing plane.
Es versteht sich, dass die weiter oben beschriebene Bestrahlungseinrichtung bzw. eine Bearbeitungsmaschine, welche die Bestrahlungseinrichtung umfasst, mindestens eine Strahlquelle, insbesondere mindestens eine Laserquelle, zur Erzeugung des mindestens einen primären Bearbeitungsstrahls bzw. des primären Laserstrahls aufweisen kann. Insbesondere können Laserquellen verwendet werden, die eine Leistung im Bereich von mehr als 100 W aufweisen.It is understood that the irradiation device described above or a processing machine comprising the irradiation device can have at least one beam source, in particular at least one laser source, for generating the at least one primary processing beam or the primary laser beam. In particular, laser sources can be used which have a power in the range of more than 100 W.
Ein weiterer Aspekt betrifft eine Bearbeitungsmaschine zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen durch Bestrahlen von Pulverschichten, umfassend: eine Bestrahlungseinrichtung, wie sie weiter oben beschrieben ist, sowie eine Bearbeitungskammer mit einer Bearbeitungsebene, in der die zu bestrahlende Pulverschicht anordenbar ist. Die Bearbeitungsmaschine kann beispielsweise wie in der
Bei einer Ausführungsform weist die Bearbeitungsmaschine eine Bereitstellungseinrichtung zum Bereitstellen eines Gasstroms auf, der in einem zur Bereitstellung eines Pulverbetts vorgesehenen Bauplattformbereich über die Bearbeitungsebene strömt, und dessen Strömungsrichtung bevorzugt zumindest teilweise der Bewegungsrichtung der Bearbeitungsstrahlen entgegen gerichtet ist und/oder bei der der Steuerungseinrichtung ausgebildet ist, die Reihenfolge der Bestrahlung der Teilbereiche in Abhängigkeit vom Abstand der jeweiligen Teilbereiche in Strömungsrichtung von einer Bereitstellungseinrichtung zur Bereitstellung des Gasstroms festzulegen. Der Gasstrom kann wie in der oben zitierten
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further advantages of the invention emerge from the description and the drawing. Likewise, the features mentioned above and those listed below can be used individually or in combination in any desired way. The embodiments shown and described are not to be understood as an exhaustive list, but rather are exemplary in nature for the description of the invention.
Es zeigen:
-
1a eine schematische Darstellung einer Bestrahlungseinrichtung mit einer Strahlteilereinrichtung zur Aufteilung eines primären Bearbeitungsstrahls in zwei Bearbeitungsstrahlen, die auf unterschiedliche Positionen in einer Bearbeitungsebene ausgerichtet werden, -
1b ein Detail der Strahlteilereinrichtung in Form einer Keilplatte zur Umlenkung der Hälfte des Strahlquerschnitts des primären Bearbeitungsstrahls, -
2 eine schematische Darstellung einer Bearbeitungsmaschine zum Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen durch Bestrahlen von Pulverschichten mit der Bestrahlungseinrichtung gemäß1a , -
3a ,b schematische Darstellungen von Teilbereichen eines zusammenhängenden Flächenbereichs in der Mitte und am Rand eines Bearbeitungsbereichs einer Scannereinrichtung, -
4 eine schematische Darstellung einer Bearbeitungsmaschine mit einer Bestrahlungseinrichtung mit drei Strahlquellen, -
5a ,b schematische Darstellungen der Bestrahlung eines kreisförmigen Flächenbereichs einer Schicht eines dreidimensionalen Bauteils mitder Bearbeitungsmaschine von 4 , sowie -
6 eine schematische Darstellung der Bestrahlung eines zusammenhängenden Flächenbereichs mit einer Mehrzahl von rhomboiden Teilbereichen.
-
1a a schematic representation of an irradiation device with a beam splitter device for splitting a primary processing beam into two processing beams which are aligned to different positions in a processing plane, -
1b a detail of the beam splitter device in the form of a wedge plate for deflecting half of the beam cross-section of the primary processing beam, -
2 a schematic representation of a processing machine for producing three-dimensional components by irradiating powder layers with the irradiation device according to1a , -
3a ,b schematic representations of sub-areas of a contiguous surface area in the middle and at the edge of a processing area of a scanner device, -
4 a schematic representation of a processing machine with an irradiation device with three beam sources, -
5a ,b schematic representations of the irradiation of a circular surface area of a layer of a three-dimensional component with the processing machine of4 , as well as -
6 a schematic representation of the irradiation of a contiguous surface area with a plurality of rhomboid sub-areas.
Die Keilplatte 7 weist einen Keilwinkel γ auf, der bewirkt, dass der zweite Bearbeitungsstrahl 4b gegenüber dem ersten Bearbeitungsstrahl 4a (und gegenüber dem primären Bearbeitungsstrahl 4) unter einem Differenzwinkel δ umgelenkt wird. Der Differenzwinkel δ hängt in einer für den Fachmann bekannten Weise vom Keilwinkel γ und vom Brechungsindex des Materials der Keilplatte 7 ab. Der Differenzwinkel δ wird bei der zweifachen Umlenkung bzw. Reflexion der Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b an den beiden Scanner-Spiegeln 6a, 6b der Scannereinrichtung 5 beibehalten, so dass die beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b an unterschiedlichen Positionen P1, P2 in dem zusammenhängenden Flächenbereich 2 auf die Pulverschicht 3 treffen. Im gezeigten Beispiel verläuft der Differenzwinkel δ in der XZ-Ebene eines XYZ-Koordinatensystems, d.h. die beiden Positionen P1, P2 der beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b sind in einer ersten Richtung, die nachfolgend als X-Richtung bezeichnet wird, in einem Abstand 2 L voneinander beabstandet. Der Abstand 2 L der Positionen P1, P2 der beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b auf der Pulverschicht 3 hängt neben dem Differenzwinkel δ auch vom (bekannten) Abstand der Bearbeitungsebene E von der Bestrahlungseinrichtung 1 bzw. von der Scannereinrichtung 5 ab. Die Bearbeitungsebene E liegt im gezeigten Beispiel in der XY-Ebene des XYZ-Koordinatensystems.The
Die Bewegungseinrichtung 8 ist im gezeigten Beispiel zur Drehung der Keilplatte 7 um eine parallel zur Strahlrichtung des primären Bearbeitungsstrahls 4 verlaufende Drehachse ausgebildet. Es hat sich herausgestellt, dass mit Hilfe einer Drehbewegung die Keilplatte 7 besonders schnell in den Strahlquerschnitt A des primären Bearbeitungsstrahls 4 hinein und wieder aus diesem heraus bewegt werden kann. Dies ist vorteilhaft, um ein möglichst schnelles Umschalten zwischen einer Bestrahlung der Pulverschicht 3 mit dem primären Bearbeitungsstrahl 4 und einer Bestrahlung der Pulverschicht 3 mit den beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b zu ermöglichen.In the example shown, the
Wie in
Der in
Der im gezeigten Beispiel rechteckige zusammenhängende Flächenbereich 2 wird für die Bestrahlung in eine Mehrzahl von quadratischen Teilbereichen aufgeteilt, und zwar in insgesamt acht Teilbereiche in Längsrichtung (X-Richtung) und in drei Teilbereiche in Querrichtung (Y-Richtung) des zusammenhängenden Flächenbereichs 2, von denen sechs Teilbereiche T1 bis T6 in
Wie in
Für die Bestrahlung der beiden Teilbereiche T3, T4 werden die Positionen P1, P2 der beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b in der Bearbeitungsebene E simultan mit Hilfe der Scannereinrichtung 5 verändert, bis die Pulverschicht 3 in den beiden Teilbereichen T3, T4 vollständig aufgeschmolzen ist. Im gezeigten Beispiel werden beim simultanen Verändern der Positionen P1, P2 der beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b die beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b in einer scannenden Bewegung über die gesamte Kantenlänge L der Teilbereiche T3, T4 in Y-Richtung bewegt. Am Rand des jeweiligen Teilbereichs T3, T4 erfolgt eine Bewegungsumkehr, bei der die beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b geringfügig in X-Richtung versetzt werden, um eine benachbarte Bahn bzw. Spur in Y-Richtung in einer scannenden Bewegung abzufahren. Anschließend erfolgt eine erneute Bewegungsumkehr der beiden Bearbeitungsstrahlen in X-Richtung. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis die beiden Teilbereiche T3, T4 vollständig, d.h. über deren gesamte Fläche, aufgeschmolzen sind.For the irradiation of the two partial areas T3, T4, the positions P1, P2 of the two
Nach dem Bestrahlen des dritten und vierten Teilbereichs T3, T4 werden mittels der beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b zwei weitere Teilbereiche, nämlich der fünfte und sechste Teilbereich T5, T6 bestrahlt. Zu diesem Zweck werden die beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b zunächst in dem fünften und sechsten Teilbereich T5, T6 bewegt, d.h. deren Positionen P1, P2 in der Bearbeitungsebene E werden geeignet verändert. Bei der Neu-Positionierung der beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b werden diese typischerweise abgeschaltet, indem eine in
Gegebenenfalls können diejenigen Teilbereiche, welche in dem zusammenhängenden Flächenbereich 2 die Lücken zwischen dem ersten und dem zweiten Teilbereich T1, T2, dem dritten und dem vierten Teilbereich T4, T5, dem fünften und dem sechsten Teilbereich T5, T6 etc. bilden, mit Hilfe der beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b bearbeitet werden, indem diese in Y-Richtung und nicht in X-Richtung simultan bewegt werden. Zu diesem Zweck kann die Bestrahlungseinrichtung 1 eine weitere Strahlteilereinrichtung aufweisen, beispielsweise in Form einer weiteren, um 90° gedrehten Keilplatte, um den primären Bearbeitungsstrahl 4 in zwei Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b aufzuteilen, deren Positionen P1, P2 in der Bearbeitungsebene E in Y-Richtung versetzt sind.If necessary, those sub-areas which form the gaps between the first and second sub-areas T1, T2, the third and fourth sub-areas T4, T5, the fifth and sixth sub-areas T5, T6, etc. in the
In einem nachfolgenden oder vorausgehenden Schritt können der Randbereich 12 sowie die Randkontur 11 mit dem primären Bearbeitungsstrahl 4 bestrahlt werden, um die innerhalb der Randkontur 11 befindliche Fläche vollständig zu bestrahlen. Die Koordination der Bewegungen der Scanner-Spiegel 6a, 6b sowie der Strahlteilereinrichtung 7 erfolgt bei dem gezeigten Beispiel mittels einer in
Die Orientierung der X-Richtung und der Y-Richtung in der Bearbeitungsebene E ist grundsätzlich beliebig. Im gezeigten Beispiel stimmt die positive Y-Richtung mit der Strömungsrichtung eines Schutzgasstroms 13 überein, der über die Pulverschicht 3 geführt wird. Der Schutzgasstrom 13 wird in einer Bearbeitungskammer 16 einer in
Die Bearbeitungsmaschine 15 weist auch eine Bereitstellungseinrichtung 21 für die Bereitstellung des Schutzgasstroms 13 auf, die in
Für das Erzeugen einer neuen Schicht des dreidimensionalen Bauteils 20 wird zunächst aus einem in der Bearbeitungskammer 16 angeordneten Pulverreservoir-Behälter 22 Pulver entnommen und von einem Pulverreservoir-Bereich 18, in dem der Pulverreservoir-Behälter 22 sich befindet, in den Bauplattformbereich 17 verbracht. Im gezeigten Beispiel wird zu diesem Zweck eine nicht näher dargestellte Schiebevorrichtung verwendet, welche das Pulver von dem Pulverreservoir-Bereich 18 in den Bauplattformbereich 17 überführt, indem das Pulver auf der Oberseite einer in der Bearbeitungsebene E befindlichen Arbeitsfläche verschoben wird. Der Stempel in dem Bauplattformbereich 17 und somit das Pulverbett 19 wird parallel um die Schichtdicke einer Pulverschicht nach unten verschoben, wie in
Ein Bearbeitungsbereich B für die Durchführung der Bestrahlung der Pulverschicht 3 ist seitlich durch den Bauzylinder des Bauplattformbereichs 17 begrenzt. Die Abmessung des Bearbeitungsbereichs B, die beispielsweise bei ca. 30 cm liegen kann, ist an den (maximalen) Umlenkwinkel α des primären Bearbeitungsstrahls 4 durch die Scannereinrichtung 5 angepasst, d.h. die Scanner-Spiegel 6a, 6b können so weit um ihre jeweilige Drehachse gedreht werden, dass jeder Ort des Bearbeitungsbereichs B in der Bearbeitungsebene E erreicht werden kann.A processing area B for carrying out the irradiation of the
Wie in
Der Differenzwinkel δ zwischen den beiden Bearbeitungsstrahlen 4a, 4b in X-Richtung kann durch die Wahl des Keilwinkels γ der Keilplatte 7 eingestellt werden.
Bei dem in
Wie bei dem in
Bei der in
Für die vollständige Bestrahlung einer von einer kreisförmigen Randkontur 11 umrandeten Fläche eines im gezeigten Beispiel zylindrischen dreidimensionalen Bauteils 20 kann eine Bestrahlung durchgeführt werden, bei welcher nur die drei primären Bearbeitungsstrahlen 4, 25, 26 verwendet werden, wie dies in
Bei der in
Wie in
Durch die Aufteilung der beiden primären Bearbeitungsstrahlen 4, 25 auf die jeweils fünf Bearbeitungsstrahlen 4a-e, 25a-e mit Hilfe der diffraktiven optischen Elemente 24, 24a weisen die fünf Bearbeitungsstrahlen 4a-e, 25a-e in der Bearbeitungsebene E jeweils ungefähr denselben Durchmesser auf wie die beiden primären Bearbeitungsstrahlen 4, 25. Auf diese Weise kann die Breite des von den Bearbeitungsstrahlen 4a-e, 25a-e bei einer Überfahrt überstrichenen Bereichs in der Bearbeitungsebene E um das Fünffache gesteigert werden, d.h. beispielsweise von einer Breite von 100 µm auf eine Breite von 500 µm. Auf diese Weise kann in derselben Zeit die fünffache Fläche aufgeschmolzen werden als mit einem jeweiligen primären Bearbeitungsstrahl 4, 25. Es versteht sich, dass an Stelle von fünf Bearbeitungsstrahlen 4a-e, 25a-e auch eine größere oder kleinere Anzahl von Bearbeitungsstrahlen verwendet werden kann, um einen jeweiligen ersten Teilbereich T1 bzw. einen jeweiligen zweiten Teilbereich T2 zu bestrahlen.By dividing the two
Für die Durchführung des im Zusammenhang mit
Es versteht sich, dass die Bestrahlung der jeweiligen Teilbereiche T1, T2, ... nicht zwingend in einer scannenden Bewegung erfolgen muss, sondern dass das bei der Bestrahlung eines jeweiligen Teilbereichs T1, T2, ... verwendete Muster grundsätzlich beliebig ist, auch wenn die Verwendung einer scannenden Bewegung in der Regel günstig ist.It is understood that the irradiation of the respective sub-areas T1, T2, ... does not necessarily have to be carried out in a scanning movement, but but that the pattern used when irradiating a particular sub-area T1, T2, ... is basically arbitrary, even if the use of a scanning movement is usually advantageous.
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